CN102349717B - 一种基于微反射镜的非接触式三维人体扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微反射镜的非接触式三维人体测量装置，其特征在于：包括呈正方形分布的四根立柱，四根立柱分别位于正方形的四个顶点处，在正方形对角线的交点与测量台的中心重叠，在每根立柱上安装有一台线激光发生器、一个反射式MOEMS微型扫描镜和两台工业相机，反射式MOEMS微型扫描镜的中心线落在被测人体的中间位置，并且每台工业相机的视场均能覆盖被测人体，每根立柱上的两台工业相机相对反射式MOEMS微型扫描镜上下以特定角度对称放置，线激光发生器置于反射式MOEMS微型扫描镜与位于其上方的工业相机之间。与传统扫描装置相比具有体积小、功耗低、扫描频率高等优点，可取代传统偏转扫描装置。本发明操作简便、成本低、精度满足服装人体测量要求。

Description

一种基于微反射镜的非接触式三维人体扫描仪

技术领域

本发明涉及一种非接触式的三维人体扫描测量装置，特别涉及一种基于微反射镜的非接触式人体扫描仪，属于测量装置技术领域。

背景技术

随着现代网络和电子商务的不断发展，服装企业开始建立一种新型的服装定制系统生产模式。电子量身定制服装作为一种全新的服装生产方式已经成为国内外服装生产领域研究的重点，并将成为未来数字化服装生产的一个重要的发展方向。除相关辅助设备的支持外，服装定制系统生产模式包括三维人体扫描仪、服装CAD/CAM等，还必须有完善的三维人体数据库、服装号型规格数据库和服装款式资料库支持才会发挥功效。因此，电子量身定制服装的关键技术研究对于服装企业的数字化发展具有十分重要的理论和实践意义。

非接触式三维扫描系统具有扫描时间短，精确度高、测量部位多等多种优于传统测量技术和工具的特点，目前的非接触三维人体测量方法主要以光电和激光技术为基础。扫描人体按躯干(连头部)、手臂、腿三个部分的数据以VRML文件存储，并可使人体分别以皮肤、点云、网格的方式显示。现有的人体扫描仪的价格普遍较高，因而不能被大范围推广应用。人体扫描仪的发展过程中还不同程度地会受到计算机软硬件发展水平的影响和限制，同时图像处理速度也是目前制约三维人体自动测量技术发展的一个关键因素。

微反射镜是一种基于微光机电系统(MOEMS)技术的新型偏转扫描装置, 与传统扫描装置相比具有体积小、功耗低、扫描频率高等优点。MOEMS微型扫描镜是一种新型的偏转扫描微反射镜，在电磁驱动方式下实现反射镜的偏转，通过反射面的位置不断发生变化，改变入射光的方向，对特定区域进行扫描。微反射镜是一种可取代传统偏转扫描装置的新型MOEMS 器件，可以通过驱动反射镜在偏转方向上产生共振来实现高频率、大角度的偏转。随着光电器件和激光光源的成本降低，研究开发操作简便、成本低、精度满足服装人体测量要求的非接触式三维人体测量系统成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、成本低、精度满足服装人体测量要求的非接触式三维人体测量装置，以解决传统的三维非接触式扫描系统存在的数据采集和计算量大、标定过程繁琐、操作不便、成本高和准确性差等问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于反射式MOEMS 微型扫描镜的非接触式三维人体测量装置，其特征在于：包括呈正方形分布的四根立柱，四根立柱分别位于正方形的四个顶点处，在正方形对角线的交点与测量台的中心同心，在每根立柱上安装有一台线激光发生器、一个反射式MOEMS 微型扫描镜和两台工业相机，反射式MOEMS 微型扫描镜的中心线落在被测人体的中间位置，并且每台工业相机的视场均能覆盖被测人体，每根立柱上的两台工业相机相对反射式MOEMS 微型扫描镜上下以特定夹角对称放置，线激光发生器置于反射式MOEMS 微型扫描镜与位于其上方的工业相机之间。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优势：本发明采用反射式MOEMS 微型扫描镜器件，该器件是一种新型的偏转扫描反射式MOEMS 微型扫描镜，根据光的反射工作原理，通过反射面的位置不断变化, 改变入射线激光的位置, 实现对特定区域进行扫描。扫描镜基于MOEMS 工艺，在电磁驱动方式下实现反射镜的偏转，并可通过驱动反射镜在偏转方向上产生共振来实现高频率、大角度的偏转，与传统扫描装置相比具有体积小、功耗低、扫描频率高等优点，可取代传统偏转扫描装置。本发明操作简便、成本低、精度满足服装人体测量要求。

