CN102940492A

CN102940492A - 嵌入式三维双目扫描系统及方法

Info

Publication number: CN102940492A
Application number: CN2012104500445A
Authority: CN
Inventors: 石磊; 吴冈; 甄海涛; 陈庆文; 孙凯明; 张贤杰; 叶爱英
Original assignee: Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-27

Abstract

嵌入式三维双目扫描系统及方法。随着社会的发展，人们不断以更科学的方式运用于体育锻炼之中，用更科学的方法，更多更精确科学的仪器已经成为体育训练的必然趋势。随着社会的进步，全民健身的理念深入人心，人们对于自己拥有健康体魄的要求日益强烈。一种嵌入式三维双目扫描系统，其组成包括：底架（1），所述的底架连接CCD摄像机（2），所述的CCD摄像机连接一组传感器（3），所述的摄像机连接带有嵌入式主处理芯片的计算机（4），所述的计算机连接条纹投影仪（5），所述的计算机连接输出器6。本发明用于嵌入式三维双回扫描。

Description

嵌入式三维双目扫描系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种嵌入式三维双目扫描系统及方法。

背景技术：

随着社会的发展，人们不断以更科学的方式运用于体育锻炼之中，用更科学的方法，更多更精确科学的仪器已经成为体育训练的必然趋势。随着社会的进步，全民健身的理念深入人心，人们对于自己拥有健康体魄的要求日益强烈。

国外的三维人体测量产品价位较高，一套系统售价在百万元以上。国内仅有十几家院校、科研单位用其进行服装标准人台的研究，人体数据普查等工作。仅有成都成式制衣公司用于MTM。人体测量尺寸是相当重要的，它具有诸多作用。比如：建筑装修设计、家具设计以及一些交通工具的设计等，都要依据人体尺寸。

国内虽有三、四家公司拥有三维非接触测量技术，但未开发人体三维点云数据生成人体尺寸数据的应用软件。

[0006] 发明内容：

本发明的目的是提供一种可快速精确的测量人体三维数据，为体育训练及形体健身提供最直接可靠的依据的嵌入式三维双目扫描系统及方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种嵌入式三维双目扫描系统，其组成包括：底架，所述的底架连接CCD摄像机，所述的CCD摄像机连接传感器组，所述的摄像机连接带有嵌入式主处理芯片的计算机，所述的计算机连接条纹投影仪，所述的计算机连接输出器。

嵌入式三维双目扫描系统，所述的传感器组为8组传感器。

一种嵌入式三维双目扫描系统的方法，利用条纹投影仪将一组经由预置产生的正弦强度光栅条纹投射于人体上，利用两个CCD摄像机分别摄取影像，通过立体视觉技术实现高精度匹配，进而重建出人体准确的表面轮廓；利用传感器组通过嵌入式系统联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，将最终数据传输给计算机，拼接成完整的人体点云数据。

所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，嵌入式主处理芯片以TI公司的TMS320DM6414的DSP为主处理芯片，DSP为主处理芯片最高主频达到800MHz，EP2C35的FPGA为主控制芯片的“双核”处理系统。

所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，所述的传感器组由8组各自独立的传感器成实现人体三维测量传感器系统，每台传感器均由嵌入式系统控制测量并协调工作，控制精度可达到微秒级或纳秒级。

所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，利用多台该技术的扫描头通过计算机进行联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，通过计算机软件拼接完整的人体点云数据。根据多领域的不同需求，提供所需的人体部位的精确的尺寸数据。

有益效果：

1.本发明测试一次时间为20秒钟，人体测量精度为1mm；能够实现对人体三维数据的快速扫描，并能够提供人体各部位的精确的尺寸数据。我国是世界服装制造的大国。目前，拥有MTM后续技术的企业达千家。如果使三维人体非接触测量产品的价位限制在20到40万元，并配有人体三维点云数据生成人体尺寸数据的应用软件，用于MTM三维人体非接触测量产品市场潜量应在千台以上。考虑人体测量学研究、娱乐业（如电影特技）、计算机动画和医学（目前最为广泛如弥补术和塑型手术）等领域的需求，三维人体非接触测量产品市场潜量应在一万台左右。

