專利名稱：面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法
技術領域：
本發明涉及三維腳型的快速建模方法，尤其涉及一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法。
背景技術：
就腳型數據的獲取而言，目前的主流技術途徑是基于光學系統，包括1)基于激光的三角測量技術。是目前十分流行的三維數據獲取方式，精度高，適用范圍廣，但設備的價格昂貴。主要部件有高速攝像頭，激光發射器，信號處理器，高精度步進電機等。
2)基于結構光的測量技術。主要部件有專用投影儀，攝像頭等。精度中等，價格也中等。
3)基于計算機視覺的測量技術。主要的設備是攝像頭，其核心是立體視覺系統。
這些測量技術主要通過測量出所有的稠密的散亂點(上萬個)，來獲得被測量物體的三維模型，這種方法對沒有生命力的完全靜止的物體十分有效。但對于有生命力的物體的測量，由于在測量過程中，有生命的物體會產生細微運動。這種運動噪聲的直接影響，使得用戶就需要花費大量的后處理時間，顯得特別耗時耗力。我們根據人體腳型相似性的特點，通過建立人腳的標準參考模型，然后只需要稀疏的網格點(一般不超過1千個，可以在瞬間得到，把運動噪聲降到最低)，通過變形的手段，就可以快速地獲得人體的三維腳型模型。
變形建模方法是計算機輔助幾何造型的常見方法之一，通常用于某一類復雜物體的建模和造型。其基本的算法框架為對某一類物體的一個或多個已知的三維模型上，用戶首先指定他想要建模的該類物體的一組空間位置約束，然后檢查已知的三維模型是否滿足這些約束，如滿足，則直接返回該物體；否則，計算機系統自動地根據該類物體的形狀特性和領域知識，通過幾何推理和約束求解等手段，迭代地對已知模型的幾何和拓撲形狀進行變動和修改，直到結果模型滿足用戶的指定約束為止，并返回該結果模型。
發明內容
本發明的目的是提供一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法。
方法的步驟如下1)建立標準腳型庫；2)建立三維坐標，選擇輸入的稀疏網格腳的腳尖腳跟點構造腳長向量；3)旋轉稀疏網格腳模型使步驟2)中的腳長向量與Y軸平行；4)根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型；5)調整稀疏網格腳模型的姿勢和位置，使之均勻分布在標準腳模型的周圍；6)尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點；7)根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建，從而得到三維腳型數據。
本發明三維測量的目標是獲得待測量物體的稠密的三維數據模型。針對傳統的測量方法在對于有生命力的物體(如人體)的測量過程中，耗費的時間比較長，一般在10分鐘以上。由于有生命的物體會產生細微運動，形成運動噪聲，使得用戶就需要花費大量的后處理時間，特別地耗時耗力。我們所采取的方法是，利用目前的測量技術，瞬間(小于1秒)得到待測量物體的稀疏網格，從而把運動噪聲降到最低。然后根據人體腳型相似性的特點，通過建立人腳的標準參考模型，通過變形的手段，就可以快速地獲得人體的三維腳型模型。我們的方法對于所取得的視覺點數沒有要求，這一點是快速獲取結果模型的保證，極端的情況下，哪怕只取得用戶腳型上面的兩三個點，同樣可以應用本方法進行變形得到最終的三維腳型。
圖1是本發明選出的標準腳三維模型；圖2a是測試用例的稀疏網格腳模型；圖2b是由圖2a稀疏網格腳模型變換出的三維腳型；圖3是本發明步驟6)中子方法的包圍盒分割方法示意圖；圖4是本發明軟件流程圖；圖5是本發明尋找對應點子步驟軟件流程圖；圖6是本發明構造新曲面步驟軟件流程圖；圖7本發明測試流程圖。
具體實施例方式
三維腳型的稀疏網格的獲取方法，參見申請公開號C N 1 5 4 4 8 8 3 A的發明內容。在獲得三維腳型的稀疏網格后，將人群中的腳分類，如果待測量的腳型比較標準，從標準腳庫中選擇不同的年齡段、不同性別的標準腳，然后進行變形。
如圖4所示，面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法的步驟如下1)建立一個標準腳型庫用激光掃描的辦法獲取腳型庫中的三維腳型，根據不同的年齡，性別，腳長，分別選取一些腳型腳型較為規整的人來掃描，形成腳型庫。
