（服装设计与工程专业论文）基于三维扫描数据的人体模型构建.pdf

北京服装学院2 5 缀硕士学位论文 d e v e l o p m e n to f 删n e q u i n sb 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 t h em 锄e q u i 船c o 咖c t i o nh 弱a l w a y sb 咖a p o p u l a r 粗dd i m c u l t r c ：s l e 羽- c ho nt h eo d m p u 靠x 鲫p h i c s hi s i m p o r t a n tt ob u i l da n du s e m 猢以l u i 璐i nt l l eg a 蛐e n ti n d u s t r y u s u a l l m 也e r ea r cm a i n l y 细ow a y st o c o 咖c t 也e m a n n e q u i 鹪i n t h e g 锄e n t 砌u s 仃y o n e w a y i s t 0 璐c t h e3 d m o d c l i i l gs o 矗w a r e t h eo 也e rw a yi st ou s e 也er e v e r s e 锄西n e 舐n gm e t h o d t h em a n n c q u i n sa r ec o n s t r t l c t e db yt h eg 。o m e t r i cd a t a ，w h i c hi so b t a i n e d b ys c 锄i n gm eh 岫a nb o d y 锄r f a c e t h es t a n 捌m a n n e ( 1 u i n sc a nb e c o n s t r u c t e db yt b em o d c l i n gs o f h r a r 己t h ep e r s 0 d a l i z e dm a 皿e q u j n sa f e u s i l a l l yc o 硒协k t 。db yt h er e v e 心ee n 百玳鄹缸gm c ( h o d h o w e v e r ，m e r ei s n o ta ne 仃b c t i v cw a yt 0d e a lw i mt h r 一d i m e n s i o n a lp o i n tc l o u dd a t a 蛳球。d b ys c a n n i n gt h eh 岫a nb o d y 1 1 1 0 u 曲s t i l 蛳n g 也ed c t a i l c dm o d e l i n gp r o c e s s o fm er e v e r s e e n g i 矾：c r i n ga n dm ea 1 9 0 d t t l mo fp r o c e s s i n gt l l e3 ds c 锄i n gp o i n tc 1 0 u d d a t a t h i sp a p e rd i s c u s s c dh o wt os t o r ca n dc o n d e n s et h ep o i n tc l o u dd a t a ， h o wt 0c o n s t m c c ，v i e wa i l dm o d i 母t h em a 皿e q u i n s d e t a i l e d i ys p e a k i n g ， t h ep o i mc l o u dd a t as t o m g es l 】m c t u r cw a sb a s e do nt l l e 锕。一d i m e n s i o n a l l i n k e dl i s t ，f h ea 1 9 0 打t h mo fc o n d e n s i n g h ep o j n c l o u dd a t aw a st or e s 掰c t t h ec o o r d i n a t et o l e 姗c ea l l dt h em o s td e l e t e dp o i n t s ，m em 籼e q u i n sw 弱 2 北京甩装学院2 5 缓硕士学位论文 c o n s n u c t c db ym es i m p l i 6 e dd e l 砌a yt r i a n g i l l a t i o n a 1 9 0 r i t b m ，t h e m a n 珏啊u i n sw 丛v i e w e db yn s i n gt h eo b j m o d e l 五1 黯。 