基於特徵點補充的低成本高清晰度人體三維掃描成像系統的製作方法
2023-05-03 17:44:22
本發明涉及三維掃描儀設備，具體用於物體的三維數據採集和建模還原。
背景技術：
目前市場上應用廣泛的有一下三維掃描設備：
1、手持式掃描儀：此類掃描儀要求目標人體保持靜止狀態，對其按照前後左右逐層卓行掃描，然後通過計算機處理完成三維建模，掃描時間長；
2、全景式人體掃描系統：此類掃描系統為簡單的直立式結構，要經常人為調整掃描的高度及角度範圍，它採用多組三維深度攝像頭結合投影光柵掃描的方式採集數據，通過計算機完成建模，存在結構不穩定,調試複雜,掃描盲點大.設備成本高,後期處理複雜,生成的三維模型缺乏色彩紋理等缺陷；
與此同時，現在主流三維掃描系統都是抓取物體的特徵點，特徵點的多少直接影響物體的質量；其對特徵點的依賴非常嚴重；因此目前採用結構光類的掃描儀的特徵點都有非常嚴格的特徵點坐標信息；但是，基於照相機拍攝採集圖像信息，最終由二維信息還原三維信息的系統中目前只能通過不斷的提高系統中的照相機的像素來滿足高質量的物體數據還原；目前的該類系統中使用的照相機的像素已經達到了單眼相機的級別，但是入門級單眼相機的鏡頭價格都在3000元至5000元不等，成本非常高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於特徵點補充的低成本高清晰度人體三維掃描成像系統，其採用多個照相機採集目標人體信息的原理構件，該照相機的像素要求低，成本低，但是採集質量非常高，效果好，能夠全方位的高質量採集信息，最終能夠實現快速建模還原。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：基於特徵點補充的低成本高 清晰度人體三維掃描成像系統，用於採集目標人體的圖像信息；包含用於採集圖像信息的照相機和用於安裝照相機的框架組件；所述框架組件包含球體結構的殼體；殼體內表面設置有所述照相機；所述殼體上還設置有朝向殼體內部照射的LED補光燈和特徵點補充燈；
所述特徵點補充燈為投影燈，包含高亮LED燈和設於高亮LED燈光路上的用於調整高亮LED燈投射光線焦距的光學鏡頭；所述光學鏡頭和高亮LED燈光之間的光路上還設置有成像鏡片，所述成像鏡片上設置有隨機二維碼；所述投影燈投射出對應隨機二維碼的圖案；所述隨機二維碼由具有一定密度的方形斑點組成；
所述特徵點補充燈和照相機的數量為多個；所有特徵點補充燈投射的隨機二維碼覆蓋位於殼體內的目標人體；所有照相機的拍攝範圍的併集覆蓋整個目標人體；同一個特徵點補充燈投射的隨機二維碼至少被兩個照相機同時完整拍攝；
所述照相機的拍攝角度可以調整；所述特徵點補充燈的投射方向可以調整。
進一步的是：所述照相機的有效像素大於300萬像素。
本發明的進一步改進點包含：
(1)所述特徵點補充燈的光學鏡頭為凹凸透鏡組合；所述特徵點補充燈還包含電源模塊、開關以及用於容納所述高亮LED燈，光學鏡頭和成像鏡片的燈殼。
進一步的是：所述特徵點補充燈還包含用於固定燈殼的安裝杆，安裝杆的一端為用於安裝在框架組件上的固定板，安裝杆的另一端通過安裝杆調節件與能夠水平調整角度的水平旋轉件連接；所述水平旋轉件上通過俯仰調節件安裝有俯仰杆，俯仰杆頂端安裝所述燈殼。
進一步的是：所述安裝杆調節件、俯仰調節件均為鉸接件，該鉸接件可以通過緊固螺釘在調整完角度後進行鎖死；所述燈殼上設置有散熱片；所述燈殼 的一端為透光的鏡頭，該鏡頭可以通過轉動調節焦距。
(2)所述框架組件的殼體包含外層框架和內層框架；內外層框架共計包含48個拼接平板；其中內層框架包含相鄰拼接組裝的五邊形拼接平板6個，六邊形拼接平板14個，四邊形拼接平板4個；外層框架對應的包含五邊形拼接平板6個，六邊形拼接平板14個，四邊形拼接平板4個；
其中，內層框架周圍的五個五邊形拼接平板上均分別設置有多個相機安裝孔、一個LED燈孔和一個特徵點補充燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；內層框架頂部的一個五邊形拼接平板設置有五個LED燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；內層六邊形拼接平板均分別設置有多個相機安裝孔、一個LED燈孔和一個特徵點補充燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；內層四邊形拼接平板上均分別設置有多個相機安裝孔、一個特徵點補充燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；
