CN112729156A - 一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，包括以下步骤：对第一双目传感器、第二双目传感器、第三双目传感器进行立体标定建立测量坐标系，确定第一双目传感器的测量坐标系为全局坐标系；确定转台的转轴在全局坐标系中的位置关系；将每次第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据；将多个初步拼接数据基于绕转轴逆旋转相应角度实现旋转拼接。本发明提出的数据拼接及系统标定方法简单，无需设置移动导轨，减少了标定过程的环境与实际测量的差异，提高了测量精度，降低了劳动强度。

Description

一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法

技术领域

本发明属于非接触式人体测量技术领域，具体而言，涉及一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法。

背景技术

目前，人体测量是建立人体数字化三维模型的重要手段，智能化服装生产、医学整形、3D打印等领域均对以光学测量技术为主的非接触式人体测量有着广泛的需求。在服装生产领域，随着人们物质水平的提高，消费者对着装的舒适性、美观性、个性化水平要求越来越高。具体地，在批量制衣领域中，服装制作厂商主要还是按照现有的服装型号标准进行批量化制作。而中国人口众多，不同地域、不同年龄的人体型差异较大，有限的服装型号标准无法覆盖多样化的体型，这不仅在一定程度上影响着着装的美观性和舒适性；并且可能会对人在工作和运动中的灵活舒展带来不便。随着智能制造技术的到来，制衣行业也在由传统的加工模式向数字化、智能化生产模式转变，建立符合本国人体体型分布情况的人体数据库则尤为重要。国外人体数字化测量方面起步较早，在本世纪初期发达国家就已经研制了多款人体三维测量系统，如法国立克公司的Vitus Smart型非接触式三维人体测量仪与德国Assyst Bullmer公司的TELMAT型三维人体测量仪，美国的Cyberware Wb4、英国的Wicks and Wislon Triform、日本的Hamamatsu BodyLine等扫描仪。近年来，国内在人体测量系统方面也开展了大量的研发工作，北京博维恒信公司推出了国内首套具有自主知识产权的3D CaMega人体扫描系统，该系统共有8个双目结构光扫描仪，其中每个立柱上分布2个扫描仪，总占地空间为2700mm×2200mm×2100mm，测量精度为0.5mm，系统扫描时间小于8秒。综上所述，国内外已经有多款可以获取完整人体稠密数据的三维扫描仪，虽然测量原理不尽相同，但目前的主要测量方式都是多传感器多立柱组合测量。国内外的非接触式人体测量仪多通过双目传感器完成测量任务，双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成，基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务，如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此，双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三维测量，就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系(即全局标定)。因此，在实际测量之前，先要对摄像机进行参数标定。一般方法是，传感器被提供给整个系统使用前，就离线完成传感器的内部参数及结构参数的标定，采用一标准二维精密靶标及一维精密导轨，通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标，通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的对应关系求得这些参数。

这种方法的缺点是：标定过程中，需要精确调整靶标与导轨的垂直关系，而且需多次准确移动导轨；同时标定过程的环境与实际测量的情形有差异；传感器在安装的过程中，易引起部分参数的变化，需多次的拆卸；摄像机还需进行全局标定，由此可知标定的劳动强度大，精度难以保证。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，人体数字化测量装置具体包括转台、设于转台一侧的立柱，在立柱上自下往上依次间隔设置的第一双目传感器、第二双目传感器、第三双目传感器，转台上设置被测物，转台每次转动90°，转动3次后停止；数据拼接及系统标定方法包括以下步骤：对第一双目传感器、第二双目传感器、第三双目传感器进行立体标定建立测量坐标系，确定第一双目传感器的测量坐标系为全局坐标系；确定转台的转轴在全局坐标系中的位置关系；将每次第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据；将多个初步拼接数据基于绕转轴逆旋转相应角度实现旋转拼接。

进一步地，将每次第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据具体包括：获取转台在0°、90°、180°、270°时第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器测取被测物的点云数据；分别将转台在0°、90°、180°、270°时，将第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中以对应获取第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据。

进一步地，将第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中具体指：将第三双目传感器、第二双目传感器所测被测物的点云数据拼接至第二双目传感器的测量坐标系中，获取局部点云数据；将局部点云数据、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接至全局坐标系中，获取初步拼接数据。

