CC BY
87
5. Чекланд, П. Б. Системное мышление, системная практика [Текст] / П. Б. Чекланд. - Нью-Йорк: Вилли, 1981. - 630 с.
6. Авдеева, З. К. Когнитивное моделирование для решения задач управления слабоструктурированными системами (ситуациями) [Текст] / З. К. Авдеева, С. В. Коврига, Д. И. Макаренко. - Институт проблем управления РАН, 2010. - С. 26-39.
References
1. Vemadskii, V. I. (1944). A few words about the noosphere. - Successes of modern biology, 2 (18), 234.
2. Gopalakrishnan, T. R., Nair, A. N., Sooda, K. (2008). Transformation of Networks through Cognitive Approaches. JRI (Journal of Research & Industry), 1 (1), 11.
УДК DOI:
1. Введение
Методы измерения сложных трехмерных объектов, к которым, в частности, относится тело человека, в настоящее время далеки от совершенства. Для подобных объектов стандартами вводят-
3. Kulinich, A. A. (2001). Subject-oriented system of conceptual modeling "Canvas". Proceedings of the 1st International Conference "Cognitive analysis and development management situations." Moscow, October, 348.
4. Thomas, R. W., Friend, D. H., DaSilva, L. A., MacKenzie, A. B. (2006). Cognitive Networks: Adaptation and Learning to Achieve End-to-end Performance Objectives. IEEE Communications Magazine, 12 (44), 21.
5. Checkland, P. B. (1981). Systems Thinking, Systems Practice. New York: Wiley, 630.
6. Avdeeva, Z. K., Kovriga, S. V., Makarenko, D. I. (2010). Cognitive modeling for solving semi-structured management systems (situations). Institute of Control Sciences, 26-39.
Дата надходження рукопису 25.02.2015
ся десятки характерных размеров, методы получения которых, связаны с применением контактных устройств. Трудоемкость процесса при этом высока, а точность в значительной степени зависит от квалификации измеряющего. Современные трех-
Козловський Валерш Валершович, доктор техшчних наук, професор, заввдувач кафедри, кафедра за-собiв захисту шформацп. Нацюнальний авiацiйний ушверситет, пр. Комарова 1, м. Кшв, Украша, 50045 E-mail: [email protected]
Каршнський Микола Петрович, доктор техшчних наук, професор, заввдувач кафедри, кафедра ш-форматики, Ушверситету в Бельську-Бялш i Державна вища техтчна школа, Новий Сонч, Польща, 43-309
Мщенко Андрш Вггалшович, кандидат техшчних наук, професор, кафедра засобiв захисту шформацп Нацюнальний аыацшний ушверситет, пр. Комарова 1, м. Кшв, Украша, 50045
Варченко Олег 1ванович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра авюшки, Нацюнальний аыацшний ушверситет, пр. Комарова 1, м. Кшв, Украша, 50045
Шмченко Тетяна Василiвна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра засобiв захисту шформаци, Нацюнальний авiацiйний ушверситет, пр. Комарова 1, м. Кшв, Украша, 50045
62.493+687.1
10.15587/2313-8416.2015.39363
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ КИНЕКТ СИСТЕМ
Е. Ю. Мураховская-Печенежская, Н. Л. Рябчиков
В статье рассмотрены методы определения размеров объектов сложной формы с помощью компьютерных кинект систем. Разработанные методы позволяют на основе анализа поля точек, полученных в кинект системах определять реальные формы и размеры произвольных разрезов. Проведенные экспериментальные исследования при определении формы тела человека показали расхождение не превышающее 2,5 %.
Ключевые слова: размерные характеристики, кинект системы, трехмерное сканирование, точность, объемная модель, визуализация
The article deals with methods for determining the size of objects with complex shapes using computer Kinect systems. The developed methods allow to determine the real shapes and sizes of arbitrary sections on the base of field-based analysis points obtained in Kinect systems. Experimental studies in determining the shape of the human body showed difference not exceeding 2,5 %
Keywords: dimensional characteristics, Kinect system, three-dimensional scanning, precision, volumetric model, visualization
мерные сканеры в значительной степени автоматизируют данный процесс, однако он получается очень дорогостоящим. Современные кинект системы недороги, однако опыт оценки точности их применения для целей измерения пространственных объектов отсутствует.
2. Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными или практическими заданиями
Проектная документация для обеспечения инженерных решений в настоящее время приме -няется в цифровом формате даже на небольших предприятиях. Несколько замедлен этот процесс на предприятиях с частой переналадкой, для которых характерны изделия сложной геометрии. К таким производствам относятся предприятия легкой промышленности. В значительной степени автома-тизированы здесь отчетные документы по автоматизации шаблонов, методов раскроя, представления, передачи и архивирования конструкторских и технологических решений одежды. Только некоторые из шагов процесса проектирования автоматизированы в производственных условиях, такие как методы конструктивного моделирования и производства образов. Базовая антропометрическая информация для проектирования представлена в виде дискретных характеристик типовых фигур, утвержденных стандартами. Недостаточная достоверность методов, позволяющая визуализировать внешнюю форму созданной одежды предопределяет внедрение новых систем измерения и отображения геометрической информации об объекте. Традиционно определение геометрических параметров сложных объектов связывают с применением дорогостоящих трехмерных сканеров. В последнее время появились сравнительно недорогие kinnekt системы, позволяющие получать информацию о пространственной форме объекта. К сожалению, эффективность их внедрения в реальное производство не исследовалась.
3. Анализ последних исследований и публикаций, в которых начато решение данной проблемы
Исследованием различных характеристик внешней формы фигуры человека и научными методами проведения массовых антропометрических обследований занимались такие ученые, как В. В. Бу-нак, Н. Н. Раздомахин, Е. Я [1, 2] Сурженко, Б. А. Никитюк, С. К. Лопандина и др. Высокотехнологичным антропометрическим обследованиям населения в национальном масштабе посвящены зарубежные исследования тайваньских ученых (Ьео^ и., 2007), в Турции (А. ^гшкап, et а1., 2011), в Оклахомском государственном университете (Petrova Ashdown S. Р., 2012), в Германии (Н1а^ Е. С. et а1., 2013), что подтверждает актуальность внедрения современных методов виртуального бесконтактного измерения тела человека для массовых обследований населения [1, 2].
Существенный вклад в разработку проблем получения информации о пространственной форме фигуры человека внесен И. М. и А. И. Семячкины-ми, Г. Н. Ждановым, В. Г. Поляковым (1976), Л. А. Агошковым и др. (1980), А.Ф.Бланк др. (19821983) [3, 4].
Различные подходы к виртуальному представлению фигуры человека в швейной промышленности изучались В. Е. Кузьмичевым (ИГТА, 2012), зарубежными учеными британского Университета Лафборо (Jones P. R. M., et al., 1995), Университета Сан-Пауло (Costa L., Cesar Jr., 2009), Кембриджского университета (Chen Y., Cipolla R., 2011), Департамента швейной промышленности Университета Айовы и Сеульского университета (Park S.M. et al.,2011), Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук (Zhao X., et al., 2012) [5]. В этом направлении также следует отметить ряд современных исследований создания 3D модели фигуры человека и ее динамической трансформации швейцарских ученых (Aubel A., Thalmann D., 2004; Magnenat-Thalmann N., Thalmann D., 2005) [6] , итальянских (Attene M. et al., 2009) [7], японских (Kunii T., Amano T., Aristwa H., Okada S., 2010 ) [8] и автрийских ученых [9].
Определение формы и размеров тела человека бесконтактными методами бесконтактными методами в настоящее время стало возможным при применении недорогих киннект систем. Однако недостаточно исследованной остается технология съема размеров и оценка точности полученных данных.
Цель работы - оценить точность определения формы сложной поверхности с помощью кин-нект систем.
Измерения проводились с помощью трехмерных технологий сканирования. Предлагаемая методика может быть полезна для увеличения эффективности и конкурентоспособности швейной промышленности и удовлетворения требованиям клиентов в качественной продукции. В настоящее время цифровые устройств заметно облегчили работу конструктора швейной продукции, позволили ускорить процесс проектирования. Системы трехмерных проекций одежды развивающихся бок о бок с плоскими системами в следующих областях:
• прием сканирования макета от поверхности в соответствии с 3D-моделью;
• создание трехмерной модели в соответствии с изгибом ткани.
