基于Geomagic的三維人體頭像建模技術(shù)的研究

魏天翔,黃潔瓊

(上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,上海201209)

基于Geomagic的三維人體頭像建模技術(shù)的研究

魏天翔,黃潔瓊

(上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,上海201209)

三維模型的數(shù)字重構(gòu)技術(shù)在逆向設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。它是針對(duì)人體頭像結(jié)構(gòu)唯一性的特征,運(yùn)用非接觸式測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)個(gè)性化三維人體頭像數(shù)字模型重構(gòu)的逆向技術(shù)。即通過激光三維掃描儀獲取人體頭像的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用逆向軟件Geomagic Studio對(duì)其進(jìn)行處理來創(chuàng)建STL模型或NURBS曲面模型,用于實(shí)現(xiàn)后續(xù)的快速成型或快速建模。

逆向技術(shù);人體頭像;Geomagic

0 引言

逆向工程也稱為反求工程(Reverse engineering)。與一般的設(shè)計(jì)制造過程相反,是從一個(gè)已有的物理模型或?qū)嵨锪慵a(chǎn)生出的相應(yīng)的CAD模型的過程,是整個(gè)逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán),也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和加工制造等應(yīng)用提供了數(shù)學(xué)模型[1]。隨著逆向工程研究的深入,三維掃描技術(shù)能高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)樣件表面數(shù)字化。它能快速地測(cè)量人體頭像的各部分?jǐn)?shù)據(jù),包括耳朵,鼻子,眼睛等尺寸,對(duì)美容、整形、修復(fù)醫(yī)學(xué)有著非常重要的作用。三維人體頭像建模常應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、整容、美容等方面[2]。逆向軟件是實(shí)現(xiàn)原始點(diǎn)云構(gòu)造曲面的有力工具[3]。Geomagic以先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ),不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)-線-面的曲面重構(gòu)方式,它提供了基于多邊形網(wǎng)格化的快速重構(gòu)方式,體現(xiàn)了數(shù)字外形重構(gòu)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)[4]。而其對(duì)三維曲面重構(gòu)所需要的時(shí)間只有同類軟件的三分之一[5]。筆者通過Geomagic軟件實(shí)例對(duì)CAD重構(gòu)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)樣件表面數(shù)字化,是實(shí)現(xiàn)逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)和首要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)獲取的方法分為兩種:接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要是通過三維掃描儀上的傳感測(cè)頭去碰觸被測(cè)量物體的表面,以獲取空間點(diǎn)的坐標(biāo)。這種方式的測(cè)量準(zhǔn)確性較高,但其測(cè)量的效率很低,測(cè)量過程往往依賴于測(cè)量者的經(jīng)驗(yàn)。非接觸式測(cè)量主要是通過激光對(duì)物體的空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩的掃描,以獲得物體表面的空間坐標(biāo)[5]。這種方式的測(cè)量因測(cè)量速度快、無需作半徑補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中已占據(jù)了主導(dǎo)地位。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集是由非接觸式三維掃描儀VIVID9I(美能達(dá))對(duì)其人體頭像進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。在采集的過程中,對(duì)三維人體頭像不同的六個(gè)面進(jìn)行掃描,在適當(dāng)拼接面處做少許的標(biāo)記點(diǎn)(特別在大面上),為視圖的拼接提供了很好的參考點(diǎn)。最終獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色后如圖2所示。

2 人體頭像數(shù)據(jù)模型的重構(gòu)

基于三維人體頭像數(shù)據(jù)的唯一性,在Geomagic逆向系統(tǒng)里完整的流程圖如下:

圖1 采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data acquisition

圖2 著色后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.2 Coloured point cloud data

2.1 點(diǎn)云階段的數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完后應(yīng)用Geomagic軟件打開VVD數(shù)據(jù),對(duì)點(diǎn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)。噪音數(shù)據(jù)的優(yōu)化(用來去除雜點(diǎn))、智能的取樣程序(用來降少點(diǎn)數(shù))、點(diǎn)云的過濾等都能排除在掃描時(shí)捕獲的多余或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。通過點(diǎn)階段的改進(jìn),點(diǎn)云數(shù)據(jù)能有效地多邊形化點(diǎn)云數(shù)據(jù),并得到一個(gè)較高質(zhì)量的多邊形對(duì)象。

