（机械电子工程专业论文）基于相位法的三维人体测量系统开发与应用.pdf

摘要摘要三维人体测量系统能够快速、准确的获取三维人体数字化尺寸信息，为服装工业、人类学、医学、工业设计及人机工程等领域提供真实可靠的人体数据，因此有着重要的研究意义与广泛的应用价值。鉴于投影栅相位法具有非接触、全场性、高精度、测量速度快、易于实现等优点，并结合人体测量的特点，确定基于该原理开发三维人体测量系统；主要包括制定三维人体测量系统实施方案，根据方案搭建了三维人体测量系统机械结构，设计并实现了系统控制电路，在此基础上编制了三维人体测量系统软件，并对测量系统进行了标定研究与实验，完成了三维人体测量系统的开发：随后测量人体得到原始点云数据，点云数据经过去噪、平滑及精简等处理后进行三维人体重构。通过人体测量实验表明该测量系统操作简单，自动化程度高，测量与处理速度快，采用三组相位图拍摄系统水平面上圆周均匀分布且垂直方向上下移动，在两位置分别拍摄人体不同部位相位图的测量方案能够获取比较完整的人体全身点云数据，且数据精度满足一般工业应用的要求。同时三维人体测量系统是基于u s b 接口的通信设计，具有即插即用的特性，方便移动；按测量方案分块获取的人体点云数据能够自动拼接；c c d 摄像机经过标定，考虑了镜头非线性径向畸变的影响，提高了测量系统精度；对相移法实现过程中的约束条件进行了分析，消除了传统方法中不必要的约束，得到了相移法新的标定参数，与原来相比，减少了参数个数，提高了标定效率。关键词：投影栅相位法；三维人体测量；系统标定；三维重构a b s t r a c ta b s t r a c tn l e3 db o d ym e a s u r e m e ms y s t e mc a no b t a i nh u m a nd i m e n s i o n si n f o r m a t i o ni nd i g i t a lw a ys p e e d i l ya n da c c u r a t e l y , w h i c hc a nb eu s e df o rc l o t h i n gi n d u s t r y ,a n t h r o p o l o g y , m e d i c a ls c i e n c e ，i n d u s t r yd e s i g n ，m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n ds oo n s ot h e3 db o d ym e a s 唧e m e n ts y s t e mh a si m p o r t a n tr e s e a r c hm e a n i n g sa n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o nv a l u e a sam e t h o do f3 dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，t h ep h a s ed e t e c t i o no fp r o j e c t e dg r a t i n gh a sag r e a tm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sn o n c o n t a c t ，l a r g ef i e l do fv i e w , h i g hp r e c i s i o n ，h i g hm e a s u r e m e n ts p e e d ，e a s i l yt or e a l i z e ，e t c s ot h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e md i s c u s s e db yt h i sp a p e rw a sd e s i g n e db a s e do nt h i sp r i n c i p l ea n dt h ef e a t u r eo fb o d ym e a s u r e m e n t t h ec o n c r e t ep r o c e s sw a sa sf o l l o w s w ee s t a b l i s h e di m p l e m e n t i n gs c h e m eo ft h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e m ；a c c o r d i n gt ot h es c h e m e w ed e s i g n e di t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n ds y s t e mc o n t r o lc i r c u i t ；o nt h i sb a s i s ，w ec o m p i l e ds o f t w a r eo fi t m e a n w h i l ew ed i ds o m er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t