CN111721197A - 一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法 - Google Patents

一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法,测量装置包括双目相机和若干阵列状贴覆在人体表面单色LED发光管,每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接;单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态;双目相机的两组镜头用于同时拍摄人体正面或反面内每个单色LED发光管坐标位置图像,通过两组镜头在拍摄任意一组单色LED发光管时的焦距和该单色LED发光管在拍摄图像中的坐标位置计算得到每一个单色LED发光管的精确空间坐标。通过采集人体表面全部单色LED发光管的三维坐标,进而获取人体表面的三维坐标集合,能够完成人体模型的重建。

Description

一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法
技术领域
本发明涉及人体三维点阵模型技术领域,具体的说是一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法。
背景技术
人体尺寸与人体模型作为人体几何信息的表征,在人体工程学设计、服装个性化定制、虚拟试衣和人类学研究等领域有着广泛的应用。现有基于扫描的人体重建方法依赖于专业设备,存在使用成本高昂、计算量大、易受环境影响等缺点,限制了其应用场景。在人体表面尺寸和相对位置确定方面,可以通过接收人体表面点阵坐标信号完成对人体表面三维点坐标信息的采集,构建人体模型。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于双目立体的身体模型测量装置及方法,该种装置通过确定贴覆在人体表面单色LED发光管的三维坐标,并通过所有单色LED发光管的三维坐标对人体模型进行重建。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于双目立体的身体模型测量装置,其特征在于:包括双目相机和若干单色LED发光管,所述的单色LED发光管在通电状态时能够点亮发出波长稳定的单色光,所述的单色LED发光管阵列状贴覆在人体表面,所述的人体表面分为正面和反面;
每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;
每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接;
所述的负极控制器、正极控制器均与控制器信号连接,所述的控制器用于控制负极控制器、正极控制器的开关状态,所述的单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态;
所述的双目相机的两组镜头均水平拍摄,所述的双目相机的两组镜头用于同时拍摄人体正面或反面内每个单色LED发光管坐标位置图像,存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到;通过两组镜头在拍摄任意一组单色LED发光管时的焦距和该单色LED发光管在拍摄图像中的坐标位置计算得到每一个单色LED发光管的精确空间坐标。
所述的人体表面覆盖有弹力线交错制成的弹力线网格,所述的单色LED发光管固定设置在弹力线网格的交点处。
一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:在人体表面阵列贴覆单色LED发光管,所有单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于点亮状态,存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到,具体测量步骤如下:
步骤1,水平固定双目相机,使双目相机水平拍摄,将人体正面朝向双目相机,所述的人体正面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤2,在单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态的控制标准下,控制器驱动第一组单色LED发光管处于点亮状态;
步骤3,双目相机同时拍摄一组点亮的单色LED发光管获得两张图像,在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标;
步骤4,根据两张图像中单色LED发光管中心位置坐标、相机的焦距和双目相机镜头中心的距离,确定对应单色LED发光管的空间位置坐标;
步骤5,控制器驱动第一组单色LED发光管断电熄灭,同时驱动第二组单色LED发光管处于点亮状态,重复步骤3至步骤4,直至遍历全部无线发射模块;
