CN106537179B - 用于确定不规则对象的大小的手持多传感器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于得到不规则形状对象的大小的手持扫描仪系统。所述系统包括外壳和被配置成记录所述外壳的取向和位移历史的光学模块。光学模块包括被配置成生成关于所述对象的信息的3D点云的至少一个3D光学传感器。雷达模块包括被配置成感测外壳和对象之间的间隔的至少一个雷达传感器。处理器从所述惯性测量单元、所述光学模块和所述雷达模块接收数据并且基于接收到的所述数据来创建代表所述对象的图。

Description

用于确定不规则对象的大小的手持多传感器系统

本发明要求2014年6月30日提交的美国临时申请No.62/019023的权益，该申请的内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及手持扫描仪系统。更具体地，本发明涉及利用多传感器系统来确定不规则形状对象的大小的手持扫描仪。在一个示例性实施例中，利用手持扫描仪来测量顾客的尺寸以确定最佳适配衣服。

背景技术

现今的服装顾客面临具有大量服装样式、裁剪和大小选择而没有关于其尺寸的足够信息以及它们独特身体比例将如何适配当前样式的窘境。

独特的解决方法构建3D身体扫描仪，3D身体扫描仪能够收集受试对象的200000个周缘距离测量值，使用这些测量值针对各种衣服提供尺寸推荐。该系统中的基础距离处理元件由超带宽(UWB)线性频率调制(LFM)调频(chirp)雷达组成。在美国专利No.7298317、No.6507309、No.5455590、No.5557283和No.5859609和加拿大专利CA 2359513中讨论了执行LFM的技术和在基于服务亭(kiosk)的测量系统中使用这种技术，这些专利以引用方式并入本文中。

虽然基于服务亭的系统已经证实是极其有益的，但确实存在一些限制。例如，它的便携性有限。另外，基于服务亭的系统可能难以测量相对于扫描仪的法向具有高入射角度的表面，因此丢失了这些表面的信息。

需要便于测量不规则形状对象的手持扫描仪系统，在一个示例性实施例中，可以利用该系统来辅助购物者进行服装适配。

发明内容

在服装适配的应用中，当扫描穿着衣服的个人时的3d唯光学系统的限制在于，它仅仅能够映射(mapping)外部服装并且它得到的关于下层的身体尺寸的了解并没有多少。唯光学测量只能执行产生不准确身体测量估计的身体的算术逼近。

该问题的解决方案是将3d光学系统与能够对身体进行精确测量的雷达系统(例如，毫米波雷达系统)的系统集成。该构造作为雷达测距系统和光学系统来独立地采集范围信息是可取的，且这些系统可以独立于彼此进行操作而相互没有干扰。另外，雷达能量穿透外部服装，被身体反射并且返回到接收器，在接收器中，可以对身体进行准确的距离确定。还可以通过使用光学3D系统构建目标对象的3D点云来进一步描述该系统。3D点云使用启动框架来限制雷达数据的所关注距离。由于雷达数据可以具有针对目标身体距离的多个解，因此光学3D点云可以将针对范围信息的解限制于靠近外部服装的区域，以使得能够更准确地确定与皮肤的距离。光学系统保持相对于固定参考坐标系和相对于身体的惯性状态矢量。将包括单元的取向、平移和旋转的状态信息与天线元件相对于手持重心的已知物理偏移一起用于针对各虚拟天线提供校正和更新距离估计。惯性信息可以得自对于物理力和/光学相机系统处理敏感从而可以对相对于身体的平移和旋转进行校正的载用的惯性测量单元(IMU)。

成功的衣服适配需要准确了解身体测量值，并且对于人体而言，在衣服和身体之间存在一些关键的体积差异。本文中描述的手持系统能够识别这些区域并且被装配用于处理/融合光学和雷达数据流，以产生个人身体的准确3D表现。系统分辨衣服体积和身体体积二者，可以用其来提取周缘数据并且为衣服适配的目的进行测量。通过管理雷达和光学数据的收集、关联、处理和存储的处理元件来协调测量处理。

