CN109059798A - 一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪，包括扫描仪本体、人体电子秤，该人体电子秤位于扫描仪本体的任一侧；扫描仪本体包括立柱、设置在立柱内部的主机和扫描部件，扫描部件嵌设在立柱上；人体电子秤用于测量被测者的体重信息，并将该体重信息发送至主机；扫描部件用于采集被测者的深度图像，并将该深度图像传输至主机；主机接收、处理深度图像和体重信息，以生成三维模型；人体电子秤与主机通过第一通信模块通讯，主机与深度摄像机交互式连接。本发明的三维体扫描仪操作简单、使用方便。

Description

一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪

技术领域

本发明属于三维体体态分析领域，具体涉及一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪。

背景技术

三维体扫描仪，也叫3D人体扫描仪，是利用光学测量技术、计算机技术、图像处理技术、数字信号处理技术等进行三维人体表面轮廓的非接触自动测量。人体全身(半身)扫描系统充分利用光学三维扫描的快速以及白光对人体无害的优点，在3-5秒内对人体全身或半身进行多角度多方位的瞬间扫描。

常用的人体三维扫描仪是将单个深度相机固定在滑块上，通过滑块沿滑轨上下运动的方式扫描人体的信息。滑轨滑块驱动深度相机的三维体扫描仪存在以下缺陷：1.上下跑动的高速相机因为有电机拖动，在对人体进行扫描时不可避免的会出现噪声，对用户的感官体验造成影响；2. 高速相机沿导轨运动，致使人体3D模型建立时间较长；3.由于转台电机、滑块电机启动时间以及运行速度等不同，使得高速相机拍照位置不固定，当滑块带动高速相机在滑轨的上中下三个位置拍照时，每次拍照的位置会稍有偏差，因而需要算法进行处理、拟合，这样就导致模型合成的稳定性稍有限制；4.转台、高速相机都需要驱动电机带动其运动，存在成本高、噪声大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪，以克服现有的转台需要通过机械传动进行旋转扫描。

为此，本发明的技术方案如下：

一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪， 包括：扫描仪本体、人体电子秤，该人体电子秤位于扫描仪本体的任一侧；所述扫描仪本体包括立柱、设置在立柱内部的主机和扫描部件，所述扫描部件嵌设在立柱上；

所述人体电子秤用于测量被测者的体重信息，并将该体重信息发送至主机；

所述扫描部件用于采集被测者的深度图像，并将该深度图像传输至主机；

所述主机接收、处理深度图像和体重信息，以生成三维模型；

所述人体电子秤与主机通过第一通信模块通讯，所述主机与深度摄像机交互式连接。

作为本发明的进一步限定，还包括嵌设在立柱上的激光投射单元，所述激光投射单元与主机连接，所述激光投射单元用于在主机控制下打开/关闭投射在地面上的光斑带，以定位被测者的站立位置。

作为本发明的进一步限定，还包括嵌设在立柱上的显示屏、设置在立柱内部的第二通信模块，该主机与显示屏电连接，所述显示屏上显示有用作识别的二维码；所述二维码供被测者的移动终端识读，以实现所述移动终端与云端服务器交互式连接；

所述主机还通过第二通信模块连接云端服务器，所述主机还用于向云端服务器传输最终数据；

所述移动终端还用于获取并显示最终数据。

作为本发明的进一步限定，所述第二通信模块为wifi模块、以太网或互联网中的任一种。

作为本发明的进一步限定，所述第一通信模块为蓝牙或wifi模块。

作为本发明的进一步限定，所述人体电子秤包括称重模块、控制模块、第一通信模块，所述称重模块的输出端与控制模块连接，所述控制模块的输出端与第一通信模块连接。

作为本发明的进一步限定，所述主机至少包括处理器、第一通信模块和第二通信模块，所述第一通信模块的输出端与处理器连接，所述处理器与第二通信模块交互式连接，所述处理器还与深度摄像机交互式连接。

作为本发明的进一步限定，所述主机还根据三维模型对被测者体态进行评估。

作为本发明的进一步限定，所述立柱的外表面设有语音提醒模块，该语音提醒模块的输入端与控制模块的输出端连接。

本发明的有益效果：

1.本发明使用主机驱动深度相机，获取被测人体的正面、左侧面、右侧面、背面深度图像信息，通过处理深度图像信息获取三维模型，并生成人体成分信息；以及根据3D模型对被测者体态进行评估，如驼背、圆肩、长短腿、高低肩等；最终的结果使用wifi传输至云端服务器；使用手机进行扫描二维码获取最终的数据到手机端进行显示。本发明的三维体扫描系统操作简单、使用方便；

