CN2342354Y - 轻便的非接触式三维数据扫描器 - Google Patents

Abstract

一非接触式三维数据扫描器,主要用于三维物件特别是人的头部雕像制作工业中外貌的量度,它包括有旋转框架机构(1),扫描组件(2)和电脑(3),旋转框架机构(1)由支架固定,马达机构(1—2)带动载有扫描组件(2)的旋转臂(1—3)绕被测物旋转,扫描组件(2)发光照到被测物表面,反射光被收集,由电脑(3)进行输入和图像信号处理及存贮等,该扫描器轻便,方便携带和运输,对雕像工业极为有用。

Description

轻便的非接触式三维 数据扫描器

本实用新型涉及电子仪器数据测量领域，特别是采用非接触式的光电测量方式测度人体头部或花瓶，雕塑等物件的三维数据扫描器。

在立体人物塑像工业领域中，例如制作领袖人物的塑像，英雄人物的塑像，名人的半身塑像，以至朋友中家庭中想给某个家庭成员或朋友订做一个金属的例如铜的，银的头像雕像，半身雕像等等，在这方面，最难制造的就是人的头部，传统上，制作人物头部的雕像需要高水平的艺人，头部雕像的质量极为依赖于艺人在复制人的头部雕像的复杂过程中的技艺。

通常雕像的几何形状主要是基于二维的参考资料例如照片，画片或肖像。结果，雕像制品的精确度还要依赖于能否得到可充分体现人的几何形状的三维数据资料，而要精确地进行人体头部雕像的工业制造，就要对人的头部作精确的三维测量，过去，有许多可能的方法和装置去量度三维物体，方法方面主要有两类，机械的接触型和光学的非接触型，接触型方法采用各类的机械探针和感应器直接度测被测物的尺寸，以及在被测物上喷涂一层物质后再进行量度等，此法不适用于软的和不定形的被测物，例如人；非接触型方法有些是在暗室中进行的，应用有限制，过去的另一些非接触型方法主要设计为适用于无生命的物体，而并非是为测量人而设计的，它获取被测物体数据的速度太低，这又影响了所获取的资料的一致性和可信赖性。

而且，由于形状的复杂性，采用以往的非接触型扫描器用于人的头部的度量会造成很大的畸变，畸变主要是由于人的面部的特征部分例如鼻子和下巴的阴影成影及测量不到，测量不完全造成的。

因此，用于雕像制作方面的一种轻便的，非接触式的，精确而低畸变的，适用于一般物件，而又特别适用于人体头部的三维数据摄取的仪器是十分需要的。

本实用新型的主要目的在于提供一种装置，依靠此装置，物件的三维几何形状，特别是任何人体的头部，包括面部和脖子，能够被精确地测得，并能被以数据资料方式持久地存贮，为雕塑等用途所使用，而且，装置要简单轻便，便于携带。

实现本实用新型的技术方案是，该装置主要包括有旋转框架机构(1)，扫描组件(2)和电脑(3)，即利用轻便材料制成一个旋转框架机构(1)，它受电脑(3)控制，其旋转部分能绕预定位置进行旋转，将被测物安置在该预定位置上，利用一个安装在旋转框架机构(1)上的扫描组件(2)，向被测物发出可见光激光光线并对包含了被测物外形的信息的反射光线进行收集和光电转换，将信息送至电脑(3)进行图像信息处理，得出被测物的形状坐标数据，数据可被随时显示及打印出来，旋转框架机构(1)和扫描组件(2)结构简单轻便，便于携带，此装置特别适用于测量人的头部，这样就实现了本实用新型的目的。

