kinect的三维扫描及几何模型优化
获取人体表面的三维几何信息是计算机图形学、动漫、游戏等领域中一项基本任务，有着广泛的应用价值。作为新生设备Kinect由于价格低廉、结构小巧、使用方便等优点，受到众多三维扫描领域研究者的青睐。但是，Kinect获取的数据存在一些问题，比如模型精度低，网格空洞，光滑度不够等，因此不能直接用于3D打印或者其他应用开发的。另外一方面，模型修复环节比三维扫描获取数据更加消耗时间和人力。本文借助Kinect搭建两种廉价、快速人体三维扫描系统，并对重建的三维模型进行几何算法优化研究，主要研究如下：利用两台Kinect，搭建全身三维扫描系统：计算机控制硬件平台同步获取上半身、下半身深度数据，获取的数据再依次经过离线重建三维网格、ICP拼接处理、泊松表面重建等操作，最终得到人体全身模型。利用一台Kinect，搭建低成本正面三维扫描系统：针对获取的三维网格具有空洞、拓扑复杂问题，提出一种基于高度场的模型优化算法，算法输出一个封闭的、拓扑规整的三维网格。文中提出一种基于高度场贴图的模型补洞算法，主要步骤包括：封闭空洞、高度场贴图。算法基本可以恢复空洞处的几何特征。另外，结合相关几何优化算法，开发了3款基于2D绘图的简易个性化建模软件。基于高度场贴图算法，开发一款可交互式模型拼接软件。最后，将本文介绍的两款三维扫描系统用于巧克力3D打印、虚拟试衣项目实践测试中。摘要 i
目录
Abstract ii
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 论文主要工作及创新 2
1.2.1 论文主要工作及其内容安排 2
1.2.2 论文主要创新点 2
第2章 基于两台Kinect的全身三维扫描系统 4
2.1 系统需求与系统方案 4
2.1.1 系统需求 4
2.1.2 方案设计 5
2.2 基于两台Kinect的三维扫描硬件平台设计 7
2.3 KinectFusion算法重建 10
2.3.1 简介 10
2.3.2 算法流程 10
2.4 ICP算法拼接 11
2.4.1 简介 11
2.4.2 算法流程 12
2
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.5 实验结果与分析 13
第3章 低成本正面三维扫描系统 16
3.1 系统需求与系统方案 16
3.1.1 系统需求 16
3.1.2 系统方案 16
3.2 人体正面扫描硬件平台设计 17
3.3 实验结果与分析 18
3.3.1 硬件平台测试 19
3.3.2 优化算法测试 19
第4章 三维扫描模型几何优化 21
4.1 基于高度场的模型优化 21
4.1.1 介绍 21
4.1.2 算法流程 21
4.1.3 测试例子 25
4.2 基于高度场贴图的模型补洞算法 26
4.2.1 介绍 26
4.2.2 补洞算法 26
4.2.3 高度场贴图算法 28
4.2.4 测试例子 31
4.3 简化 32
4.3.1 介绍 32
4.3.2 算法流程 33
4.3.3 测试例子 34
4.4 泊松表面重建 35
4.4.1 介绍 35
4.4.2 算法流程 36
第5章 基于几何算法优化的快速三维重建 38
5.1 基于高度场贴图的可交互式模型拼接软件 38
5.1.1 功能简介 38
5.1.2 测试样例 39
5.2 基于2D绘图的简易个性化建模软件 39
5.2.1 个性化印章设计 39
5.2.2 个性化算盘设计 40
5.2.3 个性化眼镜设计 41
第6章 应用 42
6.1 巧克力三维打印 42
6.2 虚拟试衣 43
第7章 总结与展望 45
7.1 本文工作总结 45
7.2 今后研究展望 45
参考文献 47
本科期间主要的研究成果 49
致谢 50
附录 51
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在当今物联网时代，三维扫描和三维打印更是国内外经济发展和行业投资的热点，2012年4月，3D打印行业被纳入“国家高技术研究发展计划(863计划)[]和国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南”，变成我国重点支持科学技术领域。而三维扫描作为一种3D打印模型的获取方式，对人性化定制模型有很重要的意义。也就是说，3D扫描和3D打印的完美结合也让个性化制造成为现实。英国《经济学人》杂志将三维打印技术（3D printing）作为第三次工业革命的重要标志之一，可见，此项技术在国外受重视程度之高[]。
