CN109692002B - 一种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，通过构造与人手空间位置固定的连续背景，然后以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘，实现人手快速扫描。连续背景通过研制连续背景装置实现。连续背景装置包括背景工装和连接于其下方的支撑工装，背景工装的中间位置处有定位孔，支撑工装置于台面上，被扫描者的手臂置于支撑工装上，手掌从定位孔中伸出保持空间位置等待扫描，可避免手掌抖动。通过背景工装构造与人手空间位置固定的连续背景，即可以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘，实现人手快速扫描，且能保证人手扫描模型的精度和效率，使人手模型更逼真和个性化，操作简单。

Description

一种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法

技术领域

本发明涉及一种手持式三维激光扫描仪扫描人手的方法，具体为一种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法。

背景技术

人手是复杂的、灵活的生物学器官，能够做很多复杂而精细的动作，如用手写字、交流、操纵复杂的仪器设备等。人手不仅在现实世界中非常有用，在虚拟世界中也起到了至关重要的作用。国内外主要将人手模型应用于模拟人手的抓取操作、人手动画研究、手势识别、人手解剖学结构研究等方面。当现实环境不安全、条件不足时，通过创建逼真的虚拟环境，使用人手模型模拟完成现实世界中的任务。例如医生可以在虚拟环境中练习外科手术，使病人免于承担不必要的风险；在虚拟现实游戏中，用户可以通过虚拟手操纵虚拟世界的物体，获得沉浸感。目前，人手模型向着逼真化和个性化发展。逼真的个性化人手模型可以采用三维激光扫描技术扫描真实人手获得。

三维激光扫描技术来源于测绘领域，是测绘领域继GPS技术后的又一次技术革命。三维激光扫描技术的基本原理是：激光照射到被测物体表面形成激光条纹，用摄像机拍摄其图像；图像经扫描仪电路和软件处理得到被测物体的三维坐标数据。三维激光扫描技术能够快速采集物体表面点的位置、颜色信息，获得被测物体的三维点云、纹理数据，具有扫描速度快、模型精度高和分辨率高等特点。因此，三维激光扫描技术广泛应用于逆向工程、虚拟地理环境、城市建模、地形绘制等领域。

浙江大学的路悦采用Creaform公司生产的手持式三维激光扫描仪对人手进行扫描。为保证人手能够被完整扫描，该方法是将手高举过头顶。扫描结果发现：手心和手背的扫描结果非常逼真；但手指相互遮挡，手指边缘缺失；由于扫描时间较长，人手抖动导致扫描精度较低。Irene Albrecht采用三维激光扫描仪扫描人手石膏模型，再参考真实人手尺寸，将通用人手模型变换成个性化的人手模型。该方法解决了人手抖动问题，但操作复杂，且存在模型失真、个性化不强的问题。

三维激光扫描技术利用光源的约束，解决了立体视觉中的对应点寻找问题，算法简单，容易实现。但该技术和立体视觉一样，基于三角测量原理实现扫描。当被测物体表面形状复杂时，物体的一部分可能由于遮挡而形成盲区。因此，为了有效地减少激光光系统中的遮挡盲区和提高系统数据采集精度，三维激光扫描仪一般采用双相机模式。双相机模式的三维激光扫描仪中最关键的问题是两相机的图像配准，该问题可在被测物体表面粘贴定位标点加以解决。但每种激光扫描仪中相对应的定位标点具有一定尺寸，故扫描较薄的、结构复杂的被测物体较困难。同时，三维扫描技术适合于扫描静止不动的物体，对于运动的或容易改变形状的物体会导致重影。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能避免人手扫描时出现抖动，从而避免人手模型失真且操作简单的快速扫描人手方法。

本发明提供的这种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，包括以下步骤：

(1)构造与人手空间位置固定的连续背景；

(2)根据三维激光扫描仪的要求，分别在连续背景和人手上粘贴定位标点；

(3)以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘；

步骤(1)的连续背景通过连续背景装置实现，连续背景装置包括背景工装和连接于其下方的支撑工装，背景工装的中间位置处有定位孔，支撑工装置于台面上，被扫描者的手臂置于支撑工装上，手掌从定位孔中伸出保持空间位置等待扫描；

步骤(2)中，连续背景上的定位标点尽量靠近定位孔；人手上的定位标点数量尽量少，不要粘贴在人手的关节处，尽量靠近手指边缘；

步骤(3)中，

扫描手心和手背时，先扫描靠近手心和手背的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成手心、手背的扫描；

扫描人手侧面时，将扫描仪的激光调为线形，先扫描靠近手侧面的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成人手侧面扫描；

扫描手指边缘时，扫描仪先扫描靠近手指的手心或手背处，然后按照扫描仪要求的速度，将扫描仪的激光线指向手指边缘，自下而上运动，同时向左或者向右旋转，快速完成手指边缘扫描。

