專利名稱：一種人體表面輪廓三維重建的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學測量技術領域、計算機圖像處理領域，更進一步涉及一種基于結構光的人體表面輪廓三維重建的方法和裝置。
背景技術：
人體表面輪廓測量可以采用印模法、CT成像法、激光掃描法、結構光法等方法。采取印模的方法比較簡便，但常常因為材料及軟組織受壓變形而造成三維重建的精確度差， 耗時長，并且有可能引起人體不適。醫(yī)院一般通過計算機斷層成像(CT)技術得到人體某部位完整的三維信息。但CT的成本過高，具有輻射，因此難以大范圍推廣使用。激光掃描法可以得到準確的人體表面輪廓，但激光設備成本過高，且設備日常維護費用也高，不易推廣。結構光技術是一種具有非接觸、測量范圍大、速度快、分辨率高、能夠測量復雜輪廓等優(yōu)點的測量方法，適用于人體等復雜物體的表面輪廓測量，近年來已被廣泛地應用于逆向工程、質量控制、虛擬現(xiàn)實和生物醫(yī)學等領域。但將結構光技術用于人體直接測量時，由于人體表面輪廓不僅是具有復雜形態(tài)，而且是具有復雜光反射情況的三維物體，因此與一般工程應用、人體模型測量等不同，需要對結構光技術進行改進。格雷碼與相移技術是光學三維測量中應用最廣泛的編碼結構光技術。格雷碼編碼簡單，抗干擾能力強，不受物體高度限制，但是隨著編碼圖案數目增加，將導致速度降低、解碼難度增大，因此格雷碼的分辨率有限。相移法適合測量小范圍表面連續(xù)的物體，分辨率高，但相位經過反正切運算求得，被限制在(-η/2，π/2]之間，對折疊相位展開的過程易出錯。且結構光技術用于人體表面輪廓測量時，對測量環(huán)境的要求較高，環(huán)境中的光線將對測量結果帶來較大誤差。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為了克服以上問題，提供一種結構簡單、制造成本較低、使用時對人體無輻射的一種人體表面輪廓三維重建的方法與裝置。本發(fā)明的技術方案是一種人體表面輪廓三維重建的方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)將投影儀投射區(qū)域，攝像機拍攝區(qū)域與人體被測部位對應；
(2)投影儀每次投射1幅圖像，攝像機就采集1幅圖像，投影圖像包括黑白圖像、格雷碼圖像和相移光柵圖像；
(3)處理采集的圖片，得到人體表面輪廓的三維信息。進一步的，包括以下步驟
(1)在計算機上預覽攝像機拍攝的圖像，調整飽和度，白平衡，gamma值等參數，使其拍攝的效果達到最優(yōu)；
(2)投影儀投射全白光和全黑光到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；
(3)投影儀投射五幅格雷碼圖像到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；(4)投影儀投射四幅相移光柵到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；
(5)對采集到的圖片進行濾波處理；
(6)通過步驟(2)、(3)拍攝得到的圖片對格雷碼圖像進行局部閾值二值化處理，并將格雷編碼轉換為二進制編碼，得到連續(xù)遞增的編碼區(qū)域；
(7)對步驟(5)得到的圖片中的相位信息進行反正切變換，得到折疊相位；
(8)將步驟(7)得到的折疊相位在步驟(6)得到的各編碼區(qū)域上展開，最終得到連續(xù)的展開相位，并對展開過程進行周期錯位校正；
(9)構造一參考平面的相位，與步驟(8)的相位相減，得到與人體表面輪廓高度信息對應的絕對相位信息；
(10)采用相位誤差擬合函數的方法對步驟(9)的誤差進行補償，得到最終表征人體表面輪廓信息的絕對相位；
(11)根據測量系統(tǒng)的標定參數與步驟(10)的結果，重建人體表面輪廓。進一步的，所述投影儀投射的四幅相移光柵的光強公式為
