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硕士学位论文 摘要 一种便携式人体服装测量系统的研究 摘要 随着服装c a d c a m 技术的不断发展，人体尺寸测量已由简单的 人工接触式测量转变为非接触式测量。目前，国内外很多企业、院校 以及科研机构投入了大量人力物力进行研究。但是，普遍存在着一个 问题，就是系统比较昂贵、笨重、不易移动，因而阻碍了非接触式测 量的应用。正是基于这个原因，本课题进行了一种便携式人体服装测 量系统的研究，以满足人体服装测量中一些基本量便捷测量的需要。 整个测量系统由c c d 摄像机、图像采集卡、投影激光、转台等组成。 针对二维轮廓量的测量，提出了一种基于图像处理来获取人体平 面轮廓数据的测量方法。课题以采集到的人体正面或侧面图像为对 象，利用灰度变换、图像锐化、边缘检测、轮廓提取等数字图像的处 理技术，提取人体的边缘轮廓，获取相应的轮廓数据。本文所提出的 方法用于平面人体轮廓的测量，具有非接触、快速的优点。 三维围度量的测量分为两个过程。首先，基于三角测量原理，经 过系统标定，获取曲线上点的三维坐标。其中，结合实例详细介绍了 三角测量原理的编程实现方法，并结合标定参照物进行了摄像机的标 定。然后，进行曲线拟合及拟合曲线尺寸计算。曲线拟合部分比较了 硕士学位论文 摘要 三次样条函数拟合、b e z i e r 曲线拟合和b 样条拟合三种方法的优缺 点，决定利用b 样条进行拟合，并对b 样条函数原理及表达式进行 了推导，给出了编程实现方法。在拟合曲线尺寸计算部分，对辛普生 积分法、三角形法、跟踪法分别进行了介绍，并给出了跟踪法设计方 法及编程实现。 测量系统部分介绍了系统软硬件的选择，特别是辅助测量机构一 转台的设计，包括机械部分和控制部分的设计。机械部分详细介绍了 机械本体的设计过程；控制部分则给出了系统的控制思路及通信方 案，并对步进电机的控制进行了说明。 实验结果表明测量系统软硬件的正确性及可行性，所测数据精度 达到了服装设计要求，可迸一步研究加以改进应用。 关键词：非接触式测量，图像处理，三角测量，曲线拟合，转台 硕j ：学位论文 a b s 丁r a c t s t u d yo nak d o fp o r l a b l eh u m a nb o d y n 匝a s l ，r i n gs y s t e mf o rc l o t h e s a b s 眦c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc l o t h e sc a d c a m ，t h em e a s u r e m e n to f b o d yd i m e n s i o ni sa l r e a d yt u r n e df r o mt h es i m p l ep e r s o n - t o u c h e dm e t h o d t on o n c o n t a c t m e a s u r e m e n t t o d a ym a n ye n t e r p r i s e s ，c o ll e g e s a n d s c i e n t i f i ci n s t i t u t e si no u rc o u n t r va n da b r o a dh a v ed e v o t e dm u c h r e s o u r c ei n t ot h er e s e a r c h b u tt h e r ei sag e n e r a lp r o b l e mt h a tt h e m e a s u r i n gs y s t e mi st o oe x p e n s i v ea n dh e a v yt oc a r r y , w h ic hh o l d st h e a p p l i c a t i o no fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t d u et ot h i sr e a s o n ，t h ep a p e r s t u d i e sak i n do fp o r t a b l eh u m a nb o d ym e a s u r i n gs y s t e mf o rc l o t h e st o m e a s u r et h eb a s i cd i m e n s i o nc o n v e n i e n t l y t h em e a s u r i n g s y s t e mi s m a d eu po ft h ec c d ，i m a g i n g a c q u i s i t i o nb o a r d ，p r o j e c t i o nl a s e r , t u r n i n g t a b l ee t c t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dt oa c q u i r e2 dh u m a nb o d yc o n t o u