（服装设计与工程专业论文）基于点云数据的人体构建.pdf

北京服装学院硕十学位论文 t h em a n n e q u i n sm o d e l i n gb a s e do n 3 dp o i n tc l o u dd a t a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e si nt h eg a r m e n ti n d u s t r y , 3 d g a r m e n tc a di s b e c o m i n gt h et r e n do fg a r m e n td e s i g n ，w h i c hm e a n st h ei m p o r t a n c eo ft h em a n n e q u i n m o d e l i n g t h em a n n e q u i nm o d e l i n gw i l li n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a r m e n t d e s i g nd i r e c t l y , a n db ec l o s e l yr e l a t e dt ot h et h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h e g a r m e n t t h e r e f o r ee x p l o r i n g3 dm a n n e q u i nm o d e l i n gm e t h o di sv a l u a b l ea n do f e x t e n s i v ep r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n b a s e do nt h em a n n e q u i nd a t af r o m3 dn o n - c o n t a c tb o d ys c a n n i n g ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dh o wt os t o r ea n dp r o c e s st h ep o i n tc l o u dd a t a ，h o wt or e b u i l da n dd i s p l a yt h e m a n n e q u i n s s p e c i f i cr e s e a r c h e si n c l u d et h es t o r a g es t r u c t u r eo ft h ep o i n tc l o u dd a t a b a s e do nt h et w o - d i m e n s i o n a lc h a i nt a b l e ，t h er e d u c t i o na l g o r i t h mo ft h ep o i n tc l o u d d a t ab a s e do nt h ed i f f e r e n c em e t h o d ，h o l e - f i l l i n ga n dn o i s e f i l t e r i n gi nt h ea p p l i c a t i o no f r a p i d f o r ms o f t w a r e ，t h ee x t r a c t i o no ft h et o pm a n n e q u i nd a t ab a s e do na n t h r o p o m e t r y s t a n d a r d ，t h ec r u s ta l g o r i t h mo ft h em a n n e q u i nm o d e l i n gb a s e do nv o r o n o ia n d d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ，t h em a n n e q u i nm o d e l i n gi nm a t l a bp l a t f o r m u s i n gam a n n e q u i nd a t af i l e ，t h i sp a p e r b u i l d st h em a n n e q u i na n dt h e t o p m a n n e q u i nm o d e l i n g e x p e r i m e n t sr e s u l ts h o w e dt h a tt h i sm e t h o dc a nb u i l dm o d e l q u i c k l ya n de f f i c i e n t l y ；t h eo b t a i n e dm a n n e q u i nm e tt h es t a n d a r de x a c t l y i naw o r d ，t h i s m e t h o