（计算机软件与理论专业论文）基于三维扫描点云的参数化人体模型.pdf

摘要 由三维信息重构三维物体是计算机辅助设计研究的热点问题。它在地形重 构、服装设计、医学c t 图像三维重建等领域有着广阔的应用前景。本课题的研 究以国家自然科学基金项目三维服装动力模型研究为背景，是其中的一个子 模块。 本文主要研究人体模型的重建方法，提出了种基于三维扫描点云的人体重 建方案。在综述该方案的同时，给出了流程设计的总体框架、文件存储格式、每 个步骤的具体实现方法及细则。本文对比了现时三维造型方法的优劣，介绍了一 般三维人体建模过程。在论述过程中，本文提出一种平面迭代简化规则对模型简 化。在人体模型参数化设计部分，本文通过对比各种样条插值算法的优劣，最后 选用c a r d i n a l 样条插值对人体模型进行参数化处理。本文还运用g r a h a m 凸包算 法实现对人体模型部分特征数据的动态测量，为服装c a d 设计提供个可按需要 变化的人体模型，使服装设计能模拟出在不同身材人身上的试穿效果。最后，本 文还指出进一步改进的方向。本文用作实验的数据来源于西北纺织学院人体扫描 仪对真实人体扫描输出的点云数据。扫描对象为一个3 0 岁左右的中年女子，数 据具有真实性且有研究价值。 本文所附程序在w i n d o w s 平台上采用v i s u a lc + + 和o p e n g l 编写，数据采用 w a v e f r o n to b j 格式存储，程序实现了人体重建与参数化过程，对人体部分特征 数据进行了测量，并采用p h o n g 光照模型对模型进行渲染。 关键词：人体模型、点云分割、点云简化、参数化设计、三维信息重构、计算机 辅助设计 l i 3 dp o i n tc 1 0 u db a s e dh u m a nm o d e lp a r a m e t e r i z a t i o n m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：w e iw e i s h u s u p e r v i s o t ：p r o f e s s o rl u ox ia o n a n d o c t o rg a oc h e n g y i n g a b s t r a c t t h et e e h n i q u eo fr e c o n s t r u c t i n ga no b j e c tf r o m3 di n f o r m a t i o ni sh o t s p o to fc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) i th a sp r o m i s i n gp r o s p e c ti n t h e f i e l d o ft e r r a i nr e c o n s t r u c t i o n f a s h i o nd e s i g na n dr e c o n s t r u c t i o nf r o mc t i m a g e t h er e s e a r c h i ss u b i t e mo ft h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n d s u b e c t ，“r e s e a r c ho n3 dg a r m e n td y n a m i a sm o d e l ” i nt h i s p a p e r ， w e m a i n l y d i s c u s st h ec o u r s eo fh u m a nm o d e l r e c o n s t r u c t i o nf r o mp o i n tc l o u da n db r i n ga b o u tap l a n a rs i m p l i f i c a t i o n a p p r o a c h w h e nd i s c u s s i n gt h ep l a n ，w eg i v eam a i nf r a m eo ff l o wd e s i g n ， f o r m a to fo b j e c tf i l ea n dd e t a i lm e t h o do fe v e r ys t e p t h ed i s s e r t a t i o n d o e st h er e s e a r c h i n go fc o m p a r i n gt h es t r o n g p o i n ta n dw e a k n e s so fd i v e r s e 3 dp l a s t i cm e t h o da n di n t r o d u c i n gg e n e r a lm o d e l i n gc o u r s e d u r i n gt h e c o u r s eo fd i s s e r t a t i n g ，ap l a n ei t e r a