CN102813516A - 基于光学成像的非接触式人体身高测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，涉及人体身高测量领域，该方法包括以下步骤：感光面将人体和参照物通过光学镜头所成的像进行光电转化，再进行模数转换，将得到的数字信号送至中心处理器进行运算，中心处理器读取测距仪测得的人体与光学镜头的距离，并在采集到的图像中分析计算出人体像顶点与参照物像顶点的距离，结合标定过程中获取的参数，计算出人体的实际身高。本发明通过非接触式光学镜头获得被测人的像，与预先设置的参照物的像比较，得到两个像之间的距离差，经过一系列数学运算即可得到被测人的身高，非接触式测量方式比较灵活，速度较快。

Description

基于光学成像的非接触式人体身高测量方法

技术领域

本发明涉及人体身高测量领域，特别是涉及一种基于光学成像的非接触式人体身高测量方法。

背景技术

人体身高是人类体型特征中的一项重要指标，男性一般在20～24岁之间、女性一般在19～23岁之间，四肢长骨和脊椎骨均已完成骨化，身高就停止增长，基本稳定下来。人体身高在某些特定的应用场合，例如，在刑侦工作中，对于描述一个人的体型特征具有显著的作用。

目前，人体身高的测量方法有很多种，最直接的测量方法是使用尺子来测量人体身高，但这种测量方法不是很方便，且需要人工来操作、读取数据。一种改进的测量身高的方法是在一个竖直的标杆上增加一个移动的横杆，通过控制电机来移动横杆，横杆接触到人的头顶后触发一个开关，即可得知人体的身高。

随着技术的进步，还出现了利用超声波发生器来代替移动的横杆的人体身高测量方法，通过测量发射、接收反射波的时间，即可得到人的头顶距离超声波发生器的距离，通过计算得到人的身高。

但是，上述的人体身高测量方法都需要将测量装置置于人的头顶正上方才能测量，属于接触式测量，局限性较大，不够灵活，尤其是对于某些移动人群的场合，现有的接触式测量方法难以灵活应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，通过非接触式光学镜头获得被测人的像，与预先设置的参照物的像比较，得到两个像之间的距离差，经过一系列数学运算即可得到被测人的身高，非接触式测量方式比较灵活，速度较快。

本发明提供的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，包括以下步骤：A、对焦距为f的光学镜头设定一个参照物，参照物像落在感光面上，先测量标定参照物的高度h1和参照物像顶点与感光面中心的距离d₁；当光学镜头安装在与人体上半身相应的位置、且光学镜头中心轴沿水平方向放置、使感光面接收到包含整个头部的人体上半身图像时，还要通过人工测量标定参照物高出光学镜头中心的高度d₂；当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，还要测量标定参照物与光学镜头的距离u₁；B、感光面将人体和参照物通过光学镜头所成的像进行光电转化，再进行模数转换，将得到的数字信号送至中心处理器进行运算，中心处理器读取测距仪测量的人体与光学镜头的距离u，并在采集到的图像中分析计算出人体像顶点与参照物像顶点的距离d₃，结合标定过程中获取的参数，计算出人体的实际身高h。

在上述技术方案中，当光学镜头安装在与人体上半身相应的位置、且光学镜头中心轴沿水平方向放置、使感光面接收到包含整个头部的人体上半身图像时，人体的实际身高为：

$h=\frac{u\×(d_2+d_1)}{f}+(h_1-d_2).$

在上述技术方案中，当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，若测距仪与光学镜头的中心点在同一垂直平面，则人体的实际身高为：

$h=\frac{(d_1+d_2)\×u}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{(d_1+d_2)}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}+[h_1-\frac{d_1\×u_1}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{d_1}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}-(u-u_1)\tan \mathrm{\θ}].$

在上述技术方案中，当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，若测距仪与光学镜头的中心点不在同一垂直平面内，则对人体距离光学镜头的距离u、参照物距离光学镜头的距离u₁进行修正：当测距仪位于光学镜头中心轴后d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u-d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁-d’；当测距仪位于光学镜头中心轴前d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u+d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁+d’，在具体计算中，使用修正量替代公式中相应的量。

在上述技术方案中，所述光学镜头为相机镜头或摄像机镜头。

在上述技术方案中，步骤B中所述测距仪为超声波探头、激光测距仪、红外线测距仪或者雷达测距仪。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的非接触式测量比较灵活，无需在人的头顶正上方设置探测器，不受接触式装置的限制，仅仅通过摄像头或其他图像捕捉光学镜头获得被测人的像，与预先设置的参照物的像比较，得到两个像之间的距离差，通过软件计算即可得到人的身高，速度较快，隐蔽性较高，非常适用于安全部门进行人体身高特征的采集。

