CN103640223B - 真彩三维个性人偶快速成型系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真彩三维个性人偶快速成型系统，包括采集系统、控制系统和加工系统，所述采集系统包括采集平台和三维彩色同步采集设备，所述三维彩色同步采集设备包括投影头和摄像头；所述控制系统包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控计算机和显示设备，所述软件系统包括主控软件子系统和三维彩色模型计算子系统；所述加工系统包括三轴加工平台、注塑与真彩墨水喷头模块和加工控制板。本发明集合人体扫描、数据处理、加工打印为一体，且打印和喷绘着色可以同时进行，提高了三维人偶制作的精度和效率。

Description

真彩三维个性人偶快速成型系统

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，尤其涉及一种真彩三维个性人偶快速成型系统。

背景技术

三维打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。而目前婚庆、游戏周边、玩具等领域中对个性化需求越来越多，许多人希望能制作出以自己为模型的玩偶以作收藏或送人。目前市场上的人偶多是以图片为基础来进行立体化制作，难免粗糙失真，且注塑和上色分离，制作工艺复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三维人偶快速成型系统，集人体扫描、数据处理、加工打印为一体，且打印和喷绘着色同时进行。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种真彩三维个性人偶快速成型系统，包括采集系统、控制系统和加工系统，所述采集系统包括采集平台和三维彩色同步采集设备，所述三维彩色同步采集设备包括投影头和摄像头；所述控制系统包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控计算机和显示设备，所述软件系统包括主控软件子系统和三维彩色模型计算子系统；所述加工系统包括三轴加工平台、注塑与真彩墨水喷头模块和加工控制板。

所述采集平台包括座式采集平台、站式采集平台和自由式采集平台。其中座式采集平台主要用于人面部信息采集，站式采集平台主要用于人体态的信息采集，自由式采集平台既可用于面部信息采集，也可用于体态信息采集。

优选的，所述采集系统还包括采集辅助设备，所述采集辅助设备包括灯光系统和感应器系统。在座式与站立采集平台上配备了独立的多光源灯光系统，以提升用户的数据采集效果。自由式采集平台需要用独立的外部灯光系统。同时在座式与站立式采集平台上配备了一些红外位置感应器，主要是用于用户定位与安全保障，防止旋转座椅或旋转平台在运作时，用户出现位置偏离而造成的人身伤害。

所述三维彩色同步采集设备包括三个摄像头和一个投影头，所述三个摄像头分别为左深度摄像头、右深度摄像头和RGB高清色彩摄像头，所述投影头为编码光投影头；还包括嵌入式控制板和数据接口（USB接口）。所述采集设备以近红外光与可见光为信息采集媒介，因为是针对人面部的采集与体态的信息采集，需要考虑到三维采集中的安全性。该控制板主要将主控计算机的投影命令转换为投影编码，输出到近红外投影头，同时采集两路红外图像信号与一路数码图像信号，将三路信号组合编码后，通过USB方式传输回主控计算机。

所述显示设备包括两台大屏幕液晶显示器，其中一台配备触摸屏，显示系统人机界面，用于用户输入命令；另一台液晶显示屏显示实时三维数据与处理后的三维模型，方便用户进行浏览调整。

所述主控软件子系统包括人机界面模块、采集控制模块和加工控制模块。人机界面模块提供一个可视化的三维模型显示界面与系统功能菜单，用户可通过触摸屏控制操作，优化三维模型，并通过显示屏查看到处理结果；采集控制模块，提供对采集设备输入USB信号的处理，并输出对采集平台的电机控制信号，实现对用户面部或体态的360度采集；加工控制模块，由三维模型计算生成加工代码，提供对加工设备的控制命令信号，包括注塑命令与喷绘命令。

所述三维彩色模型计算子系统包括点云建模和曲面优化。所述点云建模包括三维点云预处理模块、三维点云拼接模块、三维点云曲面重构模块、点云色彩与曲面匹配模块。所述三维点云拼接模块采用ICP算法，所述三维点云曲面重构模块采用BPA算法。所述曲面优化包括曲面光顺处理模块、曲面补洞处理模块、曲面重采样处理模块、人脸优化变形处理模块和辅助环境渲染模块。

所述注塑与真彩墨水喷头模块包括两个平行设置的喷头，分别为注塑喷头和喷绘喷头；所述两个喷头通过一块嵌入式主控板与系统主控电路相连。为了防止喷头堵塞，在距离所述喷头1mm处设置一组光感应器，测量在应变片电压峰值时是否有材料气泡喷出。