sa b o u ts y s t e mc a l i b r a t i o n ，a n dt h e nw ea c c o m p l i s h e dt h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e m s u b s e q u e n t l y , m e a s u r i n gh u m a nb o d yb yt h es y s t e mw eg o tp o i n tc l o u dd a t ao ft h eb o d y , w h i c hw a su s e dt or e c o n s t r u c tt h e3 db o d ya f t e rp a s tb ys o m ep r o c e s s i n gs u c ha sn o i s e s u p p r e s s e dp r o c e s s i n g ，s m o o t hp r o c e s s i n g ，d e l e t i n gt h ee x c e s s i v ea n du n a v a i l a b l ep o i n t s e t c a n dt k sw a sc o n s i d e r e dt oau s i n go ft h i ss y s t e m w h e nw em e a s u r et h eh u m a nb o d yb yt h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e m ，i ts h o w st h a tt h es y s t e m ，w h i c hi se a s yt ob eo p e r a t e do n ，h a sah i g ha u t o m a t i o na n df a s ts p e e dt om e a s u r ea n dt r e a td a t a a n dt h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e mh a st h r e ep h a s eg r a p hs h o o t i n gs y s t e m sw h i c hl o c a t e da to n ec i r c u m f e r e n c eh o m o g e n e o u s l ya n dc a nm o v ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nt ot w ol o c a t i o n s t h ec i r c u m f e r e n c eb e l o n g st oap l a n ew h i c hi sp a r a l l e lt oh o r i z o n t a lp l a n e w i t ht h i si m p l e m e n t i n gs c h e m e ，m e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e mc a na c q u i r ep o i n tc l o u dd a t ao ft h ew h o l eb o d ye a s i l y ；m e a n w h i l et h em e a s u r i n gr e s u l tc o u l ds a t i s f yt h en e e do fc o m m o n l yi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n a tt h es a l n et i m e ，t h e3 db o d ym e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nu s b ，s oi ti sa b l et op l u ga n dp l a y , w h i c hi sc o n v e n i e n t l yt om o v e t h ep o i n ti ia b s t r a c tc l o u dd a t ao ft h eb o d yo b t a i n e di nt h i sw a ya r ed i s p e r s i v e ，b u tt h ed i f f e r e n tp a r t sd a t ac f l r lb ea u t o m a t i cm o s a i ct ob eaw h o l eo n e w i t i lt h et h i n k i n go fn o n l i n e a rd i s t o r t i o no nt h er a d i u sd i r e c to ft h el e n s ，t h ec c dc a m e r ai sc a l i b r a t e d ，w h i c hi m p r o v e