dl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f3 d - g a r m e n tc a d s y s t e m k e yw o r d s ：t h ep o i n tc l o u dd a t a ；m a n n e q u i n s ；c r u s ta l g o r i t h m ；d e l a u n a y t r i a n g u l a t i o n ；m a t l a bp l a t f o r m i i 原创性声明 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，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位做作者答名：扬佬 日期：卅年2 月五二日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、 借阅和复印；学校可以将学位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行 检索，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 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： 扬诸 导师躲李魂飞 导师签名：何键汐 o 7 日期：沙护7 年三月勉日 日期：z 叩年亿月z z 日 北京服装学院硕十学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 我国是世界最大的纺织服装生产国和出口国，纺织服装业是我国出口贸易的 支柱产业。随着全球服装制造业竞争的加剧，企业要适应国际化市场快节奏、多 品种的需求，以最低成本、最优品质向市场提供具有优势的服装产品。企业面临 的最大挑战是科技能力和创新能力的提高，仅依靠劳动力资源的利润空间逐年递 减；只有因时制宜，引进现代信息化建设，采用先进的计算机高新技术来改进和 提升传统服装产业，才能全面提高中国服装企业的竞争力。服装c a d + 技术是计算 机科技在服装设计领域应用的重要标志，对于服装工业从“劳动密集型”向“技 术密集型 转化过程罩起到承前启后的重要作用。 早期的服装c a d 系统都是基于二维的，主要功能包括效果图设计、款式设计、 纸样设计、放码设计、排料设计掣1 1 。目前，国内外二维服装c a d 系统的发展和 应用已经非常成熟。但由于二维c a d 系统的功能仍限于平面设计，缺乏立体感， 且对于服装消费者和设计师，只能依靠其进行着装效果的设想，设计的结果与实 际人体往往有所偏差，二维c a d 系统在生产应用的发展过程中出现局限性。 目前人们在消费服装时，更加注重个性化的展示和购买过程的体验。随着互 联网技术对人们日常生活的渗透，新的营销方式电子商务模式也成为越来越 多服装企业关注的焦点【2 】。电子商务的主要角色由企业( b u s i n e s s ) 和消费者 ( c u s t o m e r ) 来扮演，b 2 c ( 即企业一消费者) 的商务运作模式基本等同于电子化 的零售。通过网上商店或在线销售的方式，企业可推销其产品。在此商务模式下， 各种消费者足不出户就可以在一个虚拟的服装超市里选购自己满意的服装，不仅 节省了企业的营销资金和仓储成本，也节省了消费者的采购时间和采购成本。应 运而生的网络量身定制、虚拟试衣( 参见图1 ) 、网络定货等模式，促使服装设计 和生产部门积极采用先进的计算机图形学与互联网技术，从而促进了三维服装 c a d 及服装c a m ”技术的产生【l 】o 在开发服装c a d 系统的过程中，三维服装c a d 的建模技术是一个富有意义和挑战的研究方向。 c a d ：c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计 “c a m ：c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造 1 第1 章绪论 三维c a d 技术的研究在建筑、电子、机械、医疗、化工等行业已经取得了显 著的研究成果，但是服装领域仍然滞后。产生的原因主要体现在两个方面，是 服装行业是劳动密集型产业，从业者手工操作性强，但科技含量较低；另一方面， 服装和人体都是小规则的柔性物体，会随着外界条件的不同发生改变，因此模拟 难度大，特别是服装c a d 要实现从二维到三维的转化，需要解决织物质感和动感 的表现、三维重建、逼真灵活的曲面造型等技术问题，很难用简单的模型来描述 并建立计算机模拟模型。鉴于以上难点，目前国内外研究者针对三维服装c a d 技 术的研究仍然处于起步探索阶段。因此如何应用计算机图形学、几何学和力学的 最新成果，实现三维服装人体建模以及交互式服装设计已经成为纺织服装界、图 形学界、计算机软件界关注和研究的热点和难点。 囤 一 、h - r t 口“一口 一，口r 9 q - 一 啊i_ 稠轰 、一j l 。