以全身掃描器建立人體計測資料
7
0
0
全文
(2) 表 1. 特徵點編號、名稱、顏色和大小 編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. 圖 2. 量測位置採取面向 75°兩雷射掃描器鏡 頭組間之上視圖 受試者的標準姿勢,採取雙腳張開約 30cm 寬,雙手自然下垂向外張 25~35º伸直, 五指微張攤平手掌朝前,抬頭挺胸平視前方, 標準姿勢可使掃描影像獲得最佳掃瞄效果,立 姿標準量測姿勢如圖 3。量測前除確定受試者 姿勢位置正確外,如果掃描過程中受試者呼吸 或是身體微微搖晃,都會影響掃描品質[3, 4], 所以我們請受試者在量測前幾秒微吸一口 氣,在量測過程中不可呼吸並維持受測姿勢, 以得到較佳的掃描品質 。. 25 26 27 28 29 30 31 32. 圖 3. 立姿標準量測姿勢 本研究共選出 37 個重要的人體特徵點, 所採用的標記點有黃、綠、紅三種顏色螢光 紙,其中有 6 個黃色點、1 個綠色和 30 個紅 色點,共 37 個顏色定位點 ,大部分的標記點 尺寸為 1.5*1.5 cm的正方,1 個 2*2.5 cm (中 指指尖處,因掃描影像容易不完整),和 11 個 為 2.5*1.5 cm的立體標記點,之所以會使用立 體標記點和加大標記點尺寸,是因雷射光性質 的 因 素 ,對 掃 描 邊 界 處 會 有 取 像 上 的 限 制 [11],所以在邊界處需使用凸起的標記點和加 大尺寸,經測試後決定將邊界處的特徵點使用 2.5*1.5 cm 立起的標記點,指尖處使用 2*2.5 cm 的標記點 ,各特徵點編號、名稱和所使用 的標記點顏色大小如表 1,相關位置如圖 4, 標記點顏色大小如圖 5。本研究希望將 3-D 全 身掃描器所得到的原始資料,透過標記點自動 辨識,得到各特徵點的 3-D 座標,並運用各特 徵點資料進行尺寸的計算。本研究以成衣尺碼 分類系統中選出 20 項成衣製造之重要尺寸進 行計算,如表 2。. 33 34 35 36 37. 位置 顏色 顏色編號 大小(cm) 眉間 Y Y001 1.5*1.5 鼻骨尖 Y Y002 1.5*1.5 頷下點 Y Y003 1.5*1.5 胸上點 Y Y004 1.5*1.5 胸下點 Y Y005 1.5*1.5 肚臍 Y Y006 1.5*1.5 頸點 C7 G G001 1.5*1.5 鼻樑點 R R001 1.5*1.5 左下頦角 2.5*1.5(立) R R002 右下頦角 2.5*1.5(立) R R003 左頸根外側 2.5*1.5(立) R R004 右頸根外側 2.5*1.5(立) R R005 左肩峰 2.5*1.5(立) R R006 右肩峰 2.5*1.5(立) R R007 左腋窩前點 R R008 1.5*1.5 右腋窩前點 R R009 1.5*1.5 左腋窩後點 R R010 1.5*1.5 右腋窩後點 R R011 1.5*1.5 左乳頭 R R012 1.5*1.5 右乳頭 R R013 1.5*1.5 右乳下點 R R014 1.5*1.5 右肩胛下點 R R015 1.5*1.5 右肘尖下點 2.5*1.5(立) R R016 右尺骨莖突 R R017 1.5*1.5 右中指第三指 節(掌骨-指骨) R R018 1.5*1.5 右中指指尖 (指骨遠側) R R019 2*2.5 右手腕中點 R R020 1.5*1.5 右手肘中點 R R021 1.5*1.5 左髂膌 2.5*1.5(立) R R022 右髂膌 2.5*1.5(立) R R023 左大轉子 2.5*1.5(立) R R024 右大轉子 2.5*1.5(立) R R025 右臀後緣(最 大臀) R R026 1.5*1.5 右臏骨中點 R R027 1.5*1.5 右脛骨前下點 R R028 1.5*1.5 右膝? R R029 1.5*1.5 右外踝點 R R030 1.5*1.5. 圖 4. 各特徵點相關位置 -2 -.