dt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m t h e nw ea n a l y s i st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n st oc a l t yo u tt h ep h a s em e t h o d ，a n df r e dt h a ts o m ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa r en o tn e c e s s a r y s ow ed e l e t et h e ma n dg e tt h en e wp a r a m e t e r so ft h ep h a s em e t h o d c o m p a r et ot h eo r i g i n a lp a r a m e t e r s ，t h en u m b e ri sr e d u c e d ，s oi ti si m p r o v ee f f i c i e n c yo fc a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：p h a s ed e t e c t i o no fp r o j e c t e dg r a t i n g ；3 db o d ym e a s u r e m e n t ；s y s t e mc a l i b r a t i o n ；3 dr e c o n s t r u c t i o ni i i学位论文独创性声明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名( 手写) ：夏嗡枷1 签字日期：沙缉月肜日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：夏强枷7签字日期：汐侮么月饴导师签名身孵签字日期：劫年石月f 厶日第1 章绪论1 1 三维人体测量概述第1 章绪论人体测量是通过测量人体各部位的尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差异，用以研究人的形态特征，从而为工业设计、人机工程、人类学、医学、考古学、建筑学等研究提供人体基础资料【l 】。鉴于人体测量的重要性，我国于1 9 8 3 年至1 9 8 8 年间先后颁布了人体测量术语、人体测量仪器、人体测量方法以及中国成年人人体尺寸等几项国家标准，从而规范了人体测量仪器和方法，为正确和精确开展人体测量工作奠定了基础。三维测量即物体表面轮廓的三维尺寸与形状的测量。利用三维测量技术进行人体测量获取体型、尺寸等信息即三维人体测量，与传统方法利用软尺、角度计、测高计、测距计、滑动计和人体测量仪( 马丁仪) 等手工测量工具进行接触式测量相比，摈除了以下缺点1 2 】：传统方法大都是手工测量或凭经验观察，因此人体的某些特征数据难以取得，不可避免地导致体型信息丢失，而且测量结果的精确度与测量者的技巧密切相关，不同操作者的测量结果偏差很大：传统方法是接触式测量，测量时间较长，特别是进行大数据量测量时，被测者容易感到疲劳和窘迫；传统方法的测量结果是一维或二维非数字化数据，无法反映体型的三维特征，也难以进行更深入的研究。三维人体测量能够准确、快速、全面、真实地反映三维人体信息，同时提供可用计算机直接处理的数字化数据。1 2 三维人体测量系统研究意义我国是一个多民族国家，人口众多，不同民族、地区间的人体体型差异很大，现有的手工测量方式无法快速准确地测量人体尺寸，阻碍了我国人体测量及相关行业科技水平的提高与发展。三维人体测量系统具有快速、非接触、高精度、自动化、智能化等特点，将推动人体测量向自动化、便捷化、网络化的方向发展，对人类的发展具有重要的研究和应用价值，主要体现以下方面：第1 章绪论( 1 ) 服装工业【3 。5 】。利用三维人体测量系统能快速、准确地进行大量人体的测量，为服装行业及服装科研提供基础的人体数据依据，促进服装号型标准化，生产舒适、合体、美观的服装。人体测量是服装号型标准制定的基础，服装号型是服装行业进行设计、生产的重要依据。批量生产的服装的合体性差的关键原因在于目前所使用的号型系列不能够正确反映目标客户人群的体型特征。传统人体普测受测试工具及方法等的影响，而三维人体测量系统可灵活、准确地对不同客体人群、地域、国家的人体进行测量，获得有效数据，建立客观、精确反映人体特征的人体数据库，而且人体数据方便易查、便于管理和使用( 比较、分析、应用) ，并可以追踪、研究客体、客体群组的整体变化情况。加快建立适应我国国民体型的原型、标准人台、人体数据库。目前国内尚无适合人们体格的原型，而世界发达国家如英、法、美、日等都早已形成比较成熟的原型技术，并根据风格的不同形成各种流派，在其服装设计和生产中起着重要作用。同时三维人体测量系统测量效率和精度高，并能细分测量部位，从而为体型划分、建立新的服装号型标准、建立我国人体体型数据库提供更为细致准确的数值依据。加快实施服装快速反应系统。建立服装快速反应系统是当今世界服装业取得竞争胜利的关键措施，而三维人体测量系统能够提供准确的数据，并建立三维人体模型，显示所设计的衣服穿着后的直观效果，再根据面料和花型的输入，瞬时显示虚拟的样品，在图案设计者、款式设计师、顾客或零售商的参与下对样品进行充分的探讨、变更直至满意，这些使得服装快速反应系统能够成为现实。