基于差分图像人体特征点获取与有限元模型重建

段了然，李春兰，夏兰兰，崔诗晗

（新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐 830052）

基于差分图像人体特征点获取与有限元模型重建

段了然，李春兰，夏兰兰，崔诗晗

（新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐 830052）

为研究触电时流经人体触电电流的大小及分布情况，需建立人体等效模型。针对人体本身是不规则几何体的特点，通过图像差分法获得人体轮廓图像，采用形态学算法对人体轮廓进行优化处理，再对优化后的人体轮廓进行查找，获得人体特征点的特征坐标，在Ansys平台实现三维人体重建。研究成果对触电分析奠定一定理论基础。

差分图像；人体轮廓；特征点提取；人体重建

0 引言

人作为特殊的生物体，不可能直接将其作为触电试验的研究对象。为研究人体触电电流的大小及触电电流的流通路径，需建立三维人体模型。三维人体重建技术广泛应用于生产生活中，常见的有服装工业、三维动画、人体解剖学等领域。现有的三维人体模型重建技术大都偏向各自领域，服装工业在人体特征点识别阶段大都只考虑对形体与服装联系性较大的特征点（如颈窝点、肩窝点、腋窝点等）；三维动画的关注点在于物体的结构本身，对表面纹理、材质要求极高；应用于人体解剖学领域的人体模型其结构十分复杂，涵盖人体的各个组织器官，建模工作量巨大。为研究适用于触电仿真的三维人体模型，本文提出基于图像的人体特征点识别方法，从而实现三维人体重建。

目前常见的人体建模方法是利用三维人体扫描仪对人体进行扫描[1]，获取人体表面特征点参数，进而实现人体重建，但是三维人体扫描仪价格昂贵，操作复杂，其扫描数据只有在拼接和重新采样后才适用于三维人体重建中。利用CT或者MRI等医学成像技术构建人体模型也是常用的建模方法。Zubal体素模型[2]来自于人体躯干和头部的断层扫描，该数据集被认为是在核医学成像领域基于Monte Carlo法的几何形状的模拟。V.Abella等人[3]利用一系列CT片以及三维插值法构建人体头部三维体素模型。Jin Seo Park等人[4]依据韩国男性尸体进行的全身核磁（MR）采用计算机断层扫描（CT）获取图像，从而实现韩国人体模型库的建立。该方法对非医学专业的研究而言，难度较大，实施可能性小。

本文提出的三维人体重建技术，需先选取标准模型的图像。标准模型图像由三维人体解剖软件导出，图像有正面和侧面之分。导出的人体标准图像不能直接用来进行人体特征点识别，需对图像进行差分处理提取轮廓，再通过腐蚀、膨胀运算，保持图像的基本形状特性，同时去掉图像中与研究目的无关的部分。利用切片法获取特征点，根据特征点的坐标值，在Ansys平台上进行自上而下建模，从而实现三维有限元人体重建。

1 差分图像原理

差分图像处理[5]的基本原理是将检测区里的经过灰度变换的图像在图像空间域上与背景图像进行差分，可以表示为：

式中f（x，y，ti），f（x，y，tj）分别为ti与tj时刻在（x，y）位置像素点的亮度值，其大小在0到255之间。f（x，y，ti）和f（x，y，tj）在（x，y）位置像素点亮度的显著性差异为：

式中mk和sk（k=i，j）是f（x，y，tk）在（x，y）的某小邻域Q（x，y）内的均值和方差，t是阈值。若式（2）成立，则f（x，y，ti）和f（x，y，tj）的亮度在（x，y）位置有显著性差异，取Dfi，fj（x，y）=1；若式（2）不成立，则取Dfi，fj（x，y）=0。

差分图像的具体实现过程如下：获取原始图像与背景图像数据在内存中的地址，将两者进行比较，并设定一个阈值t=0（可调节），如果两幅图片中的像素差绝对值小于阈值t，则认为两幅图中对应像素点的像素值相同，就表明原始图像中的该点是背景，将其背景像素设置为0。如果像素差大于阈值，则认为两幅图中对应像素点的像素值不同，表明原始图像中的该点是人体，而不是背景，将该点的像素值设置为1。

2 轮廓与特征点提取

遍历所有像素点之后，即可获得新的图像数据。该数据中，背景像素点的像素值已经设置为0，而人物像素点的像素值为人物图像中对应该点的像素值设置为1。原始人体图像如图1所示，经处理后的人体轮廓如图2所示，背景图像大小与原始人体模型图一致。

图1 原始人体图像

图2 人体轮廓图

通过差分法获得的人体图像存在很多杂点、漏洞，边缘不光滑，为了减少噪声，对人物图像采用了形态学算法对其进行处理，包括腐蚀运算、膨胀运算。腐蚀和膨胀的操作过程其实就是用strel对象去探测图像，分析图像的过程。用strel函数创建结构元素，不同大小的结构元素，可在原图像中去掉不同大小的物体。腐蚀可以把小于结构元素的物体（毛刺、小凸起）去除，其本质是结构元素填充。集合A被B腐蚀，表示为：