2. 本发明将扫描部件直接固定在立柱上，无需通过电机驱动扫描部件沿滑轨上下运动，使得三维体扫描仪结构简单、成本低；

3.本发明的站立平台直接安装在地面上，并且站立平台在市面上可随意采购，大大降低了整个设备的重量，使三维体扫描仪的运输和拆装过程更加便捷；

4.本发明的人体电子秤在市面上可直接采购，后期只需对人体电子秤做局部改进即可实现与扫描仪本体的通信，从而缩短了整个设备的加工周期。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是三维人体扫描系统的结构示意图。

图2是三维体扫描仪的结构示意图。

图中：1. 扫描仪本体；11. 立柱；12. 扫描部件；13. 显示屏； 14. 底座；2. 人体电子秤；3. 站立平台。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

我公司于2017年6月27日申请的一种人体三维扫描系统（该申请的申请号为2017207595943），公开了一种人体三维扫描系统，包括PC机、处理器、体重体脂测量模块、称重传感器、转台、导轨、转台导轨驱动装置、3D摄像头、用于测量人体电阻的电极式电阻测量模块、导轨滑块位置检测传感器以及转台位置检测传感器，PC机通过USB模块与3D摄像头交互式连接，3D摄像头通过滑块与导轨滑动连接且沿导轨上下滑动；导轨滑块位置检测传感器设置在导轨的上端部和/或下端部；转台位置检测传感器、体重体脂测量模块、称重传感器和电极式电阻测量模块均设置在转台上；处理器与PC机、以及体重体脂测量模块交互式连接；体重体脂测量模块的输入端与称重传感器的输出端、以及电极式电阻测量模块的输出端相连；处理器的输入端与导轨滑块位置检测传感器的输出端、以及转台位置检测传感器的输出端相连；处理器的输出端与转台导轨驱动装置的输入端相连，转台导轨驱动装置的输出端与转台、以及导轨相连。

申请号为2017207595943的申请文件，是通过3D摄像头配合导轨和转台对人体进行全面覆盖扫描，通过PC机生成人体三维模型并基于该三维模型进行人体身高的测量，降低了外界因素对测量数据的影响，且速度快，效率高。该申请通过轨道滑块位置检测传感器将3D摄像头的位置信息并反馈至处理器以限制滑块的运动范围，使3D摄像头在安全范围内对人体进行全面扫描，且通过步进电机精准控制3D摄像头的运动。

转台位置检测传感器反馈当前转台的运动情况和转台转动角度，使转台能够平稳的转动一周，配合3D摄像头完成全面扫描，保持人体3D模型数据的完整性。

在后续的研发过程中，我们发现：3D摄像头通过电机驱动沿导轨上下运动，对站在转台上的人体进行扫描的方式中，存在以下缺陷：1. 上下跑动的导轨摄像头因为有电机拖动，在对人体进行扫描时不可避免的会出现噪声，对用户的感官体验造成影响；2.摄像头沿导轨运动，致使人体3D模型建立时间较长；3.由于转台电机、滑块电机启动时间以及运行速度等不同，使得3D摄像头拍照位置不固定，当滑块带动3D摄像头在立柱的上中下三个位置拍照时，每次拍照的位置会稍有偏差，因而需要算法进行处理、拟合，这样就导致模型合成的稳定性稍有限制。

基于此，本实施例提出了一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪，如图1所示，包括人体电子秤、深度信息采集单元、主机，人体电子秤与主机通过第一通信模块通讯，主机与深度摄像机交互式连接；其中，人体电子秤用于测量被测者的体重信息，并将该体重信息发送至主机；深度信息采集单元用于采集被测者的深度图像，并将该深度图像传输至主机；主机用于接收、处理深度图像和体重信息，以生成三维模型。

需指出，本实施例的第一通信模块优选蓝牙或wifi模块，当第一通信模块为蓝牙时，人体电子秤包括称重模块、控制模块、第一蓝牙模块，称重模块的输出端与控制模块连接，控制模块的输出端与第一蓝牙模块连接。主机至少包括处理器、存储器、第二蓝牙模块，第一蓝牙模块与第二蓝牙模块通信，第二蓝牙模块与处理器或存储器的输入端连接。

同样，本实施例的第二通信模块优选wifi模块、以太网或互联网中的任一种。当第二通信模块选用wifi模块时，主机还包括wifi模块，处理器与wifi模块交互式连接，处理器还与深度摄像机交互式连接。