e x p e r i m 锄t ss h o w c dt h a t ，u s i n gt h o s em c t h o d s ，m ed a 诅w e r ed i s p o s e d s i m p l y 粕d q u j c k l 弘 m eo b t a i n e d m a n n e q u i nw 邵 a c c o r d e d谢m r e q u i r e m e n t i naw o r d ，也em c t h o dw a ss i l i t a b l ef o rb u i l d i n gam a s so f m 咖o q u i n yw o i s ：m j 删1 c q u 岫、3 dp o i n tc l o u dda _ t a 、c o n d e n s ea l g o r i t h m 、 d ；v i d el r i a n 9 1 1 】a rp 1 孤鼹、o b | j 丘l e s 3 北京服装学院学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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。本人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：乏 自 关于论文使用授权的说明 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磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，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) 保密注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，使用本授权书。 学位论文作者签名：垂自 导师签名嚷秀弘 o 。 签字日期：歹唧年肛月加日 签字日期：五唧年i 明z 护日 北京服装学院2 5 级硕士学位论文 l 绪言 随着全球市场竞争的加剧，企业面临着越来越大的压力。如何在尽可能短的 时间内，用尽可能低的成本，生产出质量尽可能高的产品，以成为左右企业生存 和发展的关键问题，虚拟产品设计技术建立就是为了帮助企业解决这些问题。虚 拟产品是建立在利用计算机完成产品开发过程构想的基础上，在虚拟的环境下对 产品进行构思、设计、制造、测试和分析，从而提高产品在时间、质量、成本、 服务等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的且的【l 】。它的显著 特点之一是利用虚拟产品代替实物模型进行仿真，分析，在产品物理实现之前， 就能预测或感受未来产品的形态、行为和性能，从而可以做出前瞻性决策和优化 方案，与市场构成良好的快速反应机制，提赢产品的获利程序，虚拟产品设计技 术的出现，对制造业产生了巨大的影响。比较成功的例子是在波音7 7 7 和欧洲空中 客车制造中的应用，其开发周期分别从原来所需的8 年和4 年降至如今的5 年和2 5 年 中国服装行业是一个传统的、现代化程度不高的行业，有很大一部分的服装 设计至今还停留在以手工设计为主的阶段，与国外的先进服装企业相比，在设计 能力、名牌效应等方面都有较大的差距。但是随着我国科技水平的不断发展，从 事服装行业的人员不断地学习选取，将大量的先进经验和技术引入到了服装行业 中在数字化的今天，用“信息化带动工业化”，将信息技术、数字技术应用于服 装行业的相关研究一壹是服装界和信息界研究的热点。其中虚拟现实技术的引入 可以为服装设计提供一个逼真的三维环境和实时交互手段，其应用前景被越来越 多地人所看好，目前国内外有许多人员在从事这些方面的研究，其中人体建模技 术的研究和发展是相当重要的一部分。 1 1 计算机人体建模 1 1 - l 几何造型 计算机人体建模属于几何造型范畴，几何造型是通过对点、线、面、体等几何 元素，经过平移、旋转、变比等几何变换和并、交、差等几何运算、产生实际的 j ! 墨曼鍪兰堕塑! 堑堡主兰焦堡苎 或想象的物体模型【2 1 。几何造型是集成c a d c a m 的基础，主要包括曲面造型、 实体造型和特征造型三个分支。起初曲面造型和实体造型彼此独立，平行发展。 直到2 0 世纪7 0 年代，为了满足工程实际的需要，人们才开始致力于研究和发展 三维实体造型技术，将曲面造型和实体造型进行了融合，此时的曲面造型和实体 造型已不在相互独立，而是相互支持，互相渗透。与实体造型相比，曲面造型具 有更高层次的抽象，包含了更丰富的信息。目前基于产品定义的特征造型技术已 经成为人们研究的新热点，但其基础仍然是实体造型技术。 几何造型的基础理论和方法是在2 0 世纪7 0 年代开始创立的，经过这些年的发 展和研究，现已经广泛地应用在工业生产的各个领域，有着极其重要的作用和广 泛的应用前景。例如在航空工业中，机翼、翼梁及翼梁肋等零件的设计细节及强 度分析；汽车工业中，汽车外形设计最早使用c a d 造型技术，利用交互式绘图系 统的曲面造型功能，建立整个汽车的外形，研究和评估汽车的轮廓；医学上利用 高分辨率c r 扫描图像构造三维模型( 如头颅、骨骼及内脏器官等) ，以帮助制定外 科手术的规划以及改善手术后的护理工作；建筑工程中整体设计、结构设计、结 构分析空间布局和内部设计等方面；在人体的计算机辅助造型、服装设计、计算 机动画制作以及计算机辅助教学等方面也有着广阔的应用前景。 1 1 上人体建模技术发展历史 人体建模的研究始于2 0 世纪6 0 年代末，发展过程可以划分为三个阶段：实物 模板阶段、计算枧环境下的二维人体模型阶段和三维数字人体建模阶段脚。 