t i o ns i m p l i f i c a t i o nm e t h o dh a sb e e n b r o u g h tf o r w a r d t h ed i s s e r t a t i o nc h o o s e sc a r d i n a ls p l i n em e t h o dt od o t h ep a r a m e t e r i z a t i o no fh u m a nm o d e la f t e rc o m p a r e dd i f f e r e n tk i n d so f m e t h o d s a n da l s o ，t h ed i s s e r t a t i o nu s eg r a h a ma r i t h m e t i c t o c o m p u t e c o n v e xh u l l i tp r o v i d e st h eg a r m e n td e s i g nc a ds o f t w a r eah u m a nm o d e l t h a tc a nb ep a r a m e t e r i z e dt ov i r t u a lt r yo n f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o n p o i n t so u ti t sd e f i c i e n c ya n dt h ep l a c et ob ei m p r o v e d t h et e s td a t ao f t h ed i s s e r t a t i o ni sr e a ls c a n n e dd a t ao fh u m a nm o d e lo fm i d d l e a g e dw o m a n a b o u tt h i r t ya g e sf r o mn o r t h w e s tw e a v ei n s t i t u t e s3 dh u m a nm o d e ls c a n n e r i th a sa u t h e n t i c i t ya n dv a l u eo fs c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ed i s s e r t a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + a n do p e n g lo n w i n d o w sp l a t f o r m ，a n dt h eo u t p u td a t af o r m a ti sw a v e f r o n to b j f u r t h e r m o r e ，t h ep r o g r a mi m p l e m e n t sr e c o n s t r u c t i o n a n dp a r a m e t e r i z a t i o no fh u m a n m o d e l ，m e a s u r e m e n t o f p a r t i a l f e a t u r ei n f o r m a t i o no fh u m a n b o d y ， r e n d e r i n gb yp h o n gi l l u m i n a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：h u m a nm o d e l ，s e g m e n t a t i o n ，s i m p l i f i c a t i o n ，r e c o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r i z a t i o n ，c a d i i i 薹三壁望垫塞至塑查垫些垒堡坚型 苎! 童堕堕 第1 章绪论 1 1 人体模型的研究意义 随着计算机科学技术的飞速发展，计算机图形学取得了巨大的进展，人们可 以用计算机模拟一些刚性物体以及其物理运动，但在模拟生物体时真实感往往是 最大的问题。生物体的表面通常由不规则的曲面构成，生物模型的建模一直是计 算机图形技术的一个难点。而生物模型在很多方面都需要用到，特别三维人体模 型，在计算机辅助服装设计、计算机动画、游戏等领域都有着非常好的应用前景。 在以往，三维人体建模传统的方法是由经验丰富的艺术家使用各种三维曲面造型 软件进行手工建模。此方法可以创造夸张的动画模型，但生成一个特殊个体的三 维人体模型通常需要花费大量的时间和精力，并且难以生成一个真实的人体模 型。几何逆向工程技术的发展，使得人们可以使用三维扫描仪扫描人体得到点云 数据，经过处理生成逼真的网格模型。此方法已被广泛用于医学、虚拟现实等领 域，使得人们可以实现各种无接触的测量，以及虚拟修改外观。在服装设计领域， 这种人体模型可用于测量人体各种数据，模拟衣服穿着效果，为客户度身订做衣 服。