本实用新型用如下附图进行说明：

图1是本实用新型三维数据扫描器的主要构成部分的一个实施例简图；

图2是本实用新型三维数据扫描器的构成的立体图和相关工作环境说明图；

图3是本实用新型三维数据扫描器的主要结构关系说明简图；

图4是本实用新型三维数据扫描器的扫描组件(2)的结构，位置设置和光路的说明图；

图5是图4中扫描组件(2)的各部件的相对位置说明图；

图6是本实用新型三维数据扫描器的扫描范围说明图；

图7是本实用新型三维数据扫描器的倾斜度调整机构说明图。

下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

参阅图1，图1给出了本实用新型的三维数据扫描器的一个主要结构组成和工作状态的简要说明图，本扫描器的构成包括有旋转框架机构(1)，扫描组件(2)和电脑(3)。图中给出了一个坐着的人，扫描组件(2)对着该人的头部正进行测量作业，然后将测到的图像转为数据信号通过数据传输线即时传给电脑(3)，如图1中所示，旋转框架机构(1)包括一个一端固定在稳定结构构件上固定不动的支架(1-1)，要求轻便和有足够的强度，可用轻金属如铝合金或薄的型钢等制造，其结构要牢固，图中所示支架(1-1)是三角形的牢固结构，安装在一个固定物例如桌子的边沿上，马达机构(1-2)设置在支架(1-1)上，旋转臂设置在支架(1-1)的顶端，旋转部分是由一个马达机构(1-2)带动其旋转臂(1-3)绕一预定位置，例如是人坐在那里的位置，进行旋转，旋转角度的控制可以用各种方式，利用定位的电器接点，或利用安装在附设在马达机构(1-2)上的测位传感器单元来监测旋转角度；向电脑(3)传输旋转角位置信号，由电脑(3)按预定程序控制马达机构(1-2)的运转，从而控制了旋转臂(1-3)的旋转，旋转臂(1-3)的外端承载有扫描组件，扫描组件(2)设置并固定在旋转臂(1-3)外端的吊臂下，由旋转臂(1-3)带着，绕预定位置旋转，图中即绕人的头部旋转，在旋转的同时，扫描组件(2)进测量作业，其光源向被测物件进行扫描，所反射的含有被测物件形状的光线经光路被光学传感器(2-3)所收集，并将收集的光线转换为电信号，传输给电脑(3)，电脑(3)可以采用任何普通电脑，通过数据传输线与旋转框架机构(1)和扫描组件(2)相连接，按预定程序对转动和扫描作业进行控制和协调，以及接收扫描组件(2)输入的被测物件表面形状的信息，进行图像信息处理，确定被测物的表面上的点的坐标，并进行数据的存储，一维及三维数据及图像的显示，以及打印数据等。

参阅图2，图2是本实用新型的又一实施例的外观图，从图2中比图1更直观地看到了本实用新型扫描器的各部分构成，即包括有旋转框架机构(1)，扫描组件(2)和电脑(3)，旋转框架机构(1)的支架固定在桌边上，电脑(3)及其打印机放置在桌面上，两把椅子，靠近电脑(3)的椅子是操作电脑(3)的人的坐椅，另一椅子即是预定位置，由被测的人坐在那里，坐在椅子上，扫描组件(2)工作时，绕着坐在椅子上的人旋转，摄取在每一测量位置时的人的图像(头像)的数据。

参阅图3，图3是本实用新型非接触式三维数据扫描器的主要结构关系的说明简图，用以说明各主要特征部分，以及说明有关的联系。从图中可以看到，本扫描器由三部分构成，即旋转框架机构(1)，扫描组件(2)和电脑(3)，虽然图中只给出了三个部分中每部分的主要特征构成，但在本说明书的文字说明中仍结合前后内容作详细说明。旋转架机构(1)中包括有架(1-1)，马达机构(1-2)，旋转臂(1-3)，其中，支架(1-1)是固定不动的支持支架，马达机构(1-2)，由马达和皮带轮，齿轮等构成，用于操纵和控制旋转臂(1-3)的旋转和旋转状况，旋转臂(1-3)携带着固定其上的扫描组件(2)绕预定位置，即绕放置在预定位置上的物件或坐着的人旋转，使扫描组件(2)摄录或测下被测物件或被测人的头部的外形几何形状和相应尺寸，并随时将扫描得到的信息传给电脑(3)，由电脑(3)对旋转位置按预定程序进行监控，和对图像信息进行处理。

支架(1-1)的结构构造考虑了人类工程学的要求，整个旋转框架机构(1)的构架是用轻便的结实的材料制成，如钢，不锈钢，铝铝合金型材，工程塑料等，结构是轻便型的，容易装配和携带的。

马达机构(1-2)可以是稳定速度的，也可以是可变速的，动力线通过支架(1-1)中间接到电源上。

扫描组件(2)包括有光源(2-1)，反射镜组(2-2)，光学传感器(2-3)，滤光片(2-4)和倾斜度调整机构等，其中，光源(2-1)可以是可调焦的可见光激光光线产生器，其构造是一带有圆筒形透镜的激光二极管，置于扫描组件(2)的框架上的一个适当位置上，反射镜组(2-2)是由三片平面反射镜构成，用于将由光源(2-1)发出，投射到被测物表面后反射回的光线再反射到光学传感器(2-3)中，三片平面反射镜的位置的设置是根据使扫描组件(2)总尺寸达到或接近最小的原则来设置的，后面的附图给出了具体设置情况的实施例。