目前，用于三维物体扫描的扫描仪大致分成两类，一类是传统的三维激光扫描仪，结构光扫描仪，二是深度相机。传统三维扫描仪采集数据需要较长的时间，大都仅能应用于采集静态物体，这类设备一般构造复杂、操作较难且价格不菲。 一台结构光扫描仪市场价平均为4.5万人民币，而一台激光扫描仪便宜的几万，贵的则要10几万，甚至上百万。因此，如TOF，Microsoft Kinect这类深度相机日益受到研究人员的欢迎。和传统三维扫描设备相比，深度相机价格低廉、结构小巧、使用方便、能实时捕获物体表面的深度与彩色信息，因此可用于布料的动态仿真模拟、流体数据的采集仿真等研究[]。
随着行业对快速便捷获取客观世界的扫描模型的迫切需求，近几年，价格千来块的深度相机（如Kinect, XTion pro等）的出现，似乎为市场廉价型三维扫描提供了一个新的解决方案。但是，由于深度相机的获取精度远远比不上专业级别扫描仪，获取的模型仍存在一些问题。比如，模型精度，网格空洞，光滑性质等。往往是不能用于直接3D打印或者游戏开发的。对于深度相机扫描后的模型，如果要用于3D打印，需要人工使用软件（Zbrush等）做修复，而软件修复这一环节比起深度相机扫描获取更加消耗时间和人力。而现成自动修复扫描模型的软件至今还没有。
针对以上问题，本文借助如今普遍使用的Kinect[]深度相机，尝试搭建廉价的、高效的人体的三维扫描及重建系统。并对系统获取的三维数据做了相关几何优化算法的研究。同时，搭建的系统也在巧克力3D打印[][]、虚拟试衣等应用方面做了实践性尝试。
1.2 论文主要工作及创新
1.2.1 论文主要工作及其内容安排
本文主要是基于Kinect的三维扫描硬件平台的搭建及其几何模型优化算法进行了研究。全文安排如下：
第一章首先概述了本文的研究背景及其意义，简单介绍了三维扫描技术在3D打印产业中的重要意义和存在的一些不足，并介绍了论文主要工作及创新点。
第二章主要基于两台Kinect的全身三维扫描系统。首先，介绍了搭建的目的和系统需求，并提出相应的整体方案。还具体介绍了该系统硬件平台的设计过程，并对三维扫描过程使用最多的ICP算法，KinectFusion算法进行了简单介绍，最后做了相关的实验测试。
第三章主要是基于Intel Bay Trail低配置计算机搭建了低成本正面三维扫描系统。首先，介绍了搭建的目的和系统需求，并提出相应的整体方案。还具体介绍人体正面扫描硬件平台的设计过程，最后，对平台进行了稳定性测试和几何算法稳定性测试。
第四章主要是介绍三维模型的几何优化算法。针对不规整、复杂拓扑的高度场网格，提出了基于高度场的模型优化算法并测试；针对网格模型空洞问题，提出了基于高度场贴图的模型补洞算法并测试；并重新实现了模型简化算法并测试。最后对于常用的泊松表面重建算法进行了简单介绍。
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Abstract ii
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 论文主要工作及创新 2
1.2.1 论文主要工作及其内容安排 2
1.2.2 论文主要创新点 2
第2章 基于两台Kinect的全身三维扫描系统 4
2.1 系统需求与系统方案 4
2.1.1 系统需求 4
2.1.2 方案设计 5
2.2 基于两台Kinect的三维扫描硬件平台设计 7
2.3 KinectFusion算法重建 10
2.3.1 简介 10
2.3.2 算法流程 10
2.4 ICP算法拼接 11
2.4.1 简介 11
2.4.2 算法流程 12
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.5 实验结果与分析 13
第3章 低成本正面三维扫描系统 16
3.1 系统需求与系统方案 16
3.1.1 系统需求 16
3.1.2 系统方案 16
3.2 人体正面扫描硬件平台设计 17
3.3 实验结果与分析 18
3.3.1 硬件平台测试 19
3.3.2 优化算法测试 19
第4章 三维扫描模型几何优化 21
4.1 基于高度场的模型优化 21
4.1.1 介绍 21
4.1.2 算法流程 21
4.1.3 测试例子 25
4.2 基于高度场贴图的模型补洞算法 26
4.2.1 介绍 26
4.2.2 补洞算法 26
4.2.3 高度场贴图算法 28
4.2.4 测试例子 31