同时进一步的发展将推进研制虚拟试衣系统、量身定制系统( e m t m ) ，促进服装网络辅助设计( n a d ) 的发展，从而实现服装电子商务。( 2 ) 人类学【6 】o 体质变异研究，对不同种族、不同人群进行人体测量和分析比较，可以找出他们之间的共同点与差异，找出人类体质特征变异的规律；生长发育研究，对不同年龄群体或个体进行人体测量，绘出生长曲线和生长速率曲线，可以找出人体生长发育的规律。( 3 ) 医学。用于人体器官的畸变诊断、整形和法医鉴定领域。三维人体测量系统可以为人体整形手术提供科学、准确的测量数据，对提高医疗水平，促进手术前的交流具有重要意义。( 4 ) 工业设计、人机工程【7 9 1 。利用三维人体测量系统建立人体数据咨询系统、虚拟人体，制作仿真人体模型。其中虚拟人体可以代替真实人体实现行走、2第1 章绪论搬运、举升、关节运动、视觉范围、调节姿势等活动，作为评价人机工程性能的重要指标；仿真人体模型用于运载工具的空间设计和各种碰撞试验，为设计制造、评价系统安全性和可靠性提供依据。英国o p e ne r g o n o m i c s 公司开发的p e o p l e s i z e 2 0 0 0 人体数据咨询系统，采集的人体样本覆盖各个年龄、阶层，人体数据包括全身、头部、手部、足部等尺寸，并利用三维人体数据库，进行了人体姿势分析和座椅设计，为民航、铁路、汽车、国防、劳动安全等提供服务。美国t r a n s o m 公司开发的t r a n s o mj a c k 人机工程软件，包括人体数据录入接口、人体数据咨询系统、人机工程仿真系统、人机工程评价系统等，已经在航空、车辆、船舶、工厂等行业的产品规划、设计、维修领域中得到广泛应用。此外，三维人体测量系统还在建筑、艺术、动画、3 d 游戏开发、教育、体育、考古、国防等领域有着广阔的应用前景。1 3 三维人体测量发展概况1 3 1 三维测量技术进展 1 0 - 1 3 1图1 1 三维测量技术分类三维测量技术经历了原始手工测绘、机械式传感器测量，到今天的三维面形图像测量已经有数十年历史。早期机械接触式测量技术率先发展起来，但这3第1 章绪论类系统测量物体时须与实物接触，因而不适合测量柔软物体，并且对测头不能触及的表面无法测量；此外，测量速度受到机械系统限制，而且需要补偿测头直径，从而影响了测量效率，同时测量系统的机械结构复杂，对工作环境要求很高。近几十年来，随着科技的进步，各项技术被广泛应用到三维测量技术中，特别是激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机软硬件及计算机图像处理技术的发展，致使大量非接触式测量方法涌现，也使得三维测量技术迅速成长为一门以现代光学为基础，融光电子学、计算机图形学、信息处理、计算机视觉、数值分析等科学技术为一体的新兴学科。而三维测量技术的分类，由于各个学科的交叉以及各项技术的结合，某一类中的技术也会渗透到其它类中，因此不同的分类方式有着不同的分类结果，较为常用的是根据其测量原理按图1 1 分类。其中，基于投影栅相位法的三维测量技术因其具有非接触、全场性、高精度和实时自动处理等特点，向来是研究的热点。它由莫尔云纹法发展而来，早先t o l l e n a a r 于1 9 4 5 年从几何学上解析了云纹现象，d a n t u 在1 9 5 4 年提出“云纹条纹代表等位移线”的学说，6 0 年代云纹法被应用于形变体的弹性变形和塑性变形测量，1 9 7 0 年美国的d m e a d o w s 和日本的h t a k a s a k i 发明了影像云纹法并研制出测量人体表面形状的云纹测量仪，1 9 7 1 年日本学者m s u z u k i 和t y a s h i z a u又提出了投影云纹法，这些方法统称为莫尔云纹法。利用光源和照相机两个独立的格栅来显示物体上等高的信号点，得出表面的凹凸、断面形状等信息。随后日本学者m t a k e d a 在此基础上于1 9 8 2 年提出投影栅相位法，首次将傅立叶频谱分析技术运用到调制栅线的解相处理上，1 9 8 3 年他又将此技术应用到三维曲面形体检测。此后，投影栅相位法发展迅速，在解相、相位去包裹方面涌现出众多方法，成为具有代表性的光学全场非接触检测方式。投影栅相位法的基本原理是采用白光照明，将光栅投影到物体表面，由于物体表面形状的凸凹不平，光栅图像产生畸变而携带有物体表面轮廓信息。用摄像机把变形后的相移光栅图像摄入计算机内，经过数字图像处理，求得畸变光栅的相位分布图，即可求得被测物体的表面高度。1 3 2 三维人体测量系统现状【1 4 j7 】三维人体测量技术起源于二十世纪五六十年代，最早人们用绘制航测地图4第1 章绪论的方法进行人体测量，称之为”立体摄影法”：随后三维测量技术的发展带动了人体测量方法的发展，例如，六十年代出现了立体视觉法，七十年代相继有了莫尔云纹法、计算机体层摄影法，八十年代投影栅相位法、激光扫描法迅速发展，后来又有了红外线扫描法等。在国外，这些方法被广泛应用于人体测量，相应地研制了一系列的三维人体测量系统，相比困内的研究起步较晚，只是针对个别方法做了尝试性研究。