CN107467760A - 一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法 - Google Patents

一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法，结合人体工程学与体育健康测量等先验知识，标记结果具有更高的准确性。所述方法用于被动非接触式人体形态参数提取过程，确定的特征点包括：身高特征点、胸围特征点、颈部特征点、裆部特征点与臀部特征点、腰围特征点与腹围特征点、膝盖特征点、大腿围与小腿围特征点、肩宽特征点、臂长与指尖特征点、脚长特征点。特征点可根据实际需求增加或减少特征点数目与位置。本发明在人体轮廓标记处理中的标记特征点数目与精确度均优于以往的标记方法，使得人体轮廓信息再利用方面得到极大的应用，具有非常重要的实用性。

Description

一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种人体轮廓特征点标记方法。
背景技术
人体形态参数，包括身高、体重、颈围、肩宽、臂长、胸围、腰围、腹围、臀围、腿围、腿长等，蕴含大量有价值的信息。人体形态参数可运用场景非常广泛，例如实现远程的服装定制、人体健康状况的评估等等。人体形态参数测量方法也由人为手工测量向非接触式测量过度。在基于被动非接触式人体形态参数提取过程为：人体照片采集与预处理→人体轮廓序列提取→人体轮廓特征点标定→人体参数测量。该过程中，人体轮廓特征点标记是非常关键的一步，特征点位置应适应所有样本，不随样本或时间的改变而改变，人体特征点选定的精确与否将直接影响最终人体形态参数测量结果的准确性。因此，人体轮廓特征点标定研究极具现实意义。
关于人体轮廓特征点的研究国内外相关学者已经做过了大量的工作。在现有文献中，学者特征点标记方法可分为手动标记与自动标记两种方式。手动标记方式即人为根据先验知识直接在人体轮廓上将特征点标记出来，该方法标记效果最为理想，能够将该过程的误差降至最低，但是由于需要人为介入无法实现自动化，实际使用情况下应尽可能减少人为参与，逐步完全自动化。
现有自动人体轮廓特征点标记方法在大多数有关人体参数获取的系统的实现都是基于人体各部分在人体中的比例关系确定关键尺寸点。根据统计信息，其实人体各个部分的尺寸存在着一定的比例关系，可以通过这些尺寸的比例关系来确定图像中我们需要的相关的标识点，完成标识点的标定。标识点标定以后，才能对具体参数进行求解测量。
有关人体尺寸比例的研究结论很多，不过基本上大致相同，例如美国Clemson大学曾经在人体的各部分的尺寸与身高的比例关系上做过深入的研究，并且得到了确切的数据。我国在该方面也有研究，总的来说人体尺寸比例基本上是一致的，如表1的人体尺寸线定义。
表1人体尺寸线定义表
人体尺寸 尺寸定义 垂直位置百分百(100％)
身高 头顶点与足底点之间的距离 1.00
后领围线 头部与颈部的相交截面轮廓线 0.86
前领围线 颈部与躯干部的相交截面轮廓线 0.84
肩缝线 肩点横截面轮廓线 0.81
上胸围线 上胸截面线 0.75
胸围线 胸部截面线 0.72
下胸围线 下胸截面线 0.70
腰围线 腰围截面线 0.63
腹突线 腹部截面线 0.58
臀围线 臀部截面线 0.53
基线 下肢与躯干的相交面轮廓线 0.48
利用上述人体尺寸线定义表中的比例关系可获得人体轮廓中的初始特征点标定，杨冬梅等提出在此基础上以初始特征点为中心，确定固定大小窗口，在窗口中利用下Harris算法提取出曲率最大点即为精确特征点。
已有人体轮廓特征点标记方法通过人体尺寸线标记特征点虽然能够满足平均水平，但存在很大局限性。已有方法存在以下问题与缺陷：
1、特征点标记存在特征位置上的不足：现有特征点标记方法基于现有人体轮廓提取出的边界信息，而现有人体轮廓提取方案提取中的边界提取由于完整性问题，大部分文献中采取被测量者双腿并拢式测量，这就导致了在特征点标记过程中无法标记腿部内侧的特征位置，并且由于现有方法基于比例关系标记，比例关系十分有限，也导致了许多人体特征点无法被标记出来。
2、特征点标记存在准确度上的不足：已有特征点标记方法基于人体部位比例关系，符合大多数人体样本的分布情况，但对于单个样本而言，比例关系并不一定满足这个比例表中的比例关系。虽然学者利用角点检测后改进了部分部位特征点的精确度，但这是基于所有特征点都位于边界中曲率最大的角点处这个假设条件下，实际人体轮廓中的特征点并不一定都满足该条件，需要不同部位根据不同特征进行确定。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法，在人体轮廓标记处理中的标记特征点数目与精确度均优于以往的标记方法，使得人体轮廓信息再利用方面得到极大的应用，具有非常重要的实用性。
本发明具体通过如下技术方案实现：
