毕业论文——三维人体重要尺寸探测系统

三维人体重要尺寸探测系统三维人体重要尺寸探测系统摘要：随着服装设计信息化的发展，三维服装 CAD 系统在服装工业中使用的比例越来越大，而三维人体尺寸信息的提取方法是三维服装 CAD 系统中关键的技术。人体关键尺寸信息的提取重点在于确定被提取的部位所在平面以及该部位的拟合方法。本文从三维服装CAD 系统在服装工业中的应用现况出发；概要评述了目前世界通常采用的测量系统、技术以及现有的关于三维人体重要尺寸提取的算法思想；引出本系统的开发目的，提出几种人体尺寸提取的新方法，然后进行实用性系统的设计开发；最后论述了新方法的适用性和可行性，分析本系统的实用性以及潜在的市场效益和发展前景。关键词：三维人体；尺寸；测量；拟合；I三维人体重要尺寸探测系统3D Human Body Measurement SystemAbstract: With the development of Fashion Design Information-based, 3D Dress CAD System plays a more and more important part in Fashion industry. Besides the method of collecting information in 3D Body Size is the most pivotal technology in 3D Dress CAD System. The important of collecting of the key size of body information is to choose the way of the plane of the part that be fetched and the means of fitting size of this part. First, this paper starts with the modern application of 3D Dress CAD System to describe the most popular measure system, technology and the method of collecting of the key size of body information that was proved. Furthermore leading to the purpose of designing this system also shows several new kinds of collecting body size and designs the system with practicability. Last but not least, expound the applicability and feasibility of the new method .Finally, analyses the practicability and potential in market and future.Key Words:3D Body; size; measurement; fitting sizeII三维人体重要尺寸探测系统目录引言 .- 1 -第一章 探测技术介绍 .- 3-1.1三维探测技术简介 .- 3 -1.1.1立体摄影法 .- 3 -1.1.2激光测量法 .- 4 -1.1.3莫尔条纹干涉法 .- 4 -1.1.4白光相位法 .- 5 -1.1.5远红外射线法 .- 5 -1.2尺寸提取步骤说明 .- 6 -1.2.1人体建模 .- 6 -1.2.2特征尺寸 .- 6 -1.2.3自动提取 .- 7 -1.2.4计算显示 .- 7 -1.3各种拟合算法评述 .- 7 -1.3.1利用超椭圆拟合算法 .- 8 -1.3.2EE 参数样条曲线拟合 .- 9 -1.3.3利用回归分析的方法 .- 10 -1.4探测系统未来展望 .- 11 -第二章 程序设计过程 .- 13 -2.1需求分析 .- 13 -2.2概要设计 .- 14 -2.2.1系统开发环境 .- 14 -2.2.2点云数据文件格式 .- 14 -2.2.3系统类图 .- 15 -2.3详细设计 .- 16 -2.3.1主界面模块（Main） .- 16 -2.3.2文件读取模块（ReadFile） .- 17 -III三维人体重要尺寸探测系统2.3.3计算模块（CountGirth） .- 17 -2.3.4系统参数设置模块（Setting） .- 17 -第三章 算法思想简述 .- 19-3.1数据结构的选取 .- 19 -3.2人体特征部位判定思想 .- 20 -3.2.1根据特征尺寸所在身体比例判定 .- 20 -3.2.2根据测量学定义判定 .- 21 -3.2.3根据实际测量方法判定 .- 21 -3.3人体拟合算法的思想 .- 22 -3.3.1内接多边形周长法 .- 22 -3.3.2椭圆拟合法 .- 23 -3.3.3服装设计学定义法 .- 24 -第四章 系统整体分析 .- 25-4.1系统的优势 .