实物模板是对根据人体测量数据进行处理和选择得到的标准人体尺寸，再利 用塑料板材或密实纤维板等材料，按照l ：1 、l ：5 、l ：1 0 等工程设计中常用的制图 比倒，制成人体各关节均可活动的人体模型。 二维人体模型是随着计算机制图技术的发展而出现的，因为处于计算机图形 技术的起步阶段，所以这种人体模型只是以二维的形式出现。由于二维人体模型 远远不能满足现代设计技术的需要，髓着几何造型技术的发展，许许多多的学者 为此付出了艰辛的劳动，不断地探索人体建模技术m ，人体计算机建模技术也得 到了巨大的进步，得到了很多建立三维人体模型的技术。 c a d = c 0 棚p i l t 昏a i d c dd 商鲫，计算机辅助设计，c a m ：c 。哪p i l 懈。枷e dl n 锄u 蠡i c t 嘣雌，计算机辅助制造 帆c 0 i n p i l 脚t o 咖喀印h y ，是一种功能齐全的病情探测仪器，它是电子计算机x 射线断层扫描技术简称 2 ! ! 墨壁茎兰堕! 竺丝堡主兰竺丝苎 三维人体建模技术主要可分为以下四类：线框建模、实体建模、曲面建模，以 及基于物理的建模【7 阳。 线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术， 它是计算机领域最早用来建立三维形体的方法。人体线框模型是将人体分割成一 些身体段和关节，然后利用一些顶点和线表示出来。其特点是建模结构简单，操 作方便，但提供信息很少，建立的模型就像一个骨架。 实体建模技术包含两部分内容，一部分是体素( 长方体、球体、柱体、锥体等) 定义和描述；另一部分是体素之问的集合运算( 并、差、交等) ，其方法有基本体系 应用法，扫描表示法、边界表示法和结构实体几何表示法 9 】其特点是提供了人 体的几何和拓扑信息，但模型数据量大，处理缓慢，对硬件的要求比较高。 曲面建模技术是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的三维建模方法。其方 法主要有三种【1 0 】：由一组多边形描述；由代数曲面描述；由一些碎片描述。其特 点是提供了三维人体的表面信息，但是很难进行剖面操作。 基于物理的建模方法【u 】是针对传统的人体建模技术主要描述人体的外部几何 特征，而对人体本身所具有的物理特征( 如关节运动、肌肉收缩等) 和人体所处的外 部环境因素( 如重力等) 缺乏描述的基础上发展起来的。其模型不仅包含表面几何特 征而且弓i 入了时问变量，人体的动态特征可以得到有效的描述。其特点是可以得 到更加真实的建模效果，但是处理方法相当复杂 另外，也出现了混合型建模方法【1 2 1 ，即在建立模型的不同阶段或人体的不同部 位时，有选择地使用以上的建模方法，使用混合建模的方法可以发挥上述几种建 模方法的长处，弥补某单一建模方法的不足，因而构建出更加完美的人体模型， 通常先用几何方法获得大致的轮廓，再利用物理约束对局部结构进行细化。 1 2 服装行业人体模型的应用和建立方法 1 2 1 服装行业人体模型的应用 在服装行业中，人体的研究非常重要，关系到服装行业的生命，人体模型的应 用、研究十分广泛，开始设计师利用标准人体的部位尺寸数据，使用塑料板材或 其他材料制作出标准实体人台，通过人台来查看服装的着装效果或者进行服装的 立体裁剪。接着由于计算机技术的兴起和发展，设计师们利用计算机二维或三维 虚拟人体来查看服装的着装效果，并进行结构和颜色搭配的调整，出现了“虚拟 3 ! ! 壅壁薹兰堕! 堂墨堕主兰竺笙茎 服装设计”、“超维视觉设计”和“绿色服装设计”等新的设计理念。伴随着信息 网络化技术的不断发展，人们对锄e t 技术越来越熟悉，所以将服装设计与 h t e m d 技术相结合，影响了未来服装设计的手段和服装信息的发布形式。这个过 程中对人体模型，特别是个性化人体模型的需求也是越来越大 虚拟服装设计是虚拟现实事物，并通过计算机电子技术对布料进行仿真利用， 使服装设计师与计算机电子技术和动画技术的理想结合，虚拟服装设计广泛运用 于立体时装设计，三维电影、电视，计算机广告特效制作等领域。在美国虚拟服 装设计网站已经出现了很多，一方面利用网络进行在线设计，顾客与设计师共同 商讨，进行设计，利用人体三维模型进行二维服装样片设计，并制作出虚拟服装 来查看静态着装效果。设计师还可以通过选择和设置布料的物理参数，重力，风 力以及人体运动状态等，来查看不同环境中动态着装效果。通过观察三维服装的 运动模拟和仿真效果，设计师们可以直观地考察服装结构设计的合理性，以及面 料、图案的选择。如果设计师或顾客对其结构不满意，可以马上在二维或三维空 间进行服装结构和选用材料的修改，来改善其效果直到满意为止【闭。另一方面， 虚拟服装设计可用于网上销售服装目前网上销售的服装已经在服装销售额中占 到一定比重。消费者通过网站上传自己的身高、胸围、腰围、臀围、年龄及所选 服装的类型等信息，销售网站再根据人体体型分类方法进行计算，得到顾客的形 体特征后，利用三维技术，试穿顾客所选款式，这样顾客就能在自己的终端上看 到服装穿着的动态效果，并选择和购买适合自己的服装 超视觉服装设计就是把人、人的心理、人的视觉、人的审美及人的情趣等诸多 因素考虑到服装的设计中。