综上所述，本发明通过采集系统、控制系统和加工系统的一体化设计，使得人体扫描、数据处理、加工打印为一体，且打印和喷绘着色可以同时进行，提高了三维人偶制作的精度和效率。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件架构图；

图2为本发明实施例总控部分的软件流程图；

图3为本发明实施例三维扫描部分的软件流程图；

图4为本发明实施例数据处理部分的软件流程图；

图5为本发明实施例加工打印部分的软件流程图；

图6为本发明实施例的注塑与真彩墨水喷头模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明的硬件设备主要包括采集平台、主控计算机和加工平台。

采集平台包括座式采集平台、站式采集平台和自由式采集平台。座式采集平台，由电动控制的360度旋转座椅、采集摄像座与辅助设备等组成。其主要用于人面部的采集。用户坐在旋转座椅上，座椅将由步进电机通过传送皮带进行驱动，以固定速度进行360度旋转一周。采集摄像座上固定三维摄像设备与高精度数码相机，进行用户面部的三维面部信息与色彩的同步采集。站式采集平台，由电机控制的360度旋转平台、采集摄像固定支架与辅助设备等组成。其主要用于人体态的采集。用户站在旋转平台上，双脚略分开直立，双手抓住两侧的支撑架，旋转平台由步进电机通过传送皮带进行驱动，以固定速度进行360度旋转一周。采集摄像支架上固定三维摄像设备与高精度数码相机，进行用户体态的三维信息与色彩的同步采集。自由式采集平台，主要由手持式采集设备座与辅助设备等组成。三维摄像设备与高精度数码相机固定在手持式设备座上，可围绕用户手动进行自由三维信息采集。其即可用于面部采集，也可用于体态采集。手持设备座上有微型水准仪，可以显示当前采集设备的水准情况。

基于可见光三维扫描与数码摄像技术，本发明中设计了一种自动同步采集用户的三维位置信息与色彩信息的一体化投影摄像设备，该设备由左深度摄像头、右深度摄像头、RGB高清色彩摄像头和编码光投影头，以及嵌入式控制板和数据接口等组成。因为是针对人面部的采集与体态的信息采集，需要考虑到三维采集中的安全性，所以我们采用近红外光与可见光作为信息采集媒介。主要方式是，先通过近红外光器向局部空间投射一种特定的空间编码（本发明中采用基于差分曼切斯特编码形式的空间方块编码）图案，然后通过两个不同角度的红外图像摄像头采集到人面部或人体在红外编码投射图案下的反射图像。同时用高清晰数码摄像机拍摄该物体的彩色照片。两路近红外线数码图像信号与一路可见光数码图像信号，实时输入到主控处理系统的计算机中，通过特定的软件模型实时计算出用户人面部或体态的三维数据与对应各个三维点的颜色信息。设备的三个摄像头与一个投影头，由一个嵌入式控制板控制，该控制板主要将主控计算机的投影命令转换为投影编码，输出到近红外投影头，同时采集两路红外图像信号与一路数码图像信号，将三路信号组合编码后，通过USB方式传输回主控计算机。采集设备采用同一个固定底板，独立电源适配器进行供电，用USB进行数据传输。

为了保证采集精度与效率，同时提升采集过程中被采集者的舒适性，本发明采用四个独立的步进电机进行驱动，并配备独立的步进电机驱动板。步进电机的驱动由主控制板统一控制，并且当出现故障或者其它偶发情况（如人摔倒或滑倒时），保护限位感应器可以将信号发送到主控电脑中，整个设备会立刻关闭，以确保人的安全。

本发明的主控计算机是一台高配置的图像工作站，配置了支持CUBA等三维及时渲染技术的高性能显卡，并能够支持多屏幕同步输出；显示设备是两台大屏幕液晶显示器，一台配备触摸屏，显示系统人机界面，用户可通过键盘、鼠标和触屏屏幕调整参数与输入修改指令；另一台液晶显示屏显示实时三维数据与处理后的三维模型，方便用户进行浏览调整。