1 1 1 i 1 l l 擘i 嘲 ，a 图1 三维阿络试表问 1 2 三维服装c a d 的研究现状 9 0 年代初，美国g e r b e r 公司率先推出适应市场需求的a m - 5 型微机服装c a d 系统，同时完成了服装自动裁剪系统c a m 的开发和应用，带领服装产业走上了 c a d c a m 产业良性发展的道路。到9 0 年代末，美国的服装企业几乎都采用了这 一先进技术，欧洲服装c a d 技术普及率高达8 0 ，日本达到7 0 ，我国台湾地区 达到3 0 口】。但是目前我国内陆只有不到1 0 的服装企业在使用c a d 系统。根据 “九五”计划目标，到2 0 0 5 年我国服装c a d c a m 的使用普及率要达到3 0 ， 到2 0 1 5 年，c a d c a m 的使用普及率争取达到8 0 ，赶上现在的发达国家。 北京服装学院硕十学位论文 三维服装c a d 技术，是指在计算机上实现三维人体测量、三维服装设计、三 维立体裁剪、三维立体缝合以及三维穿衣效果展示等全过程。其主要目的在于， 不经过制作服装或实地试衣，即可由虚拟人体在电脑中模拟完成最终着装效果的 演示，有助于设计质量和服装购买满意度的提高。服装c a d c a m 在不断创新的 发展过程中，美国制定了“无人缝纫2 0 0 0 计划”，最大限度地提高了服装设计制 造的效率；欧洲为了适应服装市场的变化开展“牛仔裤自动生产线”的研究，已 经实现了服装产品的无人化生产；同本历时1 0 年开发研究了三维立体缝纫系统， 达到了服装量身定做的单件生产水平。 1 9 9 2 年在美国举行的著名的国际图形学会议一s i g g r a p h 9 2 上，就有两篇关 于三维服装c a d 技术的论文发表。在欧美的一些大学和研究机构内，计算机三维 服装设计的有关课题，成为图形学学科研究的热点之一。作为这一领域的先驱， 美国的c d i 公司( c o m p u t e rd e s i g ni n c o r p o r a t i o n ) 以其在计算机图形学方面的雄 厚技术基础对三维服装c a d 软件进行了开发与研究，该公司推出的c n o c e t p d 3 服装设计系统具有建立三维动态人体模型、展现服装多个侧面、显示着装效果等 多方面功能。加拿大派特( p a d ) 系统中三维立体试衣模块可将二维平面纸样转化 为三维立体纸样，可瞬间预知样板缝制后的效果，逼真体现成衣的立体造型。其 中三维人体模型的性别、年龄、尺寸可自由设定，从而实现量身定做，可仿真各 种面料、背景、灯光、颜色的调节，使得立体效果更加逼真。法国力克( l e c t r a l ) 系统从三维人体测量系统到1 ：l 的出图系统以及自动化的裁床系统，使得c a d 技术和c a m 技术能够更加完美的结合在一起。德国艾斯特( a s s y s t ) 系统能模拟 三维立体效果，进行服装结构图和面料的设计，还有4 0 0 多种数据库选择打新版、 描版和修版，能够进行度身打版、多种放码和全自动打版【4 】。日本数字时装株式会 社开发的d r e s s i n gs i m 系统，可在网站上建立参数化的3 d 人体模型，再将2 d 纸 样“缝合上去，赋予虚拟人体动作和背景，能够真实地再现服装穿着的逼真效 果【5 1 。就三维c a d 系统而言，国内的起步比较晚，还没有成熟的产品，但一些科 研单位已经投入了该方面的研究，其中香港理工大学纺织及制衣系成功开发的智 能试衣系统，该系统利用射频识别技术可识别试身室或试身镜前的衣服，顾客只 要把挂有r f i d 卷标的衣服带到试身室或试身镜前，透过射频识别，液晶显示屏或 投射荧幕就会显示出店铺内其他可配衬的衣服。还有浙江大学的“试衣镜系统 、 北京工商大学的b i l i 系统、西安电子科技大学的x f 1 型服装c a d 系统、航天部 笙! 至堑堡 7 1 0 所的h f 1 型服装c a d 系统、杭州爱科的e c h o 系统、华中理工大学c a d 实 验室与香港科技大学联合研究的服装2 d 3 d 的转换系统等。 三维服装c a d 发展的另一个重要趋势是实现网上服装款式的选择和设计，未 来的服装企业将1 0 0 力h 入互联网，实现知识经济全球一体化运作。其中美国的 h & m 服装公司推出的网上试衣间服务，在w w w h m c o m 网站上选择试衣间，消费 者可以选择一位标准模特，也可以通过选择皮肤的颜色、发型、高度、体重，以 及眼睛的颜色、鼻子、嘴唇等，创立一位类似于自己体形的模特。选择完毕并注 册后进入“我的模特”，就可以使用所有h & m 销售的服装对自己的模特进行设计。 当消费者完全满意自己的搭配，即可存储到“我的衣柜”罩，并可以将衣柜中的 组合打印出来，带到商场直接购买。著名的试衣网站m yv i r t u a lm o d e l ( m v m ) 提供服装销售、家庭装饰、形体健美等服务，并以基于人体测量的网上试衣为主。 网站的服装销售与许多著名的服装品牌网站，如s e a r sr o e b u c k 、l l b e a n 、 l a n d s e n d 、a d i d a s 等建立链接。点击进入每个品牌的试衣界面，展现在顾客眼前 的是穿着系统自定义服装的标准身材的虚拟模型或创立一个与顾客外形相近的体 形模态。所需的尺寸信息包括：身高、胸围、腰围、臀围、大腿围、裤腿内缝长 度、躯干围度以及年龄。