基于光学扫描的中国中等人体外廓与头颈几何模型建立
发布时间：2021-11-23 11:01
中国人体有限元模型对于研究碰撞中中国乘员的损伤响应具有重要意义,而头部与颈部是碰撞中损伤较为严重的部位,同时,利用计算机模拟研究碰撞中头颈部损伤的模型大多是国外人体有限元模型,更没有使用具有准确头颈结构的中国50百分位人体有限元模型,因此,本文利用基于两台Kinect的扫描方法获得中国50百分位体表模型,利用医院扫描的CT数据,建立头颈部几何模型,并根据网格变换方法建立人体有限元模型。本文的研究内容主要包括如下4点:1、对比单台Kinect与两台Kinect扫描方法扫描模型精度,选择上下布置的两台Kinect对人体进行扫描,比较多种相机标定方法,选用标定精度更高的Stereo Camera Calibrate应用程序对两台Kinect进行标定,并计算相机标定的转换矩阵,对点云进行初次配准,研究基于PCL的ICP算法,对初配准点云进行精准配准。2、选择4位合适的志愿者,对原有的坐姿实验台进行改进,根据志愿者数据设计头部与背部定位装置,并对人体坐姿进行调整,对两台Kinect的布置进行优化计算,利用相机标定+ICP算法完成4位人体体表模型建立,并利用模板拟合、Procrustes、平均等算...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同有
模方法，即利用CT、MRI和激光扫描仪分别获得人体的骨骼、软组织和体表几何，利用CAD软件进行模型重建，然后导入hypermesh软件进行网格划分，结合人体损伤生物力学研究，获取人体皮肤、肌肉及骨骼材料属性，赋予有限元模型材料与属性，建立人体有限元模型。基于此方法，Haug等人建立了H人体有限元模型[7]，Shah等人建立了WSU人体有限元模型[8]，Ruan等人建立了Ford人体有限元模型[9]，后续又建立了网格数量更多、生物逼真度更高的THUMS[10]系列和GHBMC[11]系列人体有限元模型。基于此方法建立的模型仿生性好，但建模周期长。图1.1为此方法建立的有限元模型。a）早期模型b）THUMS模型c）GHBMC模型图1.1不同有限元模型介绍第二种方法则是基于已建好的基准有限元模型，例如THUMS模型等，对比目标模型尺寸计算出人体不同部位的缩放系数，将基准有限元模型缩放至目标模型的尺寸大小，从而完成整个人体的有限元模型。利用这一方法，Serre[12]等人对HUMOS2人体安全模型进行尺寸缩放，得到不同百分位的有限元模型。2014年，奔驰研发中心在THUMS3.0的50百分位男性有限元模型基础上，基于一位5百分位女性的数据，对胸部、肩部及骨盆等部位进行缩放，建立了一个THUMSD-F05[13]5百分位女性有限元模型。2016年，Yang[14]基于THUMSD-F05模型，依据最新东西方人体测量尺寸，缩放得到中国5百分位女性有限元人体模型。该方法
硕士学位论文7第2章基于Kinect的人体体表扫描方法研究Kinect深度相机获取体表轮廓点云的精度与相机距离有关，为了得到准确50百分位人体的体表轮廓，本章对基于Kinect的几种扫描方法进行精度对比分析，并对几种常用的相机标定方法的标定效果进行对比，确定最终的扫描方法。2.1Kinectv1与Kinectv2深度相机Kinect第一代深度相机于2010年6月由微软推出，它包括三只不对称的“眼睛”分别为红外发射器、彩色相机和深度相机，还有四个麦克风陈列，能够感知物体位置、动作与声音。具有骨骼跟踪、云计算、绿色筛癣语音识别、人脸识别等功能，其最初是应用于Xbox体感游戏方面，但价格低、应用方便等优势使其也越多的应用在医疗、电影、健身、通信以及人体表面轮廓建模等领域。2013年5月，微软又推出了第二代Kinect相机，与Kinectv1的结构光测试原理不同，Kinectv2采用更为精确的TOF[36]飞行时间技术，它根据测量光脉冲之间传输的时间差来计算深度信息。2.1.1两代Kinect的技术参数对比Kinectv2彩色相机有1080P的分辨率[37]，可以采集更清晰更精彩的视频和图片，如下图2.1是第一代相机和第二代相机图片采集效果对比图，明显第二代相机的保真度更高，同时Kinectv2深度相机的512×484的分辨率以及基于高保真图像数据和优化的噪音处理，使得第二代感应器可以提供更高质量的三维数据。图2.1效果对比图Kinectv2需要速度更快的USB3.0接口，传输速率也从理论上的60MB/s提升至500MB/s，其最大的深度数据获取速度可以达到60帧每秒[38]，第二代Kinect的捕获的视角也更大，水平和垂直捕获角度分别为70°与60°，能够捕捉到更大
