CN111803071B - 耳朵外观轮廓三维扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维扫描领域，尤其涉及一种耳朵外观轮廓三维扫描系统及方法。其中，耳朵外观轮廓三维扫描系统包括红外线采集装置，其全方位包绕住耳部，用于分别采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号并传送至热成像模块；热成像模块，其用于根据接收到的热辐射信号生成热成像图像；图像处理模块，其用于对形成的热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

Description

耳朵外观轮廓三维扫描系统及方法

技术领域

本发明属于三维扫描领域，尤其涉及一种耳朵外观轮廓三维扫描系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

三维扫描广泛应用于虚拟现实、计算机动画行业、建筑行业、服装设计领域等，在医学领域主要用于结构不复杂的身体部位。人耳面积较小，沟回较多，导致耳部的三维扫描更容易受到光照和姿势的影响。现有技术中利用手持三维扫描装置对患者健康耳朵进行3D扫描时，通常是将三维扫描装置绕待扫描物体旋转一周，拍摄一组图像序列，利用该图像序列以及三维扫描装置在拍摄图像时与待扫描物体之间的距离等参数，确定扫描物体的3D模型。

发明人发现，利用手持三维扫描装置对患者健康耳朵进行3D扫描的这种方法由于耳部的盲区过多，需要后期根据经验人工拼接，且利用激光法三维扫描精度低，且耳朵靠近头部，激光测量对人体影响较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种耳朵外观轮廓三维扫描系统及方法，有效地解决扫描中的盲区问题，提高了扫描效率和扫描精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种耳朵外观轮廓三维扫描系统。

一种耳朵外观轮廓三维扫描系统，包括：

红外线采集装置，其全方位包绕住耳部，用于分别采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号并传送至热成像模块；

热成像模块，其用于根据接收到的热辐射信号生成热成像图像；

图像处理模块，其用于对形成的热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

本发明的第二个方面提供一种耳朵外观轮廓三维扫描方法。

一种耳朵外观轮廓三维扫描方法，包括：

采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号；

根据热辐射信号生成热成像图像；

对热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用红外线采集装置采集耳部的全方位不同位置处的热辐射信号，热成像模块根据接收到的热辐射信号生成热成像图像，图像处理模块对形成的热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型，一方面可监测到耳部的盲区，提高了扫描的精确度；另一方面，利用热成像原理将人耳发出的热辐射信号放大，并生成各方位热图像，应用热图像法防止了激光照射对人体的损害，可以直接提取耳廓坐标，省去了距离及角度等的大量计算，缩减了计算时间；本发明生成的耳朵外观轮廓三维模型可用于全耳再造。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的耳朵外观轮廓三维扫描系统原理图；

图2是本发明实施例的红外线采集装置示意图；

图3(a)是本发明实施例的红外线采集装置侧视图；

图3(b)是本发明实施例的红外线采集装置正视图；

图4是本发明实施例的三维重建原理图；

图5是本发明实施例的耳朵外观轮廓三维扫描方法流程图。

其中，1-第一红外线采集模块安装位置；2-第二红外线采集模块安装位置；3-第三红外线采集模块安装位置；4-第四红外线采集模块安装位置；5-第五红外线采集模块安装位置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

图1给出了本实施例的耳朵外观轮廓三维扫描系统结构示意图。

如图1所示，本实施例的耳朵外观轮廓三维扫描系统，包括：

(1)红外线采集装置，其全方位包绕住耳部，用于分别采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号并传送至热成像模块。

在本实施例中，每组全方位热辐射信号至少包括耳前、耳后、耳廓上、耳廓下、耳廓侧这五个方位的热辐射信号。

其中，所述红外线采集装置包括至少五个红外线采集模块，用于至少采集耳前、耳后、耳廓上、耳廓下、耳廓侧这五个方位的热辐射信号。

在具体实施中，红外线采集装置可为手持环绕耳朵外观结构。

例如：红外线采集模块固定在开口式球形支架上。具体地，开口式球形支架为半圆形支架，左右耳存在镜像翻转，包绕在耳朵的外侧，既可以确定坐标平面，又解决了手持移动手抖问题。

在具体实施中，红外线采集模块采用红外线传感器来实现。其中，红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器，有灵敏度高等优点，红外线传感器可以控制驱动装置的运行。

红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即-273℃的物质都可以产生红外线。根据发出方式不同，红外传感器可分为主动式和被动式两种。