(3) 表 2 成衣製造之重要尺寸定義與計算方法 編 尺寸 號 1 身高 (Stature). 尺寸定義. 計算方式. 受試者直立,從 人體頭頂最高點 頭頂至腳底之垂 減腳底最低點之 直距離 垂直距離 從頸椎點至腳底 頸椎點減腳底最 之垂直距離 低點之垂直距離. 圖 5. 所使用的標記點顏色大小,由左至右分 別為紅色 2.5*1.5(cm)立體,紅色 2*2.5(cm), 紅 色 1.5*1.5(cm), 黃 色 1.5*1.5(cm), 綠 色 1.5*1.5(cm. 2 頸椎高 (Cervical height) 3 肩膀傾斜角度 切「肩頸點 頸根外側點切水 (Shoulder (SNP)」平面與切 平面與肩峰之夾 slope) 「肩頸點(SNP)- 角 肩峰點(SP)」平 面之夾角 4 頭圍 眉間點與後頭點 過眉間點切一橫 (Head girth) 繞一圈之周長 狀面 5 頸基底圍 經後頸椎點 C7 過兩側頸根外 (Neck base (BNP)、肩頸點 側點切橫斷面之 girth) (SNP)、前頸點 圍度 (FNP)環繞一圈 之周長 6 胸圍 通過左右乳頭點 過左、右乳頭 (Bust girth) 水平環繞一圈之 點,切一橫斷面 周長 之圍度 7 下胸圍 乳房直下部繞一 過乳下點切一橫 (Underbust 圈水平之周長 斷面之圍度 firth) 8 腰圍 過肚臍點部位之 過肚臍點切一橫 (Waist girth) 圍度 斷面之圍度 9 臀圍 在臀部最凸處, 臀部最凸處,切 (Hip girth) 水平環繞測量一 一橫斷面之圍度 圈之圍度,臀圍 線(HL) 10 膝圍 通過膝蓋骨中央 膝蓋骨之中心 (Knee girth) 水平一圈之圍度 點,切一橫斷面 之圍度 11 肩寬 左、右肩峰點距 兩肩峰點相減之 (Shoulder 離 直線長度 length) 12 背寬 左、右後腋窩點 左、右兩後腋窩 (Posterior 間之距離 點相減之長度 chest width) 13 胸寬(Interior 左、右前腋窩點 左、右兩前腋窩 chest width) 間之距離 點相減之長度 14 乳間點(Nipple 左 、 右 乳 尖 點 左、右乳頭點間 breadth) (BP)間之直線距 相減之長度 離 15 袖長(Sleeve 從肩峰點 (SP)經 肩峰減肘後點, length) 肘後點至尺骨莖 加肘後點減尺骨 突點之距離 莖突之長度 16 肘長(Upper 從肩峰點(SP)到 肩峰減肘後點之 posterior arm 肘點之距離 長度 length) 17 下肢長(Lower 轉子點至腳底之 大轉子減腳底最 extremity 距離 低點之垂直長度 length) 18 腰圍高(Waist 從腰圍線(WL) 肚臍減腳底之垂 height) 至腳底之後正中 直長度 線垂直距離 19 腰膝長(Waist 自腰圍線量至膝 肚臍減膝蓋骨中 to knee length) 蓋骨中心點之距 心點之垂直長度 離 20 褲長(Waist to 自 腰 圍 線 (WL) 肚臍減外 踝點之 ankle length) 至外踝點之直線 垂直長度 距離. 周長及面積計算需利用平面凸多邊型 (convex hull polygon)的方法[1, 7, 19],找尋可 以完整描述形狀的特徵點,先將多邊型分離成 四部分,如圖 6 所示。. 圖 6. 平面凸多邊型限制點 藉由四個限制式,將所有的點區分成四部 分,限制式如下[1]: rW ∈ ∑ ,xw ≦xi for all 0≦i≦N re ∈ ∑ ,xe≦ xi for all 0≦i≦N. rn ∈ ∑ ,y n ≦yi for all 0≦i≦N rs ∈ ∑ ,y s ≦yi for all 0≦i≦N. (1) (2) (3) (4). 圖 7. 最小相鄰向量決定凸多邊型. 圖 8. 凸多邊形相鄰邊最小的角度計算方式. -3 -.
