CN103340606B - 光切换人体三维扫描***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种人体三维扫描仪设备，结构上包括：单目结构光三维扫描仪、铝型材结构架、光路切换器、反光镜。对于双机结构的光切换人体扫描***还包括集线器。光切换人体三维扫描***类型有两种，一种是光切换单机结构人体三维扫描***，一种是光切换双机结构人体三描***。单机结构类型所采集的人体数据范围是人体脖子以下到膝盖以上的数据，双机结构类型所采集的数据范围是人体全身数据。本***的特点在于所采用的光路反射和光路切换。其原理是将小反光镜与转轴***结合为光路切换器，通过反光角度变化，将大反光镜里得到的人体前后身影像先后反射到图像捉捕器镜头中。本***采用LED灯光源，对人体无任何伤害。

Description

光切换人体三维扫描***及其工作方法

技术领域

本发明是一种涉及了光学、机械、电子、计算机通信等技术的非接触式三维测量仪，是一款解决人体测量问题的高科技设备。

背景技术

三维扫描技术是集光、机、电、计算机通信技术于一体的先进非接触式测量技术。三维信息的获取方法，都是建立在时间差测量法、三角测量法和相位测量法的基础之上的。时间差测量法是利用光束的飞行时间来测量被测点与参考平面的距离，由于激光的单向性好，多采用激光作为能量源。三角测量法以三角测量原理为基础，通过照射在被测物体上的光的出射点、投影点和成像点三者之间的几何关系确定物体各点的高度，由扫描仪发射光线到物体表面，记录入射光与反射光之间的夹角，利用在基准线另一端的CCD相机接收物体反射的信号，且激光光源与CCD之间的基线长度经测定为已知，由三角形几何关系求的扫描仪与物体之间的距离。三角测量法的关键技术在于确定出射点、投影点和成像点三者之间的几何关系。相位测量法是利用光栅条纹受投影物体高度影响的现象来测量三维物体的表面轮廓。当均匀光栅垂直投影到平整表面，将得到均分分布的光栅条纹；当光栅条纹投影到高度有变化的物体上时，光栅条纹则要发生变形，并且呈非均匀分布，这是因为投影光栅被物体的高度所调制。

三维实体扫描有着广泛的应用前景，而三维人体扫描，作为三维实体扫描中的一个重要分支，对医疗机构进行医学研究、对服装行业进行服装设计制造，以及影视作品中进行虚拟和现实人物的图像合成，均具有重要的现实意义。在医学方面，人体假肢的定制；人体运动力学的研究，都可以通过三维人体扫描仪得到的人体三维数据来分析应用。在服装行业，间隙量指人体与服装之间的空间。而服装造型空间正是从服装与人体之间的空隙量来进行研究的,因此,间隙量实质上即为服装造型空间。当间隙量等同地分布于人体皮肤之上时,服装的造型为人体的模拟形；当人为增加间隙量或间隙量非均匀地分布于人体体表时,服装都会出现对人体的夸张、甚至变形的造型。在准确测量人体的基础上,根据服装的主要运动需求量部位,在运动的有效区域内,加入间隙量,从空间上提供人体所需要的运动量,与此同时,加入造型设计所需的间隙量,这样就使服装表现出适应不同运动功能的各种空间造型形态。在现代设计中,服装空间更应突出功能、合身适体、活动自如,极力显示以最大限度适应人活动的可能性,要求不抑制和不约束人的活动范围,以顺应人的生活进程,在真正的意义上实现由“人适应服装”向“服装服务于人”的转变。而这种转变非常依赖三维人体扫描仪的帮助。另外在动漫影视行业，对动漫角色造型时，也可以依据人体三维扫描仪扫描得到逼真的人体模型，比起动手创作省时并且更加的接近于真实。

目前人体三维扫描仪根据光源形式不同分为两类，一类为激光人体扫描仪，另一类是结构光人体扫描仪。但因为用处和结构不同，每类人体扫描仪，又有多种形式。但一般认为激光对人体有伤害，结构光类人体扫描仪相对安全性能较高。并且激光扫描仪大多要在机械结构上运动来实现扫描工作，扫描速度慢，而结构光类人体扫描仪的扫描相对快速，更适合于人体数据的扫描工作。