一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法，所述方法用于被动非接触式人体形态参数提取过程，所述方法确定的特征点包括：身高特征点、胸围特征点、颈部特征点、裆部特征点与臀部特征点、腰围特征点与腹围特征点、膝盖特征点、大腿围与小腿围特征点、肩宽特征点、臂长与指尖特征点、脚长特征点；所述方法根据实际需求确定特征点数目与位置；
其中，所述胸围特征点的标记分为胸宽标记点与胸厚标记点，首先将头顶特征点的横坐标暂定位人体中线跟坐标，按从上到下，从中线向两侧扫描，当第一次左右与轮廓接触点数目都大于两点时定义为两侧腋下标记点，胸宽由腋下标记点的横向距离确定；胸厚特征点由颈厚的前标记点到一预设的高度范围之间的序列进行曲线拟合后计算满足二阶导数小于0的曲率最大处作为乳点标记点，再通过乳点高度获取胸厚另一标记点；
所述裆部特征点与臀部特征点的确定具体为：通过身体中线与轮廓下方的交点不断向上检索，直到最高点标记为裆部特征点；臀宽特征点定义为裆部特征点高度偏上位置；臀厚特征点的选取参照胸厚特征点的标记方法，选取身体轮廓左侧一定高度范围的拟合曲线二阶导数大于0且曲率最大处点为臀厚标记点；
所述膝盖特征点的确定具体为：将脚底到臀部高度的1/4以下到3/4以上高度范围内选取内部曲线进行曲线拟合，拟合函数二阶导数大于0且曲率最大处标记为膝盖高度；同理获得膝盖厚度标记点。
进一步地，所述身高特征点的确定具体为：按从上到下，从左到右的遍历顺序扫描轮廓序列图，直到遇到第一个像素点为0的黑点时标记为身高最高点；按照从下到上，从左到右的存续扫描轮廓序列图，寻找到的第一个轮廓点即为身高最低点；由身高最低点到头上最高点的垂直距离确定，获得正面身高与侧面身高。
进一步地，所述颈部特征点的确定具体为：颈部特征点分为颈宽特征点与颈厚特征点，颈宽高度为正面图身高的0.07以下部分，腋下点以上最窄部分的高度，将颈宽高度与轮廓相交点标记为特征点；颈厚前标记点为侧身图的身高1/3以上部分按从上到下，从右向左扫描轮廓图最左点为前标记点，计算轮廓右侧到前标记点欧氏距离最小处点为颈厚后标记点。
进一步地，所述腰围特征点与腹围特征点的确定具体为：参照人体比例表中的比例关系，利用腰围高度与腹围高度与胸围高度和臀围高度的比例关系计算得到。
进一步地，所述大腿围与小腿围特征点的确定具体为：大腿宽为正面图裆部标记点高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，大腿厚为侧身图臀围线高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；小腿宽为正面图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，小腿厚为侧身图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点；所述高度范围根据标记效果进行设置和调整。
进一步地，所述肩宽特征点的确定过程中，为了检测鲁棒性，还将斜率范围作为参考量。
进一步地，所述肩宽特征点的确定具体为：肩宽取正面轮廓图左右肩部特征点的欧式距离；左肩特征点由正面图颈部线以下胸围线以上拟合曲线满足二阶导小于0且斜率最大的某定点确定；同理标记右肩特征点。
进一步地，所述臂长与指尖特征点的确定具体为：左/右臂长为肩膀点到正面图左/右侧指尖特征点的欧式距离，拍摄时用户手指伸直；左/右指尖特征点的确定，先确定轮廓最左/右点再不断向下检索知道最低点为指尖特征点。
进一步地，所述脚长特征点的确定具体为：脚长为侧身图身体高度8/10以下高度到脚底高度范围内与身体轮廓交点的横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点；所述高度范围根据标记效果进行设置和调整。
附图说明
图1是腋下特征点标记示意图；
图2是胸厚特征点标记示意图；
图3是裆部特征点标记示意图；
图4是臀厚特征点标记示意图；
图5是膝盖正面特征点标记示意图；
图6是膝盖侧面特征点标记示意图；
图7是肩点特征点标记示意图；
图8是指尖特征点标记示意图；
图9是采用本发明的标记方法得到的正面人体轮廓特征点标记结果；
图10是采用本发明的标记方法得到的侧面人体轮廓特征点标记结果；
图11是采用现有经典标记方法得到的正面人体轮廓特征点标记结果；
图12是采用现有经典标记方法得到的侧面人体轮廓特征点标记结果。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明结合人体工程学与体育健康测量等先验知识提出全新的特征点标记方法，标记结果具有更高的准确性。特征点可根据实际需求增加或减少特征点数目与位置。具体的各个部位特征点定义规则及标定方法如下。
一、身高特征点的确定
首先，我们需要寻找身高的两个特征点。按从上到下，从左到右的遍历顺序扫描轮廓序列图，直到遇到第一个像素点为0的黑点时标记为身高最高点。同理，按照从下到上，从左到右的存续扫描轮廓序列图，寻找到的第一个轮廓点即为身高最低点。由身高最低点到头上最高点的垂直距离确定，获得正面身高与侧面身高(最终身高由侧身图确定，由于正面图可能会要求用户将腿适当打开影响身高)。