(4) 在四個限制式確定後再利用順時針方 向,以後點減前點計算出凸多邊形各點向量, 找出凸多邊型相鄰邊最小的角度向量如圖 7, 不同方向所需計算之θ角與計算方式如圖 8。. y − yc θ i = tan −1 i x − x i c. (5). 其中 xi ,yi :點座標值, xc,yc:中心點座標值 , 當 (x i -x c ,yi -yc)=(+,+) , θ i =θ i , (-,+) , θ i =180θ i , (-,-) , θ i =180+θ i , (+,-) , θ i =360-θ i. 以平面凸多邊型法取得圍度特徵點資料 , 詳細方法流程如下: 1、利用四個限制式找出最邊界的四個點(re、 rs、rw、rn ),然後強制其只有四次方向改變。 2、逆時針方向比對取點 (a) 以 re 點為起始點:計算方向為(-,-), 計算 re 與 rs 間所有點的θ值,取角度 值最小的點,在以該點計算與 rs 間所 有點的 θ值,取角度值最小的點 ,最 後會取到 rs 點。 (b) 以 rs 點為起始點: 計算方向為 (-,+), 計算 rs 與 rw 間所有點的θ值,取角度 值最小的點,最後會取到 rw 點。 (c) 以 rw 點為起始點:計算方向為(+,+), 計算 rw 與 rn 間所有點的θ值,取角度 值最小的點,最後會取到 rn 點。 (d) 以 rn 點為起始點: 計算方向為 (+,-), 計算 rn 與 re 間所有點的θ值,取角度 值最小的點,最後會取到 re 點。. 圖 10. 利用角度關係做點資料的初步縮減 將點資料依θ值排列,即可利用角度將圍 度劃分成 n 等份,每一等份中所有值平均,即 得該範圍的代表值,因所使用的 Vitronic Viro 3-D 1600 全身掃描器水平解析度為 1mm,所 以縮減後兩點座標距離盡可能接近 1mm,才 可以保有 Scanner 原來的精確度,但也不能太 小,否則失去縮點的功效,因此我們以推估的 周長除以 2mm,即得該分幾等份,這樣也可 以確保無論尺寸大小,縮減後兩點的間隔接約 為 2mm,以增加系統性的準確度,角度初步 縮縮減後如圖 10,所保留下的點資料,即為 影像變異的平均值。 縮減後的點資料還很雜亂,無法代表正確 的形狀變化,需以局部凸多邊型法尋找代表性 特徵點,方法跟凸多邊型法一樣,只是不分四 段計算,而是以角度局部尋找的方式(一次增 加 10 度),依每一段本身的變化來判斷前進方 向,因此每一段都能找到最外圍點,即可找出 能表現出形狀變化的特徵點,如圖 11。. 所得到的凸多邊型剛好符合人體計測 時,在凹陷處捲尺或數位卡尺會以拉直線方式 來量測,如圖 9,但這樣的方式我們卻無法得 到原始切面形狀,原始切面形狀也是設計時一 個很重要的參考點,這也是三維量測優於二維 量測的地方,如果我們要取得沿體表周長、面 積和形狀,無法以此種方式直接取得,需加一 些方法輔助。. 圖 9. 平面凸多邊型法擷取點資料 由於原始點資料分佈散亂如圖 10,凸多 邊型法無法直接沿邊緣取得特徵點,本研究透 過將資料縮減,利用各點座標與中心座標找出 各點與中心座標的θi 值,在以角度的關係將 點資料縮減,方法如下:. 圖 11 局部平面凸多邊形法擷取沿體表點資料 在重要特徵點取得後,可進行周長及面積 計算,周長可以以兩點距離公式求得。面積可 利用多個三角形面積所組成,如圖 12,三角 -4 -.