附图说明

图1是本发明实施例中非接触式测量装置的结构示意图。

图2是凸透镜成像的原理图。

图3是实施例1中光学镜头的布置示意图。

图4是实施例1中标定参照物的原理图。

图5是实施例1中计算人体身高的原理图。

图6是实施例2中光学镜头的布置示意图。

图7是实施例2中标定参照物的原理图。

图8是实施例2中计算人体身高的原理图。

图中：1-光学镜头，2-感光面，3-模数转换器，4-超声波探头，5-超声波探头驱动电路，6-中心处理器，7-显示器，8-人体，9-参照物。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例中的非接触式测量装置包括光学镜头1、感光面2、模数转换器3、超声波探头4、超声波探头驱动电路5、中心处理器6、显示器7，光学镜头1、感光面2、模数转换器3顺次相连，超声波探头4与超声波探头驱动电路5相连，模数转换器3、超声波探头驱动电路5均与中心处理器6相连，中心处理器6与显示器7相连。光学镜头1为相机镜头、摄像机镜头等可以用于捕捉图像的光学镜头，用来形成人体倒立缩小的实像，将人体的实际身高转化为适合感光面2大小的图像。感光面2用来接收光学镜头1形成的像，并将光学的像进行光电转换，将像中的每个光学点转化为可以进行电路处理的电子信号，该电子信号为模拟信号。模数转换器3用来将感光面2得到的模拟信号采样，进行模拟数字转换，将图像转化为中心处理器6可以进行运算的数字信号。超声波探头4用来测量人体与超声波探头4之间的距离。当超声波探头4与光学镜头1在同一个垂直面上时，该距离即为人体与光学镜头1之间的距离。超声波探头驱动电路5用来驱动超声波探头4，将中心处理器6发出的指令转化为控制量，来控制超声波探头4的工作状态。中心处理器6用来处理图像数据，控制超声波探头4，并进行身高测量的相关运算，将得到的身高测量结果输出。显示器7用于将中心处理器6得到的测量结果显示出来，供使用人员观测结果。

在光学中，由实际光线汇聚成的像，称为实像，能用光屏承接；反之，则称为虚像，只能由眼睛感觉。当物体与凸透镜的距离大于透镜的焦距时，物体成倒立的像，当物体从较远处向透镜靠近时，像逐渐变大，像到透镜的距离也逐渐变大；当物体与透镜的距离小于焦距时，物体成放大的像，这个像不是实际折射光线的会聚点，而是它们的反向延长线的交点，用光屏接收不到，是虚像。当物距无限远时，所成的像无限接近1倍焦距，但始终大于1倍焦距。

参见图2所示，u为物距，v为像距，f为凸透镜的焦距，凸透镜的成像满足：

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$ 公式1

相机或者摄像机中使用的光学镜头的焦距固定，一般焦距都比较短，拍照时人体的位置一般都远远超过了两倍焦距，此时在镜头后的感光元件上成倒立缩小的实像。像距无限接近于焦距，但比焦距要大，在实际计算中可以认为v≈f。

像与物体之间的放大倍数可以表达为以下形式：

$\mathrm{\β}=\frac{h^{\′}}{h}=\frac{v}{u}\≈\frac{f}{u}$ 公式2

在实际应用中，当光学镜头选定后，通过参数即可得知镜头的焦距f，感光元件上得到的像的高度h’、物体与镜头之间的距离u可以通过自动化设备测量得知，则物体的高度h即可由公式2计算得出。

本发明实施例提供一种基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，包括以下步骤：

A、对焦距为f的光学镜头设定一个参照物，参照物像落在感光面上，先测量标定参照物的高度h₁和参照物像顶点与感光面中心的距离d₁；

当光学镜头安装在与人体上半身相应的位置、且光学镜头中心轴沿水平方向放置、使感光面接收到包含整个头部的人体上半身图像时，还要测量标定参照物高出光学镜头中心的高度d₂；

当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，还要测量标定参照物与光学镜头的距离u₁；

B、感光面将人体和参照物通过光学镜头所成的像进行光电转化，再进行模数转换，将得到的数字信号送至中心处理器进行运算，中心处理器读取测距仪测得的人体与光学镜头的距离u，并在采集到的图像中分析计算出人体像顶点与参照物像顶点的距离d₃，结合标定过程中获取的参数，计算出人体的实际身高h。测距仪可以为超声波探头、激光测距仪、红外线测距仪或者雷达测距仪。