所述支撑工装包括支架和撑杆，撑杆的一端连接于支架的下部，通过支架的下缘和撑杆的另一端支撑整个工装，被扫描者的手臂置于支架的上端。

所述支架为包括上臂和侧臂的7字型板架，在其两臂拐角处有用于支撑被扫描者手臂的支撑孔，支撑孔的上部位于上臂上，下部位于侧臂上。

所述撑杆的一端连接于侧臂的下部，侧臂的下缘和撑杆的另一端分别设有防滑套。

所述撑杆的侧臂连接段为螺纹段，螺纹段上连接有锁紧螺母和调节螺母。

所述背景工装包括尺寸相同的左背景板和右背景板，左背景板可拆卸固定于所述支架的上臂上，右背景板可拆卸固定于左背景板上，右背景板可相对于左背景板旋转开合。

所述左背景板的右端对应所述支架上臂上的支撑孔处有相应的孔作为所述定位孔的左半孔，左背景板通过对称设置于支撑孔两侧的螺纹紧固件连接于支架的上臂上。

所述右背景板的左端对应所述螺纹紧固件处开设一个相应的圆孔和一个U 型槽，圆孔和U型槽分别用于安装螺纹紧固件，使右背景板可以穿过圆孔的螺纹紧固件为转轴实现旋转开合，圆孔和U型槽之间有所述定位孔的右半孔。

本发明通过构造与人手空间位置固定的连续背景装置实现扫描时的连续背景，使被扫描者的手臂通过连续背景装置的支撑工装稳定支撑，手掌从背景工装的定位孔中伸出，所以手掌不会出现抖动，并保持固定位置；通过左右背景板构造与人手空间位置固定的连续背景，然后以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘，实现人手快速扫描，能保证人手扫描模型的精度和效率，使人手模型更逼真和个性化，操作简单。

附图说明

图1为本发明一个实施例的装配示意图。

图2为图1的爆炸结构示意图。

图3为图1中右背景板打开状态的示意图。

具体实施方式

本发明公开的这种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，包括以下步骤：

(1)构造与人手空间位置固定的连续背景

三维激光扫描仪是在已识别出的表面坐标信息的基础上，将其临近的、新扫描的表面信息添加在已有表面模型中，从而得到被测物体表面空间坐标信息。因此，三维激光扫描仪在对被测物体进行扫描的同时，也会扫描得到其临近物体(在此称为背景)空间坐标信息，并在模型中出现。

由于被测物体与背景之间的空间关系是固定的，在扫描被测物体的同时，扫描仪软件会将扫描得到的背景坐标信息添加到模型中相应位置；反之，在扫描背景时，扫描仪软件也会将同时扫描得到的被测物体表面坐标信息添加到背景模型中相应位置。

本发明就是利用上述原理实现人手的快速扫描，故要建立连续背景。该连续背景通过建立以下连续背景装置实现。

如图1至图3所示，连续背景装置包括支撑工装和连接于其上端的背景工装，支撑工装包括支架1和撑杆2，背景工装包括左背景板3和右背景板4。实际上，背景工装也是被测物体，为与人手区别，在此称为背景工装。由于三维激光扫描仪对平面物体的扫描精度较高，故背景工装设计成平面结构。支撑工装置于桌面或者台面上，通过支撑工装给人手提供支撑，避免人手抖动，从而提高扫描速度。

为提高连续背景的扫描精度，背景工装的材料有以下要求：

(1)对激光的反射较强，吸收尽量小，且不能产生透射；

(2)能形成漫反射。

本实施例将背景工装的左、右背景板采用三夹板制备，它们的尺寸相同。在左背景板的长度方向右端和右背景板的左端分别开设半椭圆孔，且其中一个半椭圆还带直边，左右背景板以两个半椭圆孔围成定位孔拼装于支撑工装的上端，如图1至图3所示。

如图2所示，本实施例支架1为包括上臂和侧臂的7字型板架，支架上用于支撑手臂的支撑孔11的上部位于上臂的拐角处，下部位于侧臂的拐角处。

本实施例采用长方形的亚克力板制备支架，亚克力板根据设计尺寸裁剪好后，在设定位置切割好手臂的支撑孔后折弯成形。切割位置宜位于长方形板体的宽度方向中心面上。本实施例优选支撑孔切割时为沿板体长度方向的椭圆孔，折弯成形时，将椭圆孔的上部约1/3位于上臂拐角处。

本实施例的撑杆采用铝合金制备，其一端为螺纹段。撑杆2连接于支架侧臂的下部，在支架1侧臂的下部钻有安装孔。撑杆安装时，将其螺纹段插入安装孔中，螺纹段对应安装孔的两侧分别拧上调节螺母5和锁紧螺母6。因为每个人的手臂长度不同，可通过旋转调节螺母5来调整撑杆2的支撑长度以调整整个支撑架的倾斜角度，使被扫描者手臂的肘关节置于台面上，前臂或者腕关节置于支撑孔11中。

为了防止支架1和撑杆2打滑，在支架1的侧臂下缘和撑杆2的外端套上橡胶材质的防滑套FHT。

背景工装和支撑工装之间通过螺栓、螺母及垫片连接固定。

在支架1上臂上对应支撑孔的两侧对称设置有螺栓安装孔，左背景板3上的半椭圆孔位置与支架1上臂上的支撑孔部分对应，在半椭圆孔的两侧设置相应的螺栓安装孔，右背景板4的长度方向左端对应其带直边的半椭圆孔两侧设置一个相应的螺栓安装孔和一个U型槽，如图1和图3所示。