发明内容

本发明是一款光切换人体三维扫描***，集光、机、电、计算机通信技术于一体。目的是解决人体三维数据的测量问题。可以应用到服装工业，医学研究，动漫媒体行业等等。

本发明是以单目结构光三维扫描仪为基础技术的发明，单目结构光三维扫描仪采用的是时域编码结构光技术，将已知光栅条纹光打到被测人体上，通过图像捕捉器获得序列光栅条纹图案，并根据相位法和三角法解析条纹曲率变化，精确计算出每个像素在人体表面上对应的空间坐标点信息和纹理RGB(BW)信息。最终以文件后缀名为XYZ和BMP的文件形式存储在计算机默认工作路径下。其中XYZ文件存储数据的(X、Y、Z)点坐标信息，BMP文件存储图片的RGB或者BW颜色信息。发明中采用的单目结构光扫描仪设备的投影光线为LED冷光源，LED光源对人体皮肤无任何伤害，因此本***的安全性较高。

反光镜的采用是根据光路反射原理图实现的，光切换人体扫描***如果采用单机设备扫描，所采集到的数据是人体半身数据，这时候整体结构只需要两组反光镜即可。摆放位置是按照光学原理图方案进行的，正好在人体正前面固定一面反光镜，照射范围是人体膝盖以上到人体脖颈以下；然后在人体后面固定一面反光镜，此反光镜与第一面相同大小，并且以中轴线为对称中心与第一面对称固定。当光切换人体扫描***采用双机结构组合进行人体三维扫描工作的时候，所采集到的人体数据是全身的，这时候整体结构需要四面反光镜。人体正前方固定上下两组反光镜，人体背面固定上下两组反光镜。摆放位置同样是以中轴线为对称中心，四个镜面两两对称固定。反光镜与光路切换器结构中内置的小反光镜配合完成光路反射工作，是单目结构光扫描头采集三维数据的必须结构。光路两次反射将光影图投射到人体表面上，完成投光工作；人体影像经过两次反射被图像捉捕器捕捉到，完成取像工作。这样的光路反射方案压缩了单机成像的聚焦距离，使得这样的人体扫描仪占地空间变小。

本发明的光路切换器结构是由内置小反光镜、转轴、支撑架构、限位装置、等机械结构件组合而成的。光切换结构设计的原理是通过光反射原理形成的，如图5光路反射原理图的表示，扫描头的投光组件通过反光镜面的两次反射，将电子条纹信息投射到人体表面上；三维扫描头的图像捉捕器通过反光镜面的两次反射获得图像信息。光路切换的方法是:光路切换器将内置小反光镜旋转到一个角度，获得人体前身数据；然后光路切换器内置小反光镜旋转到另外一个角度，获取人体后身数据，由此完成整个人体数据的拍摄工作。光路切换方法的采用，使得单机设备在采集完成人体前身数据后，经过光路切换能够再次采集人体后身的数据。这样的光路切换方法，减少了扫描头的使用量，压缩了硬件成本，使双机才能实现的功能变成单机完成；而四机才能实现的效果，用双机完成了。光切换人体三维扫描***的占地面积变小了很多，整个设备的占地面积在2平方米以内，非常适合服装店面使用。

发明中的铝合金结构架采用6067号铝型材制作，作用是固定各镜面之间的角度，其外型尺寸为长1.5米左右、宽1.5米左右、高2米左右。其结构造形设计牢固，使得反光镜面、光路切换器、三维扫描头之间的夹角符合光学反射原理的设计，并且增强了各部件之间相对角度的稳定性。铝合金结构架拆装简单，结构架的***可加布棚，将光切换人体扫描***内部自然形成一个独立的空间。

双机结构的光切换人体扫描***，需要用以集线器装置。发明中集线器的设计完成了两台结构光三维扫描设备与计算机端口的集合通信任务，集线器一面与计算机，另一面与两台单目结构光设备建立了输出输入联系。集线器将接收到的两台设备信号集合为一条信号发往计算机，也将从计算机处接收的一个信号分成两个不同的机器指令发送到单目结构光扫描设备上。