在实际使用中，称重模块将被测者的体重信息通过第一通信模块发送给主机，被测者站在深度摄像机可拍摄的范围内，在语音提示模块发出提示音之前，被测者做出扫描仪本体或墙面上指示的动作后，深度摄像机拍摄深度图像；随后主机控制语音提示模块发出“保持动作不变，请左转”的提示音后，被测者左转身，将身体的左侧面正对深度相机，深度摄像机拍摄被测者左侧面的深度图像；接着主机控制语音提示模块发出“保持动作不变，请背对摄像头”的提示音，被测者保持动作不变，背对摄像头，深度相机拍摄被测者的背面深度图像；当然，主机也可以引导被测者右转身，拍摄右侧的深度图像。主机接收深度相机拍摄的多张深度图像，并在主机内对多张深度图像进行处理，结合体重信息生成三维模型。优选主机还可以根据3D模型对被测者体态进行评估，如驼背、圆肩、长短腿、高低肩等。

为了使被测者站在正确的位置上，本实施例可以在正确位置上放置地毯，引导被测者站立；当然也可以在立柱上设置激光投射单元，主机控制激光投射单元，以打开/关闭投射在地面上的光斑带，从而定位被测者的站立位置。

为了保证被测者的个人隐私，三维模型以及评估结果不便于在显示屏上直接显示，因此，本实施例的三维体扫描系统还包括识别模块，该识别模块的作用是：被测者在将被测者的移动终端与云端服务器建立联系，在测试完成后，主机将三维模型和评估数据发送至云端服务器，云端服务器再将三维模型和评估数据发送至被测者的移动终端。需要说明的是：本实施例的识别模块可以是二维码，该二维码可以打印出来后直接贴在扫描仪本体上，作为优选，该二维码显示在显示屏上，显示屏设置在立柱上，显示屏与主机电连接。换言之，被测者持有的移动终端用于识读设置在立柱上的识别模块，以实现移动终端与云端服务器交互式连接；主机还通过第二通信模块连接云端服务器，主机还用于向云端服务器传输最终数据；移动终端还用于获取并显示最终数据。

本实施例的三维体扫描系统，包括电源子系统、主机子系统、屏幕单元、人体电子秤、激光投射单元（或地面标记垫）。

电源系统：输入才用220V交流输入经过一路漏电保护器，可对电源进行物理开关以及漏电保护、过流保护；并配置有蓄电池可实现充电以及在脱离电源情况下工作供电。

主机系统：连接一路深度相机可以实时采集深度图像，配置有wifi和以太网可用于连接公网的云端服务器；配置有蓝牙可通过蓝牙和体重测量单元进行通讯。

屏幕单元：用于显示二维码以及其他视频图片。

体重测量单元：测量人体体重，并通过蓝牙和主机系统进行通讯实现测量请求以及测量结果回传。

激光投射单元：和主机进行连接，在主机控制下可以打开/关闭投射出光斑带地面制定位置，用于被测者站立位置定位。地面标记垫：硬件方面和激光投射单元二选一，主要用于放到地面标记被测者站立位置。

综上可知，本实施例使用主机驱动深度相机，获取被测人体的正面、左侧面、右侧面、背面深度图像信息，通过处理深度图像信息获取三维模型，并生成人体成分信息；以及根据3D模型对被测者体态进行评估，如驼背、圆肩、长短腿、高低肩等；最终的结果使用wifi传输至云端服务器；使用手机进行扫描二维码获取最终的数据到手机端进行显示。本实施例的三维体扫描系统操作简单、使用方便。

本实施例还公开了三维体扫描系统的使用过程，具体如下：

1.准备测量：三维体分析仪开机后会生成一个二维码显示在显示屏左下角，被测者打开APP扫描设备上面的二维码，并向云端服务器发送消息绑定此设备和APP关联关系以及上送性别到云端通过云端服务器下发到三维体分析仪；

2.被测者站在人体电子秤上，称重模块检测到体重发生变化（从0变化为被测者的体重），上送消息到主机，主机播通过喇叭向被测者播放注意事项；同时，人体电子秤完成体重测量，并通过蓝牙上送数据到主机。

3.深度图像收集：

3.1正面姿势识别：主机控制打开激光投影在地面行程一个标记物，同时播放提示音，被测者双脚和激光投影对齐，双臂展开，并调整手臂姿态；深度摄像机实时获取深度图并分析出被测者姿势，并实时解析骨骼点信息，当手臂姿势达到合适位置，播放提示音提示被测者静止；