步骤6,完成人体正面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤7,在水平方向上调整水平双目相机和人体之间的相对位置,使人体反面朝向双目相机,所述的人体反面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤8,重复步骤2至步骤5,完成人体反面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤9,利用点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到的若干单色LED发光管在两次采集过程中的坐标数据,以人体正面单色LED发光管空间坐标位置为基准,根据相对位置关系调整人体反面各个单色LED发光管的空间坐标,形成人体表面相对位置正确的三维坐标点集;
步骤10,获取相对位置正确的人体表面全部单色LED发光管空间坐标位置集合后,通过网格构建方法完成人体三维模型构建。
所述的步骤3中,采集到在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2),由于双目相机的两组镜头水平拍摄,则Y=y1=y2。
所述的步骤4中,确定对应单色LED发光管的空间坐标位置(x,y,z):
Figure BDA0002491691420000031
式中,d为视差,d=|x2-x1|,f为相机的焦距,b为基线即双目相机镜头中心的距离。
所述的步骤10中,获取全部单色LED发光管中心位置精确坐标后,人体三维模型构建的方法包括但不限于基于多项式拟合的NURBS模型重建方法,基于层次B样条的网格模型重建方法,三角形网格模型重建方法和四边形网格模型重建方法。
所述的双目相机的两组镜头均覆盖有滤色片,所述的滤色片用于过滤单色LED发光管所用颜色之外的其他颜色,使拍摄得到的图片中仅有点亮的单色LED发光管图像。
该种基于双目立体的身体模型测量装置及方法能够产生的有益效果为:
第一,每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接,该种结构下通过对负极控制器进行顺次扫描,在对每一个负极控制器进行扫描的过程中,对每一个正极控制器进行顺次扫描,保证了单色LED发光管能够全部顺次通电,完成单色LED发光管的全遍历。
第二,通过计算两张图像中单色LED发光管中心位置坐标、相机的焦距和双目相机镜头中心的距离,能逐一确定每一组单色LED发光管的空间位置坐标,得到人体表面的坐标集合;为人体模型提供了边界数据,也为后续的人体模型重建提供了基础。
第三,部分设置在人体侧面边缘的单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到,用于作为基准点实现全部单色LED发光管相对位置的校准,理论上其余单色LED发光管在不重合的状态下可以任意设置,对设备位置的限定较低。
附图说明
图1为本发明一种基于双目立体的身体模型测量装置中单色LED发光管灯组的结构原理图。
图2为本发明一种基于双目立体的身体模型测量装置中单色LED发光管灯组的电路结构示意图。
图3为本发明一种基于双目立体的身体模型测量装置中正极控制器和负极控制器的电压波形图
图4为本发明一种基于双目立体的身体模型测量方法中以三角面片法进行人体模型重建过程中离散点与网格的关系示意图。
图5为本发明一种基于双目立体的身体模型测量方法中以三角面片法进行人体模型重建过程中网格化结果意图。
图6为本发明一种基于双目立体的身体模型测量装置的结构原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
如图6所示,一种基于双目立体的身体模型测量装置,包括控制中心、双目相机和若干贴覆在人体表面的单色LED发光管,所述的单色LED发光管在通电状态时能够点亮发出波长稳定的单色光,所述的单色LED发光管阵列状贴覆在人体表面,所述的人体表面分为正面和反面;双目相机通过分别采集人体正面和人体反面的每个单色LED发光管位置坐标。
如图1所示,人体表面覆盖有弹力线交错制成的弹力线网格,所述的单色LED发光管固定设置在弹力线网格的交点处;每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接;所述的负极控制器、正极控制器均与控制器信号连接,所述的控制器用于控制负极控制器、正极控制器的开关状态,所述的单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态;
进一步的,待测者通过穿着由弹力线网格制成的束身衣,将位于弹力线网格交点处的单色LED发光管贴覆在人体表面。在单色LED发光管的固定过程中,存在若干单色LED发光管设置在人体侧面边缘,即存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到,所述的双目相机的两组镜头均水平设置且在竖直方向上高度相同,在扫描的过程中,优选的,两组镜头的拍摄方向与人体所在竖直面垂直。通过两组镜头在拍摄任意一组单色LED发光管时的焦距和该单色LED发光管在拍摄图像中的坐标位置计算得到每一个单色LED发光管的精确空间坐标。
进一步的,双目相机的两组镜头均覆盖有滤色片,所述的滤色片用于过滤单色LED发光管所用颜色之外的其他颜色,使拍摄得到的图片中仅有点亮的单色LED发光管图像。