2.1.1 多視圖的拼接

模型在掃描的過程中,單個(gè)視圖很難能夠表達(dá)出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)模型,往往是由多個(gè)不同的視圖拼接而成的。如果掃描儀本身的軟件自帶拼接功能,可以在掃描完單幅數(shù)據(jù)后進(jìn)行相鄰數(shù)據(jù)共同點(diǎn)的拼接。同樣在Geomagic逆向軟件中也能實(shí)現(xiàn)多視圖的拼接。Geomagic對(duì)齊數(shù)據(jù),它不完全依賴掃描儀來提供點(diǎn)云或多邊形信息,它是一種創(chuàng)新工具,用來注冊(cè)和合并多個(gè)未對(duì)齊的點(diǎn)云或多邊形模型。它能直接從掃描儀或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器導(dǎo)入原始數(shù)據(jù),并使用各種自動(dòng)和半自動(dòng)方式對(duì)齊。對(duì)齊一個(gè)對(duì)象的多個(gè)搭接的掃描數(shù)據(jù),通過使用手動(dòng)注冊(cè)(Manual Registration)命令,重定義對(duì)齊,使用全局注冊(cè)(Global Registration),合并單個(gè)掃描數(shù)據(jù)成一個(gè)單一的點(diǎn)云模型。拼接完后的頭像如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Point cloud data after mosaic

圖4 著色后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.4 Coloured point cloud data

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

拼接完的點(diǎn)云三維人體頭像模型中,由于在拼接時(shí)的一些相鄰面的重疊,整個(gè)模型的點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量非常之大,在模型處理時(shí)畫面會(huì)很不流暢。這時(shí)可以通過模型上的顯示一覽,來調(diào)整其在點(diǎn)階段的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)的百分比,使其減少在動(dòng)態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)量的顯示。

拼接完的單一掃描數(shù)據(jù),在掃描的過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些游離在主云系點(diǎn)之外的點(diǎn),這些點(diǎn)稱之為離散點(diǎn)。離散點(diǎn)并非是所需掃入進(jìn)來的點(diǎn)云數(shù)據(jù),可能是一些陽(yáng)光的反射、支撐物等這些物體。有時(shí)是以群系的狀態(tài)出現(xiàn)的,有時(shí)也以單個(gè)或少量的群系出現(xiàn)?？梢苑謩e通過選取體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)去拾取這些模型以外的點(diǎn),并去除它們。由于外界環(huán)境的震動(dòng),掃描儀的校正不精確或被掃描物體本身的表面處理不好,都有可能出現(xiàn)掃入的數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪點(diǎn)的情況。基于三維人體頭像數(shù)據(jù)的唯一性和特殊性,在減少噪音的時(shí)候盡可能去表達(dá)出人體本身的特質(zhì)。所以在減少噪音的時(shí)候,平滑級(jí)別滑塊放在中等偏下處,以保證人頭本身的特質(zhì)的完整性。

清理完雜數(shù)據(jù)后,經(jīng)掃描進(jìn)來的點(diǎn)云量非常之大,達(dá)到了八十多萬個(gè)點(diǎn),很顯然,在拼接的時(shí)候出現(xiàn)了點(diǎn)的重疊現(xiàn)象,需要采樣去重新調(diào)整點(diǎn)的分布情況。采樣分為兩種:統(tǒng)一采樣和曲率采樣。統(tǒng)一采樣主要在保持一個(gè)精確零件外表的基礎(chǔ)上來減少點(diǎn)數(shù),它所生成的點(diǎn)的分布是間距相等的點(diǎn)距。這種方式常常用于曲率采樣之前去完成前期采樣。曲率采樣是根據(jù)曲面變化的區(qū)域來分布點(diǎn)的數(shù)量,比如半徑或拐角處,曲率變化大的地方盡可能保持較多的點(diǎn)云數(shù)量,曲率變化小的地方預(yù)留較少的點(diǎn)云數(shù)量,這種方式的采樣能更多的體現(xiàn)被掃描物體的細(xì)節(jié)。曲率采樣的三維人體頭像采樣率為45。