比起传统建模方法，此方法可以更迅速、更逼真地生成人体模型。但通常还 须对人体模型进行特征识别，以辨认身体不同部分。 在我国，2 0 0 1 年专门召开了以“中国人数字化虚拟人体科技问题”为主题的 学术讨论会，内容包括数字化虚拟人体研究意义、模型数据的获取方案与技术、 医学图像处理方法学和数字化虚拟人体应用及平台等。2 0 0 2 年6 月。我国科学 家提议国家正式立项“数字化虚拟人体研究项目嘘拟中国人计划”。数字化虚拟 人体1 】计划，将是个大型的科学研究工程，涉及以人为中心的科学技术发展， 使国内与人体相关的研究走向世界的前列。“虚拟中国人计划”既是一项具有战略 意义的科学研究计划，又是项规模庞大而复杂的系统工程，它涉及新世纪众多 学科的前沿技术，反映国家的综合实力。用计算机构造人体模型在服装业中有着 十分重要的意义。通过建立大量的对实际人体各部位计测数值的统计和处理，经 过科学的计算和比较分析，用计算机构造人体模型并进行变形、分析、计算等处 理可以为服装设计提供依据。 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第1 章绪论 1 2 人体模型研究现状 对人体模型的研究从近十几年开始，并在不断发展中出现不同的分支。人体 模型的研究与多个学科形成交叉，如医学、服装、工程学等，与这些学科形成相 互促进、相互发展的关系。逆向工程的发展、三维扫描仪和c t 图像扫描仪的出 现加速了人体模型发展的步伐。在人体模型的研究中，真实感问题依然是研究的 核心问题。在国外，人体模型技术已经发展到相当高度；但在国内，该技术仍处 于起步阶段。 在曲面表示方面，经典的有1 9 6 4 年由麻省理工学院( m i t ) 的孔斯( c o o n s ) 用 封闭曲线的四条边界定义一块曲面。后称c o o n s 曲面；1 9 7 1 年由法国雷诺 ( r e n a u l t ) 公司的贝塞尔( b 6 z i e r ) 发明了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方 法；1 9 7 4 年由通用汽车公司的戈登( g o r d o n ) 和里森费尔德( r i e s e n f e l d ) 提出了b 样条曲线、曲面；8 0 年代后期由美国的皮格尔( p i e 9 1 ) 和蒂勒( t i l l e r ) 将有理b 样条发展成非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方法。这些曲面构造方法均可应用于人体 造型。 f l e w i s 和r m a t s u d a 等人用m e t a b a l l 方法构建的人体模型，该方法构 造的曲面光滑且灵活，但并不能逼真模拟人体。在多分辨率表示方面，有h u g e h o p p e 提出渐进网格“1 ：当简化模型时，按照一定规贝4 将相邻网格点合并；当需 要恢复原模型时，再按相反规则恢复模型。相对于渐进网格模型，还有细分模型。 d z o r i n 等人提出将细分应用于建模和动画。1 。多分辨率表示在网络传输上有着 广泛的应用前景。 在动画和变形及方面，骨架模型和自由变形方法( f f d ) 是较为常用的方法。 现在还有一种较新的技术一动作捕捉技术。r m a t s u d a 等人在对人体模型进行 局部修改时，采用了自由变形的方法，但变形后的人体基本形状得不到保证。 h 。s e o 等人在对人体模型进行局部调整时，采用了参数曲线的方法。他先将指定 关键点调整到目标位置，随后通过b o o rc o x 等算法修改其它相关点的位置来模 拟真实人体的局部变形。1 9 8 6 年，s e d e r b e r g 和p a r r y “1 提出了自由变形方法 ( f f d ) 。应用该方法造型时，先构造一个长方体框架，将待变形物体置于框架中， 对框架施加外力使其变形，通过框架力的传递性而使物体形状随之改变。为了使 变形效果更好。近十几年来又涌现出了多种变形方法。l a m o u s i n ”1 提出了基于 2 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第1 章绪论 n u r b s 的自由变形方法( n f f d ) ，它的基函数采用非均匀b 样条基函数，n f f d 与 f f d 的区别在于权因子提供了另一个控制变形的自由度。在变形技术里面还有 m o r p h i n g 技术较为常见。m o r p m n g 是指将一个三维物体光滑连续地变换为另一 个三维物体。华盛顿大学人体模型计划“1 采用m o r p h i n g 技术将人体模型变形。 为了模拟人体关节运动，通常采用骨架模型。h u m a n o j da n i m a t i o nw o r k g r o u p 定 义了三种具有不同精细度的人体骨架模型”1 。a 1 l e n 等人根据测量的大量数据， 提出了较好地建立骨架模型的方法。该方法根据真实测量的数据来模拟肌肉的 变形，可以得到较逼真的网格变形效果。另外， c u r i o u sl a b 的p o s e r 终极人 体解决方案。