针对基于顾客体型尺寸塑造的虚模，试衣系统能够针对 其体型特征给消费者提供合体着装的建议。顾客还能通过链接进入所试穿服装品 牌的网站，查看每一款服装的详细信息，如：面料、款式、服用性能等【6 】。在欧洲， 由希腊的a t c 电子商务公司倡导的1 7 个公司参与的e t a i l o r 项目，全称为： i n t e g r a t i o no f3 db o d ym e a s u r e m e n t ，a d v a n c e dc a d ，a n de - c o m m e r c et e c h n o l o g i e s i nt h ee u r o p e a nf a s h i o ni n d u s t r y ，是基于服装数字化技术的电子商务模式的典型代 表。e t a i l o r 工程集成了三维人体扫描与测量技术，先进的服装c a d 技术和电 子商务技术，其目标是构建一个基于大规模量体定制技术的电子商务平台，面向 顾客提供虚拟购物，个性化的合体服装等高附加值服务，同时能够提高企业的制 造效率，降低企业的运行成本，增加企业的竞争力。e t a i l o r 的功能组成如图2 所示【7 埘。 4 北京服装学院硕+ 学位论文 图2e - t a i l o r 结构图 总之，三维服装c a d 系统是服装设计的必然趋势，因此也就决定了作为基础 的三维人体建模的重要性和必要性，只有三维人体的建立和服装建立紧密的联系， 才能使系统得以完整的实现。 13 三维人体建模技术的分析及比较 人体是一个复杂的自由曲面，需要选择适宜的造型工具利用测量得到的数据 点来完成人体曲面的三维重构。人体建模技术发展到现在，已经出现大量的实现 方法。研究者可根据自己所要实现的功能确立选用的建模方法，根据参阅大量的 有关文献，归纳主要采用的人体建模类型为：线框建模、实体建模、曲面建模和 基于物理的建模技术。 3 1 线框建模 线框建模是采削点、直线，圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术 它是计算机图形学c a d c a m 应用中最早用来表示形体模型的建模方法。线框建 模只用点、线的信息表示一个形体，数据量少定义过程简单，对其编辑、修改 非常快，符合服装生产中人们打样的习惯。线框建模的数据存储量少，对其编辑 及修改非常快。使用线框建模的方法对人体建模时，它是将人体轮廓用线框图形 和关节表示，由于包含的信息有限，因此该建模方法对人体建模时存在如下缺陷 第1 章绪论 ( 1 ) 有模糊性和歧义性：不能无二义性地表达三维人体； ( 2 ) 无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示； ( 3 ) 无法进行剖面操作。 但线框建模的方法很容易产生人体动作，并可以作为实体建模、曲面建模的 基础，因此至今该方法仍在广泛的应用中。最早开发商品化人机系统仿真软件的 英国诺丁汉大学s a m m i e 9 】系统生成的人体模型a p p o l l o 、c h r y s l e r 公司用 f o r t r a n 开发的c y b e r m a n 系统【9 】生成的人体模型以及由p e n n s y l v a n i a 大学计算 机图形学实验室用c 语言开发的j a c k 软件【9 】等，都是采用线框建模的方法。 1 3 2 实体建模 实体模型技术是2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期逐渐发展起来的，使用实 体建模的方法对人体建模时，由于它增加了三维人体的实心部分表达，使其信息 更加完备，从而使得三维人体得到无二义性的描述。并且实体建模方法提供了顶 点、边界、表面和实体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体 的消隐、真实感图形显示。但此模型的数据量大，对硬件的要求比较高。典型的 造型方法及造型系统有n u d e s 系统、b u b b l e m a n 模型和l a b a 表示法模型等。目 前，实体建模系统中对人体的表达方式主要有四种。 1 3 2 1 基于体素分解的表达方法 体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解，并将其逼近表示成为一簇基本 体素的集合，分解后的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行，但对人体 的表达是近似，因而很难反映出人体的宏观集合特征。并且由于体素间的集合运 算涉及大量面与面之间的交贯运算，难免出现奇异的情况。有时计算精度有限带 来的几何数据误差，还会造成体素之问拓扑关系的紊乱，从而使运算不能进行下 去，因此在实际应用中会受到很大的限制。 1 3 2 2 构造实体几何 构造实体几何方法是用体素拼合物体的有效表示方法。此方法把人体分解为 几种三维体素，如圆柱体、椭球体、球体等，通过交、并、差集合运算生成复杂 人体夕卜形，该表达方法可以用一棵二叉树描述。其特点在于能够清晰地表达复杂 6 北京服装学院硕十学位论文 人体的构造过程，能直观地描述人体的宏观几何特点。