光学数字人体形貌三维重建技术研究

【摘要】：生物医学与信息技术、计算机技术的结合，使人体信息数字化成为生物医学工程研究与应用中的热点和前沿问题。人体形貌的三维数字化是数字人体研究的一个重要方面，在生物医学领域的应用日趋广泛。人体形貌三维重建技术是人体形貌三维数字化的基础。用于数字虚拟人研究的机械切片断层成像三维重建方法，无法用于活人体的三维形貌数字化重建。基于X射线的断层扫描CT技术对软组织表面的三维重建效果也不是很好。因此，寻求新的技术方法来解决活人体形貌的数字化三维重建问题具有重要意义。 本文主要研究光学三维形貌术用于活人体形貌的三维重建技术问题。基于面结构光投影的傅立叶变换形貌术，理论上可重建活人体等动态物体，我们通过研究传统傅立叶变换形貌术及其在三维人体形貌重建中的应用，针对传统傅立叶变换形貌术的局限性，提出了窗口傅立叶变换形貌术和多尺度窗口傅立叶变换形貌术，以及它们在三维人体形貌重建中的应用。小波变换在空---频局域化、多分辨方面具有较大的优势，从理论上证明了在慢变位相梯度条件下，可通过求解小波变换脊的位相来解调变形光栅条纹的位相，进一步提出了直接提取小波变换脊位相的三维形貌术及其在三维人体形貌重建中的应用；并将小波变换脊用于瞬时频率的探测，通过瞬时频率来自动确定多尺度窗口傅立叶变换形貌术的尺度。针对传统相移形貌术只适用于静态物体的三维重建，提出并研究了高速数字相移技术用于准静态活人体的形貌重建。去包裹位相展开技术是基于面结构光投影位相解调形貌术的关键技术，针对位相突变和不连续点的去包裹位相展开难题，提出并研究了一种基于数论理论的去包裹位相展开技术。最后，针对嘴唇在动态过程中面形出现不连续区域并不断变化情况，本论文提出并实现了彩色编码数字条纹三维形貌术用于人在讲话过程中嘴唇的三维重建，这对研究在讲话过程中嘴唇的运动状况(如唇读、发音矫正等)具有一定的意义。