篮髫诩图1 2t e l m a to p t i f i t 维人体测量仪图1 3 青岛大学研制的人体三维测量系统所有方法中基于投影栅相位法的研究当然也一直都是热点，应用该原理，目前具有代表性的测量系统，国外有美国纺织及服装技术公司的t c 2 分层轮廓测量仪，英国w i c k s 和w i l s o n 公司于1 9 9 8 年研制出的t r i f o r m 三维图像捕捉系统，德国a s s y s tb u l l m e r 公司的t e l m a to p t i f i t 三维人体测量仪( 图1 2 ) 。国内，香港理：i ：大学于1 9 9 5 年设计和建造了密栅云纹的原型摄影器材来测量胸围，随后进一步研制出c u b i c a m 人体三维扫描系统：内地在8 0 年代中后期有4 些高等院校与研究所进行过这方面的研究，主要有总后军需装备研究所和北京服装学院共同研制的“双视点投影光栅”人体尺寸测量系统，青岛大学研制的人体三维测量系统( 图1 3 ) ，此外吉林大学、东华大学也做了一些相关研究。综合以上各测量系统的应用效果和提供的三维人体数据，目日订这些三维人体测量系统还都存在着大量的不足，制约其发展进步的主要因素【1 8 - 1 9 1 有：( 1 ) c c d 摄像机的分辨率及其定标过程制约了系统测量精度。c c d 摄像机的内外参数都是未知的，利用针孔模型的求解结果误差较大，而且与计算机的接口复杂；同时较低分辨率也影响了系统的测量精度和测量范围。( 2 ) 现有的测量系统的价位普遍较高，几乎都在几十万元以上，其成本明s第1 章绪论显高于所能带来的使用价值，实用性不强；且系统的测试空间相对庞大，不可拆装，不便于众多行业的使用，因而没能被大范围推广。( 3 ) 测量系统操作起来，准备工作时间长、工作量大、过程复杂，所得人体点云数据量大，处理速度慢，且系统仅停留在测量阶段，对测量结果的处理仍不够深入。此外，国内的研究还处于起步阶段，真正商品化的三维人体测量系统市场上还没有出现。随着目前科技的进步，各种新技术的出现，以及人民生活水平的提高和消费观念的转变，三维人体测量系统的发展必将进入一个新阶段，其下一步的发展趋势主要有：( 1 ) 建立评价三维人体测量技术的标准，该标准主要应包括：已知尺寸和表面粗糙度的标准人台；数学模型和误差表示特征；测量速度和精度、测量范围；重复性和再现过程； c c o 摄像机的标定过程；可靠性评价。( 2 ) 综合利用各种技术和方法，包括综合使用不同的匹配方法( 如主动式测量与被动式测量的组合、主动式测量与主动测量的组合、被动式测量与被动式测量的组合等) 、综合运用各种技术( 如人工智能、神经网络等技术) ，来提高系统的测量精度和范围。( 3 ) 测量系统简便可靠、体积小、重量轻、易于运输，成本适中；系统操作应简单，易于掌握，尽可能消除人为操作造成的误差，并且准备时间短、准备工作量小、测量时间短。自动、快速、准确、低成本应当成为今后三维人体测量系统发展的主要方向。( 4 ) 实现测量系统智能化，使系统具有测量、识别、分析等多种后续功能。智能化主要包括扫描过程的智能化、人机界面的智能化、数据采集与分类的智能化、投影的高度自适应等。( 5 ) 实现测量网络化，使三维人体测量技术以网络为基础向更广泛的领域发展和延伸，这是今后三维人体测量发展的必然趋势。1 4 论文主要研究内容及章节安排本文主要研究内容按章节顺序排列分为以下七个方面：1 、论述了三维人体测量系统的研究意义及应用前景，简述了三维测量技术的发展过程，阐述了三维人体测量系统的现状及发展趋势。6第1 章绪论2 、论述投影栅相位法原理，选择适合于进行三维人体测量的相位调制及去包裹算法；设计三维人体测量系统实施方案，确定测量系统技术指标。3 、搭建三维人体测量系统总体硬件，包括：实现相移法的光栅投影光路、摄像系统、四步相移系统以及它们的控制系统电路；设计测量系统拍摄位置上下移动机构及相关云台；确定三组人体相位图拍摄系统空间位置关系，给出统一三组系统坐标系的空间坐标转换理想数学模型。4 、开发三维人体测量系统软件，首先进行整体结构设计，再分功能模块介绍，包括：单片机固化程序模块，u s b 口驱动程序、人机交互界面模块及m v c 2 0 0 0 系统设置模块。5 、进行三维人体测量系统标定研究及实验，包括：在摄像机小孔成像模型的基础上建立了非线性畸变模型，以两步法标定摄像机内参数；分析了相移法实现过程中的系统约束条件，降低了约束要求，给出了相移法新的标定参数并阐述了标定方法；校正了三组人体相位图拍摄系统坐标系之间的空间坐标转换理想数学模型，给出了实验结果。6 、论述了三维人体测量系统获取的人体原始点云数据的处理过程及方法，随后重构三维人体模型，并以实例说明( 人体相位图去包裹、点云数据处理及重构三维人体由现有软件完成) 。7 、对论文的研究内容三维人体测量系统的开发及应用作了总结与展望。7第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案2 1 三维人体测量系统测量原理鉴于投影栅相位法不受物体表面反射率影响、处理方法简单、实时性强和测量精度高等优点，本文采用此方法来开发三维人体测量系统。投影栅相位法又称为位相测量轮廓术【2 0 1 ( p h a s em e 删e m e mp r o f i l o m e t r y ，a m p ) ，简称相位法，其基于正弦光栅投影，将所要获取的物体表面三维轮廓信息调制在光强分布图即灰度图中，捕获物体表面上光场图像即相位图，由相关算法计算出相位分布，然后利用几何关系求得物体表面三维轮廓信息，完成物体表面三维重建。