Bài viết trình bày phương pháp dùng để xác định một số kích thước cơ thể người từ dữ liệu đám mây điểm. Các dữ liệu đám mây điểm biểu diễn các góc nhìn khác nhau của cơ thể người thu được từ thiết bị quét 3D, được ghép nối với nhau để đạt được mô hình ba chiều của cơ thể người. Dữ liệu ba chiều này sẽ được phân vùng tự động theo từng bộ phận của cơ thể người dựa trên phương pháp phân đoạn ảnh ba chiều.
ISSN 2354-0575 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ THỂ NGƯỜI TỪ DỮ LIỆU ĐÁM MÂY ĐIỂM CHIỀU Nguyễn Thị Nhung1, 2, Phan Thanh Thảo1, Nguyễn Thành Hùng1, Lê Trọng Tín1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 05/7/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 20/07/2017 Ngày báo duyệt đăng: 15/08/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp dùng để xác định số kích thước thể người từ liệu đám mây điểm Các liệu đám mây điểm biểu diễn góc nhìn khác thể người thu từ thiết bị quét 3D, ghép nối với để đạt mơ hình ba chiều thể người Dữ liệu ba chiều phân vùng tự động theo phận thể người dựa phương pháp phân đoạn ảnh ba chiều Từ nhóm kích thước chiều cao, chiều dài chiều rộng thể người xác định dựa mô hình ba chiều thể người liệu đám mây điểm phận thể người Để xác định nhóm kích thước vịng, phương pháp mặt cắt đường bao lồi sử dụng để đo chu vi biên dạng nhận mặt cắt Đặc biệt, việc xác định độ dài vịng chu vi, khơng địi hỏi cần phải xác hóa mốc đo.Việc xác định thơng số thể người từ đám mây liệu quét 3D xác so với phương pháp đo nhân trắc truyền thống, đồng thời góp phần hỗ trợ cho việc thiết kế sản phẩm thời trang nhanh Từ khóa: Đám mây điểm, phân đoạn ảnh, kích thước thể người Giới thiệu Việc xác định số đo cách xác thể người để cung cấp cho thiết kế trang phục nói riêng ứng dụng cho ngành khác nói chung không đơn giản Phương pháp truyền thống phương pháp đo trực tiếp, xác định mốc đo thể mang tính chủ quan, địi hỏi người đo cần phải tập huấn phương pháp đo Thêm q trình đo cịn có số vị trí khó xử lý ví dụ đo vịng đùi vị trí đáy quần (nhạy cảm q trình đo) Ngày nay, với phát triển KHKT đo lường số đo xác định chủ yếu phương pháp đo không tiếp xúc gồm: đo gián tiếp 2D đo gián tiếp 3D Trong phương pháp đo gián tiếp 2D ảnh 2D chụp từ nhiều hướng xử lý ảnh để trích xuất đường biên, trích xuất mốc đo tính kích thước thể Đây phương pháp nhiều cơng trình nghiên cứu giá thành thiết bị không cao, linh hoạt trình đo, sử dụng đơn giản Tuy nhiên, kết tính kích thước khơng đạt độ xác phương pháp đo gián tiếp 3D khơng phân tích liệu vị trí khuất thể người [2] Phương pháp đo gián tiếp 3D sử dụng kỹ thuật chiếu tia laser ánh sáng trắng phù hợp quét thể người cho nghiên cứu nhân trắc ngành may Kết việc quét tạo liệu đám mây điểm để từ dùng phần mềm xử lý tính tốn kích thước từ liệu đám mây điểm đo Đây phương pháp đo tiên tiến cung cấp độ xác đo cao, tốc độ đo nhanh, đo 88 hình dạng mẫu phức tạp ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác điện ảnh, y học, khí, may mặc [3]… Tuy nhiên, phương pháp đo số lượng cơng trình nghiên cứu Việt Nam hạn chế chưa đáp ứng yêu cầu thực tế Bên cạnh có mặt hạn chế định với thiết bị đo đại, tốn nhiều chi phí, điều