2)建立三維坐標，選擇輸入的稀疏網格腳(見圖2a)的腳尖腳跟點構造腳長向量(腳尖向量-腳跟向量)；3)旋轉稀疏網格腳模型使步驟2)中的腳長向量與Y軸平行，即對稀疏網格腳模型的所有點實施分別圍繞X，Y，Z軸的轉動，直至步驟2)中選出的腳長向量與Y軸平行；4)根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型(見圖1)；5)調整稀疏網格腳模型的姿勢和位置，使之均勻分布在標準腳模型的周圍；6)尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點；7)根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建，從而得到三維特征腳模型(見圖2b)。
所述的根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型其步驟為1)在標準腳型庫中遍歷所有標準腳型信息，得到庫中腳型的腳長和腳寬數據；2)用當前的庫中腳長和腳寬數據與輸入的稀疏網格腳模型的兩個參數分別做差后，取兩個差值的乘積的絕對值；3)經過比較后，選擇絕對值最小的庫中腳作為此次變換的標準腳。
如圖5所示，所述的尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點步驟為1)分別對標準腳和稀疏網格腳模型建立直角包圍盒；2)根據稀疏模型的腳前掌，腳中段，腳后身的部分，把包圍盒的Y軸向即腳長向劃分為三塊；在腳的拇指翹點處把稀疏模型進行Z軸向即高度向劃分為兩塊；對標準腳進行同樣的處理；(見圖3)3)對稀疏網格劃分的小包圍盒中的每一個點，于對應的標準腳小包圍盒中尋找距離最近點，作為其對應點。
如圖6所示，所述的根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建可以分成如下幾個步驟(1)在已經構造好的包圍盒中建立局部坐標系O′-STU，其中S，T，U方向分別和原坐標系X，Y，Z方向相同。設笛卡兒坐標系O-XYZ中任意一點X在局部坐標系中的坐標為(s，t，u)，寫成向量表示則有X＝X0+sS+tT+uU (1)X0是局部坐標系的原點在笛卡兒坐標系中的坐標向量。由線性代數中的向量運算理論可以得到s=T×U·(X-X0)T×U·S,t=S×U·(X-X0)S×U·T,u=S×T·(X-X0)S×T·U---(2)]]>(2)在包圍盒上構造控制頂點網格Pi，j，k，分別沿S，T和U三個方向用平行于O′TU，O′SU，O′ST坐標面的等距截面將O′S，O′T和O′U等分為1，m和n個區間，則Pi，j，k可以表示為Pi,j,k=X0+ilS+jmT+knU---(3)]]>包圍盒內任意一點的笛卡兒坐標X可以表示為X(s,t,u)=Σi=0lΣi=0mΣk=0nPi,j,kBil(s)Bjm(t)Bkn(u)---(4)]]>其中Bil(s)，Bjm(t)，Bkn(u)分別是l，m，n次Bernstein多項式基函數。
上述l，m，n根據尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點步驟中的分割方法可知l＝1，m＝3，n＝2。
(3)求解新的控制頂點的位置。因為要生成的三維特征腳模型曲面依然要滿足(4)式，那么簡化成矩陣的表示方式則可以寫成如下形式Q′＝B(P+ΔP)或ΔQ＝BΔP(5)Q表示曲面上頂點坐標向量構成的矩陣，P為控制頂點的坐標向量矩陣，B表示由Bernstein多項式基函數計算出的權函數矩陣。ΔQ可以通過對應點對的向量差得到，B為已知矩陣，那么我們的問題就變成了求解方程中的ΔP，即ΔP＝B+ΔQ (6)其中B+表示矩陣B的廣義逆矩陣，它并不是一個方陣，因為控制頂點的個數和曲面上的頂點的個數在正常情況下是不相等的。下面我們工作就是計算B+。
(4)求解B的廣義逆。我們將采用下面的式子來計算B的廣義逆B+＝CT(DTBCT)-1DT(7)
第一步要對B進行滿秩分解，即得到B＝DC，其中C是上三角陣，D是下三角陣。C可以根據行初等變換得到，同時D保存它的逆初等變換矩陣的累積。然后根據上式就可以很容易得到B+了。
(5)重新構造曲面，生成三維特征腳模型。把第(4)步得到的B+代入到第(3)步的方程中，就可以得到ΔP。從而得到新的控制矩陣P′，這樣根據式(4)就可以求出新曲面上即最終結果三維特征腳模型上的每一點的坐標向量。
我們的方法已經在windows XP環境下用VC++6.0和OpenGL加以實現。我們采用的測試用例如下測試選到的標準腳模型(見附圖1)所包含的點數為4661個，所取得的稀疏網格腳模型的點數據為166個。B樣條基函數產生的權變換矩陣的秩是16。
圖1，圖2a和圖2b是課題組做的一次測試的結果，是由標準腳變換到三維特征腳模型的一幅對比圖。
為了驗證該算法的可靠性和正確性，我們采用了如附圖7的試驗流程分別進行三組獨立試驗然后取平均值的方法。并將結果和實際用戶手工的測量結果進行對比。
