[word doc]一种采用单照相机的三维人体测量方法

[word doc]一种采用单照相机的三维人体测量方法 一种采用单照相机的三维人体测量方法 第36卷第5期东华大学(自然科学版)V_O1.36.No.5 2010年1O月JOURNALoFDoNGHUAUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Oct.2010 文章编号:1671—0444(2010)05—0536—05 一 种采用单照相机的三维人体测量方法 方金,任立红,丁永生,,郝矿荣a,b (东华大学a.信息科学与技术学院;b.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心,上海201620) jf鼋要:非接触式三维人体自动测量是现代化人体测量技术的主要特征,也是今后人体测量的趋势所在.在分析国 内外非接触式三雏人体测量方法的基础上,提出一种采用单照相机的三维人体测量方法.首先通过在单照相机前加一 套镜面组合系统,进行实时拍照,获得一张同时人体的正面和侧面的照片;然后通过基于图像的人体特征区域和 特征参数提取得到人体尺寸信息(尺寸,轮廓点和轮廓线).试验结果验证了此方法的可行性. 关键词:非接触式三维人体测量;镜面系统;人体特征提取 中图分类号:TP391.41文献标志码:A A3DBodyMeasurementMethodwithaSingleCamera FANGJJN,RENLi—hong,DINGYong-sheng一,HAOKuang-rong, (巩 CollegeofInformationScienceandTechnology;b.EngineeringResearchCenterofDigitizedTextile& FashionTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China) Abstract:Non-touch3DhumanbodymeasurementiSthemainfeatureofmodernbodymeasurement technologyandthetrendofthefuturebodymeasurement.Basedoncurrentresearch,a3Dbody measurementmethodwithasinglecameraispresented.Firstly,amirrorsystemislocatedbeforethe camera,andpictureswhichincludebothfrontandsideappearanceofahumanbodyareacquiredfromthe camera.Then2Dsizeinformationofhumanbodyincludingsize,contourpointsandcontourlinesby extractionoffeatureregionandparametersbasedontheimagementionedbeforeareobtained.The experimentresultsverifytheflexibilityofthismethod. Keywords:non-touch3Dhumanbodymeasurement;mirrorsystem;bodyfeatureextraction 随着人们对服装个性化设计的要求,服装的量 身定制逐渐进入成衣生产领域.人体测量系统是实现 电子量身定制,人体体型数据库建立的基础工作和关 键技术,其自2O世纪7O年代中期开始逐渐成为服装 数字化技术的重要研究课题,在3O多年的发展过程 中,大致经历了由手工测量向计算机辅助测量,由接 触式测量向非接触式测量,由二维向三维方向发展3 个阶段,并向自动测量和利用计算机测量,处理和分 析的方向发展[1]. 传统的人体测量通常是指测量工具与人体接触, 直接测出静态时人体各部位的高,宽,周长等尺寸.非 接触式测量是以现代光学为基础,融光电子学,计算 收稿日期:2009一l1一O3 基金项目:国家自然科学基金(60975059,60775052);教育部高等学校博士学科点专项科研基金(2OO9OO75llOOO2);上海市科学技术委 员会重点基础研究项目(1OJC14OO2OO,09JC1400900);上海市科学技术委员会技术专项(10DZ0506500) 作者简介:方金(1984一),男,上海人,硕士,研究方向为数字图像处理.E-mail:nathemking@hotmail.corn 丁永生(联系人),男,教授,E-mail:ysding@dhu.edu.cn 第5期方金,等:一种采用单照相机的三维人体测量方法537 机图像学,信息处理,计算机视觉等科学技术为一体 的测量技术.