CN104881864A - 人体头部三维扫描仪及三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体扫描技术领域，提供了人体头部三维扫描仪及三维建模方法，包括：框架、玻璃板、驱动装置、支架、相机和激光器，玻璃板、驱动装置、支架安装在框架上；玻璃板位于驱动装置上方；驱动装置包括伺服驱动电机、滑轨、丝杆和限位开关，滑轨安装于框架的底部，限位开关、伺服驱动电机安装于滑轨上，伺服驱动电机与丝杆相连；支架包括横梁和2根立柱，横梁底部通过轴承套于丝杆上，立柱安装于横梁的2端；激光器为3个或3个以上，安装于2根立柱和横梁上；相机为4个或4个以上，通过旋转轴安装于2根立柱和横梁上，与外接计算机相连。本发明能够测量头部形态、曲线特征，具有测量速度快、误差小、工作量少，安装简单、测量精确的优点。

Description

人体头部三维扫描仪及三维建模方法

技术领域

本发明涉及人体扫描技术领域，特别涉及人体头部三维扫描仪及三维建模方法。

背景技术

从技术发展来看，人体测量技术可以分为传统的人体测量技术和三维人体测量技术。

传统测量技术以软尺、人体测高仪、角度计、测距计、可变式人体截面测量仪等为主要工具，可以直接测量出人体各部位的体表长度和横截面形状，使用工具简单，操作方便，因此在服装业中长期被采用。但由于这些方法都是接触式的测量，往往会使被测者感到窘迫或疲劳，或因测量者技术不够熟练造成测量误差。由于人体具有复杂形状，无法进行更深入的研究。尽管传统的测量方法目前仍广泛使用，但其不足之处已显而易见，无法测量人体形态、曲线特征，测量速度慢，工作量大，误差大。

随着计算、互联网、多媒体、虚拟现实和快速原型制造等技术快速的发展，产品的高精度，高效率，必将给每个行业的发展，带来强大的生命力和蓬勃的市场生机。

目前市场上没有任何一款能够自动测量人体头部的三维设备和建模方法。

因此，人体扫描技术领域急需一种能够测量头部形态、曲线特征、测量速度快、误差小、工作量少，安装简单、测量精确的人体头部三维扫描仪及三维建模方法。

发明内容

本发明提供了人体头部三维扫描仪及三维建模方法，技术方案如下：

人体头部三维扫描仪，包括：框架、玻璃板、驱动装置、支架、相机和激光器，并且玻璃板、驱动装置、支架都安装在框架上；

玻璃板，位于驱动装置上方；

驱动装置，包括伺服驱动电机、滑轨、丝杆和限位开关，滑轨安装于框架的底部，限位开关、伺服驱动电机都安装于滑轨上，伺服驱动电机与丝杆相连接；

支架，包括横梁和2根立柱，横梁底部通过轴承套于丝杆上，2根立柱垂直的安装于横梁的2端；

激光器，为3个或3个以上，分别安装于2根立柱和横梁上；

相机，为4个或4个以上，分别通过旋转轴安装于2根立柱和横梁上，与外接计算机相连接。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，激光器为一字线激光器。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，相机为CCD工业相机。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，激光器的激光发射中心线与相机的镜头中心线的夹角为8-35°。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，一字线激光器的数量为4个，CCD工业相机的数量为4个，2个一字线激光器分别位于2根立柱的顶端，剩余2个一字线激光器与2根立柱顶端的一字线激光器成中心轴对称的分别位于横梁上，2个CCD工业相机分别通过旋转轴位于2根立柱顶端，剩余2个CCD工业相机与2根立柱顶端的CCD工业相机成中心轴对称的分别通过旋转轴位于横梁上。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，一字线激光器的数量为4个，CCD工业相机的数量为8个，2个一字线激光器分别位于2根立柱的顶端，剩余2个一字线激光器与2根立柱顶端的一字线激光器成中心轴对称的分别位于横梁上，4个CCD工业相机分别通过旋转轴位于2根立柱顶端，剩余4个CCD工业相机与2根立柱顶端的CCD工业相机成中心轴对称的分别通过旋转轴位于横梁上。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪中，框架为正方形、六边形、长方形或圆形。

