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三维人体信息获取及虚拟服装试穿技术研究

作　者: 朱洲
导　师: 李德华
学　校: 华中科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 三维全身扫描仪结构光计算机仿真自动人体测量三维重建虚拟服装试穿
分类号: TS941
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 20次
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内容摘要

现代数字化服装技术的发展使服装企业现在能够以较低的成本收集、分析不同客户的资料和需求,通过灵活、柔性的生产系统分别定制。大规模量体定制生产方式将给每个客户带来个性化的商品和服务成为可能。构建一个基于大规模量体定制技术的电子商务平台,既可以面向顾客提供虚拟购物,个性化的合身服装等高附加值服务,同时也可提高企业的制造效率,降低企业的运行成本,增强企业的竞争力。考虑国内服装行业的现状与国际服装行业发展的趋势,结合已有的科研基础,进行了三维全身扫描仪的研制,并对与之相关,且同为大规模量身定制关键技术的人体尺寸自动获取与三维人体表面模型构建,以及虚拟服装试穿技术进行了研究。具体内容如下:(1)概要性的介绍了基于大规模量体定制技术的电子商务平台的基本框架,并论述三维全身扫描仪,基于三维人体扫描数据的三维人体测量技术及服装穿着效果仿真技术的国内外研究概况。(2)针对三维人体扫描中的技术问题,采用了合理的设计方案与算法实现三维全身扫描。三维全身扫描仪使用线激光源,并采用双摄像机互补,多扫描头数据融合的方法克服人体自遮挡,获取人体表面的完整点云数据。激光条纹中心提取的准确性直接影响到系统的测量精度,针对人体肤色与环境光照的变化,采用基于遗传算法的自适应阈值法提取激光条纹中心线,该方法具有适应性强,更加准确的优点。摄像机的定标采用基于结构光平面约束的 DLT 模型,并对双相机图像的映射关系进行了推导,给出了双相机定标的算法。依据三维全身扫描方案获得的点云数据的拓扑结构有其特殊性。首先,对扫描线进行最小二乘 B 样条曲线拟合处理,消除采样误差,提高测量精度。然后,对拟合的 B 样条曲线重新等弧长采样。最后,采用一种高效、准确的方法——“加权距离法”,融合相对应的扫描线。三维人体扫描仪的扫描结果验证了该三维全身扫描仪系统结构与三维信息获取方案的合理性。(3)提出了一种基于 Open Inventor 软件开发平台的结构光测距系统仿真方法。从仿真系统中获得的扫描图像序列用于三维重建,可精确获取扫描对象的三维表面信息,实验结果验证了该仿真方法的有效性与实用性。并将该仿真方法用于三维全身扫描仪的<WP=5>系统设计。(4)提出了一个在分割人体扫描点云的基础上自动提取人体测量尺寸的方案。首先,通过计算人体扫描点云部分截面的一阶矩与二阶矩确定人体的朝向。其次,采用计算几何与图像处理的算法分割人体点云。第三,估计人体特征标记点的高度,通过查找局部特征确定标记点。最后,根据标记点计算人体尺寸。该测量方案在测量的准确性与精确性上均符合使用要求。(5)人体的形状比较复杂,存在多个分支,从扫描得到的序列轮廓线重构人体表面会存在空洞。可将多轮廓线间的形体重构问题转化为体数据中的等值面构造问题,通过定义场函数将一系列平面上的多条轮廓线就转换为体数据,并采用 Marching Cubes 方法抽取等值面,最终获得三维人体表面模型,完成三维人体表面重建。采用该方法重建的人体表面完整,光滑且符合精度要求。(6)引入弹簧-质点模型,对质点的受力情况进行了详尽的分析,并给出了基于显式的欧拉方法的变形模型的求解,在此基础上实现了布料仿真。采用了基于正则栅格法的四边域网格剖分算法以实现对二维衣片的离散,剖分生成的网格结构充分满足二维衣片转三维服装的特殊要求。在给定衣片之间缝合对应关系的前提下,给出两种最主要的缝合模式:对位缝合和抽褶缝合。碰撞检测是整个模拟过程的关键。通过构建人体模型的方向包围盒树可以大大提高碰撞检测的效率。并采用直接修正质点运动状态(位置及速度)的方法解决响应问题。最后在三维虚拟服装试穿仿真程序中,实现了上述大部分算法。实验结果证明,这些方法是切实可行的,不仅很好地完成了平面衣片到立体服装的转换,而且真实自然地模拟出服装以及柔性织物的自然垂感。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪言  12-21
  1.1 引言  12-14
  1.2 国内外研究概况  14-19
  1.3 本文的主要工作及安排  19-21
2 三维全身扫描仪  21-48
  2.1 结构光测距方法  21-23
  2.2 三维全身扫描仪的总体技术方案  23-26
  2.3 基于遗传算法的自适应阈值法提取激光条纹中心  26-34
  2.4 全身扫描仪摄像机定标  34-38
  2.5 扫描头的双摄像机数据融合  38-41
  2.6 多视角点云融合  41-47
  2.7 本章小结  47-48
3 结构光测距仿真  48-61
  3.1 模拟仿真方法  48-51
  3.2 双 CCD 相机的三维激光扫描系统仿真实例  51-53
  3.3 三维全身扫描仪仿真  53-60
  3.4 本章小结  60-61
4 人体分割与人体测量  61-85
  4.1 自动提取人体尺寸的软件处理步骤  61-62
  4.2 人体点云分割  62-77
  4.3 传统手工测量中几个人体体型关键尺寸的测量方法  77-78
  4.4 人体特征标记点定位与相关尺寸测量  78-84
  4.5 本章小结  84-85
5 三维人体表面重建  85-101
  5.1 Marching Cubes 算法抽取等值面  85-89
  5.2 MC 算法生成等值面的近似表达与连接的二义性  89-93
  5.3 将多轮廓线之间的形体重构问题转化为体数据中的等值面构造问题  93-94
  5.4 场函数的确定  94-97
  5.5 三维人体表面重建  97-100
  5.6 本章小结  100-101
6 虚拟服装试穿  101-128
  6.1 弹簧－质点模型  101-108
  6.2 二维衣片的网格剖分  108-111
  6.3 虚拟服装二维样片的缝合  111-115
  6.4 碰撞检测  115-124
  6.5 真实人体表面模型的虚拟服装试穿  124-127
  6.6 本章小结  127-128
7 总结与展望  128-132
  7.1 研究工作总结  128-130
  7.2 本文的创新之处  130-131
  7.3 进一步研究与展望  131-132
致谢  132-133
参考文献  133-140
附录 1: 作者在攻读博士学位期间发表的论文  140

三维人体信息获取及虚拟服装试穿技术研究

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