基于三维点云特征提取的人体测量系统设计

张威 杨可鑫

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司 辽宁省沈阳市 110180）

1 引言

在服装数字化设计中引入三维人体测量技术，能够通过三维建模技术重建人体表面三维点云数据，快速准确地提取人体特征点与特征线，计算人体特征尺寸，为服装设计过程提供人体测量数据，保证服装合身，着装舒适美观。

基于激光扫描的三维量体技术应用广泛[1]。日本的HQL 和美国CAESAR 工程利用三维激光扫描仪和传统测量方法大规模采集人体尺寸信息，建立相应的人体尺寸数据库[2]。Dekker 等人[3]采用人体体型判别函数，在三维网格数据上实现人体特征点的自动提取和三维人体尺寸的自动测量。Leong 等人[4]采用了逻辑数学描述人体特征，在利用深度图和语义分割来识别特征点。但对曲线拟合的过程十分复杂且运行时间较长。宋红星[5]等人提出了用于服装设计的三维人体尺寸提取方法，基于三角网格数据利用近似最短路径法得到所需人体尺寸。陈国安[6]等提出一种基于模糊逻辑规则的自动提取人体特征点算法。

但上述方法都没有考虑利用价格低廉的深度相机构建从原始三维人体点云模型到人体尺寸自动测量，并且对测量结果进行评价的完整方案。

2 基于Kinect相机的人体三维重建

本文利用两台消费级Kinect 深度相机同时采集并融合两者的扫描结果可以重建出站姿下的完整人体的三维模型。如图1所示。

图1：扫描系统装置构成图

系统的数据处理流程主要包括采集、配准、标定、3 个部分。

采集部分，每采集一帧深度图像数据，通过深度帧转换、相机追踪、立方体融合等处理，从不同视角拍摄重建对象，将其融合至全局三维表面模型。

配准部分：利用基于K 近邻算法进行去噪，再基于Kinect 标定所得参数，调整上下两部分点云，将两部分点云变换到同一坐标系中，为后续算法提供良好的初始位置，以提高配准的精度，最后对调整后的两部分点云用算法进行配准[7]，得到完整的人体三维模型。

标定部分：标定过程是为了获得两台相机之间的变换矩阵（旋转和平移矩阵）[8]，用以将两台Kinect 获取的点云变换到同一个坐标系下。

实验过程对模特作为重建目标进行三维重建。实验结果如图2所示。

图2 中人体所穿T 恤（厚度约为2mm）纹理清晰可辨，可见系统获取的三维人体模型具有较高的精度，配准后的三维人体点云在拼接处曲面光滑，配准效果良好。

图2：三维重建实验结果

3 基于三维点云的人体尺寸自动测量算法

3.1 人体部位特征边界点提取

根据GB/T 16160--2008《服装用人体测量的部位与方法》,借助人体各部位与身高比例关系的先验知识。[9]获得相应的特征点位置，包括：头顶点、颈椎点、胸高点、腰侧点、膝盖点等，以水平截面对人体三维点云作裁切处理，得到人体各部位点云的水平截面环。结合人体轮廓几何特征分析，提取截面换上的极限点作为人体部位特征的边界点[10]。如图3所示。

图3：多个横切面截取人体点云

以胸高点为例，特征边界点的提取算法如下：

（1）分别选取腋窝点和肚脐点y 坐标值截取的水平截面为初始位置和终止位置。沿着y 轴负方向以一定的步长(基于本文选择的相机及分辨率，步长取4mm)截取多组平行于XOZ 截面的轮廓线。

（3）若轮廓S中曲率最大的点，且该点满足Zmax(Si)＞ Zmax(Si’)时，此点为胸部最高点，及胸围轮廓关键特征点。

（4）如果不满足上述条件，以步长s 下移，返回步骤2，直至找到符合条件值。

3.2 人体各关键部位尺寸计算

利用3.1 节提取到的人体各部位截面点云和特征边界点，计算人体各关键部位尺寸。包括三种类型的尺寸：长度、围度和弧度。

长度如身高尺寸计算直接通过头部最高点和躯干最低点的位置坐标获得。步骤如下：

先提取会阴点位置[11]，会阴点所在直线为人体中轴线，与头顶部相交的位置为头部最高点，与脚底相交的位置作为躯干最低点。

弧度是与多个特征点相关的尺寸，通过计算相关特征点间的测地距离得到，如肩宽是由左肩峰点至右肩峰点的曲线长度。

围度计算算法步骤如下：

（1）根据特征边界线点云，使用Melkman 算法对其进行凸包曲线拟合[12]，如图4所示。

图4：胸围特征边界与凸包拟合线

（2）将腰部点云数据按照X值升序排列，得到点集P_all={P(x_l,y_l),l=1,2,3,...,n};

（3）找到点集P_all 中y_max 和y_min 所对应的点p1（x,y_max）和p2（x,y_min);

（4）以p1 和p2 的连线为基准，将P_all 分成P_up 和P_down上下两部分;

（5）分别取P_up 和P_down 点集中对应离散点按照x 值升序排列后，相邻两点线段长度之和L_up 和L_down;

（6）围度值l =L_up+L_down。

4 系统仿真及测量结果分析

本文采用本文提出的方法已在Intel Core i7 2.60GHz 8G RAM内存的计算机上实现，利用Microsoft Visual Studio 集成开发环境,使用C# winform 实现界面交互；PCL-vtk 可视化显示三维点云。如图5所示。

图5：三维量体测量系统界面

针对同一人体模型，每天选取上午和下午不同光照条件，保证其他测量环境相同，各测量2 次，持续3 周，得到42 组(2 次1 组)数据，共84 次；使用自建的三维人体扫描系统对人体扫描得到三维表面信息，通过人体尺寸测量软件得到各关键部位尺寸的测量结果，测量系统的重复性由所测尺寸的标准误差(RMS)表示：其中最小误差为0.013cm，最大误差为0.067cm；以各测量项的均值作为观察值，用最大浮动值Δ y 评估系统的稳定性。

测量结果见表1。

表1：人体尺寸测量结果 单位：cm

5 结语

本文提出了一种面向针织运动服装数字化设计的三维人体测量方法，使用消费级深度相机Kinect，搭建了人体扫描三维重建系统。并且针对重建后的人体点云数据，实现了人体关键部位尺寸信息的自动计算。在一定程度上克服了一些商用三维人体扫描系统价格较高、操作较复杂的不足，构建了一种稳定可靠且性价比较高的三维人体关键部位尺寸测量系统。实验结果表明，从重建人体三维点云数据模型到人体关键部位尺寸自动测量，以及对测量结果的评价，方案完整、结果可靠，满足GB/T 16160--2008 中的精度要求。