人体头部三维扫描仪的三维建模方法，包括如下步骤：

步骤一，要求被扫描的人平躺于玻璃板上，打开所有相机、激光器和伺服驱动电机；

步骤二，多个激光器同时对头部发射激光，激光经物体反射后被CCD工业相机接收并成像；

步骤三，伺服驱动电机带动丝杆转动，位于丝杆上的支架带动CCD工业相机和激光器沿着导轨运动，当支架运动到位于滑轨上的限位开关位置时，证明人体头部扫描完成，进而支架反方向左自动复位运动，CCD工业相机采集完成整个头部的图像；

步骤四，CCD工业相机将图像传递给外接计算机，外接计算机对图像进行处理，经过图像处理后激光条纹所在像素被识别出来，并通过事先标定好的光平面方程和CCD工业相机反算出与这些像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标；

步骤五，外接计算机通过预先标定的空间关系对三维空间点进行拼接，得到人体头部三维建模。

优选的，在上述人体头部三维扫描仪的三维建模方法中，步骤四中计算出像素点所对应三维空间点的坐标的具体步骤为：

根据理想小孔模型，可得相机坐标系空间点                                                与其图像坐标的对应关系如下：

 ，           

其中，为相机内参数矩阵；、都表示以像素为单位，CCD相机长宽比例的焦距，、都表示图像中心坐标；

从小孔成像模型中可得到如下两个约束条件：

  ，

进一步假设激光平面在相机坐标系下方程为：，其中a、b分别表示、的系数，d为常数，进而得到从像素坐标到相机坐标系下物体三维坐标的一一对应关系：

  

    在激光扫描过程中相机是随着运动的，因此需要将表示在相机坐标系中的点坐标转换到一个静止的世界坐标系下，才能得到物体正确的轮廓数据，该变换可以用刚体变换R、t表示，即         

其中，R是单位正交旋转矩阵，t为平移向量， 表示像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标，  。

本发明的有益效果是：

1、本发明是实现了三维头部扫描，三维人体头部测量与传统的人体头部测量技术相比具有准确、高速和误差小、一致性高的优点，对于传统方法无法测量的头部形态、曲线特征等也可以进行准确的测量，测量时只需简单操作，不需要传统测量方法的专业知识，实现头部测量，节约了时间、金钱，减少了误差。

2、本发明通过相机与激光器配合使用对人体头部进行拍摄，提取头部三维坐标值，相机和激光器通过一定的夹角配合使用，数据采集更加完整，安装更加容易，可操作性更强。

3、本发明在相机的位置设置有激光器，能够实现对头部的整体激光反射，无死角，使其拍摄出来的照片质量更高，数据更容易识别，提高准确度。

4、本发明中相机提取的三维数据传给外接计算机后，外接计算机对现有的数据进行转化，得到建模后的三维数据，进而实现头部三维建模，更加形象、直观。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是本发明人体头部三维扫描仪实施例1的结构示意图。

图2是本发明人体头部三维扫描仪实施例2的结构示意图。

其中，图1-2中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

框架1，玻璃板2，驱动装置3，伺服驱动电机31，滑轨32，丝杆33，限位开关34，支架4，横梁41，立柱42，相机5，旋转轴51，激光器6。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种人体头部三维扫描仪及三维建模方法，解决了无法测量头部形态、曲线特征，测量速度慢，工作量大，误差大的问题。

为了使本发明技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1：

图1是本发明人体头部三维扫描仪的结构示意图，如图1所示，本发明提供了人体头部三维扫描仪及三维建模方法，包括：框架1、玻璃板2、驱动装置3、支架4、相机5和激光器6，并且玻璃板2、驱动装置3、支架4都安装在框架1上；玻璃板2，位于驱动装置3上方；驱动装置3，包括伺服驱动电机31、滑轨32、丝杆33和限位开关34，滑轨32安装于框架1的底部，限位开关34、伺服驱动电机31都安装于滑轨32上，伺服驱动电机31与丝杆33相连接；支架4，包括横梁41和2根立柱42，横梁41底部通过轴承套于丝杆33上，2根立柱42垂直的安装于横梁41的2端；激光器6，为3个或3个以上，分别安装于2根立柱42和横梁41上；相机5，为4个或4个以上，分别通过旋转轴51安装于2根立柱42和横梁41上，与外接计算机相连接。