2.2 多邊形階段的數(shù)據(jù)處理

多邊形階段實(shí)質(zhì)上是用許多細(xì)小的空間三角片來逼近還原CAD實(shí)體模型。不管是曲面封裝還是體積封裝,調(diào)整三角片質(zhì)量的好壞直接影響到其后擬合人體頭像的NUBRS曲面質(zhì)量,甚至出現(xiàn)變形[7]。三角面片的調(diào)整主要通過三角形刪除、光滑曲面、孔填充、邊修補(bǔ)等技術(shù)來生成高質(zhì)量的三角面片,導(dǎo)出的STL模型用以快速成型或?yàn)楹箅A段的NURBS曲面成型做準(zhǔn)備。

2.2.1 多邊形數(shù)據(jù)的處理

在人體頭像的表面總會(huì)因?yàn)闇y(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)缺失而產(chǎn)生有許多破孔,可以利用填充孔的命令對(duì)其丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)。破孔的修補(bǔ)分為三種:中間型、邊緣型和橋接型。這三種補(bǔ)孔的方式一般都是基于曲率的方式對(duì)破孔進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)人體頭像的特點(diǎn),本文采用了中間型和邊緣型的補(bǔ)孔方式對(duì)破孔進(jìn)行了修補(bǔ)。若直接補(bǔ)孔效果不佳時(shí),可以用補(bǔ)洞命令中的刪除功能把孔擴(kuò)大,再進(jìn)行補(bǔ)孔。這樣能避免人體頭像中出現(xiàn)相交三角形時(shí)補(bǔ)孔不佳的效果。如圖6所示。

圖5 封裝后的模型數(shù)據(jù)Fig.5 Model data encapsulation

圖6 補(bǔ)完孔后的模型數(shù)據(jù)Fig.6 Model data aid after the hole

由于在點(diǎn)階段的降噪并不能很好地還原出光順的三角片的質(zhì)量,在修復(fù)完破孔后,發(fā)現(xiàn)模型的表面有許多不平整三角面片。一些是模型本身的特征,還有一些是掃描時(shí)光線的反射因素造成的模型表面質(zhì)量問題?？梢酝ㄟ^去除特征、松弛、砂紙等命令對(duì)模型的表面進(jìn)行多邊形階段的編輯。特別注意的是,在做全局松弛的時(shí)候,盡量體現(xiàn)頭像本身的細(xì)節(jié),這樣能很好地還原其自身的唯一性。

由于掃描的局限性,在補(bǔ)完破孔和處理完模型表面的三角面片后,在其頸部還有一個(gè)沒有補(bǔ)全的破孔。根據(jù)模型的后期用途一般有兩種方法處理:模型用于快速成型即STL,可通過創(chuàng)建基準(zhǔn)和平面截面的方法把其頸部截面切平和補(bǔ)全;模型在多邊形階段處理完之后用于NURBS曲面成型,可以運(yùn)用邊界編輯、邊界松弛,光順頸部邊界,為曲面階段提供高質(zhì)量的三角面片。

圖7 多邊形階段處理完的模型數(shù)據(jù)Fig.7 Model data processing the polygon stage

2.3 曲面階段的數(shù)據(jù)處理

Geomagic中曲面片的劃分是做好曲面的關(guān)鍵。一個(gè)多邊形在曲面階段能成為一個(gè)開放的或封閉的NURBS曲面模型?？梢杂靡环N布局相似的方法來布局四邊曲面片覆蓋在模型的表面,一種多個(gè)分辨率網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)被放在每個(gè)曲面片上,通過NURBS曲面擬合每個(gè)曲面片來構(gòu)成高質(zhì)量的曲面。最終的成型曲面具有全局連接性、自動(dòng)UV參數(shù)化和G1連續(xù)性。相切的連續(xù)性可通過橫跨毗鄰的曲面片來保證,是通過所有曲面片邊界和角(使用指定的除外)的相連來獲得的。生成的NURBS曲面能作為IGES文件輸出,并輸入到后期的CAD/CAM軟件中或可視化系統(tǒng)中。