因此在投影栅相位法中，进行物体表面三维测量，主要包括以下两个方面的内容：一是相位调制，得到相位图，依靠系统硬件来实现；二是相位解调，得到三维数据，依靠系统软件来实现。2 1 1 相位调制原理 2 1 - 2 3 1譬d图2 1 投影栅相位法光路原理图如图2 1 所示，尺为参考平面，e 、e 分别为c c d 摄像机镜头入瞳和出瞳的光心，q 、鬈分别为投影系统镜头出瞳和入瞳的光心ah 为被测物体上8第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案任一点，其在参考平面上的投影为日，线段h h 即为被测物体h 点处的高度。么、曰点分别是日点与e 。、e 。连线到参考平面r 的交点。g 为黑白相间且节距固定的正弦光栅板，光源装置q 发出白光透过光栅g 投射到被测物体表面，由于被测物体表面凸凹不平，规则的投影栅线发生畸变，产生畸变的栅线图像，即调制形成相位图，经c c d 摄像机采集，落在成像面s 上，供捕获。显然日点和b 点在图像上的像点是同一个，记为h 点。在没有放入被测物体时，图像上h 7 点所记录的光强信息是参考平面r 上b 点的光强；放入被测物体后，日点在图像上的像点同样是h 点，但此时该像点所记录的光强信息是参考平面r 上4 点的光强。可见，放入被测物体前后所拍摄到的两幅图像中同一个像点h 7 由于物体高度的原因使得其光强分别为参考平面尺上的曰、彳点的光强。由于系统投射到参考平面尺上的栅线光强呈正弦分布且周期固定，所以正弦函数的相位变化体现为光强的变化。设d 为坐标系原点，摄像机出瞳光心e 到参考平面r 的距离为三，投影系统光心与摄像装置光心连线e ，e 。的长度为d ，被测物体h 点处的高度h h 为h ( x ，j ，) ：两幅图像上同一个像点h 的相位值分别是参考平面尺上b 、彳点的相位九和九，所产生的相位差为九= 九- 九；正弦光栅板g 的栅线节距为蜀，投影到参考平面上的栅线节距为尸，两者的栅线节距频率都为磊。将h 点用其物点日的坐标表示，则有( 2 1 ) 式：一a b ：全受鱼型：a o ( x , y ) p( 2 1 )2 刀 f o2 r e由于投影系统光心与摄像机光心的连线e e 。平行于参考平面尺，则有a e 。h e 兰，因此可得( 2 ) 式：ca a h b2d三一h ( x ，力， 1 、a bh ( x ，y )将( 2 1 ) 式代入( 2 2 ) 式得：厅(五y)2褫lzxq)(x,y)2碱zzx矽(x,y)( 2 3 )其中，l 、d 、f o 是系统的几何参数，可通过系统标定确定，因此被测物体日点处的高度h ( x ，y ) 即可求解。9第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案由上述相位调制原理可知，物体的高度信息就调制在光强函数的相位变化中，只要求得全场的矽( x ，y ) 分布，就可以获得物体表面的高度信息。2 1 2 相移技术c c d 摄像机捕获的是光强分布图，要获取全场的矽( x ，y ) 分布，则需要从相位图的灰度分布中精确的解调出相位值，即解相，这是非常关键的一环。当前解相方法有多种f 2 4 彩】，常见的有傅立叶变换法、相移法、时域卷积滤波法以及频移法等。其中，傅立叶变换法利用频域的技术处理来获得包裹相位，只需要一幅图像，通过与参考平面r 上图像的对应即可得到相位主值，但其抗噪性能不好，对滤波器要求过高，且计算量大，因而较少使用；相移法通过一系列图像之间的运算得到相位主值，直接在空域中进行处理，具有识别条纹增减的能力，且数学运算相对简单，无需寻找主频点、滤波等操作，避免了主频偏差带来的系统误差及滤波导致的部分信息丢失。相移技术主要有两类【2 8 】：一类是每次测量条纹时相移一个已知量，称为分步相移技术( p h a s e s t e p p i n gt e c h n i q u e ) ；另一类是在相移的过程中，对条纹灰度进行积分，称为连续相移技术( i n t e g r a t i n g b u c k e tt e c h n i q u e ) 。两者的区别在于对于连续相移技术，相移量是时间的连续函数；因此连续相移技术中使用的光探测器必须是具有积分特性的光积分器，而对于分步相移技术，相移量是时间的离散函数，因此分步相移技术中光探测器只要求作光电转换，方法简便，所以被广泛采用。在相移技术中，投影系统和成像系统都远离物体，因而物体深度范围内的聚焦偏差可以忽略。当一个正弦光栅图样投影到物体上时，探测到成像的变形光场可以描述为：，( 五j ，) = r ( 五y ) 彳( 五y ) + b ( 五y ) c d s 【( 葺y ) 】( 2 4 )式中，r j ，) 表示物体表面各点的反射率，a ( x , y ) 代表背景光强，b ( x , y ) a ( x , y ) 代表条纹对比度，相位函数矽 y ) 代表条纹图样的特征，包含了物体面形的高度信息。由于物体各点的反射率r ( x , y ) 变化不大，可以假定为一个常数，因而( 2 4 )又常常改写为：，( 五y ) = i o ( x , y ) 1 + y ( 葺y ) c o s 矽( 薯y ) + q 】( 2 5 )1 0第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案其中，厶 少) 表示背景光强，7 ( 五少) 是条纹对比度，呸表示相移相位。