一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统及其方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统及其方法，包括转盘，转盘四周放置支架，全身扫描仪，半身扫描仪，面部五官扫描仪，分别安放在三个支架上，三个扫描仪尾端的数据线接入计算机，计算机内含用于模型采集、融合、修复与增强的配套软件工具。本发明结构简单、成本低、精度高、扫描时间短，结合不同类型扫描仪的优点，采用分工操作，目的明确，可获取高精度的人物面部五官，头部轮廓、头发细节和全身表面轮廓等人体特征三维模型。对于不同扫描仪采集到的特征三维模型，通过软件融合拼接可获得高精度人体三维模型，无需进行后续模型处理。多组扫描仪同时工作，大大减少了扫描时间。
【专利说明】一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非接触式三维数据测量领域，具体涉及人体三维数据中的光编码技术采集人体三维数据形成3D模型领域。
【背景技术】
[0002]非接触式三维数据测量技术的研究在世界范围已成为一个热门的研究领域，主要采用激光，红外线，光栅等技术。目前已经研制出具有一定功能的三维数据扫描装置，但都是价格不菲。国外发达国家在20世纪70年代就开始推行三维数据自动测量的研究，提出了许多新的测量原理和方法，推出了一系列非接触式三维人体扫描装置，在精度、扫描速度等方面都达到了很高的水平。但是它们普遍存在体积庞大，安装复杂，造价昂贵等问题。国内在非接触式三维测量方面研究也有很长时间，但是普遍存在结构复杂、操作复杂、成本较高、测量缓慢、精度低等缺点。
[0003]三维人体扫描在医疗机构进行医学研究、服装行业进行服装设计制造、3D打印、全球人体数据采集、以及影视作品中进行虚拟和现实人物的图像合成方面均具有重要的现实意义。在医学方面包括人体假肢的定制。在3D打印行业，三维扫描仪采集数据的好坏是决定打印模型好坏的一个非常重要的前提条件。
[0004]光编码技术不同于传统的TOFOlME OF FLIGHT)或者结构光测量技术，光编码使用的是连续的照明(而非脉冲)，不需要特制的感光芯片，只需要普通的COMS感光芯片，这让扫描仪的成本大大降低。光编码技术，就是用光源照明给需要测量的空间上编码，实际上还是一种结构光技术。但与传统的结构光方法不同的是，它的光源打出去并不是一副周期性变化的二维码图像编码，而是一个具有三维纵深的“体编码”。这种光源叫做雷射散斑(Laser speckle),是当红外线照射到粗糙物体或穿透毛玻璃后形成的随机衍射斑点。这些散斑具有高度随机性，而且会随着距离的不同变换图案。也就是说空间任意两处的散斑图案都是不同的。只要在空间上打上这样的结构光，整个空间就都被做了标记，把一个物体放进这个空间只要看看物体上面的散斑图案，就可以知道这个物体在什么位置了。当然，在这之前要把整个空间的散斑都记录下来，所以要先做一次光源的标定。标定的方法是这样的:每隔一段距离，取一个参考平面，把参考平面上的散斑图案记录下来。假设用户活动空间是距离扫描仪的I到4米的距离，每隔IOcm取一个参考平面，那么标定下来就已经保存了 30幅散斑图像。需要进行测量的时候，拍摄一幅待测场景的散斑图像，将这幅图像和我们保存的30幅参考图像依次做相关运算，这样我们就会得到30幅相关度图像，而空间中有物体存在的位置，在相关度图像上就会显示出峰值。把这些峰值一层层叠在一起，再经过一些插值，就会得到整个场景的三维形状。
[0005]专利申请号为201310140934.0，专利名称为多机位快速人体三维扫描系统。多机组合快速人体三维扫描系统，是专业的人体扫描设备，可以快速有效的获得人体三维数据。该设备由多台单目结构光扫描仪组成，并配合连续扫描切换控制技术，使人体扫描系统获得三维人体数据的工作在6秒内完成。多机组合人体三维扫描仪的实际扫描高度为2100MM。组合类型可根据实际需求灵活组合，一般有八机全身组合、六机全身组合、四机全身组合、四机半身组合、三机半身组合和双机半身组合。
[0006]但上述现有技术存在的问题:数据采集量大、标定过程繁琐、仅能获得全身轮廓、扫描精度差。无法获得高精度的人物面部五官、头部轮廓、头发细节等人体特征三维模型，对得到的模型需要进行后续处理。
