三维人体模型的全自动测量方法

摘要

本发明提供了一种三维人体模型的全自动测量方法，其特征在于，具体步骤为：将人体进行三维人体扫描得到以三角形组成的三维人体模型；人体标志点的自动寻找与人体的自动分段；以及人体尺寸的自动测量。本发明的主要优点在于能够在无需人工干预的情况下，全自动地对三维扫描人体模型进行标识和测量，大大加快了三维人体数据的测量速度，同时具有较高的测量精度。

主权项

1、一种三维人体模型的全自动测量方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：将人体进行三维人体扫描得到以三角形组成的三维人体模型，其三角形密度为15000个/人，令三维人体模型的身高方向为Y轴，宽度方向为X轴，厚度方向为Z轴；第二步：人体标志点的自动寻找与人体的自动分段：步骤2.1、裆底点的自动寻找：若三维人体模型的大腿根部未出现接触，其裆底点的自动寻找方法如下：令人体的身高为8h，对于亚裔人体而言，在2.8h处以平行于XZ平面的一个截面去切三维人体模型，将所得交点按照+X方向有序排列，比较相邻两点间的距离，将距离最大的两个邻点记录下来，分别为P_l和P_r，取其中点P_o，过P_o以平行于YZ平面的一个截面去切三维人体模型，得到三维人体模型的纵切面轮廓，该轮廓线上Y值最小点即为裆底点C；对于欧裔人体而言，在3.0h处以平行于XZ平面的一个截面去切人体，然后按照上述方法自动寻找人体的裆底点C；若三维人体模型的大腿根部出现接触，其裆底点的自动寻找方法如下：令人体的身高为8h，从2.8h到4.0h处，等分为20份，以一个宽度为h的折线段向人体的-Z方向依次投射，即对于第i次投射而言，其Y_i＝2.8h+i(1.2h/20)；该折线段分为n个点，n＝50，它们与人体的交点依次连接后形成的投影线段分为没有峰值出现、出现单峰值以及出现双峰值三种情况，其裆底点C存在于第i次投影出现双峰，而第i+1次投影出现单峰的情况，此时，其裆底点C为第i次投影线段的中点，即C＝(P₁+P₂)/2；步骤2.2、左右肩点的自动寻找：左右肩点分为左右上肩点和左右腋窝点共四个标志点，其中左右上肩点即为测量肩宽时两肩最远点，其自动寻找方法如下：构造点A的坐标为：x_a＝C_x+1.5h，y_a＝Y_max-h，z_a＝C_z，其中C_x和C_z为裆底点C的X轴坐标值和Z轴坐标值，Y_max为人体Y轴坐标最大值，即人体的身高，距离人体头顶h到1.5h之间，寻找与A点距离最短的点Q_a，以过该点且平行于XZ平面的一个截面去切三维人体模型，得到肩部轮廓线，轮廓线中具有最大X轴坐标值x_max和最小X轴坐标值x_min的两个点即为左右肩点Q_l-acromion和Q_r-acromion；左腋窝点Q_l-armpit的三维坐标计算如下：x_{l_armpit}＝0.83x_{l_acromion}；y_{l_armpit}＝y_{l_acromion}-0.9h；z_{l_armpit}＝z_{l_acromion}；其中x_{l_armpit}，y_{l_armpit}，z_{l_armpit}分别为左腋窝点Q_l-armpit的三维坐标；x_{l_acromion}，y_{l_acromion}，z_{l_acromion}分别为左上肩点Q_l-acromion的三维坐标；右腋窝点Q_r-armpit的三维坐标计算如下：x_{r_armpit}＝0.83x_{r_acromion}；y_{r_armpit}＝y_{r_acromion}-0.9h；z_{r_armpit}＝z_{r_acromion}；其中x_{r_armpit}，y_{r_armpit}，z_{r_armpit}分别为右腋窝点Q_r-armpit的三维坐标；x_{r_acromion}，y_{r_acromion}，z_{r_acromion}分别为右上肩点Q_r-acromion的三维坐标；步骤2.3、颈部标志点的自动寻找：颈部标志点