本发明的三轴加工平台是一个普通的三轴数控加工平台，主轴为垂直状态，固定立柱结构，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，具有三个直线运动坐标轴，在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件，结构简单，占地面积较小，价格较低。在大量的实验基础上，本发明设计了一种基于热加工形式的双路反馈喷头，能够同时适用于注塑材料与色彩油墨材料，并设计了统一的电路，对双喷头进行控制。配合注塑喷头模块，可采用层层堆积的方式分层制作出三维模型；配合彩色喷绘头模块，可对模型进行特定位置进行表面喷绘。无论是注塑加工，还是色彩喷绘，我们发现如果选取特定的热加工材料，其物理原理是类似的，即通过电路控制喷头内的热敏元器件，将材料加热到特定的温度，使得材料的物理形态由固态转变为液态。此时通过电信号控制喷头两侧的压电片，产生一定的压力，将加热的材料以气泡的形式喷射出去，遇冷凝结完成注塑或喷绘工艺。通过实验我们发现，如果压电片的脉冲频率与喷射材料本身的粘度成特定正比关系时，材料会在喷射中产生压力共振效应，该效应会在应变片的电信号中呈现波动性峰变化。因此结合压电片与应变片的信号，可以对喷射脉冲进行调制，快速逼近最优状态。此时喷射效果最好，且喷头不易堵塞。两个喷头通过一块嵌入式控制板，与系统主控电路相连。主控计算机的加工G代码、注塑、喷绘命令一次性下发到主控电路中。加工控制板根据命令文件驱动三轴电机，将喷头移动到指定空间位置，然后根据上位机的指令进行注塑或喷绘。

参见图6，为了防止喷头堵塞，本发明还在离喷头1mm距离设置一组光感应器，测量在应变片电压峰值时是否有材料气泡喷出。一旦喷头堵塞控制板将停止工作，记录当前位置到控制板缓存，然后将三轴电机归零，并通知上位机进行报警，通知设备管理人员更换清洗喷头。

下面配合图2、3、4、5，以三维婚纱人偶为例来进一步说明本发明的实现过程。整个软件流程可以分为总控A、三维扫描部分B、数据处理部分（点云建模C和曲面优化D）和加工打印部分E。

首先参见图2，三维打印系统启动A0，用户选择是否旧的项目工程文件A1，若选择否，则新建项目A2，参数初始化A3，然后进入三维扫描采集B；若选择是，则进入读取旧的项目文件A4，此时用户再选择是否需要重新采集三维数据A5。若选择重新采集三维数据，则进入三维扫描采集B；若选择否，则继续选择是否需要重新建模A6。若选择需要重新建模，则直接进入点云建模C；若选择否，则选择是否进行曲面优化A7。若选择进行曲面优化，则进入加工参数初始化E1；若选择否，则进入选择是否重新生成加工代码A8。若选择重新生成加工代码，则进入加工参数初始化E1；若选择否，直接进入发送加工指令进行三维打印与喷绘E8。

然后参见图3，进入三维扫描采集部分B。一般可在用户上妆后，对用户进行座式、站式或自由式三维数据采集。首先由用户选择采集姿态B1，若要自行选择，则进入选择是否采用自由采集姿态B3；若不自行选择，就相当于选择了固定模式B2，此时再进入选择是否选择坐姿B5。若用户选择了自由采集姿态，则进入选择是否为手持式定时采集B4；若没有选择自由采集姿态，则进入选择是否为坐姿B5。若用户选择了手持式定时采集，则调入扫描头内部参数B10，并确定定时范围B11，然后启动扫描，显示当前三维点云B12；若用户不选择手持式定时采集，则直接启动扫描，显示当前三维点云B12。若用户选择坐姿扫描，则调入坐姿参数B6，确认扫描范围B8；若不选择坐姿扫描，则调入站姿参数B7，确认扫描范围B8。确认扫描范围后，进入计算扫描轨迹B9，然后启动扫描，显示当前三维点云B12，待完成扫描，将图像与点云数据存储到指定目录B13，接下来便进入数据处理部分的点云建模C。

以座式扫描为例，用户坐在扫描平台的旋转椅上，启动系统，旋转椅以固定速度进行360度旋转一周，采集摄像设备对用户的面部与上半身进行三维信息与色彩同步采集。

然后参见图4，数据处理部分包括点云建模C和曲面优化D。点云建模首先是对三维点云预处理（去北背景、降噪等）C1，然后依次进行三维点云拼接C2、三维点云曲面重构C3和点云色彩与曲面匹配C4。接下来进入曲面优化D，依次进行曲面光顺处理D1、曲面补洞处理D2、曲面重采样处理D3和人脸优化变形处理D4。其中人脸的优化变形处理可供用户反复修改，直到满意为止。