- 25 -4.2系统的缺陷 .- 25 -4.3待改进方面 .- 26 -4.4系统适用范围 .- 27 -4.5系统效益前景 .- 28 -第五章系统使用演示 .- 29-5.1界面介绍 .- 29 -5.2数据提取说明 .- 31 -总结 .- 33 -致谢语 .- 35 -参考文献 .- 37 -附录 A .- 39 -系统清单.- 39 -附录 B .- 41 -IV三维人体重要尺寸探测系统六个区域的身高、胸围、体重的均值 M 级标准差 SD .- 41 -V三维人体重要尺寸探测系统VI三维人体重要尺寸探测系统ContentsFOREWORD .- 1 -CHAPTER1 INTRODUCTION TO BODY MEASUREMENT .- 3 -1.1INTRODUCTION TO 3D BODY SCANNING .- 3 -1.1.1Three-Dimensional Photography .- 3 -1.1.2Laser Scale .- 4 -1.1.3Moire Interference .- 4 -1.1.4White Light Phase-Shift .- 5 -1.1.5Far Infrared .- 5 -1.2EXTRACTION FROM 3D BODY DATA POINTS .- 6 -1.2.1Rebuilds 3D Human Model .- 6 -1.2.2Human Body Measurement Size .- 6 -1.2.3Automating Measurement .- 7 -1.2.4Computer And Measurement .- 7 -1.3SEVERAL FITTING SIZE METHOD .- 7 -1.3.1Super-Elipse Fitting Method .- 8 -1.3.2EE Spline Fitting Method .- 9 -1.3.3Squares Regression Fitting Method .- 10 -1.4FUTURE .- 11 -CHAPTER2 SOFTWARE DESIGN .- 13 -2.1REQUIREMENTS ANALYSIS .- 13 -VII三维人体重要尺寸探测系统2.2PRELIMINARY DESIGN .- 14 -2.2.1System Development Environment .- 14 -2.2.2Type Of Points-Cloud File .- 14 -2.2.3Class Diagram .- 15 -2.3DETAILED DESIGN .- 16 -2.3.1Main Module(Main) .- 16 -2.3.2File Read Module(ReadFile) .- 17 -2.3.3Computer Module(CountGirth) .- 17 -2.3.4Setting Module(Setting) .- 17 -CHAPTER3 ALGORITHM .- 19 -3.1DATA STRUCTURE .- 19 -3.2HUMAN BODY JUDGEMENT ALGORITHM .- 20 -3.2.1Human Body Scale Method .- 20 -3.2.2Measurement Define Method .- 21 -3.2.3Realism Measurement Method .- 21 -3.3HUMAN BODY MEASUREMENT ALGORITHM .- 22 -3.3.1Polygon Fitting Method .- 22 -3.3.2Elipse Fitting Method .- 23 -3.3.3Dress Design Method .- 24 -CHAPTER4 SYSTEM GENERAL ANALYSIS .- 25 -4.1ADVANTAGE OF SYSTEM .- 25 -VIII三维人体重要尺寸探测系统4.2FAILURE OF SYSTEM .- 25 -4.3IMPROVING .- 26 -4.4APPLICABILITY .- 27 -4.5FOREGROUND .- 28 -CHAPTER5 DEMO OF SYSTEM .- 29 -5.1INTRODUCTION TO INTERFACE .- 29 -5.2HOW TO USE THE SYSTEM .- 31 -SUMMARY .- 33 -ACKNOWLEDGEMENT .- 35 -REFERENCE .- 37 -APPENDIX A .- 39 -THE LIST OF THE SYSTEM .- 39 -APPENDIX B .- 41 -THE STATISTIC OF HUMAN BODY MEASUREMENT IN 6 REGION .- 41 -IX三维人体重要尺寸探测系统X三维人体重要尺寸探测系统引言随着信息化的发展，许多传统的工业也开始使用信息化技术替代原有的传统方法。