下面通过2个具体实施例来详细说明人体身高的计算过程。

实施例1

在某些应用场合中，需要拍摄比较清晰的人体面部图像，将光学镜头1安装在与人体8上半身相应的位置，感光面2能接收到包含整个头部的人体上半身图像。参见图3所示，本实施例中光学镜头1中心轴沿水平方向放置，光学镜头1与超声波探头4位于同一个垂直平面中。此种情况下，必须引入一个参照物9，在非接触式测量装置的生产过程中对该参照物9以及其在成像面中的像的位置进行一次标定，在正常使用过程中，仅需要测量出人体8图像的头顶部位与参照物9的像之间的距离，即可通过计算得出人体8的实际身高。

在标定过程中，需要人工测量一些参数，但此过程仅需操作一次。参见图4所示，需要人工测量的参数包括：参照物的高度h₁、参照物高出光学镜头中心的高度d₂、参照物像顶点与感光面2中心的距离d₁、参照物与光学镜头1的距离u₁。

在计算过程中，把参照物9分为位于光学镜头中心以上和以下两部分来进行分析。位于光学镜头中心以上的部分，经过光学镜头1成像，可以在感光面2上成完整的像，其成像满足公式1和公式2。由公式2可得到：

$\frac{f}{u_1}=\frac{d_1}{d_2}$ 公式3

通过公式3可以，如果测量结果满足公式3，即可验证标定成功。

在实际人体的身高测量过程中，将人体分为位于光学镜头中心以上和以下两部分来考虑。由于人体和参照物都位于地面上，因此光学镜头中心以下的部分高度相同，均为h₁-d₂。参见图5所示，需要测量的量有两个：人体与光学镜头的距离u(通过超声波探头测量)，人体成像的头顶与参照物成像的顶端之间的距离d₃(中心处理器进行测量)。

在标定过程中已经获得参照物9的像与光学镜头中心的距离d₁；中心处理器6在得到的图像上进行计算测量，得到人体像的顶端与参照物顶端的距离d₃；超声波探头4测得人体与光学镜头的距离u。假设人体顶点与光学镜头中心之间的距离为d₄，由公式2可知：

通过数学变换可得到由上述分析可知，人体的身高h为：

$h=d_4+(h_1-d_2)=\frac{u\×(d_2+d_1)}{f}+(h_1-d_2)$ 公式4

式中，u为人体与光学镜头的距离，d₃人体像顶点与参照物像顶点的距离，d₁为参照物的像与光学镜头中心的距离，f为光学镜头焦距，h₁为参照物的高度，d₂为参照物高出光学镜头中心的高度。

实际测量时，中心处理器6读取超声波探头4测得的距离u，在采集到的图像中分析计算出人体像的顶端与参照物顶端的距离d₃，将标定过程中获取的已知参数d₁、f、h₁、d₂代入公式4，经过计算即可得到人体的实际身高h。

实施例2

在实际应用中，某些场合下光学镜头安装的位置高于人体头顶，光学镜头1的轴线无法沿水平方向放置，而是与水平面呈一定的夹角放置，参见图6所示，超声波探头4与光学镜头1的中心点可以位于同一个垂直平面中，也可以不在同一个垂直平面中。超声波探头4与光学镜头1的中心点不在同一个垂直平面中时，需要在标定过程中对这个偏移量进行测量，当中心处理器6读取超声波探头4的数据时，使用该偏移量进行修正即可。

若超声波探头与光学镜头的中心点不在同一垂直平面内，则需要对人体距离光学镜头的距离u、参照物距离光学镜头的距离u₁进行修正：当超声波位于光学镜头中心轴后d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u-d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁-d’；当超声波位于光学镜头中心轴前d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u+d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁+d’。在具体计算中，使用修正量替代公式中相应的量即可。

下面对超声波探头4与光学镜头1的中心点在同一垂直平面的情况进行分析计算。参见图7所示，首先需要选用一个参照物，对非接触式测量装置进行标定。假设光学镜头1的中心轴与垂直平面成θ角，超声波探头4与光学镜头1的中心在同一个垂直平面上。选用参照物的高度为h₁，参照物与光学镜头的距离为u₁。θ、h₁、u₁这三个参数在标定过程中都可以通过测量得到。假设参照物顶点与光学镜头中心轴之间的垂直距离为h₂，参照物位于光学镜头中心轴以下部分的高度为h₃，由于光学镜头的中心轴与水平面成一定角度，因此参照物位于光学镜头中心轴以下部分的高度h₃不容易通过测量获得，但可以通过数学计算得到。选取参照物的顶点为计算对象，从顶点向光学镜头1的中心轴引一条垂线，则在感光面上得到的像与光学镜头中心轴的距离d₁其实是该垂线通过光学镜头形成的像。将各参数代入公式2可以得到：

