本發(fā)明涉及三維重建技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及人體坐姿三維掃描的裝置，同時(shí)提出了運(yùn)用該裝置實(shí)施人體坐姿三維重建的方法。

背景技術(shù)：

人體三維重建技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，也是近年計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)熱門研究課題。除站姿外，坐姿是人們生活和工作中最常采用的基本姿勢，研究坐姿下人體的三維重建方法，對人體數(shù)據(jù)庫建立、乘坐用具開發(fā)等方面具有重要作用。目前的人體三維重建研究主要集中在對人體標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢的重建，而缺少對坐姿重建裝置及方法的研究。不同于站姿，人體坐姿掃描需要解決兩方面技術(shù)問題：首先，坐姿掃描需要更復(fù)雜的人體支撐試驗(yàn)臺(tái)，在掃描過程中，試驗(yàn)臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)會(huì)不可避免的對掃描人體有所遮擋，從而對重建出的人體模型的完整性造成影響，降低人體坐姿三維幾何重建精度；其次，在坐姿狀態(tài)下，人體部分部位會(huì)由于人體自遮擋或設(shè)備掃描視角的限制導(dǎo)致人體幾何出現(xiàn)孔洞，例如臀部與大腿底部與三維掃描設(shè)備的視角平行，導(dǎo)致該部位的三維數(shù)據(jù)不易被捕捉到，從而使重建出的三維模型在該處形成孔洞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于kinect的人體坐姿三維重建的裝置和方法，本發(fā)明不僅能有效降低掃描過程中支撐結(jié)構(gòu)對人體的遮擋，而且能對未掃描到的孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，從而快速重建出完整的三維坐姿人體幾何，同時(shí)使用方便、成本低廉、通用性強(qiáng)、靈活性好、占用空間小，不受環(huán)境影響。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的的技術(shù)方案是：

一種基于kinect的人體坐姿三維重建裝置，包括電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）、與電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）固連的坐姿支撐臺(tái)、朝向電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）的三維掃描設(shè)備、與三維掃描設(shè)備連接的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；

所述電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）可由人工控制其在任意時(shí)刻開啟轉(zhuǎn)動(dòng)和停止轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度可調(diào)。

所述坐姿支撐臺(tái)包括座椅支撐桿（2）、座椅坐墊（3）、扶手（4）、扶手支撐板（5）、腳踏板（6）；

進(jìn)一步的，所述座椅坐墊（3）固接在座椅支撐桿（2）上，所述座椅支撐桿（2）高度可調(diào)，所述扶手支撐板（5）兩側(cè)均勻分布有插接孔（11），扶手（4）的底部可插在插接孔（11）內(nèi)并與其螺栓連接。

進(jìn)一步的，所述坐姿支撐臺(tái)可拆卸，并更換為帶靠背的坐姿支撐臺(tái)，所述帶靠背的坐姿支撐臺(tái)包括座椅支撐桿（2）、座椅坐墊（3）、扶手（4）、扶手支撐板（5）、腳踏板（6）、調(diào)節(jié)螺栓（12）、靠背支桿（13）、靠背（14）；

所述三維掃描設(shè)備包括kinect深度相機(jī)（7）和三腳架（8）；

進(jìn)一步的，所述kinect深度相機(jī)（7）固接在三腳架（8）頂端且鏡頭指向人體，三腳架（8）高度可隨人體坐高調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為60cm～150cm。

所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括usb數(shù)據(jù)線（9）、計(jì)算機(jī)（10）；

進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)（10）中安裝有kinect驅(qū)動(dòng)程序和自定義坐姿三維數(shù)據(jù)處理軟件。

進(jìn)一步的，所述座椅坐墊（3）、扶手（4）、腳踏板（6）、靠背（14）均采用高透光性材料（如亞克力）制成，人體各部位直接與這些部件接觸，由于其高透光性將不被kinect深度相機(jī)（7）捕捉，解決了坐姿支撐結(jié)構(gòu)對人體遮擋的問題，提高人體坐姿重建模型的精度。

優(yōu)選地，所述固定于三腳架（8）上的kinect深度相機(jī)（7）離地面高度為0.35h～0.60h，與電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）中心距離為0.9h～1.2h（h為人體坐高）。