kiện chụp ảnh thiết lập hệ thống xử lý liệu phức tạp Tại Việt Nam Viện Dệt May Hà Nội trang bị hệ thống đo gián tiếp hãng TC2 việc tiếp cận sử dụng hệ thống để phục vụ nghiên cứu sản xuất gặp nhiều khó khăn Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị đo gián tiếp 3D ứng dụng đo kích thước thể người có chi thấp mà đảm bảo yêu cầu đo cần thiết điều kiện Sau khoảng thời gian nhóm nghiên cứu hồn thành việc chế tạo thiết bị quét 3D ứng dụng đạt số kết nghiên cứu chế tạo thiết bị đo 3D kích thước thể người phương pháp ánh sáng cấu trúc mã Gray theo nguyên lý cảm biến đo dịch chuyển tịnh tiến người đo quay 360 Kết chế tạo thiết bị đo tự động với cụm cảm biến dùng máy chiếu Model lnFocus lN114A camera dfk 41bu02 phạm vi đo 1000x500x1800 (mm3) Tìm hiểu ứng dụng thuật tốn dựng hình ghép hình, giải thuật điều khiển đo Xử lý liệu quét thành kết quét hoàn chỉnh Bước đầu phục vụ việc nghiên cứu sâu cho phương pháp đo Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 khơng tiếp xúc [1] Trong báo trình bày kết nghiên cứu phương pháp đo kích thước thể người dựa liệu đám mây điểm thu từ thiết bị quét 3D chế tạo Phương pháp đo lường phần mềm tự động cho tư liệu nhân trắc học Kết trình sử dụng nhiều lĩnh vực, ví dụ an ninh, y tế, thể dục thể thao đặc biệt ngành công nghiệp may mặc Phương pháp xác định kích thước thể người từ liệu đám mây điểm 2.1 Tổng quan phương pháp Dữ liệu đám mây điểm thu từ máy quét 3D sau loại bỏ nhiễu chuyển sang dạng lưới tự động phân đoạn thành phận thể người Do tư người đứng đo quy định sẵn, phận thể người tay, chân, thân, đầu trạng thái thẳng Vì vậy, để đo kích thước vịng phận thể người, báo sử dụng mặt cắt vng góc với hướng dài hình hộp bao có hướng phận để thu mặt cắt hai chiều dọc theo chiều dài phận cần đo Kích thước vịng xác định chu vi đường bao lồi liệu điểm mặt cắt hai chiều điểm biểu diễn thể người cần tách thành phận tay, chân, thân, đầu Để thực trình này, trước tiên khung xương tách từ liệu đám mây điểm cách áp dụng thuật tốn độ cong trung bình khung xương (Mean Curvature Skeleton) mô tả tài liệu tham khảo [4], [7] Phương pháp tách khung xương cách lặp lại trình thu nhỏ lưới điểm Kết tách khung xương thể người Hình 3(a) biểu diễn Hình 3(b) Dựa khung xương vừa tách ra, hàm dạng đường kính (shape diameter function) tính tốn cho mặt lưới tam giác Giá trị đường kính giá trị trung bình khoảng cách từ đỉnh tam giác tới điểm tương ứng khung xương Hàm dạng sử dụng để phân đoạn ảnh theo phương pháp cắt biểu đồ (graph cut) [4] Hình 3(c) biểu diễn kết phân đoạn ảnh liệu đám mây điểm Hình 3(a) Hình Sơ đồ trình tách khung xương phân đoạn ảnh lưới điểm chiều Hình Sơ đồ tổng quan trình đo tự động kích thước thể người từ liệu đám mây điểm Trên Hình biểu diễn sơ đồ tổng quan q trình đo kích thước thể người dựa phân tích đám mây điểm Từ liệu đám mây điểm dùng thuật toán tách khung xương thành phận như: đầu, tay, thân, chân… Nhằm mục đích xác định trục phận 2.2 Tách khung xương phân đoạn ảnh Để đo kích thước vịng, liệu đám mây Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 (a) (b) (c) Hình Kết phân đoạn ảnh liệu đám mây điểm thể người Hình (a) liệu đám