(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210630688.6 (22)申请日 2022.06.06 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 华北 电力大学 (72)发明人 石敏　赵国亮　王素琴　朱登明　 (51)Int.Cl. G06T 17/20(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) (54)发明名称 一种三维鱼体姿态参数化方法 建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种三维鱼体姿态建模 方法， 所述方法， 包括： 步骤1： 获取真实三维鱼体姿态 数据； 步骤2： 基于真实鱼体姿态数据定义 鱼体模 板和鱼体骨架模 型， 并将鱼体模板进行按照鱼体 骨架关节划分成几个分块， 同时对扫描实例做预 处理； 步骤3： 使用鱼体姿态建模方法对鱼体姿态 数据集进行参数化建模， 训练实例数据， 优化得 到姿态变形所需要的参数； 步骤4： 输入高层语义 参数， 能够对鱼体姿态进行预测生成不同姿态的 网格数据， 为三维鱼体姿态数据集的构建提供了 一种可行的方法。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 114898070 A 2022.08.12 CN 114898070 A 1.一种基三维鱼体姿态参数化建模方法， 其特 征在于， 包括下述 步骤： 步骤1： 获取样本数据， 对数据进行 预处理； 步骤2： 提取模板网格与拓扑对齐后的数据之间的变形特征， 生成的刚性变形空间和非 刚性变形空间； 步骤3： 训练模型， 求 解刚性变形空间和非刚性变形空间之间的线性关系； 步骤4： 给定高层语义 参数， 输入到参数化模型中， 给 出对应的三维鱼体姿态模型。 2.根据权利要求1所述的一种基三维鱼体姿态参数化建模方法， 其特征在于， 所述步骤 1具体包括： 步骤11： 搭建激光扫描平台， 从扫描的鱼体姿态数据集中挑选尺寸合适的一条三维网 格模型， 并基于此， 由专业模型设计师依据扫描 数据实例， 简化出相同尺寸和姿态的网格模 型， 并将简化后完整的网格模型定义为鱼体模板， 与扫描数据相比鱼体模板有均匀的面片 和较少的顶点数量； 步骤12： 参 考真实的鱼类骨骼系统和运动方式， 简化鱼的骨骼， 定义鱼的骨骼关节； 步骤13： 在步骤12之后， 基于简化后的鱼体骨骼数量和关节位置将鱼体模板对进行分 块， 这是为后面的参数化鱼体网格做准备； 步骤14： 先将采集的样本数据进行下采样处理， 采集的原始点云数据顶点数量庞大， 会 对后面的操作造成影响； 之后去除扫描数据的离散顶点， 在采集过程中会扫描到场景中的 旁边的物体， 所以会有离散顶点的出现， 这些离散顶点需要除掉； 最后， 将这些扫描数据实 例与步骤11中定义的鱼体模板非刚性对齐， 使其拓扑结构一致， 拥有相同的顶点数和面片 数。 3.根据权利要求1所述的一种基三维鱼体姿态参数化建模方法， 其特征在于， 所述步骤 2具体包括： 步骤21： 利用步骤14得到的相同拓扑的鱼体姿态数据集和步骤11的鱼体模板， 计算实 例数据与鱼体模板相同分块的之间的刚性和非刚性变形矩阵。 首先计算对应分块的绝对旋 转矩阵， 由于存在非刚性变形， 则计算近似的绝对旋转矩阵R＝{R1,R2,...,Rl}； 步骤22： 将步骤21中计算的全局旋转矩阵转化成相对旋转矩阵， 在这里本发明认为， 一 个关节， 只与最近的两个关节存在非刚性变形 的关系， 所以与距离最近的两个关节计算相 对旋转矩阵， 假设当前关节点所属的分块的绝对旋转矩阵为R1， 且与其最近 的两个关节点 所属的分块的绝对旋转矩阵为R2， R3， 那么它们对应的相对旋转矩阵为 步骤23： 本发明认为鱼体姿态网格发生了刚性和非刚性变形， 发生网格变形经过非刚 性和刚性变形两步； 为了方便表示变形过程， 三角形的两个边可以描述一个三角， 可以看到 对三角形进行非刚性变形和刚性变形 可以得到最终变形后的三角形； 步骤24： 在鱼体姿态实例已知的情况下， 可 以得到步骤22的旋转矩阵R＝{R1,R2,..., Rl}； 利用实例数据以及旋转矩阵R＝{R1,R2,...,Rl}通过求解目标函数， 得到一个估计的矩 阵Q＝{Q1,Q2,...,QF}， 其中 目标函数公式具体表示如下： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114898070 A 2其中， 为实例数据的旋转矩阵， Q为实例Yi的非刚性变形矩阵， vk,j为鱼体模板上的 边， 为实例数据Yi上对应的边， 同时约束 项保证了相邻的三角形非刚性变形矩阵的相似。 4.根据权利要求1所述的一种基三维鱼体姿态参数化建模方法， 其特征在于， 所述步骤 3具体包括： 步骤31： 为了刚好的表示关节旋转， 我们将旋转矩阵进行降为twist向量， 之间的具体 公式参考如下： 其中， mi,j为相对旋转矩阵中的元 素， i， j为矩阵元 素的行数和列数， M为相对旋转矩阵； 步骤32： 上述步骤31， 可以得到所有实例数据与鱼体模板之间的刚性变形矩阵计算出 来的twist向量， 利用线性回归计算刚性变形矩阵与非 刚性变形矩阵之间的线性关系， 求解 两者之间的系数； 在本发明中认为影响某个分块 非刚性变形只与关节点距离最近的两个关 节点的旋转存在关系， 所以本发明将两个twist向量和一个偏量进行合并， 得到一个7*1的 向量； 步骤33： 基于此， 计算由实例数据估计出来的非刚性变形矩阵和7*1向量之间的线性系 数， 具体公式参见如下： 5.根据权利要求1所述的一种基三维鱼体姿态参数化建模方法， 其特征在于， 所述步骤 4具体包括： 步骤41： 输入与步骤12定义的关节点对应的高层语义鱼体姿态参数， 将对应的姿态参 数对关节点所在的鱼体分块网格进行旋转， 得到旋转后刚性变形 的鱼体姿态模型， 此时的 鱼体没有非刚性变形的变化； 步骤42： 将步骤41得到的刚性鱼体网格模型与鱼体模板相对应的分块做计算出近似的 旋转矩阵R， 再利用步骤32得到的线性系数与R估算出一组非 刚性变形矩阵Q， 如果只对离散 的三角形变形， 那么不会生 成一个完整的鱼体网格， 所以利用三角形边的信息相互制约， 使 其计算最优值能够生成一个完整的目标鱼体姿态网格； 其中， yj,k表示待求 解鱼体姿态网格中pk的第j个顶点， 式(4)采用最小二乘法来 求解。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114898070 A 3