一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:在人体表面阵列贴覆单色LED发光管,所有单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于点亮状态,存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到,具体测量步骤如下:
步骤1,水平固定双目相机,使双目相机水平拍摄,将人体正面朝向双目相机,所述的人体正面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤2,在单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态的控制标准下,控制器驱动第一组单色LED发光管处于点亮状态;
步骤3,双目相机同时拍摄一组点亮的单色LED发光管获得两张图像,在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标;
步骤4,根据两张图像中单色LED发光管中心位置坐标、相机的焦距和双目相机镜头中心的距离,确定对应单色LED发光管的空间位置坐标;
步骤5,控制器驱动第一组单色LED发光管断电熄灭,同时驱动第二组单色LED发光管处于点亮状态,重复步骤3至步骤4,直至遍历全部无线发射模块;
步骤6,完成人体正面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤7,在水平方向上调整水平双目相机和人体之间的相对位置,使人体反面朝向双目相机,所述的人体反面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤8,重复步骤2至步骤5,完成人体反面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤9,利用点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到的若干单色LED发光管在两次采集过程中的坐标数据,以人体正面单色LED发光管空间坐标位置为基准,根据相对位置关系调整人体反面各个单色LED发光管的空间坐标,形成人体表面相对位置正确的三维坐标点集;
步骤10,获取相对位置正确的人体表面全部单色LED发光管空间坐标位置集合后,通过网格构建方法完成人体三维模型构建。
进一步的,步骤3中,采集到在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2),由于双目相机的两组镜头水平拍摄,则Y=y1=y2。
进一步的,步骤4中,确定对应单色LED发光管的空间坐标位置(x,y,z):
Figure BDA0002491691420000061
式中,d为视差,d=|x2-x1|,f为相机的焦距,b为基线即双目相机镜头中心的距离。
本实施例中,每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接,该种结构中控制中心通过对负极控制器进行顺次扫描,在对每一个负极控制器进行扫描的过程中,对每一个正极控制器进行顺次扫描,保证了单色LED发光管能够全部顺次通电,完成单色LED发光管的全遍历。如图2所示,每个负极控制器和每个正极控制器都和控制中心MCU的一个控制管脚相连,控制中心MCU能够控制每个负极控制器和每个正极控制器的连通状态;在控制中心MCU的控制下每个负极控制器和每个正极控制器的电压波形如图3所示,在一组负极控制器处于工作状态时,完成所有正极控制器的遍历,当所有负极控制器依次通电后,完成全部无线发射模块的通电遍历。
进一步的,步骤10中,获取全部单色LED发光管中心位置精确坐标后,人体三维模型构建的方法包括但不限于基于多项式拟合的NURBS模型重建方法,基于层次B样条的网格模型重建方法,三角形网格模型重建方法和四边形网格模型重建方法。
本实施例中,将采集到的全部无线发射模块精确坐标发送到控制中心,采用三角形网格模型重建方法完成人体模型重建,具体步骤如下:
步骤7.1,将三维坐标点投影到XOZ平面,变成二维离散数据;
步骤7.2,针对离散数据确定如下规则网格构建准则:规则网格包含所有离散点,每个离散点对应一个单元格,且一个单元格内的离散点数量小于2。当单元格内存在一个离散点时表示该单元格有值,用1表示,称为有值单元格,当不存在离散点时表示该单元格无值,即为Null,称为空值单元格;
步骤7.3,设定每次搜索需要参考的有值单元格的数量,用Nc表示,根据有值单元格在网格中的密度,确定一个正方形搜索范围R[Xmin,Zmin,Xmax,Zmax];
步骤7.4,寻找到离散点中距离最近的二个点为基线,生成三角形。并将三条边记为1。
步骤7.5,取一条标记为1的边作为基线,并在区域R中搜索有值网格,并生成三角形,将同时将基线记为0。其他两条边记为1。
步骤7.6,重复步骤7.5,直到所有边为0,完成整个二维表格的遍历,完成构件覆盖整个人体表面的三角形网格,形成人体模型。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双目立体的身体模型测量装置,其特征在于:包括双目相机和若干单色LED发光管,所述的单色LED发光管在通电状态时能够点亮发出波长稳定的单色光,所述的单色LED发光管阵列状贴覆在人体表面,所述的人体表面分为正面和反面;
每一行单色LED发光管的负极均相互连接并通过一组负极控制器与电源负极连接;
