人體三維掃描的點云數據處理

黃曉雅　劉莉　彭凡　方昕　袁佳藝

摘 要：隨著三維人體建模在各個領域的有廣泛應用，現有的激光三維掃描技術日益發展，而通過激光三維掃描所測得的人體點云數據處理技術還不成熟。點云數據處理是逆向工程中重要的操作部分，處理過程主要有點云濾波、點云配準、點云分割、三維建模等，這些處理對后期構建人體三維模型起著決定性作用。文章分析了該課題的研究意義、點云的概念、點云數據預處理的方法以及國內外的研究現狀，介紹了幾種可處理人體點云數據的軟件。

關鍵詞：點云數據;處理方法;三維人體掃描

0 ? 引言

近年來，激光三維掃描技術已成為發展趨勢，可以通過激光掃描更加便捷而精準地獲取三維人體表面的點云數據信息。激光三維人體掃描儀的出現，使三維動畫中的虛擬人物和服裝行業的虛擬試衣有了更方便的三維人體建模方式。與傳統的人體三維數據獲取技術相比，能快速、精確、無接觸地測量人體復雜表面，這種測量所得到的數據成為點云數據，然后將這些數據通過逆向工程軟件進行點云處理來構建人體模型[1]。

1 三維人體建模

目前，三維人體建模在人們生活中有著廣泛的應用，例如在游戲動畫、電影特效、服裝CAD/CA、人體測量、醫學研究等領域都有巨大的應用前景，而人體點云數據的獲取與處理是其中的關鍵技術，其中三維掃描技術可以快速便捷的獲取三維數據模型，因此在逆向工程設計、仿真中建立了一定的基礎。隨著三維掃描技術的發展，人們了對三維掃描模型點云的研究也將更加深入。而人體點云數據的表現形式具有稀疏性、無序性和幾何變換等特點，因此直接以點云為對象的研究引起眾多研究者的興趣。目前，三維人體點云的處理研究上多依賴于通用點云模型算法或轉化為網格模型進行處理。雖然通用的點云算法具有許多的優點，但還很難滿足人體測量學以及服裝工業的專業需求。因此對人體點云展開針對性的研究非常有必要[2-3]。

2? 點云的概念以及處理流程

2.1? 點云的概念

點云主要是由三維掃描設備所測得散亂的數字化數據，可構建出被測物體的模型，該模型是由一系列空間的采樣幾何點所構成的，以及與這些點相關的表面屬性。因此，構成點云的最基本單位是點，且每個點都是有與之相對應的工作信息[4]。這些無規律的三維點云數據除了點的三維坐標，通常不包含任何別的信息;數據中會含有一些“噪聲”和“孔洞”的數據，掃描采集的數據無法直接滿足用戶的需求，因此必須要經過“噪聲”篩檢、“空洞”修補等多種處理，這一系列數據將為后續快速、精確曲面擬合與虛擬建模工作做準備。

2.2? 點云處理流程

通過掃描儀得到點云數據經過點階段和多邊形階段，獲得一個良好的人體曲面模型。

（1）點階段。通過著色、數據清理、減少噪音點、采樣、三角形網格化等操作達到過濾點數據、消除重疊部分的目的[5]。

（2）多邊形階段。基于曲率孔填充、多邊形編輯、邊界修復、創建特征、橫截面等操作，獲得一個凈化邊界線、光滑曲面的人體模型[6]。

3? 點云處理方法

3.1? 點云數據預處理

（1）點云濾波。原始采集的點云數據往往包含大量散列點、孤立點，所以通過點云濾波的方法去除這些點。點云濾波的主要方法有：雙邊濾波、高斯濾波、條件濾波、直通濾波、隨機采樣一致濾波、VoxelGrid濾波等。

（2）點云關鍵點。關鍵點的數量比原始點云或圖像的數量少很多，它與局部特征描述子結合在一起組成關鍵點描述子，常用來代表和描述原始數據，從而加快了對數據的處理速度，例如在后續的識別，追蹤等技術上，因此關鍵點技術成為了三維信息處理中非常關鍵的技術。常見的三維點云關鍵點提取算法有以下幾種：ISS3D，Harris3D，NARF，SIFT3D等。

（3）點云數據管理。其主要包括點云壓縮，點云索引（KDtree，Octree），點云LOD（金字塔），海量點云的渲染。

3.2? 點云配準

點云配準按精度可分為粗拼接和精確拼接。粗拼接是將不同的坐標系下的點云數據都拼接到統一個坐標系下，其主要是為了后面的精度拼接提出一個初始值;精確拼接通過迭代計算出一組坐標變換參數，從而減小拼接誤差到最低。常用的點云配準算法大致分為兩種：正太分布變換和ICP點云配準。