【发明内容】
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统及其方法，其采用的技术方案如下:
[0008]一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统，包括供人体站立的可匀速旋转的转盘，转盘四周放置支架，全身扫描仪、半身扫描仪、面部五官扫描仪，分别安放在三个支架上，三个扫描仪尾端的数据线接入计算机，三个支架可根据扫描对像的不同来调节其摆放位置，扫描仪为针对人体各部分扫描而使用的各具其优点的不同类型扫描仪，计算机内含用于模型采集、融合、修复与增强的配套软件工具，选取适合的软件工具对不同类型的扫描仪所扫描的三维模型进行组合得其最优3D模型。对于不同类型的扫描仪而言，各有其优点，发挥各个扫描仪的优点可以获得人体不同部位的特征三维模型。通过软件对各个扫描仪所扫描的图像进行组合得到3D模型，解决了不同扫描仪扫描全身所造成的数据采集量大的缺点，使得人体扫描时间及数据处理时间大为减少。
[0009]上述的系统，转盘可通过遥控进行转动，这个部分的设置使得操作更便捷。
[0010]上述的系统，软件工具可以为skanectl.5与geomagic studiol2。
[0011]一种基于光编码技术的人体三维数据采集方法，利用本发明的基于光编码技术的人体三维数据采集系统实现，其具体的步骤如下:
[0012]步骤一:调整扫描仪的摆放角度，打开配套软件，进行三组模型的采集，全身扫描仪得到的是全身轮廓，半身扫描仪得到的是颈部以上轮廓，面部五官扫描仪得到的是精细面部五官；
[0013]步骤二:利用软件工具对步骤一得到的精细面部五官与颈部以上轮廓进行融合拼接，用精细度高的精细面部五官来代替颈部以上轮廓中表现不行的五官细节，得到一个高精度上半身模型；
[0014]步骤三:利用软件工具对步骤二得到的高精度上半身模型与全身轮廓进行融合拼接，得到高精度人体模型。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下创新点:本发明结构简单、成本低、精度高、扫描时间短的。结合不同类型扫描仪的优点，采用分工操作，目的明确，利用不同类型的扫描仪可获取高精度的人物面部五官，头部轮廓、头发细节和全身表面轮廓等人体特征三维模型，提高对人体扫描的精确度。对于不同扫描仪采集到的特征三维模型，通过软件融合拼接可获得高精度人体三维模型，无需进行后续模型处理。可以使得整个数据采集量较少，并且合成的3D模型更为精准。多组扫描仪同时工作，扫描时间大大减少，使得操作过程更为简便。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为人体三维数据采集装置结构示意图[0017]图2A为全身扫描仪I采集的全身轮廓
[0018]图2B为半身扫描仪2采集的颈部以上轮廓
[0019]图2C为面部五官扫描仪3采集的精细面部五官
[0020]图3为高精度上半身模型合成过程示意图
[0021]图4为高精度人体三维模型合成过程示意图
[0022]图中标号:1、全身扫描仪2、半身扫描仪3、面部五官扫描仪4、三个支架5、可遥控的匀速旋转的转盘6、计算机。
【具体实施方式】
[0023]为使发明更明显易懂，用一次人体三维数据采集为例，并配合附图作详细说明:
[0024]如图1所示:基于光编码技术的人体三维数据采集装置包括全身扫描仪1、半身扫描仪2、面部五官扫描仪3、三个支架4、可遥控的匀速旋转的转盘5、计算机6、用于模型采集、融合、修复与增强的配套软件工具。
[0025]本发明实施例所用的扫描仪为美国微软公司出品的Kinect扫描仪。所用的扫描仪包括三个扫描头。从左到右分别是VC379C7130红外CMOS，VNA38209015彩色RGB摄像头，JG05A红外发射器。红外发射器的镜头是经过特殊处理的毛玻璃。
[0026]扫描仪利用红外线发射器发射出雷射散斑，通过红外线CMOS记录下空间中的每个散斑，结合原始散斑图案，通过晶片计算出具有3D深度的图像。再用RGB摄像头采集的彩色图像对于计算出的3D深度图像进行上色处理。
