CN211085152U - 一种3d采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种3D采集设备，其特征在于：包括图像采集装置、旋转装置和背景板，其中旋转装置分别与图像采集装置、背景板连接；背景板和图像采集装置在工作过程中保持相对设置；背景板尺寸与图像采集装置的视场范围重叠。首次提出通过增加背景板随相机一起旋转的方式来同时提高合成速度和合成精度。

Description

一种3D采集设备

技术领域

本实用新型涉及形貌测量技术领域，特别涉及3D形貌测量技术领域。

背景技术

在进行3D测量时，需要首先采集3D信息。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。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够同时提高合成速度和合成精度；②成本低，不增加过多设备复杂程度。

实用新型内容

鉴于上述问题，提出了本实用新型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。

本实用新型的一方面提供了一种3D采集设备，包括图像采集装置、旋转装置和背景板，其中

旋转装置分别与图像采集装置、背景板连接；

背景板和图像采集装置在工作过程中保持相对设置；

背景板尺寸与图像采集装置的视场范围重叠。

可选的，背景板沿水平方向的投影长度M和沿竖直方向的投影长度N满足以下关系：3.5*L*tanβ＞M＞0.9*L*tanβ；3.5*L*tanβ＞N＞0.9*L*tanβ，其中β为图像采集装置的半视场角，L为图像采集装置到背景板的距离。

可选的，背景板沿水平方向的投影长度M和沿竖直方向的投影长度N满足以下关系：2.5*L*tanβ＞M≥2*L*tanβ；2.5*L*tanβ＞N≥2*L*tanβ。

可选的，背景板和图像采集装置分别设置在旋转横梁的两端，旋转装置驱动旋转横梁转动。

可选的，背景板通过第一安装柱与旋转横梁连接，且能够相对旋转横梁上下移动；图像采集装置通过第二安装柱与横梁连接，且能够相对横梁上下移动。

可选的，旋转装置位于固定横梁上，驱动旋转横梁转动。

可选的，背景板为平板或曲面板。

可选的，背景板主体为纯色或具有标记。

可选的，图像采集装置和背景板之间具有承载装置，承载装置上设置有标记点。

本实用新型的另一方面还提供了一种3D制作设备，包括上述任一所述的3D采集设备；或与上述任一所述的3D采集设备数据连接。

发明点及技术效果

1、首次提出通过增加背景板随相机一起旋转的方式来同时提高3D合成速度和合成精度。

2、通过优化背景板的尺寸，在降低旋转负担的同时，保证能够同时提高合成速度和合成精度。

3、通过优化相机采集位置，进一步兼顾3D合成速度和合成精度。

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，而并不认为是对本实用新型的限制。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为本实用新型实施例提供的3D采集设备的前视图；

图2为本实用新型实施例提供的3D采集设备的立体图；

图3为本实用新型实施例提供的3D采集设备的另一立体图；

附图标记与各部件的对应关系如下：

1图像采集装置，2旋转装置，3背景板，4第一安装柱，5旋转横梁，6水平托，7第二安装柱。

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。

现有技术的3D采集装置中，通常具有单个运动相机或多个相机，但无论哪种方式，均无法保证背景的单纯。而经过大量实验研究，单纯的背景可以极大地降低合成难度，提高合成效率。因此，本实用新型提出了采用背景板与图像采集装置同步旋转的方式保证每张采集的图片均为相同、单一背景。并在此基础上结合大量实验经验，优化了相机的采集位置(下述经验条件)，进一步兼顾3D合成速度和效果。

实施例

3D采集设备结构：

为解决上述技术问题，本实用新型的一实施例提供了一种3D采集设备，如图1-图3，包括图像采集装置1、旋转装置2和背景板3。

图像采集装置1用于采集目标物的图像，其可以为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。

背景板3全部为纯色，或大部分(主体)为纯色。特别是可以为白色板或黑色板，具体颜色可以根据目标物主体颜色来选择。背景板3可以为平板，也可以为曲面板，例如凹面板。

背景板3通过框体安装在第一安装柱4上，第一安装柱4沿竖直方向设置在旋转横梁5一端；图像采集装置1安装在水平托6上，水平托6与第二安装柱7连接，第二安装柱7沿竖直方向设置在旋转横梁5另一端。第一安装柱4可以沿旋转横梁5水平移动，从而调节背景板3的水平位置。第二安装柱7可以沿旋转横梁水平移动，从而调节图像采集装置1的水平位置。