但该表达方法由于存在多 种构造人体的表达方法，表示的人体模型也不够逼真，很难表示人体的动态特性。 并且由于存在集合运算，因此其数据量和计算量大，计算稳定性差。 1 3 2 3 边界表达方法 一个物体可以表示为有限的边界表面的集合，即物体的边界是所有单个面之 并，而每个面又由其边界的边所围成，这些边界位于各自顶点之间。故边界表达 方法的主要思想是通过形体的边界元素( 如表面、边、顶点等) 及其拓扑关系来 描述三维空间的形体。边界表达方法详细的记录了构成形体的所有几何元素的几 何信息及其相互连接关系的拓扑关系，以便直接提取构成形体的各个面、面的边 界以及各个顶点的定义参数，有利于以面、边、点为基础的各种集合运算和操作。 人体的边界表达就是用面、环、边、点的信息来定义人体的位置和形状。由于表 示人体的面、边、点等几何元素是显示表示的，使得绘制边界表达的人体速度较 快，而且比较容易确定人体模型几何元素间的连接关系。但是该方法因为数据结 构复杂，需要大量的存储空间，所以维护内部数据结构的程序也比较复杂，且修 改人体的操作比较难以实现。 1 3 2 4 多面体建模 多面体建模是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行 局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体( 即基本立体) ，然后通过类似 于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。这种处理， 又称为局部变形操作，是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成所需形状 的方法。该方法生成人体的步骤如下： ( 1 ) 首先产生一个由直线和平面所组成的基本立体，作为人体形状的原型； ( 2 ) 由基本立体产生一个表征人体特征的曲线模型； ( 3 ) 在曲线模型的基础上，用参数曲面进行拟合【i 们。 1 3 3 曲面建模 曲面模型是c a d 和计算机图形学中最活跃、最关键的学科分支之一，它主要 研究具有一定光滑度的曲面外形的数学描述。曲面建模在线框建模的基础上，增 7 笙! 主堑笙 加了物体中面的信息，用面的集合来表示物体，而用环来定义面的边界。曲面模 型能提供三维人体的表面信息，并进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示， 但曲面模型方法也存在缺陷，由于在该模型中，只有一张张面的信息，物体究竟 存在于表面的哪一侧，并没有给出明确的定义，无法计算和分析物体的整体性质， 如物体的表面积、体积、重心等；也不能将这个物体作为一个整体去考察它与其 他物体相互关联的性质，如是否相交等。目| j ，曲面模型的研究主要分为两个方 面：一是曲线曲面的表示、设计、建模显示等；二是与曲面设计方法相关的算法 研究，如求交、等距、过渡、拼接、光顺以及局部操作等【1 1 】。按照曲面拓扑形式 的不同，目前主要有两种自由曲面构造的方法：其一是以b 样条或n u r b s 曲面 为基础的四边域曲面构造方法；其二是以三角b e z i e r 曲面为基础的三边域曲面构 造方法。 1 3 3 1 基于四边域曲面的重构方法 这类方法适用于汽车、飞机、轮船等曲面零件，特点是既不像单独的二次曲 面那样简单，也不像人面模型那样毫无规律。这类方法又以基于b 样条或n u r b s 曲面最多。对于散乱点类的数据，采用单一矩形域内的曲面拟合方法，先根据边 界构造一个初始曲面，然后将型值点投影到该初始曲面上，根据投影位置算出其 参数分布，根据这一型值点参数分配拟合出一张新的b 样条曲面，最后，对型值 点参数进行优化，使得拟合曲面离给定型值点误差最小。还有采用先用插值法构 造插值于测量点的曲面数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格，再用n u r b s 方法拟合成最终重构曲面。另外，对于阵列点类的数据，可以采用图象处理的原 理，获取曲面的特征线，然后再根据这些曲线将曲面划分为不同的块，每块都使 用b 样条曲面拟合，最终将所有块拼接成一个整体【1 2 】。 以b 样条或n u r b s 曲面为基础的四边域曲面重构方法的优点：既为标准解 析形状，又为自由型曲线曲面的精确表示与设计提供了一个统一的数学形式；修 改控制顶点和权因子，为各种形状设计提供了充分的灵活性；具有明显的几何解 释和强有力的几何配套技术( 包括节点插入、细分、升阶等) ；对几何变换和投影 变换具有不变性【1 3 】。 北京服装学院硕士学位论文 1 3 3 2 基于三边域曲面的重构方法 这类方法最适合表现无规则复杂型面的物体，特别是人面、地貌等自然物体、 艺术品以及玩具等。其基本原理是将需要处理的原始数据作为一个整体考虑，首 先根据数据的局部微分几何特征提取其特征线( 如尖角、曲率极值等) ，并以这些 特征线为基础构成初始的三角网格；然后将测量到的型值点按照曲率变化情况插 到三角网格中实现网格的细分，这样最终得到的三角剖分网格具有在曲率变化平 缓的地方稀疏，在曲率变化剧烈的地方密集的特点；最后再运用三角b e z i e r 曲面 在网格的基础上构造光滑曲面。