基于激光扫描的三维人体自动测量技术研究_郭华

基于激光扫描的三维人体自动测量技术研究Studyof3DAnthropometryautomaticallyextractedbasedonLaserscanning(国家自然科学基金资助项，NO.61027012)学科专业：光学工程研究生：郭华婷指导教师：葛宝臻教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一一年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要三维人体测量是通过测量人体各部位的尺寸和人体体型，研究人体的形态特征，从而为工业设计、人机工程、工程设计、人类学研究、医学等提供人体基础资料。本文主要研究基于激光三维扫描的三维人体尺寸自动提取技术。将人体尺寸分为三类，分别介绍了对应的人体特征界标提取方法和尺寸测量方法；然后通过扫描测量石膏模型和真人模特对本文的方法进行验证，并研究改善人体尺寸的测量精度的方法；最后初步研究了基于三维人体尺寸的人体体型判别方法。主要工作及创新点为：1.详细阐述了人体轮廓分析等四种算法自动提取人体特征点和特征截面的过程和特点；依据人体特征点和特征截面的提取结果，阐述了三维人体尺寸的提取算法，可自动测得47项三维人体尺寸。2.研究了三维人体尺寸自动测量系统的性能，由准确度和精确度两项指标评估。通过石膏人体模型和10名真人模特的扫描测试的验证，本文方法可稳定地正确提取所需三维人体特征界标和人体尺寸；与传统的人工测量方法相比，由激光三维扫描仪提取的人体尺寸结果更精确，稳定性更好。3.提出了基于人体特征提取的模特体型尺寸自动测量方法，用于空乘和服装模特的选拨，可快速且正确地提出符合模特选拨要求的11个人体尺寸。4.研究了三维人体尺寸的自动测量精度的改善方法，分析了测量误差的四个可能来源，并针对不同的误差提出了对应的改进方法，经实验結果表明围度等尺寸的准确度与精度皆有所提升并符合需求。关键词：激光三维扫描人体尺寸自动测量人体特征界标提取人体体型判别ABSTRACTThree-dimensionalanthropometryiscollectingthesizeandshapeinformationofhumanbodytostudyhumanbodymorphologicalcharacteristics,whichareveryimportantandprovidehumanbodybasicinformationforIndustrialDesign,ErgonomicsApplies,EngineeringDesign,AnthropologyResearch,MedicalScienceandsoon.Thispapermainlystudyon3Dhumanbodysizesautomaticallyextractedfromlaserscanningpoint.Introducingmethodsoflocatinghumanbodylandmarksandsizes,whichwereclassifiedintothreekinds.Andthesemethodshavebeenprovedtobeaccurateandprecisewhiletestingonhumansubjectsandplastermannequin.Alsomethodsofimprovingpreciseofhumansizesmeasurementresultsareelaborated.Finally,thispaperapplied3Dhumanbodysizestoidentifyhumanbodyshape.Themajorworkandinnovationpointsofthepaperasfollow:1.Elaboratelyillustratefouralgorithmscanbeemployedforlocatinganatomicallandmarksfrom3Dscanningdata,includingmaximumorminimumcircumferencedetermination,human-bodysilhouetteanalysis,humanbodysymbolicinformationandsoon.Andthemethodhasbeenprovedtobeaccurateandprecisewhiletestingon10humansubjectsandplastermannequin.2.Basedontheresultsoflandmarks,47dimensionsofthehumanbodycanbecollectedbyusingapproximationmethods.Atwo-stageevaluationwasconductedforaccessingtheperformanceofscan-derivedmeasurmentsintermsofaccuracyandprecision.Andthemethodhasbeenprovedtobeaccurateandprecisewhilecomparingwithtraditionalpalpationworksbytestingonplastermannequinand10humansubjects.3.ProposeAutomaticmodelstylemeasurementbasedonautomatedbodyfeatureextractionfrom3DScanningdata,whichisusedinselectingmodel.13primaryhumanbodysizesareextractedexactlyandquicklyusingthismethod.4.Toimprovethepreciseofautomaticallyextracting3Dhumanbodysizes,analysisthepossibilitiescausingmeasurementerror.Andthendevelopthecorrespondingimprovementmethods,whichwereprovedtobeeffectivethoughanalyzingmeasurementresults.KEYWORDS：Laser3DScanning,Anthropometrymeasurement,humanbodyfeaturesextraction,humanbodyshape目录目录..............................................................................................................................3第一章绪论........................................................................................................................11.1三维人体测量............................................................................................................11.1.1激光三维扫描技术发展历史及现状...................................................................11.1.2三维人体尺寸测量方法及现状..........................................................................31.1.3人体特征界标提取方法......................................................................................41.1.4人体体型判别方法..............................................................................................61.2激光三维人体数字化系统介绍.................................................................................71.3课题背景和论文主要工作.........................................................................................8第二章三维人体特征界标自动提取技术.........................................................................102.1三维人体测量基准..................................................................................................102.2三维人体特征界标提取流程...................................................................................132.3人体特征界标近似找取...........................................................................................142.4人体特征界标精确提取...........................................................................................162.4.1围度分析法.......................................................................................................162.4.2人体轮廓分析法...............................................................................................182.4.3人体特征函数法...............................................................................................192.4.4其他方法...........................................................................................................202.4.5实验及结果.................