1 系列软件，在人体变形、关节模型、真实感方面都相当出色。 在医学应用方面，人体三维图形技术提供了人体器官和组织的三维信息，使 医生对病人病情有更准确的判断，并能为医生提供手术过程模拟，提高手术的可 靠性和安全性。1 9 9 1 年美国国家医学图书馆委托科罗拉多大学医学院建立起一 个男人和一个女人解剖结构资料的数据库，采用c t 扫描技术对人体切片进行扫 描。中国协和医科大学心血管病医院利用电子柬c t ( eb c t ) 三维图像重建心血管 模型用于临床诊断。这些数据及技术将极大的推动医学教育、医学科研乃至临床 医学技术的发展。 在服装方面，欧洲有集人体数据测量、计算机辅助设计( c a d ) 和电子商务于 一体的e - t a il o t 计划“”。使得人们直接在网上就能选购舍身的衣服。在人体工 学方面，由a u d i 、b w m 等有多家世界上著名汽车公司参与合作的r a m s i s 计划”“， 对坐在汽车上的人进行动作跟踪、力反馈模拟等。在欧洲、美国和日本有专门对 人体测量的各种参数数据库。这对其本国科研及各相关行业的发展都有着良好的 辅助作用。 1 3 论文章节安排及主要工作 本论文的目的是从三维扫描点云角度重建人体模型并在此基础上对其进行 参数化设计，同时能动态测量人体模型的身高、围度等参数。为服装设计提供 个能根据需要调节不同部位尺寸的人体模板，使之更好地应用于服装设计中。以 下是本文的具体章节安排： 第1 章绪论。介绍三维人体模型的研究意义，国内外研究的现状以及论文 基于三维扫描点云的参数他人体模型第1 章绪论 的主要工作。 第2 章数字人体模型。本章主要介绍三维物体的表示及人体实体模型和表 面模型的建模方法。阐述了人体表面模型的如何在计算机中表示和存储。 第3 章基于三维扫描点云的人体模型重建。本章论述了人体模型重建的过 程，以及各步骤的实现方法。具体讲述人体表面模型重建的各个部分的细则，并 提出了一种平面迭代简化算法。 第4 章参数化人体模型。本章主要讲述对生成的人体模板进行参数化编辑， 动态地计算人体模型围度等工作。 第5 章结论。包括本文的内容回顾和将来打算开展的工作。 4 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第2 章数字人体模型 第2 章数字人体模型 2 1 三维物体的表示方法 ( 1 ) 体素表示法 体素是简单的连续封闭的形体，可以用有限个尺寸参数定位和定形体素；如 长方体、圆柱体、圆锥、球、环等：也可以是半空间。用拓展的眼光看，体素相 当于平面的象索向空间的延拓。常用的体素表示方法有：体素构造表示法( c s g 树) 、边界表示法( b r e p ) 和八叉树表示法。 a 体素构造表示法( c s g 树) 在许多情况下，一个复杂物体可以由一些较简单、规则物体经过集合运算得 到。所以，这样的复杂物体可描述为一棵树。这棵树的终端结点为基本体素( 如 立方体、圆柱、圆锥) ，中间结点为正则集合运算规则。用该方法构造的树叫做 c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 树；正则运算规则包括交、并、差运算。 c s g 树表示法是三维物体最有效的表示方法之一，有以下几方面优点：i 、记 录了物体的构造过程；2 、其表示的有效性由基本体素的有效性和集合运算的正 则性自动保证；3 、表示简洁。但c s g 树表示法并不适用于一切场合。在工程设 计中常用线画图形时，用c s g 树表示法效率较低。此时，需将物体的c s g 树表示 转换成为高效的表示方式，如边界表示等，以便获取边界信息。 b 边界表示法( b r e p ) 边界表示模型是一种采用描述形体边界的方法来描述几何模型。所谓边界就 是物体内部点和外部点的分界。显然，定义了物体边界，该物体就被唯一定义。 边界表示法的一个重要特点是其描述物体的信息包括几何信息和拓扑信息两部 分：1 、几何信息描述物体大小、尺寸、位置、形状等；2 、拓扑信息描述几何元 素之间的连接关系，指物体上所有顶点、棱边、表面间的连接关系。在边界表示 法中可定义一系列操作来建立三维形体，构造三维物体的边界表示，或对计算机 中已经存储的实体进行修改。 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第2 章数字人体模型 边界表示法覆盏面大，原则上能表示所有形体，且易于支持形体的特征表示。 边界表示法已成为当前c a d c a m 系统的主要表示方法。其主要优点为：1 、表示 形体的点、边、面等几何元素为显式表示，使得绘制以边界表示法表示的形体时 速度较快。而且此方法较容易确定几何元素问的连接关系：2 、容易对物体作各 种局部操作，如进行倒角等：3 、便于在数据结构上附加各种非几何信息，如精 度、表面粗糙度等。其缺点为：l 、数据结构复杂，需大量存储空间，维护内部 数据结构的程序也比较复杂；2 、边界表示不一定对应一个有效形体，通常运用 欧拉操作来保证边界表示形体的有效性、正则性等。 c 八叉树表不法 八叉树表示法是一种层次数据结构，按照一定规则将空间递归地化分成若干 个小块，若这些小块不在形体内，则为空；若在形体内，则为实；若在形体的边 界上，则需进一步划分，直至划分的小块要么在形体内，要么不在形体内，或满 足形体的几何精度要求。