背景工装与支撑工装装配时，先将左背景板的右端置于支架的上臂上，使两者的螺栓安装孔位置对正，然后将右背景板的左端置于左背景板的右端上，然后通过穿过圆孔和U型槽的螺栓将右背景板、左背景板和支架连接为一体，且使右背景板可以穿过圆孔的螺栓为转轴相对左背景板3旋转开合。

(2)根据三维激光扫描仪的要求，分别在连续背景上和人手上粘贴定位标点；

在左、右背景板靠近定位孔处粘贴定位标点，这是因为人手从定位孔中伸出保持空间位置被扫描，应使定位标点尽量靠近人手位置；为了保证人手模型的精确性，人手上的定位标点数量尽量少，不要粘贴在人手的关节处，且尽量靠近手指边缘。

(3)以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘；

定位标点粘贴完毕后，将右背景板旋转打开，如图3所示。使被扫描者的肘关节置于桌面上，前臂或者腕关节置于支架上的支撑孔处，手掌从背景工装的定位孔中伸出保持空间位置，然后将右背景板回位，如图1所示。

扫描手心和手背时，先扫描靠近手心和手背的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成手心、手背的扫描。

扫描人手侧面时，将扫描仪的激光调为线形，先扫描靠近手侧面的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成人手侧面扫描。

扫描手指边缘时，扫描仪先扫描靠近手指的手心或手背处，然后按照扫描仪要求的速度，将扫描仪的激光线指向手指边缘，自下而上运动，同时向左或者向右旋转，快速完成手指边缘扫描。

本发明通过构造与人手空间位置固定的连续背景装置实现扫描时的连续背景，使被扫描者的手臂通过连续背景装置的支撑工装稳定支撑，手掌从背景工装的定位孔中伸出，所以手掌不会出现抖动，并保持固定位置；通过左右背景板构造与人手空间位置固定的连续背景，然后以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘，实现人手快速扫描，能保证人手扫描模型的精度和效率，使人手模型更逼真和个性化，操作简单。

Claims (8)

1.一种基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，包括以下步骤：

(1)构造与人手空间位置固定的连续背景；

(2)根据三维激光扫描仪的要求，分别在连续背景和人手上粘贴定位标点；

(3)以连续背景为基准分别扫描手心、手背、侧面和手指边缘；

步骤(1)的连续背景通过连续背景装置实现，连续背景装置包括背景工装和连接于其下方的支撑工装，背景工装的中间位置处有定位孔，支撑工装置于台面上，被扫描者的手臂置于支撑工装上，手掌从定位孔中伸出保持空间位置等待扫描；

步骤(2)中，连续背景上的定位标点尽量靠近定位孔；人手上的定位标点数量尽量少，不要粘贴在人手的关节处，尽量靠近手指边缘；

步骤(3)中，

扫描手心和手背时，先扫描靠近手心和手背的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成手心、手背的扫描；

扫描人手侧面时，将扫描仪的激光调为线形，先扫描靠近手侧面的背景，然后按照扫描仪要求的速度移动扫描仪，自下而上运动，同时向左向右旋转，快速完成人手侧面扫描；

扫描手指边缘时，扫描仪先扫描靠近手指的手心或手背处，然后按照扫描仪要求的速度，将扫描仪的激光线指向手指边缘，自下而上运动，同时向左或者向右旋转，快速完成手指边缘扫描。

2.如权利要求1所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述支撑工装包括支架和撑杆，撑杆的一端连接于支架的下部，通过支架的下缘和撑杆的另一端支撑整个工装，被扫描者的手臂置于支架的上端。

3.如权利要求2所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述支架为包括上臂和侧臂的7字型板架，在其两臂拐角处有用于支撑被扫描者手臂的支撑孔，支撑孔的上部位于上臂上，下部位于侧臂上。

4.如权利要求3所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述撑杆的一端连接于侧臂的下部，侧臂的下缘和撑杆的另一端分别设有防滑套。

5.如权利要求4所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述撑杆的侧臂连接段为螺纹段，螺纹段上连接有锁紧螺母和调节螺母。

6.如权利要求3所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述背景工装包括尺寸相同的左背景板和右背景板，左背景板可拆卸固定于所述支架的上臂上，右背景板可拆卸固定于左背景板上，右背景板可相对于左背景板旋转开合。

7.如权利要求6所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述左背景板的右端对应所述支架上臂上的支撑孔处有相应的孔作为所述定位孔的左半孔，左背景板通过对称设置于支撑孔两侧的螺纹紧固件连接于支架的上臂上。

8.如权利要求7所述的基于背景的手持式三维激光扫描仪快速扫描人手方法，其特征在于：所述右背景板的左端对应所述螺纹紧固件处开设一个相应的圆孔和一个U型槽，圆孔和U型槽分别用于安装螺纹紧固件，使右背景板可以穿过圆孔的螺纹紧固件为转轴实现旋转开合，圆孔和U型槽之间有所述定位孔的右半孔。