一種迴轉式光柵掃描採像技術的製作方法

2023-07-07 22:39:56 1

專利名稱：一種迴轉式光柵掃描採像技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及非接觸式人像空間坐標三維數據(3D)的採集技術。
背景技術：
空間坐標3D採集技術，目前已在各行業得到應用與研究，並取得豐碩成果。在工 業產品中的模具製造，產品檢驗、測量、設計，大地測繪，甚至航空航天等高科技領域都有著 廣泛的應用。目前三維數據採集方法，按照原理可以分為三種接觸式，如三維坐標測量； 非接觸式，如結構光法、雷射三角法；逐層掃描式，如CT法、核磁共振法、自動斷層掃描法。 上個世紀八十年代，美國Cyberware公司研製出一部專用的頭部三維掃描儀，並成功應用 於影視特技製作。目前應用在人像空間坐標3D採集上的技術主要有兩種一種是基於結構 光法的光柵投影三維採像技術，另一種是迴轉式3D掃描採像技術(專利號94103620. 0)。光柵三維採集技術是應用最廣泛的3D掃描採像技術，其突出優點在於採像速度 很快，約在1秒鐘以內。採像速度很快就容易抓拍人物臉部瞬間的表情，這將有利於採集人 物面部自然生動的表情。但是，測量精度依賴光柵密度，不適合複雜表面的物體。山於光柵 是從人像正前方以發散角度形式射到人臉部，而兩臺攝像機也是從人像前方採集信息。這 樣以來，人像臉部除正面一小部分面積採集的三維數據較為準確外，在人像臉兩側2/3多 面積的三維數據採集極不準確。其結果，光柵三維採集技術所獲取的3D數據可以良好地表 示人像正面信息，但是無法正確表示側面信息。這裡以及下面所說的人像，指人的頭腦部 分，特別包括面部。迴轉式3D掃描採像技術，其主要技術特徵在於該設備圍繞顧客迴轉360°採集 3D數據。在採像儀迴轉工作採集三維數據時，發出垂直雷射束的線性雷射發生器和兩臺攝 像機採集角度相對不變。在人像360°範圍內，採集三維數據的基礎條件相同，這樣人頭像 各部位空間數據採集精度和可重複性都很高，根據這樣的3D數據製造出來的顧客立體頭 像和顧客本人相似性很高。其缺點在於，當該迴轉式3D掃描儀採集顧客頭像時，需要至少 20秒左右才能360°的迴轉周期，完成頭像採集。其中，線性雷射需要在人臉部掃描近10秒 左右，而這一時間人的頭部不可以發生移動，因此需要用一定的設備固定人的頭部。另外， 人的表情或者五官也不可以發生變化，而長時間的掃描，將導致人的表情僵硬。這樣使製造 出來的立體人像雖然從側面和正面都和顧客相似性很高，但表情比較呆板，商業價值有所 下降。迴轉式3D掃描採像儀只能在20秒左右、甚至更多的時間才能完成三維數據採集， 其原因在於目前國內外攝像機的頻率一般都是24幀/秒，這是國際標準。特種高速攝像 機除外，但這種高速攝像機成本很高，維修、調試都很困難，不利於商業化推廣。迴轉式3D 掃描採像儀平均角速度為每秒為18°。如設計每轉動一度採集一條線性雷射完整的數據， 360°的迴轉最少需要15秒的時間。考慮到採集三維數據時，雙攝像機的同步信號和機械 的啟動、停止的影響，有些部分信息不準確，因此18 20秒以上是3D掃描採像技術的最佳 和最短的採集時間。
另外，迴轉式3D掃描採像儀由於要做大於360°的旋轉，各種電源線、視頻線的設 計安裝很複雜，而且容易出故障。光柵三維採集技術採用的是由點及面的投射式光柵，這樣的技術原理會導致人像 側面失真。而迴轉式3D掃描採像技術則設計安裝複雜，特別是採像時間長，回導致人像面 部表情僵硬。將以上兩種人像空間坐標三維(3D)的採集技術結合在一起，匯集兩種技術的優 點而克服各自的缺點，這是本發明「一種迴轉式光柵掃描採像技術」的目的所在。