在服装工业上，服装的设计也由传统的图纸设计转变为现在结合计算机辅助设计（CAD）的混合型设计；电子商务的发展更为服装销售注入新的元素，由原来传统的面向顾客销售型转变成现在同时面向顾客销售和网络销售的多元化销售渠道。但是服装工业信息化的发展，以及人们对服装个性化的要求也带来许多新的问题。随着生活生平的提高，人们对于着装个性化及舒适性的要求不断提高；服装设计的理念已经转变为强调个性、以人为本、崇尚科学、卫生、便利、舒适的境地。人们不再满足于传统的“衣服适应人”，即统一规格的衣服适用在不同身形的个体身上。人们渴望能有更加适合个体身形、彰显个性化的定制服装。因此对于服装业来说，人体测量就成为服装工程的重要组成部分，在服装基础理论研究及服装产品开发中起着重要的作用。人体测量也是制作服装的前提条件，它不仅仅是正确建立服装原型的必要手段，也是服装工业化生产中制定号型规格标准的基础。对不同人体的测量结果是否精确，将直接关系到服装是否合体，穿着是否舒适，产品能否出售等实际性问题。目前国际通常采用的人体探测系统主要作用是获取真实的人体点云信息，有些系统可以根据这些信息直接建立人体模型，或者使用第三方软件实现从点云数据文件到三维建模通用模型文件的转换。但是目前这些系统对人体模型上关键部位的特征尺寸的提取极少涉及或者说根本就无涉及。而这方面的需求对于三维服装设计来说有着十分重要的意义。为了满足客户的量身定做服装的需求或者是建立标准的人体信息库，十分迫切需要获取人体模型的特征尺寸。虽然目前世界上已经存在不少有关于尺寸提取的算法或思想，但是还是存在许多不尽如人意的地方：例如许多的算法思想仅仅只是一个理论上的构想，要把思想实现成程序代码将是一个十分繁琐复杂的工程；另有些算法只是在一个十分理想的环境氛围下对局部模型进行处理而不提出局部模型如何从整体中分离；还有些算法对模型的要求较为苛刻，需要特定类型的数据输入，未考虑到实际应用时与不同系统的结合并且对于算法的适用性较小，并不适合于大多数人群。最重要的一点是目前并没有高效可行的程序结果。鉴于此我打算- 1 -三维人体重要尺寸探测系统重新写一个通用，有效的工程化系统，来填补目前国际国内这部分内容的空白，使得人体尺寸探测系统能离实用化、商业化、工程化更近一步。本系统将完成对完整的人体点云数据模型的读取，建立特定的数据结构，计算出人体特征尺寸，输出最终结果并显示人体模型特征部位的点信息，以便其它工程或项目的研究之用。- 2 -三维人体重要尺寸探测系统第一章 探测技术介绍1.1三维探测技术简介20 世纪 80 年代末以来,三维人体扫描广泛运用于人体测量、客户化样板生成、人台定制以及服装表面合体性评价等服装领域。同时还运用于脊柱的变形、孕妇胸和胃体积变化、面部瘫痪和脂肪分配等医学领域的研究。三维人体扫描是通过数字转换器、照相机或扫描仪获得与区域图像类似的等高线图,再由模型软件处理转换为空间点,以点云数据显示虚拟模型、关键标志,具有扫描迅速、重现尺寸准确等优点。目前主要的探测技术主要包括：立体摄影法、激光测量法、莫尔条纹干涉法、白光相位法、远红外射线法五大类。下面简单介绍一下这五种探测技术和它们主要的代表系统1-3。1.1.1立体摄影法该方法运用一组摄像机同时对人体进行多方位的摄影，通过人体表面光线的横切面形状及大小转化的曲线计算人体模型。这种方法符合人的视觉特点，但对凹下曲面的测量较难，精度也不高。原理示意图见图 1-1。图 1-1 立体摄影法原理- 3 -三维人体重要尺寸探测系统使用此方法的代表系统主要有：英国的 LASS 人体阴影扫描仪、法国 Telmat 公司开发的SYMCAD 自动人体测量系统等。1.1.2激光测量法该方法利用多个激光测量仪对站立在测量箱内的被测者从多个方位进行测量。摄像机接收射向人体表面的激光光束反射光，用计算机算出人体同一高度若干点的坐标值，从而测得人体表面的全部数据。原理示意图见图 1.2。图 1-2 3D 激光扫描模型示意图使用此方法的代表系统有：美国的 Cyberware 系统、德国的 TecMath 系统、日本 Hamano公司的 Voxelan 扫描仪以及美国的 FastScan 手提式扫描仪等。1.1.3莫尔条纹干涉法该方法也称为密栅云纹法，应用光栅的投影和光栅形成的莫尔条纹来进行人体数据测量。通过投射光栅图像于主体上而获得样本光栅,使样本光栅和参考光栅一起被摄影,两种光栅格互相干扰,在记录的平面图像里形成莫尔波纹图案。莫尔图像代表了被摄影物体的中心透视图,边纹的不同刻度表示了照相机的不同距离,连续边缘的深度间隔不是常数,而是随着照相机的距离而增加。使用此方法的代表系统有：香港理工大学研制的 CubiCam 系统等。- 4 -三维人体重要尺寸探测系统1.1.4白光相位法该方法利用白色光源在物体表面投射正弦曲线，物体不规则的形状令投射的光栅变形，产生的图像可以表示物体表面的轮廓。原理示意图见图 1.3。图 1-3 白光相位法示意图使用此方法的代表系统有：美国纺织与服装技术公司（TC2）的分层轮廓扫描系统、英国的 Wicks 和 Wilson 开发的 TriFor 系统、法国 Telmat 公司开发的 OptiFit 系统。1.1.5远红外射线法该方法在电磁光谱的红外线区域里操作红外线图像传感器,镜头连接到探测器,采用红外线光发射半导体和半导体位置敏感探测仪,通过围绕人体多重距离的定位传感器测量人体三维形状,最后将红外线能量转换成电子信号,聚焦于屏幕上或转为其它输出。