【毕业学位论文】基于切片图像的三维人体表面建模研究

分类号 学校代码 10495 004 学 号 0915133009 武汉纺织大学 硕 士 学 位 论 文 基于切片图像的三维人体表面建模研究 作者姓名： 王 晓 霞 指导教师： 陈永强 教授 学科门类： 工 学 专 业： 计算机科学与技术 研究方向： 计算机图形图像处理 完成日期： 二零一二年三月 . E. on of on y 012 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解武汉纺织大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权武汉纺织大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 论文题目：基于切片图像的三维人体表面建模研究 专业：计算机科学与技术 硕士生：王晓霞 指导老师：陈永强 摘要 随着网络的普及和虚拟现实技术的发展，国内外服装们对服装的个性化、适合度要求越来越高。同时市场对三维服装维服装成化、信息化方向发展。因此，三维服装三维人体表面建模是服装以本文进行了三维人体建模的研究。 三维人体建模研究始于20世纪70年代，一直是计算机图形学研究的热点内容。它有很广泛的应用领域，可以用于航空航天、医学、服装等领域。目前，人体建模的方法主要有线框建模、实体建模、曲面建模和基于物理特性的建模等方法，对于不同的领域要求，选用适合的建模方法。 人体可视化数据集中的人体切片图像被广泛地应用于医学领域的三维重建中，本文将人体可视化数据集作为人体表面建模的数据材料。首先要获取人体表面的数据点，由于医学领域环境的特殊性，获取的切片图形包含了很多冗余的信息，所以对切片图形进行处理，首先利用着对其图形二值化处理、图像去噪、轮廓跟踪与提取等步骤，得到了人体表面轮廓的顶点数据。为了减少三维重建阶段的复杂性，采用弦值法对数据点进行简化筛选，实现了根据曲率变化的数据点稀疏，而且筛选后的数据点形成的轮廓线仍保持原来的形状。 基于轮廓线的三维重建是用三角形填充在相邻轮廓线间，形成物体表面。首先，介绍了凸轮廓线和非凸轮廓线之间的三维形体重构方法。同时，由于人体结构的特征，切片图像经过轮廓提取后存在单轮廓线和多轮廓线，在三角片的生成过程中会遇到分支和对应问题。本文总结了已有的研究成果，研究了其中的相关算法，在此基础上提出了改进的最短轮廓线算法，该算法的关键在于寻找最优配对点；针对对应问题，提出了一种简单的判断轮廓线对应关系的方法。 关键字：人体建模； 体可视化数据集；切片图像处理；三维重建 研究类型：应用研究 on of on of of of AD is So to to It to be by on of is of of on of in is of a of as on is to et a in is to of of is by is to of a of we to We to so we In to of on on is is of is a At to of In we In of is of is to we a to 目录 I 目 录 1 绪论.题背景及意义.三维人体建模技术的研究现状. 三维重建算法概述.三维表面重建流程. 三维人体建模的方法及. . . .章小结.人体切片图像的数据的获取及预处理. 图像预处理. 图像二值化处理. 图像去噪. 图像边缘轮廓提取.据处理.像素坐标值归一化处理. . 数据点的简化及筛选.章小结. 基于二维轮廓线的三维重建.轮廓线之间的三维形体重构. 凸轮廓线之间的三维形体重构.目录 构造连接两轮廓线的三角面片. 