基于Kinect的人体三维重建与尺寸测量

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三维人体模型在现代医学、虚拟现实(Virtual Reality, VR)等领域应用前景广阔,三维重建技术已成为热门研究课题。在此背景下,基于不同原理和技术手段的三维重建方法不断被提出,商用三维扫描设备和系统陆续被推向市场。目前,技术成熟的三维重建系统主要基于激光、结构光,该类系统扫描速度快、重建精度高,但系统通常庞大复杂,不易部署操作,此外高昂的价格限制了系统本身的推广使用,也制约了三维重建技术的普及。如何以低廉的成本,方便、快速、精确的重建三维人体模型,成为了研究过程中一个热点和难点问题。随着Microsoft公司Kinect深度相机的推出,其小巧便携的特性、低廉的价格、较好的扫描精度,为上述问题的解决提供了一种可能。已有一些采用Kinect作为扫描设备并基于其采集的深度数据重建人体三维模型的方法和系统,但多数系统的重建结果精度不足,适用范围小。本文旨在研究基于Kinect深度相机的低成本、高效率、高精度三维人体重建方法。由于Kinect扫描范围和精度上的限制,在保证较高扫描精度的前提下,单台Kinect只能重建出人体的部分三维模型,为了获取完整人体的高精度三维模型,本文提出了一种使用两台Kinect的重建方法。本文的主要工作如下:(1)研究使用单台Kinect重建人体的局部三维模型的方法:包括深度图像采集、深度帧融合、重建结果输出等阶段;设计实现了基于该方法的重建系统;(2)研究使用两台Kinect重建完整人体三维模型的方法:两台Kinect同时运行,分别扫描人体上、下部分并生成三维点云,再基于摄像机标定过程获取的两台Kinect之间的姿态关系(旋转和平移矩阵),使用调整算法对去噪后的两片三维点云预处理,最后使用ICP算法配准两片三维点云获得完整人体三维点云模型;设计实现了基于该方法的重建系统;(3)提出了一种适用于三维点云模型的基于Dijkstra最短路径算法的人体尺寸测量方法:由三维点云构建kd-tree,搜索每个顶点的邻接点集合,再将每个顶点与其邻接点相连构成图结构,最后基于Dijkstra最短路径算法计算图中顶点间的最短距离;设计实现了基于该方法的人体尺寸测量系统,操作简单、实时可视且测量精度高。随着各领域对三维人体模型的需求越来越大,低成本、快速精确的三维重建技术愈加凸显出其重要性。本文基于Kinect人体三维重建系统能很好的满足该需求,适合推广使用。此外本文展示的三维人体尺寸测量系统也为三维人体模型在纺织业和服装设计领域的应用做出了探索,相信在三维重建技术研究的推动下,新的技术手段将改变行业内传统的低效生产方式,为促进行业的快速发展提供不竭动力。
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