摘要:阐述了通过对人体切片进行处理得到人体数据，利用计算机系统进行三维重构，使重构后的模型能再现出人体的方法。本文结合以三角面片为基元对人体表面进行重构，并在VC++环境下运用OpenGL技术实现了人体三维模型的显示。
论文关键词：人体切片,三维建模,OpenGL
人体实体切片的三维重建技术研究是数字化虚拟人和力学等效仿真假人研究的重要内容之一。数字化虚拟人体研究是21世纪人类科学技术研究的热点技术，在医学研究领域有重大的意义。发达国家早在80年代后期就开始这一领域的研究，并取得了一定的成果。我国于2001年才正式将“数字化虚拟人体若干关键技术”列入国家863项目，进入数字化虚拟人体研究起步阶段。力学等效仿生假人是人体在各种复杂条件下的“替身”，是代替人类进行安全试验的“稳定受体”，广泛应用于安全测试、航空航天、服装设计等领域。我国力学等效仿生假人还处于引进和仿制阶段，理论研究与研制工作都远远落后与发达国家。
针对这一现状，本文做了一些基于人体实体切片的图像处理技术研究，进而进行三维人体重建。
2.建模基础知识
计算机人体建模技术发展到现在,已经出现了大量的不同实现方法,且随着时间的推移,还可能不断地有一些新方法出现,而一些老方法也可能会得到进一步完善和发展,现有的缺点,明天也许就不存在。建模方法主要有以下几种[1]：
1）线框造型
线框造型(Wire-frame Modeling)是采用物体的顶点和边这两种几何元素及其拓扑关系来表达几何体的形状。该方法的优点在于：结构简单，易于处理。由于其输入的信息仅为一系列顶点及其相互间的连接关系，因此所占的存储空间较小。同时该方法成在着严重的缺陷：不能够无二义地表达三维形体；不能反映图形与景物之间的关系，因而不能进行隐藏线消除及真实感图形显示；无
法进行剖面操作；无法进行物体的体积、质
量、转动惯量等物性计算。
2）实体建模
实体建模[2]的概念尽管早在20世纪60年代就已提出,但到20世纪70 年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统。到20世纪70年代后期 , 实体建模技术在理论、算法、和应用方面才比较成熟。使用实体建模的方法对人体建模时 , 由于它增加了三维人体的实心部分表达,使其信息更加完备,从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何和拓扑信息,因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示.
3）曲面建模
曲面模型[3]是CAD和计算机图形学最活跃、最关键的学科分支之一。它主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的数学描述。使用曲面模型的方法对人体建模时,曲面模型能提供三维人体的表面信息,并进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示,但曲面模型方法也存在着缺陷,由于没有明确定义三维人体的实心部分,因此曲面建模方法不能进行剖面操作。目前,曲面模型在实际中又分为两种具体的方法：特征化的曲面建模和参数化的曲面建模。
4）基于物理的建模技术
传统的人体建模技术经历了从线框建模,曲面建模到实体建模的发展历程,其对人体的几何信息和拓扑信息的描述已相当完备。但它们所描述的主要是人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素 (如重力等)则缺乏描述。传统的人体建模方法对静止人体的建模是非常成功的, 但对于人体动态建模却相当乏力。正是针对这一问题,人们尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中,形成了全新的基于物理的建模方法。
3.算法思想设计
3.1 数据准备
