人体三维扫描的点云数据处理

黄晓雅　刘莉　彭凡　方昕　袁佳艺

摘 要：随着三维人体建模在各个领域的有广泛应用，现有的激光三维扫描技术日益发展，而通过激光三维扫描所测得的人体点云数据处理技术还不成熟。点云数据处理是逆向工程中重要的操作部分，处理过程主要有点云滤波、点云配准、点云分割、三维建模等，这些处理对后期构建人体三维模型起着决定性作用。文章分析了该课题的研究意义、点云的概念、点云数据预处理的方法以及国内外的研究现状，介绍了几种可处理人体点云数据的软件。

关键词：点云数据;处理方法;三维人体扫描

0   引言

近年来，激光三维扫描技术已成为发展趋势，可以通过激光扫描更加便捷而精准地获取三维人体表面的点云数据信息。激光三维人体扫描仪的出现，使三维动画中的虚拟人物和服装行业的虚拟试衣有了更方便的三维人体建模方式。与传统的人体三维数据获取技术相比，能快速、精确、无接触地测量人体复杂表面，这种测量所得到的数据成为点云数据，然后将这些数据通过逆向工程软件进行点云处理来构建人体模型[1]。

1 三维人体建模

目前，三维人体建模在人们生活中有着广泛的应用，例如在游戏动画、电影特效、服装CAD/CA、人体测量、医学研究等领域都有巨大的应用前景，而人体点云数据的获取与处理是其中的关键技术，其中三维扫描技术可以快速便捷的获取三维数据模型，因此在逆向工程设计、仿真中建立了一定的基础。随着三维扫描技术的发展，人们了对三维扫描模型点云的研究也将更加深入。而人体点云数据的表现形式具有稀疏性、无序性和几何变换等特点，因此直接以点云为对象的研究引起众多研究者的兴趣。目前，三维人体点云的处理研究上多依赖于通用点云模型算法或转化为网格模型进行处理。虽然通用的点云算法具有许多的优点，但还很难满足人体测量学以及服装工业的专业需求。因此对人体点云展开针对性的研究非常有必要[2-3]。

2  点云的概念以及处理流程

2.1  点云的概念

点云主要是由三维扫描设备所测得散乱的数字化数据，可构建出被测物体的模型，该模型是由一系列空间的采样几何点所构成的，以及与这些点相关的表面属性。因此，构成点云的最基本单位是点，且每个点都是有与之相对应的工作信息[4]。这些无规律的三维点云数据除了点的三维坐标，通常不包含任何别的信息;数据中会含有一些“噪声”和“孔洞”的数据，扫描采集的数据无法直接满足用户的需求，因此必须要经过“噪声”筛检、“空洞”修补等多种处理，这一系列数据将为后续快速、精确曲面拟合与虚拟建模工作做准备。

2.2  点云处理流程

通过扫描仪得到点云数据经过点阶段和多边形阶段，获得一个良好的人体曲面模型。

（1）点阶段。通过着色、数据清理、减少噪音点、采样、三角形网格化等操作达到过滤点数据、消除重叠部分的目的[5]。

（2）多边形阶段。基于曲率孔填充、多边形编辑、边界修复、创建特征、横截面等操作，获得一个净化边界线、光滑曲面的人体模型[6]。

3  点云处理方法

3.1  点云数据预处理

（1）点云滤波。原始采集的点云数据往往包含大量散列点、孤立点，所以通过点云滤波的方法去除这些点。点云滤波的主要方法有：双边滤波、高斯滤波、条件滤波、直通滤波、随机采样一致滤波、VoxelGrid滤波等。

（2）点云关键点。关键点的数量比原始点云或图像的数量少很多，它与局部特征描述子结合在一起组成关键点描述子，常用来代表和描述原始数据，从而加快了对数据的处理速度，例如在后续的识别，追踪等技术上，因此关键点技术成为了三维信息处理中非常关键的技术。常见的三维点云关键点提取算法有以下几种：ISS3D，Harris3D，NARF，SIFT3D等。