r d i m e n s i o nb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g t h ed i g i t a li m a g e so ff r o n ta n d s i d e b o d ya r ep r o c e s s e dt oa c q u i r e t h eh u m a nb o d yc o n t o u ra n d d i m e n s i o n t h ea d v a n t a g e so ft h ep r e s e n t e dm e t h o dl i ei ni t sn o d c o n t a c t a n dh i g h - s p e e d 硕：l j 学位论文 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to f3 dg i r t hd i m e n s i o ni sd i v i d e di n t ot w os t e p s f i r s t ，b a s e do nt r i a n g l em e a s u r i n gp r i n c i p l e ，3 dc o o r d i n a t e so fc u r v ea r e o b t a i n e da f t e rc a l i b r a t i o n t h er e a l i z a t i o no ft r i a n g l em e a s u r i n gp r i n c i p l e t h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m e di sp r e s e n t e dw i t ha ne x a m p l e ，a n dt h e c a l i b r a t i o ni sd o n ew i t hac a l i b r a t i o nr e f e r e n c es u b s t a n c e s e c o n d ，c u r v e f i t t i n ga n dc a l c u l a t i o no fg i r t hd i m e n s i o ni sc a r r i e d c o m p a r e dw i t ht h e s p l i n ef u n c t i o na n dt h eb e z i e rc u r v e ，t h ec u b i cb s p l i n ec u r v e i ss e l e c t e d t of i tt h ec u r v e ，i t sp r i n c i p l ea n de x p r e s s i o ni sd e d u c e d ，a n di t sr e a l i z a t i o n t h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m e di sp r e s e n t e d t h e nt h es i m p s o ni n t e g r a l m e t h o d ，t r i a n g l em e t h o da n dt r a c i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，t h ed e s i g n a n dt h er e a li z a t io nt h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m e do ft r a c i n gm e t h o da r e p r e s e n t e d t h es e l e c t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ed e s i g no fa i d e d m e a s u r i n gm e c h a n i s m t u r n i n gt a b l ei n c l u d i n gm e c h a n i s ms y s t e ma n d c o n t r o ls y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h ec h a p t e ro fm e a s u r i n gs y s t e m t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，t h ep r e c i s i o na t t a i n st ot h ed e m a n do fc l o t h i n g d e s i g na l r e a d y , a n dt h es y s t e mc a nb em o d i f i e da n da p p l i e d k e yw o r d s ：n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，t r ia n g l e m e a s u r i n g ，c u r v ef i t t i n g ，t u r n i n gt a b l e f v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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。