優(yōu)選地，所述電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）的轉(zhuǎn)速為45～65秒/轉(zhuǎn)。

所述人體坐姿三維重建的方法包括如下步驟：

(a)開啟計(jì)算機(jī)（10），調(diào)用kinectfusion工具，初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括掃描范圍、圖像分辨率，模型輸出格式等；

(b)調(diào)整座椅坐墊（3）高度和扶手（4）位置，使坐在其上的人體保持規(guī)定坐姿；

(c)人體坐立于電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）中，手臂張開握住扶手（4），雙腳置于腳踏板（6）上，雙腿自然打開；

(d)啟動(dòng)kinectfusion三維重建功能，同時(shí)開啟電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）旋轉(zhuǎn)一周后，獲取人體三維重建初始數(shù)據(jù)；

(e)使用直通濾波器，去除人體以外的背景和環(huán)境數(shù)據(jù)；

(f)將人體點(diǎn)云中存在孔洞的位置分割出來，切取截面點(diǎn)云，利用最小二乘法對截面點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬合，通過擬合函數(shù)獲得孔洞處填補(bǔ)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成該截面的點(diǎn)云孔洞修補(bǔ)，得到最終完整的人體坐姿三維重建模型。

在本發(fā)明中，通過旋轉(zhuǎn)坐姿對象一周，軟件部分采集人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景、孔洞填補(bǔ)等處理，獲得具有較高細(xì)節(jié)特征的人體坐姿三維幾何模型。座椅坐墊（3）高度和扶手（4）位置可根據(jù)待三維重建的人體身材進(jìn)行調(diào)整，使人體保持規(guī)定的坐姿。同時(shí)，隨著座椅坐墊（3）高度的調(diào)整，即人體坐高的變化，固定于三腳架（8）上的kinect深度相機(jī)（7）距離地面高度和與電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）中心距離也隨之變化，從而保證了最佳的三維掃描精度。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明針對人體坐姿的特點(diǎn)，公開了一種基于kinect的人體坐姿三維重建裝置和方法，解決了傳統(tǒng)三維重建裝置對坐姿人體遮擋的問題，運(yùn)用本發(fā)明可以快速掃描得到完整的人體坐姿三維模型，在人體數(shù)據(jù)庫建立、乘坐用具開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要作用。

2.本發(fā)明裝置構(gòu)成合理，操作簡單，可根據(jù)不同身材的人體調(diào)整尺寸和位置，靈活性好，通用性強(qiáng)。

3.本發(fā)明重建精度高，成本低廉，使用方便，占用空間小且便于操作，可廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)人群的坐姿三維重建。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式的方法流程圖

圖例說明

1、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)2、座椅支撐桿3、座椅坐墊

4、扶手5、扶手支撐板6、腳踏板

7、kinect深度相機(jī)8、三腳架9、usb數(shù)據(jù)線

10、計(jì)算機(jī)11、插接孔12、調(diào)節(jié)螺栓

13、靠背支桿14、靠背。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：一種基于kinect的人體標(biāo)準(zhǔn)坐姿三維重建裝置

如圖1所示，它包括電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1、座椅支撐桿2、座椅坐墊3、扶手4、扶手支撐板5、腳踏板6、kinect深度相機(jī)7、三腳架8、usb數(shù)據(jù)線9、計(jì)算機(jī)10、插接孔11。在本實(shí)施例中，座椅坐墊3、座椅支撐桿2、扶手4、扶手支撐板5、腳踏板6構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)坐姿支撐臺(tái)，固接在電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1上，跟隨電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，座椅坐墊3的高度可通過座椅支撐桿2調(diào)節(jié)，扶手支撐板5兩側(cè)均勻加工有插接孔11，扶手4的底部可通過插在不同位置的插接孔11內(nèi)來調(diào)節(jié)扶手4的位置，kinect深度相機(jī)7固定在三腳架8的頂端，并通過usb數(shù)據(jù)線9與計(jì)算機(jī)10進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1放置在三腳架8的一側(cè)，kinect深度相機(jī)7的鏡頭朝向電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1，計(jì)算機(jī)10安裝有kinect驅(qū)動(dòng)程序和自定義坐姿三維數(shù)據(jù)處理軟件。

kinect深度相機(jī)7的有效拍攝距離為0.5～4.5m，其三維重建精度隨距離的增加不斷下降，拍攝距離過近，則kinect深度相機(jī)7無法掃描到完整的坐姿人體，而不同年齡和身材的人體具有不同的坐姿高度。因此，優(yōu)選設(shè)置所述固定于三腳架8上的kinect深度相機(jī)7離地面高度為0.45h，與電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1中心距離為1.1h（h為人體坐高）。

