CN103393245B - 一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法 - Google Patents
一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于人体工效学测量技术领域，特别是一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法。首先对原始数据进行初始化处理；其次，以胸部最高点起开始宽度优先遍历，将数据分层；然后搜索在点云数据中乳房边界的四个标记点(在三维扫描前已定义及标记好)；以平面截取的方式封闭待测曲面；最后，以网格投影法计算截取的胸部区域体积。本发明规避了接触性测量过程中的敏感步骤，更人性化；本发明克服了可视化操作速度慢，随意性大的问题，比通用算法更准确，效率更高；解决了服装领域中罩杯大小与乳房体积匹配的技术问题，可应用于文胸的网络定制；也可应用于基础的乳房体积样本采集；对医学领域中的乳房整形也有一定的参考意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种在三维环境中基于网格投影法的乳房体积测量方法，属于人体工效学测量技术领域。
背景技术
文胸是一种对合体性要求很高的服装。合体的文胸能够恰当地承托乳房，减缓因重力引起的下垂，以保持形体的美观。合体的文胸还能在运动过程中减少乳房相对于人体的位移，防止这种相对位移导致的乳房不适甚至拉伤。罩杯部分的合体性是影响文胸合体性的最关键因素之一。现在的文胸号型体系以胸围和下胸围的差值来定义罩杯大小，然而越来越多的研究结果表明罩杯合体性与乳房体积的相关性更大。将乳房体积作为衡量乳房的标准及文胸罩杯制版的参数之一更为科学。
目前测量乳房体积的方法主要分为接触性测量法及非接触性测量法。接触性测量法实施条件繁琐，对实验人员的要求高，实验过程长，而非接触性测量法具有非接触、速度快、易操作、成本低的特点。尽管目前已经有很多估算乳房体积的非接触性测量方法，这些方法多用于医学方面，如用于对乳腺癌的研究及为乳房整形手术提供参考等。大多数的算法是直接使用某种通用方法来求解胸部体积。通用算法存在规模大、实现难度高、移植性差、调试周期长等缺点，效率低且得到的数值不精确等问题。网格投影法通过指定投影平面，计算每个三角面片及其在投影平面上的投影所围成的凸五面体的带符号体积，整个模型的体积为所有凸五面体带符号体积的代数和。网格投影法能实现模型体积的快速准确计算。综上所述，基于网格投影法，建立一种结果精确、针对性强、结构简单、易于推广和便于应用于人体工学测量领域的乳房体积测量方法十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于网格投影法的三维乳房体积计算方法，为服装领域中罩杯大小及样板与乳房体积匹配提供可靠参数。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、通过三维人体扫描获取人体全身的三维点云数据，每个数据均已经包含了三角网格的面信息，将数据中与胸部范围无关联的数据点及噪点剔除形成待测数据点集，以胸部最高点起开始宽度优先遍历，将待测数据点集中的所有待测数据点分层，为每个待测数据点赋予一个层级属性，位于胸部最高点的待测数据点为第0级，依次类推；
步骤二、根据三维人体扫描数据中乳房边界的四个边界控制点判定待测数据点集中的每个待测数据点是否属于待测胸部区域，所有属于待测胸部区域的待测数据点形成的曲面即为待测乳房曲面；
步骤三、采用平面截取方式封闭待测乳房曲面，得到待测乳房区域；
步骤四、采用网格投影法利用每个数据点包含的三角网格的面信息计算待测乳房区域的体积。
优选地，在所述步骤二中，设四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)，若待测数据点集中的第i个待测数据点Pi同时满足以下至少三个条件，则该待测数据点属于待测胸部区域：
条件1、LPi＜Max(LUP，LLP，LIP，LOP)，其中，LPi为第i个待测数据点的层级属性，LUP、LLP、LIP及LOP分别为边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP的层级属性；
条件2、第i个待测数据点Pi在YOZ平面上的投影点Pi′在以边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP在YOZ平面上的投影点UP′、LP′、IP′、OP′为基本点建立的球型区域内，其中，人体厚度所在方向为X轴，人体宽度所在方向为Y轴，人体高度所在方向为Z轴；