它在测量被测对象时,把图像当作检测 和传递信息的手段或载体加以利用,其目的是从图像 中提取有用的信息.主要方法有:廓体影像法,莫尔 等高线法,白光相位法,激光测量法,红外线测量法, 立体摄像测量法等『2].上述三维人体建模方法虽然都 能获得三维服装人体模型,并在一定程度上满足服装 CAD对人体模型的要求,但仍存在一些不足:采用 三维扫描方法需要昂贵的扫描设备,专业知识以及特 殊的环境配置,且要求用户穿上比基尼面对机器进行 扫描,这从经济和人性化等方面决定了此种方法难以 实现大规模的个性人体建模.接触式测量虽然操作简 单,成本低,但其测量的精确度与测量者的技巧有很 大关系,显然手工测量已不能满足当前服装业的发 展.因此,本文拟用一种成本低,效率高的人体测量技 术.人体图像的获取是人体测量的物质基础,采用的 设备个数可以为单目,双目,三目甚至更多;然而目前 单目的方法,都是从多个角度在不同时刻获取图像, 双目则是在同一时刻从两个视点采集图像对[3].本 文在单照相机前加一套镜面组合系统,进行实时拍 照,同时记录下人体正侧两面的照片,再通过二维照 片处理来获得人体尺寸信息,既避免了双目或多目视 觉传感器中照相机之间非严格同步造成的测量误差, 又避免了传统单目照相因时间非同步而造成的误差 1单照相机镜面组合系统 照相过程中所使用的工具主要为数码相机和 镜面系统.镜面系统的结构原理如图1所示,该系 统由数码相机,第一组对称平面反射镜M和M 第二组对称平面反射镜A和M构成.测量过程 中,有效视场内的被测对象从两个对称角度方向分 图1镜面系统结构原理图 Fig.1Mirrorsystemarchitecturediagram 别通过两组反射镜的光路折叠,映射到数码相机像 面的左右半面.通过光路分解可知,该系统的实质 是数码相机左右像面在平面镜中的虚像充当”双 目”角色,在一张照片上得到被测对象在两个方向 上的二维信息. 为了建立传感器的数学成像模型,现对各种参 数进行定义: 0:数码相机的中心; 厂:透镜焦距; a:镜面Mln与水平线的夹角; 卢:镜面Ml2R与水平线的夹角; :照相机张角的一半,即左右两个虚相机的拍 照张角; L:镜面M1和镜面ME与经过原点的水平线 的交点间的距离; d:相机镜头与第一组镜面交点间的距离; y:光轴虚像与中心线的夹角; h.:有效视场相对于第一组镜面的最近距离; Ah:有效视场的深度; B:虚相机间的距离,即基线长; 设反射镜M1和Ml的交点为坐标系的原点, 则照相机的投影中心0的坐标为(0,一),反射镜 MI所在直线方程为—tan?,M2所在直线方 程为—tanfl?(z,L),则0关于MR对称点OR’ 的坐标为(--dsin2a,dcos2a).()R’关于M2的对称 点()R的坐标为(dsin2(—)+2Lsin, 一 dcos2(卢一Q)--Lsin2f1),则 d一l—dcos2(fl--a)--Lsin2flI—(1) B:=:2[dsin2(fl--a)+2Lsin(2) 通过图1中相关参数与镜面系统结构参数间 的几何关系,可求得最近有效视场位置: h0一(B/2tan7)一—(3) 式中:r=2(fl-~). 深度方向有效视场范围: Ah=(B/2)tan(9+O)一h.一—(4) 式中:一兀/2一;0一arctan(MICOS(d4- M1sina)),M为第一组镜面的长度. 由于照片要求同时呈现正侧面图像,因此对角 度等有了具体要求:被测人体站在图1中视场内 P椭圆位置处,以45.角侧对中心线,而两个虚光轴 要垂直相交,即要求),为45.. 538东华大学(自然科学版)第36卷 2人体特征数据的自动提取 2.1前提条件 要得到一张效果好的照片,除需满足相机,镜 面组合系统等硬件条件外,拍照时还需满足以下条 件:不要穿鞋,以便提高尺寸计算的准确程度;必须 穿紧身衣,以突出躯体的轮廓线;衣服颜色与背景 颜色尽量为纯色,且两种色调反差要尽量大,如黑 衣白墙,红衣黑墙等;身体直立,正面两手离开体侧 上举角约45.,身体侧向45.面对镜面组合系统. 2.2总体设计 本文的总体设计是:首先由单目拍照系统拍取 一 张同时包含正面和侧面的照片,提取人体正面和 侧面轮廓信息;然后确定人体一些关键曲线所在截 面的边缘点坐标;最后提取这些曲线所在截面的高 度,宽度和厚度信息.为此,将人体特征数据自动提 取分成3个过程: (1)对照片中的正侧面图像进行左右分割; (2)提取照片中人体轮廓; (3)自动提取特征数据,包括人体关键曲线所 在截面的边缘点坐标及高度,宽度和厚度. 