基于多Kinect的旋轉(zhuǎn)人體掃描系統(tǒng)研究

孟繁昌　梁晉　張桁維　徐勁瀾　趙鵬亮

摘要：為解決目前人體掃描系統(tǒng)價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、占用面積大等問題，基于微軟推出的Kinect相機(jī)具有快速、安全、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，提出利用3個(gè)Kinect相機(jī)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)來構(gòu)建三維人體掃描系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)涉及的深度相機(jī)成像原理、多相機(jī)標(biāo)定以及點(diǎn)云配準(zhǔn)等技術(shù)。首先利用KinectFusion技術(shù)重建出單個(gè)傳感器的三維點(diǎn)云，然后采用多相機(jī)標(biāo)定技術(shù)，計(jì)算各傳感器之間的相對位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的初始拼接，并使用ICP算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)，從而重建出完整的三維人體點(diǎn)云模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠重建出高精度點(diǎn)云，并且該人體掃描設(shè)備成本低，占地面積小，可行性與實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：三維人體重建；Kinect傳感器：多相機(jī)標(biāo)定；ICP算法

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0072-06

0引言

人體三維測量廣泛應(yīng)用于3D打印、服裝定制、虛擬試衣以及運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域。非接觸式的三維人體掃描系統(tǒng)精確度高、速度快，其主要原理方法有：激光測量法、莫爾條紋測量法、紅外線法等。

國內(nèi)外目前基于以上原理的商業(yè)化人體掃描系統(tǒng)測存在共同缺陷：掃描速度較慢，價(jià)格昂貴，設(shè)備復(fù)雜，操作繁瑣，體積龐大，這些因素限制了三維人體模型應(yīng)用的推廣。

近幾年興起的深度相機(jī)通過采集深度圖像，可以獲取物體表面的三維點(diǎn)云。與傳統(tǒng)的三維掃描設(shè)備相比，深度相機(jī)掃描系統(tǒng)設(shè)備組成簡單，操作方便快捷，并且成本大大降低。

近年來，一些研究者將Kinect深度相機(jī)用于場景、人體以及人臉的三維建模中。Weiss等提出使用單臺(tái)Kinect傳感器拍攝人體多個(gè)角度來獲取人體三維點(diǎn)云，通過點(diǎn)云的輪廓信息估計(jì)人體的姿勢和體型。Newcombe等提出了基于KinectFushion技術(shù)，在任意可變照明條件下，使用一臺(tái)Kinect傳感器，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)三維重建。宋詩超等采用Kinect掃描人體數(shù)據(jù)，對人體表面特征數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，最后通過Pro/E軟件重建人體模型，該方法主要適用于人臺(tái)的建模。

本文采用由微軟推出的Kinect相機(jī)組建人體掃描系統(tǒng)，獲取人體三維點(diǎn)云。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉且操作簡單，對人體無害。本文采用3臺(tái)Kinect傳感器以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等硬件組成旋轉(zhuǎn)人體掃描系統(tǒng)，研究了深度圖像重建，并結(jié)合KinectFushion算法、多相機(jī)標(biāo)定技術(shù)和ICP配準(zhǔn)方法獲取人體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維人體模型的建立。

1Kinect簡介

Kinect是微軟公司推出的一款3D體感傳感器，如圖1所示，主要由紅外投射器，彩色相機(jī)，紅外相機(jī)，安裝于底座上的電機(jī)馬達(dá)，麥克風(fēng)陣列以及一個(gè)由PrimeSense提供的PS1080芯片組成。PS1080芯片具有強(qiáng)大運(yùn)算能力，通過控制紅外投射器向空間場景中投射近紅外光譜，并利用紅外相機(jī)拍攝投射有散斑圖案的空間場景圖像，彩色相機(jī)采集空間場景的彩色圖像，然后執(zhí)行Kinect的關(guān)于深度數(shù)據(jù)處理相關(guān)算法。