二、胸围特征点的确定
胸围特征点的标记可分为胸宽标记点与胸厚标记点，首先我们将头顶特征点的横坐标暂定位人体中线跟坐标，按从上到下，从中线向两侧扫描，当第一次左右与轮廓接触点数目都大于两点时可定义为两侧腋下标记点，如图1所示，胸宽可由腋下标记点的横向距离确定；胸厚特征点(以面向右方向为例)可由颈厚的前标记点(下文介绍)到身高比例0.3高度范围(高度范围可根据效果进行调整)之间的序列进行曲线拟合后计算满足二阶导数小于0的曲率最大处作为乳点标记点，如图2所示，再通过乳点高度获取胸厚另一标记点。
设原轮廓序列段Q共有m个像素点以步长s对胸部轮廓上点进行最小二乘法曲线拟合，设拟合曲线y最大阶数为k阶，拟合过程由式(1)可见：
计算得到系数矩阵A＝[a0,a1…ak]T，同时，也就得到了拟合曲线y，曲线曲率公式由式(2)可见：
进行曲线拟合时，边缘点的拟合程度不是太好，所以在选取的时候需要取拟合后函数更小一点的范围进行计算比较。
三、颈部特征点的确定
颈部特征点同样分为颈宽特征点与颈厚特征点。颈宽高度为正面图身高的0.07以下部分，腋下点以上最窄部分的高度，将颈宽高度与轮廓相交点标记为特征点；颈厚前标记点为侧身图的身高1/3以上部分按从上到下，从右向左扫描轮廓图最左点为前标记点，计算轮廓右侧到前标记点欧氏距离最小处点为颈厚后标记点。
四、裆部特征点与臀部特征点的确定
通过身体中线与轮廓下方的交点不断向上检索，直到最高点标记为裆部特征点，如图3所示；臀宽特征点定义为裆部特征点高度偏上位置(本文按裆部高度到胸围线高度的20％计算)；臀厚特征点的选取可参照胸厚特征点的标记方法，选取身体轮廓左侧一定高度范围的拟合曲线二阶导数大于0且曲率最大处点为臀厚标记点，如图4所示。
五、腰围特征点与腹围特征点的确定
腰围特征点与腹围特征点的标定可参照人体比例表中的比例关系，利用腰围高度与腹围高度与胸围高度和臀围高度的比例关系计算得到。
六、膝盖特征点的确定
将脚底到臀部高度的1/4以下到3/4以上高度范围内选取内部曲线进行曲线拟合，拟合函数二阶导数大于0且曲率最大处标记为膝盖高度；同理可获得膝盖厚度标记点。
七、大腿围与小腿围特征点的确定
大腿宽为正面图裆部标记点高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，大腿厚为侧身图臀围线高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；小腿宽为正面图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，小腿厚为侧身图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点(高度范围可根据效果进行调整)。
八、肩宽特征点的确定
肩宽取正面轮廓图左右肩部特征点的欧式距离；左肩特征点可由正面图颈部线以下胸围线以上拟合曲线满足二阶导小于0且斜率最大的某定点确定(本文为了检测鲁棒性，还将斜率范围作为参考量)；同理标记右肩特征点。
九、臂长与指尖特征点的确定
左(右)臂长为肩膀点到正面图左(右)侧指尖特征点的欧式距离，拍摄时用户手指伸直；左(右)指尖特征点的确定可先确定轮廓最左(右)点再不断向下检索知道最低点为指尖特征点。
十、脚长特征点的确定
脚长为侧身图身体高度8/10以下高度到脚底高度范围内与身体轮廓交点的横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点(高度范围可根据效果进行调整)。
本发明进行了不同人体轮廓进行特征点标定的实验，对特征点标记数目与精确度两个方面进行比较。
使用本发明的标记方法对提取的人体轮廓进行特征点标记，标记结果如图9和图10所示。使用现有经典标记方法对提取的人体轮廓进行特征点标记，标记结果如图11和图12所示。
现有的人体轮廓特征点标记方法共标记出正面人体轮廓特征点14个，侧面人体轮廓特征点12个，对比本发明的基于人体工程学的人体轮廓特征点标记法标记正面人体轮廓28个，侧面人体轮廓特征点20个。由此可以看出，本发明的标记方法对于相同人体轮廓条件下，能够获取更多的特征点标记，进而能在参数计算时获取更多精确部位的围度参数信息。
从特征点标记精确度出发，本发明的标记方法较现有的人体轮廓特征点标记方法更符合人类先验感官知识，更贴近理想状态下的标记结果。区别于利用人体比例关系和角点检测原理，本发明的标记方法结合人体比例范围以及人体工程学先验知识作为标记条件，更符合标记点的特征属性，区别于其他特征点特征，不易被替代。实验测试100例人体轮廓特征点利用本发明的标记方法标记结果，其中97例标记结果表现优于或等效于现有人体轮廓标记方法且都能满足标记点信息再利用。