所述外層框架周圍的五個五邊形拼接平板，以及外層六邊形拼接平板，外層四邊形拼接平板上分別對應設置有一個特徵點補充燈孔；外層頂部的一個五邊形拼接平板為完整的正五邊形；
所述特徵點補充燈的光學鏡頭伸入至內層框架以內，特徵點補充燈遠離光學鏡頭的一端穿過所述外層框架的特徵點補充燈孔後置於外層框架外部；所述特徵點補充燈安裝杆端部的固定板固定安裝在所述內層框架上。
(3)所述框架組件還包含用於支撐所述殼體的底座；所述底座採用空心長方體倒R角設計，中間部分放置設備供電部分，底座上表面設置多個相機孔位。
進一步的是：同一層拼接平板沿邊通過金屬連接片和內六方機械螺釘互相連接構成半球穹頂型；內外層拼接平板之間通過角鐵和內六方機械螺釘互相連接構成可以放置元器件和連接線的夾層；所述底座與上半部分通過金屬連接片和內六方機械螺釘互相連接。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
1、本發明的照相機配置了特徵點補充燈；該特徵點補充燈通過投射隨機二 維碼圖案來增加人體的特徵點，該特徵點能夠讓計算機準確快速的識別人體的輪廓，不需要對特徵點進行精確的坐標計算和形狀設計；至少兩個照相機同時採集投射的隨機二維碼，能夠模擬人的雙眼觀察物體的效果，能夠更加直接，真實的還原採集到人體數據；隨機二維碼採用方形斑點能夠保證最終採集信息的稜角分明，採集的非常精確；具備了特徵點補充燈後，我們的照相機的像素可以大大降低，我們的實際試驗中，採用500萬像素就能達到目前採用單反機級別的掃描系統的效果；成本降低幅度非常大，經濟效益和社會效益都非常高；
本發明的特徵點補充燈為投影燈，包含高亮LED燈和設於高亮LED燈光路上的用於調整高亮LED燈投射光線焦距的光學鏡頭；所述光學鏡頭和高亮LED燈光之間的光路上還設置有成像鏡片，所述成像鏡片上設置有隨機二維碼；所述投影燈投射出對應隨機二維碼的圖案；所述隨機二維碼由具有一定密度的方形斑點組成；隨機二維碼能夠採用現有技術為基礎的二維碼生成器非常便捷的生成，而且也能保證組合的多樣性以及不同投影燈投射的二維碼是不同的；防止計算機將相同二維碼的部分識別為同一個目標人體位置，造成還原錯誤；
本發明的所述特徵點補充燈和照相機的數量為多個；所有特徵點補充燈投射的隨機二維碼覆蓋位於殼體內的目標人體；所有照相機的拍攝範圍的併集覆蓋整個目標人體；同一個特徵點補充燈投射的隨機二維碼至少被兩個照相機同時完整拍攝；如此一來能夠保證基本的布置數量；而且本發明中的球體結構的框架組件結構能夠完全可靠的滿足該數量的布置，是一種創造性非常高的具體實施方式；
本發明的所述照相機的拍攝角度可以調整；所述特徵點補充燈的投射方向可以調整；便於初始位置的可靠調節。
2、綜上所述，本發明將投影燈作為一種特徵點補充燈，在光路上設置了帶有隨機二維碼的成像鏡片，如此可以增加很多特徵點；其原理類似於一張白紙和一張印有圖案的紙，兩個放在一起，一眼就看出來有圖案的特徵點多；本發 明的特徵點補充燈將高亮LED燈的光線通過刻有隨機二維碼的成像鏡片，然後經過凹凸透鏡組合達到一個最佳的投影效果；使得目標人體表面黑白相間，特徵點很明顯。
3、本發明中，採用球體結構的殼體作為安裝照相機等部件的框架，其可以使得相機成穹頂式分布，使得人體三維掃描儀中的攝像頭能夠充分掃描到空間內的所有位置，多視角，全方位採集照片信息，從而獲取高精度的參數；本發明的框架組件中每一塊都可以已成為一個獨立的電路模塊，可靈活拼裝，拆卸，運輸；本發明的框架組件設計合理，為拍照單元提供支撐定位坐標，多個拍照單元組合為點陣式拍照系統，能適應調整掃描對象的姿態變化，快速完成待掃描目標人體的外輪廓多角度拍照，適用於三維圖像處理工作站的數據採集，成像質量高，掃描速度快，成本相對低廉，具有極佳的實用性和推廣應用價值。
附圖說明
圖1為本發明的框架組件的一種具體實施方式的結構示意圖；
圖2為本發明的內層框架的一種具體實施方式的結構示意圖；
圖3為與圖2對應的外層框架的一種具體實施方式的結構示意圖；
圖4為本發明的特徵點補充燈的結構示意圖；
圖5為本發明的特徵點補充燈的結構原理圖；
圖6為本發明的成像鏡片上的隨機二維碼的效果示意圖。
附圖標記說明：
1-外層框架，2-內層框架；
10-內層周圍五邊形，20-內層頂部五邊形，30-內層六邊形，40-內層四邊形，50-外層周圍五邊形，60-外層頂部五邊形，70-外層六邊形，80-外層四邊形，90-底座，100-開口；200-高亮LED燈，300-成像鏡片，400-光學鏡頭；