人体切片是由我国第三军医大学研究的首例中国可视化人体图谱集所选用的标本为35岁，身高1700mm体重，65Kg的重庆人。首先要对人体切片进行预处理，包括图像去噪、边缘轮廓提取、轮廓坐标数据处理一系列操作，得到了完整连续的头部切片轮廓的顶点数据，并将其数据信息保存在excel中。其次由于每一幅图片经过处理后得到的轮廓顶点总数大约在1500个点左右，那么进过同样处理的整个人体集数据集人体外轮廓的踪顶点数会达到四百万个左右。这种无间隔的取样精度是没有必要，同时也会给VC++下的模型重建带来巨大的计算量。我们采取的方法是：外轮廓点点的疏密应随着曲率的变化而采用不同的疏密程度，曲率变化大的部分顶点筛选应密集，以保持轮廓线的特征，曲线平滑的部分顶点筛选可以相对稀疏。
3.2 OpenGl下数据点连接成轮廓线
本文以VC++6.0和OpenGL[4]为编织环境，探讨VC++环境下的OpenGl实现。由于0penGL 具有跨平台的特性,它本身并不具有窗口管理、消息映射等Windows 编程所必备的能力,使用0penGL辅助库或Glut库仅能实现控制台式的简单窗口进行三维显示,不具有菜单、工具条、对话框等Windows界面必备的标准元素,难以做出美观的界面。Visual C++是Windows环境下功能最为强大的编程工具,而0penGL本身就是由C语言编写而成,VisualC++程序中可以直接嵌入0penGL语句,是0penGL 开发的天然工具。两者结合起来将充分发挥二者的优势。
利用数据库的方式将excel中的信息导入VC中后，利用OpenGL中连接点的方式形成轮廓线。
3.3 二位轮廓线重构三维人体
曲面建模是三维人体建模中运用最多的方法，其中，NURBS曲线曲面[5-7]由于具有一般性，被人们广泛应用在人体曲面造型中，NUBBS曲面可以通过控制点和权因子来改变物体的形状。但是使用NUBBS曲面对人体表面建模时存在如下弊端：需要把获取到的人体数据点作为样条函数的型值点反算出控制顶点，最后根据控制点生成NUBBS曲面实现人体表面建模。因此在这个建模过程花费时间多；同时人体模型表面的复杂性决定了用NUBBS曲面不可能一次生成整个人体，所以比较合适的方法是先找到人体表面的特征点，然后根据特征点确定人体表面的特征线，并根据特征线对人体曲面做块分割，生成NUBBS曲面块，最后再拼接这些曲面块构成完整的人体模型。这种分割的方法存在的缺点是：人体外部形状组成部分的连接处都要对曲面进行拼接，例如臀部和大腿，胳膊和胸部等，这无疑给建模带来了难度和复杂性。
而采用三角形作为基本面构成物体表面的算法简单、有效，具有突出的优点，故本文采用三角网格平面法重构人体模型。其中采用三角形基本元表示人体表面建模，这样做的好处是;不必考虑人体各个组之间的面片拼接问题，而只需用三角面片对相邻曲面进行连接即可；现有的计算机处理小平面的速度比粗合理曲面速度快得多。而且用三角面片表示的模型很容易实现三角面片构成的表面模型与三角线框建切换,如图1所示。
图1 三角剖分结果
4.结束语
虚拟人作为一门新兴的学科，涉及到动画、计算机图形学、生理学、机器人学和人工智能等多个研究领域，虚拟人的研究是一个具有理论意义和使用价值的基础课题。本文阐述了三维人体建模的基本思想，形成了静态的人体模型，为以后的动态建模奠定了基础。
参考文献：
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[1]张绍祥，王平安等.首套中国男女数字化可视人体结构数据的可视化研究.第三军医大学学报.2003,25(7):563-565.
[2]李勇,胡敏,付小莉．三维人体建模方法的研究[J]．纺织学报，2002.
[3]孙家广. 计算机辅助几何造型技术 [M] . 北京: 清华大学出版社 , 1990.
[4]潇湘工作室译 ,0penGL 超级宝典 ,第二版[M] .北京:人民邮电出版社 ,2001.
[5]马翔,《NURBS方法的关键基础技术及其应用研究》[博士论文]，南京：南京航空学院力学系，1992．9
[6]吴晓燕、卢习林，《基于NURBS插值的散乱数据点人体自由曲面重构技术》，北京服装学院学宝(自然科学版)，第2l卷第2期，2001．10
[7]孙卫红、耿兆丰，《用NURBS曲面快速构造人台》，中国纺织大学学报，第21卷第4期，1995
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