除文中已明确注明和引用的内容外，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及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并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：遗己觅弋 日期：p o ，年3 月，日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本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 制手段保存和汇编本学位论文。 保密商在j l 年解密后适埘本版权书。 本学位论文属于 不保密f ；。 学位论文作者签幺：z 奄舀 日期：扣p 占年3 月f 日 指导教师签名：j 毛考毕 日i l 】： d f 年，月1 1 日 硕士学位论文 第一市绪论 1 1 引言 第一章绪论 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别，用以研究人的形态特征，从而为工业设计、 人机工程、工程设计、人类学研究、医学等提供人体基础资料。人体 测量学( a n t h r o p o m e t r y ) 是人类学的一门分支学科，是用测量的方法来 研究人体结构和人体外部特征的科学。它是正确把握人体特征的必要 手段，只有通过人体测量。掌握人体有关郏位的具体数掘，进行服装 结构设计时才能使各部位的尺寸有可靠的依据，才能保证服装适合人 体的体型特征，此外，它也是服装工业化生产中制定号型规格标准的 基础i 卜5 i 。 服装业传统的人体测量方法是接触式测量方法，主要利用软尺、 角度计、测高计、测距计和滑动计等测量工具，可以直接测出人体各 部位竖向、横向、斜向及周长等体表面长度，方法简便、直观，使用 工具简单。但由于这些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：还因为是接触测量、测量时闯较长，僮被 测者感到疲劳和窘迫；同时测量的精确度与测量者的技巧有很大关 系容易给测量结果带来定的误差。另外人体是一个复杂的立体形 状，传统的接触式测量无法进行更深入的研究，故此己无法满足目前 服装制造业的需要，更无法适应未来定制服装的需要，这不仅阻碍了 服装工业的顺利发展和成衣率的提高，不利于创造服装品脾，也不利 于快速准确地制定服装号型标准。j 下是由于这个问题的存在，非接触 式三维人体测量技术就应运而生了1 6 - g 。 硕j j 学位论文 第一章绪论 1 2 非接触式人体测量方法分类与发展 1 2 1 非接触式人体测量方法分类 目前，国内外研究开发的人体非接触测量方法较多。按照测量介 质的不同可以分为如下三种1 9 - 1 0 1 ： 一是摄像法。其基本原理是用c c d 摄像机从被测人体的前方和侧 方各摄取一幅人体图像，图像数据用计算机采集。通过对所采集图像 进行处理，得到人体长、宽二维人体尺寸。这种方法的优点是设备简 单，图像处理方法简便，技术上容易实现，所测得的数据准确可靠。 缺点是只能测量人体二维尺寸，不能获得人体围度尺寸和三维信息。 二是激光扫描法。其利用激光测距原理，通过对人体全身进行扫 描，计算出人体表面各点的三维坐标。其数掘用计算机采集，表现为 人体三维图像。然后、利用专门开发的人体尺寸数据获取软件，对人 体三维图像进行处理，获得所需要的人体尺寸。这种方法设备昂贵， 目前美陆军纳蒂克土兵与生物医学研究中心和美空军a r m s t r o ng e 研究所各装备了一套由g y b e r w a r e 公司研制的激光扫描人体尺寸测量 装置，其人体尺寸数据获取软件已经研究改进并升级至9 0 版本，但 其测量精度仍不很理想。 三是普通光相位测量法。其基本原理是将普通j 下弦光投影到人体 表面，并通过正弦光相位移动，计算得到人体表面各点的相位。由计 算机采集人体图像和相位图像数据。然后，利用专门开发的人体尺寸 数据获取软件，对人体图像和相位图像进行处理，计算得到人体表面 各点的三维坐标，进行人体图像三维显示和计算得到所需要的人体尺 寸数据。这种方法硬件设备投入较少，测量精度和准确度较高，但软 件实现困难。总后勤部军需装备研究所和北京服装学院共同研究开发 以此原理为基础的人体非接触测量装置。 依据测量光结构特点又可以分为如下三种： 点测量，是利用激光等光斑对人体进行照射，同时测出光斑位置 从而得到形状的测量方法，具有测量点易于固定的优点，但却有耗时 硕十学位论文第一审绪论 多的缺点，在这种情况下，可以利用超声波代替激光。