非凸轮廓线之间的三维形体重构.轮廓线之间的三维形体重构. 轮廓线对应问题. 轮廓线分支问题.体表面的三维重建.章小结. 总结与展望.作总结.作展望. 谢.考文献.录.1 绪论 1 1 绪论 题背景及意义 本课题来源于湖北省教育厅科学技术研究项目 “面向服装的个性化数字人体建模与仿真”与湖北省数字化纺织装备重点实验室项目“服装个性化三维人体变形模型研究与实现”。 随着电子信息技术的不断发展，我们已经进入了一个信息化的社会，计算机技术已经渗透到了各行各业中，同时人们的思想也在不断变化和进步。作为人类生存的需求的服装已经不再是简单地用来取暖了，人们越来越追求服装的个性化和舒适度。 随着电子设备的不断更新，服装工业的竞争越来越激烈，要想紧跟时代的步伐，满足消费者多样化的需求，就需要不断提高服装产品的质量和设计模式。这就需要采用先进的技术设备来提升传统的纺织产业。服装 术就是在这种需求下不断发展的，它结合了服装产品和电子信息技术。 美国总是走在时代的最前端，它首先看到了服装于20世纪60年代推出了服装一举动带动了服装行业的发展，使它走上了体来说，服装（称 是将工业 服装工业进行有效的结合，将它的技术与理论应用到服装的设计、生产、经营管理等各个环节，提高生产效率与产品的质量。自70年代起，一些技术发达国家看到了服装 术的应用前景，并开始进行研究，取得了较好的发展2。 服装工业的不断发展与成熟，已经由当初的手工工作方式到自动流水线即由“劳动密集型”向“技术密集型”产业转化，效率得到了很大的提高。它的发展过程也带动了人们思想的转变。一方面，人们的购买行为发生了很大的改变，同时购买方式也发生了变化，可以直接在网上进行购物。在这个变化过程中，服装 术起到了承前启后的重要作用。美国 统3研究比较快，首先开发了三维立体缝纫系统，后又进行了服装产品的无人化生产。在国际影响比较大的有美国的班牙我国的服装展缓慢，服装行业以，我国服装行业不仅要学习国外的先进知识和经营管理理念，同时要不断地引进先进技术，积极开展今为止，我们推出的二维装圳华怡的富怡服装些系统的功能比较齐全，主要包括效果图设计、排料设计等，但是二维的属于平面设计，没有立体感,不能给人真实的感觉，而且二维 统设计出的纸样不能真实地进行展示，所以二 1 绪论 2 维服装 统已经不能满足社会的需求。而且随着社会的不断发展，人们对服装个性化的要求越来越高，以及维服装此市场对三维服装 需求越来越迫切。三维服装 统能够实时地展示服装的立体效果，并且能够多角度地实现；还可以进行网络虚拟试衣，通过网络输入自身的结构特征来看试穿的效果等。总之，三维服装三维服装 统功能的实现很大程度上是依赖于数字人体模型的，所以建立逼真的人体模型对服装 统研究有着重要的作用。本课题是基于切片图形的三维人体表面建模研究，目的就是为了面向服装应用的三维人体模型，为后一步实现三维人体的参数化动态建模和三维人体的仿真打下基础，在服装 络虚拟试衣、动画游戏等方面有着重要的意义。 体表面建模技术4的研究始于20世纪70年代，这是一个多学科交叉的研究领域，涉及到数字图像处理和计算机图形学的相关知识，在很多领域有重要的应用，例如航空航天领域、汽车制造领域、医疗手术的模拟与训练等5相对于不同领域的要求和条件，获取数据点的方式和三维重建的方法会有不同，比如用激光测距方法7对人体进行三维建模，这需要昂贵的设备和特殊的环境，或者用普通的设备8(照相机、摄像机)对人体进行建模，要克服一些外部的光的环境或者其他因素，可能会影响到最终的建模效果。 维人体建模技术一直是一个热点的研究内容。至今为止，有许多的学者在不断的研究三维人体建模技术，并提出了其建模方法。