在至少一个实施例中，本发明提供了一种用于得到不规则形状对象的大小的手持扫描仪系统。所述系统包括：外壳，其容纳光学模块，所述光学模块包括被配置成生成关于所述对象的信息的3D点云的至少一个3D光学传感器；以及雷达模块，其包括被配置成确定所述外壳和所述对象之间的间隔的至少一个雷达传感器。处理器从所述光学模块和所述雷达模块接收数据并且使用所有可用传感器输入基于接收到的所述数据来创建代表所述对象的必要的深度图。

在至少一个实施例中，利用代表所述对象的体积的身体表面图来确定个人的衣服大小。

在至少一个实施例中，手持身体扫描仪提供了可以快速测量购物者的尺寸方式，根据上述测量可以做出已知尺寸的定制测量的服装或衣服的集合中的哪些衣服为最佳适配的告知决策。手持系统提供了进行这些困难测量的机会，因为操作者可以跟随身体的轮廓并且重复进行测量(如有必要的话)。

附图说明

并入本文中并且构成本说明书的部分的附图图示了本发明目前优选的实施例，并且与以上给出的总体描述和以下给出的详细描述一起用于说明本发明的特征。在附图中：

图1是示出相对于示例性不规则对象设置的示例性手持扫描仪系统的透视图。

图2是按照本发明的实施例的示例性手持扫描仪系统的正透视图。

图3是具有被示出为透明的图3的手持扫描仪系统的后透视图。

图4是示例性手持扫描仪系统的框图。

图5是示例性波形雷达单元的框图。

图6是示例性雷达处理器的系统示图。

图7是针对相对于目标的天线几何形状的多点定位处理的示意图。

图8是示出丝网人体模型和覆盖图的透视图。

具体实施方式

在附图中，类似的标号始终指示类似的元件。特定术语在本文中仅仅是为了方便起见而使用的，并不被当作对本发明的限制。以下描述了本发明的优选实施例。然而，应该理解，基于本公开，本发明不受本文中描述的优选实施例限制。

参照图1至图4，将描述按照本发明的示例性实施例的手持扫描仪系统10。参照图1，手持扫描仪系统10被图示为相对于不规则形状对象12设置，在该图示的应用中，不规则形状对象12是个人。手持扫描仪系统10优选地包括外壳14，以下描述的各种组件被容纳在外壳14中。外壳14可以具有各种构造并且优选地被配置成舒适地贴合于操作者的手中。支架或支承件(未示出)可以从外壳14延伸，以辅助操作人员相对于对象12地支承系统10。在操作期间，系统10将围绕对象12移动，接近对象，例如，与对象相距12至18英寸。外壳14优选地由耐用塑料材料制成，而在天线元件附近的部分对于操作的雷达频率而言是透明的。

参照图4，小显示器22可以内置于外壳14中或者可以在外壳14的外部，同时在扫描期间对于操作者而言是可见的。显示器22还可以被配置成执行基本数据录入任务(诸如，响应于提示，输入顾客信息)以及接收关于手持装置状态的诊断信息。另外，手持单元14还可以包含对操作者的反馈(触觉的、听觉的、视觉的等)，该反馈将例如引导操作者到达需要扫描的顾客的位置。

系统10优选地由可再充电电池16(例如，诸如锂聚合物的高能量密度、轻质量的电池)或电源17供电。电池系统可以是可互换的以支持长期或连续操作。系统10优选地在没有使用时放置于支架(未示出)中。在放置时，支架应当提供再充电能力以及提供用于与外部计算机设备有线连接的接口。装置优选地同时支持有线接口18和无线接口20。优选地，外壳14包括物理接口18，物理接口18将允许供电、数据的高速传输以及装置编程或更新。无线接口20可以是例如802.11接口，并且提供一般的操作通信链路以用于与辅助计算机设备(例如，外部主机装置)进行测量数据(雷达和图像数据)的交换，以向操作者终端的显示器呈现图像。出于制造和测试目的，可以包括RF测试端口来校准RF电路。