2.2.1图像分割和轮廓提取 图像分割是指把图像分成各具特性的区域并 提取出感兴趣目标的技术和过程,边缘检测主要是 图像灰度变化的度量,检测和定位『4].目前有很多 种不同的边缘检测方法,同一种方法使用的滤波器 也不尽相同.在本系统中对图像进行边缘检测以提 取人体轮廓是重要和基础的一环,其直接影响到后 面轮廓提取的准确性与复杂度.因此,本文选择了 几种简单,常见的边缘检测算法分别对图像进行处 理,比较,分析检测出来的边缘图像,最后选取阈值 差分的方法获取人体轮廓. 2.2.2人体特征数据自动提取 人体主要尺寸有身高,颈围,胸围,腰围,臀 围,臂长等,附加尺寸有肩宽,胸高点距离,膝高, 颈高,肩高,胸高,腰围高和臀高等.由于本系统是 自动提取,在拍照输入照片以及身高以后,不需要 用户手工操作,故本系统的关键是如何自动确定 人体特征曲线所在高度.本文根据美国Clemson 大学提出的一些尺寸在高度上与身高的比例关 系『5],参考2008年最新修订的国标 GBT16160--2008{gE装用人体测量的部位与方 法》中描述的比例标定1O条人体特征曲线所在高 度,再根据人体各部位特点对其进行细微调整,得 到人体尺寸线定义如表1所示. 表1人体尺寸线定义 Tabie1.Thedefinitionofthehumandimensionline 根据表1所述的曲线所在高度,计算人体轮廓 关键特征点坐标,然后根据坐标计算长度即特征部 位的宽度和厚度.然而,表1中数据均是以像素为 单位,而实际输出则以cm为单位,故需加以转换. 本文采取参照法:先测量一个已知实际长度物体在 照片中的像素数,由此确定一个参照系数,然后根 据此参照系数和在同一位置所摄人体在照片中的 像素数,得出人体各部位实际尺寸.这种方法不需 要摄像机的任何参数,也不需要物距.但需要一个 已知实际尺寸的参考物体,事先放置于人体所在的 同一位置,获得其图像作为参照物. 设参考物体的高度为Hr(cm),在照片中测出 此参考物体的高度为Hi(pixe1).待测人体在图像 中的高度为H(pixe1),则人体的高度s(cm)为: s一昔×H(5) 其中:Hr/Hi为参照系数. 本文已知被测人体的身高,因而可以简化步骤, 通过被测人体的身高与其像素之比即可获得参照系 数,从而可求得人体其他部位的实际尺寸.如腿长像 素值为L(pixe1),则腿的实际长度Tc(?)为: 丁c一×L(6) 3试验结果及精度分析 3.1试验结果 为了验证以上人体测量方法的可行性,进行了 第5期方金,等:一种采用单照相机的三维人体测量方法539 初步试验.首先做了小型的镜面系统,其具体参数 为:Ml一15cm,M2—17cm,d一10cm,L一17cm, 为满足7=45.,卢一a一22.5.,本镜面组合中选择a一 45.,fi=6-7.5.,实物图如图2所示. 图2镜面组合实物图 Fig.2Realobjectsofmirrorcombination 为了检测不同光照条件及不同背景对拍摄结 果的影响,进行了一系列的拍摄试验,图3为镜面 系统在不同背景下拍摄得的照片. 图3不同背景下的照片 Fi晷3Picturesul~erdifferentkl’gr0llIld 在获取照片后,将照片转化为灰度图,然后增 强图像的灰度对比度,并将图像分割成左右两部 分,也就是需要具体处理和计算的正面,侧面两部 分,效果图如图4所示. 本文在提取被测物体轮廓时,试用了一些经 典的边缘提取算子,图5为分别用Prewitt, Roberts,Sobel,Zerocross,Log,Canny等算子计算 得到的边缘检测效果图.从图5可以看出,该方法 的计算结果并不理想.为此,本文先采用迭代法计 算阈值得出二值图像,然后将此二值图像与腐蚀 后的图像做差值,获得了比较理想的轮廓图像如 图6所示. 图4图像分割效果图 Fig.4Imagesegmentation 图5边缘检测图 Fig.5Edgedetection 图6轮廓提取图 Fig.6Outlineextraction 将提取的轮廓作为人体,采集人体10个关键 部位的长度和厚度.经计算得到该人体照片中像素 高H为305pixel,又已知实际高度5为20cm,测 试并计算得实验结果如表2所示. 540东华大学(自然科学版)第36卷 表2数据结果 Table2Dataresults 人体部位高度/cm正视图宽度/gin侧视图宽度/cm 后领围线 前领围线 肩峰线 上胸围线 胸围线 下胸围线 腰围线 腹突线 臀围线 基线 根据胸宽,胸厚,腰宽,腰厚,臀宽,臀厚等尺 寸,采用曲线拟合的方式可计算其围度大小.