条件3、第i个待测数据点Pi未跃出边界，其判定步骤为：寻找第i个待测数据点Pi上一层级节点Pi-1，再寻找节点Pi-1上一层级节点Pi-2，计算向量PiPi-1及向量Pi-1Pi-2在XOZ平面上的投影向量M及投影向量N，并计算投影向量M与投影向量N的点积M*N，若M*N＞0，则第i个待测数据点Pi未跃出边界，若M*N＜0，则第i个待测数据点Pi跃出边界。
优选地，所述步骤四的具体实现步骤为：
步骤4.1、若所述待测乳房区域的截面与YOZ平面不平行，则进行坐标变换，使截面与YOZ平面重叠，再进入步骤4.2，否则，直接进入步骤4.2，其中，人体厚度所在方向为X轴，人体宽度所在方向为Y轴，人体高度所在方向为Z轴；
步骤4.2、计算除封闭面以外所有待测乳房区域的数据点所在三角网格对应的三角面，即为待测三角面，的法向量；
步骤4.3、将所有待测三角面向封闭面进行垂直投影并得到其面积；
步骤4.4、计算所有待测三角面到其对应投影的五面体体积，法向量为内法向量的面体积算为负体积，所有五面体体积的代数和即为所述待测乳房区域的体积。
优选地，所述步骤4.1中，坐标变换的具体步骤为：
步骤4.1.1、设步骤二中所述四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)，以边界外点OP为新坐标原点，将所述待测乳房区域对应的点阵平移至新坐标；
步骤4.1.2、求出截面与YOZ平面的夹角θ，将截面与YOZ平面的交线设定为旋转轴线；
步骤4.1.3、将通过步骤4.1.1得到的点阵平移至旋转轴线经过原点O；
步骤4.1.4、将通过步骤4.1.1得到的点阵旋转至旋转轴线与Z轴重合；
步骤4.1.5、将通过步骤4.1.1得到的点阵绕Z轴旋转θ度后，依次执行步骤4.1.4的逆过程及步骤4.1.3的逆过程。
优选地，所述步骤4.2中，任意待测三角面法向量的内外的求解过程为：在所述待测乳房区域内任取一点D，在当前待测三角面上任取一点A，由点D与点A组成向量V，设当前待测三角面的法向量为N，求出向量N与向量V的内积，若内积小于0，则当前待测三角面的法向量为内部法向量，体积为负，若大于0，则待测三角面的法向量为外部法向量，体积为正。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明开发了一种在三维虚拟环境中以乳房四个边界控制点为参数，基于网格投影法的乳房体积计算方法。解决了接触性乳房体积测量法步骤繁琐，速度慢，误差大的问题。本发明所采用的网格投影法克服了其他通用算法针对性不强，效率低的缺陷。选择自行编程对原始数据进行直接操作，避免了以往数据处理方式中对三维点云数据的可视化编辑时人为操作产生的误差，同时可以批量进行乳房体积测量，提高了测量效率。为人体工学测量领域提供了一种便捷准确的乳房体积测量方法，有助于高效地采集乳房体积样本；同时为服装领域文胸罩杯样版制作提供了关键参数，尤其有利于文胸定制时的合体文胸罩杯的制版；也为乳房整形术前能够便捷准确计算乳房体积提供了一定的参考。多项研究表明，排水法测得的乳房体积是接触式乳房体积测量法中最精确的方法。经过实验验证，本方法获得的结果与排水法测得的乳房体积相符。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法的流程图；
图2为四个边界控制点的位置示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供了一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其步骤为：
步骤一、通过三维人体扫描获取人体全身的三维点云数据，每个数据均已经包含了三角网格的面信息。在实验中获取的三维点云数据格式为wrl(#VRMLv2.0utf8)，为原始数据(包含噪点)，点云数据分为两部分，一部分是标记点4个，一部分是普通扫描点。[TC]2扫描生成的面文件数据特征是：点信息为实数，引导面信息，按顺时针顺序依次列出结点序号。本测量方法只关注胸部范围，因此将数据中与胸部范围无关联的数据点及噪点剔除形成待测数据点集。通过上述步骤，将数据量缩小至平均约1000点/每例，减少了时间复杂度与空间复杂度。整个数据处理阶段时间复杂度为O(n)，效率非常高。
根据原始数据中的引导面信息，建立自定义数据结构记录结点邻接矩阵以及其它为后续处理服务的表结构、树结构信息。以胸部最高点起开始宽度优先遍历，将待测数据点集中的所有待测数据点分层，为每个待测数据点赋予一个层级属性，位于胸部最高点的待测数据点为第0级，依次类推。分层的目的是为了制造“等高层”，为后续遍历、计算提供便利。易知，层序是唯一的。
