基于雙目立體視覺技術的人體掃描系統的設計

宋昌江，吳 岡，姜 洋

（1.黑龍江省科學院自動化研究所重點實驗室，哈爾濱150090;2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150020）

伴隨科學技術的迅猛發展，科學技術產品也逐步改變人們的生活。20世紀90年代興起的基于計算機視覺的物體掃描技術得到了廣泛的應用并受到人們的認可。以相同原理設計非接觸式的三維人體掃描技術，秉承測試速度快、測量精度高等特點，在服裝設計與生產、人物造型、醫療、藝術等領域，實現了人們對于個性化、高效率的需求［1］。

對于人體的非接觸掃描的研究由來已久，其目的是為了獲取準確、完整的人體點云數據［2］。這些方法之中，被人們所熟知的是激光掃描，該方法是目前光學式掃描的主要方式，具有較好的市場反響。與之相比，基于雙目立體視覺技術的掃描方法，通過以二維圖片代替一維激光束的方式，在保證掃描精度的同時，大幅度縮短了掃描的時間。要求“活體”靜止是不可能實現的，只能通過最大限度地縮短掃描的時間來確保對人體的還原度，并且采用對人體完全無害的白光用于人體掃描更為適合。

1 系統設計原理

1.1 雙目立體視覺技術

雙目立體視覺［3］，是計算機視覺技術的關鍵技術之一。其基本原理是利用兩臺具有位置差異，但具有相同結構和性能的CCD相機，同時獲取被測物體圖像，通過位置視差，即空間中同一物點在兩幅圖像中對應不同的像點，通過這對對應點位置差異和內在聯系來重構該物點。如圖1所示，對于空間物體表面任意點P，設C1攝像機獲得的點P的像素點為pl。在OlP連線上任意一點P'的圖像都是pl，因此僅由pl點，無法確定P的位置。但是，如果用兩臺攝像機同時獲取點P，分別記為pl、pr。則P點既位于Olpl上，也位于Orpr上，即為兩直線的交點，而唯一確定［4］。

圖1 雙目立體視覺原理圖Fig.1 The princip le of binocular stereo vision

假設已知該任意點P在兩個攝像機C1和C2上的像素點pl和pr，再假設兩攝像機C1和C2的攝像機已標定，即已知兩攝像機矩陣M1和M2，則有

其中，（u1，v1，1）T和（u2，v2，1）T分別是pl和pr點在各自圖像中的圖像齊次坐標，（X，Y，Z，1）T為點P在世界坐標系下的齊次坐標，M1和M2為3×4矩陣，S1和S2為任意非零常數。聯立式（1）和式（2），消去S1和S2可得

由上述可知，如果相機的內外參數已知，（一般可通過攝像機標定確定），對應點匹配的準確性將直接影響雙目立體視覺方法的準確性。

1.2 對應點的約束

在一副對應的圖像中搜索對應點，可簡單比擬為在二維坐標系下確定一個點，即通過兩條相交的直線。這兩條“直線”就是兩個約束。如圖1所示，lr可表示為

其中

由射影幾何原理，存在一個2D單應H矩陣，該矩陣的秩為3，滿足Pl映射到Pr，即

由式（4）和式（6），可得

故定義基本矩陣F=［er］xH。

當系統滿足雙目立體視覺原理，則對應點存在基本矩陣關系，通常稱這種關系為極線約束。

1.3 相位約束

雙目立體視覺只提供了一個約束，另一約束需要通過其他方式獲得。在以往的研究中，采用傳統圖像處理的方法居多，比如Candy算子、Sift算子等。這些方法的特點是匹配速度快，但精度較低。如果被測物體為規則形狀，具有較好的效果。但對于形狀復雜，特別是人體，由于圖像與圖像間匹配精度不高，匹配的對應點對數量不足等原因，經常導致掃描重構失敗。因此，需要討論新的方式。本文引入相移技術，通過對被測物體的相位展開，提供獨立的相位約束。有關相移技術的基本原理這里就不多贅述，直接引用結果［5］。

這一約束就是一個相位解包裹的過程，目的是獲得分布連續的位相值。計算一個周期內，即在0與2之間的位相值，將相位值進行展開。利用在0到2之間的位相值的正切函數從定義域到值域之間存在的非一一對應的映射關系，即不同相位值的正切值可能是差異，這樣反正切函數只能取主值，從而使相位解包裹。