本发明是针对体育健身、动画工业、人机工程、医学美容等领域中对人体三维数据快速测量的这一需求提出的，测量速度快、测量数据准确，

3.本发明采用现代光学为基础，融合光电子学、计算机图像学、计算机视觉为一体的测量技术，利用双目立体视觉测量技术原理，深度研究光栅编码技术、相移技术、相位编码与展开，从而提高双目立体视觉技术中极线几何匹配算法的匹配精度，使测量精度能够达到毫米级，单次测量速度仅需20秒。所述的嵌入式三维双目扫描系统，通过三维扫描仪，设定扫描的幅面、范围等，就可以简单、快速的完成人体的扫描过程，将数字化的人体的三维几何数据输入到计算机中。这些数据就是三维造型的最基础数据，可以在此基础上进行加工处理创意以此为依据的新造型,也可以完全以该数据模型为标准制作动态原型.而且这些数据也可以通过数据库系统保存起来留待以后使用。

本发明的测试时间很短，由8组扫描仪器协同工作，控制精度至少需要达到微秒级，用深入研究系统时序控制来实现。本系统由8组独立的传感器组成实现人体三维测量传感器系统，每台传感器均由嵌入式系统控制测量并协调工作，控制精度可达到微秒级或纳秒级。

本发明为测量及控制部分的软件编程实现，为高精度点云的处理，即不仅能够对高精度的人体三维点云显示的基本操作，并且可以提供人体整体完整的点云精确数值。

本发明采用点云拼接技术，点云拼接技术采用测量技术结合特征标志点拼接技术的方法，即利用测量方法中光栅解码的高精度，从而获得更准确的标志点数据信息，进而实现高精度拼接，其中图像采集精度能够达到亚像素级。

本发明测量精度高，测量精度达到毫米数量级；测试速度快，一次测量仅需20秒；可根据不同领域需求提供人体形貌的所有所需特征的数据；具有标准化接口可与第三方软件无缝连接。

本发明是以现代光学为基础，融合光电子学、计算机图像学、计算机视觉为一体的，可用于三维人体测量的传感器

9.本发明算法能够达到对人体三维数据测量误差低于1mm，测试时间低于20秒。由于该技术方法的计算过程复杂、计算量大、计算时间短，所以该过程一般是在PC系统下完成。但随着嵌入式芯片的制作工艺的提高，目前已有嵌入式处理芯片可达到1GHz的主频，并且由于嵌入式系统集成化的特点，嵌入式系统已能够满足这一需求。

本发明的软件开发主要包括嵌入式系统的研发和测量软件的编制。前者主要包括系统各器件的驱动与调试，主要是CCD相机的驱动控制、各通讯方式的驱动。测试软件编制主要应用OpenCV函数库，该库是专门针对嵌入式视觉系统所设计的，为软件实现提供了方便。

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。

附图2是附图1的系统图。

具体实施方式：

实施例1：

一种嵌入式三维双目扫描系统，其组成包括：底架1，所述的底架连接CCD摄像机2，所述的CCD摄像机连接一组传感器3，所述的摄像机连接带有嵌入式主处理芯片的计算机4，所述的计算机连接条纹投影仪5，所述的计算机连接输出器6。

实施例2：

一种嵌入式三维双目扫描系统的方法，利用条纹投影仪将一组经由预置产生的正弦强度光栅条纹投射于人体上，正弦强度光栅条纹光源是对人体无害的白光，利用两个CCD摄像机分别摄取影像，通过立体视觉技术实现高精度匹配，进而重建出人体准确的表面轮廓；

所述的嵌入式三维双目扫描系统，所述的传感器组为8组传感器。

利用8组传感器通过嵌入式系统联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，将最终数据传输给计算机，拼接成完整的人体点云数据。

实施例3：

实施例1或2所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，嵌入式主处理芯片以TI公司的TMS320DM6414的DSP为主处理芯片，DSP为主处理芯片最高主频达到800MHz，EP2C35的FPGA为主控制芯片的“双核”处理系统。