进一步地，将多个初步拼接数据基于绕转轴逆旋转相应角度实现旋转拼接具体包括：获取基于罗德里格斯变换的绕转轴的拼接关系式；根据第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据结合绕转轴的拼接关系式实现整个系统的数据拼接。

进一步地，将每次第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中之前还包括：确立第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器之间的位姿关系标定。

进一步地，确立第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器之间的位姿关系标定之前还包括：设置靶标标定杆，间接建立第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器之间的公共视场；利用第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器获取多个靶标点的三维物理坐标；根据所测靶标点和靶标坐标系中物理点的对应关系可计算得到第三双目传感器、第二双目传感器、第一双目传感器之间位姿变换关系。

进一步地，被测物为长方体，与转台的转轴同轴且竖直放置在转台上。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出的人体数字化测量装置在满足人体三维数据测量的前提下，可以减少传感器的设置数量，不需要在转台的四周均设置传感器，因此减小了占地面积。且本发明提出的数据拼接及系统标定方法简单，无需设置移动导轨，减少了标定过程的环境与实际测量的差异，提高了测量精度，降低了劳动强度。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例的人体数字化测量装置的结构示意图；

图2示出了本发明的一个实施例的人体数字化测量装置的坐标系以及数据拼接示意图；

图3示出了本发明的一个实施例的靶标标定杆的结构示意图。

图中符号说明如下：

1转台、11转轴、2被测物、3第一双目传感器、4第二双目传感器、5第三双目传感器、6立柱、7靶标标定杆、71连杆、72靶标块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式及其有益效果作进一步地详细描述。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例提供了一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，人体数字化测量装置具体包括转台1、设于转台1一侧的立柱6，在立柱6上自下往上依次间隔设置的第一双目传感器3、第二双目传感器4、第三双目传感器5，转台1上设置被测物2，转台1每次转动90°，转动3次后停止，具体地，双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成，基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务，如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此，双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三维测量，就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系(即全局标定)。因此，在实际测量之前，先要对摄像机进行参数标定。

而本发明提出的人体数字化测量装置包括转台1，双目传感器分别对转台1上的被测物2进行四次测量，分别转台1的转动角度为0°、90°、180°、270°时。数据拼接及系统标定方法包括以下步骤：

步骤S1：对第一双目传感器3、第二双目传感器4、第三双目传感器5进行立体标定建立测量坐标系，确定第一双目传感器3的测量坐标系为全局坐标系；

步骤S2：确定转台1的转轴11在全局坐标系中的位置关系；

步骤S3：将每次第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3所测被测物2的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据；

步骤S4：将多个初步拼接数据基于绕转轴11逆旋转相应角度实现旋转拼接。

具体地，如图2所示，在一个测量周期中共有4个测量视角，每两个测量视角之间转台1旋转角度为90°，设定转台1起始位置为测量视角1，旋转90°、180°、270°处分别为视角2、视角3、视角4。标定第一双目传感器3、第二双目传感器4、第三双目传感器5的测量坐标系，其对应关系为第一双目传感器3(O₁X₁Y₁Z₁)、第二双目传感器4(O₂X₂Y₂Z₂)、第三双目传感器5(O₃X₃Y₃Z₃)，并确定第一双目传感器3的坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)为测量系统的全局坐标系。确定转台1的转轴11在坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)中的位置关系，具体为转轴11在坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)中的法向量(n_x，n_y，n_z)。

该系统的中涉及到两个部分的数据拼接，第一部分是立柱6上三个传感器所测点云的数据拼接，首先将第三双目传感器5所测点云和第二双目传感器4中所测点云拼接至第二双目传感器4的测量坐标系中，再将拼接后的点云拼接至传第一双目传感器3的测量坐标系中。这两者坐标转换过程分别如下：

其中，式(0-1)为坐标系(O₃X₃Y₃Z₃)到坐标系(O₂X₂Y₂Z₂)的位姿转换矩阵关系式，式(0-2)为坐标系(O₂X₂Y₂Z₂)到坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)的位姿转换矩阵关系式。(x₃，y₃，z₃)、(x₂，y₂，z₂)、(x₁，y₁，z₁)分别为三个坐标系中的测点坐标。因此，在转台1起始位置、旋转90°、180°、270°处4个测量视角处，每个视角三个双目传感器每次测量的点云数据均进行一侧拼接，对应四个视角获取四个初步拼接数据。

