人體三維掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

黃曉雅　劉莉　彭凡　方昕　袁佳藝

摘 要：隨著三維人體建模在各個(gè)領(lǐng)域的有廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的激光三維掃描技術(shù)日益發(fā)展，而通過激光三維掃描所測(cè)得的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)還不成熟。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是逆向工程中重要的操作部分，處理過程主要有點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云分割、三維建模等，這些處理對(duì)后期構(gòu)建人體三維模型起著決定性作用。文章分析了該課題的研究意義、點(diǎn)云的概念、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了幾種可處理人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云數(shù)據(jù);處理方法;三維人體掃描

0 ? 引言

近年來，激光三維掃描技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)，可以通過激光掃描更加便捷而精準(zhǔn)地獲取三維人體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。激光三維人體掃描儀的出現(xiàn)，使三維動(dòng)畫中的虛擬人物和服裝行業(yè)的虛擬試衣有了更方便的三維人體建模方式。與傳統(tǒng)的人體三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)相比，能快速、精確、無接觸地測(cè)量人體復(fù)雜表面，這種測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)成為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理來構(gòu)建人體模型[1]。

1 三維人體建模

目前，三維人體建模在人們生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如在游戲動(dòng)畫、電影特效、服裝CAD/CA、人體測(cè)量、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景，而人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理是其中的關(guān)鍵技術(shù)，其中三維掃描技術(shù)可以快速便捷的獲取三維數(shù)據(jù)模型，因此在逆向工程設(shè)計(jì)、仿真中建立了一定的基礎(chǔ)。隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，人們了對(duì)三維掃描模型點(diǎn)云的研究也將更加深入。而人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式具有稀疏性、無序性和幾何變換等特點(diǎn)，因此直接以點(diǎn)云為對(duì)象的研究引起眾多研究者的興趣。目前，三維人體點(diǎn)云的處理研究上多依賴于通用點(diǎn)云模型算法或轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格模型進(jìn)行處理。雖然通用的點(diǎn)云算法具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但還很難滿足人體測(cè)量學(xué)以及服裝工業(yè)的專業(yè)需求。因此對(duì)人體點(diǎn)云展開針對(duì)性的研究非常有必要[2-3]。

2? 點(diǎn)云的概念以及處理流程

2.1? 點(diǎn)云的概念

點(diǎn)云主要是由三維掃描設(shè)備所測(cè)得散亂的數(shù)字化數(shù)據(jù)，可構(gòu)建出被測(cè)物體的模型，該模型是由一系列空間的采樣幾何點(diǎn)所構(gòu)成的，以及與這些點(diǎn)相關(guān)的表面屬性。因此，構(gòu)成點(diǎn)云的最基本單位是點(diǎn)，且每個(gè)點(diǎn)都是有與之相對(duì)應(yīng)的工作信息[4]。這些無規(guī)律的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)除了點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通常不包含任何別的信息;數(shù)據(jù)中會(huì)含有一些“噪聲”和“孔洞”的數(shù)據(jù)，掃描采集的數(shù)據(jù)無法直接滿足用戶的需求，因此必須要經(jīng)過“噪聲”篩檢、“空洞”修補(bǔ)等多種處理，這一系列數(shù)據(jù)將為后續(xù)快速、精確曲面擬合與虛擬建模工作做準(zhǔn)備。

2.2? 點(diǎn)云處理流程

通過掃描儀得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過點(diǎn)階段和多邊形階段，獲得一個(gè)良好的人體曲面模型。

（1）點(diǎn)階段。通過著色、數(shù)據(jù)清理、減少噪音點(diǎn)、采樣、三角形網(wǎng)格化等操作達(dá)到過濾點(diǎn)數(shù)據(jù)、消除重疊部分的目的[5]。