mây điểm Hình (b) biểu diễn kết tách khung xương Kết phân đoạn ảnh thể hình (c) Journal of Science and Technology 89 ISSN 2354-0575 2.3 Hình hộp bao có hướng Hình hộp bao có hướng (oriented bounding box - OBB) hình hộp bao chữ nhật mà bao phủ toàn đám mây điểm Các hướng OBB xác định cách sử dụng phương pháp phân tích hiệp phương sai, mà đề xuất Gottschalk, 1996 [6] Ma trận hiệp phương sai đám mây điểm tính sau: n T COV = n / _ p i - pr i_ p i - pr i i=1 RS n n SS / _ x - x i2 / _ xi - xri_ yi - yr i SSi = i r i=1 n 1S n = n SSS / _ xi - xri_ yi - yr i / _ yi - yr i i=1 SSi =n n SS / _ yi - yr i_ zi - zri SSi = _ xi - xri_ zi - zri i/ =1 T Trong pr (xr, yr, zr) tâm đám mây điểm, pi(xi, yi, zi) điểm đám mây điểm, n số lượng điểm Ma trận hiệp phương sai có ba trị riêng thực m1 $ m2 $ m3 ba véc tơ riêng v1(v11, v12, v13), v2(v21, v22, v23), and v3(v31, v32, v33) tương ứng Các véc tơ riêng coi ba hướng hình hộp bao có hướng Bằng cách chiếu toàn điểm đám mây điểm lên ba hướng song song với ba véc tơ riêng, kích thước đám mây điểm (l, w, h) xác định khoảng cách điểm chiếu gần xa hướng vec tơ riêng Hình biểu diễn hình hộp bao có hướng đám mây điểm tương ứng với thân người p/2 trình mặt phẳng cắt viết sau: v1 $(pl1 + k(pl2 - pl1)) = Trong mối quan hệ bước di chuyển thứ k bước Tl biểu diễn sau: l # k # ; E, k ! N Dl Mặt cắt Hình Mặt cắt vng góc với hướng dài hình hộp bao có hướng l p/1 h w Hình Hình hộp bao có hướng đám mây điểm Kích thước chiều cao, chiều ngang bề rộng kích thước tương ứng với kích thước hình hộp chữ nhật OBB 2.4 Phương pháp mặt cắt Để xác định kích thước vòng thể người, mặt phẳng cắt vng góc với hướng dài hình hộp bao có hướng đám mây điểm di chuyển bước Tl từ điểm thấp (pl1) đến điểm cao (pl2) dọc theo hướng (Hình 5) Giao mặt cắt với đám mây điểm tập hợp điểm đồng phẳng (Hình 5) Phương 90 VW n / _ xi - xri_ zi - zriWW WW i=1 n W / _ yi - yr i_ zi - zriWWW i=1 WW n WW / _ zi - zri WW i=1 X 2.5 Đường bao lồi Bao lồi tập hợp điểm định nghĩa đa giác lồi nhỏ chứa toàn tập điểm Bao lồi có số tính chất dễ dàng nhận là: đỉnh phải thuộc tập điểm cho; với đường thẳng nối hai điểm thuộc đa giác lồi - Đầu vào: tập hợp nhiều điểm (>3) - Đầu ra: đa giác lồi nhỏ chứa tất điểm lại Chọn điểm thuộc đường bao, dùng tia quét ngược chiều kim đồng hồ gặp điểm khác, xác định thêm đỉnh thuộc hình bao, tiếp tục xử lý với điểm vừa tìm được… Quá trình kết thúc gặp lại đỉnh Các bước thuật toán: - Xác định điểm đầu tiên: chọn điểm có hồnh độ nhỏ điểm có tung độ nhỏ - Xác định điểm tiếp theo: từ điểm đầu tiên, xác định tia có gốc điểm qua Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 gốc tọa độ O, qt tia ngược chiều kim đồng hồ để tìm điểm chạm vào, điểm điểm thuộc bao lồi Tiếp tục thực với điểm vừa tìm gặp điểm Nối điểm vừa tìm theo trật tự xác định đa giác lồi bao tất điểm cịn lại tập hợp (Hình 6, Hình Hình 8) Hình Đường bao lồi điểm mặt phẳng cắt Hình chọn điểm đầu Hình chọn điểm có tung độ nhỏ tiên có hồnh độ nhỏ Hình Đa giác lồi bao quanh toàn tập điểm Căn vào phương pháp đo thủ cơng kích thước vịng phận thể người, thấy kích thước vịng chu vi đường bao lồi bên ngồi nằm mặt cắt vng