背景板3的框体可以沿第一安装柱4上下移动，从而调整背景板3在竖直方向的位置；水平托6可以沿第二安装柱7上下移动，从而调整图像采集1装置1在竖直方向的位置。

图像采集装置1还可以沿水平托6在水平方向上移动，从而调整图像采集装置1的水平位置。

上述移动可以通过导轨、丝杠、滑台等多种方式实现。

旋转横梁5通过旋转装置2与固定横梁连接，旋转装置2驱动旋转横梁5转动，从而带动横梁两端的背景板3和图像采集装置1转动，但无论怎样转动，图像采集装置1与背景板3均相对设置，特别是图像采集装置1的光轴穿过背景板3中心。

光源可以设置于旋转横梁5、第一立柱、第二立柱、水平托6和/或图像采集装置1上，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。

优选，背景板3沿水平方向的投影长度M和沿竖直方向的投影长度N满足以下关系：2.5*L*tanβ＞M≥2*L*tanβ；2.5*L*tanβ＞N≥2*L*tanβ，其中β为图像采集装置1的半视场角，L为图像采集装置1到背景板3的距离。

如果背景板3过大，会增加设备体积，同时给旋转带来额外的负担，使得设备更容易损坏。但如果背景板3过小，则会导致背景不单纯，从而带来计算的负担。经过大量实验，背景板3尺寸可以在3.5*L*tanβ＞M＞0.9*L*tanβ；3.5*L*tanβ＞N＞0.9*L*tanβ范围内。下表为实验对照结果：

实验条件：

采集对象：石膏像人头

相机：BFS-U3-123S6C-C

网格：自定义60万面

采集频率：355度40张

物距30cm

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。

3D采集流程

将目标物，放置在图像采集装置1和背景板3之间。优选放置在旋转装置2的转轴延长线上，即图像采集装置1转动所围绕的圆心处。这样可以保证图像采集装置1在转动过程中距离目标物的距离基本不变，从而防止由于物距剧烈变化而导致图像采集不清晰，或导致对相机的景深要求过高(增加成本)。

当目标物为人体头部时，可以在图像采集装置1和背景板3之间放置座椅，在人坐下时，头部正好位于转动轴附近且在图像采集装置1和背景板3之间。由于每个人身高不同，因此待采集的区域(例如人体头部)的高度不同。此时可以通过调节座椅的高度来调整人体头部在图像采集装置1视场中的位置。在进行物体的采集时，可以将座椅替换为置物台。

除了调整座椅高度，还可以通过调整图像采集装置1和背景板3在竖直方向上的高度来保证目标物中心位于图像采集装置1的视场中心。例如背景板3可以沿第一安装柱4上下移动，承载图像采集装置1的水平托6可以沿第二安装柱7上下移动。通常，背景板3和图像采集装置1的移动是同步的，保证图像采集装置1的光轴穿过背景板3的中心位置。

由于每次采集目标物尺寸大小差异较大。如果图像采集装置1在同一位置进行采集，则会导致目标物在图像中的比例变化巨大。例如目标物A在图像中大小合适时，如果换成较小的目标物B，其在图像中的比例将非常小，这会极大地影响后续的3D合成速度和精度。因此，可以驱动图像采集装置1在水平托6上前后移动，保证目标物在图像采集装置1所采集图片中的占比合适。

保证目标物基本不动，旋转装置2通过转动旋转横梁5带动图像采集装置1和背景板3围绕目标物转动，并且保证在转动过程中两者相对。在转动过程中进行采集时，可以连续转动，间隔固定角度进行采集；也可以在固定间隔角度的位置停止转动进行采集，采集后继续转动，并在下一位置继续停止转动进行采集。

