CN103263249A - 多机位快速人体三维扫描系统 - Google Patents

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张志波
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Abstract

本发明是多机组合快速人体三维扫描系统，是专业的人体扫描设备，可以快速有效的获得人体三维数据。该设备由多台单目结构光扫描仪组成，并配合连续扫描切换控制技术，使人体扫描系统获得三维人体数据的工作在6秒内完成。多机组合人体三维扫描仪的实际扫描高度为2100MM。组合类型可根据实际需求灵活组合，一般有八机全身组合、六机全身组合、四机全身组合、四机半身组合、三机半身组合和双机半身组合。本发明结构简单，无任何运动机构，维护方便：而且采用LED冷光源对人体无任何伤害。另外在配合后期参数提取软件，可以快速的得到人体各部位尺寸数值，因此发明非常适合服装工业方面的应用。

Description

多机位快速人体三维扫描系统
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
本发明是一种多机组合人体三维扫描仪，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。其中八机设备一次扫描存储XYZ、BMP文件各八片数据。以此类推六机设备一次扫描存储XYZ、BMP文件各六片，四机设备一次扫描存储XZY、BMP文件各四片。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，因此多机组合人体扫描仪的安全性较高。
多机人体三维扫描仪的主要形式是将单目结构光三维扫描仪固定在设备支撑立柱上实现的。本发明中的设备支撑立柱结构简单，由支撑座与立柱组合而成，无任何运动机构。拆装方便、维护简单、便于携带，拆卸时松动紧固镙丝即可，无任何需要日常维护的运动机构，搬运时个人只拎着包装箱即可。
发明中多机组合的拍照方式为连续切换对拍方式。设备与计算机连接好后，计算机将所有接收到信号的设备进行编号。八机设备的编号顺序是：一号机、二号机、三号机、四号机、五号机、六号机、七号机、八号机，六机设备与四机设备的的编号顺序同八机设备一样。当计算机发出扫描命令时，八台单目结构光扫描仪按照阿拉伯顺序依次对被测人体拍照扫描，如果软件选项选为对拍方式，八台单目结构光扫描仪会依次两两对拍，对拍方式一般为上下对拍，这样两台扫描仪同时拍照的时候不易被正对方向的投影光线干扰。六机设备称三角形方式组合，无相对直线角度因此无对拍方式。四机设备同八机设备一样，当计算机发出扫描命令时，可对拍易可连续拍切换。这种多机组合的方式，大大缩短了人体扫描的时间，比激光类人体扫描仪更人性，更容易让被测顾客接受。多机组合可分为八机组合全身扫描系统、六机组合全身扫描系统、四机组合全身扫描系统、四机组合半身扫描系统、三机组合半身扫描系统、双机组合半身扫描系统。
发明中集线器的设计完成了单台设备与计算机端口的集合通信任务，集线器一面与计算机，另一面与四台单目结构光设备建立了输出输入联系。集线器将接收到了四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四个不同机器的指令发送到各个单台设备上。八机设备和六机设备的组合连接用到了两集线器，四机设备的组合用到了一个集线器。因此八机设备与六机设备向计算机引出两个USB通信线，来传输扫描仪的各种信息，而四机设备向计算机引出一个USB通信线实现各种信号传输。集线器的设计是电子技术与计算机通信技术的集优表现，这样的设计省去了以往两台笔记本共联的繁琐情况，缩短了扫描时间，提高了信号传输的稳定性。
发明中的电源控制盒与集线器的设计上功能类似，都是集合分散功能。电源控制盒将一个交流220V电源插口引入，然后经过控制盒分出若干直流24V电源引入各个单机，为单台结构光扫描仪提供电源能量。
附图说明
图1八机组合全身扫描系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
图2六机组合全身扫描系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
图3四机组合全身扫描系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
图4四机组合半身扫描系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
图5三机组合半身扫描系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
图6双机组合半身扫系统示意图
(1)单目结构光扫描仪  (2)设备支撑立柱  (3)集线器  (4)电源控制盒
具体实施方式
参照图1本多机组合人体三维扫描仪的结构包括(1)单台结构光扫描仪、(2)设备支撑架、(3)集线器、(4)电源控制盒。集成方式是将(1)单目结构光扫描仪按照角度和聚焦范围的要求，固定在(2)设备支撑架上；将所有(1)单目结构目扫描仪的通信线集合到(3)集线器上，由集线器引出通向计算机的通信线；将所有(1)单目结构光扫描仪的电源线连接电源控制盒上，由电源控制盒引出一个电源线通向电源。
当设备电源打开，计算机与集线器通信正常时，设备成像功能调式好后，扫描工作就可进行了。具体实施方式为，计算机发出一个扫描命令，八台单目结构光扫描仪依次将条纹光栅投射到被测人体上取像，全部取像完成后将图像信息传输到集线器，再由集线将全部信息传输到计算机，计算机软件解析出图像信息的三维点云数据。最终得到完整的三维人体点云数据。
其余各多机组合人体扫描系统的具体实施方式与八机设备同理。

Claims (7)

1.一种多机位快速人体三维扫描系统，其特征结构包括(1)单目结构光扫描仪(2)设备支撑立柱(3)集线器(4)电源控制盒。
2.一种多机组合人体三维扫描仪其特征在于：多台单目结构光扫描仪设备组合成为人体三维扫描仪，组合类型有八机组合全身扫描系统、六机组合全身扫描系统、四机组合全身扫描系统、四机组合半身扫描系统、三机组合半身扫描系统、双机组合半身扫描系统。
3.一种多机组合人体三维扫描仪其特征在于：所述多台单目结构光扫描仪之间采用连续切换对拍方式进行拍照扫描。
4.一种多机组合人体三维扫描仪其特征在于：可获得有色彩(RGB或BW)的三维点云数据。
5.一种多机组合人体三维扫描仪其特征在于：整个设备无任何运动机构，将单目结构光扫描仪固定在设备支撑架上即可。拆装简单便于携带。
6.一种多机组合人体三维扫描仪其特征在于：整个设备采用LED灯安全光源，对人体无任何伤害，安全性能高。
7.一种多机组合人体三维扫描仪其结构连接特征在于：单目结构光扫描仪固定在设备支撑立柱上，根据实际需求将单台的单目结构光扫描仪固定在设备支撑柱的各个方位即可。所有单目结构光扫描仪的USB信号线连接到集线器上，由集线器上引出一个USB信号线到计算机。所有单目结构光扫描仪的电源线连接到电源控制盒上，将一个三项电源插口插入电源控制盒。
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