根据三维人体建模的数据获取方法和建模特点，分为以下几种： （1）基于解剖学的人体建模9 这种建模主要是基于医学领域的研究，它从生理解剖学的角度分析，将人体分为皮肤层、肌肉层、骨架层和组织器官层这五部分。以此为基础对人体进行建模时，对于不同层可以采用不用的建模方法，比如，皮肤层在最外层，最能反映人体表面的信息特征，采用基于物理特性的建模方法，通过设定皮肤层的物理参数如顶点的质量、弹性等。对于骨头层，它是比较刚性的物体，可以采用几何模型。 （2）基于三维扫描的人体建模10 这类方法是用利用专业设备对已存在的真实人体进行三维重建的一种方法。首先用结构光或激光三维扫描仪获取三维人体的信息，三维扫描仪是整个系统的重要要工具和 1 绪论 3 核心部分。然后利用三维数据点对人体进行建模。该方法的优点是能快速方便的将真实人体的信息转换成算机所需要的数字信号，对物体的细节表达地很正确；缺点是需要依赖于昂贵的设备，获取的数据量大，重建速度慢。 （3）基于图像的人体建模11 基于图像的人体建模是指利用视频图像序列或照片序列中获得的二维图像，来获取人体的几何特征，根据人体轮廓的几何特征来重建人体模型。这种建模方法的优点是建模费用比较低，只需要从有限的图像序列中就可获取人体的几何特征，国内外已经展开了很多研究工作。但是它也存在缺陷，在获取人体图像时要求人穿内衣或紧身衣服，否则的话会影响重构的三维人体的精度。 （4）参数化人体建模12 参数化人体建模是建立个性化人体的一种方法，通过设定人体的几何参数来表达人体的形状特征，用抽象的特征参数来表达真实人体复杂的外部特征，使设计人员能够更抽象的进行人体模型设计。这是一种基于传统几何建模方法上的更为抽象的建模方法。用参数化控制人体的身体测量尺寸的优点是，操作员只需要修改形体参数的值，人体的形状就会发生改变，而不必考虑人体本身。但是该方法也有其弊端，它要求用户提供的参数是由专业人员通过专业的设备获取或计算出来的，有一定的局限性。 维重建算法概述 三维重建技术的研究工作最初应用于医学领域，经历很长时期的发展历程，包括两种技术：体绘制和面绘制13 (1)体绘制算法也称为直接绘制算法，即不构造中间几何图元，直接对数据场中每个象素进行处理，直接由三维数据场产生屏幕上的二维信息。同时交互调节不透明度、光照效果等参数，进而合成具有三维效果的图像。体绘制算法根据所处理的数据域的不同，可以分为空域和频域两种体绘制15采用这种算法可以产生质量较好的图像，但是它的交互性比较差，而且算法运算量大，效率较低。 体绘制算法的思想是为每一个体素制定颜色值和不透明度值，并考虑每一个体素对光线的透射、发射和反射作用。这一算法比较适合绘制没有固定形状的物体，如云、气体等，因为它没有构造中间图元，使其建立的三维模型不能直接应用于成型制造，限制了应用范围。 (2)面绘制算法又称为表面重建算法。与体绘制算法不同的是，该算法首先要构造中间几何图元(如平面、曲面等)，然后再用计算机图形学技术实现画面绘制。因为面绘制算法利用了多边形绘制技术，同时运用了三维图形加速硬件，所以绘制速度较快。 面绘制首先是要获取重建物体表面的数据信息，然后将这些数据转化为由一系列多 1 绪论 4 边形表面片拟合的等值面，所谓等值面是指空间中的一张曲面，该曲面上函数的值等于某一给定值。最后根据光照、明暗等技术进行消隐和渲染得到逼真的三维模型表面。根据面绘制重建过程中所采用的数据形式，可以将面绘制方法分为体素级的表面重建和切片级的表面重建两类： 基于体素的表面重建 基于体素的表面重建是在体数据内以体素为单位跟踪表面，在构成表面的体素内进行进行小面片的重建，即构造体数据的等值面。基于体素的等值面构造方法有以下几种： 立方体法17是由最早的体素级重建方法。