CN113100754B - 一种3d信息采集测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D信息采集测量设备，包括图像采集装置和承载板，其中图像采集装置和承载板相对设置；承载板用于承载目标物；图像采集装置设置在转动装置上，并且图像采集装置光轴与转动平面具有夹角γ。首次提出相机光轴与旋转平面呈夹角的方式来同时提高3D模型合成速度和合成精度。通过优化相机采集图片的位置，保证能够同时提高3D合成速度和合成精度；且优化位置时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

Description

一种3D信息采集测量设备

技术领域

本发明涉及手部形貌测量技术领域，特别涉及3D形貌测量技术领域。

背景技术

在进行手部3D测量时，通常采用一维、二维的测量方式，例如采用量具进行手部长度、宽度、高度的测量，这样得到的数据可以用来为用户选择合适尺码的手套。但是这样的手套是工厂流水线根据尺码规定而设计的，目前行业并未进行更进一步的尺寸细分。为了给用户更好的穿着体验，应当为每个用户定制化地设计不同大小、形状的手套。为了实现这一目的，必须对人体手部进行3D采集和测量。但是对于给成千上万不同客户定制而言，对于采集速度的和精度需求就非常高，否则将带来客户体验的急剧降低。

另外，手部含有指纹和掌纹信息，可以用来进行身份的识别。例如在交易过程中通过手部信息来确认交易身份。但是以往的指纹和掌纹信息都是2D形式采集的，虽然目前也有一些3D采集指纹或掌纹的方案，但采集时间和精度难以兼顾，这对交易来说是无法接受的。

对于足部3D信息采集而言，目前常用的方法包括使用机器视觉的方式，采集物体不同角度的图片，并将这些图片匹配拼接形成3D模型。在采集不同角度图片时，可以待测物不同角度设置多个相机，也可以通过单个或多个相机旋转从不同角度采集图片。但无论这两种方式哪一种，都涉及合成速度和合成精度的问题。而合成速度和合成精度在某种程度上是一对矛盾，合成速度的提高会导致最终3D合成精度下降；要提高3D合成精度则需要降低合成速度，通过更多的图片来合成。在现有技术中，为了同时提高合成速度和合成精度，通常通过优化算法的方法实现。并且本领域一直认为解决上述问题的途径在于算法的选择和更新，截止目前没有任何提出其他角度同时提高合成速度和合成精度的方法。然而，算法的优化目前已经达到瓶颈，在没有更优理论出现前，已经无法兼顾提高合成速度和合成的精度。

在现有技术中，也曾提出使用包括旋转角度、目标物尺寸、物距的经验公式限定相机位置，从而兼顾合成速度和效果。然而在实际应用中发现：除非有精确量角装置，否则用户对角度并不敏感，难以准确确定角度；目标物尺寸难以准确确定，特别是某些应用场合目标物需要频繁更换，每次测量带来大量额外工作量，并且需要专业设备才能准确测量不规则目标物。测量的误差导致相机位置设定误差，从而会影响采集合成速度和效果；准确度和速度还需要进一步提高。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够同时提高3D模型合成速度和合成精度；②降低3D采集建模成本，不增加过多设备复杂程度和体积。③方便操作，无需使用专业设备，无需过多测量。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的采集设备。

本发明提供了一种3D信息采集测量设备，包括图像采集装置、转动装置和承载板，其中

图像采集装置和承载板相对设置；

承载板用于承载目标物；

图像采集装置设置在转动装置上，并且图像采集装置光轴与转动平面具有夹角γ。

在可选的实施例中：所述转动装置为旋转臂，图像采集装置光轴与旋转臂的夹角为γ。

在可选的实施例中：图像采集装置为两个相机，分别位于旋转臂两端。

在可选的实施例中：承载板为透明的，图像采集装置为两个，分别位于承载板的上方和下方。

在可选的实施例中：图像采集装置通过连接件与旋转臂可调角度地连接。

在可选的实施例中：图像采集装置能够相对于旋转臂滑动，以改变其在旋转臂上的连接位置。

在可选的实施例中：承载板上方设置有照明光源。

在可选的实施例中：承载板上具有指示标记。

本发明还提供了一种附属物制造方法，使用上述任一所述的设备。

另外，本发明还提供了一种附属物制造设备，使用上述任一所述的设备。

发明点及技术效果

1、首次提出相机光轴与旋转平面呈夹角的方式来同时提高3D模型合成速度和合成精度。

2、通过优化相机采集图片的位置，保证能够同时提高3D合成速度和合成精度；且优化位置时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