其中 N=4，i=l、2、3、4。本發(fā)明可在一般環(huán)境下直接對人體表面輪廓進行圖像采集，單次采集時間小于2 秒。一種人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于包括投射編碼光柵條紋到人體上的投影儀、采集經人體待測部位反射的變形的編碼光柵條紋的攝像機以及和分別和投影儀、攝像機相連，用于圖像處理、重建和顯示人體體表三維輪廓的計算機。進一步的所述人體表面輪廓三維重建的裝置還包括獨立的投影圖像生成模塊， 所述投影圖像生成模塊分別于計算機和投影儀相連。進--步的所述編碼光柵條紋是格雷碼編碼光柵條紋與正弦編碼光柵條紋。
進--步的所述正弦編碼光柵條紋間存在相移關系。
進--步的所述投影儀的分辨率在800*600以上。
進--步的所述攝像機的分辨率為10M*768以上。
進--步的還包括分別設置在投影儀和攝像機下方的可調節(jié)支架，使投影儀和攝
像機與人體待測部位位于同一水平面。本發(fā)明的技術方案是 本發(fā)明的優(yōu)點是
1)根據投影儀特性以及投影與拍攝間的時間特性，設計了相位誤差補償曲線，提高了人體表面輪廓的重建準確度。改進了一般周期校正方法，并將其用于校正人體表面輪廓的絕對相位，提高了人體表面輪廓的重建準確度。采用獨立的投影圖像生成模塊，用于生成投影圖像，并控制投影儀投影圖像，便于控制從投影儀投射圖像到攝像機采集圖像間的時間間隔，提高了相位誤差擬合函數的穩(wěn)定性。采用投射全白與全黑圖像的方法，降低了人體表面輪廓三維重建對測量環(huán)境的要求。本發(fā)明采用對全圖像直接處理的方法，與傳統(tǒng)識別光柵條紋中心的方法相比，不需要對處理結果進行插值等處理，人體表面輪廓三維重建的精度更高。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
圖ι本發(fā)明中投影儀投射的5幅格雷碼(a e)和4幅相移光柵(f i)圖片。圖2本發(fā)明用于相位誤差補償的擬合曲線。圖3本發(fā)明提出的人體表面輪廓三維重建裝置的系統(tǒng)框圖。圖4本發(fā)明提出的人體表面輪廓三維重建方法流程圖。其中1投影圖像生成模塊；2計算機；3投影儀；4攝像機；5人體待測部位。
具體實施例方式實施例系統(tǒng)工作前，預先根據設置的投影圖像與采集圖像間的時間間隔，采用擬合函數法對投影圖像的相位誤差進行曲線擬合，得到如圖2所示的相位誤差補償曲線。在計算機上預覽攝像機拍攝的人體圖像，調整系統(tǒng)與人體的相對位置，使得攝像機拍攝的區(qū)域、投影儀投射光柵的區(qū)域剛好在被測的人體部位。調整攝像機的參數，有焦距、gamma值、飽和度、白平衡(自動或手動)、曝光時間(自動或手動)等，使得拍攝的圖像最清晰，色彩失真最小。投影儀一共投射11幅圖像，包括1幅全白、1幅全黑、5幅格雷碼、4幅相移光柵圖像，投影儀每次投射1幅圖像，攝像機就采集1幅圖像，整個過程控制在3秒內。開始采集后，投影儀在投影圖像生成模塊的控制下投射全白光與全黑光，即光強為1=255和1=0，攝像機采集得到的圖像記為圖像1和圖像2 ；投影儀投射5幅格雷碼圖像， 如圖1中a e所示，攝像機分別采集得到的5幅圖像記為圖像3 圖像7 ；投影儀投射4 幅相移光柵圖像，如圖1中f i所示，光柵的光強公式為
T0i(U) = α +i(x,j)cos(2i!f0x + 1M/hI)
其中N=4，i=l、2、3、4。相鄰兩幅圖像光柵的相移差為η攝像機拍攝的圖像分別記為圖像8 圖像11。對攝像機拍攝的11幅圖像進行濾波處理。對格雷碼圖像進行局部閾值二值化，具體步驟為對于某一像素點，記圖像1(全白光)中該像素的灰度為fb，圖像2 (全黑光)中該像素的灰度為fd，圖像3 圖像7中該像素的灰度為fi，取閾值T為
T = mi((fsXx,y)-fd(x,y))/2)