过去人们是基于五维( 一维空间的线，二维空问的面， 三维空间的体积，四位空间的时间，五维空间的意念) 设计的，超维设计注意对环 境心理学和观赏学的运用，超出了空间的维度关系。超维设计开拓和丰富了设计 人员的视觉设计思维，对人的心理、环境以科学技术进行全面的关注，在色彩、 光线、面积、位置、平面、立体、视觉及空问功能等方面结合的设计，对人体模 型的需求也很大。 绿色服装设计是基于人们在工业中对能源浪费，环境污染，生态破坏的认识。 绿色设计是以节约和保护环境为主旨的设计理念和方法。人们利用数字三维人体 模型进行设计、改造，最大程度上的减少对资源的使用，降低对环境的污染。 另外，近些年来兴起的三维虚拟试衣技术中，人们只要站在特殊的镜子前或试 衣间中，就可以得到与自己身材一致的“数字试穿替身”。通过这个替身来帮自己 4 垄星璺茎兰堕! ! 竺矍塑主兰些丝苎 试穿衣服，查看衣着效果以及不同运动状态下衣服的合体性，为顾客选择适合自 己的产品提供了一个良好的途径。这些都离不开人体模型的运用。 1 2 2 服装行业人体模型的建立 通常，服装行业中要建立一个人体的计算机虚拟模型主要有以下两种方法：1 ) 利用通用建模软件m a y a ，3 d _ n a x 等绘制人台的三维模型；2 ) 利用三维扫描仪获得 真实人体表面的几何数据，利用这些数据，重建得到人台模型【1 4 1 。 利用通用建模软件绘制的人台，通常是都是将人体分为不周的部分，例如头部、 身体、手部和脚部等部位，分别进行建模制作，最后合并在一赳1 5 】建模初始都 是从些简单结构体出发，通过组合，拉伸、结构调整等很多的步骤来完成，制 作过程相当复杂。 1 9 9 5 年美国c 嘶。鸺l a d s 开发了p o s 盯软件，专门用来开发三维的人体图形图 像和动画，是全球第一个也是迄今为止使用最广泛和最受欢迎的专门用于人体造 型的软件【1 嗣，从诞生至今共发行了7 个版本，于2 0 0 7 推出最新版p 茁7 d p o s 盯是以制作角色动画为主的软件。p o s e r 中提供了大量现成的人物、动物和 其他角色，使用者可以方便地进行人物艺术图片和角色动画的制作。随着新版本 的推出，p o s 茁增添了很多兔色制作功能。可以通过角色创建功能或者通过对原型 角色的修改生成新的角色。通过直观的用户操作界面( 图1 ) ，可以方便的进行相机 的控制、姿态编辑、显示控制等操作 p o s e r 熙1 o 版是一个非常小的软件，带有两个极其篱单的人体模型，没有头 发，没有服装，手指也不能活动，也可以说没有眼睛( 应为眼睛只是由四个三角形 构成的简单曲面) ；1 9 9 9 年推出的p o s 贫4 o 版有了巨大的进步，第一次提供了成套 的服装系统，采用了可以自由调节的灯光、楮枧以及薪的材料系统和渲染模式， 更重要的是，它提供了一个平台，可以任由其他制作人员对其资源库进行无限制 的扩充。从p o s e r 5 ，o 版开始，软件增加了网络应用，人们可以在h l t 锄e i 上察看自 己的作品了。p 0 s e r 6 o 版本中新添加了男女角色j 锄岱和j 鹤s i c a 以及一些卡通角 色；采用了新的用户界面，操作更加方便、快捷；新增o p g l 硬件支持，具有 硬件渲染功能；具有了轮廓图形制作功能，并且增加了一些光照，阴影等效果。 最新推出的p 0 s e r 7 o 对材质窗口迸行了调整，有了简革模式和高级模式，而且新 o p 嘶g l ：0 p 删i c 曩“b f 暂弘开放的图形程序接口 5 些塞塞茎兰堕! 殳竺塑璺主兰竺笙苎 增了些材质。另外对软件的其他部分进行了优化、修正，并且提供了详尽的教 程，从简单操作到制作自己的p o s 贫模型，都十分详尽。 围1 r 啪r 6 0 主界面 p d s 盯使用。骨骼运动系统，可以进行动作设计和步伐控制。同时还具备了 o p e n g l 硬件支持，可以模拟逼真的灯光效果软件还提供了多种渲染类型，可以 生成各种复杂的渲染效果。从逼真的照片级渲染、模拟绘画作品到卡通图片、f l a s h 动画，p o s 盯可以根据不同用户的需要制作出多种多样的图像和视频作品其中的 脸型工作室，可以对人物角色的脸型作各种细微的调节，并可以通过输入现成的 人物照片，制作具有特性的人物角色；服装工作室可以精确的模拟人物头发，变 换各种不同的发型。服装工作室包含有多种服装样式，可以根据需要来选择不同 衣物，并且模拟衣物在重力和风力作用下的动态效果。p o s 盯最特别的地方在于通 过借助第三方软件进行模型开发，可以对p o s 髓的资源库进行无限制的扩充，只 要第三方软件是任何可读写o b j 类型文件的三维设计软件。下图2 为利用p o s 盯软 件制作出的一些人物和动漫形象的图片。 ：h v a k j l 栅a l i 饵，反向运动是使用计算父物体的位移和运动方向，从而将所得信息继承给其子物体 的一种物理运动方式 6 北京服装学院2 0 0 5 级顾士学位论文 田2 p 钟作品 利用三维扫描仪获取人体模型通常是用来建立个性化的人体模型，是从逆向工 程愆化丽来的。所谓逆向工程( r 删勰e n g i n e e f i n g ，r e ) ，是与传统的产品正向设 计方法相反的。它根据已存在的产品或零件原型，构造产品或零件的工程设计模 型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计，也 可称为反向工程或反求工程f j7 】。