[0027]如图1所示:测量对象站立于转盘5之上保持不动，将三个安装有不同扫描仪1、
2、3的支架4分别放置于人体的四周，放置位置随意，不相互干扰就行。将扫描仪的数据线接入计算机6，打开三维数据采集、融合、修饰与增强的软件工具。调整扫描仪I所在支架4距离转盘5的位置，调整扫描仪I所在平台的高度与角度，从计算机屏幕上查看到正好出现人体全部信息为止。对于扫描仪2、3重复以上操作。扫描仪2达到的效果是采集到人体颈部以上的三维数据，扫描仪3达到的效果是采集到面部五官三维数据。至此准备工作结束，测量对象摆好喜欢的姿势，用遥控器打开转盘的旋转按钮，测量对象随着转盘做匀速旋转，从屏幕上观察到各个扫描仪均正常采集着相应部位的三维数据。数秒过后，转盘旋转一周，此时扫描仪1、2、3完成人体相应部位的三维数据的采集。这时候从屏幕上可以看到扫描仪
1、2、3分别扫描的人体的全身轮廓2A，颈部以上轮廓2B，精细面部五官2C。三维数据采集阶段到此结束。
[0028]如图2A所示:从扫描仪I采集的三维数据是全身轮廓2A。其特点是对于人体的轮廓信息表现良好，但是颈部以上的头部细节表现不行。
[0029]如图2B所示:从扫描仪2采集的三维数据是颈部以上轮廓2B。其特点是对于人体的头部轮廓、头发信息表现良好，但是五官细节表现不行。
[0030]如图2C所示:从扫描仪3采集的三维数据是精细面部五官2C。其特点是对于面部五官的精细度表现良好，但是采集范围狭小。
[0031]如图3、4所示:利用不同扫描仪采集的三组数据模型进行融合拼接。首先用精细面部五官2C与颈部以上轮廓2B进行融合拼接，用精细度高的精细面部五官2C来代替颈部以上轮廓2B中表现不行的五官细节，得到一个高精度上半身模型。再利用全身轮廓2A与高精度上半身模型进行融合拼接，用高精度上半身模型来替代全身轮廓2A中精度不够的上半身模型，得到一个高精度人体三维模型。
[0032]本发明结合不同类型扫描仪的优点，采用分工操作，目的明确，可获取高精度的人物面部五官，头部轮廓、头发细节和全身表面轮廓等人体特征三维模型。
[0033]对于不同扫描仪采集到的特征三维模型，通过软件融合拼接可获得高精度人体三维模型，无需进行后续模型处理。多组扫描仪同时工作，各自扫描的部位较少，大大减少了扫描时间。
【权利要求】
1.一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统，包括供人体站立的可匀速旋转的转盘，转盘四周放置支架，全身扫描仪、半身扫描仪、面部五官扫描仪，分别安放在三个支架上，三个扫描仪尾端的数据线接入计算机，计算机内含用于模型采集、融合、修复与增强的配套软件工具，其特征在于，三个支架可根据扫描对象的不同来调节摆放位置，相互之间互不干扰，扫描仪为针对人体各部分扫描而使用的各具其优点的不同类型扫描仪，选取适合的软件工具对不同类型的扫描仪所扫描的三维模型进行组合得其最优3D模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统，其特征在于转盘可通过遥控进行转动。
3.根据权利要求1所述的一种基于光编码技术的人体三维数据采集系统，其特征在于软件工具可以为 skanectl.5 与 geomagic studiol2。
4.一种基于光编码技术的人体三维数据采集方法，其特征在于，利用了权利要求1所述的系统实现，其具体的步骤如下: 步骤一:根据扫描对象来调整扫描仪的摆放角度，打开配套软件，进行三组模型的采集，全身扫描仪得到的是全身轮廓，半身扫描仪得到的是颈部以上轮廓，面部五官扫描仪得到的是精细面部五官； 步骤二:利用软件工具对步骤一得到的精细面部五官与颈部以上轮廓进行融合拼接，用精细度高的精细面部五官来代替颈部以上轮廓中表现不行的五官细节，得到一个高精度上半身模型； 步骤三:利用软件工具对步骤二得到的高精度上半身模型与全身轮廓进行融合拼接，得到高精度人体模型。
【文档编号】G06F17/50GK104008236SQ201410211331
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】岳东, 庞宗强, 韩凯, 王龙 申请人:南京邮电大学