Системы трехмерного проектирования одежды активно развивается по следующим направлениям:
• получение из сканирования поверхности её трехмерной модели;
• получение 3D-модели по поверхности сканирования из ткани.
Замена устаревшей техники на более прогрессивную снижает роль человеческого фактора в процессах различных отраслей промышленности. Однако швейная промышленность в данной области отстает. Были проведены исследования по созданию реалистического трехмерного изображения одежды, кроме проблемы построения идентичного
плоскости развертки. Развертка оболочки манекена не обеспечивает переход к модели одежды, потому что одежда имеет свой собственный пространственную форму, в то же время она зависит от фигуры человека.
Технология 3D сканирование является одним из самых передовых технологий в создании электронных копий физических объектов. Используя его, люди получают большие возможности в процессе создания модели без привычного 3D-моделирования с помощью специализированных программных пакетов. Но есть и некоторые трудности. Разнообразие объектов, которые могут быть проходить нирование, показывает нам необходимость развития различных алгоритмов регистрации их поверхностей и методов обработки необработанных данных.
В настоящее время основной проблемой в строительстве систем виртуальной реальности является создание интерактивного человека и интерфейс виртуальной среде [1]. До появления Microsoft Kinect, следующая проблема была решена путем облачения пользователя в различных датчиков (специальные костюмы, очки, перчатки и т. д.). Но это не всегда удобно. Главной особенностью Kinect систем является избавление от этой необходимости.
Возможности данных систем очень велики. Их можно применять для разработки более точных протезов, сканировать человеческий организм. Разработка методов его внедрения способна предложить более персонализированные одежду, промышленные дизайнеры могут просматривать визуализации и манипулировать ими в реальном времени.
Рис. 1. Сканирование при помощи кинект систем в лаборатории Украинской инженерно -педагогической академии
Среди всех программ для 3D-сканирования, один из ведущих является ReconstructMe, программа, разработанная австрийской компанией Profactor. Программа является коммерческим продуктом, который в ряде случаев может быть использован в личных целях [1]. ReconstructMe сканирует модель в своем реальном масштабе, поэтому дальнейшего масштабирования не требуется. К сожалению, программа доступна только для Windows (рис. 2)
Мы использовали кинект технологии, чтобы захватить трехмерные модели в реальном времени. Это дает нам мгновенную обратную связь о ходе моделирования, в то время как модель может находиться в движении. ReconstructMe - предпочтительное применение для решения повседневных задач сканирования.
Использование ReconstructMe очень похоже на использование обычного фотоаппарата. Тем не менее,
вместо того, чтобы видеопотока, получаем полную 3D модель. Основной этап работы над моделируемой сцены - визуализация (рис. 3). Нами ставилась задача обеспечения получения размеров. Поэтому, были максимально упрощены модели трехмерного сканирования - отключались режимы отображения текстуры, тени и источники света, различные особенности материалов. Для отображения окончательного изображение
на экране, желательно подобрать наиболее подходящий
модуль визуализации [2].
Рис. 3. Трехмерная модель после визуализации
Для анализа размеров объекта размеры нужно провести достаточно кропотливую работу. Если размеры не соответствуют действительности, продукт не будет соответствовать фигуре (рис. 4) Правильно определенные размеры дают возможность контролировать реальные размеры с размерами изделия, и определить степень отклонения от стандартной фигуры.
программ. Каждая точка в нем выделяется определителем POINT, после чего следует ряд данных (номер, цвет и т. д.). Нас больше всего интересуют координаты точек. Так, после определителя 10 в файле располагается число абсцисса точки, после определителя 20 - ордината точки, после определителя 30 - аппликата точки.
Учитывая наше стремление определять об-хватные признаки, которые располагаются на определенной высоте, попробуем избавиться от одной координаты. Для этого разобьём общую поверхность точек поперечными сечениями с расстояниями между ними Az на ряд областей, каждая из которых близка к плоской фигуре (рис. 5)
Рис. 4. Антропометрические исследования при использовании кинект систем
Рис. 5. Разбиение поверхности поперечными сечениями
При этом в каждую область попадают точки, которые относятся к определенной высоте измерений. Можно определить положение плоскости, которое относится к определенному размерному признаку. Можно также исследовать все полученные области, после чего выделить те, которые наиболее подходят под определение размерных признаков (наибольшие или наименьшие обхваты). В любом случае каждая точка выбранной области имеет в DXF файле три координаты, причем аппликата в исследуемой области лежит в пределах
Az Az
z.--< z < z. ч--
' 2 ' 2
В связи с этим можно поставить ряд задач по использованию данного устройства. Первая состоит в построении реальной поверхности фигуры или одежды для использования в целях дизайна или дальнейшего получения разверток. Вторая задача - определение реальных размерных признаков для реального конструирования.