3、两个相机角度和距离可调，保证在目标物尺寸差距较大的情况下，能够通过调整准确采集。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中3D信息采集装置的结构示意图；

图2为本发明中图像采集装置与连接件位置的示意图；

图3为本发明中图像采集装置的连接柱在滑槽内滑动到另一位置的示意图；

图4为本发明中图像采集装置在滑轨上调整相机位置的示意图；

图5为本发明另一实施例中手部3D信息采集装置的结构示意图；

各部件与附图标号的对应关系如下：

1图像采集装置、2承载板、3旋转臂、4旋转驱动装置、5连接件、6滑轨。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

3D信息采集装置结构

为解决上述技术问题，本发明提供了一种3D信息采集装置，包括图像采集装置1、承载板2、旋转臂3、旋转驱动装置4，如图1所示。

图像采集装置1通过连接件5与旋转臂3连接，安装在旋转臂3的一端。图像采集装置1可以通过连接件5调整俯仰角，从而改变其光轴与旋转臂3之间的夹角。常规的一种改变俯仰的方式为：在连接件5上设置有圆弧形滑槽，图像采集装置1的连接柱在滑槽内滑动，在改变到预定俯仰角后将连接柱紧固在滑槽中，如图2、图3所示。通过俯仰角的改变，可以适应不同的人体手部大小。

连接件5通过滑轨6连接在旋转臂3上，使得连接件5能够在旋转臂3上移动，从而改变图像采集装置1在旋转臂3上的位置，如图4所示。除了滑轨 6外，也可以使用丝杠连接，通过转动丝杠，改变连接件5在旋转臂3上的位置。在图像采集装置1的位置确定后，通过紧固装置进行固定。

优选的，图像采集装置1具有两个，分别位于旋转臂3的两端。在这种情况下，可以通过移动改变两个图像采集装置1相对距离。

同时，除了旋转臂3外，也可以使用旋转盘作为转动装置。图像采集装置位于旋转盘的外边缘。其他结构与上述相同。

旋转臂中间设置有转轴，与旋转驱动装置4连接。旋转驱动装置4可以为电机或电机与传动的组合。其通过转轴驱动旋转臂转动。通常情况下，传动装置为齿轮或齿轮组。

承载板2的上方的周边设置有圆环形照明光源，光源位于图像采集装置1 下方，设置在壳体内壁。环形光源的半径大于图像采集装置旋转半径，以在照亮手部的前提下，防止光源的光直接入射图像采集装置1中造成干扰。同时，也可以在光源的上部设置遮挡装置，防止光直接入射图像采集装置1中。光源可以为LED光源，也可以为智能光源，即根据目标物及环境光的情况自动调整光源参数。通常情况下，光源位于图像采集装置1的镜头周边分散式分布，例如光源为在镜头周边的环形LED灯。特别是可以在光源的光路上设置柔光装置，例如为柔光外壳。或者直接采用LED面光源，不仅光线比较柔和，而且发光更为均匀。更佳地，可以采用OLED光源，体积更小，光线更加柔和，并且具有柔性特性，可以贴附于弯曲的表面。

承载板2上具有指示标记，用来指示手掌放置的位置，以帮助用户将手掌放置在图像采集装置1的视场范围内。指示标记可以为承载板2上的线条，也可以为凸起或凹陷结构。更优选的是，可以为投射的激光线。在投射激光线的方案中，激光线构成的指示图案的大小可以根据客户手型大小而变化，从而投射尺寸最接近的标记，以最大程度帮助不同客户确定手部放置位置。这样可以防止由于手指打开幅度不够造成的侧面采集障碍；也可以防止手掌与指示线差距过大造成的用户每次打开手指的幅度不同，从而导致采集的精度下降。也可以采用外加光源指示的方式：在用户准备阶段，通过外加光源在透光材料上投射出手部区域，帮助用户将手掌放置在正确位置。但是在开始采集时，该光源关闭。这样可以防止手部区域的标记对后续3D合成建模的影响。另一种方法，该设备还具有显示器，和相机相连，能够显示相机拍摄到的手部图像。同时，显示器上显示手部区域的标记，相机采集到的手部的图像和这些标记在显示器上重合，通过观察显示器，可以调整手部的位置，从而使得手部与标记对齐。

还包括处理单元，处理单元可以直接设置在图像采集装置1所在的壳体内，也可以通过数据线或通过无线方式与图像采集装置1连接。例如可以使用独立的计算机、服务器及集群服务器等作为处理单元，图像采集装置1采集到的图像数据传输至其上，进行3D合成。同时，也可以将图像采集装置1的数据传输至云平台，利用云平台的强大计算能力进行3D合成。