góc với trục phận cần đo Do đó, coi chu vi đường bao lồi tập hợp điểm mặt cắt kích thước vịng cần đo Đường bao lồi tập hợp điểm S định nghĩa giao tập hợp toàn đường bao lồi mà chứa S Đối với tập hợp gồm N điểm p1, …, pN, đường bao lồi tập hợp điểm: Hình 10 Sự phân bố kích thước vịng thân người biểu diễn đám mây điểm Hình Cụ thể để xác định kích thước vịng ngực thể ta cần xác định chu vi đa giác lồi lớn đường cong thể từ ngực đến phần bụng Chu vi đa giác lồi tính tồng khoảng cách đoạn thẳng nối hai điểm đa giác lồi Conv _ S i = ( / m i pi : m i $ 6i / m i = N N i=1 i=1 Hình biểu diễn đường bao lồi tập hợp điểm mặt cắt Hình gồm điểm màu đỏ kèm đường thẳng màu xanh da trời nối chúng lại với Kết thực nghiệm 3.1 Kết kích thước phân bố đám mây điểm Dựa hình hộp bao có hướng, chiều cao thể người biểu diễn đám mây điểm Hình xác định 176,6 cm điều dễ dàng xác định vị trí vịng eo, vịng mơng … thể dựa vào hình dạng đường cong thể (Hình 10) Khoa học & Cơng nghệ - Số 15/Tháng - 2017 Hình 11 Biên dạng bao lồi tập điểm mặt cắt vị trí vịng ngực Journal of Science and Technology 91 ISSN 2354-0575 3.2 Kết xác định số thơng số kích thước thể người Sau dựng xác định biên dạng 3D đường cong thể với liệu đám mây điểm ảnh, tiến hành trích xuất liệu, đo số kích thước thể người sử dụng hộp bao hướng bao lồi Thực nghiệm đo số thơng số kích thước thể người vẽ đồ thị mối quan hệ kích thước chiều ngang chiều cao Hình 12 Các lần đo kích thước vịng ngực Kích thước vịng ngực tiêu chuẩn manocanh: 820mm Hình 13 Các lần đo kích thước vịng eo Kích thước vịng eo tiêu chuẩn manocanh: 600mm Kích thước vịng mơng tiêu chuẩn manocanh: 895mm Độ xác phép đo so sánh với kích thước đo thước đo dây (phương pháp đo trực tiếp) Kết cho thấy sai số đo thiết bị cho phép ngành may mặc thời trang Kết luận Trên sở lấy kết nghiên cứu từ liệu quéttừ thiết bị quét với kích thước đối tượng quét 1000x500x1800 mm3 dùng để đo toàn thể người Các liệu quét xử lý phần mềm Geomagic Studio 2012 để đạt mơ hình ba chiều thể người dạng đám mây điểm Đồng thời xây dựng phần mềm xác định số kích thước để lấy tư liệu nhân trắc học ngôn ngữ C++ Căn vào kết thực nghiệm kết từ phần mềm xác định kích thước thể người từ liệu đám mây điểm với độ sai số đạt độ tin cậy cho phép Việc xác định thông số thể người từ đám mây liệu quét 3D tốn thời gian với đo nhân trắc truyền thống, cung cấp nhiều giá trị hơn, xác, tiết kiệm thời gian sức lao động Tuy nhiên điều kiện nghiên cứu kiểm chứng độ xác kết đo với phương pháp đo truyền thống, thời gian tới kết đo tiếp tục so sánh với thiết bị chuẩn khác thiết bị thương mại khác Đây sở để nghiên cứu phát triển đo kích thước thể người tự động theo modun phân đoạn thể người dựa mốc đo nhân trắc Thậm trí phát triển phần mềm 3D cho phép chỉnh sửa bề mặt từ liệu đám mây 3D Sự phát triển cho phép chức quét, chỉnh sửa đo lường giảm xuống tới vài phút trình đo đối tượng Lời cảm ơn Xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học SPKT Hưng Yên hỗ trợ thực nghiên cứu Hình 14 Các lần đo kích thước vịng mơng 92 Khoa học & Cơng nghệ - Số 15/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Cúc, Nguyễn Văn Vinh, Phan