优选的，本实施例中，激光器的激光发射中心线与相机的镜头中心线的夹角为8-35°。

优选的，本实施例中激光器6为一字线激光器，相机5为CCD工业相机，一字线激光器6的数量为4个，CCD工业相机5的数量为4个，2个一字线激光器6分别位于2根立柱42的顶端，剩余2个一字线激光器6与2根立柱42顶端的一字线激光器6成中心轴对称的分别位于横梁41上，2个CCD工业相机5分别通过旋转轴51位于2根立柱42顶端，剩余2个CCD工业相机5与2根立柱42顶端的CCD工业相机5成中心轴对称的分别通过旋转轴51位于横梁上。

实施例2：

图2是本发明人体头部三维扫描仪实施例2的结构示意图，在实施例1的基础上，本实施例中一字线激光器6的数量为4个，CCD工业相机5的数量为8个，2个一字线激光器6分别位于2根立柱42的顶端，剩余2个一字线激光器6与2根立柱42顶端的一字线激光器6成中心轴对称的分别位于横梁41上，4个CCD工业相机5分别通过旋转轴51位于2根立柱42顶端，剩余4个CCD工业相机5与2根立柱42顶端的CCD工业相机5成中心轴对称的分别通过旋转轴51位于横梁41上；CCD工业相机5的数量为8个，框架为正方形、六边形、长方形或圆形。

人体头部三维扫描仪的三维建模方法，包括如下步骤：

步骤一，要求被扫描的人平躺于玻璃板上，打开所有相机、激光器和伺服驱动电机；

步骤二，多个激光器同时对头部发射激光，激光经物体反射后被CCD工业相机接收并成像；

步骤三，伺服驱动电机带动丝杆转动，位于丝杆上的支架带动CCD工业相机和激光器沿着导轨运动，当支架运动到位于滑轨上的限位开关位置时，证明人体头部扫描完成，进而支架反方向左自动复位运动，CCD工业相机采集完成整个头部的图像；

步骤四，CCD工业相机将图像传递给外接计算机，外接计算机对图像进行处理，经过图像处理后激光条纹所在像素被识别出来，并通过事先标定好的光平面方程和CCD工业相机反算出与这些像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标，具体步骤为：

根据理想小孔模型，可得相机坐标系空间点与其图像坐标的对应关系如下：

 ，           

其中，为相机内参数矩阵；、都表示以像素为单位，CCD相机长宽比例的焦距，、都表示图像中心坐标；

从小孔成像模型中可得到如下两个约束条件：

  ，

进一步假设激光平面在相机坐标系下方程为：，其中a、b分别表示、的系数，d为常数，进而得到从像素坐标到相机坐标系下物体三维坐标的一一对应关系：

  

    在激光扫描过程中相机是随着运动的，因此需要将表示在相机坐标系中的点坐标转换到一个静止的世界坐标系下，才能得到物体正确的轮廓数据，该变换可以用刚体变换R、t表示，即；

其中，R是单位正交旋转矩阵，t为平移向量， 表示像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标，；

步骤五，外接计算机通过预先标定的空间关系对三维空间点进行拼接，得到人体头部三维建模。

应当理解，方位词都是结合操作者的日常操作习惯以及说明书附图而设立的，它们的出现不应当影响本发明的保护范围。

本发明是实现了三维头部扫描，三维人体头部测量与传统的人体头部测量技术相比具有准确、高速和误差小、一致性高的优点，对于传统方法无法测量的头部形态、曲线特征等也可以进行准确的测量，测量时只需简单操作，不需要传统测量方法的专业知识，实现头部测量，节约了时间、金钱，减少了误差。

本发明通过相机与激光器配合使用对人体头部进行拍摄，提取头部三维坐标值，相机和激光器通过一定的夹角配合使用，数据采集更加完整，安装更加容易，可操作性更强。

本发明在相机的位置设置有激光器，能够实现对头部的整体激光反射，无死角，使其拍摄出来的照片质量更高，数据更容易识别，提高准确度。

本发明中相机提取的三维数据传给外接计算机后，外接计算机对现有的数据进行转化，得到建模后的三维数据，进而实现头部三维建模，更加形象、直观。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.人体头部三维扫描仪，其特征在于，包括：框架、玻璃板、驱动装置、支架、相机和激光器，并且所述玻璃板、驱动装置、支架都安装在所述框架上；