3.3? 點云分割

對于像人體這種比較復雜、曲率變化較大的數據模型，使用傳統的CAD技術處理可能比較困難且所得精度不高，這時就需要考慮對人體點云數據進行點云分割，對整體進行細化分割分別處理，最后再將分割處理后的數據整體結合起來恢復到最原始的樣子。同時需注意，在點云分割中，選擇曲率平滑的地方進行分割，避免分割處理后的數據影響到最后的整體結合。

3.4? 三維重建

采集到的點云是充滿噪聲和孤立點的，三維重建算法為了重構出光滑曲面，通常需要處理這些噪聲點，獲得看上去很舒服的曲面。常用的三維重建算法和技術有：泊松重建、Delauary triangulatoins、表面重建、人體重建、建筑物重建、輸入重建、實時重建。

4 國內外發展現狀

目前，在歐美發達國家的十幾家公司已經開展了對三維圖像掃描應用技術的開發研制，并且已經初步形成了一定規模的產業。產品在掃描精確度、掃描反應速度、準確性、使用壽命、易操作性能等方面日益得到提高，使用領域范圍也在不斷擴大，使其在相關專業領域技術得到了巨大的應用發展，甚至一些相關學科成果通過三維掃描儀的技術研究得到了質的巨大飛躍。小到現代臨床醫學、游戲體育娛樂、電影影視特技、文物保護研究大至中到現代工業生產、航天應用科技、軍事應用科技，三維圖像掃描以及成像處理技術都在其中扮演了重要的主導角色。但相比之下，我國在這兩個方面的深入研究并不多見。雖然三維成像掃描激光成像處理技術的基本理論操作原理并不復雜，國內對其涉及相關成像學科的技術研究也一直處于國際前列。但國內對這兩個方面的研究主要局限于臨床理論基礎研究和臨床樣品研制階段，還不能完全大規模化地投入生產。究其原因：（1）國內成像制造業大多主要面向于中低端技術產品，對三維成像掃描儀及成像軟件技術的市場需求并不很高。（2）國內的相機制造業生產技術、工藝水平落后，而三維影像掃描儀的成像制作技術對我國制造業的要求比較高，需要更具有高技術水平的工藝制作設備才能正確使最后的建模成品有較高精度的成像特性。（3）國內對此技術有較大需求的產業由于市場資金充足大，所以都比較傾向于選擇使用國外成熟的技術產品，這也給國內三維掃描成像設備技術的發展進步帶來一定程度的不利影響。但是市場需求低、工藝技術落后并不完全表示這項關鍵技術在國內沒有發展前景。相反，隨著中國市場經濟的快速健康發展，國內電子科學信息技術的不斷進步，三維成像掃描儀的成像處理技術仍然有著巨大的應用市場。值得欣慰的地方是，華中理工大學和西北工業大學在這一系列方面的技術研究都已經有了巨大的先進成果，他們自主開發的和研制的配套設備在某些技術性能設計方面甚至可以領先一些國際先進水平。有益于我國的三維立體掃描成像技術的穩步發展，這些研究成果必將對其起到很大的推動促進作用。

5? 可處理人體點云數據的軟件

5.1? Geomagic Studio

Geomagic Studio是由美國Raindrop（雨滴）公司設計的一款逆向工程和三維檢測軟件產品，可根據人體通過三維掃描所獲得的點云數據自動生成準確的三維模型，并且通過這些數據來創建良好的多邊形模型或網格模型，使用軟件的功能將該模型轉換為NURBS曲面。該軟件主要功能包括：自動將點云數據轉換為多邊形（Polygons）、快速減少多邊形數目（Decimate）、把多邊形模型轉換為NURBS曲面、曲面分析（公差分析等）、輸出與CAD/CAM/CAE匹配的檔案格式（IGS，STL，DXF等）。