如果把空间分解规则定为以一个立方体为基本单位，则 被表示物体规则地分布在空间网格位置上。单位分解表示模型具有无二义性，但 不具备唯一性。 采用八叉树表示法有以下优点：1 、使得物体之间的集合运算具有简单形式， 对物体间的集合运算可转换为对参加集合运算物体相应八叉树的遍历问题，而无 需进行复杂的求交运算；2 、八叉数的数据结构大大简化了隐藏线和隐藏丽的消 除问题；3 、在八叉树表示中，物体的各元素已按空间位置排列成一定盼顺序， 降低了消隐过程中排序的时间复杂度；4 、对物体整体性能( 体积、质量等) 的计 算更为简单：5 、八叉树中物体由一系列体元表示，因此对物体各项操作均可转 化为对体元的操作，可大大地简化算法，并且对物体上各体元操作可并行处理， 这为实时实体造型和对物体的各种实时分析计算以及显示开辟了道路。采用八叉 树表示物体的最大缺点是占用过多的存储空间。 ( 2 ) 网格表示法 网格表示是最简单且普遍的三维物体表示方式。现今，几乎所有的显示设备 都支持网格表示方法。网格造型能有效解决造型复杂、形状和边界不规则的几何 基于兰维扫描点云的参数化人体模型 第2 章数字人体模型 造型问题；因其表示简单、运算简单而得到广泛应用。网格模型根据组成网格的 顶点数不同可分为三角形网格、四边形网格、多边形网格，三角形和四边 形网格应用较广。一般三角形网格适用非对称的拓扑结构，而四边形网格适用于 对称的拓扑结构。 网格表示的好处是：1 、表示和运算简单；2 、渲染、计算法向量亦相当简单； 3 、有很多硬件对其支持。缺点是：真实感较曲面造型逊色；要提高真实感，需 要增加多边形的数量，或用渐进网格或细分等方法提高模型精度。 ( 3 ) 曲面表示法 曲面表示是计算机图形学重要内容。是建立物体对象数学模型的有力工具。 常用的曲面除了有b e z i e r 曲面、b 样条曲面、c o o n s 曲面等基本的曲面之外，还 有一些更先进的曲面技术，如f f d 造型、偏微分方程造型、能量法造型、小波技 术等。常用的基本曲面采用分段与分片参数多项式的形式，这些曲面有许多特别 适合计算机图形需要的特点：诸如曲线曲面的形状不依赖于坐标系的选取，有直 观和简便的人机交互手段，容易离散生成，造型灵活和易于拼接等。因此，曲面 成为图形学中主要的造型手段。 根据表示形式的不同，曲面表示可以分为显式表示、稳式表示和参数表示。 根据已知条件和设计意图的不同，可以将自由曲线曲面造型分为插值方法和逼近 方法两大类。样条函数、参数样条、c o o n s 曲面等都属于插值方法，而b e z i e r 曲面和b 样条曲面属于逼近方法。各种曲面有各自的基函数并有各自的特点，应 用时可根据不同的需要选取来用。 2 2 人体实体模型 目前，人体模型重建从广义上分主要有两种不同方法，表面重建和体素重建 方法。表面重建一般只涉及人体表面网格的生成，多用于服装设计等方面；体素 重建关注人体内部的器官组织，主要用于医学方面的研究和手术模拟”等方面。 在医学上，通过对人体器官各种信息采集，可借助计算机辅助制造系统( c a m ) 重 构人体器官。人体实体模型重建主要使用体素重建法，体素重建法以体素为基础， 基于三维扫描点云的参数化人体模型第2 章数字人体模型 可利用不同算法对模型进行构造。较常用的方法有m a r c h i n gc u b e 算法。从医学 角度阐述运用体素重建法重建三维人体模型的处理步骤如下： ( 1 ) 数据采样：通过医学成像设备( c t 、m r i 、超声等) 对人体扫描而得到一组 二维断层图像。图像需经过空间点采样和灰度量化处理后方可被计算机处理。数 据采样的素材源于扫描照片或c t 底片，须将其转化为离散数字灰度图像，可用 位图表示及保存，以便后续处理。 ( 2 ) 图像预处理：对扫描所得的断层二维图像进行图像平滑、图像增强等处 理。增强图像视觉效果并过滤图像噪声，以便边缘提取和数据分割。 ( 3 ) 三维建模过程：进行断层图像匹准、网格化处理，得到三维体数据。若 断层间距较大，可进行插值处理。 ( 4 ) 数据格式转换：将三维体数据转变为几何数据，若对于三维体数据壹接 绘制，可省略该步骤。 ( 5 ) 三维绘制过程：一般采用两种方法，一种是体绘制，采用传统的计算机 图形学显示算法显示重建后的三维模型物体表面；另一种是直接体绘制，直接显 示三维体数据。 ( 6 ) 后期处理：可对重建后的模型进行放大、缩小、旋转、剪切等操作。 利用计算机技术对二维切片图像进行二维或三维分析和处理，如对人体器 官、软组织和病变体的分割提取、三维重建和三维显示，可以辅助医生对病变体 或其它感兴趣的区域进行定性甚至定量分析，可提高医疗诊断的准确性。 2 3 人体表面模型 重构人体表面模型是本课题研究的目标。研究过程中涉及基本框架设计、流 程设计、实现每个步骤的具体方法、以及程序采用的数据结构和存储格式等。本 节将着重阐述重建流程的必要前提设计，包括基本框架、数据结构和存储格式三 个部分。 2 3 1 基本框架 本课题研究人体模型重建的整个处理流程，因此对基本框架设计是必不可少 8 墨三三丝塑堂盛墨望篓墼垡叁堡堡型 苎! 