2.3.1 曲面模型的重構(gòu)

模型自動(dòng)化構(gòu)建的目的在于取得這些目標(biāo)理想結(jié)構(gòu),可以通過手動(dòng)和半自動(dòng)編輯工具來修改曲面片邊界的結(jié)構(gòu)和位置。為了改善曲面片的布局,曲面片移動(dòng)操作能用來局部地修改曲面片結(jié)構(gòu),用每次修改來保證一個(gè)正確的曲面片布局,移動(dòng)個(gè)別頂點(diǎn)可修改曲面片邊界。用曲面片移動(dòng)來創(chuàng)建更多規(guī)則的曲面片布局,產(chǎn)生NURBS曲面。在人體頭像曲面重構(gòu)的過程中采用了四個(gè)主要步驟:探測(cè)曲率/輪廓邊、構(gòu)建四邊曲面片、構(gòu)建格柵、構(gòu)建NURBS曲面。

曲面的形成一般都是由線到面的。有了輪廓線之后,必然要構(gòu)建四邊曲面片。曲面片是構(gòu)建NURBS曲面的框架構(gòu),也是創(chuàng)建NURBS曲面中的關(guān)鍵的一步。分解多邊形模型成為四邊曲面片,每個(gè)曲面片由四條叫作曲面片邊界的多義線圍成,其中的曲面片邊界是在多邊形曲面上呈現(xiàn)出來的,用來覆蓋模型的表面?？梢栽O(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)編輯曲面片的數(shù)量。如圖8所示。

為了計(jì)算NURBS曲面,要求由一個(gè)有序的點(diǎn)集來呈現(xiàn)對(duì)象。格柵創(chuàng)建的過程定義在每個(gè)的邊界曲面片里,相交點(diǎn)準(zhǔn)確地位于多邊形對(duì)象曲面上,并能用作計(jì)算NURBS曲面的樣條線。格柵越密,從多邊形曲面捕獲和呈現(xiàn)在最終NURBS曲面上的細(xì)節(jié)就越多。構(gòu)建格柵對(duì)三角形曲面自動(dòng)參數(shù)化,成為一個(gè)稠密的四邊拼湊物。

圖8 編輯完的曲面片布局圖Fig.8 Patch layout editor

圖9 完成后的NURBS曲面Fig.9 Completion of the NURBS surface

3 結(jié)束語

逆向工程的CAD建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)、零件的修復(fù)、仿真及數(shù)字多媒體等諸多領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)的處理中,商業(yè)的逆向軟件對(duì)點(diǎn)云的處理、三角面片的處理和曲面的處理的研究有了很大的進(jìn)步。但在實(shí)際應(yīng)用中往往還是取決于操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的積累?；贕eomagic的逆向技術(shù)的平臺(tái),對(duì)那些精度不高的零件或模型工藝品來說提供了一個(gè)非常好的逆向造型的技術(shù)手段,可以快速準(zhǔn)確地對(duì)模型零件進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的重構(gòu),顯著提高設(shè)計(jì)的工作效率,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

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Research of 3D Body Head Modeling Technology Based on Geomagic

WEI Tian-xiang,HUANG Jie-qiong
(School of Mechanical&Electronic Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

3D of digital refactoring in reverse design plays a very important role,in viewing the human body’s structure characteristics.It uses unique non-contact measurement techniques to create personalized 3D body image digital model for the reconstruction of the reverse technology.The use of a laser 3D scanner that creates human body image across point cloud data,which is processed with reverse software Geomagic Studio to create STL model or NURBS surface model,for the implementation of rapid prototyping or rapid modeling.

reverse technology;human head;Geomagic

TP391

A

1001-4543(2013)02-0117-06

2013-02-27;

2013-06-04

魏天翔(1985–),男,上海人,助教,碩士在讀(上海交通大學(xué)),主要研究方向?yàn)槟嫦蚬こ?、?jì)算機(jī)輔助制造,電子郵箱txwei@sspu.edu.cn。