它的基本思想是将三维图像中的每个象素看成是空间中的一个六面体单元，在体素内数据场有相同的值，用边界体素的六个面来拟合等值面。这种方法的优点是简单易操作，适合于并行处理，但是它会出现较严重的走样，显示效果粗糙，不能反映物体的细节信息。 移动立体法18是面绘制中其中的一种经典算法，它是由 987 年提出来的。移动立体法首先要找出三维数据场中的体元位置，体元的确定原则是当体元一个角点的函数值大于给定的等值面的值时，将交点位置设为 1，则该角点位于等值面内，相反，如果该角点的函数值小于等值面的值，该角点位于等值面外。根据这样的原则来判断所求等值面与哪些体元相交，求等值面与体元边界的交点，利用这些交点连接成多边形，形成等值面的一部分，最后求等值面的法向。但是移动立体法有一定的缺陷：首先，移动立体法构造的三角面片只能近似地表示等值面；其次，连接上存在着二义性。 移动四面体法19是在移动立体法基础上发展起来的。它的基本思想是将立方体体元分解为多个四面体，再计算四面体与表面相交的部分，最终找到等值面。该算法实现简单，同时也避免了移动立体法中存在的连接二义性。 剖分立方体法20也是一种等值面构造方法，它的基本思想是用离散点来近似地表示物体表面。首先在数据场中找出等值面经过的体元的位置，再判断这些体元在屏幕上的投影是否大于象素。只有当等值面的体元在屏幕上的投影全部等于或者小于象素时，这些小体元才全部投影到屏幕上，形成所需要的等值面。 基于切片的表面重建 基于切片的表面重建21是最早被用于进行表面绘制的方法，该算法的基本思想是首先在二维图片上提取出物体的轮廓线，然后找出相邻层图像相应的轮廓线及其对应点，采用一定的规则用三角片连接，形成三角面片，所以也被称为轮廓线算法。由一系列二维轮廓线重建三维表面是三维数据场可视化中一种常见的表面绘制方法。它在重建阶段可能会遇到以下问题： 对应问题：对应问题是指在相邻层间的轮廓线间确定正确的拓扑连接关系。一般 1 绪论 5 情况下，仅仅依靠数据信息是不容易确定轮廓线间的对应关系的，要采用相关的技术来解决。 分支问题：当相邻层间的一条轮廓线与多条轮廓线对应时，就会出现分支问题，即如何生成这些轮廓线间的多个分支表面。 拼接问题：建立相邻两条轮廓线上的点的对应关系，连接轮廓线形成三角面片，这是三维重建的重要环节。通常采用三角形、多边形等基本几何图元，完成对轮廓线的拼接。考虑到算法的易理解性和易实现性，在实际应用中一般选用三角面片拼接完成对三维模型的建立。 近几年来，有研究者22提出了另外一种轮廓线的表面方法，是将轮廓线转化为体数据中等值面的构造问题，称为隐函数曲面法23。此方法的基本思想是以重建表面上所有点的曲率之和为最小作为约束条件，然后用数学方式描述为微积分的方程的形式，运用迭代的方法计算出微积分方程的数值解，最后转为体数据，进而进行表面显示。 经过上面对各种算法的介绍，发现面绘制和体绘制都可以实现三维重建，而且各有优缺点。基于体素的面绘制算法实现较简单，可以生成物体的外表面模型。但是该算法绘制时间较长，效率相对较低，而且不能合理表达物体的内部结构信息。而轮廓线算法虽然存在对应、分支及对应等问题，但该算法不仅可以得到物体的外表面模型，还可以在具备内部边缘信息的条件下，对物体内部结构进行合理的表达。 体绘制算法虽然具有较强的真实感和较好的绘制效果，但是绘制时间长使得效率低下，而且由于计算量较大，对硬件的要就较高，不能够进行实时的显示。 进行三维表面重建，首先要获得重建物体的表面数据信息，通过用三维数字设备来测量它的数据信息，然后根据获取的数据量信息来对数据进行处理，最终使用一种方法将其重构为三维物体。下面对三维表面重建的步骤进行简单介绍： （1）数据信息获取 这是三维重建过程的第一步。