3.2正面数据采集：主机触发深度相机采集深度图并存储，并播放转身提示音；被测者顺时针旋转九十度；

3.3左侧面姿势识别：被测者双脚和激光投影对齐，双臂自然下垂，算法服务实时获取深度图并分析出被测者姿势，并实时解析骨骼点信息，当手臂姿势达到合适位置，播放提示音提示被测者静止；

3.4左侧面数据采集：主机触发深度相机采集深度图并存储，并播放提示音；被测者顺时针旋转九十度面朝后，背对摄像头；

3.5背面数据识别：被测者双脚和激光投影对齐，双臂自然下垂，算法服务实时获取深度图并分析出被测者姿势，并实时解析骨骼点信息，当手臂姿势达到合适位置，播放提示音提示被测者静止；

3.6背面数据采集：主机触发深度相机采集深度图并存储，并播放提示音；被测者顺时针旋转九十度面朝后，右侧对摄像头；

3.7右侧面数据识别：被测者双脚和激光投影对齐，双臂自然下垂，算法服务实时获取深度图并分析出被测者姿势，并实时解析骨骼点信息，当手臂姿势达到合适位置，播放提示音提示被测者静止；

3.8右侧面数据采集：主机触发深度相机采集深度图并存储，并播放提示音，测量完毕。

4.模型生成：

4.1特征点提取：对每一张深度图中的骨骼特征进行提取并进一步对骨骼点进行识别；

4.2特征点匹配：所有深度图骨骼点进行汇总分析，对同一位置在不同方向的成像，进行匹配；

4.3拼接点生成：对所有深度图中的匹配点进行标记并映射到深度图的三维空间，生成拼接点标记；

4.4模型拼接：根据深度图中的拼接标记点进行模型拼接，生成一个可用的三维模型

4.5模型优化：对拼接生成的模型进行平滑以及缺失点进行修复、优化，并输出最终三维模型。

5.人体成分结果运算：

人体成分运算算法部署在主机上面，第4步获取到的被测者3D模型作为算法输出，首先预处理计算出头围、颈围、胸围、腰围、臀围、左右上下臂围、左右上下腿围；再次预处理计算头部体积、颈部体积、躯干体积、臀部体积、左右手臂体积、左右腿脚体积；以上21组数据以及测者性别、年龄、体重共23个输入因子作为算法输入参数；计算算法，可计算出人体水分、体脂率、基础代谢、BMI、肌肉含量、腰臀比（输出的结果项后续可通过升级算法增加）。

6.体态分析运算：

主机上部署有体态分析算法；首先对输入的被测者3D模型进行预处理，使得被测者模型和标准体模型建立相关性；

再次基于标准体对身体各处虚拟骨骼进行分割、提取；之后对各个部位的身体参数和标准模型进行对比超过阈值则判定为问题点输出目前可进行体态判断的项目有：驼背、圆肩、长短腿、高低肩（输出的结果项后续可通过升级算法增加）。

实施例2：

本实施例公开了一种三维体扫描仪，该三维体扫描仪可以使用实施例1的三维体扫描系统，三维体扫描仪的结构如图2所示，包括扫描仪本体1、人体电子秤2、站立平台3、底座14，底座14设置在立柱11的下端，人体电子秤2位于扫描仪本体1的任一侧，在实际使用中，人体电子秤2的位置不做任何限制，只要能完成人体电子秤2与扫描仪本体1的数据传输即可。站立平台3位于扫描部件12的正前方，完成对被测人体的扫描。优选站立平台3为地毯，该地毯铺设在地面上，在实际产品中选用地毯的原因，一方面是考虑到人光脚站在地毯上舒适性好，另一方面是地毯外购价格适中。本实施例的站立平台3直接安装在地面上，并且站立平台3在市面上可随意采购，大大降低了整个设备的重量，使三维体扫描仪的运输和拆装过程更加便捷。

本实施例的扫描仪本体1包括立柱11、控制模块、扫描部件12和显示屏13，所述控制模块设置在立柱11的内腔，所述扫描部件12和显示屏13嵌设在中空立柱11上，所述显示屏13位于扫描部件12的上方或下方。本实施例的扫描部件12可以是深度摄像头，也可以根据实际需要同时选择深度摄像头和普通摄像头。

在实际使用中，所述立柱11的外表面设有语音提醒模块，该语音提醒模块的输入端与控制模块的输出端连接。语音提醒模块用于提醒被测者摆出各种动作。本实施例将扫描部件12直接固定在立柱11上，无需通过电机驱动扫描部件12沿滑轨上下运动，使得三维体扫描仪具有结构简单、成本低等诸多优点。

