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《西北工业大学》 2017年
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便携式人体扫描测量系统关键技术研究

王悦  
【摘要】:在载人航天、人机工程、现代医学整形、文物数字化与保护,以及服装设计等诸多领域都需要人体的相关数据,人体测量技术是十分重要的科研方向,也是工业化国家的基础科学技术之一,它具有重要的应用价值和广阔的发展前景。然而,我国工业领域对三维人体测量技术的研究起步较晚,成熟并可以推广使用的测量系统也不多,目前普遍存在硬件结构庞大复杂、图像处理速度慢、测量精度和工程实用性有待进一步提高等显著问题。为了解决上述问题,本文主要针对服装设计领域的迫切需求,同时也为了提高系统在其他领域的可扩展性,在考虑人体测量的特殊性的基础上,从便携式人体扫描测量系统关键技术方面展开深入研究,主要包括原理设计与数学模型的建立、快速人体激光条纹中心提取方法和系统机械误差插值校正方法三个方面。论文主要研究内容如下:(1)针对目前激光三维人体扫描测量系统普遍存在硬件结构庞大复杂的问题,设计了便携式人体扫描测量系统的基本结构与测量原理,采用了激光扫描头主动式俯仰旋转扫描的测量方式,使系统能够在竖直方向上获得更大的测量范围;激光扫描头由一个摄像机和一个线激光发射器组成,只需要两个扫描头(共两个摄像机)即可完成对被测人体的扫描测量,使系统采用最少的硬件装置获得完整的三维扫描点云数据,有利于节省空间、体积小、便于携带和降低开发成本;基于线结构光测量法的基本原理建立了本系统的数学模型。(2)专项设计并实现了由“计算机?运动控制器?步进电机?旋转云台”构成的旋转扫描装置的云台控制系统软硬件,既实现了对双云台的同步控制,也实现了双云台运动与双摄像机采集图像的同步匹配,使控制指令简便而易于操作。该部分研究内容是整个便携式人体扫描测量系统实现工程实用性的基础,不仅保证了系统对云台运行精度和转动速度的特殊要求,同时使机械装置更加紧凑而实用,而且降低了开发成本。(3)针对目前激光三维人体扫描测量系统普遍存在图像处理计算量庞大、处理速度慢的问题,结合便携式人体扫描测量系统的实际情况,从图像处理的第一个步骤——人体激光条纹图像预处理方法开始,在分析人体激光条纹图像特点的基础上,通过建立目标在图像中的位置数学模型,估算目标在图像中出现的极限位置,确定“包围盒”的位置尺寸,提出一种采用包含目标的“包围盒”子图像优化处理方法,从而减少图像处理的数据量,大幅地降低图像处理的时间,提高图像处理的速度;采用三次zierBe样条曲线插值法求取人体激光条纹中心位置处像素坐标;实验结果证明了该算法可以处理人体激光条纹图像,并能快速完成计算,适用于便携式人体扫描测量系统。(4)在分析了整个测量系统待标定参数的基础上,采用了张正友的平面模板标定法,对摄像机内部属性参数和径向畸变系数进行了标定实验,评估了标定误差和图像畸变校正效果,确保了系统的标定精度和成像精度;建立了系统参数a和?的标定计算方法;在全面分析了本系统误差来源的基础上,针对机械误差对最终的三维扫描点云数据结果影响显著的问题,建立了系统机械误差校正模型和插值补偿方法,并通过误差校正实验验证了该方法的有效性和可靠性,该部分研究内容使测量系统在精度方面更加准确。(5)在以上理论研究的基础上,结合人体测量的应用需要,设计并系统实现了一套测量精度高、扫描与图像处理速度快、工程实用性与价格均较好的便携式人体扫描测量系统;该系统实现了对被测人体的三维测量,并对得到的人体三维空间坐标数据进行了点云重构;设计了人体、人体模型和某工业产品零部件为被测对象的扫描测量实验,并设计了与其他先进的测量设备进行数据对比的对比实验,对测量结果进行了定量分析,实验结果验证了本系统所提及的科学研究与技术方法的正确性和有效性。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH789

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