（2）多邊形階段?；谇士滋畛?、多邊形編輯、邊界修復(fù)、創(chuàng)建特征、橫截面等操作，獲得一個(gè)凈化邊界線、光滑曲面的人體模型[6]。

3? 點(diǎn)云處理方法

3.1? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）點(diǎn)云濾波。原始采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往包含大量散列點(diǎn)、孤立點(diǎn)，所以通過點(diǎn)云濾波的方法去除這些點(diǎn)。點(diǎn)云濾波的主要方法有：雙邊濾波、高斯濾波、條件濾波、直通濾波、隨機(jī)采樣一致濾波、VoxelGrid濾波等。

（2）點(diǎn)云關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量比原始點(diǎn)云或圖像的數(shù)量少很多，它與局部特征描述子結(jié)合在一起組成關(guān)鍵點(diǎn)描述子，常用來代表和描述原始數(shù)據(jù)，從而加快了對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度，例如在后續(xù)的識(shí)別，追蹤等技術(shù)上，因此關(guān)鍵點(diǎn)技術(shù)成為了三維信息處理中非常關(guān)鍵的技術(shù)。常見的三維點(diǎn)云關(guān)鍵點(diǎn)提取算法有以下幾種：ISS3D，Harris3D，NARF，SIFT3D等。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理。其主要包括點(diǎn)云壓縮，點(diǎn)云索引（KDtree，Octree），點(diǎn)云LOD（金字塔），海量點(diǎn)云的渲染。

3.2? 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)按精度可分為粗拼接和精確拼接。粗拼接是將不同的坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都拼接到統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)系下，其主要是為了后面的精度拼接提出一個(gè)初始值;精確拼接通過迭代計(jì)算出一組坐標(biāo)變換參數(shù)，從而減小拼接誤差到最低。常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法大致分為兩種：正太分布變換和ICP點(diǎn)云配準(zhǔn)。

3.3? 點(diǎn)云分割

對(duì)于像人體這種比較復(fù)雜、曲率變化較大的數(shù)據(jù)模型，使用傳統(tǒng)的CAD技術(shù)處理可能比較困難且所得精度不高，這時(shí)就需要考慮對(duì)人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云分割，對(duì)整體進(jìn)行細(xì)化分割分別處理，最后再將分割處理后的數(shù)據(jù)整體結(jié)合起來恢復(fù)到最原始的樣子。同時(shí)需注意，在點(diǎn)云分割中，選擇曲率平滑的地方進(jìn)行分割，避免分割處理后的數(shù)據(jù)影響到最后的整體結(jié)合。

3.4? 三維重建

采集到的點(diǎn)云是充滿噪聲和孤立點(diǎn)的，三維重建算法為了重構(gòu)出光滑曲面，通常需要處理這些噪聲點(diǎn)，獲得看上去很舒服的曲面。常用的三維重建算法和技術(shù)有：泊松重建、Delauary triangulatoins、表面重建、人體重建、建筑物重建、輸入重建、實(shí)時(shí)重建。