采集数据通过采集硬件实时输入到主控计算机中，并通过软件快速进行点云合成与曲面生成操作，并将处理结果实时显示在计算机显示屏幕上，用户在采集后即刻查看扫描结果。系统可让用户对扫描模型进行调整优化，比如进行消瘦下巴、垫高鼻子、扩大眼睛，并可以将用户面部与体态库中的模特三维模型进行合成，设计独特的姿势等。计算机能实时生成一个较低分辨率的三维模型，用户可在该模型上反复修改直到满意。计算机将记录用户的编辑修改过程，并根据该修改重新生成一个高分辨率的三维真彩模型。然后根据该模型，生成三维打印加工控制代码与三维喷绘加工控制代码。

最后参见图5，进入加工打印部分E。由于我们需要在物体内部进行打印，但只需要在物体表面进行喷绘，所以打印代码和喷绘代码不同。而且为了打印时支持物体需要，需要生成一些脚手架的代码，这些脚手架上也不需要生成喷绘代码，为了能够让用户选择打印单色三维草稿或者真彩模型，我们设置了选择步骤E3（是否需要单独生成喷绘路径E3）。首先进行加工代码初始化E1，然后对加工件进行切片E2，然后由用户选择是否需要单独生成喷绘路径E3，若需要单独生成，则进行逐层沿边缘生成喷绘路径和独立的打印路径E5（接着进入选择是否需要模拟G代码加工过程E6；若不需要单独生成喷绘路径，则直接生成打印路径G代码，接着进入选择是否需要模拟G代码加工过程E6。若选择需要模拟加工过程，则进入模拟显示加工过程E7，然后发送加工命令进行三维打印与喷绘E8；若不需要模拟加工过程，则直接发送加工命令进行三维打印与喷绘E8。然后进行打磨、雾化、表面清洗等E9，至此完成任务A9。

生成后的代码自动输出到三维加工设备上，该设备将根据代码进行三维打印与喷绘工作。完成加工与喷绘后的三维人偶实物，将在抛光与手工修补后，根据用户的要求配装头饰与服饰等配件，最终完成该三维真彩婚纱人偶。

以上是本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围不限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，未经创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应以权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种真彩三维个性人偶快速成型系统，包括采集系统、控制系统和加工系统，其特征在于：所述采集系统包括采集平台和三维彩色同步采集设备，所述三维彩色同步采集设备包括投影头和摄像头；所述控制系统包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控计算机和显示设备，所述软件系统包括主控软件子系统和三维彩色模型计算子系统；所述加工系统包括三轴加工平台、注塑与真彩墨水喷头模块和加工控制板；所述采集平台包括座式采集平台、站式采集平台和自由式采集平台；所述三维彩色模型计算子系统包括针对人体与人面部的点云建模和曲面优化；所述曲面优化包括曲面光顺处理模块、曲面补洞处理模块、曲面重采样处理模块、人脸优化变形处理模块和辅助环境渲染模块；所述人脸优化变形处理模块的工作过程为主控计算机通过采集设备收集到的数据信息实时生成一个低分辨率的三维模型，用户在该模型上反复修改编辑，基于模特三维模型库重新生成一个高分辨率的三维真彩模型，根据该三维真彩模型生成三维打印加工控制代码与三维喷绘加工控制代码。

2.如权利要求1所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述采集系统还包括采集辅助设备，所述采集辅助设备包括灯光系统和感应器系统。

3.如权利要求1所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述三维彩色同步采集设备包括三个摄像头和一个投影头；所述三个摄像头分别为左深度摄像头、右深度摄像头和RGB高清色彩摄像头，所述投影头为编码光投影头。

4.如权利要求3所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述三维彩色同步采集设备还包括嵌入式控制板和数据接口。

5.如权利要求1所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述显示设备包括两台大屏幕液晶显示器，其中一台配备触摸屏。

6.如权利要求1或5所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述主控软件子系统包括人机界面模块、采集控制模块和加工控制模块。

7.如权利要求6所述的一种真彩三维个性人偶快速成型系统，其特征在于：所述注塑与真彩墨水喷头模块包括两个平行设置的喷头，分别为注塑喷头和喷绘喷头；所述两个喷头通过一块嵌入式主控板与系统主控电路相连；在距离两个喷头1mm处分别设置一组光感应器。