發明內容
本發明「一種迴轉式光柵掃描採像技術」，利用光柵三維採集技術的原理，採取N 個等距線性雷射發生器所發出的雷射構成垂直等距光柵；利用迴轉式3D掃描採像技術的 原理，以人像為圓心，等距安裝N個線性雷射發生器，等距安裝M個等距攝像機；雷射器或 /與攝像機安裝在以人像為圓心的圓弧形迴轉平臺上，以人像為圓心轉動，這裡所說的圓弧 型包括圓形；雷射器或/與攝像機在圓弧形迴轉平臺上分布後所形成的最大圓心角的角度 可大於或等於90° ；當雷射器或/與攝像機隨著圓弧形迴轉平臺轉動時，線性雷射發生器 發出雷射投射到人像上；攝像機採集人像上的雷射反射光，通過計算機處理最終獲得人像 三維數據。這裡的等距，既可以指空間直線位置的等距離，也可以指當以人像為圓心時的等 角度。圓弧形迴轉平臺以人像為軸心旋轉時，雷射器與攝象機按照以下模式工作雷射 器採取間歇的方式投射雷射，也就是每隔一定的角度或一定的時間投射一次雷射，攝像機 記錄雷射投射時形成的人像反射光，例如迴轉平臺每轉1°，線性雷射器投射一次雷射，則 在180°範圍內就可以投射光柵180條；或者，線性雷射器連續不間斷地投射雷射，而攝像 機以每秒24幀或更多幀採集數據，一樣可以起到增加光柵密度的效果。這裡N與M為自然數，且N>4，M>4。如果每隔1°安裝一個雷射器或/與攝像 機，則N和M可最大達到360。不失一般性，假定N大於等於M,而人像數據最佳採集範圍為 [90°，270° ]，則迴轉平臺的最佳旋轉角度範圍是[90° /N, 270° /M]。假定N = 30，M = 9，則迴轉平臺的最佳旋轉角度大於等於3°，小於等於30°。本發明「一種迴轉式光柵掃描採像技術」在採集人像三維數據時，雷射器或/與攝 象機的運動時間將縮短為以往迴轉式3D掃描採像儀迴轉運動時間的1/N或1/M左右。這 樣，可以達到既降低數據失真度，又能即時精確地採集人的面部表情的效果。圓弧形迴轉平臺的驅動可以採取機械或/與液壓或/與電磁等形式，這是基本設 計常識，這裡不再累述。攝像機所採集的數據如何處理，也是成熟技術，這裡不再贅述。


圖一是本發明所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術的實施例示意圖。其中，人像(1)，圓弧形迴轉平臺(2)，雷射發生器(3)，攝像機(4)。
具體實施例如圖一所示，以人像⑴為圓心的一個180°的圓弧形迴轉平臺(2)上，安裝10臺線性雷射發生器(3)和10臺攝像機(4)。這20臺裝備，以相隔角度9°的形式等距分布地在迴轉平臺上。雷射發生器(3)和攝像機(4)在迴轉平臺(2)上以人像(1)為軸心施轉， 旋轉角度為18°左右。線性雷射發生器(3)所發出的雷射構成垂直等距光柵；攝像機(4) 採集雷射發生器(3)發出的線性雷射在人像上的反射光；最後通過計算機對攝像機採集的 影像進行處理，處理最終獲得人像三維數據。考慮到人的頭腦後部沒有表情特徵，只需要採集頭部前面120°到180°左右的 三維數據即可。這樣，圓弧形迴轉平臺的圓心角的角度可大於或等於120°。在10臺線性 雷射源(3)和10臺攝像機(4)的共同作用下，採集人像的前面部分的數據，那麼只需以往 迴轉式3D掃描採像儀迴轉運動時間的1/20，也就是只需要1秒鐘左右就可以完成人面部 180°的空間數據掃描與採集。根據本發明所述技術採集的數據而製作出來的立體人像不僅和顧客非常相似，而 且人物表情也自然、生動。在本實施例中，半圓形迴轉平臺(2)在1秒鐘內僅需轉動18°左右，因此以往迴轉 式3D掃描採像儀中常見的視頻線、電源線易纏繞與損壞的問題便可迎刃而解；並且整體機 型重量也可大幅度減輕。至於迴轉平臺的驅動、攝像機所採集的數據如何處理，是成熟技術，這裡不再贅 述。
權利要求
一種迴轉式光柵掃描採像技術，採用雷射投射的方法非接觸式地採集人像空間坐標的三維數據，其特徵在於，以人像為圓心，安裝N個雷射發生器，4＜N＜360；以人像為圓心，安裝M個攝像機，4＜N＜360；雷射器或/與攝像機安裝在以人像為圓心的圓弧形迴轉平臺上。
2.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，雷射器或/與攝像 機等距安裝在迴轉平臺上。
3.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，採取N個等距線性 雷射發生器發出雷射構成垂直等距光柵。
4.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，雷射器或/與攝像 機在圓弧形迴轉平臺上分布後所形成的最大圓心角的角度可大於或等於90°。
5.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，圓弧形迴轉平臺 以人像為軸心旋轉時，雷射器與攝像機按照以下模式工作a)雷射器採取間歇的方式投射 雷射，攝像機記錄雷射投射時形成的人像反射光；或者，b)雷射器連續不間斷地投射雷射， 攝像機以每秒24幀或更多幀記錄人像反射光。
6.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，圓弧形迴轉平臺 的驅動可以採取機械或/與液壓或/與電磁等形式。
7.如權利要求1所述的一種迴轉式光柵掃描採像技術，其特徵在於，圓弧形迴轉平臺 以人像為軸心旋轉，旋轉角度在[3°，30° ]範圍內。
全文摘要
一種迴轉式光柵掃描採像技術，涉及人像空間坐標三維(3D)的採集，利用光柵三維採集技術的原理，採取N個等距線性雷射發生器所發出的雷射構成垂直等距光柵；利用迴轉式3D掃描採像技術的原理，以人像為圓心，等距安裝N個線性雷射發生器與M個等距攝像機，雷射器或/與攝像機以人像為圓心轉動；線性雷射發生器發出雷射投射到人像上，攝像機採集人像上的雷射反射光，通過計算機處理最終獲得人像三維數據。雷射器或/與攝象機的運動時間將縮短為以往迴轉式3D掃描採像儀迴轉運動時間的1/N或1/M左右，可以達到既降低數據失真度，又能即時採集人的面部表情的效果。
文檔編號G03B35/08GK101825839SQ20091002137
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者徐晉, 李建利 申請人:徐晉