31-相機安裝孔，32-特徵點補充燈孔，33-LED燈孔；
321-固定板，322-安裝杆，323-安裝杆調節件，324-水平旋轉件，325-俯 仰調節件，326-俯仰杆，327-燈殼，328-鏡頭。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例描述本發明具體實施方式：
如圖1～6所示，其示出了本發明的具體實施方式，本發明基於特徵點補充的低成本高清晰度人體三維掃描成像系統，用於採集目標人體的圖像信息；包含用於採集圖像信息的照相機和用於安裝照相機的框架組件；所述框架組件包含球體結構的殼體；殼體內表面設置有所述照相機；所述殼體上還設置有朝向殼體內部照射的LED補光燈和特徵點補充燈；
如圖所示，所述特徵點補充燈為投影燈，包含高亮LED燈200和設於高亮LED燈光路上的用於調整高亮LED燈投射光線焦距的光學鏡頭400；所述光學鏡頭和高亮LED燈光之間的光路上還設置有成像鏡片300，所述成像鏡片上設置有隨機二維碼；所述投影燈投射出對應隨機二維碼的圖案；所述隨機二維碼由具有一定密度的方形斑點組成；
如圖所示，所述特徵點補充燈和照相機的數量為多個；所有特徵點補充燈投射的隨機二維碼覆蓋位於殼體內的目標人體；所有照相機的拍攝範圍的併集覆蓋整個目標人體；同一個特徵點補充燈投射的隨機二維碼至少被兩個照相機同時完整拍攝；
如圖所示，所述照相機的拍攝角度可以調整；所述特徵點補充燈的投射方向可以調整。
優選的，所述照相機的有效像素大於300萬像素。當然也可以更低；但是根據我們的實際試驗，500萬像素是能夠保證效果的最優化和成本的最低化；
優選的，如圖所示，所述特徵點補充燈的光學鏡頭為凹凸透鏡組合；所述特徵點補充燈還包含電源模塊、開關以及用於容納所述高亮LED燈，光學鏡頭和成像鏡片的燈殼。
優選的，如圖所示，所述特徵點補充燈還包含用於固定燈殼327的安裝杆 322，安裝杆的一端為用於安裝在框架組件上的固定板321，安裝杆的另一端通過安裝杆調節件323與能夠水平調整角度的水平旋轉件324連接；所述水平旋轉件上通過俯仰調節件325安裝有俯仰杆326，俯仰杆頂端安裝所述燈殼。
優選的，如圖所示，所述安裝杆調節件、俯仰調節件均為鉸接件，該鉸接件可以通過緊固螺釘在調整完角度後進行鎖死；所述燈殼上設置有散熱片；所述燈殼的一端為透光的鏡頭，該鏡頭可以通過轉動調節焦距。
優選的，如圖所示，所述框架組件的殼體包含外層框架1和內層框架2；內外層框架共計包含48個拼接平板；其中內層框架包含相鄰拼接組裝的五邊形拼接平板6個，六邊形拼接平板14個，四邊形拼接平板4個；外層框架對應的包含五邊形拼接平板6個，六邊形拼接平板14個，四邊形拼接平板4個；
如圖所示，其中，內層框架周圍的五個五邊形拼接平板上均分別設置有多個相機安裝孔31、一個LED燈孔33和一個特徵點補充燈孔32，並匹配有螺絲固定孔位；內層框架頂部的一個五邊形拼接平板設置有五個LED燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；內層六邊形拼接平板均分別設置有多個相機安裝孔、一個LED燈孔和一個特徵點補充燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；內層四邊形拼接平板上均分別設置有多個相機安裝孔、一個特徵點補充燈孔，並匹配有螺絲固定孔位；
所述外層框架周圍的五個五邊形拼接平板，以及外層六邊形拼接平板，外層四邊形拼接平板上分別對應設置有一個特徵點補充燈孔；外層頂部的一個五邊形拼接平板為完整的正五邊形；
所述特徵點補充燈的光學鏡頭伸入至內層框架以內，特徵點補充燈遠離光學鏡頭的一端穿過所述外層框架的特徵點補充燈孔後置於外層框架外部；所述特徵點補充燈安裝杆端部的固定板固定安裝在所述內層框架上。
優選的，如圖所示，所述框架組件還包含用於支撐所述殼體的底座；所述底座採用空心長方體倒R角設計，中間部分放置設備供電部分，底座上表面設置多個相機孔位。
優選的，如圖所示，同一層拼接平板沿邊通過金屬連接片和內六方機械螺釘互相連接構成半球穹頂型；內外層拼接平板之間通過角鐵和內六方機械螺釘互相連接構成可以放置元器件和連接線的夾層；所述底座與上半部分通過金屬連接片和內六方機械螺釘互相連接。
上面結合附圖對本發明優選實施方式作了詳細說明，但是本發明不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。
不脫離本發明的構思和範圍可以做出許多其他改變和改型。應當理解，本發明不限於特定的實施方式，本發明的範圍由所附權利要求限定。