示例性系统10优选地利用两种测量模式，即，光学模块30和雷达模块40。来自这两个模块30、40的数据流进入处理引擎60，在处理引擎60中，光学流和雷达流被共处理、对准(align)并且结果被传输到移动计算装置或其他用于显示的辅助计算机设备。还可以包括数字信号处理器(DSP)61。随后，可以对3D数据进行测量值提取操作并且所提取的结果可以被提供到衣服适配引擎。替代实施例将把光学数据发送到将光学数据与雷达数据交错(interleave)的雷达单元并且提供到主机处理器的单个USB连接。光学数据还可以被写入外部存储器，以缓冲光学数据帧。电子存储器62暂时存储来自之前扫描的距离信息。随着雷达围绕受试对象移动，所存储的来自之前扫描的数据可以增强对当前样本的处理，以得到身体的精确表现并且借助多普勒(Doppler)处理或移动目标指示器(MTI)算法来确定身体特征。系统10允许主机平台使用光学和雷达系统二者来确定个人的两个表面(即，衣服表面和穿戴者的身体表面)。雷达单元还可以解析光学距离数据并且使用该信息来求解得到距离解并且消除重影或距离模糊。

光学模块30包括3D相机32，3D相机32被配置成使得合并3D数据结构提供了3D点云(衣服和身体)、(操作者指定的)立体视差的区域、和这两个表面的统计表现。3D相机32总体上包括至少两个间隔开的镜头34，镜头34均被配置成捕获图像并且所捕获的来自空间透视的图像被合并形成3D图像。这些3D光学相机系统大范围购自大量制造商(例如，Intel实感3D光学相机扫描仪系统)并且近来已经被集成到移动装置中。

光学系统保持相对于固定参考坐标系和相对于身体的惯性状态矢量。包括单元的取向、平移和旋转的状态信息与天线元件相对于手持重力中心的已知物理偏移一起用于提供校正并且更新各虚拟天线的距离估计。惯性信息可以得自载用的惯性测量单元(IMU)26，IMU26对于物理力和/或光学相机系统处理是敏感的，从而可以校正相对于身体的平移和旋转。

这些系统的能力常规地实现了在近距离处的毫米精度和分辨率并且在更远距离处增至厘米的分辨率。尽管它们的分辨率优异，但得到穿着衣服的个人的身体尺寸受诸如衣服的任何障碍物限制。将图案投影到受试对象上的相机系统提供针对该应用的足够性能。

参照图5，雷达模块40总体上包括：波形生成器42，其能够产生用于距离确定的合适波形；一个或多个天线组件50，其具有至少一个发送元件(发送器)52和至少一个接收元件(接收器)54；频率倍增器47、发送选择开关48和降频转换器(拉伸处理器)46，降频转换器46是匹配的滤波器，通过借助正交输出55将接收到的目标波形的瞬时相位与所发送信号的复制的瞬时相位进行比较来提供差频。可以包括SSB混合器44来执行升频转换以给予恒定的频率移位。该功能块并不是必需的，而是用于减轻馈通带来的问题的设计增强。

要注意，优选的波形是线性频率调制(LFM)线性调频脉冲，然而，可以利用其他波形。为了实现高范围分辨率，雷达优选地是超宽带的系统。示例性的雷达系统可以是例如X/Ku带操作。LFM系统优选地包括发射脉冲串的延迟复制，用于与返回脉冲进行比较。在基于服务亭的系统中，该延迟由于相对静止的目标和绕固定电枢旋转的雷达平台而被校准并且固定。由于使用手持扫描仪的操作者不能可靠地保持与受试对象的间隔固定的事实，激光测距仪、光学系统或其他接近传感器可以有助于跟踪与受试对象外部衣服的此间隔。将使用该信息来验证使用LFM系统进行的雷达测量并且相应地补偿延迟参数。由于光学3d相机或激光器不能对皮肤进行测量，因此UWB雷达负责进行该测量。

用图示的雷达模块40，波形发生器42发射在69-75GHz之间操作的低功率非离子化毫米波，该毫米波穿过服装并且被皮肤反射，向雷达接收孔返回散射响应。为了求解该距离，超带宽雷达单元由具有已知空间间隔的两个或更多个共线性天线元件52、54组成。该实施方式使用四个孔56，四个孔56具有相对间隔为1:1:2(例如，元件之间是3英寸至3英寸至6英寸)的关联的发送元件52和接收元件54；然而，不同的布置可以同时满足几何和成本目的。在多个发送孔56的情况下，各元件轮流作为发送器，而其他元件是接收器。可以使用单个孔56同时进行发送和接收；但是还可以使用双孔来实现针对给定通道的发送和接收元件之间的高度隔离。另外，天线50可以被布置成以特定波偏振进行发送，以实现额外隔离或者对于目标所确定的给定偏振感更敏感。该实施例使用铣制在具有相同垂直偏振的铝外壳中的单独波导矩形喇叭孔。在计算机的控制下，借助电子开关48来实现所有天线选择。