本实施例的红外线采集模块采用被动红外传感器来实现。被动红外传感器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。传感器器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷。这种传感器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。被动红外传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦入侵人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜而聚焦，从而被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消。

如图2、图3(a)和图3(b)所示，在半圆形支架上安装有第一红外线采集模块、第二红外线采集模块、第三红外线采集模块、第四红外线采集模块和第五红外线采集模块这五个红外线采集模块。其中，第一红外线采集模块和第三红外线采集模块扫描耳部横沟回，第二红外线采集模块和第五红外线采集模块扫描耳部纵沟回，第四红外线采集模块扫描外耳背部，如图2给出了第一红外线采集模块安装位置1、第二红外线采集模块安装位置2、第三红外线采集模块安装位置3、第四红外线采集模块安装位置4和第五红外线采集模块安装位5。

其中，第一红外线采集模块、第二红外线采集模块、第三红外线采集模块、第四红外线采集模块和第五红外线采集模块这五个红外线采集模块的结构相同，此处不再累述。

扫描开始后定位扫描，以半球体表面中心点与球心连线、以半球体表面中心点与球心连线垂线为轴，在冠状平面和水平面前后各旋转预设角度，比如10度，再次定位扫描，这样能够以获得多组耳部不同旋转角度下的热辐射信号。由于耳廓的遮挡，红外线采集模块可以通过旋转避开耳廓的遮挡。再次定位扫描，提取热辐射信号，并将信号传递给热成像模块。保证红外线采集模块从不同视角对待耳表面进行全方位扫描，有效地解决扫描中的盲区问题，提高了扫描效率和扫描精度。

此处不需要说明的是，在其他实施例中，红外线采集模块也可固定在开口式椭球形支架上。

(2)热成像模块，其用于根据接收到的热辐射信号生成热成像图像。

热成像模块利用热成像原理，将热辐射信号生成热成像图像。

其中，热成像是一种被称为“红外热成像”的神奇技术能够将热辐射图像转换成可见光图像，它能让人们看到过去看不到的东西。实现这一转换的设备称为热像仪，通过这个热像仪，可以让我们在漆黑的夜里看到有如白天的景象。

所有不处于绝对零度的物体，均会发出不同波长的电磁辐射，物体的温度越高，分子或原子的热运动越剧烈，则红外辐射越强。辐射的频谱分布或波长与物体的性质和温度有关。衡量物体辐射能力大小的量，称为辐射系数。黑颜色或表面颜色较深的物体，辐射系数大，辐射较强；亮颜色或表面颜色较浅的物体，辐射系数小，辐射较弱。人眼仅能看到很狭窄的一段波长的电磁辐射，称为可见光谱。而对于波长在0.4um以下或0.7um以上的辐射，人眼则无能为力了。电磁波谱中红外区域的波长在0.7um～1mm之间，人眼看不到红外辐射。现代的热成像装置工作在中红外区域(波长3～5um)或远红外区域(波长8～12um)。通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏，能探测到小于0.1℃的温差。工作时，热成像仪利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后来自与每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，可以在标准的视频监视器上显示出来，或记录在录像带上。由于热成像系统探测的是热而不是光，所以可全天候使用；又因为它完全是被动式的装置，没有光辐射或射频能量，所以不会暴露使用者的位置。

(3)图像处理模块，其用于对形成的热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

具体地，在所述图像处理模块中，对多片数据配准成一片，并对配准后的数据进行点云数据建网融合。

配准融合方法与现有点云网格融合方法一致，在此以三组二维坐标转化三维坐标为例。

如图4所示，设物体表面一点O，在两个热成像扫描仪生成的二维坐标C₁、C₂和C₃所成图像上标记为O₁、O₂和O₃。本发明使用的三维模型重建的方法为通过检测C₁、C₂和C₃中待测点的坐标，回算三维图形中对应点坐标。

假定C₁、C₂和C₃已经标定，M₁、M₂和M₃分别是C₁、C₂和C₃的扫描矩阵。

则：

其中(u₁,v₁,1)、(u₂,v₂,1)和(u₃,v₃,1)分别为C₁、C₂和C₃上标定点的齐次坐标，(X,Y,Z,1)是O在三维坐标中的齐次坐标。通过线性方程，小二乘法便可求出三维坐标中O的坐标。以此重建三维坐标。