(5) 形面積可以以向量方式求得,如圖 13。. 也可將胸圍、腰圍和臀圍重疊,來了解身體體 型狀況,如是否有脊椎測彎,做為矯正時的判 斷依據,如圖 15。. 圖 15 胸圍、腰圍、臀圍重疊體型分析. 圖 12 圍度面積為多個三角形所組成. 本研究程式利用 Borland C++ Builder 所 撰寫,所使用的電腦設備為 DURON-950 和 256M RAM,由於所處理的是大量 3D 點資料 運算,所以對電腦的執行速度上需要求較高等 級,才能減少運算時間。從讀取原始資料 BSF 和 BTF 至標記點辨識和尺寸計算完成,所需 的總執行時間約 85 秒,主要時間依序為讀檔 約 13 秒、結合成 model 檔約 13 秒、對 40 萬 點排序約 7 秒、將排序過的 model 檔寫出約 28 秒,剩餘的有分割約 2 秒、找邊線約 1 秒、 點資料過濾評分約 8 秒、標記點辨識約 2 秒、 取出所有圍度原始一圈點資料約 9 秒、尺寸計 算約 2 秒。執行過的檔案,開啟舊檔時只需 8 秒。 在程式結束後所產生的檔案資料,都會記 錄在與讀取的原始檔案(BSF)同一個資料夾, 各個檔都有不同的用途,詳述如下: 1、 辨識結果:可隨時增加不同尺寸的計算和 人體計測資料庫建立 2、 尺寸計算結果 :可作為資料庫的建立。 3、 排序後的人體資料,和切割後資料:方便需 對人體不同部位研究的人使用 。 4、 、身體邊線資料 :為身體邊線資料,未來所 貼的標記點較多時,可將邊線資料做為辨 識的判斷依據。 5、 顏色評分結果 :可了解顏色性質,在增加別 種顏色點時可以此判斷顏色點好壞,另外 在補缺陷點時,也需利用此一資料。 6、 評 分 結 果 以 顏 色 表 示 :可 用 視 覺 看 出 結 果,方便做判斷。 7、 原始圍度點資料:了解圍度原始掃描結果。 8、 體型點資料:將沿體表點資料和凸邊型點 資料保留,在做設計時能用到 3D 所保留 的形狀特徵。. 圖 13 以向量方式求三角形面積 三角形面積向量法如下 : v v OACB= A × B OAB=. 1. OACB 2 v + (y 1 -y 0 ) j. (6) (7). v v A =(x1 -x0 ) i (8) v v v B =(x2 -x0 ) i + (y 2 -y 0 ) j (9) v v v A × B =[(x1 -x0 )(y 2 -y 0 )-(x2 -x0 )(y 1 -y 0 )] k (10) v v A × B ={[(x1 -x0 ) (y 2 -y 0 ) - (x2 -x0 ) (y 1 -y 0 )]2 }1/2 =│[(x1 -x0 ) (y 2 -y 0 ) - (x2 -x0 ) (y 1 -y 0 )]│ 1 v v OAB= A× B 2 1 = │(x1 -x0 )(y 2 -y 0 )-(x2 -x0 )(y 1 -y 0 )│ 2. (11). (12). 3. 實驗結果. 圖 14. 胸圍、腰圍、臀圍、人體正面和側面的 體型分析. 程式執行後所記錄的體型資料,可在尺寸 計算結果表中點選所需的圍度,即可呈現出該 圍度的形狀如圖 16,本研究有兩種體型資料:. 3D 的特性能夠保留體型的資料,在運用上 比傳統 2D 增加了很多優勢 ,能夠廣泛運用, 可作為人檯,為衣服設計時的參考標準,亦可 用於護具設計時的依據,如圖 14。在醫學上 -5 -.