對于這樣一個閾值，令
f (x,y) = Q μ s(x,}^)>T/(W) = I if Jj (x, y) < T
對二值化之后的格雷編碼進行轉換，記格雷編碼為g(l) g(5)，轉換后的二進制編碼為b(l) b (5)，轉換公式為
b(l) = g0) M)^xor(b(i-llg(i))；
其中 i=2、3、4、5。四步相移法所求的折疊相位為
/ -/
-(W) = arctan ———丄
J1 -13
相位被包裹在(-η/2，π/2]之間，對于任一像素，將該像素的折疊相位與該像素二進制編碼所對應的十進制數相加，得到展開相位。相位分布在0 π，η為光柵周期數。由于格雷碼和相移圖案在強度圖像中周期不完全重合，會產生周期錯位的誤差， 所以需對展開的相位進行周期錯位校正，具體方法為逐行掃描每一像素點，分別對相鄰兩像素點作差進行比較，找到相位突變和解碼周期增加的像素點的位置，若相位發(fā)生突變，即
#(* /) — iKhj-視)^ ^/2 ,而其對應解碼周期值未增加即k(i,jy 二-腿》時,則調
節(jié)解碼周期值，使k(ij) = k(i,f) +1 ；若解碼周期值增加k(i，j) — k{ij- 》=1 ,而相
位值未發(fā)生突變即Hi,J)~ HiJ-概)<π/2 ,則調節(jié)解碼周期值，使Jt(IjJ) = k(i,j)-l。
從而使得解碼周期和相位周期的變化保持一致。其中m為像素點間的間隔。構造參考平面的展開相位，由于參考平面為一理想平面，所以參考平面的展開相位是單調且相位值均勻變化的。將兩個展開相位相減，就可以得到人體表面的三維輪廓信肩、ο采用擬合相位誤差函數的方法對上一步的結果進行補償，求得的擬合函數如圖2 所示，對于結果中任一像素點的相位值，在函數中得到所對應的誤差，并將這個誤差減去， 得到最終人體表面輪廓對應的絕對相位。最后根據系統(tǒng)標定參數與絕對相位，完成三維重建，整個工作流程如圖4所示。如圖3所示的人體表面輪廓三維重建的裝置包括投影圖像生成模塊1，計算機2， 投影儀3以及攝像機4。投影圖像生成模塊1用于生成投影圖像，接收計算機2的指令，控制投影儀3，并發(fā)送已投影消息給計算機2 ；投影儀3受控于投影圖像生成模塊1，并投射其發(fā)送的圖像；攝像機4用于采集圖像，并將采集所得圖像發(fā)送給計算機2進行處理；人體被測部位5為待重建人體表面三維輪廓；計算機2，用于接收投影生成模塊1發(fā)送的消息，控制攝像機4的采集時間，接收攝像機4發(fā)送來的采集圖像并處理，最終完成人體表面輪廓的三維重建。本發(fā)明的一個實施例中使用的投影儀是Optoma DNX0516型DLP投影儀，攝像機是維視MVC-200UC型CCD，分辨率選擇800*600像素，測量時間在2秒內。
權利要求
1.一種人體表面輪廓三維重建的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將投影儀投射區(qū)域，攝像機拍攝區(qū)域與人體被測部位對應；(2)投影儀每次投射1幅圖像，攝像機就采集1幅圖像，投影圖像包括黑白圖像、格雷碼圖像和相移光柵圖像；(3)處理采集的圖片，得到人體表面輪廓的三維信息。
2.根據權利要求1所述的一種人體表面輪廓三維重建的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在計算機上預覽攝像機拍攝的圖像，調整飽和度，白平衡，gamma值等參數，使其拍攝的效果達到最優(yōu)；(2)投影儀投射全白光和全黑光到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；(3)投影儀投射五幅格雷碼圖像到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；(4)投影儀投射四幅相移光柵到人體表面，并由攝像機拍攝圖像