在身体的方向上发射的波形是线性频率调制(LFM)波，该LFM波扫过几千兆赫(Gigahertz)的带宽。该波形对于所有天线对而言可以是小的或者它可以变为表达反射表面的特征。带宽确定雷达能实现的明确空间分辨率。可以使用其他雷达波形和实现方式，但该实施例利用LFM三角波形。

参照图6，雷达处理单元总体上包括：时钟源64，其用于为操作处理器、存储器电路和ADC的采样时钟提供精确时间基准；处理器60，其负责配置雷达单元，处理原始雷达数据并且计算距离分辨率；外部存储器62，其存储用于处理的原始雷达波形并且还存储校准信息和波形校正；模数转换器66；抗走样(anti-aliasing)滤波器68，其用于过滤低通(即，第一尼奎斯特(Nyquist)区)或带通(即，中间频率IF)采样的模拟信号；数字和模拟多路电子器件70；以及CPLD或FPGA 72，其协调事件的时间。如果使用希尔伯特(Hilbert)变压器向保留的信号链赋予相移并且得到复合信号处理所必需的正交分量，则还可以消除正交通道中的一个并因此简化接收器硬件46并且消除单个ADC转换器链(元件66、68、69和70)。这些处理技术是熟知的并且可以应用于雷达处理。

对于天线对52、54的所有组合，可以借助元件的三边法(针对一对)或多边法(针对一组)对受试对象进行距离确定。参照图7，在目标处于传感器前方的未知距离处时，被反射的波形与被透射的波形的复制相混合并且产生差频。该差频直接映射于斜坡波形的传播延迟。雷达的分辨率是由系统的带宽确定的并且是δr＝c/(2·B)。通过对LEM雷达的输出执行傅里叶变换来求解总路径长度，以提取光谱频率含量。替代的分析技术涉及Prony方法。Prony方法的输出能够提取频率、幅值、相位以及来自均匀采样信号的阻尼参数。利用Prony分析允许在存在噪声的情况下进行参数提取。主谱峰指示到各种散射表面的往返距离。在本领域已经很好地创建了如何执行该处理。可以替代地利用其他方法。例如，雷达系统还可以利用侧扫描雷达算法来确定与目标的距离信息。侧扫描雷达算法可以被单独使用或结合三边法进行使用。

通过使用可从来自去斜坡混合器(deramp mixer)的一组正交输出获得的相位信息来得到增大的空间分辨率。正交转换器的细节遵循以下。

对于特定反射器，可以使用相位信息来以高精度测量距离的改变。随着反射表面相对于雷达移动通过给定距离，并且假设使用线性频率调制波形，来自去斜坡混合器的瞬时差频将容易在距离库(bin)的方向上增大或减小，从而针对距离的每个λ/2的改变而累积全2π的额外相位。可以如下地描述该相位改变：

φ_c＝2π·r(λ/2)＝4πr/λ

可以如下地计算将所限定的距离库细分的λ/2周期的数量：

n_(λ/2)＝(B·λ)/(T_m·c)＝1/(T_m)*(B/f)

其中：

B＝“扫描RF带宽”，λ＝“中心频率的波长”，“T_m”＝“调制周期”，c＝“真空中的光速”，f＝“雷达的中心频率”

对波长发生器的要求是，对于给定距离延迟，高度线性斜坡必须包括波形的已知部分(理想地，在脉冲开始时)，使得在长得足以确认相位读取的持续时间，针对给定反射器距离产生低频差拍(beat)。在该线性周期之后，波形可以持续线性扫描或者任何所期望的特性(抛物线、指数等)。可以对任何数量的目标执行相位跟踪，只要平台的速率足够慢从而没有超过平台的空间采样能力。可以如下地计算需要跟踪的任何目标不应该超过的瞬时速率：

v_(i，max)＝λ/(2·n·T_m)＝λ/2*1/(n*T_m)