如果能组装超 声波传感器，测量就可能变得简便，但与激光等可见光相比超声波有 易受外界干扰而使测量精确度降低的缺点。 线测量，就是以光切断法为代表的测量方法，利用激光等制成光 栅向人体进行投射，就能得到恰似光栅切断人体时的断面，如果依次 移动光切断面，就能够得到全身形状。也可以利用复式光栅即利用很 多光栅同时投射，可次获得所需要的全部信息。但光切断法得不到 光栅与光栅之间的信息。 面测量，就是以图案投影法为代表的测量方法，将一基准图案向 人体进行投影，用c c d 摄影机拍下对应人体表面形状的变形情况( 即 所谓变形格子像) ，对变形格子进行解析处理的三维测量方法，运用 投影图案和解析法，可以在瞬l q 测得人体形状，此种方法应用比较广 泛。 表1 1j 1 卜接触式人体洲鬣方法分类 点测鼙光斑检测方式( 自动聚光法、三角测鹫法、光波；1 4 1 | 鼙法) 线测苗 轮廓线测量方式( 实物剪影法、臼动尺寸摄影法) 断面测鼙方式( 光切断法、激光切断法、激光扫描法、 包路线法) 面测鹫立体写实法、幽案投影法、波纹等高线法 1 2 2 非接触式三维人体测量技术的发展 世界各国早在三十多年前就开始人体非接触式三维测量技术的 研究。7 0 年代初，日本静岗大学利用莫尔拓扑法首先完成了对人体进 行三维自动测量的实验。7 0 年代中期美国海军航空发展中心采用x 光 扫描对人体进行了测量。8 0 年代法国利用红外光测量系统测量人体尺 寸，日本电气公司利用激光扫描系统测量了人体，它是专门针对服装 设计而专门研制的。8 0 年代末，美国t e c h n o t a l l o r s 和s e c o n ds k i n s w l m e e r 公司，基于结构光和相位移原理，研制出无接触式人体测量 系统。该系统可在半秒钟之内完成对站立的人体的扫描，并在一分钟 之内就可以获得人体轮廓的数字化的高精度的信息，并可显示在屏幕 颈学位论i招一# 培论 上和通过电话线传送到远距离工作站。经过三十多年的发展，非接触 式三维人体测量技术已取得了很大的发展。正逐步走向实用化阶段 m l 。当前的主要扫描系统如表1 2 所示： 表l 一2 当前主要的扫描系统 扫描系统系统类型扫描系统系统类型 普通光 c o g n i t e n s 普通光 l o u g h b o r o “g h 普通光c y b e r w a r e辙光 i m a g et w i n 许通光 t e c m a c h 撤光 w i c k sa n dw i l s o n普通光搬光 t e l m a t 昔通光撤光 t u r i n g 僻通光激光 p u i s s c a n n i n g普通光激光 美国 t c l 2 - - - 维人体测量仪 日匪 幽1 一l 【t c 2 三维人体测封仪 2 0 0 0 年7 月，美国纺织及服装技术公司( t e x t i l e c l o t h i n g t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，t c 2 ) 和t u r e f i n d sc o m 公司宣布成立合资企业 i m a g e t w l n 。【t c 2 公司的三维人体测量仅拥有3 t 6 、2 t 4 、2 t 4 s - - - 种 型号。 【t c 2 系统开发了白光相位测量轮廓( p h a s em e a s u r e m e n t p r o f i l o m e t r y ) 技术。p m p 技术利用白色光源来投射正弦曲线在物体表 面，当物体不规则的形状令投射的光搬变形，产生的图像将可以表示 其物体表面的轮廓通过多部摄像机进行检测( 见图1 2 ) ，然后将所有 的图像合成完整的人体轮廓。 学位论女 * 一口鲭论 c 叠机 刨i 2 t c 2 在投影机、摄像机和扫描物体之间的三角删餐1 4 1 该系统通过扫描、成像、三维测量编辑等操作可方便快捷地得到 平面入悻图像( 1 m a g e s ) 、三维人体网格盈( 3 dp o i n tc l o u d ) 、三维人体 模型f b o d ym o d e ls ) 以及三维测量数据( e x t r a c t e dm e a s u r e m e n t s ) 。整个 测量过程在4 0 s 之内完成，其中扫描的时问为10 s ，数掘处理时l 叫为 3 0 s 。 东华7 _ 学服装学院引进i t c j 2 t 4 s 利用自然光照，通过列人体三 维扫捎，只需12 秒即可得出人体各部位尺寸，耻得丁良好的应用效果。 s y m c a d 3 d 身体测量系统1 ”i 嗣蚴 幽l 一3s y m c a d 3 d 封体删甜系统 l9 9 2 年法国t e l m a ti n d u s t r i e s 公司研制出用计算机处理的3 d 身 体测量系统，命名为s y m c a d 。l9 9 5 年1 月，s y m c a d 由法国海军首 次用于制服的设计。t e l m a t 的产品可分成许多大类。在纺织领域， 他们唯一可提供的产品是s y m c a d 。他们把系统称为电子裁缝能手。 中原工学院纺织工程中心，引进该公司的三维人体扫描系统，可对人 体测量两百多个数据，数据测量快捷、准确。