基于照片的三维人体模型研究与实现.pdf

文章编号 1007 757X 2006 03 0005 02 基于照片的三维人体模型研究与实现 范庆玲 李继云 摘 要 本文通过人体正面和侧面两张照片 采用基于模板的方式提取人体的特征数据 利用这些特征数据最后建立可产生 服装原型衣片的个性化三维人体模型 关键词 电子化量身定制 canny算子 三维人体 体形分析 中图分类号 TP391 72 文献标识码 A 1 前言 近年来 随着图形图像技术的发展 照片成了获取了大量 有用信息的主要载体 在国防 航天 服装等方面都得到了广 泛应用 在服装方面 随着为服装制造服务的三维人体扫描 仪的出现 使得利用计算机技术实现数字化服装定制成为可 能 电子化量身定制 eMTM Electronic Made to Measure 服装是 21世纪新兴的一种服装生产方式 它利用现代三维人体扫描 技术 计算机技术和网络技术将服装生产中的人体测量 体型 分析 款式选择 服装设计 服装定购 服装生产等各个环节有 机地结合起来 实现高效快捷的数字化服装生产链 作为一 种全新的服装生产方式 eMTM已经成为国内外服装生产领域 研究的重点 并将成为未来数字化服装生产的一个重要的发 展方向 2 研究现状 目前 利用照片生成三维人体已经取得了一定的进展 GuJ等 J 搭建一个正六边形的框架 并在其每一角上安装两台 相机 在特定背景和光照条件下 同时获得人体上半身和下半 身在六个不同视角上的图像 根据这12张相片获得精确的人 体各部分的尺寸 建立虚拟模特儿的模型 对于女性要增加一 台相机 这样生成的三维人体不需要其它三维数据的支持 但是该系统对硬件的要求很高 而且照片必须同进获得 后 来WonSook Lee等 2 克服了这种缺点 提出了一种新的方法 该方法仅需一台相机 在任意拍摄背景和光照条件下 只需要 拍摄人体正面 侧面及背面的图像 具体思路是 首先 为每 张相片标定大约二十个特征点 根据这些特征点进行人体骨 架位置的估算 并对一般人体模型的几何外形进行粗略的调 整 其次 根据这些特征点将人体从背景 中分离出来 即得 到人体的轮廓 并用轮廓信息进一步调整人体几何处形 最 后 用相片中的图像对模型进行纹理贴图 考虑到这种方法拍 摄照片的人要穿着紧身衣 毛天露等 3 又提取了一种新的方 法 在拍摄照片时人不需要穿着紧身衣 而且不需要标定大量 的特征点 只需对标准人体骨架进行交互式编辑 几何外形自 动调整和渲染 最后生成虚拟三维人体 这种方法生成的三维 人体不能满足服装对人体模型的要求 我们所做的建模是为服 装原型衣片提供服务 对于服装部分关键尺寸要求做到精确 所以在拍摄照片时需要穿紧身衣 怎样使生成的人体模型个 性化并且满足服装制作的要求是关键 本文在这个需求之上采 用正面和侧面两张照片 自动提取照片中人体的个性化特征数 据 最后生成个性化人体模型 为实现eMTM提供了保证 本文是 中欧合作电子化量身定制服装 eMTM关键技术 研究 项目的基础工作之一 3 系统介绍 本文所描述的系统中 三维人体模型是为服装原型衣片 提供支持 该系统模块构成如图1所示 图1 系统框架图 3 1 照片处理 照片的处理是整个系统的基础 不同的应用领域对照片 要求也不同 该系统所建立的三维答体是为服装原型衣片提 供支持 为了满足服装精度的要求 需要穿着紧身衣进行拍 摄 对照片的处理主要包括边缘检测 轮廓跟踪以及人体特征 数据提取 3 1 1 边缘检测 5 Microcomputer Applications Vol 22 No 3 2006 研究与设计 微型电脑应用 2006年第22卷第3期 作者简介 范庆玲 东华大学计算机科学与技术学院 硕士研究生 上海 200051 李继云 东华大学计算机科学与技术学院 博士 副教授 上海 200051 基金项目 上海市科委国际合作项目中欧合作电子化量身定制服装 e MTM关键技术研究 图像最基本的特片是边缘 所谓边缘是指周围像素有灰 度阶跃变化的像素集合 在图像处理中 图像的边缘是图像 分割所依赖的最重要的特征 也是纹理特征的重要信息源和 形状特征的基础 图像边缘特征分析是图像测量技术中获取 被测对象几何尺寸的重要手段之一 人体图像边缘检测是正 确把握人体特征的必要手段和eMTM系统中建立个性化人体 的基础 为此 本文对照片的处理首先从边缘检测入手 边 缘检测的基本问题是解决检测精度与抗噪声能力之间的矛 盾 由于边缘图像和噪声在频率域中同是高频分量 简单的微 分运算同样会增加图像中的噪声 所以一般在微分运算之前 采取适当的平滑滤波 减少噪声的影响 canny运用严格的数 学方法对此问题进行了分析 推导出由4个指数函数线性组 合形式的最佳边缘检测算子 4 笔者通过实验发现canny算 子对于人体边缘检测具有良好的性能 因此采用canny算子来 完成对照片中人体图像的边缘检测 具体方法是先对照片进 行灰度化 然后应用canny算子对灰度化后的图像进行边缘检 测 3 1 2 轮廓跟踪 为了满足本系统对于个性化人体的要求 对边缘检测后 的照片进行轮廓跟踪 本文采用了类编码的方式对人体轮廓 进行跟踪 具体方法是 对边缘检测后的照片进行逐行扫描 当扫到某一个象素的值不为0时 再根据图2所示的四连通 链进行判断 设图2中0 1 2 3象素的值为P0 P1 P3 如果 P 0 P1 P2 P3 1 则认为该点不是人体外轮廓点 将该点的 象素值置为255 如果 P 0 P1 P2 P3 0 则认为该点是人体 外轮廓点 将该点的象素值置为0 处理后的结果如图3和图 4所示 程序采用VC 实现 图2 图3 侧面照片及轮廓 3 1 3 人体特片数据提取 我们所提取的人体特征数据是直接为建立个性化人体服 务的 建立个性化人体时 各个截面的高度以及截面的宽度厚 