有4个，分别为左右颈窝点和前后颈中点，其自动定位方法如下：三维人体模型自Q_a向上0.5h的区域内，计算任意两个相邻三角形间的夹角余弦如下：cosθ＝n_a·n_b，其中，n_a和n_b分别为这两个相邻三角形的法向矢量，左颈窝点N_{l_neck}为人体左侧在该区域内夹角余弦最大者，右颈窝点N_{r_neck}为人体右侧在该区域内夹角余弦最大者，过这两个颈部标志点，与Z轴成20度夹角做一个斜切面，得到颈部轮廓线，该轮廓线上Z值最大者为前颈中点N_{f_neck}，Z值最小者为后颈中点N_{b_neck}；步骤2.4、左右髋点的自动寻找：三维人体模型自裆底点C向上高度为1.2h的区域内，以平行于XZ平面的截面切割人体模型，即对于第i次切割而言，其Y_i＝C_y+i(1.2h/20)；取切割后轮廓线周长最大者为臀围，该轮廓线记为{G_hip}，轮廓线上x值最大和最小者分别为左髋点H_l-hip和右髋点H_r-hip；步骤2.5、人体的自动分段：将人体自动分段为左臂，右臂，头部，躯干，左腿和右腿六个区域，人体自动分段方法如下：左臂：过左上肩点和左腋窝点做连线段Q_l-acromionQ_{l_armpit}，所有在该线段左侧的三角形均属于左臂，以此获得人体模型上的左臂三角形集合；右臂：过右上肩点和右腋窝点做连线段Q_r-acromionQ_{r_armpit}，所有在该线段右侧的三角形均属于右臂，以此获得人体模型上的右臂三角形集合；头部：过左右颈窝点和前颈中点这三点构成一个平面，位于该平面上方的三角形均属于头部，以此获得人体模型的头部三角形集合；左腿：位于臀围廓线以下，裆底点以左的三角形属于左腿，以此获得人体模型的左腿三角形集合；右腿：位于臀围廓线以下，裆底点以右的三角形属于右腿，以此获得人体模型的右腿三角形集合；躯干：不属于上述任何一个集合的三角形均属于躯干，以此获得人体模型的躯干三角形集合；第三步：人体尺寸的自动测量：人体尺寸的自动测量分为周长的测量，直线距离的测量和曲线距离的测量三种模式，分别实现如下：步骤3.1、周长的测量：周长测量的方法为用一个等分为100份的包围圆包围被测部位，包围圆的半径为r，向圆心O_c发送100条射线，将每条射线与人体被测表面的交点顺次连接，即得到被测周长；步骤3.1.1、颈围的测量：在头部三角形集合中，按照如下方式构造包围圆：r＝h，O_c＝(N_{l_neck}+N_{r_neck})/2；计算其在人体上的投影周长为颈围，将颈围轮廓线记为{G_neck}；步骤3.1.2、胸围的测量：在躯干三角形集合中，选择位于左右腋窝点中较低点向下h处的区域，即令y＝MIV(Q_{l_armpit_y}，Q_{r_armpit_y})，Q_{l_armpit_y}，Q_{r_armpit_y}分别为左右腋窝点的Y轴坐标值，目标区域Φ为：{Φ|(y-h)＜Φ_y＜y}；在该区域内，自上而下等分20层，对于第i层而言，r＝2h，O_c的三维坐标为O_cx＝(Q_{l_armpit_x}+Q_{r_armpit_x})/2；O_cy＝y-ih/20；O_cy＝(Q_{l_armpit_z}+Q_{r_armpit_z})/2；Q_{l_armpit_x}、Q_{r_armpit_x}、Q_{l_armpit_z}以及Q_{r_armpit_z}分别为左腋窝点的X轴坐标值、右腋窝点的X轴坐标值、左腋窝点的Z轴坐标值以及右腋窝点的Z轴坐标值，每层用上述包围圆投影法求得该层人体轮廓线的周长，这20层中周长最大者即为胸围，将胸围轮廓线记为{G_bust}；胸围轮廓线上位于人体左侧Z值最大者为人体的左乳点B_{l_bust}，胸围轮廓线上位于人体右侧Z值最大者为人体的右乳点B_{r_bust}；步骤3.1.3、腰围的测量：在躯干三角形集合中，选择位于胸围线向下1.5h处的区域，即令y＝B_{r_bust_y}，B_{r_bust_y}为右乳点的Y轴坐标，目标区域Φ为：{Φ|(y-1.5h)＜Φ_y＜y}；在该