基于差分圖像人體特征點獲取與有限元模型重建

段了然，李春蘭，夏蘭蘭，崔詩晗

（新疆農業(yè)大學機械交通學院，烏魯木齊 830052）

基于差分圖像人體特征點獲取與有限元模型重建

段了然，李春蘭，夏蘭蘭，崔詩晗

（新疆農業(yè)大學機械交通學院，烏魯木齊 830052）

為研究觸電時流經人體觸電電流的大小及分布情況，需建立人體等效模型。針對人體本身是不規(guī)則幾何體的特點，通過圖像差分法獲得人體輪廓圖像，采用形態(tài)學算法對人體輪廓進行優(yōu)化處理，再對優(yōu)化后的人體輪廓進行查找，獲得人體特征點的特征坐標，在Ansys平臺實現三維人體重建。研究成果對觸電分析奠定一定理論基礎。

差分圖像；人體輪廓；特征點提取；人體重建

0 引言

人作為特殊的生物體，不可能直接將其作為觸電試驗的研究對象。為研究人體觸電電流的大小及觸電電流的流通路徑，需建立三維人體模型。三維人體重建技術廣泛應用于生產生活中，常見的有服裝工業(yè)、三維動畫、人體解剖學等領域?，F有的三維人體模型重建技術大都偏向各自領域，服裝工業(yè)在人體特征點識別階段大都只考慮對形體與服裝聯系性較大的特征點（如頸窩點、肩窩點、腋窩點等）；三維動畫的關注點在于物體的結構本身，對表面紋理、材質要求極高；應用于人體解剖學領域的人體模型其結構十分復雜，涵蓋人體的各個組織器官，建模工作量巨大。為研究適用于觸電仿真的三維人體模型，本文提出基于圖像的人體特征點識別方法，從而實現三維人體重建。

目前常見的人體建模方法是利用三維人體掃描儀對人體進行掃描[1]，獲取人體表面特征點參數，進而實現人體重建，但是三維人體掃描儀價格昂貴，操作復雜，其掃描數據只有在拼接和重新采樣后才適用于三維人體重建中。利用CT或者MRI等醫(yī)學成像技術構建人體模型也是常用的建模方法。Zubal體素模型[2]來自于人體軀干和頭部的斷層掃描，該數據集被認為是在核醫(yī)學成像領域基于Monte Carlo法的幾何形狀的模擬。V.Abella等人[3]利用一系列CT片以及三維插值法構建人體頭部三維體素模型。Jin Seo Park等人[4]依據韓國男性尸體進行的全身核磁（MR）采用計算機斷層掃描（CT）獲取圖像，從而實現韓國人體模型庫的建立。該方法對非醫(yī)學專業(yè)的研究而言，難度較大，實施可能性小。

本文提出的三維人體重建技術，需先選取標準模型的圖像。標準模型圖像由三維人體解剖軟件導出，圖像有正面和側面之分。導出的人體標準圖像不能直接用來進行人體特征點識別，需對圖像進行差分處理提取輪廓，再通過腐蝕、膨脹運算，保持圖像的基本形狀特性，同時去掉圖像中與研究目的無關的部分。利用切片法獲取特征點，根據特征點的坐標值，在Ansys平臺上進行自上而下建模，從而實現三維有限元人體重建。

1 差分圖像原理

差分圖像處理[5]的基本原理是將檢測區(qū)里的經過灰度變換的圖像在圖像空間域上與背景圖像進行差分，可以表示為：

式中f（x，y，ti），f（x，y，tj）分別為ti與tj時刻在（x，y）位置像素點的亮度值，其大小在0到255之間。f（x，y，ti）和f（x，y，tj）在（x，y）位置像素點亮度的顯著性差異為：

式中mk和sk（k=i，j）是f（x，y，tk）在（x，y）的某小鄰域Q（x，y）內的均值和方差，t是閾值。若式（2）成立，則f（x，y，ti）和f（x，y，tj）的亮度在（x，y）位置有顯著性差異，取Dfi，fj（x，y）=1；若式（2）不成立，則取Dfi，fj（x，y）=0。

