基于特征点自动定位的乳房形态参数提取.pdf

为实现青年女性乳房形态参数自动提取，提出一种基于三维点云数据的“点-线-切片-参数”乳房形态参数自动提取方法。使用三维人体扫描仪获取实验对象的三维点云数据，利用MATLAB软件基于乳房局部三维点云建立乳房局部坐标系，基于特征点/线定义建立其自动定位规则；根据乳房特征点/线构建乳房切片模型，最终实现乳房形态参数自动提取。为验证参数提取精度，对比分析随机选取样本的自动提取与手工测量参数之间的误差。结果表明：GBL和GuBL的测量误差均小于2 cm,D的测量误差小于0.5cm,W的测量误差小于1cm,90%ABo的测量误差在2 内,90%WBB的测量误差在1cm内，参数测量精度较高，可用于青年女性乳房形态分析。关键词：参数提取；乳房形态；乳房切片；三维点云数据中图分类号：TS941.17文献标志码：A文章编号：2 0 96-192 8（2 0 2 3)0 3-0 2 11-0 6Breast Morphological Parameters Extraction Based onAutomatic Position of Feature PointsZHONG Zejun,GU Bingfei*1,2.3(1.School of Fashion Design and Engineering,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;2.Apparel Engi-neering Research Center of Zhejiang Province,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;3.Key Laboratory ofSilk Culture Heritage and Products Design Digital Technology,Ministry of Culture and Tourism,Zhejiang Sci-Tech Univer-sity,Hangzhou 310018,China)Abstract:In order to realize the automatic extraction of breast morphological parameters of young female,a point-line-slice-parameter breast morphological parameter extraction method based on 3D point-cloud data was proposed.3D point-cloud data of experimental subjects were obtained using a 3D body scanner.The breast local coordinate system was estab-lished based on the breast local 3D point-cloud data using the MATLAB software.The automatic positioning rules of thefeature points and lines was established based on their definitions.The breast slice model was constructed based on thebreast feature points and lines,which finally realized the automatic extraction of breast morphological parameters.To verifythe parameter extraction accuracy,the errors between the automatic extraction and the manually measured parameters werecompared on randomly selected samples.The results show that the measurement errors of both GL and GuBL are less than2 cm.The measurement error of D is less than 0.5 cm,W is within 1 cm,and 90%of Ao are within 2,90%of WBBare within 1 cm.The accuracy of measurement parameters are high.This method can be used for breast morphologyanalysis of young female.Key words:parameter extraction,breast morphology,breast slice,3D point-cloud data收稿日期：2 0 2 2-11-12；修订日期：2 0 2 3-0 4-2 0。