CN1094839C - 平行光面法三维头像自动雕刻系统 - Google Patents

Abstract

平行光面法三维头像自动雕刻系统，熔计算机的视觉及自动加工两个领域为一体，为三维头像的雕刻开辟了新的途径。摄像头将在平行光面照射下拍摄的定标图像和面部图像信息输入计算机，运行处理程序便可求出面部立体形状。再将用标尺测得的头部其它参数输入计算机，即可在屏幕上拟合出完整的头部三维图像。经对图像的发型、仰俯角、面部表情等修饰满意后，控制机械装置自动雕刻出三维头像。本系统同样适用其它物体三维图形的雕刻。如精密模具制作等，因此它的使用前景十分广阔。

Description

平行光面法三维头像雕刻系统

所属技术领域：计算机视觉和自动加工。

技术背景：以往的自动雕刻系统，一般用于平面加工，如公告号为1051012的专利等。用于三维加工的也需要建立在人工操作的基础上，给雕刻工作带来了一定的困难。目前还没有用于三维头像自动雕刻的系统。

本发明的目的：通过计算机的处理，用平行光面法拍摄的人头部图像雕刻三维立体头像。

技术方案

本专利中人头像的自动雕刻分为两步：1、头部实体立体形状信息的获得。2、用第1步获得的信息控制机械部分加工出头像。其中机械部分类似数控机床，不再赘述。

人头部实体由面部、耳朵、头发等组成。其中面部最具有识别意义。其余部分可用生成的方法完成(比如对于头发，可做成适当大小的长发、卷发等实体与面部组合)。人的面部是具有固定模式(由鼻、眼、嘴、面颊等组成)的自由曲面。本专利采用平行光面法来获得面部曲面的立体信息。

平行光面法是用计算机分析摄像头拍摄的平行光平面照射曲面的图像得到曲面形状立体信息的方法。用一组平行光面垂直照射一平面时，光面与平面相交形成一组平行亮线，图1所示。用斜对平面的摄像头拍摄图1，经处理计算机可以得到摄像头空间位置的信息，即摄像头定标。当平行光平面照射到曲面上时，随曲面起伏形成一组明亮的曲线，如图2所示。每条曲线为形成此曲面光平面所在平面截曲面的横截面。利用这种平行光平面图像，计算机提取出曲线并由提取的曲线及曲线位置信息求出曲面的一组横截面。通过求得的横截面便可拟合出曲面形状。

为了得到平行光平面，本专利采用了一种类似幻灯机的装置。此装置利用一个焦距较长的透镜将一个亮光照射的有一组平行透光的缝的光缝板成像到一个较远的位置，在成像位置附近范围就得到一组平行光平面。另外，为了便于计算机分析图像，如前所述的光缝板上某两条光缝间距较大(其余光缝间距相同)，这样形成的曲线有两条间距较大，用来定位。

有益的效果：

完全自动化而迅速的完成以往需要很高技巧及很多经验且费时的头像雕刻工作。

附图及说明

图1为摄像头定标图象。图2为平行光平面照射曲面图像。

实施实例：

一、组成部分

图3为系统组成示意图。其中1为平行光面光源，2为座椅，3为摄像头，4为计算机，5为机械驱动电路，6为光电源，7为机械装置，8为铸模。21为计算机并口1，22为计算机并口2，各部分的结构及功能如下。

1、平行光面光源。其结构如图4所示。图4中9为聚光反射镜，10为闪光灯，11为聚光透镜组，12为刻有竖向平行透光窄缝的光缝板，其中两条光缝间距较大，13为可绕轴转动的反光镜，14为成像镜头，15为伸缩套筒，16为固定反射镜，17为透明且刻有座标系的标尺，18为放大镜，19为光源成像平面。平行光面光源的主要功能是产生平行光面、观察和调整各部分的相对位置。当反光镜13翻起时，闪光灯发出的光经反射镜9，聚光透镜组11、光缝板12和成像镜头14在成像平面19上形成平行亮线。选取焦距较长的成像镜头14，合理调整伸缩套筒15，就能在平面19前后一段距离内获得理想的平行光平面。当反光镜13放下时，处于平面19处的物体，将在标尺17处成像，通过放大镜18可观察成像情况并进行调整。同时可在标尺17上读出像的有关数据。