差分圖像的具體實現過程如下：獲取原始圖像與背景圖像數據在內存中的地址，將兩者進行比較，并設定一個閾值t=0（可調節(jié)），如果兩幅圖片中的像素差絕對值小于閾值t，則認為兩幅圖中對應像素點的像素值相同，就表明原始圖像中的該點是背景，將其背景像素設置為0。如果像素差大于閾值，則認為兩幅圖中對應像素點的像素值不同，表明原始圖像中的該點是人體，而不是背景，將該點的像素值設置為1。

2 輪廓與特征點提取

遍歷所有像素點之后，即可獲得新的圖像數據。該數據中，背景像素點的像素值已經設置為0，而人物像素點的像素值為人物圖像中對應該點的像素值設置為1。原始人體圖像如圖1所示，經處理后的人體輪廓如圖2所示，背景圖像大小與原始人體模型圖一致。

圖1 原始人體圖像

圖2 人體輪廓圖

通過差分法獲得的人體圖像存在很多雜點、漏洞，邊緣不光滑，為了減少噪聲，對人物圖像采用了形態(tài)學算法對其進行處理，包括腐蝕運算、膨脹運算。腐蝕和膨脹的操作過程其實就是用strel對象去探測圖像，分析圖像的過程。用strel函數創(chuàng)建結構元素，不同大小的結構元素，可在原圖像中去掉不同大小的物體。腐蝕可以把小于結構元素的物體（毛刺、小凸起）去除，其本質是結構元素填充。集合A被B腐蝕，表示為：

A是輸入圖像，B是結構元素。

膨脹是腐蝕運算的對偶運算，集合A被B膨脹，表示為：

腐蝕會去掉人體輪廓的邊緣點，細小的物體都會被認為是邊緣點，會整個被刪去。再做膨脹運算，留下來的輪廓會變回原來的形狀，而被刪除的小物體永久消失。經腐蝕和膨脹運算后的人體輪廓圖分別如圖3（a）、3（b）所示。對比圖3（a）、3（b），經膨脹運算后的人體輪廓明顯大于圖3（a）。

圖3 優(yōu)化后人體輪廓圖

采用一種基于切片的方法對提取出的人體輪廓圖進行逐點識別，獲得人體特征點。算法思想為：

（1）所有像素自上而下、從左至右搜索，確定像素值為1的點的坐標。

（2）步驟1所檢測到的第一個像素值為1的坐標點縱坐標值作為第一條切線的高度，自上而下每間隔一定值作切線與人體腳面所處的平面平行，切線與人體輪廓的交點即為特征點。

（3）對所獲取的所有特征點坐標值進行標準化處理。人體正面圖中，兩腳連線的中點為原點，與肩部平行的軸為X軸，沿人體高度方向為Z軸。人體側面圖中，與腳底平行的為Y軸，Z軸沿人體身高方向且在人體側面最厚處的中間部位。

提取坐標點的示意圖如圖4所示。

圖4 人體特征點識別示意圖

最終得到人體特征點矩陣大小為542×3，其中正面236×3，側面306×3。

3 人體有限元模型重建

為實現觸電人體仿真實驗研究，需建立人體有限元模型[6]，將物理意義上的人轉換為有限元分析的數學模型。選用Ansys作為人體有限元模型重建的平臺，避免在其它平臺上建模之后導入Ansys出現不兼容的問題，且搭建的人體有限元模型可直接用于模擬人體觸電的研究。

圖6 人體線條圖

圖7 人體面圖

圖8 人體實體模型

Ansys平臺下，采用基于切片的建模方法，模型縱坐標值相同的特征點都在一個橫切片上，對特征點的重建得到人體關鍵點圖如圖5所示；根據人體結構，利用B樣條函數擬合人體關鍵點所得人體線條圖如圖6所示；利用相鄰四條（或多于四條）曲線組合成面，人體面圖如圖7所示，人體實體模型如圖8所示。

圖5中，有542各關鍵點；圖6中有159條線；圖7中有100個面；圖8中有18個體，相鄰體之間共面。

以頭部為例，其實體模型構建的步驟為：

（1）在Ansys界面上繪制關鍵點（共32各點），如圖9所示；

（2）將人體頭部關鍵點利用B樣條函數擬合成曲線如圖10所示。圖9中，人體正面點的標號為221、222、…、236，人體側面點的標號為237、238、…、252。圖10中，點221、223、225、…、235連成曲線L1，點222、224、226、…、236連成曲線L2，點237、239、241、…、251連成曲線L3，點238、240、242、…、252連成曲線L4，點221、252連成曲線L5，點221、251連成曲線L6，點222、252連成曲線L7，點222、251連成曲線L8，點235、237連成曲線L9，點236、237連成曲線L10，點236、238連成曲線L11，點235、238連成曲線L12。

