張威 楊可鑫

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110180）

1 引言

在服裝數(shù)字化設(shè)計(jì)中引入三維人體測(cè)量技術(shù)，能夠通過三維建模技術(shù)重建人體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地提取人體特征點(diǎn)與特征線，計(jì)算人體特征尺寸，為服裝設(shè)計(jì)過程提供人體測(cè)量數(shù)據(jù)，保證服裝合身，著裝舒適美觀。

基于激光掃描的三維量體技術(shù)應(yīng)用廣泛[1]。日本的HQL 和美國(guó)CAESAR 工程利用三維激光掃描儀和傳統(tǒng)測(cè)量方法大規(guī)模采集人體尺寸信息，建立相應(yīng)的人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。Dekker 等人[3]采用人體體型判別函數(shù)，在三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)人體特征點(diǎn)的自動(dòng)提取和三維人體尺寸的自動(dòng)測(cè)量。Leong 等人[4]采用了邏輯數(shù)學(xué)描述人體特征，在利用深度圖和語(yǔ)義分割來(lái)識(shí)別特征點(diǎn)。但對(duì)曲線擬合的過程十分復(fù)雜且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。宋紅星[5]等人提出了用于服裝設(shè)計(jì)的三維人體尺寸提取方法，基于三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)利用近似最短路徑法得到所需人體尺寸。陳國(guó)安[6]等提出一種基于模糊邏輯規(guī)則的自動(dòng)提取人體特征點(diǎn)算法。

但上述方法都沒有考慮利用價(jià)格低廉的深度相機(jī)構(gòu)建從原始三維人體點(diǎn)云模型到人體尺寸自動(dòng)測(cè)量，并且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的完整方案。

2 基于Kinect相機(jī)的人體三維重建

本文利用兩臺(tái)消費(fèi)級(jí)Kinect 深度相機(jī)同時(shí)采集并融合兩者的掃描結(jié)果可以重建出站姿下的完整人體的三維模型。如圖1所示。

圖1：掃描系統(tǒng)裝置構(gòu)成圖

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程主要包括采集、配準(zhǔn)、標(biāo)定、3 個(gè)部分。

采集部分，每采集一幀深度圖像數(shù)據(jù)，通過深度幀轉(zhuǎn)換、相機(jī)追蹤、立方體融合等處理，從不同視角拍攝重建對(duì)象，將其融合至全局三維表面模型。

配準(zhǔn)部分：利用基于K 近鄰算法進(jìn)行去噪，再基于Kinect 標(biāo)定所得參數(shù)，調(diào)整上下兩部分點(diǎn)云，將兩部分點(diǎn)云變換到同一坐標(biāo)系中，為后續(xù)算法提供良好的初始位置，以提高配準(zhǔn)的精度，最后對(duì)調(diào)整后的兩部分點(diǎn)云用算法進(jìn)行配準(zhǔn)[7]，得到完整的人體三維模型。

標(biāo)定部分：標(biāo)定過程是為了獲得兩臺(tái)相機(jī)之間的變換矩陣（旋轉(zhuǎn)和平移矩陣）[8]，用以將兩臺(tái)Kinect 獲取的點(diǎn)云變換到同一個(gè)坐標(biāo)系下。

實(shí)驗(yàn)過程對(duì)模特作為重建目標(biāo)進(jìn)行三維重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 中人體所穿T 恤（厚度約為2mm）紋理清晰可辨，可見系統(tǒng)獲取的三維人體模型具有較高的精度，配準(zhǔn)后的三維人體點(diǎn)云在拼接處曲面光滑，配準(zhǔn)效果良好。

圖2：三維重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 基于三維點(diǎn)云的人體尺寸自動(dòng)測(cè)量算法

3.1 人體部位特征邊界點(diǎn)提取

根據(jù)GB/T 16160--2008《服裝用人體測(cè)量的部位與方法》,借助人體各部位與身高比例關(guān)系的先驗(yàn)知識(shí)。[9]獲得相應(yīng)的特征點(diǎn)位置，包括：頭頂點(diǎn)、頸椎點(diǎn)、胸高點(diǎn)、腰側(cè)點(diǎn)、膝蓋點(diǎn)等，以水平截面對(duì)人體三維點(diǎn)云作裁切處理，得到人體各部位點(diǎn)云的水平截面環(huán)。結(jié)合人體輪廓幾何特征分析，提取截面換上的極限點(diǎn)作為人體部位特征的邊界點(diǎn)[10]。如圖3所示。