探测阵列对物体采样并利用相移技术来测量每个采样点的位相，记录n ( 3 ) 幅光强度值。对于每幅图像，光栅移动删，假设厶，厶，厶是同一点c 的光强值，则t a n 龙：! = ! i ( x , y ) xs i n ( 2 n n n )善讹y ) c 。s ( 2 )( 2 6 )公式( 2 6 ) 确定的相位是以兀为模，如果要以2 7 c 为模，必须判断s i n 矽c o s的符号，该过程又被称为去除相位模糊，如表2 1 所示。表2 1 去除相位模糊示意图2 1 2 1 四步相移法【2 9 】当等于4 时，正弦光栅在垂直于投影光轴方向每次移动l 4 个栅距，即p 4 的距离，同时拍摄一幅变形光栅图像，共获取四幅变形光栅图像，它们的光强分布可表示为( 2 7 ) 式：第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案( x ，y ) = 厶似y ) 1 + r ( x ，y ) c o s ( x ，y ) 】厶( x ，y ) = i o ( x , y ) 1 + 鹏y ) c 。s 妣y ) + 万】 = 厶( x ，y ) 卜鹏y ) s i n ，y ) 】( 2 7 )厶( x ，y ) = l o ( x ，y ) l + y ( x ，y ) c o s 矽( x ，y ) + 万】 = i o ( x ，y ) 1 - - y ( x ，y ) c o s ( x ，y ) 】)厶( x ，y ) = 厶( x ，y ) l + y ，y ) c 。s ( 艺y ) + 万】) = 厶( x ，y ) 1 一r ( x ，y ) s i n ( x ，y ) 】)将上式作简单的代数运算，消去背景光强i o ( x , y ) 和独立变y ( x ，y ) ，可以得到包裹相位：俐= a r c 伽 糍亿8 ，四步相移法的特点在于相关计算简单、实现方便，能有效减小相移误差和探测器非线性误差的影响，且不会因为相移步数过多而引入环境变化和振动等因素带来的误差，即对于抑制来外界高频噪声效果好。2 1 3 相位去包裹技术1 主t ( 2 6 ) 式进行反正切变换求取相位时，所求相位必然截断在反正切函数的主值范围【_ 州2 ，万2 】或者区间 一万，7 1 】内，因而得到的相位是不连续的，即包裹相位。在计算三维物体的高度分布时，必须将截断的位相缈( x ，y ) 或伊( x ，y ) 恢复为连续的位相分布矽( x ，y ) 或z x 矽( x ，y ) ，这一过程被称为相位展开或者相位去包裹( p h a u s eu n w r a p p i n g ) 3 0 1 ，如图2 2 所示。( b )i公瞄i 粼- ii7刁i | rr | 兰图2 2 相位去包裹示意图( a ) 包裹相位；c o ) 折叠的2 兀的数目；( c ) 去包裹后的相位现有的相位去包裹算法【3 1 。3 】i 艮多，例如行列逐点去包裹算法、分割线算法1 2第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案( b r a n c hc u ta l g o r i t h m ) 、质量导向路径跟踪算法( q u a l i t yg u i d e dp a t hf o l l o w i n ga l g o r i t h m ) 、区域分割算法、区域生长法( r e g i o ng r o w i n g ) 、掩模截断法、抗噪截断法( n o i s ei m m u n e ) 、时间相位展开方法( t e m p o r a lp h a s eu n 岍印p i n 曲以及最小二乘算法( l e a s ts q u a r e 分加权和非加权) 等。其中g h i g l i a 和r o m e r o 提出的基于快速离散余弦变换( d c t 变换) 的最小二乘去包裹算法【3 4 4 6 】，它既考虑了算法的适用性又兼顾计算效率，因此比较实用。其基本原理为寻求相邻像素点之间的去包裹相位差与包裹相位差之差的最小二乘解。给定一个二维m x n 的像素矩阵，设其包裹图中的原始包裹相位为伊( f ，歹) ，对应的去包裹相位为矽( f ，) ，则有：矽( f ，) = 缈( f ，) + 2 k n ( 2 9 )其中扛0 ，l ，m - 1 ，j = 0 ，1 9o * n - 1 ，一万 伊( f ，) 万，k 为整数；定义包裹算子形，则有：w b b ( i ，) 】- 缈( ，)( 2 1 0 )并且定义：攀2 了竖翟叩o 又扣o 1 肛2 _ 0 1 _ 1 )( 2 1 1 )f 鲜，= o ，其他情况；7ia u y = 【伊( f + 1 ，j ) - q ) ( i ，) ，( f = o ，1 , - - - m - 1 ；j = o ，l ，1 n - 2 )1 i ：o ，其他情况；( 2 1 2 )根据最d , - 乘原理，去包裹相位矽( f ，j ) 为下列方程的解：m 一2 n - i zmlniv-i1z乏+ 1 ，沪她伊a u x + i v - a ，j + 1 ) 一地) 一a “y = r a i n ( 2 1 3 )由式( 2 1 3 ) 可求得： 矽( f + 1 ，) 一2 ( f ，) + 矽( f 一1 ，) 】+ 矽o ，_ ，+ 1 ) 一2 矽( f ，) + 矽( f ，j 1 ) 】= 只，( 2 1 4 )( 2 1 4 ) 式中，e = ( i j a h y ) + ( i ，一a 。