另外一种思路是首先将所有的型值点都考虑到三 角网格中去，建立一个密集的初始三角网格，由于太多的数据点将造成过大的计 算开销，因此必须对网格进行精简，精简的算法往往是基于对曲面型值点的曲率 估计。精简过后的网格成为多边形网格，必须重新进行三角化。 以三角b e z i e r 曲面为基础的三边域曲面重构方法的优点为：对于数据点预处 理要求不高，可应用于任意边界形状的散乱点数据。该方法构造灵活、边界适应 性好、容易实现自动化，是处理散乱数据点的有效方法【l 3 1 。 1 3 4 基于物理的建模 传统的建模技术对人体的几何信息及拓扑关系描述的很完整，但对人体在真 实环境下的动态建模仍有局限性。1 9 8 7 年，a h b a r r 在s i g g r a p h 8 7 上首次提 出了“基于物理特性的建模 思想，在建模过程中引入了人体自身的物理信息、 人体所处的外部环境因素和时间变量，对人体或服装进行三角、网格或粒子划分， 进行能量、受力等分析，基于物理的建模方法f j4 】能较真实地模拟柔性物体的特征。 但基于物理的建模方法在人体的动态运动规律表达上多是采用微分方程组数值求 解的方法来进行计算，比传统的建模方法在计算上要复杂得多。但该方法弥补了 许多几何建模技术的不足，故得到了迅速的发展。 表格1 三种建模方法的比较 9 第1 章绪论 1 4 本课题研究目的和内容 1 4 1 研究目的 课题研究的目的是：在由非接触式的三维扫描仪获取的人体表面数据的基础 上，设计一种便捷、准确的数据处理方法，并对处理后的数据进行三维人体模型 重建；为三维服装c a d 系统的进一步完善提供了良好的平台。 1 4 2 研究内容 课题的内容主要分为两个部分：第一，三维人体扫描数据的处理；第二，人 体模型的重建。具体研究了以下五个部分： ( 1 ) 人体数据的获取及存储。通过非接触式激光扫描仪获得实际人体的三维 扫描数据，并根据数据结构特征设计存储格式。 ( 2 ) 人体扫描数据的处理。在经典的点云压缩方法基础上，设计一种便捷的 精简方法，再运用相关软件对数据进行补点、去噪等处理；提取人台关键点数据， 以便后期实验使用。 ( 3 ) 人体模型构建方法。在对几种常用方法的分析比较后，提出本论文的构 建方法，利用v o r o n o i 图和d e l a u n a y 三角剖分的性质，应用经典的c r u s t 曲面重建 算法。 ( 4 ) 算法实现平台。结合m a t l a b 平台的优势，进行论文算法的实现。 ( 5 ) 重建人体实验。选取一个人体扫描的数据样本，制作出人体模型和基于 该人体的人台模型，用以验证本文提出的人体构建方法。 1 0 北京服装学院硕士学位论文 第2 章三维人体数据的获取和存储 人体数据的传统获取方法是利用手工皮尺等测量工具，但该方法很难满足快 速、准确、大批量测体的需要。本课题采用的是国际先进的非接触式激光人体扫 描仪获取的三维人体数据。该系统应用普通的白光光源、光栅投影及计算机视觉 技术等实现测量，可使测量的速度快、精度高、信息量大、数据处理方便。 2 1 三维人体数据的测量 三维人体数据的测量方法主要分为两类：传统的接触式测量方法和非接触式 测量方法。人体数据测量是建立人体模型的基础，通过测量人体各个部位尺寸用 以进一步研究个体的形态特征，从而为服装设计与生产领域提供基础的研究数据。 2 1 1 传统的接触式测量方法 传统的人体测量方法为手工测量方法，主要测量工具是软尺、角度计、测高 计、测距计和滑动计等，或专门的机械式测量仪，依据测量基准对人体进行接触 式测量，可以直接测量出人体各部位竖向、横向、斜向及周长等体表面长度，并 可以测量出人体表面相关点的三维坐标，获得较具体的人体数据【l5 1 。该方法的优 点在于操作简便、直观，使用工具简单。缺点是该方法大多建立在手工测量的基 础上或凭借经验的观察上，因而人体的一些特征数据无法取得，人体的复杂体型 特征无法用这些简单的数据进行说明；且由于是接触式测量，测量时间比较长， 往往会使被测者感到疲惫乏力，还会由于异性测量或测量部位等方面给被测者带 来不便；同时测量者的技巧等人为因素也在很大程度上影响了测量的准确度，不 同测量者测量的结果会有所不同，这样会对测量结果带来一定的误差。 2 1 2 非接触式测量方法 随着激光技术的发展，许多三维激光测量仪在1 9 8 0 年左右研制成功。三维人 体扫描仪的出现为服装行业带来了很大的变革，如由三维扫描技术推动的电子裁 剪、虚拟试穿、个性化定制等，同时三维扫描技术也改变了传统的人体测量方法。 第2 章三维人体数据的获取和存储 2 1 2 1 三维扫描技术概况 非接触式三维扫描技术是现代化人体测量技术的主要特征【l6 1 。三维人体扫描 技术作为现代图像测量技术的一个分支，它是以现代光学为基础，融光电子学、 计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的测量技术。对三维人 体扫描技术的研究，美国、英国、德国和同本等服装业发达的国家开始得较早， 大致在7 0 年代中期开始，且提出了许多新的测量原理和方法。当前其主要的测量 方法有：光学图样法( 干涉法、莫尔法、相位法等) 和基于图像传感器的光电法。 通过与计算机辅助服装设计系统相结合，所测得的数据可直接运用于c a d 系统， 以实现人体测量和服装设计一体化。