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年全国机动车和驾驶人保持高位增长[J]. 道路交通管理. 2018(02)
[2]拉起生命屏障[J]. 郑劼. 汽车观察. 2018(01)
[3]ICP算法的改进及两台Kinect对人体的重建[J]. 庞浩,李吉平,彭健钧,钟鑫. 大连工业大学学报. 2017(06)
[4]基于Kinect v2的实时精确三维重建系统[J]. 李诗锐,李琪,李海洋,侯沛宏,曹伟国,王向东,李华. 软件学报. 2016(10)
[5]基于多Kinect的三维人体重建系统[J]. 朱江涛,吴以凡,周亮. 东华大学学报(自然科学版). 2015(02)
[6]使用Kinect快速重建三维人体[J]. 周瑾,潘建江,童晶,刘利刚,潘志庚. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(06)
[7]Rapid 3D human body modeling based on Kinect technology[J]. HE Kunlin,XU Yong,MAO Aihua,LI Guiqing. Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing. 2013(01)
[8]颈椎曲度异常的测量及其病因[J]. 白晓东,张韶峰,杨传铎,邢更彦,庞晓东,杜明奎. 中国临床康复. 2005(30)
博士论文
[1]基于体征的参数化乘员有限元模型建立方法及应用研究[D]. 王玉龙.湖南大学 2016
[2]老龄和肥胖乘员有限元模型建模方法及损伤机理研究[D]. 石向南.湖南大学 2014
[3]车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析[D]. 许伟.湖南大学 2008
硕士论文
[1]基于KinectFusion技术的人体坐姿三维几何快速重建方法研究[D]. 游雅利.湖南大学 2017
[2]基于THUMS的东西方5百分位女性碰撞响应差异分析[D]. 杨洁.清华大学 2016
[3]基于人机工程学的汽车座椅设计研究[D]. 库拉什·沙亚别克.北京交通大学 2016
[4]三岁儿童颈部有限元模型开发与验证[D]. 魏嵬.湖南大学 2014
本文编号：3513743
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同有
模方法，即利用CT、MRI和激光扫描仪分别获得人体的骨骼、软组织和体表几何，利用CAD软件进行模型重建，然后导入hypermesh软件进行网格划分，结合人体损伤生物力学研究，获取人体皮肤、肌肉及骨骼材料属性，赋予有限元模型材料与属性，建立人体有限元模型。基于此方法，Haug等人建立了H人体有限元模型[7]，Shah等人建立了WSU人体有限元模型[8]，Ruan等人建立了Ford人体有限元模型[9]，后续又建立了网格数量更多、生物逼真度更高的THUMS[10]系列和GHBMC[11]系列人体有限元模型。基于此方法建立的模型仿生性好，但建模周期长。图1.1为此方法建立的有限元模型。a）早期模型b）THUMS模型c）GHBMC模型图1.1不同有限元模型介绍第二种方法则是基于已建好的基准有限元模型，例如THUMS模型等，对比目标模型尺寸计算出人体不同部位的缩放系数，将基准有限元模型缩放至目标模型的尺寸大小，从而完成整个人体的有限元模型。利用这一方法，Serre[12]等人对HUMOS2人体安全模型进行尺寸缩放，得到不同百分位的有限元模型。2014年，奔驰研发中心在THUMS3.0的50百分位男性有限元模型基础上，基于一位5百分位女性的数据，对胸部、肩部及骨盆等部位进行缩放，建立了一个THUMSD-F05[13]5百分位女性有限元模型。2016年，Yang[14]基于THUMSD-F05模型，依据最新东西方人体测量尺寸，缩放得到中国5百分位女性有限元人体模型。该方法