Kinect傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

2人體掃描裝置和技術(shù)流程

2.1人體掃描裝置

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)測試裝置主要由3個(gè)Kinect傳感器，1個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，1個(gè)USB3.0的Hub，一塊標(biāo)定板以及一臺(tái)電腦等硬件組成。單個(gè)Kinect傳感器的垂直方向測量角度為43。，測量距離為100cm，則單個(gè)傳感器能夠觀測的范圍是80cm，為了保證掃描設(shè)備能夠觀察到整個(gè)人體并保證相鄰兩個(gè)傳感器之間有重疊部分，本文選取3個(gè)傳感器的測量方案。3個(gè)Kinect傳感器在一條直線上豎直固定，傳感器之間的距離約為60cm，保證最上面的測量頭能夠看到人體的頭頂部位，并留出一定的余量；最下面的測量頭能夠看到旋轉(zhuǎn)臺(tái)平面：并保證相鄰兩個(gè)傳感器觀測的人體部位之間有重合部分，以對3個(gè)測頭生成的點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)。

2.2技術(shù)流程

在進(jìn)行人體掃描前，首先標(biāo)定3個(gè)Kinect傳感器的相對位置關(guān)系，將標(biāo)定板放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)處，3個(gè)Kincct傳感器采集標(biāo)定板圖像，然后計(jì)算出3個(gè)Kinect傳感器的外參數(shù)。掃描人體時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)Kinect開始進(jìn)行圖像采集：基于深度圖像重建原理重建出單幀圖像的三維點(diǎn)云，并采用KinectFushion技術(shù)獲取在旋轉(zhuǎn)過程中單個(gè)傳感器生成的單幅人體三維點(diǎn)云。在點(diǎn)云配準(zhǔn)過程中，本文采用兩步配準(zhǔn)的方法實(shí)現(xiàn)3幅點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)：1）通過多相機(jī)標(biāo)定技術(shù)，解算出3個(gè)相機(jī)的相對位置關(guān)系，然后將3個(gè)傳感器生成的點(diǎn)云注冊在一起，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的初始配準(zhǔn)；2）本文采用迭代最近點(diǎn)算法（iterativeclosest point，ICP）進(jìn)行配準(zhǔn)，以克服在掃描過程中人體晃動(dòng)造成的誤差，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云精確穩(wěn)定的配準(zhǔn)，最終得到完整的三維人體點(diǎn)云模型。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1Kinect傳感器成像原理

根據(jù)描述，紅外投射器投射一種激光散斑，該散斑具有高度隨機(jī)性，并且會(huì)隨著距離的不同變換圖案。為了獲得物體的深度值，Kinect傳感器在使用之前需把場景中的散斑圖案記錄下來。所以在使用之前需要進(jìn)行一次光源標(biāo)定。在距離傳感器不同的地方設(shè)置參考平面P1，P2，P3，…，并把參考平面上的散斑圖案記錄下來，這些散斑圖案作為參考圖像。如圖3所示，參考圖像的位置分別記為Z1，Z2，Z3，…。

當(dāng)物體A放在圖示場景中時(shí)，紅外相機(jī)獲取物體A表面散斑圖案。然后Kinect傳感器芯片將該獲取的散斑圖像與所有的參考圖像進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，選取相關(guān)系數(shù)最大的參考圖像，并認(rèn)為物體就位于該參考圖像處。圖中物體A的紅外圖像與P2處的散斑圖案相關(guān)性最大，即認(rèn)為A就在P2處。物體A在z方向上的距離就是Z2。

但是，由于參考圖案是通過在傳感器每隔一段距離設(shè)置參考平面獲取的，這樣參考圖案不是連續(xù)的，所以物體A距離傳感器距離Z2不是一個(gè)準(zhǔn)確值，因而需要進(jìn)行矯正。

單個(gè)Kinect輸出的點(diǎn)云如圖9所示。

通過標(biāo)定結(jié)果將3幅點(diǎn)云進(jìn)行拼接，然后經(jīng)過ICP算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場與經(jīng)過配準(zhǔn)得到的點(diǎn)云如圖10所示。最終得到130672個(gè)點(diǎn)的人體點(diǎn)云模型。

5結(jié)束語

本文提出的基于3個(gè)Kinect傳感器和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維人體掃描系統(tǒng)使用當(dāng)前流行的KinectFushion算法實(shí)現(xiàn)了單個(gè)傳感器的重建，并采用多相機(jī)標(biāo)定技術(shù)和ICP算法的兩步配準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)多幅點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)，從而完成完整的三維人體點(diǎn)云模型的重建。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)重建出的點(diǎn)云精度高，能夠滿足量體裁衣訂制、虛擬試衣等領(lǐng)域的應(yīng)用。與傳統(tǒng)設(shè)備及方法相比，簡單易于操作，造價(jià)便宜，并且占用空間小重建時(shí)間短，在實(shí)際生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。