基金项目：国家自然科学基金项目（6 17 0 2 46 1）；浙江省教育厅一般科研项目（专业学位专项）（Y202250732）；纺织之光”应用基础研究项目（J202007）；中国纺织工业联合会科技指导性项目（2 0 18 0 7 9）。作者简介：钟泽君（1998 一）,女，硕士研究生。*通信作者：顾冰菲（198 7 一），女，副教授，硕士生导师。主要研究方向为数字化服装技术。Email:212乳房作为女性特有的器官，是反映女性形态美的因素之一 13。不同地域、年龄、生活习性的女性乳房形状并不相同 4-6 ，但圆润、挺拔、比例合适的乳房普遍被认为是女性年轻和魅力的表现 7 。随着时代的发展与观念的转变，女性对乳房美的追求更加强烈 8 ,她们努力改善乳房外观，同时更加关注乳房健康。但研究发现，7 0%90%的女性正在穿着不合身的文胸 9-1，而不合体的文胸可能会存在因空杯而失去支撑效果或压力过大导致乳房变形等问题 12-14,因此对文胸尺寸的研究具有重要意义，而乳房形态研究是文胸设计的基础。乳房形态包括乳房的形状、位置、轮廓和体积，目前已成为一个重要且热门的研究方向 1-16 。由于乳房形态存在多样性,因此需要定量研究以指导文胸设计。但因乳房轮廓不清楚、光学数据不完整、乳房曲面量化困难等问题的存在，使得乳房形态研究成为人体形态研究的一大难点 17-19。为解决以上难题，学者已采用多种方法对乳房的形态学参数进行了研究。接触式测量因操作简单便捷，测量工具价格较低且易携带而被广泛使用。EDSANDER-NORD A等 2 0 利用热塑性材料制作乳房石膏体,以测量女性乳房体积。陈振峰等 2 1 利用直尺、角尺等工具测量了2 0 项人体参数。接触式测量需直接接触人体，但大多女性不愿参与接触式测量实验,尤其是胸部尺寸测量。同时，外界对乳房的压力可能会导致乳房内脂肪组织数量的变化，从而造成乳房几何形状的改变 18 随着非接触式三维人体扫描仪技术的发展，人体数据采集无需与人体直接接触，同时信息采集速度也大大加快，为乳房形态研究提供了便利。LEEHY等 17 使用3D相移莫尔法扫描了37 名女性的裸体乳房，并探索了一种乳房边界测量方案，为乳房形态研究提供新的参数。CHEND等 2 2 利用三维人体扫描获取人体数据，提出了一套乳房形状模型计算工具，借助乳房形状模型可定量分析乳房形状和体积。学者在确定女性乳房形态相关测量项目时,除了考虑人体基本参数（如身高、胸厚、胸围等），还增加了乳房形态参数（如乳深、内乳杯直线等）2 3-2 4。相比于人体基本参数，乳房形态参数能够反映更多的乳房形态变化情况，但无法体现细微变化。文中以三维人体点云数据为基础，以“点-线-切片-参数”为乳房形态参数自动提取的基本思路，服装学报通过定义乳房特征点/线，统一参数测量标准，并基于乳房特征点/线对乳房进行切片，最终实现乳房形态参数自动提取，以有效简化乳房参数测量流程，实现乳房形态参数测量的可重复性，为规范人体参数测量提供参考。1乳房形态相关特征点自动定位1.1实验样本文中选取在校未婚未孕青年女性(BMI30,年龄18 2 5岁）作为研究对象，样本量的确定公式为N=(1.96)d)式中：N为理论样本量；S为标准差;d为允差;1.9 6为标准正态分布在95%置信区间的对应系数（一般科学研究和工业生产取95%的置信度）。计算得到理论样本容量为58，考虑到在数据分析过程中可能会出现异常值，为保证样本量充足，文中设置样本量为140 人。为消除激素水平对乳房内结缔组织的影响，选取的被试者无母乳喂养或怀孕史，也未接受过乳房手术。1.2实验仪器T C NX-16非接触式人体扫描仪，美国Textile Clothing Technology Corporation 公司制造。1.3楼数据采集采用非接触式人体扫描仪获取三维人体点云数据。根据IS020685-1：2 0 18 2 5,被试者需将头发挽起并使用弹性帽覆盖所有头发，以保证颈肩部所采集数据的准确性，上身全裸无配饰，双脚平行站在固定脚印位置，头部以法兰克福平面定位，目视前方，双臂伸直外展，手心向下轻握辅助杆，且保持平稳呼吸,尽量避免晃动。人体测量环境的相对湿度为（6 0 10)%，测量温度为（2 7 3）。1.4定义特征点/线特征点是确定乳房切片位置和进行乳房形态分析的基础和关键。由于乳房特征点难以用手工标记,因此应根据特征点的特征将其标准化，以确保重复测量的准确性。表1为特征点/线的具体定义。参考BSENISO7250-1：2 0 17 2 6 和乳房形态相关研究 2 7 2 9,根据表1确定4个特征点（PB，PB，PoB,Pus）和4条特征线（L,LuB,Lor,L），具体如图1所示。在4个特征点中,PB点是乳房美学标准和服装结构设计的重要参考点，而其他点（PlB，Po B，PuB)则构成了与文胸罩杯钢圈特征弧线形状相关的乳房边界曲线。