目前，世界多个国家的 人体测量统计数掘均由该系统完成。 十学位论! 一十缔论 v 1 t u s 一3 d 人体扫描仪”“ v i t u s 一3 d 人体扫描仪是德国v i t r o n ic 公司最新一代的产品。由 于体积小可以将它放在更衣室中。v i r u ss m a r t 能够提供足够的人体 尺寸，以便进行量身定做和大规模定制。同v i t u s 其它产品一样，v i r us s m a r t 使用光线条纹扫描方洼，8 个三角形的探头能够在10 s 内扫描 】i n i m 和21 m 高的区域，而分辨率可以选到05 m m ，如图1 - 4 所示： t 卫 倒】4v i t uss m a r t 一3 d 全岛人体扫摧仪 v i t u s 除丁全身3 d 扫描仪之外，还有3 d 脚部扫描仪( p e d u s l 、3 d 文御扪拙仪l v i t u s a h e a d l 。目的这些仪器已经在，、埘横人体测量、汽 车驾驶研究等乃面得到了睫用。 c 、b e r h a r e 全身3 0 9 描仪【8 】 较v 1 t u s 而i ，c y b e w a r e 数字化扫描仪种类更齐全，系统更复杂， 价格更昂黄。它最初是由新坦福大学m a r cle 、o v 研制的。c y b e r w a r e 数字化仪由平台( 载体) 、传感器( 光学系统j 、计算机工作站、c y b e r w a r e 标准接口f s c s i ) 及c y s u r f 处理软件构成。平台一般有3 个自由度( x 、 y 、z ) ，伺服电机驱动，典型的分辨车为05 m m 。 c y b e r w a r e 全身彩色3 d 扫描仪主要jd i g i s i z c 软件系统( m o d e l s w b 4 和m o d e lw b x 构成它能够剽量、抖列、分析、存储、管理扫 描数据：扫拙时j 剞只需几秒到十几秒，整个扫拙参数的设置及扫描过 程全部山较件控制。 冈u 日1 位论im 一$ 镕论 幽1 - 5c y b e r w a r e 全身数字化扫描仪 c y b e r w a r e3 d 扫描仪和软件已经在产品设计、c a d c a m 、研究、 动画、电牡、重建、化妆品调查、医疗器械设计、人体测量、人机工 挥、雕塑等方面得到了应用。3 d 人体测量技术在资料j _ 三整性与再利 用性上明丑优于普通的删量方式： 以上介绍了非接触式人体测量系统在幽外的主要发展情况。在我 国，针对非接触式人体测量装置的研究起步较晚近几年束虽然相 关技术也取得了 些进展，但总体来说，与国外1 _ | 比而；，还是存在 根大差距。许多大学和科研机构虽然对其做了些研究，但是成型应 用到实斯、并不多，j 、部分还是停留在实验理睑阶段。体国内枉i = 芰 c a t 投术研究单位如表1 2 所示： 表1 2c a t 技术麻川史倒 系统称系统原琏 醪u 单位 人体尺寸删量系统 四步相移法相位测；拉0 、总历军篙裂备研咒所 ( 双视点投影光栅铡蚓北京服装学院 法) 光电 体r 寸删鼙及服装设计系统奠：条纹法 n 安交通_ 人学激光与 | l9 l 红k 庶刚研究所 【三维人体尺寸自动籼鼙系统1 2 q 红外传感技术l 中原i 院 非接触式人体制姑系统【2 1 】二角i 龉技术尔南人学 准二维机器视觉快捷制班封体系统 结构光系统一维删姑 夫律科拉 学 硕j ：学位论文 第一章鲟 论 1 3 课题研究背景和预期目标f 2 2 之7 】 随着物质文化生活水平的提高，人们对服装的要求越来越高，尤 其对高档服装的需求也越来越多。量体裁衣的个人定单方式将逐渐取 代传统的成衣销售，穿着合身舒适己成为人们着装的最起码的要求； 对服装企业来说，传统的专卖店成衣销售市场也逐步被集团的集体定 装和个人定制市场所取代。 但是，由于历史的原因，我国的服装产业自动化程度和计算机应 用水平还很低，不仅直接影响产品的产量和质量，也极大地阻碍了服 装工业的发展。当前，仍有相当多的服装企业采取传统的服装生产方 式，所采用的服装加工设备也十分陈旧落后。这些企业以中小型企业 为主，大都是小规模生产，如果让他们采用昂贵的测量系统显然不合 实际。而按照目前己有的测量方法建立测量系统，一般是价格较高， 不能为这些企业所接受。此外，这些测量方法多多少少都存在一些缺 点，主要是：多摄像机的测量系统导致测量设备结构复杂、成本过高： 大量数据采集量和计算量造成了整个系统的测量速度较慢，同时对系 统的信息处理设备也提出了较高的要求。由于这些问题的存在，测量 系统的商用化和实用化及其推广受到了极大的限制。因此，就目自，j 的 国情来说，需要建立一种低成本、高质量的实用测量系统，在保证测 量速度的前提下，减小测量误差到服装生产能够接受的范围，使非接 触式测量技术应用予服装量体裁衣成为可能。 针对普通三维人体服装测量系统价格较高、较笨重、不易移动测 量的特点，本课题进行了一种便携式人体服装测量系统的研究，以满 足人体服装测量中基本量便捷测量的需要。 结合实际需要，即只需测量人体的几个基本尺寸，同时结合实验 室的实际情况，所以决定采用图像处理的方法完成对肩宽、胸宽等二 维轮廓量的测量，利用激光作为测量介质的点测量方法完成胸围、腰 围、臀围等围度量的测量。