圖2（a）為例，計算的相位值是不連續的。我們可以看到，必須有一個非常不連續的步驟。通過相位解包裹，我們將得到一個連續的階段，如圖2所示（b）。

圖2 相位和相位解包裹后Fig.2 Phase and phase after unw rapping

2 系統實現

2.1 對應點匹配實現

雙目立體視覺的關鍵在于對應點的匹配精度。本文設計的搜索對應點的流程如圖3所示。

第一步:以左圖像點pl為例。計算該點相位值φ1，通過基本矩陣計算該點對應的右圖中極線l2。

第二步:在l2中尋找點p21、p22，滿足 min{|φ1－ φ21|+|φ1－φ22|}。

圖3 匹配算法流程圖Fig.3 Matching algorithm

第三步:在右圖中，以p21、p22為對角線的正方形區域內，采用重心法計算亞像素點p2。

如此往復，直至計算出所有所需的對應點對。

2.2 系統設計

依據由于本文系統設計原理，硬件主要設備采用:加拿大PiontGrey公司的FL3－GE－13S2C－C彩色數字CCD相機，該相機分辨率為1 288×964;韓國LG公司的LG50投影機，系統結構由自主設計完成。采用雙目立體視覺的方法設計系統，對系統硬件的空間關系要求不苛刻，首先需要兩個攝像機成一角度，且這個角度小于90°，為了設計簡便，則將兩攝像機成同一水平放置，固定在一個機架上。其次需要投影機投出的光柵圖像的范圍略大于攝像機采集的范圍，使得攝像機所采集的圖像為被光柵完全覆蓋范圍，且兩攝像機所采集圖像信息盡可能的重疊，以保證較大的測量范圍，因此投影機與水平方向放置的攝像機成一定的角度。這就是本文測試部分的基本要求。為一次性獲得閉合的人體點云，本文采用4組系統，同時工作的方式，如圖4（a）分別為單組和如圖4（b）4組系統的實物圖。

圖4 系統樣機實物圖Fig.4 The prototype object

2.3 實驗結果

通過自主研發的軟件，對人體模特掃描可得結果如圖5所示，分別顯示掃描結果。

通過對一組標準量塊的測量，驗證本文設計方法的精度。測試量塊選擇哈爾濱量具刃具廠生產的型量塊，符合GB/B6093－2001標準3級，選定的量塊分別為400 mm、500 mm。如表 1 所示，測量誤差為 0.54 mm、0.63 mm。

圖5 過程和結果圖Fig.5 The process and results

表1 標準量具測試表Tab.1 Standard measuring test

由于本文采用視覺方法，因此在較長時間內的實驗測試中，受光線強弱的影響比較明顯，但實驗數據表明，本文系統樣機能夠保證測試精度的穩定性和系統精度，誤差都小于1.0 mm。由于被測人體差異，測量的計算時間略有不同，進行一次測量的投影時間為16 s，計算時間在16～20 s。

3 結論

本文討論了雙目立體視覺技術在人體掃描中的應用。通過對雙目立體視覺技術特點分析，方法的設計和基于相移約束的對應點匹配的研究，實現了對人體快速、低誤差的掃描。最終測試掃描人體的誤差低于1 mm。采用對人體無害的白光，在16～20 s的測試時間內，能夠達到這一指標，對于人體的掃描有著十分重要的應用價值。

本文是對雙目視覺系統在人體掃描工作中的嘗試性應用研究，雖然獲得較好的效果，但在系統標定、點云拼接等方面還需要不斷深入研究和完善。

［1］陳益松，夏明.光學三角測量法及其在人體測量中的應用［J］.紡織學報，2012，33（12）:95—101.

［2］林琳.投影光柵法三維人體重構研究［D］.上海:東華大學，2009.

［3］P.F.LUO，S.S.LIOU.Measurement of cured surface by stereo vision and analysis［J］.Optics and Laser in Engineering，1998，（30）:471—486.

［4］JANNE HEIKKIL?，KUMPULAINEN.Second order initial value problemswith non－absolute integrals in ordered Banach spaces［J］.Nonlinear Analysis，2011，11（3）:1138—1156.

［5］GOODALL A.J.E.，BURTON DR.，LALOR M.J.The future of 3－D range image measurement using binary－encoded pattern projection［J］.Optics and Laser in Engineering，1994，（21）:99—110.