步骤二、根据三维人体扫描数据中乳房边界的四个边界控制点判定待测数据点集中的每个待测数据点是否属于待测胸部区域，如图2所示，四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)(图2中的点1)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)(图2中的点2)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)(图2中的点3)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)(图2中的点4)，所有属于待测胸部区域的待测数据点形成的曲面即为待测乳房曲面。其中，人体厚度所在方向为X轴，人体宽度所在方向为Y轴，人体高度所在方向为Z轴。
若待测数据点集中的第i个待测数据点Pi同时满足以下至少三个条件，则该待测数据点属于待测胸部区域：
条件1、LPi＜Max(LUP，LLP，LIP，LOP)，其中，LPi为第i个待测数据点的层级属性，LUP、LLP、LIP及LOP分别为边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP的层级属性；
条件2、第i个待测数据点Pi在YOZ平面上的投影点Pi′在以边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP在XOZ平面上的投影点UP′、LP′、IP′、OP′为基本点建立的球型区域内，算法如下：求出投影点UP′、LP′、IP′、OP′的平均球心O，然后求投影点Pi′与O的距离，距离小于半径者位于球型区域内；
条件3、第i个待测数据点Pi未跃出边界，因为胸部是凸起的，如果点处于凹陷点以外层级即为跃出边界，其判定步骤为：寻找第i个待测数据点Pi上一层级节点Pi-1，再寻找节点Pi-1上一层级节点Pi-2，计算向量PiPi-1及向量Pi-1Pi-2在XOZ平面上的投影向量M及投影向量N，并计算投影向量M与投影向量N的点积M*N，若M*N＞0，Pi-2Pi-1Pi为右转，Pi-1为连续凸起处，则第i个待测数据点Pi未跃出边界，若M*N＜0，Pi-2Pi-1Pi为左转，Pi-1为凹陷边界，则第i个待测数据点Pi跃出边界。
步骤三、采用平面截取方式封闭待测乳房曲面，得到待测乳房区域。
关于胸部体积截取有很多种方法，不同的截取方式会导致体积差异，常见的截取方式总结为三种类型，第一种是向外凸起曲面截取，第二种是平面截取，第三种是向内凹陷曲面截取。其中第一种曲面截取方式体积最小，然后依次增大。向内凹陷截取经常为医学采用，跟乳房的医学结构相似。本发明主要是为了服务于服装，四个标记点是与文胸设计相关联的，因此选用平面截取方式。
步骤四、采用网格投影法利用每个数据点包含的三角网格的面信息计算待测乳房区域的体积。求解三维点云计算方法很多，常见的算法有数值积分法，四面体剖分等。基于网格投影法的乳房体积测量算法快速而准确。本发明解决的问题具有特殊性，原始扫描数据已经包含了三角网格的面信息，大多人体扫描设备操控软件都已经具备此功能，便不再考虑三维散点模型的重建。由于正常胸部形态呈近似全凸，扫描为其表面，负体积的产生情况并不复杂，采用网格投影法测体积是相当适合的。其步骤为：
步骤4.1、若所述待测乳房区域的截面与YOZ平面不平行，则进行坐标变换，使截面与YOZ平面重叠，再进入步骤4.2，否则，直接进入步骤4.2。
其中，坐标变换的具体步骤为：
步骤4.1.1、设步骤二中所述四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)，以边界外点OP为新坐标原点，将所述待测乳房区域对应的点阵平移至新坐标；
步骤4.1.2、求出截面与YOZ平面的夹角θ，将截面与YOZ平面的交线设定为旋转轴线，问题变为绕任意轴的旋转，且旋转轴线过原点；
步骤4.1.3、将通过步骤4.1.1得到的点阵平移至旋转轴线经过原点O；
步骤4.1.4、将通过步骤4.1.1得到的点阵旋转至旋转轴线与Z轴重合；
步骤4.1.5、将通过步骤4.1.1得到的点阵绕Z轴旋转θ度后，依次执行步骤4.1.4的逆过程及步骤4.1.3的逆过程。
步骤4.2、计算除封闭面以外所有待测乳房区域的数据点所在三角网格对应的三角面，即为待测三角面，的法向量。考虑到有些面的投影体积为负值，因此依托平面法向量的内外来确定正负，其步骤为：任意待测三角面法向量的内外的求解过程为：在所述待测乳房区域内任取一点D，在当前待测三角面上任取一点A，由点D与点A组成向量V，设当前待测三角面的法向量为N，求出向量N与向量V的内积，若内积小于0，则当前待测三角面的法向量为内部法向量，体积为负，若大于0，则待测三角面的法向量为外部法向量，体积为正。
步骤4.3、将所有待测三角面向封闭面进行垂直投影并得到其面积；
步骤4.4、计算所有待测三角面到其对应投影的五面体体积，法向量为内法向量的面体积算为负体积，所有五面体体积的代数和即为所述待测乳房区域的体积。