附图说明

图1为本发明提供的基于微反射镜的非接触式人体扫描仪的结构图；

图2为本发明所采用的工业相机对人体的视场覆盖示意图；

图3为本发明所采用的微反射镜反射出的激光扫描线对人体的视场覆盖示意图；

图4为本发明所采用的电磁驱动的微反射镜原理图；

图5为本发明提供的基于微反射镜的非接触式人体扫描仪的电气连接图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1至图3所示，本发明提供的一种基于微反射镜的非接触式三维人体测量装置，主要包括四根立柱1、一个测量台2、四台线激光发生器3、四个反射式MOEMS 微型扫描镜4、八台工业相机5，四根立柱1呈正方形分布，立柱1分别位于正方形的四个顶点处，测量台2的中心与正方形对角线的交点重叠。每根立柱1上安装有一台线激光发生器3、一个反射式MOEMS 微型扫描镜4和两台工业相机5，反射式MOEMS 微型扫描镜4的中心线落在被测人体的中间位置，每根立柱1上的两台工业相机5相对反射式MOEMS 微型扫描镜4以特定夹角对称放置，并且放置的位置要保证每台工业相机5的视场13均能覆盖人体，线激光发生器3置于反射式MOEMS 微型扫描镜4与位于其上方的工业相机5之间。

本发明所采用的反射式MOEMS 微型扫描镜4的偏转角度范围是±30°，反射出的激光束的偏转角度范围为±60°。设被测人体的身高为H，由于反射式MOEMS 微型扫描镜4反射出的激光束的最大张角为60°，为了保证反射式MOEMS 微型扫描镜4能自上而下完整扫描人体，被测人体与立柱之间的距离                                                

。

本发明采用反射式MOEMS 微型扫描镜4来实现入射线激光的扫描角度变化。测量装置启动时，每根立柱上的反射式MOEMS 微型扫描镜4的中心线落在人体中间位置，且初始偏转角度相同，均与水平方向呈30°仰角，此时，来自四个不同方向的线激光发生器3产生的四束线激光，经由反射式MOEMS 微型扫描镜反射到被测人体的头顶处形成一个光环，分别位于四根立柱上的八台工业相机5从不同角度获取光环的影像。每台工业相机5的视场13均覆盖人体，即上边界和下边界对应头顶和脚底，上边界和下边界的分角线即为相机视轴。依次改变反射式MOEMS 微型扫描镜4的镜面偏转角度14，并保证四个反射式MOEMS微型扫描镜4同步偏转，进而依次改变入射线激光的出射方向15。反射式MOEMS微型扫描镜4每次达到给定角度，触发一次线激光发生器3，实现一个位置的激光扫描，在一次完整的激光扫描人体过程，所有的工业相机5均进行长时间的曝光，曝光时间覆盖扫描时间。在系统同步控制器的控制下，光环自上而下移动，实现人体外形轮廓的激光扫描，整个扫描过程中工业相机5固定不动。测量装置中工业相机5对人体的视场覆盖13如图2所示，激光扫描线对人体的视场覆盖15如图3所示。依据三角测量原理，从图像中提取激光光环的中心曲线，结合线激光发生器3的激光平面与定标矩阵，恢复人体表面曲线几何信息。该测量装置的每个立柱均采用双相机实现数据的互补，双相机映射方法通过数据融合克服人体自遮挡，获取人体表面的封闭轮廓线，并从四个方位对人体进行同步扫描，生成全面统一的三维型面点云数据，最后通过软件处理分析云数据，建立人体表面三维模型。

本发明中所使用的反射式MOEMS 微型扫描镜4，其结构如图4所示。它主要由基板6、扭杆7、运动部件8、镜面9、线圈10和永磁铁11组成。两块永磁铁11平行于扭杆7放在基板6两侧，扭杆7支撑着运动部件8，镜面9置于运动部件8上，镜面9周围分布有线圈10。当线圈10中通有电流i时，磁场中的线圈11受到安培力作用。左边的导线受到垂直向下的作用力，而位于右边的导线则受到垂直向上的作用力，使运动部件8发生偏转，镜面9倾斜。由电磁学知识可知，