同时，为了完成围度量的测量，对人体测 量辅助装置一转台进行了设计。 硕：1 j 学位论文 第一章绪论 由于本课题尚处于预研阶段，所以很多东西正处于设计、实验阶 段，还没有成型产品的出现，这有待于今后的进一步努力。 1 4 论文研究内容 本文在参考国内外文献的基础上，对一种便携式人体服装测量系 统进行了研究，详细内容如下： 第二章为测量总体设计思想介绍，首先介绍了人体测量标准和课 题的测量要求，然后介绍了人体二维轮廓量和三维围度量测量实现方 法。 第三章为测量系统介绍，主要介绍了测量系统的软硬件的选择， 详细介绍了辅助测量机构一一转台的设计，包括机械部分与控制部分 的设计。机械设计部分详细介绍了转台机械本体的设计过程；在控制 部分则介绍了整个系统的控制思路及通信方案，并对步进电机的控制 方案迸行了详细说明。 第四章为腰宽、胸宽、肩宽等二维轮廓量的测量，通过采集人体 正面图像，经过一系列图像处理如图像的荻度变换、图像锐化、边缘 检测、轮廓提取等，取得人体轮廓，计算获取二维长度量。详细介绍 了各项相关的图像处理技术的理论基础及其编程方法，并以采集的图 像为例说明了图像处理结果。 第五章为腰围、胸围等围度量的测量，共包括两项内容。第一项 内容为利用三角测量原理，经过系统标定，取得人体三维坐标。其中， 采用实例详细介绍了三角测量原理，并结合标定参照物进行了摄像机 的标定；第二项内容为曲线拟合及拟合曲线尺寸计算。在比较同类方 法优缺点的基础上，决定利用b 样条进行拟合，并对b 样条函数原理 及表达式进行了推导和编程实现。在拟合曲线尺寸计算部分给出了跟 踪法设计方法和编程实现。 第六章为实验部分。以肩宽测量为例说明了二维轮廓量的测量： 以胸围为例进行了围度量的实验，并对处理的数据结果进行了分析， 给出了实验误差产生的原因。 预：l ：学位论文第二章测量总体没计思想 第二章测量总体设计思想 2 1 总体测量要求 2 1 1 人体尺寸测量的标准 人体测量离不开标准。现有的有关人体尺寸测量的标准都是针对 于传统的手工测量方法制定的，目前还没有针对自动人体尺寸测量的 标准。传统的手工测量和光学非接触测量在测量工具和方法方面有本 质的差别，但测量项目、测量条件和测量原则是基本相同的，因此， 人体尺寸测量系统的设计参考了现有的有关人体尺寸测量的国家标 准，主要有： ( 1 ) 国标g b t57 0 3 19 9 9 用于技术设计的人体测量基础项 目，该标准等效采用is o7 2 5 0 ：19 9 6 标准，于19 9 9 年10 月1 同起 实旌，同时代替了旧国标g b t37 9 5 19 8 3 人体测量术语和g b t5 7 0 3 19 8 5 人体测量方法。该标准定义了人体测量方面的术 语，规定了测量条件和5 6 个人体尺寸测量项目，旨在为工效学专家 和设计者提供解剖学的和人体测量学的基础和测量原则方面的资料。 ( 2 ) 国标g b t16 】6 0 一19 9 6 服装人体测量的部位与方法，该 标准在i s o 8 55 9 ：19 8 9 服装制作和人体测量人体尺寸基础 上，规定了服装人体尺寸的测量部位与测量方法，定义了2 5 个测量 项目，规定了相应的测量条件和测量方法，是目前服装生产行业进行 人体测量和制定成衣规格所依据的主要标准。 2 1 2 测量精度要求 非接触式人体测量设备，一次测量可以给出人体成百上千的数据 信息。尽管存在如此众多的信息，但在普通的服装生产中，实际应用 的并不是很多。尤其是在制服等特种服装在大批量的生产过程中，涉 及的数据无非就是几个基本量如肩宽、胸宽、胸围、腰围、臀围等。 硕士学位论文第二章测互= 总体设计思想 因此，我们课题在预研阶段首先完成的是这些基本量的测量。至于测 量达到的精度参考国标g b tl616 0 一l9 9 6 和国标g b 丁5 7 0 3 19 9 9 ，并结合实际情况，确定宽度、厚度( 或深度) 、长度测量项目 的测量误差小于8 m m ，围度测量项目的测量误差小于15 r a m ，满足服 装c a d c a m 以及人体体型统计的测量精度要求。 2 1 3 测量系统设计要求 设计的目的即是设计出一套较完备的便携式非接触测量系统，来 满足一般情况下的人体基本尺寸测量要求。为此，提出该测量系统方 案设计要求： ( 1 ) 合理选择非接触测量方法，能够进行快速、准确、自动化的人 体静态尺寸非接触测量。 ( 2 ) 对被测者和使用者要求简单，仅要求被测者保持立j 下姿势，同 时对使用者的专业知识要求要少。 ( 3 1 测量系统应操作简单，易于掌握，系统稳定性好，易于标定， 对测量环境要求不严格，尽可能消除人为操作造成的误差。 ( 4 ) 测量装置尽量采用模块化设计，体积小、重量轻、便于携带运 输，并注意控制成本。 2 2 二维轮廓量测量实现方法 二维轮廓量测量主要实现的是宽度、厚度、长度等的测量。课题 实现二维测量的基本方法是通过摄像、图像处理获得被测物体的轮廓 信息。该方法已经受到了国内外研究者的广泛关注。b o u g u e t 总结了 弱结构光法、阴影法、立体视觉法等方法，提出了多种深度提取技术。 f i t z g i b b o n 等人将物体置于转动盘上，在转动过程中摄像，由基于遮 挡轮廓线的体相交技术确定物体的形状。