圖3：多個(gè)橫切面截取人體點(diǎn)云

以胸高點(diǎn)為例，特征邊界點(diǎn)的提取算法如下：

（1）分別選取腋窩點(diǎn)和肚臍點(diǎn)y 坐標(biāo)值截取的水平截面為初始位置和終止位置。沿著y 軸負(fù)方向以一定的步長(zhǎng)(基于本文選擇的相機(jī)及分辨率，步長(zhǎng)取4mm)截取多組平行于XOZ 截面的輪廓線。

（3）若輪廓S中曲率最大的點(diǎn)，且該點(diǎn)滿足Zmax(Si)＞ Zmax(Si’)時(shí)，此點(diǎn)為胸部最高點(diǎn)，及胸圍輪廓關(guān)鍵特征點(diǎn)。

（4）如果不滿足上述條件，以步長(zhǎng)s 下移，返回步驟2，直至找到符合條件值。

3.2 人體各關(guān)鍵部位尺寸計(jì)算

利用3.1 節(jié)提取到的人體各部位截面點(diǎn)云和特征邊界點(diǎn)，計(jì)算人體各關(guān)鍵部位尺寸。包括三種類型的尺寸：長(zhǎng)度、圍度和弧度。

長(zhǎng)度如身高尺寸計(jì)算直接通過頭部最高點(diǎn)和軀干最低點(diǎn)的位置坐標(biāo)獲得。步驟如下：

先提取會(huì)陰點(diǎn)位置[11]，會(huì)陰點(diǎn)所在直線為人體中軸線，與頭頂部相交的位置為頭部最高點(diǎn)，與腳底相交的位置作為軀干最低點(diǎn)。

弧度是與多個(gè)特征點(diǎn)相關(guān)的尺寸，通過計(jì)算相關(guān)特征點(diǎn)間的測(cè)地距離得到，如肩寬是由左肩峰點(diǎn)至右肩峰點(diǎn)的曲線長(zhǎng)度。

圍度計(jì)算算法步驟如下：

（1）根據(jù)特征邊界線點(diǎn)云，使用Melkman 算法對(duì)其進(jìn)行凸包曲線擬合[12]，如圖4所示。

圖4：胸圍特征邊界與凸包擬合線

（2）將腰部點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照X值升序排列，得到點(diǎn)集P_all={P(x_l,y_l),l=1,2,3,...,n};

（3）找到點(diǎn)集P_all 中y_max 和y_min 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)p1（x,y_max）和p2（x,y_min);

（4）以p1 和p2 的連線為基準(zhǔn)，將P_all 分成P_up 和P_down上下兩部分;

（5）分別取P_up 和P_down 點(diǎn)集中對(duì)應(yīng)離散點(diǎn)按照x 值升序排列后，相鄰兩點(diǎn)線段長(zhǎng)度之和L_up 和L_down;

（6）圍度值l =L_up+L_down。

4 系統(tǒng)仿真及測(cè)量結(jié)果分析

本文采用本文提出的方法已在Intel Core i7 2.60GHz 8G RAM內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，利用Microsoft Visual Studio 集成開發(fā)環(huán)境,使用C# winform 實(shí)現(xiàn)界面交互；PCL-vtk 可視化顯示三維點(diǎn)云。如圖5所示。

圖5：三維量體測(cè)量系統(tǒng)界面

針對(duì)同一人體模型，每天選取上午和下午不同光照條件，保證其他測(cè)量環(huán)境相同，各測(cè)量2 次，持續(xù)3 周，得到42 組(2 次1 組)數(shù)據(jù)，共84 次；使用自建的三維人體掃描系統(tǒng)對(duì)人體掃描得到三維表面信息，通過人體尺寸測(cè)量軟件得到各關(guān)鍵部位尺寸的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性由所測(cè)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMS)表示：其中最小誤差為0.013cm，最大誤差為0.067cm；以各測(cè)量項(xiàng)的均值作為觀察值，用最大浮動(dòng)值Δ y 評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

測(cè)量結(jié)果見表1。

表1：人體尺寸測(cè)量結(jié)果 單位：cm

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種面向針織運(yùn)動(dòng)服裝數(shù)字化設(shè)計(jì)的三維人體測(cè)量方法，使用消費(fèi)級(jí)深度相機(jī)Kinect，搭建了人體掃描三維重建系統(tǒng)。并且針對(duì)重建后的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了人體關(guān)鍵部位尺寸信息的自動(dòng)計(jì)算。在一定程度上克服了一些商用三維人體掃描系統(tǒng)價(jià)格較高、操作較復(fù)雜的不足，構(gòu)建了一種穩(wěn)定可靠且性價(jià)比較高的三維人體關(guān)鍵部位尺寸測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從重建人體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型到人體關(guān)鍵部位尺寸自動(dòng)測(cè)量，以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)，方案完整、結(jié)果可靠，滿足GB/T 16160--2008 中的精度要求。