第二部分数据拼接，是将获取的四个初步拼接数据以转台1在起始位置为基准，其他3个视角可以通过绕转轴11分别逆旋转90°、180°、270°实现和视角1的数据拼接，最终完成整个系统点云数据的拼接，获取完整的被测物2的三位图像数据。

进一步地，将每次第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3所测被测物2的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据具体包括步骤：

步骤S1：获取转台1在0°、90°、180°、270°时第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3测取被测物2的点云数据；

步骤S2：分别将转台1在0°、90°、180°、270°时，将第三双目传感器5、第二双目传感器4所测被测物2的点云数据拼接至第二双目传感器4的测量坐标系中，将局部点云数据、第一双目传感器3所测被测物2的点云数据拼接至全局坐标系中，以对应获取第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据。

具体地，由于第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3分别对被测物2在转台1的起始位置即旋转角度为0°、旋转90°、旋转180°、旋转270°四个位置均获取不同视角的点云数据，因此在进行第一部分的数据拼接时，共获取四个不同角度的初步拼接数据，具体地，转台1的起始位置即旋转角度为0°对应第一初步拼接数据，转台1旋转90°对应第二初步拼接数据，转台1旋转180°对应第三初步拼接数据，转台1旋转270°对应第四初步拼接数据。

进一步地，将多个初步拼接数据基于绕转轴11逆旋转相应角度实现旋转拼接具体包括：

步骤S1：获取基于罗德里格斯变换的绕转轴11的拼接关系式；

步骤S1：根据第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据结合绕转轴11的拼接关系式实现整个系统的数据拼接。

具体地，绕转轴11的拼接关系式如下所示：

第二部分的数据拼接，是将第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据拼接，如式(0-3)所示：

其中(x1，y1，z1)表示立柱6上的3个双目传感器已拼接至(O₁X₁Y₁Z₁)坐标系中的测点坐标，(Ox，Oy，Oz)为转轴11上任一点在(O₁X₁Y₁Z₁)坐标系中的坐标，(n_x，n_y，n_z)为转轴11在(O₁X₁Y₁Z₁)坐标系中的法向量；表示该视角所对应的转台1旋转角度，rodrigues表示罗德里格斯变换；(x，y，z)为拼接完成后的全局点坐标。

总结以上数据拼接过程，即在每个视角测量结束之后，先将3个双目传感器的局部测量数据基于式(0-1)、(0-2)拼接至(O₁X₁Y₁Z₁)中，再将拼接结果基于式(0-3)绕转轴11逆旋转相应角度实现旋转拼接，由此可以实现整个系统的数据拼接。

进一步地，将每次第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3所测被测物2的点云数据拼接到全局坐标系中之前还包括：

步骤S1：设置靶标标定杆7，间接建立第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3之间的公共视场；

步骤S2：利用第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3获取多个靶标点的三维物理坐标；

步骤S3：根据所测靶标点和靶标坐标系中物理点的对应关系可计算得到第三双目传感器5、第二双目传感器4、第一双目传感器3之间位姿变换关系。

具体地，于所设计的双目传感器测量场景为680mm×544mm，由于一般的小场景平面标定板不适用于该传感器的精准标定，而大场景标定板加工成本非常高，因此本发明采用70英寸的LCD屏幕(LCD-70SU685A)全屏显示根据显示器分辨率设计好的圆斑阵列图像，由显示器的物理尺寸可以计算出所显示图像的像素尺寸，并采用张正友的平面标定算法对每个传感器进行双目立体标定。接下来需要进行3个传感器之间的位姿关系标定，由于相邻的两个传感器之间重复视场很小，不能直接利用重复视场进行标定。对于重复视场较小或无重复视场的多传感器标定，常用的方法是间接建立传感器之间的公共视场。

本发明设计了一种轻便的便携式靶标标定杆7，通过一根刚性连杆71将两个靶标块72相连，间接建立两个相邻传感器之间的公共视场。所设计的标定杆两端各有一个靶标块72，连杆71的长度和两个传感器之间的距离相同，在标定时两端的靶标块72可分别处于两个传感器各自的视场中。需要说明的是两个靶标块72唯一的不同是中心是否有大靶标点，由此在标定时可以对两个靶标块72进行自动区分。

靶标坐标系(O_BX_BY_BZ_B)为靶标点物理坐标所在的坐标系，本发明使用CREAFORM C-Track^TM|Elite双目跟踪设备来获取各靶标点的三维物理坐标。