為了去除坐姿支撐臺(tái)對人體幾何的遮擋，同時(shí)為了快捷準(zhǔn)確地去除掃描得到的三維模型中人體幾何以外的數(shù)據(jù)，采用高透光性的亞克力材料作為與人體直接接觸的座椅坐墊3、扶手4、腳踏板6和靠背14的制作材料。此時(shí)，座椅坐墊3、扶手4、腳踏板6和靠背14的幾何外形不會(huì)被kinect深度相機(jī)7捕捉到，有利于提高人體重建模型的精度。

運(yùn)用本發(fā)明裝置進(jìn)行人體坐姿的三維模型重建的方法包括下列具體步驟，參見圖3：

(a)開啟計(jì)算機(jī)，調(diào)用kinectfusion工具，初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括掃描范圍、圖像分辨率、模型輸出格式等，具體地設(shè)定掃描范圍為0.5～4.5m，分辨率優(yōu)先為512*424，輸出格式為stl、obj或ply。

(b)調(diào)整座椅坐墊（3）高度和扶手（4）位置，使坐在其上的人體保持規(guī)定坐姿；

(c)人體坐立于電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）中，手臂張開握住扶手（4），雙腳置于腳踏板（6）上，雙腿自然打開；

(d)啟動(dòng)kinectfusion三維重建功能，同時(shí)開啟電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（1）旋轉(zhuǎn)一周后，獲取人體三維重建初始數(shù)據(jù)；

(e)使用直通濾波器，去除人體以外的背景和環(huán)境數(shù)據(jù)；

(f)將人體點(diǎn)云中存在孔洞的位置分割出來，切取截面點(diǎn)云，利用最小二乘法對截面點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬合，通過擬合函數(shù)獲得孔洞處填補(bǔ)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成該截面的點(diǎn)云孔洞修補(bǔ)，得到最終完整的人體坐姿三維重建模型。

實(shí)施例2：一種基于kinect的人體倚靠坐姿三維重建裝置

為使本發(fā)明裝置適用于更廣泛的坐姿姿勢，實(shí)施例1中的坐姿支撐臺(tái)可拆卸，并更換為帶靠背的倚靠坐姿支撐臺(tái)，如圖2所示，它包括電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1、座椅支撐桿2、座椅坐墊3、扶手4、扶手支撐板5、腳踏板6、kinect深度相機(jī)7、三腳架8、usb數(shù)據(jù)線9、計(jì)算機(jī)10、插接孔11、調(diào)節(jié)螺栓12、靠背支桿13、靠背14。其中座椅支撐桿2、座椅坐墊3、扶手4、扶手支撐板5、腳踏板6、調(diào)節(jié)螺栓12、靠背支桿13、靠背14構(gòu)成倚靠坐姿支撐臺(tái)，固接在電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1上，跟隨電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，座椅坐墊3的高度可通過座椅支撐桿2調(diào)節(jié)，扶手支撐板5兩側(cè)均勻加工有插接孔11，扶手4的底部可通過插在不同位置的插接孔11內(nèi)來調(diào)節(jié)扶手4的位置，座椅坐墊3與水平面的傾斜角度可通過調(diào)節(jié)螺栓12的擰入深度來調(diào)節(jié)，靠背14的支撐高度可通過靠背支桿13的伸出長度來調(diào)節(jié)。運(yùn)用該坐姿支撐臺(tái)可使人體保持規(guī)定坐姿的同時(shí)向后倚靠，重建出的三維模型可為帶有靠背的乘坐用具（如汽車座椅等）提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從而擴(kuò)大了本發(fā)明的適用范圍。

以上所述的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明的保護(hù)范圍的行為。