兰垫兰堡堡型 的，包括确定每个类以及各个类之间的关系。设计类基本框架沿用以下软件工程 原则和方法： ( 1 ) 高内聚、低偶合原则 ( 2 ) 自项向下设计原则 ( 3 ) 面向对象设计方法 以下是框架中几个主要的类和各个类之间的框架结构图( 图2 一1 ) 。 c h u m a n m o d e l 人体模型主类 c h m b o d y p a r t人体各部分类 c h m s e g m e n t a ti o n分割类 c h m s i m p l i f i c a t i o n简化类 c h n “e s h 网格化类 基* 舳簟曼q 怍南菩十步2 m 悻瑶# 据的登 “e r“d g _ m 】0 f ，m l a yd * q u * | = 2 1 ：器p i 蛙最了c i - k j m 扪m o d = l 的茸和方法 其# 口第一，= 十j 摧用 谣i 车攥置支件i f 用第三十方j 圭l 用千译凡数据结w 参数共塑为l ：鼎蹴鼢器搿：器 1 f 用一十b a d 方洼幕橇壁 c h u m = n m o d e l 方便恃盘。l l 嘶啕h 帅m 脚m fc h 忡舯触珈，e 。o l 文件，蚪詹可h 饵用蕈= 什l o a d ：# 涟1 擤* 藿；吾禚黼翥- “ 盱 盯 ”“”“”。尹“” # j 洼 ；7 7! l 。c a , d j 。u t e d h 。u 。m = n m o 。d 。s l c s i m 口l i f i l d h u m a n m o d l l 嚅翟翟忠皇= = = ：2 tlf 。c m l = h h u 。m 。a n 。m o d e lj日 j 础黼一l 蒜微黜? 蜜泣”“ j s q m 嚏p m c j o 邮| l f 一一m i s o r t p o 枷：日o o l ae i 5 f = ；i ；i i r ，i c 自却p h l 一一一。一 l i ! i c h ；o m “m ；m ! o 瓤a e l 苎驴1i l l ! i c h ；u m ”t ；n m ! o d 釜e l * 磐：1k m 攀p o i r 掣4 c t o 釜u d ：釜c l i q u 童e 塑 | 糯瓢銎譬磊1 摊禾了的鼍和方| | 鼍曩了 t 和方 l 涵= 唑山二玉叫l 叠二叠x i ：吕i 赢l 隧l o 爨a 辫曼懈l 。= c f 黧r 蹬篓：l 麟墨燮f 1 猫露飘 胁童文件吼后可吼调用蕈 j 璺文件咀后可以调用第=j 匿：蕊：二；：茹二，f 二：r ；ji 鬲占i ：；二赢；磊鼻斟 i = 十觑摧1 接俸 ll 十挂1 基传 ie 曼三：= 罡二= = 兰二二：= _ 一l l * j l 女k l b c 叫嘲口d h m 州时 l i “c s h p l 脯d h u m - n m 口“时鲁i1 s 呻。耐t 0l = 2 u 。一一。 ll一l，、川 “。o l 图2 - 1 框架结构图 2 3 2 数据结构 在计算机图形学和几何造型中，用三角形表示物体简单易行且很多硬件支持 三角形绘制功能，使用三角形网格来表示物体模型方法十分普遍。现时能采集到 大部分可用模型数据均为三角形网格数据；此外，还有部分采用三角形、四边形 混合数据，如p o s e r 的人体模型。本文采用的原始人体扫描数据将近四十万个点。 重建后，该模型至少包括两部分信息：顶点和面。以下是主要的数据结构： ( 1 ) 定义三维坐标点 9 基于三维扫描点云的参数化人体模型第2 章数字人体模型 c l a s sp t p u b l i c ： d o a b l ex ，y ，z ： j ： 每个坐标点包含x ，y ，z 坐标 ( 2 ) 定义三维网格坐标点 c l a s sm e s h p o i n t ：p u b l i cp t p u b l i c ： l o n gp o i n t n o ：该点的唯一编号 l o n gl a y e r ：该点属于点云中的哪一层 j ： 网格点在点云中的序号由p o i n t n o 唯一标识，该点在点云中层的序号由l a y e r 唯一标识。 ( 3 ) 定义边 c l a s sm e s h e d g e p u b l i c ： m e s h p o i n tp t l ，p t 2 ： ) ： 边的两个端点的序号与存放项点位置的向量下标一一对应。 ( 4 ) 定义面 c l a s sm e s h f a c ef p u b l i c ： l o n gl a y e r ； l o n gp t l ，p t 2 ，p t 3 ： ： 三角形的三个顶点序号p t l ，p t 2 ，p t 3 与网格顶点向量下标一一对应。每个三角 形有唯一的i d 序号。l a y e r 表示该三角形在点云中层的序号。 ( 5 ) 定义网格点、边、面集合的存储方式 v e c t o r & p o i n t 1 0 薹三丝塑塑皇墨塑茎墼些查堡壁型 堡! 要墼兰叁! 堕型 v e c t o r & e d g e v e c t o r & f a c e 网格点、边、面集合均以向量的方式存储。 ( 6 ) 定义数学意义的三维向量结构 c l a s sc v e c t o r 3 f p u b i c ： d o u b l ex ，y ，z ： j 因为在实现过程中涉及数学向量运算，故定义三维向量结构。x ，y ，z 表示向量 终点的三维坐标。 定义上述数据结构后，可确定构成三维物体的边和三角面坐标。从人体模型 表面获取测量数据，按照人体各部分的自然划分，将人体划分为不同部分。每个 部分结构均和整体数据结构相同。故可统一用三角形或曲面造型方法构造三维人 体表面模型。 2 3 3 存储格式 本文处理的数据模型以对象文件w a v e f r o n to m 格式存储，有别于v c + + 编 译器生成的目标文件一亦以o b j 结尾。下述简写o b j 文件均指w a v e f r o n to b j 对象文件。三维场景中的物体均可以对象形式来表示和存储。o b j 对象文件在直 观意义上代表一个物体。因其结构简单规范，已成为业界标准很多大型的软件 都提供对其支持。目前，o b j 文件已有3 。0 版。 ( 1 ) o b j 文件组成 o b j 文件可定义对象几何属性，包括顶点( v e r t e x ) 坐标、面( f a c e ) 索引号、 法向量( n o r m a l ) 索引号、顶点纹理( t e x t u r ev e r t i c e s ) 索引号，可定义材质文 件( m t l ) ，高版本o b j 文件还提供对曲线、曲面的支持。每个o b j 文件可看成一 个对象或对象组，用组( g r o u p ) 来划分同一个o b j 文件里的不同对象。对象文件 可存储为a s c i i 格式( o b j ) 或二进制格式( m o d ) ，但用a s c i i 编码的文件后序名 只能为o b j 。o b j 文件包含以下标识符： f i l es t r u c t u r e ，g e n e r a ls t a t e m e n t ，e l e m e n t s ，g r o u p i n g ，d i s p l a y r e n d e r 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第2 章数字人体模型 a t t r i b u t e s ，c o m m e n t ，s u p e r s e d e ds t a t e m e n t s ( 2 ) o b j 文件的结构 本文只涉及对o b j 文件基本信息的引用，故仅对o b j 文件常用标识作必要的 说明。以下是o b j 文件常用标记： v ( g e o m e t r i cv e r t i c e s ) 几何顶点 v d ( v e r t e xn o r m a l s )顶点法线 v t ( t e x t u r ev e r t i c e s )顶点纹理 f( f a c e )面 g( g r o u p )对象组 m t l l i b定义材质文件 u s e m t l声明使用的材质名称 上述标记使用方法如下： vxyz( x ，y ，z 为顶点坐标在x ，y ，z 三个方向的分量) v ni j k ( i ，j ，k 为顶点法向量在x ，y ，z 三个方向的分量) v tuvw( v t 声明自由格式几何体，其中t l 是水平方向的纹理值、v 是竖 直方向的纹理值 优化参数 、w 是纹理的深度值 优化参数 ) fv v t v n v v t v n ( f 声明一个面的信息，v 为顶点索引值、v n 为顶点法 线索引值、v t 为顶点纹理索引值) 注：f 表示n 面体的面。v v t v n 就有n 项：若面f 缺少顶点法线或顶点纹理信 息，则在对应地方空缺，例如： f5 0 4 0 1 4 5 1 3 9 1 6 6 3 3 9 2 3表示三顶点的面 f5 0 4 0 1 45 1 3 9 1 6 6 3 3 9 2 38 0 7 0 3 3 表示四顶点的面 f5 0 4 0 5 1 3 96 3 3 9缺顶点法线信息 f5 0 1 45 1 1 1 66 3 2 3缺顶点纹理信息 f5 05 16 3缺顶点法线及纹理信息 gg r o u p n a m e ( g r o u p n a m e 为对象组名称) m t l l i bm t f m t l( m t f m t l 为材质文件名称，材质名称在材质文件里声明) u s e m t lm t n a m e( m t n a m e 为材质名称，在材质文件里使用) 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第3 章基于兰维扫描点云的人体模型重建 第3 章基于三维扫描点云的人体模型重建 科技的发展对人体的研究越来越深入，包括在医学、物理学、人体工学、计 算机模拟等学科的不断发展，建立人体模型在许多不同的领域都有科研及实用价 值。以往，要在计算机再现人体模型，需要大量时间且缺乏较高真实感。现今三 维扫描技术的发展，使物体表面数据获取变得十分方便。基于三维扫描点云重建 人体模型，无论从精度或者速度方面都远超于传统手工建模方法。