相移结构光三维扫描和人体特征提取的研究

摘要

随着计算机技术和光电技术的迅猛发展，测量领域成为了近三十年来的研究热点，其学科跨度大，涵盖了计算机科学、电子技术、机械工程、传感器技术、控制理论、光学等多个学科。测量领域的快速发展使得其出现了很多不同的测量方式，光学测量就是其主要的一种。光学测量属于非接触式测量，其精度高，测量时间短，对被测物体要求低，因此其应用非常广泛，如机械制造，工业检测、生物医学和文物数字化等领域。相移结构光测量在光学三维测量中占有重要的地位，它通过获取投射在物体表面的移位结构光畸变信息来获取被测物体三维信息，其分辨率更高，对测量物体的表面颜色要求低，发展潜力巨大。
　　 近年来，相移结构光测量一方面被广泛应用在工业领域，另一方面也在逐渐向民用领域发展，其中最具有市场潜力的是服装行业的人体测量。目前服装业遇到的生产矛盾是大规模生产与个性化设计的矛盾，其本质是服装测量的成本高，测量效率低下问题。本文重点研究了基于相移法的三维测量原理，然后对人体三维数据进行服装学特征提取，试图从以上两方面解决服装业的生产矛盾。论文的主要工作如下:
　　 (1)由现代服装产业中出现的瓶颈问题开始，提出了将光学三维形貌测量应用于该行业的人体体态特征数据测量中，并将测量的人体数据中获取服装制衣数据，在技术应用上具有一定的创新;
　　 (2)从点结构光三维形貌测量的原理开始，由简单到复杂地推导了线结构光、编码结构光的光学三维形貌测量原理，分析了测量中遇到的对应点找准问题，系统地给出了光学三维测量的数学模型;
　　 (3)对比分析了二值码、格雷码、灰度码、彩色码和相移码的结构光编码和解码原理，探讨了格雷码与相移法组合编码在实际应用中的优势，给出了该组合编码的编码和解码过程，并用理想的投射光栅图片、白色平板和形貌复杂背景颜色不一的岩石片进行了解码实验，证明了该种编码方式的鲁棒性;
　　 (4)介绍了相机成像的数学模型，分析了相机成像中几种典型的畸变，引出了几种典型的相机标定方法，论述了透视矩阵变换标定原理和实际应用，详细的介绍了相机的内部参数和外部参数标定过程，分析了标定的误差，并给出了试衣人台三维测量实验的标定结果;
　　 (5)论述了三维光学测量系统的基本结构，详细地说明了数字投影仪、工业相机、工业镜头三个主要硬件的选型和各个硬件参数之间的相互影响，并设计了三维结构光自动测量系统，给出了系统的主要设计参数，说明了系统的测量原理;
　　 (6)针对编码结构光光栅条纹的图形分割问题，分析了条纹在常规二值化的局限，然后利用了图像增强办法有效的解决了光栅条纹细化问题。
　　 (7)介绍了三维建模的一般方法，提出了基于点云的服装学特征提取原理，并对人体三维点云样本数据进行了围度提取，分析了凸包法的计算原理和在围度中的周长计算，最后得到了样本模型的身高、胸围、腰围和臀围的具体数据，相对误差在0.9％以下。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 三维测量技术的发展概述

1．3 人体三维测量的研究意义

1．4 论文的研究内容和章节组织

2 光学三维测量原理

2．1 光学三维测量的概述

2．2 常规光学三维测量的原理

2．3 单点法三维测量的原理

2．3．1 三维测量系统的组成

2．3．2 三维测量的坐标引入

2．3．3 测量原理

2．4 线结构光三维测量原理

2．4．1 线扫描三维测量的引入

2．4．2 线扫描三维测量的原理

2．5 编码结构光三维测量原理

2．6 本章小结

3 结构光编码和解码的研究

3．1 结构光编码的简介

3．2 结构光编码方式

3．2．1 二值编码

3．2．2 格雷码

3．2．3 灰度编码

3．2．4 彩色编码

3．2．5 相移法编码

3．3 格雷码与四步相移组合编码原理

3．3．1 格雷码原理

3．3．2 相移编码原理

3．3．3 格雷码与四步相移组合编码

3．4 本章小结

4 相机的标定研究

4．1 相机标定的相关知识

4．2 相机标定的几种方法

4．2．1 传统标定法

4．2．2 自标定法和主动视觉标定法

4．3 相机模型

4．3．1 参考坐标系

4．3．2 相机的线性模型

4．3．3 相机的非线性模型

4．4 相机的标定原理

4．4．1 直接线性变换原理

4．4．2 透视变换矩阵原理

4．5 相机标定与分析

4．5．1 相机标定过程

4．5．2 标定分析

4．6 标定结果

4．7 本章小结

5 三维测量系统的硬件和软件实现

5．1 三维扫描系统组成

5．2 三维扫描系统的硬件选型

5．2．1 数字投影仪的选型

5．2．2 相机的选型

5．2．3 镜头的选型

5．3 系统平台搭建

5．3．1 扫描台的结构

5．3．2 旋转台结构

5．4 系统实现流程和代码

5．5 重构图像处理

5．6 三维重构结果分析

5．7 本章小结

6 基于点云的人体特征提取

6．1 人体特征提取的应用简介

6．2 三维人体建模技术介绍

6．2．1 线框建模方法

6．2．2 实体建模方法

6．2．3 曲面建模方法

6．3 基于点云的人体特征提取

6．3．1 服装学上的人体特征介绍

6．3．2 围度提取介绍

6．3．3 围度提取

6．3．4 围度的包络周长计算

6．3．5 反馈对比与误差分析

6．4 本章小结

7 论文总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 后续研究展望

参考文献

附录1

附录2

致谢

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