光学传感器(2-3)用来收集反射的图像信号，该信号包含了被测物件表面几何形状的像素和相对位置的信息。光学传感器(2-3)可以是各种光电摄取技术器件，如CCD,COMS等摄像机光学传感器之类，即各类摄像机的镜头部分，它能将光信号图像信号转换为电信号，并传输给电脑(3)。

为了减小像差和畸变，在光学传感器(2-3)之前加有滤光片(2-4)，它是一个窄带滤波器，只允许与光源相近的频率的光波通过，用以滤去周围环境光线的影响。

为了减小像差和畸变，在光学传感器(2-3)下设置了倾斜度调整机构，它可以是一个小马达，例如伺服马达，直接带动，或经马达和部分齿轮带动，或由人手进行角度调整，为的是通过倾斜度的变化，使光学传感器(2-3)能收到被测人的鼻孔，下巴的侧面后面的图像信号，区别阴影，从而使数据更全面和正确，从而减少或消除由此而产生的畸变。

电脑(3)主要进行数据收集，图像处理，存贮，显示，打印方面的操作，及对旋转框架(1)和扫描组件(2)的相关机构和单元按预定程序进行控制的操作，主要包括有专门的图像接收和处理单元(3-1)，用于接收光学传感器(2-3)传来的图像信息，并把这些信息进行图像信息处理，以确定被测物的表面上的点的坐标，以及将有关旋转和扫描位置信息传输给定位控制单元(3-6)，图像数据处理后，则有数据存贮单元(3-3)将测量结果的图形外形形状坐标进行存贮，在显示器(3-4)上进行显示，在打印机(3-5)上进行打印输出，特别是电脑(3)中还设置有定位控制单元(3-6)和运动控制单元(3-7)，单元中都内置预定程序，根据收到的信息，按预定程序发出控制信号进行控制操作，使旋转位置与扫描作业相协调，由电脑(3)据此使扫描组件(2)在此位置进行同步地相应的图像的测量和反射光即图像像素的捕捉操作，使被测物件每一外形形状和其具体位置角度相对应。

参阅图4，图4是本实用新型三维数据扫描器的扫描组件(2)的结构，位置设置和光路的说明图。图中，扫描组件(2)被置于一个仪器壳中，光源(2-1)发出可见光的激光红外光，至被测物件表面，然后反射到反射镜组(2)的三块平面反射镜(2-2)上，被连续近距离反射，三块平面反射镜的这种近距离设置，为的是改变反射光的方向，使光学传感器(2-3)易于收集反射光和减小整个扫描组件(2)的结构尺寸，使总尺寸达到或接近最小，滤光片(2-4)设置在光学传感器(2-3)的前面，图中未能显示倾斜度调整机构，但其位置是固定在光学传感器(2-3)下面，能带动其倾斜。本图中清楚地说明了光的发射至接收过程的路径，由光学传感器(2-3)收到的图像信息，经其自身转换为电信号后，经数据传输线等传输给电脑(3)。

参阅图5，图5中采用了建立坐标系标注坐标和角度方式说明了扫描组件(2)中各个部件的相对位置，采用扫描组件(2)外壳的上边和左边分别做为坐标系平面的成直角的x轴和y轴交叉点，图中向右、向下、分别为x轴、y轴的正方向尺寸，采用相对单位，光源射出的光线的方向与x轴平行，光源(2-1)的中心位置坐标为(15,9)，括号中前面数字是x坐标，后面是y坐标，在此尺度下，三块反射镜组成的反射镜组(2-2)，其每一平面反射镜的中心位置坐标分别是：镜(2-2-1)为(46,52)，镜(2-2-2)为(35,17)，镜(2-2-3)为(18,60)，装在光学传感器(2-3)之前的滤光片(2-4)的中心位置坐标是(23,62)，各反射镜及光学传感器的安装角度分别以镜面平面及光学传感器轴线与y轴正方向的夹角确定，镜(2-2-1)的安装角是70度左右，镜(2-2-2)的安装角是90度，即，与y轴垂直，与x轴平行，镜(2-2-3)的安装角是约25度，光学传感器(2-3)连同其滤光片(2-4)的安装角是70度左右，坐标和安装角确定了各部件位置，实际尺寸可按这种相对尺寸比例扩大，一个推荐的尺寸是将图中的1个单位代表3毫米时，镜(2-2-3)的位置就是(1 8×3毫米，60×3毫米)，即(54毫米，180毫米)，也可选用其它实际尺寸，余类推。扫描组件(2)中的各个部件的相对位置的设置不是唯一的，但本实施例的设置位置和角度是特别选取的，可使整个扫描组件(2)的尺寸很小，使扫描组件轻便小巧，便于安装和搬运及携带。