4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的十幾家公司已經(jīng)開展了對(duì)三維圖像掃描應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)研制，并且已經(jīng)初步形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)品在掃描精確度、掃描反應(yīng)速度、準(zhǔn)確性、使用壽命、易操作性能等方面日益得到提高，使用領(lǐng)域范圍也在不斷擴(kuò)大，使其在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)得到了巨大的應(yīng)用發(fā)展，甚至一些相關(guān)學(xué)科成果通過三維掃描儀的技術(shù)研究得到了質(zhì)的巨大飛躍。小到現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)、游戲體育娛樂、電影影視特技、文物保護(hù)研究大至中到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、航天應(yīng)用科技、軍事應(yīng)用科技，三維圖像掃描以及成像處理技術(shù)都在其中扮演了重要的主導(dǎo)角色。但相比之下，我國(guó)在這兩個(gè)方面的深入研究并不多見。雖然三維成像掃描激光成像處理技術(shù)的基本理論操作原理并不復(fù)雜，國(guó)內(nèi)對(duì)其涉及相關(guān)成像學(xué)科的技術(shù)研究也一直處于國(guó)際前列。但國(guó)內(nèi)對(duì)這兩個(gè)方面的研究主要局限于臨床理論基礎(chǔ)研究和臨床樣品研制階段，還不能完全大規(guī)?；赝度肷a(chǎn)。究其原因：（1）國(guó)內(nèi)成像制造業(yè)大多主要面向于中低端技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)三維成像掃描儀及成像軟件技術(shù)的市場(chǎng)需求并不很高。（2）國(guó)內(nèi)的相機(jī)制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、工藝水平落后，而三維影像掃描儀的成像制作技術(shù)對(duì)我國(guó)制造業(yè)的要求比較高，需要更具有高技術(shù)水平的工藝制作設(shè)備才能正確使最后的建模成品有較高精度的成像特性。（3）國(guó)內(nèi)對(duì)此技術(shù)有較大需求的產(chǎn)業(yè)由于市場(chǎng)資金充足大，所以都比較傾向于選擇使用國(guó)外成熟的技術(shù)產(chǎn)品，這也給國(guó)內(nèi)三維掃描成像設(shè)備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步帶來一定程度的不利影響。但是市場(chǎng)需求低、工藝技術(shù)落后并不完全表示這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)沒有發(fā)展前景。相反，隨著中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速健康發(fā)展，國(guó)內(nèi)電子科學(xué)信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維成像掃描儀的成像處理技術(shù)仍然有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。值得欣慰的地方是，華中理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)在這一系列方面的技術(shù)研究都已經(jīng)有了巨大的先進(jìn)成果，他們自主開發(fā)的和研制的配套設(shè)備在某些技術(shù)性能設(shè)計(jì)方面甚至可以領(lǐng)先一些國(guó)際先進(jìn)水平。有益于我國(guó)的三維立體掃描成像技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展，這些研究成果必將對(duì)其起到很大的推動(dòng)促進(jìn)作用。

5? 可處理人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件

5.1? Geomagic Studio

Geomagic Studio是由美國(guó)Raindrop（雨滴）公司設(shè)計(jì)的一款逆向工程和三維檢測(cè)軟件產(chǎn)品，可根據(jù)人體通過三維掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)生成準(zhǔn)確的三維模型，并且通過這些數(shù)據(jù)來創(chuàng)建良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，使用軟件的功能將該模型轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件主要功能包括：自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形（Polygons）、快速減少多邊形數(shù)目（Decimate）、把多邊形模型轉(zhuǎn)換為NURBS曲面、曲面分析（公差分析等）、輸出與CAD/CAM/CAE匹配的檔案格式（IGS，STL，DXF等）。

5.2? CloudForm

CloudForm三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件是北京博維恒信科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用三維重建軟件。CloudForm主要功能是對(duì)3D CaMega三維掃描儀采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成高質(zhì)量整體的三維型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。CloudForm軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能處理高達(dá)數(shù)千萬點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，多種靈活精準(zhǔn)的拼接技術(shù)，強(qiáng)大的除噪融合功能、多種實(shí)用的計(jì)算手段、多種形式的數(shù)據(jù)接口，人性化的用戶使用環(huán)境。該軟件具有計(jì)算三維圖像數(shù)據(jù)任意兩點(diǎn)的距離（直線弧面、投影），計(jì)算角度、半徑等幾何尺寸，能夠獲取任意方位一條或多條截面線等功能。為滿足用戶對(duì)不同格式文件的需求，Cloudform預(yù)留了通用格式的數(shù)據(jù)接口，能輸出為ASC，IGS，STL，OBJ，WRL等格式。這些格式能和ProE，UG，SolidWorks，Catia，Imageware，Geogmagic，polyworks，Delcam，3ds Max等三維設(shè)計(jì)軟件兼容。CloudForm軟件中一般只用來進(jìn)行去噪處理和組內(nèi)拼接，其他操作如補(bǔ)洞、組間拼接在Geomagic軟件中處理速度會(huì)更快。