实施例二

如图5所示，本发明实施例提供了一种耳朵外观轮廓三维扫描方法，其包括：

步骤1：采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号；

步骤2：根据热辐射信号生成热成像图像；

步骤3：对热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

具体地，在对形成的热成像图像进行多层配准融合的过程中，对多片数据配准成一片，对配准后的数据进行点云数据建网融合。

配准融合方法与现有点云网格融合方法一致，在此以三组二维坐标转化三维坐标为例。

如图4所示，设物体表面一点O，在两个热成像扫描仪生成的二维坐标C₁、C₂和C₃所成图像上标记为O₁、O₂和O₃。本发明使用的三维模型重建的方法为通过检测C₁、C₂和C₃中待测点的坐标，回算三维图形中对应点坐标。

假定C₁、C₂和C₃已经标定，M₁、M₂和M₃分别是C₁、C₂和C₃的扫描矩阵。

则：

其中(u₁,v₁,1)、(u₂,v₂,1)和(u₃,v₃,1)分别为C₁、C₂和C₃上标定点的齐次坐标，(X,Y,Z,1)是O在三维坐标中的齐次坐标。通过线性方程，小二乘法便可求出三维坐标中O的坐标。以此重建三维坐标。

本实施例可以有效提高3D建模的精度，使用环绕式外形避免手持不平稳等客观因素的影响，同时红外热成像技术无辐射,通过接收人体代谢时产生的热辐射,且不与人体接触,可监测到耳部的盲区，提高了扫描的精确度；利用热成像原理将人耳发出的热辐射信号放大，并生成各方位热图像，应用热图像法防止了激光照射对人体的损害，可以直接提取耳廓坐标，省去了距离及角度等的大量计算，缩减了计算时间。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耳朵外观轮廓三维扫描系统，其特征在于，包括：

红外线采集装置，其全方位包绕住耳部，用于分别采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号并传送至热成像模块；具体的，在所述红外线采集装置采集热辐射信号的过程中，扫描开始后定位扫描，以半球体表面中心点与球心连线、以半球体表面中心点与球心连线垂线为轴，在冠状平面和水平面前后各旋转预设角度，再次定位扫描，以获得多组耳部不同旋转角度下的热辐射信号；

热成像模块，其用于根据接收到的热辐射信号生成热成像图像；

图像处理模块，其用于对形成的热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

2.如权利要求1所述的耳朵外观轮廓三维扫描系统，其特征在于，所述红外线采集装置包括至少五个红外线采集模块，用于至少采集耳前、耳后、耳廓上、耳廓下、耳廓侧这五个方位的热辐射信号。

3.如权利要求2所述的耳朵外观轮廓三维扫描系统，所述红外线采集模块固定在开口式椭球形支架上。

4.如权利要求2所述的耳朵外观轮廓三维扫描系统，其特征在于，所述红外线采集模块固定在开口式球形支架上。

5.如权利要求1所述的耳朵外观轮廓三维扫描系统，其特征在于，在所述图像处理模块中，对多片数据配准成一片，并对配准后的数据进行点云数据建网融合。

6.如权利要求1所述的耳朵外观轮廓三维扫描系统，其特征在于，在所述图像处理模块中，通过线性方法及小二乘法将已标定的热成像图像中的二维坐标点，回算成三维图形中对应点坐标，重构出耳朵外观轮廓三维模型。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的系统的耳朵外观轮廓三维扫描方法，其特征在于，包括：

采集包含耳前、耳后、耳廓上、耳廓下以及耳廓侧方位不同位置处的热辐射信号；具体的，在红外线采集装置采集热辐射信号的过程中，扫描开始后定位扫描，以半球体表面中心点与球心连线、以半球体表面中心点与球心连线垂线为轴，在冠状平面和水平面前后各旋转预设角度，再次定位扫描，以获得多组耳部不同旋转角度下的热辐射信号；

根据热辐射信号生成热成像图像；

对热成像图像进行多层配准融合，生成耳朵外观轮廓三维模型。

8.如权利要求7所述的耳朵外观轮廓三维扫描方法，其特征在于，在对形成的热成像图像进行多层配准融合的过程中，对多片数据配准成一片，对配准后的数据进行点云数据建网融合。

9.如权利要求7所述的耳朵外观轮廓三维扫描方法，其特征在于，在对形成的热成像图像进行多层配准融合的过程中，通过线性方法及小二乘法将已标定的热成像图像中的二维坐标点，回算成三维图形中对应点坐标，重构出耳朵外观轮廓三维模型。

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