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概 念或者产品数字化模型；一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供 充足的信息，另一方面为充分利用c a d 、c a e 、c a m 、技术对已有的产品进行 设计服务。 逆向工程可分为三类： 1 ) 实物逆向：即在已有实物条件下，通过实验、测绘和分析，提出在创造的关 键其对象可以是整机，部件、组件和零件 2 】软件逆向：软件逆向中有三类情况，既有实物，又有全套技术软件；有实物 而无技术软件；无实物，仅有全套或部分技术软件。 3 ) 影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印 象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，这是逆向对象中难度最大的 影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和 透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去研究其功能和 c a e ：c o l n p u 竹 i d e de d 岫a l i o 也计算机辅助教育 北京服装学院2 0 0 5 级硕士学位论文 性能，进而分析其内部可能的结构。 逆向工程中的主要工作流程如下图3 所示【吲 田3 逆向工程基本工作流程 首先利用测量设备和测量方法获取样品表面大量离散点的几何坐标数据。数据 获取可分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量和用接触式测量设备对 实物外表面进行测量，如三坐标测量仪。非接触式方式采集样品表面数据时，侧 头不与实物表面接触，它们利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象( 如声、 光、电磁等) 来获取其三维信息其中应用光学原理发展起来的现代三维形状测量 方法应用比较广泛，如三角形法，结构光法等。 接着对扫描数据进行预处理因为在扫描的过程中会不可避免地引入数据误 差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据测量数据中的坏点可能使该点和 其周围的曲面片偏离原曲面，同时由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量 时会存在部分测量盲区和缺口，给后续得造型带来影响。预处理工作包括数据平 滑、捧除嗓声数据和异常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、 多次测量数据及图像的数据定位对齐和对称基准重建。 第三步是模型的重建。c a d 模型重建是逆向工程中的关键。根据曲面造型方 法的不同，分为基于曲线的曲面造型方法和基于测量点的曲面造型方法f 1 9 i 。基于 曲线的曲面重建方法首先由测量点插值或者拟合组成曲面的网格样条曲线，再利 用放样、混合、扫掠等曲面造型功能进行曲面重建，最后利用延伸、求交、过渡、 裁减等操作，将各曲面片拼接或缝合成整体的复合曲面模型。基于测量点的曲面 重建方法是直接建立满足对数据点的插值或拟合曲面，既能处理规则点，也可以 直接拟合散乱点。对于大量数据点，支持曲面对点的最佳拟合。基于断层数据的 表面重建方法最早采用了基于轮廓线的描述方法，后来经过不断的发展，形成了 如平面轮廓的三角形算法，基于表面轮廓的d e l 绷y 等多种算法。 g j ! 塞墼薹兰堡! 竺! 堑曼主兰焦丝苎 按照逆向工程建立人体模型的过程可划分为三个部分：获取人体表面三维点的 几何数据；三维点云数据的预处理；人体模型的重建。 1 2 3 服装行业人体建模方法的不足 利用建模软件得到的人体模型一般都是标准化人体的模型，制作人体模型不但 需要专业的三维建模师，在服装领域不仅增加了产品的成本，而且多数的设计师 难以掌握其操作。特别在定制服装领域，服装都是针对个性人体来制作，在这个 过程中需要个性化人体模型。利用软件只能在一定范围内可以做到个性化，但是 对于特殊人体，这种方法有很大的局限性；另外利用软件调解人体模型时，变化 量的大小难以掌控，部位尺寸信息难以确定。 利用三维扫描仪虽然可以获碍最符合个性人体的模型，但是获得的真实人体表 面的几何数据往往非常庞大，后期的处理是非常复杂的，目前仍没有找到一种高 效、简洁的方法，因此在建立模型时耗时耗力，不适用于建立大量的个性化计算 机人体模型。 1 3 课题内容 针对利用三维扫描仪获取人体模型时的不足，在导师的指导下迸行了本课题的 学习和研究。 课题主要目的是设计一种简便，高效的方法来精简由三维扫描仪得到的真实人 体表面扫描数据。并利用处理后的数据制作出三维人体模型因此课题内容可以 分为以下两个部分：第一，人体三维扫描数据的压缩处理；第二，人体模型的重 建。 课题进度划分为以下几步： 1 ) 前期准备。收集相关内容的国内外资料和成果；收集实际人体的三维扫描 数据。 2 ) 扫描数据处理。