第8 卷(1)第3期表1特征点/线具体定义Tab.1Determination of feature points and lines类型名称PBP乳房内侧点：乳房边界最接近前中线的点特征点Po乳房外侧点：乳房边界最远离前中线的点PuB乳房下侧点：乳房边界最低点LB胸围线：过PB点的水平围线LuB下胸围线：过PuB点的水平围线特征线LolLPUB图1乳房边界相关特征点/线标定Fig.1 Calibration of feature points and lines related tobreast boundary1.5特征点自动定位实现基于三维点云数据的特征点/线自动定位是对乳房进行自动切片及提取特征参数的基础。由于文中研究对象为乳房形态，因此需对获得的三维人体点云数据进行预处理，通过自动识别基准点（如前颈点、腋点和PuB点）确定截取平面,并去除每个被试者点云数据中头部、颈部、手臂和乳房以下部分的数据，仅保留乳房数据，用于4个特征点的140013001100-100 x/mm100-200(a)原始数据2基于乳房切片的参数自动提取受地形学等高线图及相关文献启发 18.31,，乳房形态分析可视为山脉的海拔变化评估。基于乳房特征点对乳点至乳房基底的位置进行等切，形成乳房切片图，为乳房表面形态分析提供精确的测量数据，有助于分析受外力作用后乳房形态的细微变化。为了直观生动地展示参数自动提取过程，文中详细描述了“点-线-切片-参数”的方法。钟泽君，等：基于特征点自动定位的乳房形态参数提取定义乳点：乳头的中心点PoB点和PlB点的连线过PoB点和PIB点的水平围线POB1400r1350F13001200F2001150F1000100y/mm213自动定位。参照地面坐标系确定4个特征点的位置。文中使用的地面坐标系原点为双脚连线的中点；x轴为前后方向（矢状轴），指向前；y轴为左右方向（冠状轴）,指向右;z轴为上下方向（垂直轴）,指向上。以右PB点为例,描述特征点的自动定位过程，具体如图2 所示。根据CB/T5703201030，乳点是人体最容易标记的基础点之一。但由于乳房外扩情况的存在,对于一些乳房外扩较严重的研究对象，右PB点的值可能小于乳房内侧的x值。故选取部分被试者进行初步统计分析,确定被试者右PB点的y值小于-6 0 mm。因此先提取原始数据中y值小于-6 0 mm的点,并存储于矩阵A,而y值大于P-60 mm且小于0 mm的点则存储于矩阵C。利用B.LUB三维人体扫描仪获取的人体点云数据是以z值相同的点为一层，自上而下以5mm为层间距形成的。为确定右PB点的z值范围,提取矩阵A中每层值最大的点存储于矩阵B,矩阵B中x值最大的点即为PAi点（辅助点1）见图2（b)。组合矩阵A和矩阵C,从中提取值大于0 mm,y值在PoB和PlB_,范围内,且z值在PAl_=10 mm范围内的点为矩阵D(右PB点所在范围)见图2（c)。其中，Pmx,Pm-y,Pm=分别为Pm点的值、y值、z值。矩阵D中各点与Lor线之间的距离存储于矩阵E,其中距离Lor线最远的点（即数值最大的点）为右PB点 见图2(d)。1400r13501300矩阵B1250F01200F1150FPA11100-1001100-150-100-50050100150 x/mm(b)提取PAI图2 右PB点识别过程Fig.2Recognition process of right point P2.1坐标转换基于自动定位的右P点提取胸围水平截面曲线,以获得乳房局部坐标系。采用最小外接矩形法构建基于胸围水平截面曲线的初始乳房局部坐标系；设置外接矩形的中心为坐标原点O,x轴、y轴和z轴分别由通过原点O的矢状轴、冠状轴和垂直轴构造。考虑到人体对称性和实验一致性，选择右乳房作为分析对象。根据右乳房位置重构乳房局部坐标系，将Lor线投影到初始乳房局部坐标系的xy14001350F1300F1250矩阵D号12 0 0P1B4/0 x/mm100-200(c)提取矩阵D11501100100-100 x/mm0100100y/mm-200y/mm(d)提取P:1000100214坐标平面，通过PB点绘制一条垂直于Lor线投影的线,将该线与原轴的交点定义为O点，作为新的原点，将通过0 点和PB点的线作为x轴。乳房局部坐标系如图3所示。前0后最小外接矩形法图3乳房局部坐标系Fig.3Breast local coordinate system服装学报2.2乳房切片图4为乳房切片示意。由于从三维人体扫描仪获得的每层点云数据之间的层间距为5mm，而每层点云数据中相邻点之间的距离为4.7 5.0 mm,因此各乳房切片的厚度应大于等于5mm，且确保乳房X切片数量足够多，以便于分析更多的乳房细部形P态。测量PB点与Lor线的距离，最终将人体右乳房-切分为5个切片见图4（a）。测量被试乳房切片POB0第8 卷厚度，分析可知，不同被试乳房切片的厚度范围为5.4914.98mm，中位数为8.7 5mm。根据切片与0点的距离，用5种颜色分别描述 见图4（b）、图4（c）。切片颜色从红色到青色代表距离0 点由远到近,切片分别命名为C,（i为15）；每个切片根据坐标轴的象限分为4部分，并将切片重新命名为C,（i 为1 5,j为14)。