（3）点云数据管理。其主要包括点云压缩，点云索引（KDtree，Octree），点云LOD（金字塔），海量点云的渲染。

3.2  点云配准

点云配准按精度可分为粗拼接和精确拼接。粗拼接是将不同的坐标系下的点云数据都拼接到统一个坐标系下，其主要是为了后面的精度拼接提出一个初始值;精确拼接通过迭代计算出一组坐标变换参数，从而减小拼接误差到最低。常用的点云配准算法大致分为两种：正太分布变换和ICP点云配准。

3.3  点云分割

对于像人体这种比较复杂、曲率变化较大的数据模型，使用传统的CAD技术处理可能比较困难且所得精度不高，这时就需要考虑对人体点云数据进行点云分割，对整体进行细化分割分别处理，最后再将分割处理后的数据整体结合起来恢复到最原始的样子。同时需注意，在点云分割中，选择曲率平滑的地方进行分割，避免分割处理后的数据影响到最后的整体结合。

3.4  三维重建

采集到的点云是充满噪声和孤立点的，三维重建算法为了重构出光滑曲面，通常需要处理这些噪声点，获得看上去很舒服的曲面。常用的三维重建算法和技术有：泊松重建、Delauary triangulatoins、表面重建、人体重建、建筑物重建、输入重建、实时重建。

4 国内外发展现状

目前，在欧美发达国家的十几家公司已经开展了对三维图像扫描应用技术的开发研制，并且已经初步形成了一定规模的产业。产品在扫描精确度、扫描反应速度、准确性、使用寿命、易操作性能等方面日益得到提高，使用领域范围也在不断扩大，使其在相关专业领域技术得到了巨大的应用发展，甚至一些相关学科成果通过三维扫描仪的技术研究得到了质的巨大飞跃。小到现代临床医学、游戏体育娱乐、电影影视特技、文物保护研究大至中到现代工业生产、航天应用科技、军事应用科技，三维图像扫描以及成像处理技术都在其中扮演了重要的主导角色。但相比之下，我国在这两个方面的深入研究并不多见。虽然三维成像扫描激光成像处理技术的基本理论操作原理并不复杂，国内对其涉及相关成像学科的技术研究也一直处于国际前列。但国内对这两个方面的研究主要局限于临床理论基础研究和临床样品研制阶段，还不能完全大规模化地投入生产。究其原因：（1）国内成像制造业大多主要面向于中低端技术产品，对三维成像扫描仪及成像软件技术的市场需求并不很高。（2）国内的相机制造业生产技术、工艺水平落后，而三维影像扫描仪的成像制作技术对我国制造业的要求比较高，需要更具有高技术水平的工艺制作设备才能正确使最后的建模成品有较高精度的成像特性。（3）国内对此技术有较大需求的产业由于市场资金充足大，所以都比较倾向于选择使用国外成熟的技术产品，这也给國内三维扫描成像设备技术的发展进步带来一定程度的不利影响。但是市场需求低、工艺技术落后并不完全表示这项关键技术在国内没有发展前景。相反，随着中国市场经济的快速健康发展，国内电子科学信息技术的不断进步，三维成像扫描仪的成像处理技术仍然有着巨大的应用市场。值得欣慰的地方是，华中理工大学和西北工业大学在这一系列方面的技术研究都已经有了巨大的先进成果，他们自主开发的和研制的配套设备在某些技术性能设计方面甚至可以领先一些国际先进水平。有益于我国的三维立体扫描成像技术的稳步发展，这些研究成果必将对其起到很大的推动促进作用。

5  可处理人体点云数据的软件

5.1  Geomagic Studio

Geomagic Studio是由美国Raindrop（雨滴）公司设计的一款逆向工程和三维检测软件产品，可根据人体通过三维扫描所获得的点云数据自动生成准确的三维模型，并且通过这些数据来创建良好的多边形模型或网格模型，使用软件的功能将该模型转换为NURBS曲面。该软件主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形（Polygons）、快速减少多边形数目（Decimate）、把多边形模型转换为NURBS曲面、曲面分析（公差分析等）、输出与CAD/CAM/CAE匹配的档案格式（IGS，STL，DXF等）。