区域内，自上而下等分20层，对于第i层而言，r＝2h，O_c的三维坐标为O_cx＝(B_{l_bust_x}+B_{r_bust_x})/2；O_cy＝y-i(1.5h)/20；O_cz＝(B_{l_bust_z}+B_{r_bust_z})/2；每层用上述包围圆投影法求得该层人体廓线的周长，这20层中周长最小者即为腰围，将腰围轮廓线记为{G_waist}，取其中X轴坐标值为0且Z轴坐标值最大者为腰围点W；步骤3.1.4、腹围的测量：在躯干三角形集合中，选择位于腰围线向下0.6h处的区域，即令y＝W_y，W_y为腰围点W的Y轴坐标，目标区域Φ为：{Φ|(y-0.6h)＜Φ_y＜y}；在该区域内，自上而下等分20层，即对于第i层而言，r＝2h，O_c的三维坐标为O_cx＝0；O_cy＝y-i(0.6h)/20；O_cz＝0；每层用上述包围圆投影法求得该层人体廓线的周长，这20层中周长最大者即为腹围，将腹围轮廓线记为{G_abdomen}；步骤3.1.5、臀围的测量：步骤2.4中已得到；步骤3.1.6、上臂围的测量：首先确定测量轴MH为右上肩点和右腋窝点连线Q_r-acromionQ_r-armpit的中点M与右臂三角形集合中Y轴坐标值最小点H的连线，自M向下h区域内，与MH垂直做10层包围圆投影，所得周长最大者即为上臂围，该轮廓线记为{G_arm}，即M＝(Q_r-acromion+Q_r-armpit)/2，$H=\underset{y}{\arg \min }\left(y\right);$对于第i层而言，r＝0.5h，$O=M-\frac{\left(\mathrm{ih}\right)\mathrm{HM}}{10\left|\mathrm{HM}\right|};$步骤3.1.7、腕围的测量：令L＝|HM|，取MH连线的中点E为肘点，自E点向下0.45L处做包围圆，其周长即为腕围，该轮廓线记为{G_wrist}，即r＝0.5h，$O=E-\frac{0.45\mathrm{HM}}{\left|\mathrm{HM}\right|};$步骤3.1.8、大腿围的测量：取包围圆如下：r＝h，O_c的三维坐标为O_cx＝C_x-0.5h；O_cy＝C_y；O_cz＝O_z；其中C_x、C_y和C_z为裆底点C的三维坐标，该包围圆在右腿三角形集合上投影的周长即为大腿围长，该轮廓线记为{G_thigh}，取大腿围长的重心为T点，$T=\underset{j}{\overset{n}{\Sigma }}p/n,$其中n为投影点p的个数，n＝100，取人体脚底Y轴坐标值最小且Z轴坐标值与T点相同者为F点，即$F=\underset{y}{\arg \min }\left(y\right)$且F_z＝T_z；步骤3.1.9、踝围的测量：似圆度函数f(c)为：$f\left(c\right)=\frac{4\pi ·s\left(c\right)}{{\left(p\left(c\right)\right)}^2},$其中s(c)为封闭曲线c的面积，p(c)为封闭曲线c的周长，当封闭曲线的形状与圆接近时，f(c)→1，反之，f(c)→0；踝部标志点的位置如下：自人体脚底至0.5h处，做20层包围投影，即对于第i层投影，r＝0.6h，$O_c=F+\frac{\left(0.5\mathrm{ih}\right)\mathrm{FT}}{20\left|\mathrm{FT}\right|};$投影曲线中似圆度最高者即为踝围曲线，该曲线的周长即为踝围，即踝围曲线{G_ankle}：$G_{\mathrm{ankle}}=\underset{c}{\arg \max }\left(f\left(c\right)\right),$取A的重心为踝部标志点K，即$K=\underset{j}{\overset{n}{\Sigma }}p/n,$其中n为G_ankle上投影点p的个数，n＝100；步骤3.1.10、膝围的测量：以TK连线的中点为包围圆的圆心，即r＝0.6h，O_c＝(T+K)/2，所得投影曲线的周长即为膝围，该轮廓线记为{G_knee}；取其重心R为膝盖标志点：$R=\underset{j}{\overset{n}{\Sigma }}p/n,$其中n为膝为曲线上投影点p的个数，n＝100；步骤3.1.11、小腿围的测量：以KR连线为包围圆的轴线，做20层投影，所得周长最大者即为小腿围，该轮廓线记为{G_shin}；即对于第i层而言，r＝0.6h，$O_c=R-\frac{\left(\mathrm{ih}\right)\mathrm{KR}}{20\left|\mathrm{KR}\right|};$步骤3.1.12、裆长的测量：裆长为过裆底点C的人体纵向轮廓线与腰围，腹围或者臀围线相交的p₁Cp₂弧线的长度，采用包围圆投影法求解人体的纵向轮廓线如下：r＝5h，O_c的三维坐标为O_cx＝C_x；O_cy＝5h；O_cy＝C_z；p₁和p₂分别为该轮廓线与腰围，腹围或者臀围线相交的交点且满足p_1z＞C_z以及p_2z＜C_z；步骤3.2、曲线距离的测量：对于人体表面选定的两点p₁和p₂而言，将这两点向远离人体的方向平移为p′₁和p′₂以使两点的联线p′₁p′₂与人体不相交；将p′₁p′₂均分为n个点，n＝100，然后以这n个点为起点，沿平行于p₁p′₁的方向向人体发送射线，将每条射线与人体的交点依次连接起来所得折线段，即为，该折线段的长度即为两点p₁和p₂间的曲线距离；选定p₁和p₂分别为左右上肩点，即p₁＝Q_r-acromion，p₂＝Q_l-acromion，采用上述方法测量人体的肩宽；选定p₁和p₂分别为右上肩点和人体腕围轮廓线{G_wrist}上x值最小的点，即p₁＝Q_r-acromion，$p_2=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{wrist}}\right\}}{\arg \min }\left(x\right),$采用上述方法测量人体的手臂全长；步骤3.3、直线距离的测量：对于人体表面选定的两点p₁和p₂而言，直线距离d＝|p₁p₂|；令人体模型中所有三角形顶点集合为{G_body}，选定p₁和p₂分别为y值最大和最小点，即$p_1=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{body}}\right\}}{\arg \min }\left(y\right),$$p_2=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{body}}\right\}}{\arg \min }\left(y\right),$令这两点的z值相同，即p_1z＝p_2z，采用上述方法测量人体的身高；选定p₁和p₂分别为颈围轮廓线和腰围轮廓线上z值最小点，即$p_1=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{neck}}\right\}}{\arg \min }\left(z\right),$$p_2=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{waist}}\right\}}{\arg \min }\left(z\right),$采用上述方法测量人体的背长；选定p₁和p₂分别为臀围轮廓线和踝围轮廓线上x值最小点，即$p_1=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{hiip}}\right\}}{\arg \min }\left(x\right),$$p_2=\underset{p_i\in \left\{G_{\mathrm{ankle}}\right\}}{\arg \min }\left(x\right),$采用上述方法测量人体的腿长。