在精度方面， 人体扫描数据密度一般在十万个点以上，能较准确地保留人体特征且可按实际需 要简化处理，或采用多分辨率编辑修改模型满足网络传输的需要。在速度方面， 该方法避免繁复的曲线、曲面建模，省时高效。 本文的研究目的是设计人体表面模型，作为三维服装c a d 系统衣物的受力分 析、舒适感模拟、热湿模型模拟的基础。鉴于三维扫描数据的高精度、能很好保 留特征以及高效等特性，本文采用基于三维扫描点云方法重建人体模型。本章将 详述人体建模的处理流程以及每步的细则。 3 1 人体模型重建处理流程 用扫描数据重建人体模型需要经过数据点简化、数据点网格化、渲染等步骤。 鉴于原始扫描点含有噪音、重影、点空缺等问题，般需要加上去噪、消影、补 洞等处理步骤。为方便后续工作，还需加上人体点云分割处理步骤。具体的处理 流程可概括如下： ( 1 ) 数据预处理( 坐标转正、去噪、消影、补洞) ； ( 2 ) 人体模型重建( 扫描点分割、数据点简化、数据点网格化、渲染) ： 最终得出的模型用三角面来表示。 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第3 章基于三维扫描点云的人体模型重建 图3 - 1 人体模型重建处理流程图 3 2 数据预处理 3 2 1 坐标转正 扫描人体时，人体的站立位置和朝向不一定很准确，故后期处理需将点云坐 标转正。调整人体模型位置，使其中轴线经过坐标原点、面朝正向。即在欧氏空 间里进行平移和旋转坐标变换。 图3 2 坐标转正示意图( 双腿横截面) 若点o ，_ ) ，一) 是由点( x ，y ，z ) 在x ，y 和z 轴方向分别移动距离a x ，ay 和az 得 到的，则这两点间的坐标关系为： 工1 = x + a x y = y a y z _ z + a z 1 4 ( 3 。1 ) 基于三维扫碧点云的参数化人体模型第3 章基于三雉扫描点云的人体模型重建 所以，平移变换对应的矩阵形式为：扛，y ，2 ，1 卜【x , y ，z ，1 】 10 0l o0 缸a v 0o 0o 1o 止1 ( 3 2 ) 设给定点的坐标为也y ，z ) 一p c o s 9 ，r s i n 学，z ) ，则它绕z 轴旋转口角后，得点 o ，y ，z ) ，则 x jr c o s ( o + a 、篁x c o s a y s i n 口 y + i ，s i n ( 日+ ) - x s i n a + y c o s n z 墨z 所以，旋转变换对应的变换矩阵为： x ，y ，z ，1 】一i x ，y ，z ，1 】 s m a c o s o o o oo 0o 10 o1 坐标转正的作用是纠正扫描点的位置和方向偏差。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 2 2 去除噪音 人体扫描工作不可能完全在无尘的环境下进行，故从扫描仪褥到的点云数据 一般包含有噪音，人为地将其划分为物体边界噪音和背景噪音。传统去噪方法可 利用小波阀值的方法来处理。本文采用寻找区域离散点的去噪方法。 根据噪音点的分布比较分散、在其周围一定区域中一般只有很少点的特点， 定义某点区域点集合函数s 。- p ii ( p 。一p 。) t r ，i - 1 , 2 ，a ( 其中氏表示在p 。点 周围一定范围内的点集，r 为指定半径) ：当0 s 。1 1 c ，l ( n 为指定的点数量) 时， 则认为p 。点为噪音，将其从整体点集合s 去除。对s 中的每一点作相同处理。 此方法能去除较为离散的背景噪音。对于物体的边界噪音，在下一节消除重 影一起讨论。 口 m 鬯伽o o 基于三维扫描点云的参数化人体模型 第3 章基于三维扫描点云的人体模型重建 3 2 3 消除重影 三维扫描仪工作时有八盏灯分别从八个不同的方向照射向物体，每一盏灯只 能照射到物体的某一个片面。视觉的偏差会导致重影的产生和物体边界噪音的出 现。消除重影的影响有以下处理方法： ( 1 ) 对重影各块片段作对齐处理。手工指定两个重影片段的对应点，然后作 适当的坐标平移。 ( 2 ) 通过简化算法顺带将重影消除。 具体的处理过程将在3 3 2 扫描点的简化一节中进行讨论。 3 ，2 4 点云补洞 尽管扫描过程是全方位的，但人体并非简单物体，存在着面与面的遮挡关系； 因此，扫描光线不可达的地方出现点空缺，如腋窝、胯下等位置需要进行补洞处 理。较常用的补洞方法采用样条曲面补洞处理，即在模型空缺的部位加一块样条 曲面以保证其封闭性。对此项目建立的人体模型，采用切片方法将模型作分割处 理，所以能保持模型原有的水平层划分的特性。因此，将三维模型转换成二维模 型、曲面插值转换成曲线插值来处理。补洞处理步骤同样可以融入到简化步骤中。 具体过程同样在3 3 2 节中进行讨论。 3 3 人体表面模型的重建 3 3 1 扫描点的自动分割 模型分割是将模型分割成相对简单独立的部分，方便后续处理。模型分割一 般有两个出发点：l 、从点云直接分割；2 、生成网格后再对网格分割。本文采用 直接从扫描点云进行自动分割处理方法。对人体模型采取分割处理需先计算出人 体模型的几个主要的特征数据( 分割点) ，包括身高、腋窝高度、胯下高度。本文 采用的扫描模特站立姿