n i e m 在背景中置放标定图 案，放宽了f i t z g i b b o n 方法中相机、物体相对运动轨迹的严格限制。 由于这两种方法都依赖物体的遮挡轮廓限制因此所需图像数目较 多，而且物体需满足一定的凸性要求。国内的杨孟洲等人研究了一种 “体像素标色法”( v o x e lc o l o r i n g ) ，可以对表面色彩丰富的复杂形体通 硕士学位论文第_ 二章测量总体设计思想 过照片重构。诸如此类的通过图像处理来进行测量的方法，其优点在 于，无须接触被测物，只要将其图像直接输入计算机，用数字图像处 理的方法和技术自动进行测量和处理，从而极大地提高了测量的速度 和效率1 2 8 。 本课题旨在以图像采集，图像处理的方法，来完成外形轮廓的 非接触测量。主要通过v i s u a lc + + 6 0 编程，综合运用数字图像处理 与识别的技术，采用计算机对相关被测物体的数字图像进行预处理、 灰度变换、分割、边缘检测、提取相关特征点的方法来进行外形轮廓 的测量。 2 3 三维围度量测量实现方法 人体测量中的一个重点也是难点就是人体围度量的测量。人体围 度量的获取有多种方法，其中最基本的方法就是首先获取人体围度曲 线上的点坐标，然后通过曲线拟合的方法来获取。也就意味着采用此 种方法首先应进行三维坐标的测量。 获取围度酎i 线上三维坐标的方法有多种，其中较为常用的包括摄 影测量法、飞行时恻法、三角测量法、投影条纹法、成像面定位方法、共 焦显微镜法、干涉测量法、隧道显微镜法等等，采用不同的技术可以实现 不同的测量精度2 9 3 0 1 。 相比而言，三角测量法原理简单、分辨率高、工作距离大。同时 所需仪器少，成本低，且可靠性好，在无接触测量距离及面形中有相 当重要的实用价值因此，虽然历史悠久，但一直沿用至今。随着新 型光电扫描技术与新型阵列型光电探测器件的出现，三角测量这种传 统的方法有了很多新的进展及应用。本文正是基于三角测量法进行测 量研究。基于三角测量法的测量技术包括激光逐点扫描法、光切法和 二元编码图样投影法等，分别采用点、线、面三类结构光投影方式。 这些方法以传统的三角测量原理为基础，通过出射点、投影点和成像 点三者之间的几何成像关系确定物体各点高度，因此其测量关键在于 确定三者的关系。考虑到目前我们所掌握的技术和硬件条件，决定采用 硕士学位论文 第二奇测量总体设计思想 基于三角法的激光逐点扫描法。采用此种方法，相应的带来了两个需要我 们解决的问题： ( 1 ) 系统标定问题。在三维测量中，物体每一点在图像上的位置与空 间物体表面相应点的几何位置有关。这些位置的相互关系，由摄像机 成像几何模型所决定。该几何模型的参数称为摄像机参数，这些参数 必须由摄像机标定实验与计算来确定。因此在进行三维测量之前，首 先要解决系统的标定问题。 ( 2 ) 人体的全身测量实现问题。实现对人体的3 6 0 0 全范围测量的方法 主要包括两种：一是利用多个投影和成像系统采集图像，并且要进行图像 匹配，同时由于多个投影和成像系统的存在，带来了测量设备成本的增加。 二是利用人体辅助测量装置转台来实现人体全身36 0 0 测量，此种方 法成本较低，但也存在相应难题，其中最主要的是人体测量过程中坐 标系的旋转问题和由于转台旋转存在的机械误差原因。综合考虑各种 因素，决定采用利用转台来实现人体的3 6 0 0 全范围测量。这也就同时给 我们带来了一个新的问题，设计一个运行平稳、可靠的转台。 通过三维坐标测量系统获得的人体三维坐标是曲线的离散点。我 们研究的最终目的是获取它的周长。然而由于测量本身具有一定的误 差，而且它是一个大量数据点的集合，由这些离散点计算曲线周长时 计算量很大。因此，需要把这些离散点集拟合成光滑的曲线，再通过 拟合曲线尺寸计算获取周长。曲线拟合的方法比较多，如三次样条函 数拟合、b e z i e r 曲线拟合和b 样条拟合等。为构造良好的拟合曲线， 选择适当的拟合方法是非常重要的。同样，为精确获得曲线周长，选 择合适的计算方法也很重要。因此，本课题将比较以上曲线拟合方法， 并从中选择合适的拟合方法，并加以编程实现。 2 4 测量过程 至此，我们已经形成了测量系统的整体思路： ( 1 ) 首先利用摄像机采集人体的正面或侧面图像，利用一系列图像 处理如灰度变换、分割、边缘检测、提取相关特征点方法，来完成外 硕士学位论文第二章测量总体设计思想 形轮廓的非接触测量。 ( 2 ) 利用投影摄像、转台装置，经过系统标定，来完成曲线三维坐 标的测量，然后利用曲线拟合来获取和计算三维围度量的长度信息。 测量过程如图2 一l 所示： 医习 2 5 本章小结 奁直 宣 幽2 一l 测蛀过列 本章介绍课题的总体设计思想。首先结合人体测量的国家标准， 确定了本课题的测量的量和测量精度。然后介绍了二维轮廓量测量和 三维围度量测量实现方法和思路。 硕士学位论文 第三章测量系统设计 第三章测量系统设计 3 1 总体设计 整个测量系统的结构如图3 1 所示： 3 6 7 图3 一l 测帚系统示意图 1 转台2 控制系统3 摄像机4 投影激光5 图像采集卡6 。生机7 显示器 其中摄像投影系统由摄像机3 和投影激光4 组成，结合图像采集卡 5 完成投影和采集图像的功能。转台1 结合控制系统2 主要实现被测人 体的旋转运动。