参阅图6，图6着重说明扫描组件(2)的扫描范围，图中的阴影范围就是扫描范围，可达270度甚至360度，通常，270度的扫描范围已经足够，头部后边的部分由耳后过渡过去，就已经很准确，特别需要的时候，以及扫描其它不规则的物件时，扫描范围可调整至绕被测物件整整一周，这样，所采集到的数据非常全面和可靠，可以减少由于数据不全成造成的不准确。

本实用新型的实验实测数据给出，通常，完成一次单方向扫描270°或360°只要半分钟，一个往返即双向绕被测物扫描也只要1分钟，即半分钟最多一分钟即可以完成扫描作业，扫描作业时间可以根据情况作出标准化。

参阅图7，图7所示是倾斜度调整机构配合光学传感器(2-3)工作的情形，该倾斜度以倾斜角φ角表示，是水平线与其轴线的夹角，φ最初调在水平线向上10度，其角度可由电脑(3)控制和调整，也可以由人手调整，为使所有位置都被考虑到而使φ角度被相应调整，以减少生成的像的畸变。

本实用新型三维数据扫描器的结构可以系列化和标准化，由于结构简单，它可以容易地用简单的手工工具装配和拆卸开，这些构件即旋转框架机构(1)和扫描组件(2)可以包装在一个尺寸不大的箱子里，因此，本扫描器是便携式的，可在任何地方安设，虽然也有别种的扫描器，但都大而笨重，不便携带，不便运输，本实用新型的结构优良得多。本实用新型的实施，会给用各种金属例如金，银，铜等以及用合成树脂，纤维树脂，工程塑料等雕塑人像工业提供一个极为有用和便利的工具。它不但特别适用于人的头部的外形量度，任何三维物件，只要外形尺寸允许，都可以用本实用新型的扫描器进行外形量度，使本仪器的适用范围扩大。

Claims (10)

1．一种非接触式三维数据扫描器，用于量度三维物件的外形形状，特别是用于量度任何人的头部(面部和颈部)的外形，以用于雕像制造工业，主要包括有旋转框架机构(1)，扫描组件(2)和电脑(3)其特征是：

旋转框架结构(1)，一端固定在稳定结构构件上，作为支架，它的旋转臂围绕预定位置旋转，其外端承载有扫描组件(2)，

扫描组件(2)，被设置在旋转框架机构的旋转端上，其光源向被测物件进行扫描，所反射的含有被测物件形状的光线经光路被光学传感器(2-3)所收集，并将收集到的光线转换为电信号，传输给电脑(3)进行图像信号处理。

2．如权利要求1所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述旋转框架机构(1)主要包括有支架(1-1)，马达机构(1-2)，旋转臂(1-3)，马达机构设置在支架(1-1)上，旋转臂设置在支架(1-1)的顶端，在马达机构(1-2)带动下，旋转臂(1-3)绕预定位置转动。

3．如权利要求2所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述旋转框架机构(1)的支架(1-1)和旋转臂(1-3)是用铝合金型材或工程塑料制成。

4．如权利要求1所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述扫描组件(2)主要包括有光源(2-1)，反射镜组(2-2)，光学传感器(2-3)，滤光片(2-4)。

5．如权利要求1或4所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述扫描组件的光源(2-1)是可调焦的可见光激光二极管光线产生器。

6．如权利要求4所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述反射镜组(2-2)由三片平面反射镜构成。

7．如权利要求6所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述反射镜组(2-2)在以边框为xy坐标系下，其三片平面反射镜的布设是相对坐标和对y轴夹角为：镜(2-2-1)为(46,52)和70度，镜(2-2-2)为(35,17)和90度，镜(2-2-3)为(18,60)和25度，此时设定的光源(2-1)的中心坐标为(15,9)，与y轴夹角为90度，滤光片(2-4)的中心从标是(23,62)，轴线与y轴夹角约70度。

8．如权利要求7所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述扫描组件(2)的比例尺可采用1单位等于3毫米的实际尺寸。

9．如权利要求3所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述滤光片(2-4)是一个窄带滤波器，只允许与光源相近的频率的光波通过，以滤去及减少周围环境光线的影响。

10．如权利要求3所述的三维数据扫描器，其特征在于，所述光学传感器(2-3)可以是各种光电摄像技术器件，各种CCD,CMOS光学传感器，各种摄录机的镜头。

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