(O_SiX_SiY_SiZ_Si)和(O_SjX_SjY_SjZ_Sj)分别表示立柱6上两个相邻传感器的测量坐标系，靶标坐标系和这两个坐标系之间的位姿变换矩阵分别为

和

通过双目传感器测量靶标块72上的多个靶标点的三维坐标，进而根据所测点和靶标坐标系中物理点的对应关系可计算得到

和

由此，可以得到传感器j测量坐标系到传感器i测量坐标系的位姿变换矩阵为：

如图3所示，在实际标定中为了提高标定精度，在视场允许的情况下多次调整靶标杆的姿态进行标定图像采集，利用靶标块72上多个靶标点到另一个靶标块72上不同靶标点之间的物理距离建立优化误差函数，对多组图像的计算结果利用LM算法进行优化得到最终标定结果。

最后还需要对转轴11在(O₁X₁Y₁Z₁)中的位置进行标定，本发明采用Zhan Song等人提出的平面旋转测量转轴11标定法，该标定方法的前提条件是所测平面和转台1所在平面垂直。由于转台1的机械加工和装配精度较高，被测物2为一个高精度的陶瓷长方体，竖直放置在转台1上，则被测平面和转台1之间可视为垂直关系，控制转台1旋转多个角度采用第一双目传感器3对平面进行多角度测量。在(O₁X₁Y₁Z₁)坐标系中由测量数据可以拟合出多个平面，计算任意两个拟合平面的交线，并对所有交线的法向量求平均值，所得结果即视为转轴11的法向量(n_x，n_y，n_z)。进而基于转轴11上一点(Ox，Oy，Oz)到各拟合平面距离相等的约束条件可优化求解该点，具体过程本章不再赘述。由此可以实现整个测量系统的标定。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上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 (7)

1.一种人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，人体数字化测量装置具体包括转台、设于所述转台一侧的立柱，在所述立柱上自下往上依次间隔设置的第一双目传感器、第二双目传感器、第三双目传感器，所述转台上设置被测物，所述转台每次转动90°，转动3次后停止；

所述数据拼接及系统标定方法包括以下步骤：

对所述第一双目传感器、所述第二双目传感器、所述第三双目传感器进行立体标定建立测量坐标系，确定所述第一双目传感器的测量坐标系为全局坐标系；

确定所述转台的转轴在全局坐标系中的位置关系；

将每次所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据；

将多个初步拼接数据基于绕转轴逆旋转相应角度实现旋转拼接。

2.根据权利要求1所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，将每次所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中获取初步拼接数据具体包括：

获取所述转台在0°、90°、180°、270°时所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器测取被测物的点云数据；

分别将所述转台在0°、90°、180°、270°时，将第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中以对应获取第一初步拼接数据、第二初步拼接数据、第三初步拼接数据、第四初步拼接数据。

3.根据权利要求2所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，将所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中具体指：

将所述第三双目传感器、所述第二双目传感器所测被测物的点云数据拼接至所述第二双目传感器的测量坐标系中，获取局部点云数据；

将局部点云数据、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接至全局坐标系中，获取初步拼接数据。

4.根据权利要求2所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，将多个初步拼接数据基于绕转轴逆旋转相应角度实现旋转拼接具体包括：

获取基于罗德里格斯变换的绕转轴的拼接关系式；

根据所述第一初步拼接数据、所述第二初步拼接数据、所述第三初步拼接数据、所述第四初步拼接数据结合绕转轴的拼接关系式实现整个系统的数据拼接。

5.根据权利要求1所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，将每次所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器所测被测物的点云数据拼接到全局坐标系中之前还包括：

确立所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器之间的位姿关系标定。

6.根据权利要求5所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，确立所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器之间的位姿关系标定之前还包括：

设置靶标标定杆，间接建立所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器之间的公共视场；

利用所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器获取多个靶标点的三维物理坐标；

根据所测靶标点和靶标坐标系中物理点的对应关系可计算得到所述第三双目传感器、所述第二双目传感器、所述第一双目传感器之间位姿变换关系。

7.根据权利要求1所述的人体数字化测量装置的数据拼接及系统标定方法，其特征在于，

所述被测物为长方体，与所述转台的转轴同轴且竖直放置在所述转台上。

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