乳房切片图可以为乳房形态变化的定量分析和定性分析提供基础。远近第2 象限X第象限C.C,第3象限C表示切片iC,代表切片在第象限第4象限OB(a)右乳房正视图2.3参数自动提取合适的参数是形态分析的基础。根据乳房的特殊结构，文中自动提取了基于特征点和乳房切片的37 项乳房形态参数,具体见表2。其中,ABO，A c序号1#2#3#22#23*24*25#26*27#28*29#30*(b)乳房切片正视图图4乳房切片示意Fig.4Schematics of breast slices为角度参数;S（i 为15,j为1 4）为面积参数；GBu,GBL,GuBL为围度参数;HBp,HuBp,H为高度参数;W,WB,WiBp,Wio,Wop为宽度参数,D,Ds为深度参数;RBH，RBw 为比值参数。表2 乳房形态参数测量项目Tab.2 Measurement items of breast morphological parameters指标内外乳点角(ABo)旋转角(Ac)切片面积(S,)胸厚(D)胸围(GBL)下胸围(GuBL)胸围差(GBu)身高(H)乳点高(HBpP)下乳点高(HuBp)切片厚(Ds)(c)乳房切片俯视图定义以PB点为顶点，线段PBPB和线段PBPoB的夹角乳房局部坐标系的旋转角度切片C,的面积过PB点水平截面的厚度过PB点水平围一周的长度过PuB点水平围一周的长度GBL与 GuBL的差头顶到地面的垂线距PB点到地面的垂线距PuB点到地面的垂线距单个切片的厚度第3期序号31*32*33*34*35*36*37#3误差分析人体形态研究最终服务于服装结构设计，虽然不同服装对人体各部位规格的允差要求不同，但GB/T 2665201732,GB/T 2660201733 和 FZ/T81004201234中女西服、衬衫、连衣裙对胸围的允差范围均为2 cm。故当人体胸围测量误差在2 cm内时，可认为该测量方法可行。为验证该方法自动提取乳房形态参数的精度，文中随机选取10 个样本，利用逆向工程软件Imageware对比分析自动提取与手动测量参数之间的误差，结果见表3。表3参数测量误差分析Tab.3 Error analysis of parameters measurement参数最小值最大值平均值标准偏差AiBo/()1.73D/cm-0.32GBL/cm-1.09GuBL/cm-2.00W/cm-0.87WBB/cm-0.90由表3可知，GBL和GuBL的测量误差均不大于2 cm,在国标规定的允差范围内。D的测量误差小于0.5cm,W的测量误差小于1cm,90%ABo的测量误差在2 内,90%WBB的测量误差在1cm内，参数测量精度较高，可用于青年女性乳房形态分析。4结语文中以三维人体点云数据为基础，提出了以“点-线-切片-参数”为基本思路的乳房形态参数自动提取方法，实现基于三维点云的乳房特征点自动定位,最终提取了37 项形态参数。通过对自动提取与手工测量参数之间的误差进行分析，发现宽度参数误差大多小于1 cm，围度参数误差均不大于2cm,角度误差在2 内，表明该方法所得参数测量精度较高，可用于青年女性乳房形态分析。文中提出的乳房形态参数自动提取方法避免了测量员评钟泽君，等：基于特征点自动定位的乳房形态参数提取续表指标胸宽(W)乳间距(WBB)乳房内侧宽（WIBp）乳房宽（Wio）乳房外侧宽(WoBP）乳房高度比(RBH）乳房聚拢度（RBw）2.010.290.38-0.021.380.051.940.050.820.031.680.05215定义过PB点水平截面的宽度左PB点到右PB点的距离PB点到PlB点的垂线距PoB点到PiB点的垂线距PB点到PoB点的垂线距HBp与H的比值WB与W的比值估标准不同及主观判断差异所引起的误差，提高了乳房形态参数的提取精度，且有效提高了参数提取效率。后续将进一步研究乳房形态分类规则，以及文胸穿着对乳房形态与压力舒适度的影响，为文胸参数设计与舒适性评价、三维人体建模等方面提供一定的理论参考和技术支撑。参考文献：1 J YESILADA A K,SEVIM K Z,SIRVAN S S,et al.Oursurgical approach to treatment of congenital,develop-mental,and acquired breast asymmetries:a review of 30cases J.Aesthetic Plastic Surgery,2013,37（1):77-87.2 NAN C S.Analysis of female breast shape based on 3Dhuman body scan in Shanghai J.International Journal ofBiomedical Science and Engineering,2016,4(4):34.1.323 VITA R,BUCCHERI E M,VILLANUCCI A,et 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