综合本发明的基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法在人体轮廓标记处理中的标记特征点数目与精确度均优于以往的标记方法，使得人体轮廓信息再利用方面得到极大的应用，具有非常重要的实用性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于人体工程学的人体轮廓特征点标记方法，所述方法用于被动非接触式人体形态参数提取过程，其特征在于：所述方法确定的特征点包括：身高特征点、胸围特征点、颈部特征点、裆部特征点与臀部特征点、腰围特征点与腹围特征点、膝盖特征点、大腿围与小腿围特征点、肩宽特征点、臂长与指尖特征点、脚长特征点；所述方法根据实际需求确定特征点数目与位置；其中，所述胸围特征点的标记分为胸宽标记点与胸厚标记点，首先将头顶特征点的横坐标暂定位人体中线跟坐标，按从上到下，从中线向两侧扫描，当第一次左右与轮廓接触点数目都大于两点时定义为两侧腋下标记点，胸宽由腋下标记点的横向距离确定；胸厚特征点由颈厚的前标记点到第一预设的高度范围之间的序列进行曲线拟合后计算满足二阶导数小于0的曲率最大处作为乳点标记点，再通过乳点高度获取胸厚另一标记点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述裆部特征点与臀部特征点的确定具体为：通过身体中线与轮廓下方的交点不断向上检索，直到最高点标记为裆部特征点；臀宽特征点定义为裆部特征点高度偏上位置；臀厚特征点的选取参照胸厚特征点的标记方法，选取身体轮廓左侧一定高度范围的拟合曲线二阶导数大于0且曲率最大处点为臀厚标记点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述膝盖特征点的确定具体为：将脚底到臀部高度的1/4以下到3/4以上高度范围内选取内部曲线进行曲线拟合，拟合函数二阶导数大于0且曲率最大处标记为膝盖高度；同理获得膝盖厚度标记点。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述第一预设的高度范围根据标记效果进行设置和调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述身高特征点的确定具体为：按从上到下，从左到右的遍历顺序扫描轮廓序列图，直到遇到第一个像素点为0的黑点时标记为身高最高点；按照从下到上，从左到右的存续扫描轮廓序列图，寻找到的第一个轮廓点即为身高最低点；由身高最低点到头上最高点的垂直距离确定，获得正面身高与侧面身高。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述颈部特征点的确定具体为：颈部特征点分为颈宽特征点与颈厚特征点，颈宽高度为正面图身高的0.07以下部分，腋下点以上最窄部分的高度，将颈宽高度与轮廓相交点标记为特征点；颈厚前标记点为侧身图的身高1/3以上部分按从上到下，从右向左扫描轮廓图最左点为前标记点，计算轮廓右侧到前标记点欧氏距离最小处点为颈厚后标记点。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述大腿围与小腿围特征点的确定具体为：大腿宽为正面图裆部标记点高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，大腿厚为侧身图臀围线高度到膝盖线高度范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；小腿宽为正面图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度，小腿厚为侧身图膝盖线高度到身体高度8/10以上范围内与身体轮廓交点横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点；所述高度范围根据标记效果进行设置和调整。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述肩宽特征点的确定具体为：肩宽取正面轮廓图左右肩部特征点的欧式距离；左肩特征点由正面图颈部线以下胸围线以上拟合曲线满足二阶导小于0且斜率最大的某定点确定；同理标记右肩特征点；其中，所述肩宽特征点的确定过程中，为了检测鲁棒性，还将斜率范围作为参考量。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述臂长与指尖特征点的确定具体为：左/右臂长为肩膀点到正面图左/右侧指尖特征点的欧式距离，拍摄时用户手指伸直；左/右指尖特征点的确定，先确定轮廓最左/右点再不断向下检索知道最低点为指尖特征点。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脚长特征点的确定具体为：脚长为侧身图身体高度8/10以下高度到脚底高度范围内与身体轮廓交点的横向距离最大的宽度；利用上述条件即可标记出大腿围和小腿围特征点；所述高度范围根据标记效果进行设置和调整。
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