附图说明

图1光切换人体三维扫描***(单机配置)顶示图

(1)光路切换器(2)单目结构光扫描仪(3)反光镜(4)铝合金结构架

图2光切换人体三维扫描***外型示意图

图3光切换人体三维扫描***(双机配置)顶示图

(1)光路切换器(2)单目结构光扫描仪(3)反光镜(4)铝合金结构架(5)集线器

图4光切换人体三维扫描***(双机配置)主示图

(1)光路切换器(2)单目结构光扫描仪(3)反光镜(4)铝合金结构架(5)集线器

图5光学原理图

具体实施方式

参照图1本光切换人体三维扫描***的结构包括(1)光路切换器(2)单目结构光扫描仪、(3)反光镜(4)铝合金结构架。参照图3双机配置的光切换人体三维扫描***的结构包括(1)光路切换器(2)单台结构光扫描仪、(3)反光镜(4)铝合金结构架(5)集线器。单机配置的光切换人体三维扫描***具体装配方案是将(1)光路切换器、(2)单目结构光扫描仪、(3)反光镜按照角度和焦聚的要求固定在(4)铝合金结构架上。双机配置光切人体三维扫描***的具体装配方案是将(1)光路切换器、(2)单目结构光扫描仪、(3)反光镜按照角度和焦聚的要求，固定在(4)铝合金结构架上。然后将两台(2)单目结构光扫描仪的通信线集合到(5)集线器上，由集线器引出通向计算机的通信线。

当设备电源打开，计算机与单目结构光扫描仪通信正常，设备成像功能调试好后，扫描工作就可以进行了。具体实施方式为，计算机发出一个扫描命令，(1)光路切换器内置小反光镜旋转到一个角度，(2)单目结构光扫描仪经过(3)反光镜与(1)光路切换器内置小反光镜的两次反射实现投光、拍照工作获取一面数据。完成后，(1)光路切换器内置的小反光镜再旋转切换到另外一个角度，(2)单目结构光扫描仪再次经过(3)反光镜与(1)光路切换器内置小反光镜的两次反射实现投光、拍照工作获取另一面数据。

对于双机配置的光切换人体三维扫描***，通电后的具体实施方式在光切换和投光拍照方面是相同的，有所不同的是双机配置在计算机发出指令时，是先通过(5)集线器分配给两台(2)单目结构光扫描仪的，而扫描完成后获得的数据也是通过(5)集线器实现向计算机的传输功能。

Claims (5)

1.一种光切换人体三维扫描***，其特征在于，包括：光路切换器(1)、单目结构光扫描仪(2)、反光镜(3)、铝合金结构架(4)；其中，所述反光镜包括：第一反光镜，固定在人体正前面，照射范围是人体膝盖以上到人体脖颈以下；第二反光镜，固定在人体后面，其与所述第一反光镜相同大小，并且以中轴线为对称中心与所述第一反光镜对称固定，所述单目结构光扫描仪为一台，通过所述光路切换器、所述第一反光镜和所述第二反光镜的光路扫描人体膝盖以上到人体脖颈以下。

2.一种光切换人体三维扫描***，其特征在于，包括：光路切换器(1)、单目结构光扫描仪(2)、反光镜(3)、铝合金结构架(4)；其中，所述反光镜包括：上下排列的第一反光镜和第三反光镜，固定在人体正前面，照射范围是人体全身；上下排列的第二反光镜和第四反光镜，固定在背面，摆放位置是以中轴线为对称中心，四个镜面两两对称固定；所述单目结构光扫描仪为二台，通过所述光路切换器、所述第一反光镜、所述第二反光镜、所述第三反光镜以及所述第四反光镜的光路扫描人体全身。

3.根据权利要求1或2所述的光切换人体三维扫描***，其特征在于：采用所述铝合金结构架固定所述光路切换器、所述单目结构光扫描仪和所述反光镜，使得所述铝合金结构架固定所述光路切换器、所述单目结构光扫描仪和所述反光镜之间的夹角符合预设的光学反射光路；

所述铝合金结构架的外型尺寸为长1.5米、宽1.5米、高2米，占地面积在2.5平方米以内。

4.权利要求1-3任一项的光切换人体三维扫描***的工作方法，其特征在于，包括：

光路两次反射将光影图投射到人体表面上；

人体影像经过两次反射被单目结构光扫描仪捕捉到；

所述光路切换器内置小反光镜旋转到一个角度，获取一面数据；所述光路切换器内置小反光镜旋转到另一个角度，获取另一面数据。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，计算机发出一个扫描命令，所述光路切换器内置小反光镜旋转到一个角度，所述单目结构光扫描仪经过所述反光镜与所述光路切换器内置小反光镜的两次反射实现投光、拍照工作获取一面数据；完成后，所述光路切换器内置的小反光镜再旋转切换到另外一个角度，所述单目结构光扫描仪再次经过所述反光镜与所述光路切换器内置小反光镜的两次反射实现投光、拍照工作获取另一面数据。