实施例4：

嵌入式三维双目扫描系统的方法，本方法是以现代光学为基础，融合光电子学、计算机图像学、计算机视觉为一体的测量技术，利用投影机将一组经由电脑产生的正弦强度光栅条纹投射于人体上，利用两个CCD相机分别摄取影像，通过相移技术以及极线几何的方法实现对应点匹配，进而重建出人体的表面轮廓；利用多台该技术的扫描头通过计算机进行联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，通过计算机软件拼接完整的人体点云数据。根据多领域的不同需求，提供所需的人体部位的精确的尺寸数据。

对于人体形态的医学诊断与评价，外科整形美容手术与效果评价等的要求日趋增加，“定制身材”的要求日趋增加，医用人体三维面形测量仪器作为一种人体形态的定量评价手段，可在大中城市的大医院使用，因而具有广阔市场前景。

国际上常用的人体扫描仪有Telmat的SYMCAD、 Turbo Flash/3D、TC2-3T6、TechMath-RAMSIS、Cyberware-WB4、Vitronic-Vitus等。三维非接触式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。因此发展较快，据不完全统计短短的几年时间非接触式三维人体测量产品已达千台以上。

实施例5：

上述实施例所述的嵌入式三维双目扫描系统，

（1）、光学系统设计与研制部分

①光栅编码技术的深入研究

②高精度光栅发生器的研究与研制

③CCD数据成像系统的研制、掌握

（2）、系统的集成研制

①系统总体集成的设计

②系统控制的研制

（3）、软件研制

①整个系统测量部分软件的研制开发

②数据后置处理，根据计算机图形学原理及数据处理方法，对计算机采入的原始形状数据进行整合、滤波等数据处理，以提高测量速度，并在此基础上对被测物体进行图形学描述。

③数据扩展接口，使数据可用于其他不同的用户，开发不同版本CAD/CAM接口，以便本系统的测量数据被不同的CAD/CAM软件使用。

本项目创新的提出了由投影光栅法，即通过一组正弦光栅实现相位展开和相位编码，结合双目立体视觉的极线几何匹配法，实现人体三维点云数据的快速、精确测量。该测量方法的突出特点就是测试速度快，测量精度高。此外本项目采用以特征标志点的方法与该测量方法相结合，可到达亚像素级的特征点提取，有效的提高了点云的拼接精度。本项目系统是完全自主研发的真正开放的模块化、可扩充、可升级的人体三维数据扫描系统，能够形成自主知识产权，可提高产品的核心竞争能力。

Claims

1.一种嵌入式三维双目扫描系统，其组成包括：底架，其特征是：所述的底架连接CCD摄像机，所述的CCD摄像机连接传感器组，所述的摄像机连接带有嵌入式主处理芯片的计算机，所述的计算机连接条纹投影仪，所述的计算机连接输出器。

2.根据权利要求1所述的嵌入式三维双目扫描系统，其特征是：所述的传感器组为8组传感器。

3.一种嵌入式三维双目扫描系统的方法，其特征是：利用条纹投影仪将一组经由预置产生的正弦强度光栅条纹投射于人体上，利用两个CCD摄像机分别摄取影像，通过立体视觉技术实现高精度匹配，进而重建出人体准确的表面轮廓；利用传感器组通过嵌入式系统联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，将最终数据传输给计算机，拼接成完整的人体点云数据。

4.根据权利要求3所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，其特征是：嵌入式主处理芯片以TI公司的TMS320DM6414的DSP为主处理芯片，DSP为主处理芯片最高主频达到800MHz，EP2C35的FPGA为主控制芯片的“双核”处理系统。

5.根据权利要求3或4所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，其特征是：所述的传感器组由8组各自独立的传感器成实现人体三维测量传感器系统，每台传感器均由嵌入式系统控制测量并协调工作，控制精度可达到微秒级或纳秒级。

6.根据权利要求3或4所述的嵌入式三维双目扫描系统的方法，其特征是：利用多台该技术的扫描头通过计算机进行联动控制，从人体的不同角度对人体进行拍摄扫描，得到人体各部位进行全面测量，通过计算机软件拼接完整的人体点云数据，根据多领域的不同需求，提供所需的人体部位的精确的尺寸数据。