基于图像序列的人体表面三维重建研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文基于图像序列的人体表面三维重建研究姓名：史晨虹申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：薛志东20080603I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着计算机技术以及三维数字成像软硬件技术的飞速发展三维表面重建技术越来越受到人们的关注应用也越来越广泛三维表面重建技术可以概括为获取三维点云数据信息对三维点云数据信息进行处理和基于点云数据信息完成三维表面重建三维点云数据的收集作为三维表面重建的第一步是整个重建过程中数据的来源其精确与否直接关系到重建结果的精确度在已知点云数据的情况下实现表面重建涉及到计算几何拓扑学以及计算机图形学等多领域的知识因此三维表面重建的研究具有重大理论研究意义和现实应用意义 本文立足于使用常用设备即普通光学摄像机或照相机在通常条件和相对简单背景环境下利用微型计算机快速准确完成三维表面重建主要目的是重建人体表面三维模型重点放在点云数据的获取原理获取过程和人体表面三维重建的研究主要工作包括以下部分 首先论述使用基于单一相机(摄像机)通过物体轮廓提取 重建三维表面模型的算法原理随后对算法进行修改使之适合本文所使用的重建设备和环境并通过实验验证算法的正确性给出实验结果通过实验进一步发现算法中存在的问题对算法进行进一步改进并对算法的误差和实验中可能出现的错误引进行了定性讨论 根据改进后的算法分析了人体模型的特点对人体模型进行划分根据划分的不同模型研究了不同模型在三维表面重建过程中的特点并对这些模型进行了三维表面重建 关键词三维表面重建 轮廓 等高线 点云数据 人体模型 II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the rapid development of three-dimensional computer technology and digital imaging software and hardware technology, the three-dimensional surface reconstruction has got more and more people's attention, and more and more widespread applications. The three-dimensional surface reconstruction can be summarized into the accessing of three-dimensional point cloud data, the 3D point cloud data processing, finally complete the three-dimensional reconstruction of the surface based on the point cloud data. As the first step in the process of three-dimensional surface reconstruction, the 3-D point cloud data collection is the sources of rebuilding the model, whether it's accuracy or not directly related to the precision of the results of reconstruction. On the other hand, known point cloud data, to achieve surface reconstruction, which involves computational geometry, topology, and computer graphics, and other fields of knowledge. Therefore, the three-dimensional reconstruction of the surface is of great theoretical study and practical application of significance. Among the starting point is the use of simple equipment that ordinary optical camera or a camera, in relatively simple and routine conditions of the background environment, use microcomputer to complete 3D surface reconstruction rapidly. Main purpose is to build three-dimensional surface of the body's reconstruction model, with a focus on point cloud data on the principle of access and access to the process. Its main tasks are the following. First of all. Based on the use of a single camera (camera) through the objects contour extraction, three-dimensional reconstruction of the surface of the model algorithm principle. Through the outline of objects from image processing, data recovery through the outline of three-dimensional surface contour shape, contour adoption of three-dimensional reconstruction of objects on the surface model. According to the improved algorithm, the analysis of the characteristics of a human model, a model of the human body. According to the breakdown of different models, discussed the different models in three-dimensional surface of the reconstruction process and the characteristics of these three-dimensional model of the surface reconstruction. Key words: 3D surface reconstruction Silhouette Contour Point cloud data Human model 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 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学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密? 在 年解密后适用本授权书 不保密? 请在以上方框内打“?” 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日本论文属于 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 目的与意义 随着当代科学技术特别是计算机技术的迅速发展虚拟现实和三维重建等技术得到了人们越来越多的关注通过对物体实现三维表面重建可以得到数字化物体的三维信息其具有较高的应用价值和非常广泛的市场前景三维表面重建技术不仅广泛的用于虚拟现实零件加工制造技术汽车工业航天工业服装设计军工动画游戏娱乐以及文物保护等众多领域同时人体表面建模研究成为医学人体生理学人体工学等领域关注的焦点问题人体表面三维重建技术推动了众多领域的发展展示出了强大的生命力和发展前景 在人体形态领域通过建立完整的人体表面三维模型从医学生理角度讲可以从中分析人体的外观体型判断人体的体型是否存在某种问题如肥胖消瘦畸形发育不良甚至是体态上的美丑从虚拟现实的角度讲在视频电视会议等应用中可以提供三维立体的虚拟环境从动画设计的角度讲随着人们欣赏水平的提高越来越多的动画采用三维立体显示通过建立真实的人体三维模型可以辅助动画的制作和设计过程传统的二维图像仅能获取平面上的图形图像信息其获取的信息由于在采集记录时丢失了相位信息使其失去了立体感无法进行多角度的观察与分析研究而真实的客观世界是三维的对它们进行真实的记录分析等都迫切需要三维表面重建技术 三维表面重建技术就是将以一定方式获取并记录的三维信息加以整理转换成计算机能够识别的数据并在计算机中进行处理将三维物体数据结构中蕴含的几何信息恢复成图形图像显示出来由此可以方便快速地对物体进行定量分析显示和处理等工作随着计算机技术的飞速发展在运行速度存储容量及显示等方面已经能够比较好的处理三维表面信息数据量大结构复杂等问题 研究人员已经开发出了如激光条纹和其他编码的光投影系统可是这些系统有在表面反射系数很低的区域(如黑色的头发)或镜面反射系数很大的区域无法收集到2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 满意数据对于远距离物体不够精确且难以校准需要在比较暗的屋子里使用特殊的光照(使用激光除外)等不足特别是针对于人体表面的三维重建如果采用激光测距方法当激光连续不停的扫过人的面部时人会感到不舒服 在人体表面三维重建领域国内外已经展开了的一些研究并建立了一些相关系统但是一个无法回避的问题是现行的系统大多需要较为昂贵的设备或是特殊的环境例如使用较为昂贵的激光全身扫描仪该设备占用的空间较大使用不方便在通常环境中无法使用特别是在国内在简单环境中对人体进行三维表面重建的研究并不多目前国内较为成熟的方法是利用激光测距方法对人体进行三维数据采集所以若在普通环境下使用常用设备(单个摄像机普通旋转平台)对人体表面实现三维重建将克服在表面反射系数低的区域或镜面反射系数很大的区域无法收集到满意数据对于远距离物体不够精确且难以校准对环境要求较高等不足无论是在理论研究方面还是在降低成本普及应用等方面都是很大现实意义 为了达到以上目的本文研究基于图像序列的人体表面三维重建使用普通的单一摄像机在简单的环境下从人体旋转过程中获取表面的三维数据信息并利用这些三维数据完成人体表面的三维重建 1.2 国内外研究概况 三维表面重建技术已经成功的用于数字化可视人体[1-3] (Digitized Visible Human)数字故宫数字米开朗基罗计划[4,5]数字化罗马城市[6]等众多工程应用中特别是在 P.Giblin 和 R.Weiss[7]首次提出了通过表面轮廓进行三维重建的理论后基于图像序列的三维表面重建技术作为三维表面重建技术的一种表现出了非常广泛的应用前景如虚拟服装设计[8,9]人体体型生。