而且根据大量实验，在具有背景板3的情形下，采集的间隔角度

优选满足如下经验公式：

(1)当图像采集装置1视场无法覆盖目标物全部时：

A>0.5

其中P为图像采集装置1距离目标物的距离，Q为目标物的横向尺寸，β为图像采集装置1的半视场角，A为经验系数。

(2)当图像采集装置1视场已覆盖目标物全部时：

0<A<1.23

其中P为图像采集装置1距离目标物的距离，Q为目标物的横向尺寸，β为图像采集装置1的半视场角，A为经验系数。

通过在使用背景板3的情况下优化相机采集位置，同时提高了3D合成的速度和精度，因此这也是本实用新型的发明点之一。

实施例中采用处理器进行3D合成，其中合成方法可以使用公知方法，例如光束平差法等，如CN107655459A中公开的合成算法。

眼镜匹配及制作

为了给用户制作适合脸型的眼镜，可以通过采集用户头部的3D信息，合成3D模型，从而根据头部3D模型尺寸来设计或选择合适的镜框。

用户坐在采集装置的座椅上，根据用户身高调整座椅高度，同时也可以调整背景板3和相机高度，使得用户头部中心与图像采集装置1的光轴在同一水平面。

调整图像采集设备的水平位置，使得用户头部位于图像正中间，采集完整，且占据绝大部分面积。

旋转装置2驱动旋转横梁5转动360°，从而使得图像采集装置1围绕用户头部转动360°。在转动过程中，至少每间隔

角度进行一次图像采集，从而得到人体头部不同角度的多张照片。根据大量客户实验，

优选

＝9°，这也是根据上述经验公式，并结合人体头部实验数据进行修正得到的优化的相机位置，是本实用新型的发明点之一。

将多张照片利用3D合成软件合成3D模型，所采用的方法可以使用常见的3D图片匹配算法。再得到3D网格模型后，增加纹理信息，从而形成头部3D模型。

根据头部3D模型相关位置尺寸，例如脸颊宽度、鼻梁高度、耳廓大小等信息为用户选择合适的眼镜框。

在为用户设计头部佩戴的物品时，例如眼镜、耳环等，需要获得头部3D信息的绝对尺寸，因此需要对用户头部进行标定。但如果按目前常规方法，直接在用户的头部贴标记，会带来不好的用户体验。而其他位置难以贴标记点。因此，本实用新型巧妙地在座椅上设置头托，在头托上设置标记点，并记录标记点相互之间的绝对距离。在图像采集装置1转动到用户背后时，会采集到这些标记点，并根据这些标记点的距离，最终计算出头部3D模型的尺寸。同时，在该位置设置标记点不影响用户面部信息采集。因此，这也是本实用新型的发明点之一，可以提高用户体验的同时，获得头部3D信息的绝对距离。同时，标记点也可以设置在座椅上，只要图像采集装置1可以采集到的位置即可。上述标记点也可以为标准量块，即具有一定空间大小，且预知绝对尺寸的标记物。

实用新型中所述的转动运动，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。

实用新型中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。本实用新型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。

本实用新型所说的采集区域是指图像采集装置1(例如相机)能够拍摄的范围。本实用新型中的图像采集装置1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。首先利用本实用新型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，本实用新型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实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型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：即所要求保护的本实用新型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，实用新型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实用新型的单独实施例。

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实用新型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。

本实用新型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)来实现根据本实用新型实施例的基于本实用新型装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本实用新型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)。这样的实现本实用新型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实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，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。本实用新型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实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型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采集设备，其特征在于：包括图像采集装置、旋转装置和背景板，其中

旋转装置分别与图像采集装置、背景板连接；

背景板和图像采集装置在工作过程中保持相对设置；

背景板尺寸与图像采集装置的视场范围重叠。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：背景板沿水平方向的投影长度M和沿竖直方向的投影长度N满足以下关系：3.5*L*tanβ＞M＞0.9*L*tanβ；3.5*L*tanβ＞N＞0.9*L*tanβ，其中β为图像采集装置的半视场角，L为图像采集装置到背景板的距离。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：背景板沿水平方向的投影长度M和沿竖直方向的投影长度N满足以下关系：2.5*L*tanβ＞M≥2*L*tanβ；2.5*L*tanβ＞N≥2*L*tanβ。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：背景板和图像采集装置分别设置在旋转横梁的两端，旋转装置驱动旋转横梁转动。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：背景板通过第一安装柱与旋转横梁连接，且能够相对旋转横梁上下移动；图像采集装置通过第二安装柱与横梁连接，且能够相对横梁上下移动。

6.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：旋转装置位于固定横梁上，驱动旋转横梁转动。

7.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：背景板为平板或曲面板。

8.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：背景板主体为纯色或具有标记。

9.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：图像采集装置和背景板之间具有承载装置，承载装置上设置有标记点。

10.一种3D制作设备，其特征在于：与上述权利要求1-9任一所述的3D采集设备数据连接。

Images