(6) 表 3. 尺寸計算結果 (單位:0.01cm) 編 號. 結果. 編 號. 1 身高. 16605. 22 胸圍(c). 2 頸椎高. 13998. 23 胸圍面積(c). 6044613 10166. 尺寸. 3 肩膀傾斜角度 62.3. 圖 16.圍度形狀的呈現 第一種為沿體表的體型資料,只要點選圍 度後面標有”體表”字樣,即可呈現出沿體表資 料,如圖 17(a),另外只要點選 draw point 選 項 , 可 呈 現 出 所 找 出 的 原 始 點 資 料 , 如圖 17(b)。第二種為使用凸多邊型法所擷取的體型 資料,符合人體計測時在凹陷處以拉直線的方 式計算,只要點選圍度後面 標有”c’字樣,即 可呈現出,如圖 18(a),另外只要點選 draw point 選項,可呈現出所找出的原始點資料,如圖 18(b)。在標記點辨識之後,即可利用結果進行 各項的尺寸計算,結果如表 3。. 尺寸. 9984. 4 肩寬. 3526. 24 胸圍(體表) 胸圍面積(體 25 表). 5 背寬. 3243. 26 下胸圍(c). 6 胸寬. 2843. 27 下胸圍面積(c) 5844121. 7 乳間點. 1596. 8 袖長. 5764. 28 下胸圍(體表) 10180 下胸圍面積(體 29 表) 4915429. 9 肘長. 3245. 30 腰圍(c). 10 下肢長. 8461. 31 腰圍面積(c). 6910811. 11 腰圍高. 9602. 12538. 12 腰膝長. 5094. 32 腰圍(體表) 腰圍面積(體 33 表). 13 褲長. 9146. 34 臀圍(c). 14 頭圍(c). 5781. 35 臀圍面積(c). 15 頭圍面積(c) 2581821 36 臀圍沿(體表) 臀圍面積(體 16 頭圍(體表) 5803 37 表) 頭圍面積(體 17 表) 2472361 38 膝圍(c) 18 頸基底圍(c) 3902 39 膝圍面積(c) 頸基底圍面積 19 (c) 1069478 40 膝圍(體表) 頸基底圍(體 膝圍面積(體 20 表) 3780 41 表) 頸基底圍面積 21 (體表) 998377. (a) (b) 圖 17. 沿體表的體型資料: (a) 沿體表的體 型,(b) 特徵點原始資料. 結果. 5319701 10012. 12544. 4654265 14650 8906186 14606 5732749 6936 2731225 9171 2162443. C : 以平面凸多邊型法所得的結果 體表: 以沿體表法所得的結果. 4. 結論 3D 比 傳 統 2D 提供設計時更多參考資 訊,在運用上也更加廣泛,能做出更適配設 計,許多國家都投入大量的人力物力,結合不 同領域的人員進行相關研究工作,如人體計 測、服裝尺碼自動擷取、頭盔設計、防護衣設 計、設備的配適性、醫療診斷、3D 體型分類 和虛擬模擬等,並且建立大量的 3D 人體資料 庫,本研究僅在辨識和尺寸計算上略有進展, 未來尚需更多不同領域的人力參與研究,建立 符合國人的 3D 資料,才能設計更配適國人使 用的產品。 本研究利用平面凸多邊型法,找尋最可以 完整描述體型形狀的關鍵特徵點,圍度計算以 直線的方式相加,不過身體圍度是較圓滑的, 如以 bi-arc curves 趨近,曲線將較圓滑。因此 未來人體掃描前,需以數位捲尺量測人體一些. (a) (b) 圖 18. 凸多邊型法所擷取的體型資料:(a)凹陷 處以拉直線的,(b) 特徵點原始點資料. -6 -.