Займемся пока второй задачей и сосредоточимся на наиболее сложной части - определении об-хватных размеров.
Выясним сначала, какую информацию можно извлечь из полученных данных. При сохранении данных с 3D сканера в виде DXF файла, последний можно открыть с помощью текстовых
Введем предположение о том, что в пределах данной области конфигурация поперечного сечения меняется незначительно. Приравняем координату г значению средней высоты выбранного сечения В результате каждая отдельная область будет иметь вид поля точек на плоскости (рис. 6)
Для полученного поля точек можно определить координаты и построить аппроксимирующую кривую в любой программе обработки данных. На рис. 7, например, построена кривая, которая соединяет полученные точки. Из данного рисунка следует, что точки, характеризующие рассматриваемое сечение, располагаются в DXF файле произвольным образом. Поэтому перед проведением дальнейших действий
их необходимо упорядочить. При выборе алгоритма сортировки массива данных вначале необходимо выбрать параметр сортировки. Очевидно, что в качестве такого параметра нерационально использовать имеющиеся в распоряжении декартовы координаты точек. Обращаем внимание, что искомая кривая - замкнутая, поэтому абсцисса и ордината каждой точки встречается по крайне мере два раза. Попытка расположить точки в порядке возрастания или убывания декартовых координат, потому, приведет к еще большему их перемешиванию.
Перейдем на время к полярным координатам. Для этого вначале определим максимальное и минимальное значение абсциссы и ординаты для поля точек. Разместим полюс полярной системы координат в центр рассматриваемого сечения. Для этого пересчитаем декартовы координаты каждой точки по формулам
X = х--
Y = У -
Уm
■Ут
2
В полярных координатах применяются две координаты - радиус вектор
VI о
х + у :
полярный угол
Рис. 6. Плоское поле точек отдельного сечения, полученного 3D сканером
-900
—500
-200,00 -100,00 О,ОО 100,00 200,00 300,00
ф = аг^У.
х
Вычислим полярный угол каждой точки и расположим все координаты в порядке его возрастания. Аппроксима-ционная кривая, построенная по данным точкам имеет вид искомого сечения (рис. 8)
После проведения сортировки расстояние между ближайшими точками определяется по теореме Пифагора, а общая длина кривой, которая равна обхвату фигуры на данной высоте
Об =
1=1
- X) +(yi+1 - У,-) •
Рис. 7. Контур сечения, полученный по данным исходного DXF файла
Поскольку нами ставилась задача определения точности трехмерного сканирования с помощью кинект систем, были проведены измерения основных размерных признаков с помощью указанных устройств. После статистической обработки данные по математическому ожиданию основных признаков приведены в табл. 1
Таблица 1
№ Антропометрическое измерени Обозначение Измерение с использованием Реальный размер
1 Грудь/бюст C/B 93 91
2 Талия W 71 69
3 Бедра H 92 91
4 Ширина плеча Sw 44 44
5 Ширина спины Bw 40 41
6 Длина плеча Shl 13 13
7 Длина рукава Sl 59 59
8 Высота Ht 163 163
9 Отклонения для обхватных размеров % -2,4
10 Отклонения для широтных размеров % -2,1
2
Рис. 8. Сечение, полученное после сортировки по полярному углу
4. Выводы
Усовершенствованы методы определения формы и размеров тела человека при помощи кинект систем. Предложены методы компьютерной визуализации полученных данных. Проведен анализ точности определения размеров при измерении тела человека. Доказано, что отклонение от реальных размеров не превышает 2,5 %, что допустимо для швейной промышленности
Литература
1. Раздомахин, Н. Н. Система трехмерного проектирования одеж-ды и перспективы ее развития [Текст] / Н. Н. Раздомахин, А. Г. Басуев, Е. Я. Сурженко // Вестник санкт-петербургского государственного университета технологии и дизайна. - 1997. - № 1. - С. 111-116.