通过对本式进行变换即可得到：

$h_2=\frac{d_1\×u_1}{f\×\sin \mathrm{\θ}(1+\frac{d_1}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}$ 公式5

则参照物的高度满足下列关系：

至此，标定过程全部结束。

在实际人体身高测量的计算中，也需要从人的顶部向光学镜头中心轴引一条垂线进行分析。参见图8所示，假设人体顶部与光学镜头中心轴的垂直距离为h₄，与标定过程类似，利用公式5可以得到：

$h_4=\frac{(d_1+d_2)\×u}{f\×\sin \mathrm{\θ}(1+\frac{(d_1+d_2)}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}$

由图中可知人体的高度h为：

$h=\frac{h_4}{\sin \mathrm{\θ}}+h_5=\frac{h_4}{\sin \mathrm{\θ}}+[h_3-(u-u_1)\tan \mathrm{\θ}]$

将h4和h3代入上式即可得到人体身高的计算公式：

$h=\frac{(d_1+d_2)\×u}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{(d_1+d_2)}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}+[h_1-\frac{d_1\×u_1}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{d_1}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}-(u-u_1)\tan \mathrm{\θ}]$

，式中，u为人体与光学镜头中心的距离，u₁为参照物与光学镜头中心的距离，d₁为参照物的像与光学镜头中心轴的距离，d₃为人体像顶点与参照物像顶点的距离，f为光学镜头焦距，h₁为参照物的高度，θ为光学镜头中心轴与垂直平面之间的夹角。

实际测量时，中心处理器6读取超声波探头4测得的距离u，在采集到的图像中分析计算出人体像顶点与参照物像顶点的距离d₃，再将标定过程中获取的已知参数d₁、f、θ、h₁、u₁代入上述身高计算公式，经过计算即可得到人体的实际身高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、对焦距为f的光学镜头设定一个参照物，参照物像落在感光面上，先测量标定参照物的高度h₁和参照物像顶点与感光面中心的距离d₁；

当光学镜头安装在与人体上半身相应的位置、且光学镜头中心轴沿水平方向放置、使感光面接收到包含整个头部的人体上半身图像时，还要通过人工测量标定参照物高出光学镜头中心的高度d₂；

当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，还要测量标定参照物与光学镜头的距离u₁；

B、感光面将人体和参照物通过光学镜头所成的像进行光电转化，再进行模数转换，将得到的数字信号送至中心处理器进行运算，中心处理器读取测距仪测量的人体与光学镜头的距离u，并在采集到的图像中分析计算出人体像顶点与参照物像顶点的距离d₃，结合标定过程中获取的参数，计算出人体的实际身高h。

2.如权利要求1所述的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于：当光学镜头安装在与人体上半身相应的位置、且光学镜头中心轴沿水平方向放置、使感光面接收到包含整个头部的人体上半身图像时，人体的实际身高为：

3.如权利要求1所述的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于：当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，若测距仪与光学镜头的中心点在同一垂直平面，则人体的实际身高为：

$h=\frac{(d_1+d_2)\×u}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{(d_1+d_2)}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}+[h_1-\frac{d_1\×u_1}{f\×{\sin }^2\mathrm{\θ}(1+\frac{d_1}{f}{\tan }^{-1}\mathrm{\θ})}-(u-u_1)\tan \mathrm{\θ}].$

4.如权利要求3所述的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于：当光学镜头的安装位置高于人体头顶、且光学镜头中心轴与竖直方向成θ角放置时，若测距仪与光学镜头的中心点不在同一垂直平面内，则对人体距离光学镜头的距离u、参照物距离光学镜头的距离u₁进行修正：当测距仪位于光学镜头中心轴后d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u-d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁-d’；当测距仪位于光学镜头中心轴前d’处，将人体距离光学镜头的距离u修正为u+d’，将参照物距离光学镜头的距离u₁修正为u₁+d’，在具体计算中，使用修正量替代公式中相应的量。

5.如权利要求1至4中任一项所述的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于：所述光学镜头为相机镜头或摄像机镜头。

6.如权利要求1至4中任一项所述的基于光学成像的非接触式人体身高测量方法，其特征在于：步骤B中所述测距仪为超声波探头、激光测距仪、红外线测距仪或者雷达测距仪。

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