以胸 围为例,根据人体三围横截面曲线的前后不对称 性,以中心点.为原点建立平面坐标系xOy.首先, 在理论分析和大量实验的基础上,将人体三围横截 面曲线进行前后划分,划分标准为: 前胸厚=::胸厚×(1一O.5132) 后胸厚一胸厚×0.5132 前腰厚一腰厚一(腰厚×0.3483+2.3891) 后腰厚一腰厚X0.3483+2.3891 前臀厚一臀厚×(1一O.6228) 后臀厚一臀厚×0.6228 然后,根据人体三围横截面曲线的左右对称性及曲 线的函数特征,确定对数函数 — A×lnx+B(7) 拟合人体1/4三围曲线(in图7所示).根据 对数函数曲线的特征和性质,将分为和两 段,即一+ 一一 D—j 图7胸围截面图形拟合示意图 Fig.7Fittingacurveofchestsection 易知,2即为前围弧长,同理求得后围弧长, 两段相加得各围度总弧长,即围度尺寸. 3.2精度及误差分析 为了验证本系统测试方法的可行性与正确性, 手工测量了此芭比娃娃的实际尺寸并与试验结果 比较,如表3所示. 表3结果比较 Table3Comparisonofresults 由表3可知,本人体尺寸信息提取方法具有较 好的正确性与可行性,误差基本控制在0.1cm以 内,考虑到人体体形误差对测量结果的精度的影 响,基本符合人体尺寸信息提取的要求. 4结论 为了面向个性化服装定制的需求,本文设计基 于图像的三维人体测量和步骤以及三维人体 测量模型.在分析个性化服装定制特点和现有计算 机图像测量技术现状的基础上,给出了面向个性化 服装定制的系统和基于图像技术的三维人体测量 框架.设计并优化镜面组合系统,经单照相机实时 拍照,同时记录下人体的正侧两面的照片,再通过 二维照片处理来获得人体尺寸信息,既避免了双目 或多目视觉传感器中照相机之间非严格同步造成的 测量误差,又避免了传统单目照相因时间非同步而造 成的误差.本文采用人体方位学和服装设计要求,结 合国标《服装人体测量部位及方法》中对人体各部分 的定位和人体各个部位的特点,根据人体模型知识和 人体轮廓几何特征,设计人体轮廓特征点定位算法和 二维人体尺寸计算.对于人体二维测量无法完成围度 测量的问题,采用分情况对不同部位的曲线经行拟 合,将宽厚尺寸转换成人体相应的围度尺寸. 通过上述对基于图像的三维人体测量系统的 基础研究,并经过运行测试,误差分析等,证明其可 以有效,快速通过图像这一方式提取三维人体特 征,达到了预期的系统设计目标,为后续个性化服 装定制奠定了基础. (下转第587页) 44OO48O2O5 1123322232 556O568O85 1144432344 282O4O6666 “MMn 第5期杨洋:基于集装箱资源共享的班轮公司空箱调运优化模型587 运量增加了100.k公司在自身需求充分满足的前 提下,将它剩余的空箱资源提供给了在这个时期的 这些港口出现了紧缺的l公司,虽然可能是为自己 增添了些麻烦,甚至在实际操作中还会带来一些额 外成本的上升,但是由前面总成本的分析可知,这 个时期总成本的下降就为合作共同体的利益最大 化提供了有力的保障. 4结论 本文建立的基于集装箱资源共享的班轮公司 海运空箱调运优化模型,突破了现有研究中对合作 调运空箱的不足,在考虑各种限制因素后,形成了 各个公司利用可共享的集装箱资源安排调运任务, 再配合租箱来补足缺箱港口需求的空箱调运合作 方案,由此方案可以确定期内各港口之间的空 箱调运量以及租箱量,对实际工作者制订计划具有 一 定的指导意义. 本文运用此模型算例对比分析资源共享前后 调运的方案,由此说明共享对于现实中主动或者被 动缩减集装箱可用资源的班轮公司而言,可以克服 资源限制造成的不利,扩大可利用资源的范围,更 加合理有效地改进调运效果,节约更多成本,获得 更多利益. 不过,因为本文没有展开对于模型的仿真分 析,所以此优化模型的稳定性无法给出进一步的分 析和证明,而一个算例仅仅能说明模型的可行性却 缺乏验证实际中的普遍适用性,故在未来的研究中 应对模型作更深入细致的论证.同时,海运空箱的 调运过程是一个动态变化过程,在实际操作中需要 实时地根据计划的执行情况进行变更,而本模型无 法满足这一要求,因此,在未来的研究中应加入对 动态因素的影响使模型更加精确和符合实际. 参考文献 WHITEWW.B0M旧ERAUI,A肌ANetwork AlgorithmforEmptyFreightCarAllocation[J].mM SystemJournal,1969(2):147—169. 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