5.3? Anthroscan

Anthroscan（Scanworx）是一種三維圖像數(shù)據(jù)處理軟件，專門針對(duì)三維人體圖像的處理和數(shù)據(jù)提取而開發(fā)設(shè)計(jì)的。其主要功能包括：掃描儀掃描控制;以點(diǎn)云、三角網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)面等方式顯示3維圖像;圖像的凈化、平滑、三維網(wǎng)格重建等處理;生成封閉人臺(tái)Avatar;自動(dòng)提取人體尺寸;互動(dòng)測(cè)量人體尺寸，包括距離，維度，角度;任意提取人體圖像截面及分析;輸入各種3D格式，包括Csf.Stl，OBJ，DXF，Ascii，Vrml;互動(dòng)放置“電子皮尺”;測(cè)量尺寸輸出為Excel兼容格式;HTML格式的尺寸報(bào)告;支持多種姿勢(shì)的掃描;批處理功能;客戶自定義尺寸和掃描方案等;自動(dòng)導(dǎo)出人體尺寸到服裝量身定制CAD軟件中。

5.4? 3D Reshaper

3D Reshaper是一款處理3D掃描儀、CMM、激光掃描儀等3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模軟件。該軟件能進(jìn)行3D曲面重建及檢測(cè)，可簡(jiǎn)單快速處理點(diǎn)云，是件結(jié)合人體工程學(xué)，基于Microsoft Window環(huán)境所開發(fā)，其主要功能包括：導(dǎo)入與剔除，拼接配準(zhǔn)與最佳擬合、過濾、分類及刪減掃描噪點(diǎn);3D建模及噪點(diǎn)濾除、三角網(wǎng)重構(gòu)修補(bǔ)工具、模型網(wǎng)格裁切;IGES/STEP文件處理CAD模型生成。

6 ? 結(jié)語

通過對(duì)點(diǎn)云處理技術(shù)的研究對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)Geomagic Studio是被廣泛使用的逆向工程軟件，可與主要的三維掃描設(shè)備和CAD/CAM軟件進(jìn)行集成，在處理人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，能確保完美無缺的多邊形和NURBS模型處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)CAD軟件提高數(shù)倍且能夠作為一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序運(yùn)用于快速制造或作為對(duì)CAD軟件的補(bǔ)充。在后續(xù)項(xiàng)目中可使用該軟件完成對(duì)人體點(diǎn)云的處理，同時(shí)構(gòu)建良好的曲面模型完成三維人體建模。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫曉東.人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中若干問題的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]李志彥.基于Geomagic Studio的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維建模技術(shù)[J].科技資訊，2019（21）：13-14.

[3]徐尚.三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與精簡(jiǎn)技術(shù)的研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

[4]劉曉航.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的塑身內(nèi)衣舒適性系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究[D].北京：北京服裝學(xué)院，2017.

[5]楊斌.基于人體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與虛擬人體建模研究[D].北京：北京服裝學(xué)院，2017.

[6]孫曉東.人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中若干問題的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

（編輯 姚 鑫）

Point cloud data processing for human 3D scanning

Huang Xiaoya， Liu Li， Peng Fan， Fang Xin， Yuan Jiayi

（Changsha University， Changsha 410000， China）

Abstract：As 3D human modeling has wide applications in various fields， the existing laser 3D scanning technology is increasingly mature， and the data processing technology measured by laser 3D scanning needs to be studied， and point cloud data processing is also an important operation part of reverse engineering.The processing process is mainly some cloud filtering， point cloud registration， point cloud segmentation and 3D modeling， etc. These treatments play a decisive role in the later construction of the human 3D model. This paper introduces the research significance of the topic， the concept of point cloud， the method of preprocessing of point cloud data， and the research situation at home and abroad， and introduces several software that can handle human point cloud data.

Key words：point cloud data; processing method; 3D human scanning

基金項(xiàng)目：2020年的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱：云端專屬衣櫥;項(xiàng)目編號(hào)：4807091946。

作者簡(jiǎn)介：黃曉雅（2001— ），女，湖北黃石人，本科生;研究方向：光電。