根据获取数据的工作原理来划分，三维测量技术主要可以分为两大类：接触式测量和非接触式测量两种。 接触式测量24是一种传统的测量方法，通过测量工具与物体表面直接进行接触，来获取它的数字化测量值。在对人体进行测量时，可以使用传统工具皮尺、测距仪等来获取人体部位的特征参数，如腰围、肩宽、胸围等数据。该方法不需要很高的成本，而且对获取的信息数据容易观察，在服装业经常被使用。但是，接触式的测量速度比较慢，而且在测量的过程中由于各种原因很难获得人体的精确数据。随着科学技术的不断发展，电子设备在不断改进，测得的数据精度也在不断提高。 1 绪论 6 非接触式测量25可以分为光学测量和非光学测量两种。该测量方法首先要获得测量对象的图像，然后以此图像作为信息来源去获取重建物体的表面数据信息。例如，利用相机获取三维物体的图像实现重建的方法。其中，光学测量主要有激光点扫描26、相干雷达等；非光学测量的方法有超声波、X 射线等，主要应用于医学领域。光学方法相对于非光学方法有很大的优越性，优点是：测量速度快，精度较高等。光学获取三维轮廓的方法主要有莫尔条纹法27、相位进步解调法28、傅里叶变换轮廓法29等。与接触式测量相比较，非接触式测量的数据精度比较高，但是过程比较复杂，而且成本较高。 （2）数据处理即简化 对于获取的三维数据信息量较少，且十分规律，可以直接使用进行重构。但是,如果对大量的三维数据直接进行重建，存在一定的复杂度。所以，有必要压缩一定的数据点，提高三维模型重构的速度，但前提是保证简化后的数据点对后续拟合的结构没有影响。所以，对于获取的大量三维数据，必须对数据集进行简化和筛选。 评价简化算法的效果可以从三个方面来衡量：首先，精度即简化后的数据点拟合成的曲面与真实曲面之间的误差要小，要保留原始的特征点；简度即简化后的数据点个数要尽可能的少；速度即精简过程中花费的时间要短。常用的方法有：等距采样法、曲率采样法30。近几年，一些研究者又提出了新的方法：邓小英31等提出了按角度取舍法；2提出了一优化参数的方法，具体就是利用轮廓线上点的密度来提取控制点。 在实验中常用的方法是弦值法33，该方法的基本原理:轮廓数据点的疏密应随着曲率的变化而采用不同的疏密程度。在曲率大的地方保留更多的数据点，曲率小的地方可以适当地删除一些点。数据简化完成后连接成轮廓线，这样对三维重建的速度有了很大的提高，同时也减小了复杂度。 （3）基于轮廓线的三维重建 轮廓线法是三维表面重建的代表算法，要确定轮廓线之间的拓扑结构才能进行三维重构，在这个过程中，会遇到轮廓线的分支、对应、拼接等问题，在本文中会介绍具体方法。 综上所述， 1 绪论 7 图 维重建方法示意图 于切片图像的人体建模技术是一项基于图像处理技术与计算机图形技术的交叉学科。本文采用人体切片图形作为研究的数据材料，即基于切片级的三维人体表面建模。本文的研究主要被应用于服装领域，所以不需要人体内部组织的信息，只关心其人体表面特征。所以首先解决的问题是如何获取人体表面的数据信息，这是人体建模的数据来源。我们要对切片图像经过处理获得它的边缘图像，所以要对切片图像进行二值化、去噪、轮廓跟踪与提取等一系列操作来获取。由于获取的表面数据信息量比较大，需要对其进行优化筛选，然后对筛选后的数据点进行连接形成轮廓线，最后构造由二维轮廓线形成的三维人体表面。 本文的建模技术采用的是面绘制算法，主要包括以下几点： （1）人体切片图像外轮廓线的获取。三维人体切片外轮廓线的获取是人体数据点的获取的基础性工作。由于获取的切片包含大量的无用信息，我们要将切片图像无关的信息去除，然后经过二值化，图像去噪，边缘检测来提取外轮廓线。 （2）轮廓数据点的获取及简化。提取外轮廓线后，要计算其轮廓线上点的坐标，采用基于扫描线的算法。