分析研究实际人体的三维扫描数据，对比前人方法，设计 一种有效的方法来压缩精简原始点云数据。 3 ) 人体模型构建。利用压缩精简后的数据，设计一种构建人体模型的方法， 得到人体模型。 4 ) 人体模型的修正。针对得到的人体模型的误差，修改人体模型，得到可以 9 北京服装学院2 0 0 5 缎硕士学位论文 满足要求的人体模型 5 ) 完成论文写作及其他收尾工作。 l o 北京服装学院2 0 0 5 级硕士学位论文 2 三维扫描点云数据 人体数据传统的采集方式是利用软尺等工具，手工的测量出人体不同部位的尺 寸。本课题采用的是目前国际先进的非接触式人体三维扫描仪采集的人体体型数 据。数据的采集方式的改变不仅大大的缩短了采集时间，提高了数据采集效率， 而且数据采集时候不用接触被测人体的肢体，使得人体数据采集更加容易被大众 所接受。 2 1 三维扫描在服装领域的应用 人体测量技术在近几十年盼发展中，大致经历了由接触式封非接触式，由二维 扩展到三维的发展阶段，并且向着自动测量和利用计算机技术测量、处理和分析 的发展嗍当前三维人体测量技术的主要特点是采用三维人体扫描仪进行测量。 其主要的测量方法有：光学图样法( 干涉法。葵尔法，相位法等) 和基于图像传感器 的光电法。 三维人体扫描仪广泛应用于：人体测量学研究、服装工业( 量身定制系统，虚 拟试衣h 娱乐业( 如电影特技。虚拟游戏等) 计算机动面和医学等领域。在服装 工业中的应用主要有以下几个方面【2 1 1 ： ( 1 ) 人体测量数据库及其应用服装号型的修改与制定。 目前世界各国已认识到建立入体数据库的重要性，并福继展开这一方面的研 究。批量生产的服装的合体性差的关键原因在于目前所使用的号型系统不能够正 确的反映目标客户人群的体型特征。受测试工具、方法限制，多数数据以不能反 映现代人体。而三维扫描技术的出现使得对不同客户人群的人体进行灵活、准确 的测量，由此建立起来的人体数据库，不仅方便查找、使用而且管理便捷。为服 装号型的修改、更新及人体体型的细分提供了实际数据支挎。 ( 2 ) 个性化人台，人体模型的建立。 服装用的人台，人体模型是企业用于纸样设计、研究、进行服装立体设计裁剪 的重要工具之一利用三维扫描技术得到的模型可用于设计服装，测量和评价服 装的隔热、透湿等舒适指标等。建立的个性化人体模型对于展开特殊体型服装产 品的研究也有十分重要的作用。 北京服装学院2 0 0 5 擐硕士学位论文 ( 3 ) 服装的三维设计。 三维服装的设计建立在人体测量得到的人台或人体模型基础之上，通过再现 。人体”，在“人体”上进行交互式设计，并配合相应软件生成服装样片，直接运 用于实际的服装生产 2 2 三维扫描点云数据的特征 使用三维扫描仪采集人体表面几何数据时，采用的方法是：以身高为基准，定 步长的选取若干高度西，在相同豹高度层匿上，自右向左( 或者自左向右 的定步长 的扫描人体，得到第三方向上的数据。这样得到的是包含万个点的三维坐标工，只：， 每个点坐标逐行排列，构成撑行3 列的数据文件。图4 为数据文件的内部视图，从 中可以看到，文件中数据的第一项上下的差值为一个定值，第二项数值在若干行 是相同的，如果变化了，则其变化量也是定值，第三项数值为不规律的数值，即 测量所得 般一个人体扫描点云数据文件在1 0 b 左右，数据量相当巨大，如果直接 利用这些数据构造人体模型，既不利于模型的建立，也将占用大量的系统资源和 时间因此在建立人体模型前，有必要对原始的点云数据进行处理，精简数据量。 一_ 女一。目目嘲 ! 冀学酶鼢蛰镌孟始，t 舞潢娥囊 ! 9 9 96 妯2 皓一1 1 口1 8 1 9 1 a 盯66 i i 2 盱一1 的9 s 1 1 1 s ，6 蚺2 e 一1 钾，7 3 1 2 2 36 聃。2 盱一1 舯5 b 呻 7 0 盯6 舳。2 e 一1 钾，s 5 呻 5 a 6 2 皓一1 钾5 s 3 蚰16 聃2 盱一1 呻6 髓 1 1 s 3 06 蚺2 巧一1 呻2 2 晴 i 6 1 s6 聃2 口5 1 瞎8 2 9 8 7 6 9 26 聃2 盱一1 豫2 ；b 9 1 9 2 2 霉6 耳2 2 0 2 1 1 曩牯2 3 1 7 a 56 卑2 2 8 2 1 1 1 7 7 4 s 3 8 26 2 2 8 2 1 1 2 9 1 6 2 i a 帖96 蛇2 8 2 1 1 3 8 7 7 7 1 1 s a 66 2 2 8 2 1 1 5 9 8 曩 ；9 6 1 96 蛇2 8 2 1 1 5 1 n 9 6 ：7 6 ，6 驼2 8 2 一 1 s 4 卑晷， s 7 6 76 4 2 2 e 2 1 1 s s 6 船 ：3 a 6 2 2 8 2 1 1 5 s 3 眩 一1 9 2 16 2 2 8 2 1 1 s 3 9 一9 9 06 驼2 8 2 1 1 5 1 3 9 6 旧7 f6 4 2 2 8 2 1 1 8 6 9 2 嵋1 s 26 垤2 8 2 1 1 5 9 8 b a 2 2 96 曩2 2 8 2 一 1 卑1 譬s l ，a i 晡 ，r ，一1 1 3 7 r 朗4 扫描文件内部视图 1 2 北京服装学院2 0 0 5 级硕士学位论文 2 3 三维扫描点云数据的存储 为了利用计算机处理数据，首先需要对扫描数据进行格式化存储处理，将数据 存储到内存中等待处理。