2、座椅。座椅的靠背做成平面，即为成像平面19，作为成像的基准平面。

3、摄像头。用于拍摄图像，向计算机输入图像信息，接于计算机并口1上。在计算机的控制下，与光源同步工作。

4、计算机。是系统的核心部分，用于图像信息处理、显示、修饰和各种控制。

5、机械装置驱动电路。接收计算机命令时，驱动同步电动机，带动机械部分工作。换接于计算机并口1上。

6、光电源。在计算机发出指令时，点亮闪光灯。它由计算机并口2的第一位控制。

7、机械部分。其主要加工部件是一个具有4个自由度的刀头20，图5所示。4个自由度分别是在X、Y、Z方向上运动和在Y-Z平面内旋转。

8、铸模。用于金属头像的铸造。

二、使用方法

整个操作要经过调整各部分相对位置及测量头部其它立体参数；拍摄面部及定标图像；计算机处理及修饰；控制加工及金属头像铸造等步骤。

1、调整位置，测量头部参数。

调整光源与座椅的位置，使光源的平面光垂直照射椅背19，并呈现平行细亮线，高低合适。

让被拍者坐在座椅上，紧靠椅背。放下反光镜子3，观察、调整人的坐姿坐位。使光源座标系原点对准鼻底中心，竖向座标对准面部中心线，图6所示。此时从标尺上读出头顶，耳朵上下边缘，发型的数据，并测出耳朵到椅背的数据。

调整摄像头的位置，使其斜对平面19，并能拍下完整的面部照射图像。

2、拍摄面部及定标照射图像。将摄像头、光电源插头分别插入计算机并口1、2上。翻起反光镜13，打开计算机，运行拍摄程序，敲击键盘，拍出面部照射图像，命名为图像文件1。让人离开座椅，再次键盘，拍出定标照射图像，命名为图像文件2。

3、图像处理和修饰。得到两个图像文件后，运行图像处理程序，并输入所测头部的有关参数，计算机便可拟合出完整的头部立体图像，显示在屏幕上。此时可对发型、仰俯角、面部表情等进行修饰，达到满意后，将立体图像输入数据文件1，关闭计算机。

4、图像的加工，拔下摄像头、光电源插头，将机械驱动电路的插头插入计算机的并口1上。将预制的石膏或蜡质头像模坯装在加工设备上。打开计算机，运行加工程序。此程序打开数据文件1，自动控制刀具运行，加工出和显示相同的立体雕像。

加工时可先加工面部，然后加工左侧、右侧和头顶。而且加工可分几次进行，依次使用不同精度的刀头完成，直到满意为止。

5、金属头像的制作，如果想得到金属头像，可用雕成的头像作头模来铸造。

Claims (4)

1、一种平行光面法三维头像自动雕刻系统由平行光面光源、光电源、摄像头、计算机、机械装置、机械装置驱动电路、光源成像平面及铸模组成，其特征是平行光面光源由光电源控制。摄像头用插头接于计算机上，在计算机控制下与光源同步工作。机械装置由驱动电路控制，机械装置驱动电路用插头换接于计算机上。机械装置加工的对象是头像模坯。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平行光面光源内装置刻有竖向平行透光窄缝的光缝板12，有两条光缝间距较大，能绕轴旋转的反光镜13和刻有座标系的标尺17。成像透镜14的焦距较大。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械装置雕刻部件为具有4个自由度的刀头20，刀头的规格大小可以不同。

4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述头像模坯为石膏、蜡质及其它易加工的材料制作。

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