度是重要的 所以根据个性化人体生成的特点 提取的人体特 征数据主要包括十个截面的信息 即 图4 正面照片及轮郭 后领围线 头部与颈部的相交截面轮郭线 前领围线 颈部与躯干部的相交截面轮廓线 肩峰线 肩点模截面轮廓线 上胸围线 上胸截面线 胸围线 胸部截面线 下胸围线 下胸截面线 腹突线 腹部截面线 臀围线 臀部截面线 基线 下肢与躯干的相交截面轮廓线 传统的提取人体特征数据是根据手工测量或者在虚拟的 三维人体上根据估算特片数据所在人体位置区域来进行提 取 手工测量得到的特征数据能够满足服装制作的要求 但 是不方便 而估计特征数据所在人体区域的方法提取出的特 征数据不精确 为了解决这些问题 本文提出基于模板的方式 提取人体特征数据 具体实现方法是 在国标的基础上对人体 体形进行细分 通过聚类分析形成108类人体体形分类 然后 从人体轮廓中通过手动点取 提取胸 腰 臀的高度 宽度和厚 度 根据提取出的胸 腰 臀的信息通过匹配算法自动计算出 其余的特征数据 笔者通过实验证明 这样提出的特征数据 既能满足建立个性化体的精度要求 又解决了手工测量带来 的不便 实验数据如表1所示 表1 基于模板提取的人体特征数据 特征点名称高度 cm a cm b cm 后领围线132 08845212 12621410 579853 前领围线129 72973025 12621411 724816 肩峰线126 19164634 05825213 4766580 上胸围线110 8599131 76699026 125307 胸围线108 10810832 62135927 911548 下胸围线106 14250631 84466026 339066 腰围线85 70024629 12621423 194103 腹突线77 05159732 62135924 766585 臀围线68 00982834 95145625 552826 基线58 96805934 17475721 621622 下转第42页 6 Microcomputer Applications Vol 22 No 3 2006 研究与设计 微型电脑应用 2006年第22卷第3期 知识库 对话管理程序不变 4 进一步研究 支持说话者依赖的知识库的定义 描述和学习需要深入 研究 对话过程中隐含的情感因素即情感交互是另一个更具挑 战的课题 根据对话上下文 分析用户意图和情感 增加Agent 自身心智状态 突破传统的仅研究计算机的逻辑思维能力的 限制 研究计算机模拟人类心理活动的能力 当前Agent研究的主要动力之一是克服人机界面的局限 性 12 语音技术与Agent的结合为人机界面的智能化人性化 展示了美好的前景 参考文献 1 Wooldridge M J Jennings N R Intelligent agent theory and practice J Knowledge Engineering Review 1995 10 2 115 152 2 刘大有 杨鲲 陈建中 Agent研究现状与发展趋势 J 软 件学报 2000 11 3 315 321 3 Lewis M Designing for Human agent Interaction AI Magazine 1998 67 78 4 王延江 袁保宗 唐晓芳 基于Agnet的多功能感知环境研 究 J 石油大学学报 自然科学版 2001 25 3 86 89 5 龚报钧 王树青 支持人机协同的智能用户界面体系结构 J 控制与决策 2001 16 6 890 893 6 Jose M Vidal PaulA Buhler Michael N Huhns Inside an agent J internet computering 2001 5 1 82 86 7 蔡云轶 王晓东 陆汝占 智能电话查询系统 J 计算机 工程 2002 28 6 164 165 8 易定 曾锦专 陈文政 徐子钊 一类基于Agent的语音交 互应用系统 牡丹江大学学报 2004 7 57 60 9 张发 赵巧霞 吴伟 决策支持系统界面智能体研究 J 计算机工程 2002 28 3 169 171 10 Microsoft Speech SDK5 1 MSDN 11 http www microsoft com speech 12 董红斌 孙羽 多Agent系统的现状与进展 J 计算机 应用研究 2001 1 54 56 收稿日期 2005 9 5 上接第6页 3 2 建立个性化三维人体 照片的处理是为了建立个性化的三维人体 这里建立个 性化人体的方法是先根据胸 腰 臀的信息选择标准人体模 板 然后通过从照片提取的特征数据调用人体生成算法生成 个性化三维人体 这一部分主要是由项目组的其他成员完成 的 生成的个性化人体如图5所示 图5 个性化三维人体模型 4 结束语 本文利用两张照片提取建立个性化人体所需的人体特征 数据 并最后生成个性化的三维人体模型 作为中欧合作电子 化量身定制服装 eMTE项目的研究基础之一 我们将进一步 开展服装原型衣片的研究 参考文献 1 GuJ Chang T G opalsamy S and Shen H A 3D Reconstruc2 tion Systemfor Human Body Modeling A In Modelling and Mo2 tionCaptureTechniquesforVirtualEnvironments Proc CAPTECH 98 C Springer LNAI LNCS press pp 229 241 1998 2 Won Sook Lee Jin Gu Nadia Magnenat Thalmann Generation Animatable 3D Vir