；(5)對采集到的圖片進行濾波處理；(6)通過步驟(2)、(3)拍攝得到的圖片對格雷碼圖像進行局部閾值二值化處理，并將格雷編碼轉換為二進制編碼，得到連續(xù)遞增的編碼區(qū)域；(7)對步驟(5)得到的圖片中的相位信息進行反正切變換，得到折疊相位；(8)將步驟(7)得到的折疊相位在步驟(6)得到的各編碼區(qū)域上展開，最終得到連續(xù)的展開相位，并對展開過程進行周期錯位校正；(9)構造一參考平面的相位，與步驟(8)的相位相減，得到與人體表面輪廓高度信息對應的絕對相位信息；(10)采用相位誤差擬合函數的方法對步驟(9)的誤差進行補償，得到最終表征人體表面輪廓信息的絕對相位；(11)根據測量系統(tǒng)的標定參數與步驟(10)的結果，重建人體表面輪廓。
3.根據權利要求2所述的一種人體表面輪廓三維重建的方法，其特征在于，所述投影儀投射的四幅相移光柵的光強公式為 (U) = Φ,,Υ) +h(x,y)cos(2^0x + ZM/js[)其中 N=4，i=l、2、3、4。
4.一種人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于包括投射編碼光柵條紋到人體上的投影儀、采集經人體待測部位反射的變形的編碼光柵條紋的攝像機以及和分別和投影儀、攝像機相連，用于圖像處理、重建和顯示人體體表三維輪廓的計算機。
5.根據權利要求4中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于所述人體表面輪廓三維重建的裝置還包括獨立的投影圖像生成模塊，所述投影圖像生成模塊分別于計算機和投影儀相連。
6.根據權利要求4中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于所述編碼光柵條紋是格雷碼編碼光柵條紋與正弦編碼光柵條紋。
7.根據權利要求6中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于所述正弦編碼光柵條紋間存在相移關系。
8.根據權利要求4中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于所述投影儀的分辨率在800*600以上。
9.根據權利要求4中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于所述攝像機的分辨率為10M*768以上。
10.根據權利要求4中所述的人體表面輪廓三維重建的裝置，其特征在于還包括分別設置在投影儀和攝像機下方的可調節(jié)支架，使投影儀和攝像機與人體待測部位位于同一水平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人體表面輪廓三維重建的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將投影儀投射區(qū)域，攝像機拍攝區(qū)域與人體被測部位對應；(2)投影儀每次投射1幅圖像，攝像機就采集1幅圖像，投影圖像包括黑白圖像、格雷碼圖像和相移光柵圖像；(3)處理采集的圖片，得到人體表面輪廓的三維信息。本發(fā)明根據投影儀特性以及投影與拍攝間的時間特性，設計了相位誤差補償曲線，提高了人體表面輪廓的重建準確度；改進了一般周期校正方法，并將其用于校正人體表面輪廓的絕對相位，提高了人體表面輪廓的重建準確度；采用獨立的投影圖像生成模塊，用于生成投影圖像，并控制投影儀投影圖像，便于控制從投影儀投射圖像到攝像機采集圖像間的時間間隔，提高了相位誤差擬合函數的穩(wěn)定性。
文檔編號G01B11/24GK102175179SQ20111004340
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權日2011年2月23日
發(fā)明者劉欣冉, 周平 申請人:東南大學