目前非接触三维自动测量方法有以光电为基 础和以激光为基础的方法，具体分为如下几类【1 7 】：立体摄影测量法、激光测量法、 莫尔条纹测量法、白光相位法、t c 2 分层轮廓测量法等。激光测量法可通过计算 出人体同一高度若干点的坐标值，从而可测得人体表面的全部数据。激光测量法 的人体三维测量系统最主要的优点是：测量准确，速度相对较快。 其中，美国的c y b e r w a r e 系统是首位为服装应用而引进w b 2 和w b 4 全身激 光扫描仪。德国的t e c m a t h 系统使用特殊的摄像机拍摄不同姿态的人体图片，摄 像机位于每个利用衍射光学原理的二极管激光前面。同本h a m a n o 公司的v o x e l a n 扫描仪是唯一一个使用垂直激光条的。美国的f a s t s c a n 是目前重量最轻的手提式 扫描仪，可用于扫描非金属、不透明的物体。 2 1 2 2 三维扫描技术原理 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体 空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。三维扫描仪采用一种结 合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术， 称为“结构光三维扫描仪。 一般的三维扫描系统由一台控制计算机、一个控制电路盒和用于扫描的扫描 间组成。扫描间内有两个线性的面板，分别置于扫描人体的前后两侧，每个面板 上有一个多激光束的激光投影仪器，一个c c d 相机。当扫描人体时，这两部分沿 着线性面板上下移动，该扫描单元和受计算机控制的控制盒相连。所有扫描测量 控制命令通过并口，从计算机传到控制盒，来驱动扫描单元运行到指定的位置进 行扫描，并打开相机抓拍图像。为了保证整个人体能够扫描到，扫描单元需要停 1 2 j ! 室竖茎堂堕堕堂垡堡奎 留5 - 6 次，从而得到完整的、全面的、连续的、关联的人体点坐标数据，这些密集 而连续的点数据也叫做“点云”。 其中每个扫描点的测量都是基于三角测量原理进行的，该原理的实现是通过 激光发射器发出的激光束经过反光镜( 三角形的第一个角点) 发射到目标上，形 成反光点( 三角形的第二个角点) ；然后通过c c d ( 三角形的第三个角点) 接受目 标上的反光点；最后，基于两个角度及一个三角底边计算出目标的景深距离仃坐 标上再经过激光束移动的反光点的位移角度差及y 坐标等计算出咒z 坐标【1 8 1 。 参见图3 。 2 2 三维人体数据的特征 图3 三维扫描仪原理 本文使用非接触式激光扫描仪采集人体表面的几何数据，并得到一个文本类 型的数据文件。扫描时以身高为基准，至上而下逐行扫描，并在同一高度面上测 量若干数据点，最终得到由1 7 个坐标点的三维坐标瓜几z 逐行排列构成的1 7 行3 列的数据文件；其中，人体左右方向坐标为局高度方向坐标为乃前后方向坐标 为z 。图4 为扫描数据文件的截图，从图中可以看出测量的数据在x 坐标方向上下 差值为一个定值；在y 坐标方向上取若干个点，再按照定值向下取点；z 坐标方向 为不规律的数值，是根据个体测量所得。 1 3 第2 章二维人体数据的获墩和存储 鬻塑塑冀鬻型璧黪辫翊 l 1 5 2 6 4 4 2 b s 一3 2 6 3 0 9 1一 0 7 s6 4 4 20 5 3 3 7 h 2 6 4 q 9 9 66 4 4 2 0 5 3 4 8 2 4 3 3| 9 2 1 6 4 4 2 0 s 一3 5 8 1 5 8 7| 日h 46 4 4 2 0 5 3 6 7 7 7 3 7 | 7 6 76 4 2 0 5 3 7 7 0 8 8 3 i 6 96 4 4 2 0 s 一3 8 6 7 0 3 3 6 1 36 4 4 2 0 5 3 9 6 9 1 9 2 i 5 + 3 66 4 4 2 0 54 0 8 3 3 7 目 4 5 96 4 “2 0 s 一4 2 0 9 5 6 7 i 3 8 26 “4 2 0 5 1 3 5 日7 8 7_ 3 56 4 4 2 0 5 4 s 0 7 0 3 1j 2 2 b6 4 4 2 b sq 6 7 5 2 9 qj 1 s 16 4 4 2 0 5 4 8 5 5 5 7 5 _ 0 7 q6 “4 2 0 5 ,5 0 q 7 8 7 5目 9 9 76 4 4 2 0 s 一5 2 s 5 1 9 8 l 9 2 6 4 4 2 0 s5 4 8 9 5 6 q l 7 6 96 4 2 2 8 2 5 1 4 1n 2 l 8 q 66 4 2 2 8 2 一q 8 5 5 5 7 5 l 9 2 1 16 4 2 2 8 2 一o 5 8 s 1 5 3 l 9 2 36 4 2 2 8 2 1 0 6 6 6 6 4 l 6 4 2 2 8 2 4 3 2 9 7 s 5 1 。，。j 图4 扫描数据文件截豳 2 3 三维人体数据的存储 为了进一步处理数掘，需要对扫描数据进行格式化存储，将数据文件存储到 计算机内存中以待处理。数组是最常用的数据存储结构数组的使用非常方便， 但在计算机中数组要求内存分配必须是连续的且当存储数据很大时内存分配得 不到满足，就会出现内存溢出的情况”。