考虑到在中使用，要将数据点转化为三维坐标。获取数据点坐标后，要对其进行简化，以减少曲面建模中的三角面片构造。 （3）三维人体表面的重建。二维轮廓线如何形成三维人体曲面这是本文的重点工数据获取 数据处理 面绘制算法 体绘制算法 轮廓线法 三角面拼接 基于体素法 基于体素区域光线投射绘制 可视化模型 内外表面模型 外表面模型 1 绪论 8 作。但是人体时一个复杂的表面，存在单轮廓线和多轮廓线，这样就产生了三个子问题：拼接、分支、对应问题。如何解决这些问题，将二维轮廓线重构成光滑的三维人体，这是本文的关键。 文分为五个章节： 第1章：介绍了论文的选题背景及意义，三维人体建表面建模的发展状况、算法描述及三维物体重构过程，最后介绍了本文的研究内容。 第2章：介绍了三维人体建模常用的几种方法及各自的优缺点；介绍点、主要的函数库及其功能，并介绍了第3章：概述了人体切片图像的来源，并介绍了切片图像经过一系列的处理后得到了人体的边缘轮廓，进而获取了人体切片图像的边缘数据点保存在文件中进行读取，最后将点连接成外轮廓线。 第4章：介绍了二维轮廓线重构三维人体的方法研究。描述了在三维重构阶段，遇到的拼接、分支、对应问题及单轮廓线和多轮廓线之间的连接，以及他们的解决方法。 第5章：在总结全文工作的基础上，对下一步的研究作出了展望。 2 三维人体建模的方法及 2 三维人体建模的方法及体建模技术的研究始于20世纪70年代，到现在为止已经出现了多种建模方法。每种方法都有其优缺点，所以对于不同的应用场合要选择不同的方法。介绍如下： （1）线框建模 线框建模33是计算机图形学中出现最早的一种建模方法，也是其最简单的方法。它采用点、直线、圆弧等几何元素来构造三维物体的图形，有很好的交互作用。线框建模的优势在于包含的基本信息量少，只有点、线几何信息，所以很容易找到它的顶点数据和边的数据，对其编辑与修改较快。当用线框模型对人体进行重建时，人们的轮廓是用线框图形和关节来表示的，然后逐步细化。但是由于它包含的信息有限，不能进行精确的表达，会产生模糊性和歧义性，而且可能所表示的图形也不是唯一的，会产生一些无意义的集合体，不能描述曲面，体现形体间的拓扑结构，同时不能实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示。 （2）实体建模 实体建模34与线框建模相比，提供的信息量较大，提供了定点、边界、表面和实体等几何拓扑信息，由于增加了其物体的实心部分表达，使其信息描述更加完备，可以得到唯一的表述及获得唯一的形体。实体建模的突出优点是在计算机内存储了物体的三维几何拓扑信息，并且使物体能够进行物性计算、隐藏线和消隐面的消除等。由于实体建模方法具有强大的功能，在很短的时间内获得了快速的发展。在国内外已经推出了很多实用造型系统，比如美国的国的。 目前，实体建模系统中人体的表达方式主要有三种： 构造实体几何法：其基本原理是若干基本体素经过正则几何运算(交、并、差集合运算)得到复杂形体。人体的复杂外形就是通过简单形体(如圆柱体、球体等)的交、并、差几何运算来得到的。它的优点是：能够清晰的表达人体的复杂构造过程，可以直观地描述人体的宏观几何特点。但是该方法的缺点是表示的人体模型不太逼真，同时由于存在集合运算，使得计算效率较差，比较耗时。 基于体素分解的表达方法：是将复杂的几何物体变成一个个简单的物体，通过分解的方法，并将其逼近表示成一簇基本体素的集合，分解后的物体表示成一棵八叉树。它利用了空间相关性来减少三维物体的存储需要，并提供了存储有关物体内部信息的表示。该方法简单易行，但是由于体素间的几何运算量很大，运算容易发生错误。在使用它进行人体建模时，由于它对人体的表达是近似的