原理示意图见图 1.4。图 1-4 红外线原理示意图使用此方法的代表系统有：Conusette 公司的 Hokurik 系统、Hamamatsu 公司研制的身- 5 -三维人体重要尺寸探测系统体线条（BL）扫描仪。1.2尺寸提取步骤说明服装 CAD 中的三维人体提取技术就是根据人体或者三维人台的三维扫描数据，重构人体模型，自动提取人体特征尺寸信息，计算长度和显示特征线和特征点，如图 1.5 所示。这是将人体数据数字化后在服装 CAD 系统中应用的第一步，也是整个服装数字化的基础4。图 1-5 数据提取流程1.2.1人体建模在对人体特征尺寸信息提取之前，因该在系统中重构人体模型。然后根据模型获取特征部位的特征尺寸。人体建模的最直接的方法就是读入外部数据或文件（比如现成的人体模型库，或者人体探测系统的输入数据）；也可以根据人体的特征数据在三维应用 CAD 软件如Maya 等构造出人体模型，然后离散表面得到三维点坐标的离散数据。1.2.2特征尺寸根据服装设计的需要，确定需要提取的特征尺寸（身高、胸围、腰围、臀围等）。然后根据人体生理划分或者特征部位的特征点获得我们要提取的特征部位所在平面。这方面可以参考国家标准5或者是根据相应的测量学定义来获取测量基准点6。尺寸位置与身高比例见表 1-1。- 6 -三维人体重要尺寸探测系统表 1-1 尺寸位置与身高比例1.2.3自动提取在确定所要提取的特征尺寸所在平面后，就可以利用一些拟合方法算出人体闭合曲线的近似方程。然后再利用数学上的积分方法对曲线方程求定积分，并计算出出人体关键部位的特征尺寸。在这一步最重要的是确定不同部位的拟合算法，然后系统就根据这些拟合算法计算出曲线方程，供下一步计算特征尺寸使用。1.2.4计算显示在确定了拟合方程之后就可以根据特征点的信息，利用定积分求出特征尺寸的近似值，最后将得到的尺寸信息输出。到此为止，一次尺寸提取就算完成了。接下来就把提取的尺寸数据送给需要这些数据的开发设计人员。1.3各种拟合算法评述在对围度尺寸提取之前，需要先用平滑的曲线方程来拟合人体的围度点集。然后再对求到的曲线方程求积分得到围度曲线周长，该周长从某种程度上说就可以认为是服装设计学上需要的特征尺寸。目前世界上比较典型的方法有超椭圆拟合7、EE 参数样条曲线拟合8- 7 -三维人体重要尺寸探测系统以及回归分析方法9等。下面将对这些算法在精确性、实用性、编程性等方面给予简单评述。1.3.1利用超椭圆拟合算法超椭圆是以椭圆为基础扩大指数取值范围而扩展成的一族曲线。标准超椭圆的表达式： x 2 sy2 s+ = 122(1-1) a b公式(1-1)中， a 、b、s 均为大于零的实数。从公式(1-1)可以看出，超椭圆是在相应的椭圆方程中，通过允许 x 和 y 项的指数 s 变化，而得到一系列的封闭曲线。超椭圆的参数方程为：1x = a (cos q cos q )( -p q p )2s12sy = b (sin q sin q )( -p q p )(1-2)基于上述各方程，可推导出典型超椭圆及其曲率变化规律。图 1-6 就是一些常见的超椭圆图形以及 s 的取值。图 1-6 几种典型的超椭圆图形超椭圆拟合人体围度尺寸的方法是由日本的 Kinue Hatakeyyama 等人提出来的，它假设人体的各个截面都是与中心轴线正交的超椭圆轮廓，建立人体截面形状的超椭圆模型10：- 8 -三维人体重要尺寸探测系统AX 2 n + BX nY n + CY n = Z 2n( R + Sx sin q ) cosqX =(1-3)Y = R sinq 比例系数 A、B、C、n 根据不同位置有所改变,如胸围 A = 1，B = 0. 5，C = 1，n = 2,臀围 A、B、C 均为 1，n= 2,腰围 A、C 均为 1，B = 0，n = 1，比例为前后厚度与左右宽度之比。尽管超椭圆拟合有很好的理论基础和效果，但是由于上述系数的确定需要大量的统计数据，因此建立一个统一的超椭圆模型较为困难。虽然其准确度较高，但是由于建模困难，并且对于实际应用时对于模型的要求较高，需要大量的点。因此，超椭圆拟合的实用性不是很高，并且由于生成的闭合曲线方程过于复杂的话对于用计算机进行积分计算也会产生较大困难。1.3.2EE 参数样条曲线拟合EE 样条函数是哈尔滨工业大学于 1988 年提出的一种新的样条函数，和其它常用的曲线拟合方法相比，EE 样条曲线对控制多边形有更好的逼近性，采用 EE 样条拟合人体截面曲线能满足人体截面形状闭合线的特征。它的主要思想是由“顶点控制多边型”来控制顶点间的曲线函数。如图 1-7 所示，图 1-7 EE 样条函数原理示意图图中 PiPi+3 为顶点控制多边形的控制顶点，Qi(0)，Qi(1)，Qi+1(1)均为探测到的离散数据点。EE 样条函数就是利用顶点控制点依照公式(1-4)来生成 Qi(0)，Qi(1)之间的曲线函数 Qi(n) 的。- 9 -三维人体重要尺寸探测系统Qi () 0 ()1 ()2 ()ii+1i+2u= Eu, Eu, Eu P , P, PT (u 0,1, i =