所述玻璃板，位于驱动装置上方；

所述驱动装置，包括伺服驱动电机、滑轨、丝杆和限位开关，所述滑轨安装于框架的底部，所述限位开关、伺服驱动电机都安装于滑轨上，所述伺服驱动电机与丝杆相连接；

所述支架，包括横梁和2根立柱，所述横梁底部通过轴承套于丝杆上，2根所述立柱垂直的安装于横梁的2端；

所述激光器，为3个或3个以上，分别安装于2根所述立柱和横梁上；

所述相机，为4个或4个以上，分别通过旋转轴安装于2根所述立柱和横梁上，与外接计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述激光器为一字线激光器。

3.根据权利要求1所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述相机为CCD工业相机。

4.根据权利要求2、3所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述激光器的激光发射中心线与相机的镜头中心线的夹角为8-35°。

5.根据权利要求4所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述一字线激光器的数量为4个，所述CCD工业相机的数量为4个，2个所述一字线激光器分别位于2根立柱的顶端，剩余2个所述一字线激光器与2根立柱顶端的一字线激光器成中心轴对称的分别位于横梁上，2个所述CCD工业相机分别通过旋转轴位于2根立柱顶端，剩余2个所述CCD工业相机与2根立柱顶端的CCD工业相机成中心轴对称的分别通过旋转轴位于横梁上。

6.根据权利要求4所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述一字线激光器的数量为4个，所述CCD工业相机的数量为8个，2个所述一字线激光器分别位于2根立柱的顶端，剩余2个所述一字线激光器与2根立柱顶端的一字线激光器成中心轴对称的分别位于横梁上，4个所述CCD工业相机分别通过旋转轴位于2根立柱顶端，剩余4个所述CCD工业相机与2根立柱顶端的CCD工业相机成中心轴对称的分别通过旋转轴位于横梁上。

7.根据权利要求1所述的人体头部三维扫描仪，其特征在于，所述框架为正方形、六边形、长方形或圆形。

8.人体头部三维扫描仪的三维建模方法，包括如下步骤：

步骤一，要求被扫描的人平躺于玻璃板上，打开所有相机、激光器和伺服驱动电机；

步骤二，多个激光器同时对头部发射激光，激光经物体反射后被CCD工业相机接收并成像；

步骤三，伺服驱动电机带动丝杆转动，位于丝杆上的支架带动CCD工业相机和激光器沿着导轨运动，当支架运动到位于滑轨上的限位开关位置时，证明人体头部扫描完成，进而支架反方向左自动复位运动，CCD工业相机采集完成整个头部的图像；

步骤四，CCD工业相机将图像传递给外接计算机，外接计算机对图像进行处理，经过图像处理后激光条纹所在像素被识别出来，并通过事先标定好的光平面方程和CCD工业相机反算出与这些像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标；

步骤五，外接计算机通过预先标定的空间关系对三维空间点进行拼接，得到人体头部三维建模。

9.根据权利要求8所述的人体头部三维扫描仪的三维建模方法，其特征在于，所述步骤四中计算出像素点所对应三维空间点的坐标的具体步骤为：

根据理想小孔模型，可得相机坐标系空间点                                                与其图像坐标的对应关系如下：

 ，           

其中，为相机内参数矩阵；、都表示以像素为单位，CCD相机长宽比例的焦距，、都表示图像中心坐标；

从小孔成像模型中可得到如下两个约束条件：

  ，

进一步假设激光平面在相机坐标系下方程为：，其中a、b分别表示、的系数，d为常数，进而得到从像素坐标到相机坐标系下物体三维坐标的一一对应关系：

；

在激光扫描过程中相机是随着运动的，因此需要将表示在相机坐标系中的点坐标转换到一个静止的世界坐标系下，才能得到物体正确的轮廓数据，该变换可以用刚体变换R、t表示，即  ；

其中，R是单位正交旋转矩阵，t为平移向量， 表示像素点在静止的世界坐标系下所对应的三维空间点的坐标，。