2. Лопандина, С. К. Типология населения, моделирование и конструирование бытовой одежды [Электронный ресурс] / Центральный научно исследовательский институт швейной промышленности. - Режим доступа: http://www.cniishp.ru/articles/tipologiya_naseleniya.html -Дата доступа: 28.09.2010
3. Агошков, Л. А. Методы построения разверток при проектировании одежды [Текст]: уч. пос. / Л. А. Агошков. - Киев: УМКВО, 1991. - 63 с.
4. Бланк, А. Ф. Практическая книга по моделированию женской одежды [Текст] / А. Ф. Бланк, З. М. Фомина; 3-е изд. - Москва: Легпромбытиздат, 1992. - 255 с.
5. Раздомахин, Н. Н. Система трехмерного автоматизированного проектирования в индустрии моды [Текст] / Н. Н. Раздомахин, А. Г. Ба-суев, Е. Я. Сурженко. -Мода и дизайн: исторический опыт новые техно-логии: Международная конференция. СПбГУТД - СПб., 2012. - С. 91-92.
6. Раздомахин, Н. Н. Трехмерная виртуальная модель одежды и ее конструкция [Текст] / Н. Н. Раздомахин // В мире оборудования. - 2003. - № 4. - С. 42-43.
7. Godecke, W. Technische Datenverar-heitung in der Bekleidungsin-dustrie [Text] / W. Godecke // Bekleidung und Wasche. -2003. - Vol. 29, Issue II. - P. 68.
8. An interactive fashion design system "INEADS" [Text] / Computer and Graph, I. -2010. - Vol. 1, Issue 4. - P. 297-302.
9. Reconstructme [Electronic resource] / Austria, Stadtgut. - Available at: http://reconstructme.net (Last accessed: 07.03.2015)
References
1. Razdomahin, N. N. (1997). Sistema trehmernogo proektirovaniya odezhdyi i perspektivyi ee razvitiya. Vestnik sankt-peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta tehnologii i dizayna, 1, 111-116.
2. Lopandina, S. K. (2010). Tipologiya naseleniya, modelirovanie i konstruirovanie byitovoy odezhdyi (el-ektronnyiy resurs. Tsentralnyiy nauchno issledovatelskiy institut shveynoy promyishlennosti. Available at: http://www.cniishp.ru/articles/tipologiya_naseleniya.html (Last accessed: 28.09.2010)
3. Agoshkov, L. A. (1991). Metodyi postroeniya razvertok pri proektirovanii odezhdyi. Ucheb. posobie po spets. Kiev: UMKVO, 63.
4. Blank, A. F. (1992). Prakticheskaya kniga po mod-elirovaniyu zhenskoy odezhdyi. Third edition. Moskow: Legprombyitizdat, 255.
5. Razdomahin, N. N., Basuev, A. G., Surzhenko, E. Ya. (2012). Sistema trehmernogo avtomatizirovannogo proektirovaniya v industrii modyi . Moda i dizayn: istoricheskiy opyit novyie tehnologii: Mezhdunarodnaya konferentsiya. SPbGUTD - SPb., 5, 91-92.
6. Razdomahin, N. N. (2003). Trehmernaya virtualnaya model odezhdyi i ee konstruktsiya . V mire oborudovaniya, 4, 42-43.
7. Godecke, W. (2003). Technische Datenverarheitung in der Bekleidungsin-dustrie. Bekleidung und Wasche. Bd., 29 (II), 68.
8. An interactive fashion design system "INEADS" (2010). Computer and Graph, I, 1 (4), 297-302.
9. Reconstructme (2015). Austria, Stadtgut. Available at: http://reconstructme.net (Last accessed: 07.03.2015)
Дата надходження рукопису 24.02.2015
Рябчиков Николай Львович, доктор технических наук, профессор, кафедра технологий и дизайна, Украинская инженерно-педагогическая академия, ул. Университетская, 16, г. Харьков, Украина, 61003 E-mail: [email protected]
Мураховская-Печенежская Елена Юрьевна, аспирант, кафедра технологий и дизайна, Украинская инженерно-педагогическая академия, ул. Университетская, 16, г. Харьков, Украина, 61003 E-mail: [email protected]