y ，j - 1 ) 。式( 2 1 3 ) 即是满足n e u m a n n 边界条件的p o i s s o n 方程的解，也就是最小二乘意义上的包裹相位差与去包裹相位差的关系式，可以采用二维d c t 变换对其进行快速求解，得到去包裹相位( f ，歹) 。1 3第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案2 1 4 三维物体重建【3 7 】在投影栅相位法参考平面尺上选定一点作垂直于平面的垂线，建立重建坐标系，重建三维物体。由于相位法的测量结果是物体表面上任一点相对于参考平面r 的高度，为了真实的重建三维物体，得到其实际尺寸，还需要知道物体表面上任意点垂直投影到参考平面r 上的所得垂足的坐标。这些坐标点通过摄像机小孔成像完全映射到与参考平面尺平行的c c d 芯片上，可以通过数字图象处理测量出它们在c c d 芯片上的相对坐标值，然后根据小孔成像原理及摄像机内参数求出它们在参考平面r 上的垂足坐标。最后可以选择全部或部分点拟合物体表面，实现三维物体重建。2 2 三维人体测量系统实施方案数据前期处理模块数据应用模块图2 3 三维人体测量系统功能模块图本文根据四步相移法及最小二乘法搭建三维人体测量系统，实施方案的设计依据算法原理本身的特点及人体特性，需要综合考虑以下因素：单一相位图。摄像机内参数即摄像机内部光学和几何特性，如图像中心、焦距、镜头畸变等；由生产商提供，为提高测量精度也可以自己标定获取。1 4第2 章- t t t 人体测量原理及系统整体设计方案拍摄系统测量范围小，人体整体测量需要多个拍摄系统组合；人体是柔性体，身体姿态易变化，且会因呼吸而轻微晃动，不宜长时日j 保持，所以整体测量时间必须短；人体范围大，且易白遮挡，摄像系统要选择合适的拍摄角度；摄像系统易标定，测量系统实用性强，精度满足人体测量结果应用场合的需要；测量系统简便可靠、体积小、重量轻、便于运输、拆卸，且成本适中；测量系统操作简单，自动化、智能化程度高，所获取的相位图数据能够用现有数据处理软件处理。具体实施方案的功能模块如图2 3 所示，阐述如下：对于单一相位图拍摄系统，设计让点光源发出的白光穿过透镜组合形成相位调制所需要的平行光照射到光栅上，穿过光栅的光线通过一个镜头后投影到被测人体上，其中镜头是用来生成光栅实像并限定投影范围的；光栅安装在微动导轨上，通过机械结构、丝杠、连轴器等与一个步进电机主轴相连，步进电机主轴的转动通过丝杠转化为水平移动，由此带动光栅在导轨上进行相移运动，进而实现四步相移法；相位图的获取由智能c c d 摄像机完成，光栅每次移动规定栅距后，c c d 摄像机拍摄一幅图像并存储，当环境光线暗淡时需要添加闪光灯1 。单一相位图拍摄系统的点光源丌闭、步进电机转动、c c d 自动分步拍摄四幅图像、闪光灯的自动丌关以及光栅移动时的定位传感器限位等操作由控制系统完成。考虑到系统控制量少、测量系统实时性强及尺寸要求小的特点，控制系统基于单片机进行设计开发，并希望能够与上位机( 计算机) 及时通信。1 t蛋。卜? 一：i ，没t ，一、1 i：。一l、。一一一一1图2 4 相位图拍摄系统上、下位拍摄示意图针对人体大的测量范围且易被自身遮挡的特点，采用三组相位图拍摄系统成圆周均匀分布并在垂直方向上分上、下两个位置来获取全身相位图，如图2 4第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案所示。同时尽量扩大单一拍摄系统的拍摄范围，这样每组拍摄系统可完成人体1 8 0 0 圆周信息的获取，三组系统上、下位两次拍摄即可获取六组完全覆盖周身信息的相位图，并确保相位去包裹及可视化处理后得到的六组点云数据有重合部分以便实现数据拼接，得到完整的人体点云。相位图拍摄系统垂直方向上、下位置的移动由类似摄像机三角架中的伸缩( 位移) 机构来完成。三组相位图拍摄系统需要经过坐标标定统一坐标空间，它们即是一个整体也相互独立，分别通过接口设备与计算机通信，由此完成整个测量系统的控制和数据的传输，同时计算机能够通过接口设备识别每组相位图拍摄系统。通过计算机控制软件操作界面，即可实现三组相位图拍摄系统分时联动获取人体整体数据，也可根据需要选中某一组相位图拍摄系统独自工作获取人体某部分数据。本方案中的三维人体测量系统概念图如图2 5 所示。图2 5 三维人体测量系统概念图整个测量系统工作流程如图2 6 所示，其中，测试者需要穿紧身衣站在拍摄系统位置所形成的圆周中心，适当调节站位及姿态以调整物距和减小自遮挡，拍摄时人体须保持静止、稍微屏住呼吸，整个获取全身相位图的过程持续约3 0 s 。摄取的六组人体相位图在计算机上经过反三角函数运算、相位去包裹得到16第2 章三维人体测量原理及系统整体设计方案三维人体信息，再经过可视化处理形成点云数据显示在同一坐标系下，接下来通过数据处理实现三维人体重构，并保存数据，以上过程用现有软件进行处理。随后可以进行相