通过本发明提供的方法计算得到的一个乳房体积为236.88mm3。
Claims (5)
1.一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、通过三维人体扫描获取人体全身的三维点云数据，每个数据均已经包含了三角网格的面信息，将数据中与胸部范围无关联的数据点及噪点剔除形成待测数据点集，以胸部最高点起开始宽度优先遍历，将待测数据点集中的所有待测数据点分层，为每个待测数据点赋予一个层级属性，位于胸部最高点的待测数据点为第0级，依次类推；
步骤二、根据三维人体扫描数据中乳房边界的四个边界控制点判定待测数据点集中的每个待测数据点是否属于待测胸部区域，所有属于待测胸部区域的待测数据点形成的曲面即为待测乳房曲面；
步骤三、采用平面截取方式封闭待测乳房曲面，得到待测乳房区域；
步骤四、采用网格投影法利用每个数据点包含的三角网格的面信息计算待测乳房区域的体积。
2.如权利要求1所述的一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，在所述步骤二中，设四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)，若待测数据点集中的第i个待测数据点Pi同时满足以下至少三个条件，则该待测数据点属于待测胸部区域：
条件1、LPi＜Max(LUP，LLP，LIP，LOP)，其中，LPi为第i个待测数据点的层级属性，LUP、LLP、LIP及LOP分别为边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP的层级属性；
条件2、第i个待测数据点Pi在YOZ平面上的投影点Pi′在以边界高点UP、边界低点LP、边界内点IP及边界外点OP在XOZ平面上的投影点UP′、LP′、IP′、OP′为基本点建立的球型区域内，其中，人体厚度所在方向为X轴，人体宽度所在方向为Y轴，人体高度所在方向为Z轴；
条件3、第i个待测数据点Pi未跃出边界，其判定步骤为：寻找第i个待测数据点Pi上一层级节点Pi-1，再寻找节点Pi-1上一层级节点Pi-2，计算向量PiPi-1及向量Pi-1Pi-2在XOZ平面上的投影向量M及投影向量N，并计算投影向量M与投影向量N的点积M*N，若M*N＞0，则第i个待测数据点Pi未跃出边界，若M*N＜0，则第i个待测数据点Pi跃出边界。
3.如权利要求1所述的一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，所述步骤四的具体实现步骤为：
步骤4.1、若所述待测乳房区域的截面与YOZ平面不平行，则进行坐标变换，使截面与YOZ平面重叠，再进入步骤4.2，否则，直接进入步骤4.2，其中，人体厚度所在方向为X轴，人体宽度所在方向为Y轴，人体高度所在方向为Z轴；
步骤4.2、计算除封闭面以外所有待测乳房区域的数据点所在三角网格对应的三角面，即为待测三角面，的法向量；
步骤4.3、将所有待测三角面向封闭面进行垂直投影并得到其面积；
步骤4.4、计算所有待测三角面到其对应投影的五面体体积，法向量为内法向量的面体积算为负体积，所有五面体体积的代数和即为所述待测乳房区域的体积。
4.如权利要求3所述的一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，所述步骤4.1中，坐标变换的具体步骤为：
步骤4.1.1、设步骤二中所述四个边界控制点分别为边界高点UP(XUP，YUP，ZUP)，边界低点LP(XLP，YLP，ZLP)，边界内点IP(XIP，YIP，ZIP)及边界外点OP(XOP，YOP，ZOP)，以边界外点OP为新坐标原点，将所述待测乳房区域对应的点阵平移至新坐标；
步骤4.1.2、求出截面与YOZ平面的夹角θ，将截面与YOZ平面的交线设定为旋转轴线；
步骤4.1.3、将通过步骤4.1.1得到的点阵平移至旋转轴线经过坐标原点O；
步骤4.1.4、将通过步骤4.1.1得到的点阵旋转至旋转轴线与Z轴重合；
步骤4.1.5、将通过步骤4.1.1得到的点阵绕Z轴旋转θ度后，依次执行步骤4.1.4的逆过程及步骤4.1.3的逆过程。
5.如权利要求3所述的一种基于网格投影法的三维乳房体积测量方法，其特征在于，所述步骤4.2中，任意待测三角面法向量的内外的求解过程为：在所述待测乳房区域内任取一点D，在当前待测三角面上任取一点A，由点D与点A组成向量V，设当前待测三角面的法向量为N，求出向量N与向量V的内积，若内积小于0，则当前待测三角面的法向量为内部法向量，体积为负，若大于0，则待测三角面的法向量为外部法向量，体积为正。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150408 Termination date: 20170717 |