通过雷达的带宽来确定系统的明确分辨率库。通过调制周期来确定接收器的频率分辨率，所以LFM雷达距离分辨率随调频带宽和调制周期的变化而变化。对于库间距离将累积相位直到指示了一整个周期的系统，此时已经到达了下一个距离库。

随着操作者扫描个人，显示器80被更新从而指示覆盖区域，如图8中所示。操作者将看到带有画面上指示82的所获取扫描的实时更新，画面上指示82指示已经扫描了哪些区域以及可能仍然需要扫描身体中的哪里。显示信息可以用于辅助装置的操作人员确认身体的所有表面已经被扫描。该构思的简单实施例是用黑白或灰度表示身体的轮廓，以指示身体已经被扫描的区域。

在示例性应用中，便携式扫描仪将允许快速扫描大量穿着衣服的顾客并且成本为现有基于服务亭的扫描仪单元的成本的一小部分。这种技术的显著效益是，手持单元将不相对于受试对象限制在固定取向上，所以可以对身体中原本会难以用固定结构执行的区域进行有难度的测量。另外，协同工作的两个空间测量系统的组合可以提供个人尺寸的高保真度再现。

虽然在本文中在示例性衣服的背景下描述了本发明，但要认识到，可以利用该系统来确定其他不规则形状对象并且用于利用不规则形状对象的尺寸测量的其他应用中。

本领域中的技术人员根据以上说明书将清楚本发明的这些和其他优点。因此，本领域的技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的广义发明构思的情况下对上述实施例进行改变或修改。因此，应该理解，本发明不限于本文中描述的特定实施例，但旨在包括落入权利要求书所限定的本发明的范围和精神内的所有改变和修改。

Claims (15)

1.一种用于得到不规则形状的对象的大小的手持扫描仪系统，所述系统包括：

外壳；

光学模块，其被配置成生成3D点云数据，所述3D点云数据代表由不规则形状的对象穿着的服装的表面，其中所述不规则形状的对象是个人；

雷达模块，其被配置成生成距离数据，所述距离数据指定外壳和至少所述个人的身体的表面之间的所感测到的间隔；以及

处理器，其从所述光学模块接收3D点云数据并且从所述雷达模块接收距离数据，使用所述3D点云数据来将距离数据的雷达算法的解限制为由所述个人穿着的所述服装附近的区域，并且基于所述3D点云数据和所述距离数据的被限制的解来创建代表所述个人的身体的尺寸的图。

2.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述光学模块提供所述不规则形状的对象的可视表面的尺寸信息并且光学尺寸信息被利用来为雷达模块提供参考点，以精细调节所述不规则形状的对象在所述可视表面下方的表面的尺寸信息。

3.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述3D点云数据用于辅助将所述距离数据分辨到表面中。

4.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，将所述3D点云数据与用于各种身体类型的统计适配一起使用并且通过并入距离数据来得到精选。

5.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述雷达模块在从1GHz至1THz的任何带内进行操作。

6.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述至少一个雷达传感器包括发送元件和接收元件的天线组合。

7.根据权利要求6所述的手持扫描仪系统，其中，所述处理器被配置成基于阈值标准以及3D点云数据和距离数据之间的关联对应性分析一个或多个天线组合。

8.根据权利要求6所述的手持扫描仪系统，其中，所述雷达模块包括至少两个雷达传感器，每个雷达传感器包括具有相对间隔为1∶1∶2的关联的共线性发送元件和接收元件，发送元件的数量加上接收元件的数量等于4。

9.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述处理器被配置成使用来自惯性测量单元的可用传感器数据来计算并且保持状态矢量估计。

10.根据权利要求9所述的手持扫描仪系统，其中，所述状态矢量估计用于提供对距离数据的校正和更新。

11.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述手持扫描仪系统被配置成与主机处理器通信。

12.根据权利要求11所述的手持扫描仪系统，其中，所述处理器向所述主机处理器输出所创建的图。

13.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述外壳限定手柄。

14.根据权利要求1所述的手持扫描仪系统，其中，所述手持扫描仪系统被配置成向操作人员提供反馈。

15.根据权利要求14所述的手持扫描仪系统，其中，所述反馈是触觉的、听觉的、视觉的或以上的组合。