4.3 简化 32
4.3.1 介绍 32
4.3.2 算法流程 33
4.3.3 测试例子 34
4.4 泊松表面重建 35
4.4.1 介绍 35
4.4.2 算法流程 36
第5章 基于几何算法优化的快速三维重建 38
5.1 基于高度场贴图的可交互式模型拼接软件 38
5.1.1 功能简介 38
5.1.2 测试样例 39
5.2 基于2D绘图的简易个性化建模软件 39
5.2.1 个性化印章设计 39
5.2.2 个性化算盘设计 40
5.2.3 个性化眼镜设计 41
第6章 应用 42
6.1 巧克力三维打印 42
6.2 虚拟试衣 43
第7章 总结与展望 45
7.1 本文工作总结 45
7.2 今后研究展望 45
参考文献 47
本科期间主要的研究成果 49
致谢 50
附录 51
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在当今物联网时代，三维扫描和三维打印更是国内外经济发展和行业投资的热点，2012年4月，3D打印行业被纳入“国家高技术研究发展计划(863计划)[]和国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南”，变成我国重点支持科学技术领域。而三维扫描作为一种3D打印模型的获取方式，对人性化定制模型有很重要的意义。也就是说，3D扫描和3D打印的完美结合也让个性化制造成为现实。英国《经济学人》杂志将三维打印技术（3D printing）作为第三次工业革命的重要标志之一，可见，此项技术在国外受重视程度之高[]。
目前，用于三维物体扫描的扫描仪大致分成两类，一类是传统的三维激光扫描仪，结构光扫描仪，二是深度相机。传统三维扫描仪采集数据需要较长的时间，大都仅能应用于采集静态物体，这类设备一般构造复杂、操作较难且价格不菲。 一台结构光扫描仪市场价平均为4.5万人民币，而一台激光扫描仪便宜的几万，贵的则要10几万，甚至上百万。因此，如TOF，Microsoft Kinect这类深度相机日益受到研究人员的欢迎。和传统三维扫描设备相比，深度相机价格低廉、结构小巧、使用方便、能实时捕获物体表面的深度与彩色信息，因此可用于布料的动态仿真模拟、流体数据的采集仿真等研究[]。
随着行业对快速便捷获取客观世界的扫描模型的迫切需求，近几年，价格千来块的深度相机（如Kinect, XTion pro等）的出现，似乎为市场廉价型三维扫描提供了一个新的解决方案。但是，由于深度相机的获取精度远远比不上专业级别扫描仪，获取的模型仍存在一些问题。比如，模型精度，网格空洞，光滑性质等。往往是不能用于直接3D打印或者游戏开发的。对于深度相机扫描后的模型，如果要用于3D打印，需要人工使用软件（Zbrush等）做修复，而软件修复这一环节比起深度相机扫描获取更加消耗时间和人力。而现成自动修复扫描模型的软件至今还没有。
针对以上问题，本文借助如今普遍使用的Kinect[]深度相机，尝试搭建廉价的、高效的人体的三维扫描及重建系统。并对系统获取的三维数据做了相关几何优化算法的研究。同时，搭建的系统也在巧克力3D打印[][]、虚拟试衣等应用方面做了实践性尝试。
1.2 论文主要工作及创新
1.2.1 论文主要工作及其内容安排
本文主要是基于Kinect的三维扫描硬件平台的搭建及其几何模型优化算法进行了研究。全文安排如下：
第一章首先概述了本文的研究背景及其意义，简单介绍了三维扫描技术在3D打印产业中的重要意义和存在的一些不足，并介绍了论文主要工作及创新点。
第二章主要基于两台Kinect的全身三维扫描系统。首先，介绍了搭建的目的和系统需求，并提出相应的整体方案。还具体介绍了该系统硬件平台的设计过程，并对三维扫描过程使用最多的ICP算法，KinectFusion算法进行了简单介绍，最后做了相关的实验测试。
第三章主要是基于Intel Bay Trail低配置计算机搭建了低成本正面三维扫描系统。首先，介绍了搭建的目的和系统需求，并提出相应的整体方案。还具体介绍人体正面扫描硬件平台的设计过程，最后，对平台进行了稳定性测试和几何算法稳定性测试。
第四章主要是介绍三维模型的几何优化算法。针对不规整、复杂拓扑的高度场网格，提出了基于高度场的模型优化算法并测试；针对网格模型空洞问题，提出了基于高度场贴图的模型补洞算法并测试；并重新实现了模型简化算法并测试。最后对于常用的泊松表面重建算法进行了简单介绍。
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