最常用的数据存储结构是数组，数组的使用非常方便、 简单，但是在计算机中数组要求内存分配必须是连续的，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【蠲。而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，才能使得数组元素的个数可以根据运行时的需要而确定。 但是建立和删除数组的过程使得程序繁琐嘲。对于这种元素个数无法预先确定的 情况，通常是利用链表来表示和处理。链表也是一种常用的、重要的数据结构， 其内存不要求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关系但是简单的单链表也有其缺点，当节点数较多，搜索 结点数据的速度比较慢，并且，用链表表示二维数组时，访问数据缺乏直观性， 给数据访问带来了一些麻烦。多维链表的建立能较好地解决单链表的缺点，可以 解决计算中使用数组时大量数据的溢出问题。所以对于人体扫描数据的存储使用 多维链表来实现 2 3 1 多维链表的结构与特点 多维链表是建立在单链表( 一维链表) 基础上的，图5 为常用的链表的结构图【2 4 1 。 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，再维链表是由多个万一l 维链表的相应结点的指针链结而成。 给出多维链表的定义：设有膨。x 毛x 材。肘个结点的结点集 。帆_ l x 虬中每个结点至少有一个指针域r a ，p 2 ，见一i j ，记为 n o d e 乳，p 2 ，p h t 如果满是篆侍； ( 1 ) 如果将结点集分成m 组，每组结点有m ，x 肘：x 肘。m 个结点，可 以组成肘。个 一1 维链表厶r p ，办，p 。j ，其中f = o 1 ，2 ，肘厣1 ，顶点为 夙r ，。，p 2 ，p 一l j 。记为m ，p 。，p 2 ，p 。一l j = ，厶r p i ，p 2 ，p 。一1 月，其中 1 3 北京服装学院2 0 0 5 级硕士学位论文 f = o ，1 2 ，膨一l ；为了方便简记r a ，p 2 ，p ，i ，为“ 匝五卜咂三时咂丑圃 ( a ) 一维链裘 f b ) 二维链袭 c ) 三维链爱 田5 链表结构示意围 ( 2 ) k 中的m 。一1 个n l 维链表k ，对于任意一个链表l r l k ，能找 到且只能找到一个链表厶r 厶k 。，使得厶中的每个结点的指针以指向l 中 的相应的结点。 ( 3 ) 三也中的m 一1 个一l 维链表三酢r 上以。z 札。，对于任意一个链表 丘r t 暑三“) ，能找且只能找到一个链表厶r 乙三“j ，使得丘中的每个结点的 指针只指向岛中的相应的结点 这时称结点集气。帆，帆一，。虬为”维链表，记为吖p 。，见，以，不满足条件( 2 ) 的一l 维链表的顶点为此n 维链表的顶点，记为h rp 1 p ：，以， 也可知n 维链表的时间复杂度为d r m 。m 2 吖，。m j ，访问节点的时间 复杂度为讲j l f l + m 2 + + 材- l + 膨j ，其中m 。为第l 维结点深度， f 2 为第2 1 4 北京服装学院2 0 0 5 缎硕士学位论文 维结点深度，m 为第厅维结点深度，嵋m ：m 。x j l 为结点总数。 多维链表的主要特点包括：( 1 ) 链表中各结点是完全相同的。( 2 ) 一维链表是 线性的，二维链表是平面链表，三位链表及以上是空间链表。( 3 ) 结点数量不受实 际物理内存的限制，在链表操作时可以使用系统的虚拟内存。( 4 ) 取得维链表中 数据的对闯复杂度为研删j ，其中再为链表结点总数。 以维链表结点的e h 语言描述： t ) f p e d c f s 帆瓜m u l t id j mi 肿d c d 北i 哆p e + d a t a ； 数据指针 咖c tm u l t id i mi 舶o d c p l ，p 2 ，+ p n ；，各域指针 m n 瑙d i n ll n o d e ，p m l l l id i 趣i m o d e ； 以维链表的c + + 语言描述 t y p e d 盯s 虮l c tm t l l 6d i ml i n k i l 吐m l ，m 2 ，i 蚰；链表各维深度 m u l 6d j mi m o d e h e a d n 0 d e ；头结点指针 m u 埝d i ml i n k 2 3 2 三维扫描点云数据的存储结构 因为扫描人体的数据，可以根据不同的高度层进行划分，所以人体数据的存储 利用二维链表实现。而不同高度层上的数据点之间的关系，在进行压缩处理时， 可以忽略不计，所以将普通的二维链表进行简化处理，省去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。数据结构如图6 所示： 这样将扫描数据按高度不同存储起来，其纵向第一列为高度索引项，不仅存 储了扫描点的几何数据，而且包含指向向右和向下两个方向上点的指针。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，将指向向下方向 的指针都指向n u l l 值( 空值) 。 