A是输入图像，B是结构元素。

膨胀是腐蚀运算的对偶运算，集合A被B膨胀，表示为：

腐蚀会去掉人体轮廓的边缘点，细小的物体都会被认为是边缘点，会整个被删去。再做膨胀运算，留下来的轮廓会变回原来的形状，而被删除的小物体永久消失。经腐蚀和膨胀运算后的人体轮廓图分别如图3（a）、3（b）所示。对比图3（a）、3（b），经膨胀运算后的人体轮廓明显大于图3（a）。

图3 优化后人体轮廓图

采用一种基于切片的方法对提取出的人体轮廓图进行逐点识别，获得人体特征点。算法思想为：

（1）所有像素自上而下、从左至右搜索，确定像素值为1的点的坐标。

（2）步骤1所检测到的第一个像素值为1的坐标点纵坐标值作为第一条切线的高度，自上而下每间隔一定值作切线与人体脚面所处的平面平行，切线与人体轮廓的交点即为特征点。

（3）对所获取的所有特征点坐标值进行标准化处理。人体正面图中，两脚连线的中点为原点，与肩部平行的轴为X轴，沿人体高度方向为Z轴。人体侧面图中，与脚底平行的为Y轴，Z轴沿人体身高方向且在人体侧面最厚处的中间部位。

提取坐标点的示意图如图4所示。

图4 人体特征点识别示意图

最终得到人体特征点矩阵大小为542×3，其中正面236×3，侧面306×3。

3 人体有限元模型重建

为实现触电人体仿真实验研究，需建立人体有限元模型[6]，将物理意义上的人转换为有限元分析的数学模型。选用Ansys作为人体有限元模型重建的平台，避免在其它平台上建模之后导入Ansys出现不兼容的问题，且搭建的人体有限元模型可直接用于模拟人体触电的研究。

图6 人体线条图

图7 人体面图

图8 人体实体模型

Ansys平台下，采用基于切片的建模方法，模型纵坐标值相同的特征点都在一个横切片上，对特征点的重建得到人体关键点图如图5所示；根据人体结构，利用B样条函数拟合人体关键点所得人体线条图如图6所示；利用相邻四条（或多于四条）曲线组合成面，人体面图如图7所示，人体实体模型如图8所示。

图5中，有542各关键点；图6中有159条线；图7中有100个面；图8中有18个体，相邻体之间共面。

以头部为例，其实体模型构建的步骤为：

（1）在Ansys界面上绘制关键点（共32各点），如图9所示；

（2）将人体头部关键点利用B样条函数拟合成曲线如图10所示。图9中，人体正面点的标号为221、222、…、236，人体侧面点的标号为237、238、…、252。图10中，点221、223、225、…、235连成曲线L1，点222、224、226、…、236连成曲线L2，点237、239、241、…、251连成曲线L3，点238、240、242、…、252连成曲线L4，点221、252连成曲线L5，点221、251连成曲线L6，点222、252连成曲线L7，点222、251连成曲线L8，点235、237连成曲线L9，点236、237连成曲线L10，点236、238连成曲线L11，点235、238连成曲线L12。

图9 头部点

图10 头部线条图

（2）相邻的四条（或少于四条）曲线组合成面，如图11所示。图11中，人体头部共由6个面组成，面A1由曲线L9、L10、L11、L12组成，面A2由曲线L5、L6、L7、L8组成，面A3由曲线L1、L3、L6、L9组成，面A4由曲线L2、L3、L8、L10组成，面A5由曲线L2、L4、L7、L11组成，面A6由曲线L1、L4、L5、L12组成。

（3）将所有头部的面封成体，最终获得头部实体模型，如图12所示。图12中，面A1、A2、A3、A4、A5、A6、组成头部实体模型V1。

图11 头部面图

图12 头部实体图

4 结语

为避免图像中出现某些边缘被平滑掉的现象，利用差分法提取人体轮廓，获得完整的人体轮廓图；针对轮廓上存在的毛刺，对其进行腐蚀、膨胀处理，得到的人体轮廓可直接用于特征点提取；在Ansys平台下将人体特征点转换成关键点实现人体实体建模。提议的人体建模方法精度高，操作方便，大大减少人体模型重建的前期工作量，且在Ansys平台下构建的人体模型，可根据人体组织结构的阻抗值对相应人体各部分材料赋不同的属性，确定人体模型的电特性。为后续利用有限元法来分析人体触电电流的分布及大小奠定了仿真平台。

[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]冈萨雷斯.数字图像处理[M].北京:电子工业出版社，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，湖北天门人，硕士，研究方向为电力系统继电保护

李春兰（1967－），女，新疆乌鲁木齐人，副教授，博士，研究方向为电力系统继电保护、新能源发电及并网技术

夏兰兰（1991-），女，新疆库尔勒人，硕士，研究方向为电力系统继电保护

2015-12-31

2016-02-28

国家自然科学基金（No.51467021）、新疆维吾尔自治区高等学校科研计划项目（No.XJEDU2012I 15）、2012年新疆农业大学大学生创新项目（No.jqzyp 62012121）

崔诗晗（1990-），女，新疆伊犁人，硕士，研究方向为电力系统继电保护