并且每个人的体型都不相同，所以得到 的高度层数不同：且在同一高度层上，扫描数据点的个数也不相同。这些数据在 格式化存储前是未知的，所以使用数组储存时需要利用动态内存分配操作实现数 组的动态创建，爿能使得数组元素的个数可以根据运行时的需要而确定。链表是 一种常用的、重要的数据结构，其内存分配不需要连续。主要特点是结构比较简 单、实用，也比较方便，可以用它来实现比较复杂的数据结构。 2 3 i 二维链表的存储结构 使用单链表存储时，由于节点数较多，搜索结点数据的速度较慢；当用链表 表示二维数组时，访i o l 数据缺乏直观性，给数据访问带来了一些麻烦。二维链表 可以将数组与链表结合起来，发扬各自的长处，本文采用此技术对数据进行存储。 =宇埔”铀竹w讣卅柏：窨们”弘m吨叫叫。 北京服装学院硕十学位论文 二维链表是建立在一维链表【2 0 】的基础上的，一维链表为最普通的单链表，可 以为其定义一组相关的操作使得它象操作一维数组那样方便。二维链表是由多个 一维链表通过相应结点的指针链结而成。图5 为常用链表的结构图。 乎曲羽t 至：i p i 羽 ( a ) 一维链表 ( b ) 二维链表 图5 常用链表结构图 二维链表结点的c + + 语言描述： t y p e d e f f l o a td a t a t y p e 数据域类型 t y p e d e fs t r u c tt w o d i m l n o d e d a t a t y p e * d a t a ： 数据指针 s t r u c tt w o d i m l n o d e 木p r o w , 木p c o l ；行、歹0 指针 ) t w o d i m l n o d e ，枣p t w o _ d i m l n o d e ； 二维链表的c + + 语言描述： t y p e d e f s t r u c tt w o d i m l i n k i n tr o w n u m ，c o l n u m ；链表行、列数 t w od i ml n o d e * h e a d n o d e ；头结点指针 t w o _ d i m _ l i n k ； 显然，对于二维链表来说，它的每个结点类型是相同的。要得到1 个结点的 数据可以通过多种不同搜索路径来实现。如可以先进行行搜索，再进行列搜索， 或者相反。可以看出，对于二维链表，它的时问复杂度为o ( n 17 2 ) 【2 。 第2 章三维人体数据的获取和存储 2 3 2 三维点云数据的存储结构 本文在二维链表的基础上进行简化处理，由于扫描人体的点云数据，可以在 不同的高度层上进行划分，且只需要高度层做为索引项进行连接，所以将普通二 维链表省略结点一维方向上的指针关联，只保留头结点的二维指针联系。简化后 的数据结构如图6 所示。 泛! 兰竺兰二二二兰三掣 !ji!一 乓匿! 垩：兰兰= 二 尹悟4 牟二= ：= = i j ； 毁竺兰兰三! 二二兰尹 flii!一 谢芒些= ：2 二竺引阿歪= = 二 ：二j 一 图6 扫描数据存储结构 第l 高度层数据链表 第2 高度层数据链表 第( n - 1 ) 高度层数据链表 第n 高度层数据链表 这样的存储结构将扫描人体数据按照不同高度进行存储，其头结点之后的结 点包含了扫描点的几何数据，指向右方向的点的指针，指向向下方向的指针都指 向n u l l 值；定义其纵向的第一列为高度索引项，这样不仅存储了扫描点的几何数 据，而且包含了指向向右和向下两个方向上点的指针。 该存储结构有如下一些优点： ( 1 ) 搜索高度层时快速准确，只需要在纵向链表的第一列中选取需要的高度 层数据，即可得到该高度层上的所有数据点，有利于进行指定高度的剖分处理； ( 2 ) 定位数据点时准确快捷，由于该数据结构存储的数据在横坐标方向上为 同一高度层的定步长几何点，在纵坐标方向上为高度层上的定步长几何点，存储 结构具有规范性，使得后期构造三角面片时快速准确。 1 6 北京服装学院硕士学位论文 第3 章三维人体数据的处理 在三维人体建模之前，人体完整数据的获取是关键，而无论使用传统的接触 性测量方法还是非接触性测量方法，测量所得的大量的数据都要经过处理才能使 用。在测量人体数据时，一般是以人体的腰截面的中心作为坐标原点，建立直角 坐标系，这样人体数据测量点的数据会分布在三维直角坐标系。 非接触式测量数据的处理要经过比较繁琐复杂的过程，针对扫描获得的大量 数据，我们要进行数据处理工作。因为扫描测量的数据量非常庞大，数据不可避 免的会引入数据误差，且扫描人体时腋下等部位会出现漏点的情况，所以需要对 扫描数据进行预处理，包括：数据精简、数据插补、去除噪音点等，最后再对需 要特殊提取的部位进行关键点提取。 3 1 人体数据的精简处理 由于三维人体扫描得到的点云中通常包含三十到六十万个三维数据点，文件 一般在1 0m b 左右，在构建模型时并不是需要用到所有的数据点，且直接使用这 样密集的数据会导致计算机运行、存储和操作的低效率，生成模型时需要消耗更 多的时间。并且过于密集的点云会影响重构曲面的光顺性，而光顺是人体重构中 非常重要的要求，为避免以上问题的出现，就要删除部分数据点，即对数据点云 进行精简处理。 3 1 1 常用点云数据