在另一种改进方案中，如图5所示，承载装置(承载板)为透光材料制成。在承载装置下方同样设置有另一套图像采集装置和旋转臂，即手部上下分别具有图像采集装置，用来采集手掌和手背的图像。上下两套图像采集装置可以同步转动，也可以分别转动。但是，透光材料与空气的折射率不同，会有部分光线被透光材料反射、或散射，这些反射或散射的光线也会被图像采集装置采集到，在采集的图像上形成目标物倒影，成为了噪声图像。为解决该问题，可以在透明材料上设置一层增透膜/减反膜，使得手部的光全部透射至下面而不会被反射，防止出现噪声图像。但增透膜和减反膜都存在工作波长，因此在使用上述膜系的时候，应当选择对应波长的光源。当然这些噪音图像也可以通过后续图像的预处理去掉。

为了方便用户手部的实际尺寸测量，可在图像采集装置1能够拍摄到的位置设置已知坐标的标记点。例如可以选择在承载板2上的手部指示标记。通过采集标记点，并结合其已知坐标，获得3D合成模型的绝对尺寸。

该手部3D信息采集设备使用过程中，用户将手伸入外壳中，掌心向上，并放置在承载板2上，对齐承载板2上的指示标记。旋转驱动装置4驱动旋转臂3转动，从而带动图像采集装置1围绕手部旋转。每当图像采集装置1转过一定的距离，图像采集装置1的两组相机均采集一幅目标物的图像，当旋转臂 3旋转完成半周，每个相机也绕用户手部旋转了半周。如果只设置一个相机，那么则需要旋转臂3转动完整一周。此时，图像采集装置1可采集到手部360°的一组图像。由于图像采集装置1可以包括多组相机，因此每组相机都会得到相应的一组图像。上述图像采集过程可以和旋转同步完成，此时需要对相机快门进行设置，需要较高的快门。也可以转转动一定距离后停止，拍摄完再继续转动，以此类推。上述多组图像传递至处理单元，并在处理单元中使用3D合成建模算法进行用户手部3D模型的构建。

特别的，当用户掌心方向图像采集完毕后，可以翻过手掌，进行手背面图像的采集。将两次采集的两组图像全部送入处理单元中，进行3D合成，可以合成整个手掌的3D模型。

图像采集装置采集位置优化

在进行3D采集时，图像采集装置在不同采集位置光轴方向相对于目标物不发生变化，通常大致垂直于目标物表面，此时相邻两个图像采集装置1的位置，或图像采集装置1相邻两个采集位置满足如下条件：

μ＜0.482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置1光心的直线距离；f为图像采集装置1的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度；M为图像采集装置1感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

当上述两个位置是沿图像采集装置1感光元件长度方向时，d取矩形长度；当上述两个位置是沿图像采集装置1感光元件宽度方向时，d取矩形宽度。

图像采集装置1在上述两个位置中的任何一个位置时，感光元件沿着光轴到目标物表面的距离作为M。

如上所述，L应当为两个图像采集装置1光心的直线距离，但由于图像采集装置1光心位置在某些情况下并不容易确定，因此在某些情况下也可以使用图像采集装置1的感光元件中心、图像采集装置1的几何中心、图像采集装置与云台(或平台、支架)连接的轴中心、镜头近端或远端表面的中心替代，经过试验发现由此带来的误差是在可接受的范围内的，因此上述范围也在本发明的保护范围之内。

利用本发明装置，进行实验，得到了如下实验结果。

从上述实验结果及大量实验经验可以得出，μ的值应当满足μ<0.482，此时已经能够合成部分3D模型，虽然有一部分无法自动合成，但是在要求不高的情况下也是可以接受的，并且可以通过手动或者更换算法的方式弥补无法合成的部分。特别是μ的值满足μ<0.357时，能够最佳地兼顾合成效果和合成时间的平衡；为了获得更好的合成效果可以选择μ<0.198，此时合成时间会上升，但合成质量更好。而当μ为0.5078时，已经无法合成。但这里应当注意，以上范围仅仅是最佳实施例，并不构成对保护范围的限定。

以上数据仅为验证该公式条件所做实验得到的，并不对发明构成限定。即使没有这些数据，也不影响该公式的客观性。本领域技术人员可以根据需要调整设备参数和步骤细节进行实验，得到其他数据也是符合该公式条件的。