Thanh Thảo (10/2016 ), Một số kết chế tạo thiết bị đo thơng số kích thước thể người ánh sáng cấu trúc, Hội nghị khoa học công nghệ tồn quốc khí - động lực 2016 [2] Nguyễn Thị Ngọc Quyên (2015), Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo gián tiếp 2D xây dựng hệ thống kích thước thể nam sinh viên phục vụ ngành May, Luận án tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Lê Quang Trà (2016), Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phương pháp xử dụng ánh sáng cấu trúc, Luận án tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Andrea Tagliasacchi, Ibraheem Alhashim, Matt Olson, and Hao Zhang Mean curvature skeletons Computer Graphics Forum, 31(5) :1735–1744, 2012 [5] L Shapira, A Shamir, and D Cohen-Or Consistent Mesh Partitioning and Skeletonisation using the Shape Diameter Function The Visual Computer, 24(4):249–259, 2008 [6] S Gottschalk, M C Lin, and D Manocha OBBTree: A Hierarchical Structure for Rapid Interference Detection Proceedings of the 23rd Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, New Orleans, Louisiana, 1996, pp 171–180 [7] Liu, R., & Zhang, H (2007) Mesh Segmentation via Spectral Embedding and Contour Analysis Computer Graphics Forum, 26(3), 385–394 http://doi.org/10.1111/j.1467-8659.2007.01061.x DETERMINING THE HUMAN BODY SIZE FROM THE 3D POINT CLOUD DATA Abstract: This article presents a methodology used to determine some human body sizes from point cloud data Point cloud datas perform the different angles of the human body obtained from the 3D scanner that will be connect to achieve a three-dimensional model of the human body This three-dimensional data will be automatically partitioned into sections of the human body based on the three-dimensional segmentation method Since then groups of height, length and width dimensions of the human body will be determined based on the three-dimensional model of the human body and the cloud point data of each part of the human body To determine the circumference of size groups, the cross-sectional and convex boundary methods were used to measure the perimeter of the profile received at each section In particular, the determination of the Length and circumference don’t not require the accurately measurment at the measuring point Determining human body parameters from the 3D data is more accurate than traditional anthropometric measurements and contributing to faster fashion design Keywords: Point cloud, image segment, body size Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 93 ... bao có hướng đám mây điểm Kích thước chiều cao, chiều ngang bề rộng kích thước tương ứng với kích thước hình hộp chữ nhật OBB 2.4 Phương pháp mặt cắt Để xác định kích thước vòng thể người, mặt... thời xây dựng phần mềm xác định số kích thước để lấy tư liệu nhân trắc học ngôn ngữ C++ Căn vào kết thực nghiệm kết từ phần mềm xác định kích thước thể người từ liệu đám mây điểm với độ sai số đạt... phân đoạn ảnh Để đo kích thước vịng, liệu đám mây Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 (a) (b) (c) Hình Kết phân đoạn ảnh liệu đám mây điểm thể người Hình (a) liệu đám mây điểm Hình (b) biểu