每一列单色LED发光管的正极均相互连接并通过一组正极控制器与电源正极连接;
所述的负极控制器、正极控制器均与控制器信号连接,所述的控制器用于控制负极控制器、正极控制器的开关状态,所述的单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态;
所述的双目相机的两组镜头均水平拍摄,所述的双目相机的两组镜头用于同时拍摄人体正面或反面内每个单色LED发光管坐标位置图像,存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到;通过两组镜头在拍摄任意一组单色LED发光管时的焦距和该单色LED发光管在拍摄图像中的坐标位置计算得到每一个单色LED发光管的精确空间坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:所述的人体表面覆盖有弹力线交错制成的弹力线网格,所述的单色LED发光管固定设置在弹力线网格的交点处。
3.一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:在人体表面阵列贴覆单色LED发光管,所有单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于点亮状态,存在若干单色LED发光管在点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到,具体测量步骤如下:
步骤1,水平固定双目相机,使双目相机水平拍摄,将人体正面朝向双目相机,所述的人体正面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤2,在单色LED发光管在同一时间有且只有一组处于工作状态的控制标准下,控制器驱动第一组单色LED发光管处于点亮状态;
步骤3,双目相机同时拍摄一组点亮的单色LED发光管获得两张图像,在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标;
步骤4,根据两张图像中单色LED发光管中心位置坐标、相机的焦距和双目相机镜头中心的距离,确定对应单色LED发光管的空间位置坐标;
步骤5,控制器驱动第一组单色LED发光管断电熄灭,同时驱动第二组单色LED发光管处于点亮状态,重复步骤3至步骤4,直至遍历全部无线发射模块;
步骤6,完成人体正面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤7,在水平方向上调整水平双目相机和人体之间的相对位置,使人体反面朝向双目相机,所述的人体反面所在竖直面与双目相机拍摄方向垂直;
步骤8,重复步骤2至步骤5,完成人体反面全部单色LED发光管空间坐标位置的采集;
步骤9,利用点亮时既能够在拍摄人体正面时被双目相机的两组镜头拍摄到,也能够在拍摄人体反面时被双目相机的两组镜头拍摄到的若干单色LED发光管在两次采集过程中的坐标数据,以人体正面单色LED发光管空间坐标位置为基准,根据相对位置关系调整人体反面各个单色LED发光管的空间坐标,形成人体表面相对位置正确的三维坐标点集;
步骤10,获取相对位置正确的人体表面全部单色LED发光管空间坐标位置集合后,通过网格构建方法完成人体三维模型构建。
4.根据权利要求3所述的一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:所述的步骤3中,采集到在同一坐标系中获取两张图像中单色LED发光管中心位置坐标分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2),由于双目相机的两组镜头水平拍摄,则Y=y1=y2。
5.根据权利要求4所述的一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:所述的步骤4中,确定对应单色LED发光管的空间坐标位置(x,y,z):
Figure FDA0002491691410000021
式中,d为视差,d=|x2-x1|,f为相机的焦距,b为基线即双目相机镜头中心的距离。
6.根据权利要求3所述的一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:所述的步骤10中,获取全部单色LED发光管中心位置精确坐标后,人体三维模型构建的方法包括但不限于基于多项式拟合的NURBS模型重建方法,基于层次B样条的网格模型重建方法,三角形网格模型重建方法和四边形网格模型重建方法。
7.根据权利要求3所述的一种基于双目立体的身体模型测量方法,其特征在于:所述的双目相机的两组镜头均覆盖有滤色片,所述的滤色片用于过滤单色LED发光管所用颜色之外的其他颜色,使拍摄得到的图片中仅有点亮的单色LED发光管图像。
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Denomination of invention: A body model measurement device and method based on binocular stereo vision

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