(7) 重要圍度,才能對本研究所得結果與數位捲尺 做一有系統且大樣本的驗證。. 13.Pargas, R. P., “Automating information extraction from 3D scan data,” DLA-ARN T2p5 Project Report, 1998. 14.Robinette, K. M., Daanen, H., and Paquet, E., “The Caesar project: a 3-D surface anthropometry survey,” Proceedings of the Second International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, pp. 380-386 (1999). 15.Steven, P., David, J. B., Brian, D. C., Peng Li., and Thomas, O., “Automated extraction of anthropometric data from 3D images,” Proceedings of the IEA 2000/HFES 2000 Congress, 6, pp. 727-730 (2000). 16.Suzuki, K., “Prospect of the next -term human body measure in Japan,” Proceedings of the IEA 2000/HFES 2000 Congress, 6, pp. 748-750 (2000). 17.The Centre for 3D Electronic Commerc , http://www.3dcentre.co.uk . 18.Wang, M. J., Wang, E. M. Y., Lin, Y. C., Anthropometric data book of the Chinese people in Taiwan, Ergonomic Society of Taiwan, Hsinchu, Taiwan (2002). 19.Ye, Q. Z., A fast algorithm for convex hull extraction in 2D images, Pattern Recognition Letters, 16, pp. 531-537 (1995).. 誌謝 本文承蒙國科會研究計畫補助(編 號 :NSC89-2218-E007-003 & NSC 89-2213-E-007-117)特此誌謝 。. 參考文獻 1. Bez, H. E., Edwards, J., Distributed Algorithm for the Planar Convex Hull Problem, Computer-Aided Design, 22, pp. 81-86 (1990). 2. Brunsman, M. A., Daanen, H. M., and Robinette, K. M., “Optimal postures and positioning for Human Body Scanning,” Proceeding of International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, pp. 226-273 (2000). 3. CASEAE Project, http://www.hec.afrl.al.mil /cardlab/Caesar/summary.html 4. Daanen, H. A. M., Brunsman, M. A., and Robinette, K. M., “Reducing movement artifacts in whole body scanning,” Proceedings of International Conference on Recent Advances, pp. 262-265 (1997). 5. Daanen, H. A. M. and Water, G. J., “Whole body scanners,” Displays, 19, pp. 111-120 (1998). 6. Deason, V. A., “Anthropometry: the human dimension,” Optics and Lasers in Engineering, 28, pp. 83-88 (1997). 7. Douros, I., Dekker, L., Buxton, B. F., An improved algorithm for reconstruction of the surface of the human body from 3D scanner data using local B-spline patches, Proceedings of IEEE International Workshop, pp. 29-36 (1999). 8. Geisen, G. R., Mason, C. P., Houston, V. L., Whitestone, J. J, McQuiston, B. K., and Beattie, A. C., “Automatic detection, identification, and registration of anatomical landmarks,” Proceeding of the Human and Ergonomics Society 39th Annual Meeting, 1995. 9. HQL, http://www.hql.or.jp 10.Marc, R., “Colour 3D electronic imaging of the surface of the human body,” Optics and Lasers in Engineering, 28, pp. 119-135 (1997). 11.Nurre, J. H. and Addleman, S., “3D scan systems integration,” DLA-ARN Final Report, 1998. 12.Pargas, R. P., Staples, N. J., and Steven, D. J., “Automatic measurement extraction for a three-dimensional body scan,” Optics and Lasers in Engineering, 28, pp. 157-172 (1997).. -7 -.
(8)
相關文件
定理 10.2-1 座標平面上兩點距離公式 座標平面上兩點距離公式 座標平面上兩點距離公式 座標平面上兩點距離公式 ... 33
以海平面為基準點,直升機飛到海拔 400 公尺的高度,可記為+400
而諾貝爾之所以會成立諾貝爾 獎,其實與他的發明和理念有很 大的關係。諾貝爾一生致力於炸 藥的研究,也因此積累了不計其數
△ABC 為上底面、△DEF 為下底面,且上底面△ABC 與下底面△DEF 互相平行、△ABC △DEF;矩形 ADEB、矩形 BEFC 與 矩形 CFDA 皆為此三角柱的側面,且均同時與△ABC、△DEF
點骨架,左下角點選 Pose
3) 請先充分地搓 揉預計切除的部 分。這樣使外皮 會與裡面芯線產 生間隙。.. 4) 將網路線夾在剝 皮工具的最外側溝
3) 請先充分地搓 揉預計切除的部 分。這樣使外皮 會與裡面芯線產 生間隙。?. 4) 將網路線夾在剝 皮工具的最外側溝
如圖,空間中所有平行的直線,投影在 image 上面,必會相交於一點(圖中的 v 點),此點即為 Vanishing Point。由同一個平面上的兩組平行線會得到兩個