，其中

为通电导线在均匀磁场中受到的作用力，即安培力，为磁感应强度，

为电流，

为直导线的长度，为电流方向与磁场方向间的夹角，安培力的方向由左手定则判定。通过控制电流的大小，即可改变通电导线在均匀磁场中受到的作用力，即改变运动部件8受到的作用力，从而控制运动部件8的偏转角度，即镜面9的偏转角度。

结合图5，本发明所提供的人体测量装置由触摸显示器10向计算机11输入相关指令和任务，计算机11启动控制器12并指导其完成各项控制工作，控制器12主要用来控制反射式MOEMS 微型扫描镜4的同步偏转以及控制反射式MOEMS 微型扫描镜4每次达到给定角度时触发一次线激光发生器3，以实现一个位置的激光扫描。在一次完整的激光扫描人体过程中，控制器12控制所有的工业相机5进行长时间的曝光，曝光时间覆盖扫描时间。激光扫描线经过工业相机5的镜头聚焦至图像传感器片上，图像传感器根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成图像信号输出到计算机11，通过触摸显示器10可以看到获取的图像。

本发明采用光学三角测量原理，采用自适应阈值法提取激光线，相机定标，扫描线B样条拟合等，结合线激光发生器3的激光平面与定标矩阵，重构人体表面曲线的几何信息。光学三角测量法的基本原理是利用图像传感器获取激光光源投射到被测物体表面上的图像，通过图像分析和计算得出被测物体的三维轮廓信息。

本发明采用反射式MOEMS器件设计非接触式三维人体扫描测量装置，实现对人体进行多方位、多角度的成像，生成全面、统一的三维型面点云数据，克服传统三维人体扫描测量系统存在的结构庞大复杂、数据采集和计算量大、标定过程繁琐等缺点，该装置操作简便、成本低、精度满足服装人体测量要求，具有很好的实用价值和推广前景。

Claims (1)

1.一种基于微反射镜的非接触式三维人体测量装置，其特征在于：包括呈正方形分布的四根立柱(1)，四根立柱(1)分别位于正方形的四个顶点处，在正方形对角线的交点与测量台(2)的中心重叠，在每根立柱(1)上安装有一台线激光发生器(3)、一个反射式MOEMS 微型扫描镜(4)和两台工业相机(5)，反射式MOEMS 微型扫描镜(4)的中心线落在被测人体的中间位置，并且每台工业相机(5)的视场(13)均能覆盖被测人体，每根立柱(1)上的两台工业相机(5)关于反射式MOEMS 微型扫描镜(4)上下以特定夹角对称放置，线激光发生器(3)置于反射式MOEMS 微型扫描镜(4)与位于其上方的工业相机(5)之间；

所述线激光发生器(3)产生对人眼安全的线激光经由反射式MOEMS 微型扫描镜(4)反射到被测人体表面，反射式MOEMS 微型扫描镜(4)在自有的电磁驱动下其镜面发生偏转，改变入射激光光束的出射方向，并且四个反射式MOEMS 微型扫描镜(4)的偏转角度保持同步，来自四个不同方向的线激光发生器(3)产生的四束线激光，经由反射式MOEMS 微型扫描镜(4)反射到被测人体表面时形成一个光环，实现对人体的全方位扫描；

由所述工业相机(5)捕捉投射到被测人体表面的激光光环，每台工业相机(5)的上边界和下边界对应被测人体的头顶和脚底，上边界和下边界的分角线即为工业相机(5)的视轴，反射式MOEMS 微型扫描镜(4)每次达到给定角度，触发一次线激光发生器(3)，实现一个位置的扫描，在一次完整的激光扫描人体过程中，所有的工业相机(5)均进行长时间的曝光，曝光时间覆盖扫描时间，同时采用双相机实现获取数据的互补，并通过数据融合弥补人体局部区域的遮挡，获取人体表面的封闭轮廓线，整个扫描过程各台工业相机(5)固定不动。

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