5.2  CloudForm

CloudForm三维点云数据处理软件是北京博维恒信科技发展有限公司自主研发的拥有自主知识产权的专用三维重建软件。CloudForm主要功能是对3D CaMega三维扫描仪采集到的三维点云数据进行预处理，形成高质量整体的三维型面点云数据。CloudForm软件具备强大的数据处理能力，能处理高达数千万点点云数据，多种灵活精准的拼接技术，强大的除噪融合功能、多种实用的计算手段、多种形式的数据接口，人性化的用户使用环境。该软件具有计算三维图像数据任意两点的距离（直线弧面、投影），计算角度、半径等几何尺寸，能够获取任意方位一条或多条截面线等功能。为满足用户对不同格式文件的需求，Cloudform预留了通用格式的数据接口，能输出为ASC，IGS，STL，OBJ，WRL等格式。这些格式能和ProE，UG，SolidWorks，Catia，Imageware，Geogmagic，polyworks，Delcam，3ds Max等三维设计软件兼容。CloudForm软件中一般只用来进行去噪处理和组内拼接，其他操作如补洞、组间拼接在Geomagic软件中处理速度会更快。

5.3  Anthroscan

Anthroscan（Scanworx）是一种三维图像数据处理软件，专门针对三维人体图像的处理和数据提取而开发设计的。其主要功能包括：扫描仪扫描控制;以点云、三角网格、结构面等方式显示3维图像;图像的净化、平滑、三维网格重建等处理;生成封闭人台Avatar;自动提取人体尺寸;互动测量人体尺寸，包括距离，维度，角度;任意提取人体图像截面及分析;输入各种3D格式，包括Csf.Stl，OBJ，DXF，Ascii，Vrml;互动放置“电子皮尺”;测量尺寸输出为Excel兼容格式;HTML格式的尺寸报告;支持多种姿势的扫描;批处理功能;客户自定义尺寸和扫描方案等;自动导出人体尺寸到服装量身定制CAD软件中。

5.4  3D Reshaper

3D Reshaper是一款处理3D扫描仪、CMM、激光扫描仪等3D点云数据的建模软件。该软件能进行3D曲面重建及检测，可简单快速处理点云，是件结合人体工程学，基于Microsoft Window环境所开发，其主要功能包括：导入与剔除，拼接配准与最佳拟合、过滤、分类及删减扫描噪点;3D建模及噪点滤除、三角网重构修补工具、模型网格裁切;IGES/STEP文件处理CAD模型生成。

6   结语

通过对点云处理技术的研究对比分析发现Geomagic Studio是被广泛使用的逆向工程软件，可与主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成，在处理人体点云数据时，能确保完美无缺的多边形和NURBS模型处理复杂形状或自由曲面形状，生产效率比传统CAD软件提高数倍且能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造或作为对CAD软件的补充。在后续项目中可使用该软件完成对人体点云的处理，同时构建良好的曲面模型完成三维人体建模。

[参考文献]

[1]孙晓东.人体点云数据处理中若干问题的研究[D].北京：北京工业大学，2012.

[2]李志彦.基于Geomagic Studio的点云数据处理与三维建模技术[J].科技资讯，2019（21）：13-14.

[3]徐尚.三维点云数据拼接与精简技术的研究[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[4]刘晓航.基于神经网络的塑身内衣舒适性系统评价研究[D].北京：北京服装学院，2017.

[5]杨斌.基于人体的点云数据处理与虚拟人体建模研究[D].北京：北京服装学院，2017.

[6]孙晓东.人体点云数据处理中若干问题的研究[D].北京：北京工业大学，2017.

（编辑 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年的大学生创新创业项目;项目名称：云端专属衣橱;项目编号：4807091946。

作者简介：黄晓雅（2001— ），女，湖北黄石人，本科生;研究方向：光电。