硕士学位论文7第2章基于Kinect的人体体表扫描方法研究Kinect深度相机获取体表轮廓点云的精度与相机距离有关，为了得到准确50百分位人体的体表轮廓，本章对基于Kinect的几种扫描方法进行精度对比分析，并对几种常用的相机标定方法的标定效果进行对比，确定最终的扫描方法。2.1Kinectv1与Kinectv2深度相机Kinect第一代深度相机于2010年6月由微软推出，它包括三只不对称的“眼睛”分别为红外发射器、彩色相机和深度相机，还有四个麦克风陈列，能够感知物体位置、动作与声音。具有骨骼跟踪、云计算、绿色筛癣语音识别、人脸识别等功能，其最初是应用于Xbox体感游戏方面，但价格低、应用方便等优势使其也越多的应用在医疗、电影、健身、通信以及人体表面轮廓建模等领域。2013年5月，微软又推出了第二代Kinect相机，与Kinectv1的结构光测试原理不同，Kinectv2采用更为精确的TOF[36]飞行时间技术，它根据测量光脉冲之间传输的时间差来计算深度信息。2.1.1两代Kinect的技术参数对比Kinectv2彩色相机有1080P的分辨率[37]，可以采集更清晰更精彩的视频和图片，如下图2.1是第一代相机和第二代相机图片采集效果对比图，明显第二代相机的保真度更高，同时Kinectv2深度相机的512×484的分辨率以及基于高保真图像数据和优化的噪音处理，使得第二代感应器可以提供更高质量的三维数据。图2.1效果对比图Kinectv2需要速度更快的USB3.0接口，传输速率也从理论上的60MB/s提升至500MB/s，其最大的深度数据获取速度可以达到60帧每秒[38]，第二代Kinect的捕获的视角也更大，水平和垂直捕获角度分别为70°与60°，能够捕捉到更大
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年全国机动车和驾驶人保持高位增长[J]. 道路交通管理. 2018(02)
[2]拉起生命屏障[J]. 郑劼. 汽车观察. 2018(01)
[3]ICP算法的改进及两台Kinect对人体的重建[J]. 庞浩,李吉平,彭健钧,钟鑫. 大连工业大学学报. 2017(06)
[4]基于Kinect v2的实时精确三维重建系统[J]. 李诗锐,李琪,李海洋,侯沛宏,曹伟国,王向东,李华. 软件学报. 2016(10)
[5]基于多Kinect的三维人体重建系统[J]. 朱江涛,吴以凡,周亮. 东华大学学报(自然科学版). 2015(02)
[6]使用Kinect快速重建三维人体[J]. 周瑾,潘建江,童晶,刘利刚,潘志庚. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(06)
[7]Rapid 3D human body modeling based on Kinect technology[J]. HE Kunlin,XU Yong,MAO Aihua,LI Guiqing. Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing. 2013(01)
[8]颈椎曲度异常的测量及其病因[J]. 白晓东,张韶峰,杨传铎,邢更彦,庞晓东,杜明奎. 中国临床康复. 2005(30)
博士论文
[1]基于体征的参数化乘员有限元模型建立方法及应用研究[D]. 王玉龙.湖南大学 2016
[2]老龄和肥胖乘员有限元模型建模方法及损伤机理研究[D]. 石向南.湖南大学 2014
[3]车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析[D]. 许伟.湖南大学 2008
硕士论文
[1]基于KinectFusion技术的人体坐姿三维几何快速重建方法研究[D]. 游雅利.湖南大学 2017
[2]基于THUMS的东西方5百分位女性碰撞响应差异分析[D]. 杨洁.清华大学 2016
[3]基于人机工程学的汽车座椅设计研究[D]. 库拉什·沙亚别克.北京交通大学 2016
[4]三岁儿童颈部有限元模型开发与验证[D]. 魏嵬.湖南大学 2014
本文编号：3513743
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