圖9 頭部點

圖10 頭部線條圖

（2）相鄰的四條（或少于四條）曲線組合成面，如圖11所示。圖11中，人體頭部共由6個面組成，面A1由曲線L9、L10、L11、L12組成，面A2由曲線L5、L6、L7、L8組成，面A3由曲線L1、L3、L6、L9組成，面A4由曲線L2、L3、L8、L10組成，面A5由曲線L2、L4、L7、L11組成，面A6由曲線L1、L4、L5、L12組成。

（3）將所有頭部的面封成體，最終獲得頭部實體模型，如圖12所示。圖12中，面A1、A2、A3、A4、A5、A6、組成頭部實體模型V1。

圖11 頭部面圖

圖12 頭部實體圖

4 結語

為避免圖像中出現某些邊緣被平滑掉的現象，利用差分法提取人體輪廓，獲得完整的人體輪廓圖；針對輪廓上存在的毛刺，對其進行腐蝕、膨脹處理，得到的人體輪廓可直接用于特征點提?。辉贏nsys平臺下將人體特征點轉換成關鍵點實現人體實體建模。提議的人體建模方法精度高，操作方便，大大減少人體模型重建的前期工作量，且在Ansys平臺下構建的人體模型，可根據人體組織結構的阻抗值對相應人體各部分材料賦不同的屬性，確定人體模型的電特性。為后續(xù)利用有限元法來分析人體觸電電流的分布及大小奠定了仿真平臺。

[1]Leong Iat-Fai.Fang Jing-Jing.Tsai Ming-June.Automatic Body Feature Extraction from a Marker-Less Scanned Human Body[J]. Computer-Aided Design，2007，39（7）:568-582.

[2]I.George Zubal，Charles R.Harrell，Eileen O.Smith，Zachary Rattner，Gene Gindi，Paul B.Hoffer.Computerized Threedimensional Segmented Human Anatomy[J].Medical Physics 21，299（1994）:299-302.

[3]V.Abella，R.Miro'，B.Juste，G.Verdu'.3D Dose Distribution Calculation in a Voxelized Human Phantom by Means of Monte Carlo Method[J].Applied Radiation and Isotopes，68（2010）：709-713.

[4]Jin Seo Park，Min Suk Chung，Sung Bae Hwang，Yong Sook Lee，Dong-Hwan Har，Hyung Seon Park.Visible Korean Human:Improved Serially Sectioned Images of the Entire Body[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，Vol.24，No.3，March 2005:352-360.

[5]岡薩雷斯.數字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[6]H.Eike，R.Koch，F.Feldhusen，H.Seifert.Simulation of the Distribution of Current Density in the Brain of Slaughter Pigs with the Finite Element Method[J].Meat Science，69（2005）：603-607.

Human Feature Point Acquisition and Finite Element Model Reconstruction Based on Difference Image

DUAN Liao-ran，LI Chun-lan，XIA Lan-lan，CUI Shi-han

（College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agricultural University，Urumqi830052）

The human equivalent model is established to study the magnitude and distribution of the electric shock current flowing through the body when the electric shock is occurred.According to the irregular geometry features of the body，the human contour image is obtained by the image difference method and optimized by the morphological algorithms.The characteristic coordinates of human feature points are obtained by finding the optimized contour.The three-dimensional human body reconstruction is achieved on the ANSYS platform.The re-search result provides a definite theoretical basis for analyzing on the electric shock accident.

Difference Image;Human Body Contour;Feature Points Extraction;Human Body Reconstruction

1007-1423（2016）08-0073-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.08.015

段了然（1992-），女，湖北天門人，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護

李春蘭（1967－），女，新疆烏魯木齊人，副教授，博士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、新能源發(fā)電及并網技術

夏蘭蘭（1991-），女，新疆庫爾勒人，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護

2015-12-31

2016-02-28

國家自然科學基金（No.51467021）、新疆維吾爾自治區(qū)高等學校科研計劃項目（No.XJEDU2012I 15）、2012年新疆農業(yè)大學大學生創(chuàng)新項目（No.jqzyp 62012121）

崔詩晗（1990-），女，新疆伊犁人，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護