这样，被测人体立于转台之上，控制系统控制转台旋转 一周，在此过程中完成图像的采集，最后经软件系统完成采集点坐标的 确定和曲线拟合尺寸的计算。此处，如果要实现整个人体的自动测量， 可给摄像机和投影系统设计升降装置。 硕士学位论文 第三章测量系统设计 3 2 硬件的选择 整个图像采集过程是光信号转换为模拟电信号，再转换为数字电信 号的过程。c c d 摄像机将拍摄区域中的光信号转换为电信号，摄像机输 出信号是视频模拟信号。为将采集到的电信号送计算机处理，应对视频 信号进行模拟数字( a d ) 转换，这由图像采集卡完成。转换后的数字 信号由总线传送到计算机的内存中，由软件进行处理。 3 2 1c c d 摄像机【3 l - 3 2 】 用图像处理技术来进行三维无接触测量，首先必须要采集到被测物 体的图像，目前在数字图像采集和处理领域，采集图像的设备通常为 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 摄像机。 c c d 器件的工作原理如下：被测物体图像经物镜( 镜头) 成像到c c d 光敏区，由于光的作用使光敏区的对应电极产生信号电荷，并被收集到 电极下方的势阱中形成电荷包，这一过程相当于一个光积分过程。当光 积分周期结束时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲使成像收集到 的信号电荷迅速转移到存储区中，然后依靠加在存储区和水平读出寄存 器上的适当脉冲，在c c d 的输出段即可获得被测物体图像的视频信号。 选择c c d 摄像机主要考虑两个方面：一是分辨率，二是镜头。此外， 还要考虑照度问题。摄像机分辨率指的是水平分辨率，其单位是线对， 数值越大，成像越清晰。为了获得更清晰的图像，应选用较高线分辨率 的器件。在本系统中，采用的是u n i c a nh v 一2 6 16c c d 摄像机。该产品 具有高品质的图像和灵敏度，分辨率为4 2 0 线，即使在非常阴暗的光线 下也能拍摄到高品质的图像。其最低照度是1 5 l u x ( f1 2 ) ，且有全新的 数码a g c 功能( 自动增益控制功能) ，比传统a g c 功能更灵活和更有效地 增强感光度，在低照度的环境下也能拍摄清晰的物体。 3 2 2 图像采集卡 图像采集卡是计算机与光学系统的关键接口部件，主要完成对视频 信号进行模拟数字( a d ) 转换的功能。图像采集卡在完成a d 转换的 同时，与计算机相配合，可以通过总线控制对图像采集方式。一些图像 硕士学位论文第三章测量系统设计 采集卡自身带有内存，甚至集成有一些基本的图像处理方法，在采集的 同时可以利用采集卡自带的处理能力对采集的图像进行预处理。其工作 过程为：首先对c c d 视频信号进行滤波、放大处理，然后由a d 转换器 件对连续的视频信号在时间上进行等间隔采样，并进行量化、编码，获 得数字图象信号，最后存储到计算机内存或硬盘。如图3 2 所示： 图3 2 图像采集卡工作流程 该测量系统采用的图像采集卡是台湾凌华科技制造的r t v 2 4 。该 卡是专为实时影像采集需求而设计，为一个四通道、3 2 b i t3 3 6 6 m h z 、 p c i 总线的实时图像采集卡。可读取一般混合式模拟彩色( 如p al 、 n t s c ) 或黑白( 如c c i r 、e l a ) 视讯讯号，并提供4 c lf 、c if 及q c i f 等影像分辨率格式。同时，为提供更高的安全性考虑，a n g e i o 系列产品 附有功能保护的回路设计及w a t c hd o g 定时器。 3 2 3 光源的选择 本测量系统采用激光器做光源。之所以考虑采用激光器产牛的投影 激光作为投影光源，很大程度考虑到目前课题正处于前期实验阶段，而 激光器发出的光线比较集中，精度高而且成本低，在以后的系统改进中 可以考虑使用结构光光源。 3 3 系统软件f 3 ”6 】 本系统软件基于w i n d o w 应用环境，以v i s u a lc + + 6 0 为软件开 发工具。v i s u a lc + + 6 0 提供了功能强大的基础类库( m f c ) ，很好地 体现了w i n d o w s 面向对象编程的特色，将方便地建立起功能完善的用户 界面。m f c 通过将对象的数据和处理方法封装，保证了信息的隐蔽性。 这样，对数据的存取只能通过该对象本身的方法来进行，而程序的其它 部分不能直接作用于对象的数据，对象间的相互作用只能通过明确的 “消息”来进行。v i s u a lc + + 6 0 还提供了三维应用程序接口o p c n g l 硕士学位论文 第三章测量系统设计 图形函数库，使用v i s u a lc + + 6 0 对程序的编写、调试及维护带来极 大便利，并可实现多任务操作。m f c 类库封装了所有的w i n d o w sa p i 函数。它具有以下优点： 支持所有的w i n d o w s 函数、控制、消息、g d i 、菜单和对话框。 处理消息时，所有消息与成员函数相对应。 可对发送对象到文件的信息进行诊断支持，并包含验证变量的功 能。 使用和a p i 相同的命名约定，采用匈牙利命名规则。 扩展的异常处理，使应用程序的代码很少出现失败。 加快程序实现，代码更小。 在运行时决定数据对象的类型，允许对域进行动态操作。