輸入視覺數據測量系統獲取三維稀疏網格腳模型后手工選取腳長向量，因為腳長向量對腳型參數的精確性影響很大(腳長向量決定了腳長及各個腳型凸點相對于腳跟點的y向坐標位置)，所以開放出來進行人工選取。腳長向量選好后進行三維特征腳模型重建，并獲的腳型參數用于評價三維特征腳模型的真實性。這部分系統會自動采用實施過程中所述算法，并獲取除圍度外的各個腳型參數。然后通過對圍度截面的調節獲得合理的圍度參數。下表是我們的測試結果和真實結果之間的對比表測試結果和真實結果對比表 單位毫米(mm)
誤差方面，從上表中可以看出，我們的測試結果和實際人腳基本符合。三次試驗數據表現出的抖動來源于如下幾個方面操作人員對系統的操作，腳長向量的選取，視覺數據的采集誤差，手工測量實際數據產生的誤差。
權利要求
1.一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法，其特征在于，方法的步驟如下1)建立標準腳型庫；2)建立三維坐標，選擇輸入的稀疏網格腳的腳尖腳跟點構造腳長向量；3)旋轉稀疏網格腳模型使步驟2)中的腳長向量與Y軸平行；4)根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型；5)調整稀疏網格腳模型的姿勢和位置，使之均勻分布在標準腳模型的周圍；6)尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點；7)根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建，從而得到三維腳型數據。
2.如權利要求1所述的一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法，其特征在于，所述的尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點步驟為1)分別對標準腳和稀疏網格腳模型建立直角包圍盒；2)根據稀疏腳模型的腳前掌，腳中段，腳后身的部分，把包圍盒的Y軸向即腳長向劃分為三塊；在腳的拇指翹點處把稀疏模型進行Z軸即高度向劃分為兩塊；對標準腳進行同樣的處理；3)對稀疏網格腳模型劃分的小包圍盒中的每一個點，于對應的標準腳小包圍盒中尋找距離最近點，作為其對應點。
3.如權利要求1所述的一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法，其特征在于，所述的根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建對稀疏網格采用B樣條曲面表示；通過求稀疏網格基函數矩陣的廣義逆與稀疏模型和標準腳模型對應點間的相對向量差的乘積的到新舊控制頂點的相對位置差；由舊控制頂點與相對位置差之向量和得到新控制頂點坐標。
4.如權利要求1所述的一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法，其特征在于，所述的建立標準腳型庫用激光掃描的辦法獲取腳型庫中的三維腳型，根據年齡，性別，腳長，分別選取規整腳型的人進行激光掃描，建立腳長腳寬的索引表，形成標準腳型庫。
5.如權利要求1所述的一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法，其特征在于，所述的根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型其步驟為1)在標準腳型庫中遍歷所有標準腳型信息，得到庫中腳型的腳長和腳寬數據；2)用當前的標準腳型庫中腳長和腳寬數據與輸入的稀疏網格腳模型的兩個參數分別做差后，取兩個差值的乘積的絕對值；3)經過比較后，選擇絕對值最小的標準腳型庫中腳型作為此次變換的標準腳。
全文摘要
本發明公開了一種面向稀疏網格的基于標準腳變形的三維腳型快速獲取方法。方法的步驟如下1)建立標準腳型庫；2)建立三維坐標，選擇輸入的稀疏網格腳的腳尖腳跟點構造腳長向量；3)旋轉稀疏網格腳模型使步驟2)中的腳長向量與Y軸平行；4)根據的腳長腳寬信息從標準腳型庫中選取一個腳長腳寬信息與之相接近的標準腳模型；5)調整稀疏網格腳模型的姿勢和位置，使之均勻分布在標準腳模型的周圍；6)尋找標準腳模型和稀疏網格腳模型之間的對應點；7)根據對應點重新修改稀疏網格腳模型的控制頂點，由新控制頂點對稀疏網格腳模型進行重建，從而得到三維腳型數據。本發明能快速獲取腳型三位數據，降低運動噪聲，且對所取的視覺點數沒有要求，結果與實際匹配良好。
文檔編號G01C11/00GK1773555SQ20051006127
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者潘云鶴, 耿衛東, 高飛, 徐興華, 王毅剛 申請人:浙江大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