建立这样的数据结构有以下一些优点：1 ) 搜索高度层时非常便利。只需在纵 向链表第一列中选取高度数据就能得到该高度层上的所有数据点，在调整模型生 成速度以及模型精度方面十分方便。2 ) 数据点的定位准确快捷，有利于后期的三 1 s ! ! 塞墨茎兰堕! 竺! 堡塑主兰焦丝苎 角平面划分。因为这种数据结构类似于坐标平面，其。坐标原点”就是数据结构 的左上角，每个数据点都有一个横、纵“坐标”，其中“横坐标单位长度”为同一 i 围6 扫描数据存储结构 第l 高度层敦据 第2 高度层教撂 第似刀高度层敷据 第一高度层聂据 高度层面上扫描几何点时采用的步长，“纵坐标单位长度”为扫描人体是高度层问 的步长，所以定位数据点时比较方便，便于后期构造三角平面，得到人体模型 2 3 3 三维扫描点云数据的分害i 排序 在重构人体模型时，如果将人体前片和后片的点连接构成小平面，则小平面穿 透人俸，构造出错误的入体模型，所以需要对点云数据前后片分割，进行捧序。 通常人体左右的宽度远大于人体前后的厚度，利用该特征来分割人体前后片数 据。寻找到不同高度层上的两个坐标方向上的最值差，设定最值差的绝对值大的 方向为人体左右方向，最值差的绝对值小的方向为人体前后方向。人体左右方向 上的最值点为人体前后片的分割点。 为了模型重构的便利，需要对扫描点云数据进行排序，因为扫描步长是已知的， 所以利用步长来捧序。 捧序方法为：从一个前后片分割点出发，按照已知步长，将扫描数据点按照顺 时针方向或者逆时针方向排列起来。将排列好的采样点数据存入上述的二维链表 中。这样在同一高度层上，所有数据点环形排歹f j ，构造人体模型时不会出现小平 面穿透模型的现象。 1 6 北京服装学院2 0 0 5 级硕士学位论文 3 三维扫描点云数据精简处理 在模型构建时，直接用扫描得到的密集点云数据几乎是不可能的。由于非接触 式测量产生的点云数据点量非常庞大，直接用它来重构得到人体模型，不仅会使 计算量加大，而且还会影响到模型表面的光顺性，另一方面，模型的重构精度随 着数据的增大反而会出现下降。因此必须对点云数据进行精简压缩处理，即提取 点云数据中反映曲面形状的造型关键点、去除大量冗余数据点，这也是逆向工程 中的重要一环。 3 1 常用三维扫描点云数据精简方法 三维扫描点云数据精简处理的算法有很多，不同类型的三维扫描点云数据可采 用不同的压缩精简方式。总体可分为三维扫描点云数据立体精简方法和平面精简 方法，下面来简要介绍一些常见的算法 3 1 j 三维扫描点云数据立体精简方法 三维扫描点云数据立体精简方法直接在空间范围内，对不同高度数据点的精简 处理常见方法有： ( 1 ) 均匀栅格法 均匀栅格法嘲，又q 均匀网格法，其基本思想是：首先建立一个长方体包围盒 封装数据点。其两两垂直的3 条边分别与笛卡几坐标系的3 个坐标轴平行。根据 采样点的数量和分布沿坐标轴方向将其划分为边长大小为工的立方栅格，以便计算 各点所在的立方栅格，将任意一个栅格内的点组成一个表，其中可能包含一个或 多个数据点，也可能不含数据点选择最接近所在栅格中心的点作为取样点，以 达到简化点云数据的目的。 立方栅格点的大小工取决于设定的简化率五。简化率五是指简化前后点数量的 比值，它是人为确定的。指定了a 之后，立方栅格的边长上可以由下式确定 ：丽 式中，爿为包围盒在3 个坐标平面上的投影，为简化前点云数据中点的数量。 该算法原理简单，容易实现，从总体上精简了点云数量，实现了点云数据的均 1 7 ! ! 塞璺薹兰堕型! 堡堡圭量垡丝奎 匀精简。但是对于结构复杂、数据量大的点云，利用均匀栅格法精简数据有一定 的局限性：第一，扫描数据点的空间分布是未知的，利用均匀立方体进行等分， 可能导致等分后的某些区域的立方体内包含很多的顶点，而某些区域的长方体内 没有或只有很少的顶点，这一方面造成空间和时间的浪费，另一方面造成模型的 某些部分过分简化。第二，当原网格模型比较特殊时，落在某些立方体内的顶点 可能是原模型的差男町较大的部分，则在这个立方体内精简数据点时会造成很大的 变形，失真严重。 ( 2 ) 非均匀栅格法 针对均匀栅格法的缺点，人们又给出了非均匀网格精简算法。常见的算法是基 于八叉树的非均匀栅格法嗍。该算法的基本步骤如图7 所示： 田7 算法步骤图 模型基础是八又树结构。八又树的空间分割模型是利用一个立方体序列包围一 片点云数据所占据的空间，其方法是首先构造出测量点云的最小外接立方体，并 把它作为八叉树结构的根结点，然后将该立方体均匀分割成大小相同的8 个子立 方体，如下图所示，每个子立方体被看作根结点的字节点，由此将造型空间递归 细分为2 的幂次方个子立方体它可以看作是一个树状结构。在八叉树结构中， 每个结点对应着一个立方体，每个立方体包含八个子立方体，在均匀细分中每个 子立方体在t y 方向上为上一级立方体边长的一半，所以这八个子立方体就是上一 立方体的一次细分，同一次细分得到的子立方体属于同一级。 l l o l i i“21 1 3i i 儿5 l 怕j j 7 图8 八叉树结构图 这样将每个单元格按八叉树结构进行分解，并清除空白单元格，得到可以表达 l g ! ! 塑坚茎兰堕! 唑墨塑主兰垡堡兰 模型几何形状的数据点通过用户定义的精度来提取关键点，精简点云数据。利 用八叉树表示空问实体具有很多优点，可以用统一而简单的形体表示空问任意形 状的实体，因而数据结构