本发明所述的相邻采集位置是指，在图像采集装置相对目标物移动时，移动轨迹上的发生采集动作的两个相邻位置。这通常对于图像采集装置运动容易理解。但对于目标物发生移动导致两者相对移动时，此时应当根据运动的相对性，将目标物的运动转化为目标物不动，而图像采集装置运动。此时再衡量图像采集装置在转化后的移动轨迹中发生采集动作的两个相邻位置。

手部附属物的制作

为了给用户制作适合手套，可以通过采集用户手部的3D信息，合成3D模型，从而根据手部3D模型尺寸来设计或选择合适的手套。

除了手套的制作，也可以根据上述数据制作义肢。例如病人手部需要截肢，在截肢前进行该手部3D模型的采集和构建，从而在截肢后能够为该手部提供尺寸适合的义肢。

除此之外，任何使用手部数据可以进行的加工、制作都是可以进行的，本发明并不限定。

本发明所述的转动运动，为在采集过程中前一位置采集平面和后一位置采集平面发生交叉而不是平行，或前一位置图像采集装置光轴和后一位置图像采集位置光轴发生交叉而不是平行。也就是说，图像采集装置的采集区域环绕或部分环绕目标物运动，均可以认为是两者相对转动。虽然本发明实施例中列举更多的为有轨道的转动运动，但是可以理解，只要图像采集设备的采集区域和目标物之间发生非平行的运动，均是转动范畴，均可以使用本发明的限定条件。本发明保护范围并不限定于实施例中的有轨道转动。

本发明所述的相邻采集位置是指，在图像采集装置相对目标物移动时，移动轨迹上的发生采集动作的两个相邻位置。这通常对于图像采集装置运动容易理解。但对于目标物发生移动导致两者相对移动时，此时应当根据运动的相对性，将目标物的运动转化为目标物不动，而图像采集装置运动。此时再衡量图像采集装置在转化后的移动轨迹中发生采集动作的两个相邻位置。

上述目标物体、目标物、及物体皆表示预获取三维信息的对象。可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。例如可以为头部、手部等。所述目标物的三维信息包括三维图像、三维点云、三维网格、局部三维特征、三维尺寸及一切带有目标物三维特征的参数。本发明里所谓的三维是指具有XYZ三个方向信息，特别是具有深度信息，与只有二维平面信息具有本质区别。也与一些称为三维、全景、全息、三维，但实际上只包括二维信息，特别是不包括深度信息的定义有本质区别。

本发明所说的采集区域是指图像采集装置(例如相机)能够拍摄的范围。本发明中的图像采集装置可以为CCD、CMOS、相机、摄像机、工业相机、监视器、摄像头、手机、平板、笔记本、移动终端、可穿戴设备、智能眼镜、智能手表、智能手环以及带有图像采集功能所有设备。

以上实施例获得的目标物多个区域的3D信息可以用于进行比对，例如用于身份的识别。首先利用本发明的方案获取人体面部和虹膜的3D信息，并将其存储在服务器中，作为标准数据。当使用时，例如需要进行身份认证进行支付、开门等操作时，可以用3D获取装置再次采集并获取人体面部和虹膜的3D 信息，将其与标准数据进行比对，比对成功则允许进行下一步动作。可以理解，这种比对也可以用于古董、艺术品等固定财产的鉴别，即先获取古董、艺术品多个区域的3D信息作为标准数据，在需要鉴定时，再次获取多个区域的3D信息，并与标准数据进行比对，鉴别真伪。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的基于本发明装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序 (例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种3D信息采集测量设备，其特征在于：包括图像采集装置、转动装置和承载板，其中

图像采集装置和承载板相对设置；

承载板用于承载目标物；

图像采集装置设置在转动装置上，并且图像采集装置光轴与转动平面具有夹角γ；

图像采集装置相邻两个采集位置满足如下条件：

μ＜0.482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件的矩形长度；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述转动装置为旋转臂，图像采集装置光轴与旋转臂的夹角为γ。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：图像采集装置为两个相机，分别位于旋转臂两端。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：承载板为透明的，图像采集装置为两个，分别位于承载板的上方和下方。

5.如权利要求2所述的设备，其特征在于：图像采集装置通过连接件与旋转臂可调角度地连接。

6.如权利要求2所述的设备，其特征在于：图像采集装置能够相对于旋转臂滑动，以改变其在旋转臂上的连接位置。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于：承载板上方设置有照明光源。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于：承载板上具有指示标记。

9.一种附属物制造方法，其特征在于，使用上述权利要求1-8任一所述的设备。

10.一种附属物制造设备，其特征在于，使用上述权利要求1-8任一所述的设备。

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