5.2? CloudForm

CloudForm三維點云數據處理軟件是北京博維恒信科技發展有限公司自主研發的擁有自主知識產權的專用三維重建軟件。CloudForm主要功能是對3D CaMega三維掃描儀采集到的三維點云數據進行預處理，形成高質量整體的三維型面點云數據。CloudForm軟件具備強大的數據處理能力，能處理高達數千萬點點云數據，多種靈活精準的拼接技術，強大的除噪融合功能、多種實用的計算手段、多種形式的數據接口，人性化的用戶使用環境。該軟件具有計算三維圖像數據任意兩點的距離（直線弧面、投影），計算角度、半徑等幾何尺寸，能夠獲取任意方位一條或多條截面線等功能。為滿足用戶對不同格式文件的需求，Cloudform預留了通用格式的數據接口，能輸出為ASC，IGS，STL，OBJ，WRL等格式。這些格式能和ProE，UG，SolidWorks，Catia，Imageware，Geogmagic，polyworks，Delcam，3ds Max等三維設計軟件兼容。CloudForm軟件中一般只用來進行去噪處理和組內拼接，其他操作如補洞、組間拼接在Geomagic軟件中處理速度會更快。

5.3? Anthroscan

Anthroscan（Scanworx）是一種三維圖像數據處理軟件，專門針對三維人體圖像的處理和數據提取而開發設計的。其主要功能包括：掃描儀掃描控制;以點云、三角網格、結構面等方式顯示3維圖像;圖像的凈化、平滑、三維網格重建等處理;生成封閉人臺Avatar;自動提取人體尺寸;互動測量人體尺寸，包括距離，維度，角度;任意提取人體圖像截面及分析;輸入各種3D格式，包括Csf.Stl，OBJ，DXF，Ascii，Vrml;互動放置“電子皮尺”;測量尺寸輸出為Excel兼容格式;HTML格式的尺寸報告;支持多種姿勢的掃描;批處理功能;客戶自定義尺寸和掃描方案等;自動導出人體尺寸到服裝量身定制CAD軟件中。

5.4? 3D Reshaper

3D Reshaper是一款處理3D掃描儀、CMM、激光掃描儀等3D點云數據的建模軟件。該軟件能進行3D曲面重建及檢測，可簡單快速處理點云，是件結合人體工程學，基于Microsoft Window環境所開發，其主要功能包括：導入與剔除，拼接配準與最佳擬合、過濾、分類及刪減掃描噪點;3D建模及噪點濾除、三角網重構修補工具、模型網格裁切;IGES/STEP文件處理CAD模型生成。

6 ? 結語

通過對點云處理技術的研究對比分析發現Geomagic Studio是被廣泛使用的逆向工程軟件，可與主要的三維掃描設備和CAD/CAM軟件進行集成，在處理人體點云數據時，能確保完美無缺的多邊形和NURBS模型處理復雜形狀或自由曲面形狀，生產效率比傳統CAD軟件提高數倍且能夠作為一個獨立的應用程序運用于快速制造或作為對CAD軟件的補充。在后續項目中可使用該軟件完成對人體點云的處理，同時構建良好的曲面模型完成三維人體建模。

[參考文獻]

[1]孫曉東.人體點云數據處理中若干問題的研究[D].北京：北京工業大學，2012.

[2]李志彥.基于Geomagic Studio的點云數據處理與三維建模技術[J].科技資訊，2019（21）：13-14.

[3]徐尚.三維點云數據拼接與精簡技術的研究[D].青島：中國海洋大學，2009.

[4]劉曉航.基于神經網絡的塑身內衣舒適性系統評價研究[D].北京：北京服裝學院，2017.

[5]楊斌.基于人體的點云數據處理與虛擬人體建模研究[D].北京：北京服裝學院，2017.

[6]孫曉東.人體點云數據處理中若干問題的研究[D].北京：北京工業大學，2017.

（編輯 姚 鑫）

Point cloud data processing for human 3D scanning

Huang Xiaoya， Liu Li， Peng Fan， Fang Xin， Yuan Jiayi

（Changsha University， Changsha 410000， China）

Abstract：As 3D human modeling has wide applications in various fields， the existing laser 3D scanning technology is increasingly mature， and the data processing technology measured by laser 3D scanning needs to be studied， and point cloud data processing is also an important operation part of reverse engineering.The processing process is mainly some cloud filtering， point cloud registration， point cloud segmentation and 3D modeling， etc. These treatments play a decisive role in the later construction of the human 3D model. This paper introduces the research significance of the topic， the concept of point cloud， the method of preprocessing of point cloud data， and the research situation at home and abroad， and introduces several software that can handle human point cloud data.

Key words：point cloud data; processing method; 3D human scanning

基金項目：2020年的大學生創新創業項目;項目名稱：云端專屬衣櫥;項目編號：4807091946。

作者簡介：黃曉雅（2001— ），女，湖北黃石人，本科生;研究方向：光電。