光学数字人体形貌三维重建技术研究

论文摘要

生物医学与信息技术、计算机技术的结合，使人体信息数字化成为生物医学工程研究与应用中的热点和前沿问题。人体形貌的三维数字化是数字人体研究的一个重要方面，在生物医学领域的应用日趋广泛。人体形貌三维重建技术是人体形貌三维数字化的基础。用于数字虚拟人研究的机械切片断层成像三维重建方法，无法用于活人体的三维形貌数字化重建。基于X射线的断层扫描CT技术对软组织表面的三维重建效果也不是很好。因此，寻求新的技术方法来解决活人体形貌的数字化三维重建问题具有重要意义。 本文主要研究光学三维形貌术用于活人体形貌的三维重建技术问题。基于面结构光投影的傅立叶变换形貌术，理论上可重建活人体等动态物体，我们通过研究传统傅立叶变换形貌术及其在三维人体形貌重建中的应用，针对传统傅立叶变换形貌术的局限性，提出了窗口傅立叶变换形貌术和多尺度窗口傅立叶变换形貌术，以及它们在三维人体形貌重建中的应用。小波变换在空---频局域化、多分辨方面具有较大的优势，从理论上证明了在慢变位相梯度条件下，可通过求解小波变换脊的位相来解调变形光栅条纹的位相，进一步提出了直接提取小波变换脊位相的三维形貌术及其在三维人体形貌重建中的应用；并将小波变换脊用于瞬时频率的探测，通过瞬时频率来自动确定多尺度窗口傅立叶变换形貌术的尺度。针对传统相移形貌术只适用于静态物体的三维重建，提出并研究了高速数字相移技术用于准静态活人体的形貌重建。去包裹位相展开技术是基于面结构光投影位相解调形貌术的关键技术，针对位相突变和不连续点的去包裹位相展开难题，提出并研究了一种基于数论理论的去包裹位相展开技术。最后，针对嘴唇在动态过程中面形出现不连续区域并不断变化情况，本论文提出并实现了彩色编码数字条纹三维形貌术用于人在讲话过程中嘴唇的三维重建，这对研究在讲话过程中嘴唇的运动状况（如唇读、发音矫正等）具有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 光学数字人体形貌三维重建技术研究意义
• 1.2 三维人体形貌测量技术研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第二章 光学三维形貌术基本原理
• 2.1 莫尔三维形貌术基本原理
• 2.2 光束扫描三维形貌术基本原理
• 2.3 面结构光投影三维形貌术基本原理
• 2.4 面结构光场的设计和变形结构光场的解调
• 第三章 傅立叶变换形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 3.1 传统傅立叶变换三维人体形貌重建技术研究
• 3.1.1 传统傅立叶变换形貌术基本原理
• 3.1.2 传统傅立叶变换形貌术在三维人体形貌重建中的应用
• 3.1.3 讨论与结论
• 3.2 窗口傅立叶变换形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 3.2.1 窗口傅立叶变换形貌术（WFTP）基本原理
• 3.2.2 窗口傅立叶变换形貌术实验研究
• 3.2.3 讨论与结论
• 3.3 多尺度窗口傅立叶变换形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 3.3.1 HEISENBERG不相容原理
• 3.3.2 多尺度窗口傅立叶变换形貌术基本原理
• 3.3.3 多尺度窗口傅立叶变换形貌术实验研究
• 3.2.4 讨论与结论
• 第四章 小波变换形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 4.1 瞬时频率和小波变换脊
• 4.1.1 小波变换
• 4.1.2 瞬时频率和小波变换脊
• 4.2 基于小波变换脊的光栅条纹的位相提取
• 4.2.1 基于瞬时频率的光栅条纹的位相提取
• 4.2.2 基于小波变换脊位相的光栅条纹的位相提取
• 4.2.3 基于小波变换脊的光栅条纹位相提取的数值模拟研究
• 4.3 基于小波变换脊的光栅条纹位相提取的实验研究及在三维人体形貌重建中的应用
• 4.4 基于小波变换脊的多尺度窗口傅立叶变换形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 4.4.1 基于瞬时频率的多尺度窗口傅立叶变换位相解调
• 4.4.2 基于瞬时频率梯度的多尺度窗口傅立叶变换位相解调
• 4.5 讨论与结论
• 第五章 高速数字相移形貌术及在三维人体形貌重建中的应用
• 5.1 相移位相解调算法
• 5.2 高速数字相移法形貌术
• 5.2.1 相移法形貌术
• 5.2.2 基于数字结构光投影的高速相移法及实验系统
• 5.2.3 实验及人脸三维形貌重建结果
• 5.3 讨论与结论
• 第六章 位相去包裹展开技术研究
• 6.1 基于单频空间载频条纹的位相不确定性
• 6.2 基于孙子剩余定理的空间载频条纹位相确定算法及其缺陷
• 6.3 基于双频空间载频条纹的位相不确定性及查找表位相确定算法
• 6.4 基于两频率之比为无理数的空间载频条纹位相确定算法
• 6.5 数值模拟研究和验证性实验结果
• 6.5.1 数值模拟研究
• 6.5.2 实验研究
• 6.6 讨论与结论
• 第七章 彩色编码形貌术及在三维动态嘴唇形貌重建中的应用
• 7.1 彩色编码形貌术
• 7.1.1 基本原理及重建实验系统
• 7.1.2 彩色编码方法
• 7.2 彩色条纹的处理
• 7.2.1 彩色条纹的分色处理
• 7.2.2 双向条纹细化处理
• 7.3 重建结果与讨论
• 第八章 总结
• 参考文献
• 发表的相关论文
• 致谢