本实施例的人体电子秤2的内部设有第一通信模块和微处理器，所述立柱11的内部设有第二通信模块，所述第一通信模块与微处理器电连接，所述第二通信模块与控制模块电连接，所述第一通信模块与第二通信模块通讯，用于将人体电子秤2的数据信息传输至扫描仪本体1。本实施例的第一通信模块和第二通信模块可以是蓝牙模块、NFC 模块或ZigBee模块。本实施例的人体电子秤2在市面上可直接采购，后期只需在人体电子秤2内部嵌设通信模块，将通信模块与人体电子秤2内部原有的微处理器电连接，即可实现与扫描仪本体1的通信，从而缩短了整个设备的加工周期。

本实施例还给出了三维体扫描仪的操作步骤和原理：

步骤一：接通电源后显示屏13上产生二维码，用户打开可扫描二维码的移动终端，用移动终端扫描显示屏13上的二维码，控制系统记录用户个人信息。

步骤二：用户站在人体电子秤2上面，人体电子秤2会测量出人体重量。随后人体电子秤2和控制系统通过通信模块（例如蓝牙）连接，人体电子秤2得出的人体重量会输出至扫描仪本体1。

步骤三：首先，用户站立在地毯上，显示屏13上会提示用户面对显示屏13和深度摄像头，显示屏13上会给出示范动作，用户跟随显示屏13做同样的动作（例如呈A字型慢慢张开手臂），直至用户的动作做到显示屏13提示的范围；其次，深度摄像头会扫描用户人体并且拍照；再次，扫描仪本体1提示用户侧对深度摄像头，用户保持姿势不变，缓慢转身侧对立柱11；然后，深度摄像头扫描用户人体并且拍照。

步骤四：扫描仪本体1根据正对和侧对时扫描的图像生成人体模型，扫描仪本体1也会给出人体各个部位的尺寸数据；以此同时，三维体扫描仪会将生成的各种数据发送到用户的移动终端，用户可在移动终端上随意查看自己的数据。

为了使三维体扫描仪生成模型的精度更高，在步骤三中，除了拍摄正对和侧对的图像，还可以拍摄用户背对深度摄像头的图像，具体是：

最后，扫描仪本体1提示用户背对深度摄像头，用户保持A字型姿势不变转身背对立柱11，深度摄像头扫描人体，并结合正对图像、侧对图像生成人体模型。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多视角深度信息的三维体扫描仪，包括：扫描仪本体（1），其特征在于，还包括：人体电子秤（2），该人体电子秤（2）位于扫描仪本体（1）的任一侧；所述扫描仪本体（1）包括立柱（11）、设置在立柱（11）内部的主机和扫描部件（12），所述扫描部件（12）嵌设在立柱（11）上；

所述人体电子秤（2）用于测量被测者的体重信息，并将该体重信息发送至主机；

所述扫描部件（12）用于采集被测者的深度图像，并将该深度图像传输至主机；

所述主机接收、处理深度图像和体重信息，以生成三维模型；

所述人体电子秤与主机通过第一通信模块通讯，所述主机与深度摄像机交互式连接。

2.如权利要求1所述的三维体扫描仪，其特征在于， 还包括嵌设在立柱（11）上的激光投射单元，所述激光投射单元与主机连接，所述激光投射单元用于在主机控制下打开/关闭投射在地面上的光斑带，以定位被测者的站立位置。

3.如权利要求1或2所述的三维体扫描仪，其特征在于，还包括嵌设在立柱（11）上的显示屏、设置在立柱（11）内部的第二通信模块，该主机与显示屏电连接，所述显示屏上显示有用作识别的二维码；所述二维码供被测者的移动终端识读，以实现所述移动终端与云端服务器交互式连接；

所述主机还通过第二通信模块连接云端服务器，所述主机还用于向云端服务器传输最终数据；

所述移动终端还用于获取并显示最终数据。

4.如权利要求3所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述第二通信模块为wifi模块、以太网或互联网中的任一种。

5.如权利要求1所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述第一通信模块为蓝牙或wifi模块。

6.如权利要求1所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述人体电子秤包括称重模块、控制模块、第一通信模块，所述称重模块的输出端与控制模块连接，所述控制模块的输出端与第一通信模块连接。

7.如权利要求6所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述主机至少包括处理器、第一通信模块和第二通信模块，所述第一通信模块的输出端与处理器连接，所述处理器与第二通信模块交互式连接，所述处理器还与深度摄像机交互式连接。

8.如权利要求1或2所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述主机还根据三维模型对被测者体态进行评估。

9.如权利要求3所述的三维体扫描仪，其特征在于，所述立柱（11）的外表面设有语音提醒模块，该语音提醒模块的输入端与控制模块的输出端连接。