一种三维全脸照相机系统的制作方法

本实用新型涉及三维人脸采集领域，特别是一种三维全脸照相机系统。

背景技术：

在现有的三维人脸采集与识别技术中，光学重建主要分为主动光学的tof(飞行时间测距法)、结构光以及被动光学的双目和多目立体视觉。主动光学重建主要技术类型划分为两类：一是采用tof方案，进行人脸深度信息测量获得三维表面重建。二是采用结构光投射进行同步扫描成像，通过相位分析来进行三维表面重建的，细分为条纹结构光和散斑结构光。其中，最常用的是结构光法。

结构光成像的硬件包括发射源、接受器以及硬件计算单元；发射源一般是红外或者激光，发射出点阵或者栅格光源，投到物体表面；接受器一般与发射源对应，能够获取发射源投在物体表面的反射光信息；硬件计算单元把接收器接收到的信息处理成物体三维的点云信息。

结构光成像目前最多采集10万个点，散斑结构光方案是采集3万个结构光点，所有投射过来通过类毛玻璃慢衍射形成的斑点集合，并用统计学原理及互相关函数等来模拟三维结构化重建过程。

从光学的角度来说，采集到基素及要素信息之后，如何进行快速计算，然后再用三维场景重建，现在所有的方法都是2维变成2.5维。davidmarr提到的方式，也是二维到二点五维到三维。在这个过程中目前提出了很多方法，包括几何方法、统计学方法及点云等进行三维重建，但由于红外结构光受传输距离的影响比较大，衰减厉害，目前有效的人脸识别距离应该在20cm-60cm之间；超出距离精度会大幅下降。同时由于太阳光包含有红外光，可以预料，在外界阳关充足的环境下，人脸识别的精度和效果会受环境光影响较大。而在结构光捕获三维信息时有一个短暂的多帧相位信息融合，对于持续移动和快速移动的人脸，识别精度会大大降低。

如今，结构光人脸识别技术中还不存在能够把结构光整个发射、接收模组小模块集成，使装置微小化便携性能更好，更加稳定。同时由于受硬件限制，目前三维人脸数据的采集难度较大，数据样本太少，对人脸识别算法的学习和研究带来一定难度。所以，如今需要一种全新的红外三维全脸照相机系统，使其结构高度集成，结构稳定，方便携带，同时能够有效的对整个人脸进行三维重建。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中集成度不够高不便运输，不够稳定的问题，提供一种三维全脸照相机系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种三维全脸照相机系统，包括正面图像采集单元、侧面图像采集单元、支撑立柱以及底座；

所述底座内设有控制器、散热模块和数据端口，所述控制器与所述正面图像采集单元以及所述侧面图像采集单元电连接，所述数据端口用于与外部处理设备相连接；

所述侧面图像采集单元为两个，对称分布在所述正面图像采集单元的两侧，且所述正面图像采集单元与两个侧面图像采集单元的光轴相交于所述正面图像采集单元的正前方；

所述正面图像采集单元与所述侧面图像采集单元通过所述支撑立柱安装在所述底座上；

所述支撑立柱与所述正面图像采集单元、所述侧面图像采集单元以及所述底座螺纹连接。本实用新型通过正面图像采集单元和两个侧面图像采集单元配合采集人脸数据，包括从左耳到右耳之间的全脸信息，并由所述控制器将所述人脸数据通过所述数据端口传输到外部处理设备进行三维重建以及显示，并将图像数据上传至图形工作站以及中心服务器进行大量数据的检索比对等。本实用新型将照相机系统的各部分进行模块化设计，并集成到一个装置中，方便拆装和运输，能够简便的搭接装配，同时也能有效的完成三维人脸数据的采集，大大降低了成本，同时也便于后期维护。

作为本实用新型的优选方案，所述侧面图像采集单元包括红外相机、红外投射振镜以及纹理相机；

所述红外相机为两个，分别设置在所述侧面图像采集单元的顶部和底部，所述纹理相机设置在两个所述红外相机的中间；

所述纹理相机的光轴与水平方向平行，且所述纹理相机的光轴与两个所述红外相机的光轴相交于一点。本实用新型通过添加纹理相机，从而实现后期外部设备处理时能对复杂目标曲面的三维表面进行完整的构建。

作为本实用新型的优选方案，所述侧面图像采集单元包括具有通风对流孔的金属外壳，所述红外相机与所述纹理相机通过金属安装架固定在所述金属外壳内。本实用新型通过利用金属导热性强的原理，同时在外壳上设置通风对流孔，大大的提高了侧面图像采集单元的散热效率，在保证了不受灰尘杂质干扰的同时，有效的延长了采集相机的使用寿命。

作为本实用新型的优选方案，所述红外相机与所述金属安装架之间设有散热结构，所述散热结构包括相机散热片和导热硅脂。本实用新型通过设置散热结构，使芯片的使用寿命大大增长，也提升系统核心器件的应用性能。

作为本实用新型的优选方案，所述底座的材料为金属，所述散热模块包括控制器散热片、导热硅脂、风扇、金属散热栅以及对流风道；

所述控制器背面、所述控制器散热片与所述底座的内侧顶部相连，所述导热硅脂填充在所述控制器与所述控制器散热片以及所述控制器散热片与所述底座之间，所述风扇和所述金属散热栅依次设置在所述控制器正面，所述对流风道设置在所述控制器两侧。本实用新型通过利用金属导热性强的原理，同时在控制器两侧设置对流风道，将热传导散热和风冷相结合，有效的提高了控制器的散热效率，延长了控制器元器件的使用寿命，也提升系统核心器件的应用性能。

作为本实用新型的优选方案，所述金属散热栅为阵列分布的网孔结构。

作为本实用新型的优选方案，所述侧面图像采集单元的光轴与所述正面图像采集单元的光轴之间光轴夹角范围是[25°，35°]。

作为本实用新型的优选方案，所述正面图像采集单元与所述侧面图像采集单元通过加固横梁连杆连接，本实用新型通过设置加固横梁连杆来连接正面图像采集单元与侧面图像采集单元，极大的增强了本实用新型的稳定性，避免了系统在采集时由于外界振动造成的图像不清楚的问题。

作为本实用新型的优选方案，所述支撑立柱为空心圆管，所述控制器通过所述支撑立柱内部的线缆与所述正面图像采集单元以及所述侧面图像采集单元电连接。本实用新型利用中空的支撑立柱来放置采集单元的数据线缆，并将数据线缆与底壳内部的工控系统对应接口连接，避免了线缆的外露，实现了线缆隐藏式保护设计。

作为本实用新型的优选方案，在安装过程中，所述加固横梁连杆能够绕所述正面图像采集单元连接的所述支撑立柱转动。本实用新型的加固横梁连杆可以通过转动调整角度，使安装更加简单易行。

作为本实用新型的优选方案，所述支撑立柱与所述正面图像采集单元、所述侧面图像采集单元以及所述底座螺纹连接。

作为本实用新型的优选方案，所述底座下设有脚垫，所述脚垫高度可调，使底座更加稳定，不受桌面平整度影响，也提高了底部风冷散热的效率。

作为本实用新型的优选方案，所述控制器采用工控机，所述工控机型号为aaeonepic-kbs9。本实用新型采用工控机来三维重建，并连接外部显示器进行图像显示。

作为本实用新型的优选方案，所述底座设有语音模块，所述语音模块与所述控制器电连接。本实用新型通过在底座设置语音模块，可结合相机控制检测软件，输出语音提示以及语音指令录入，使操作更加方便。

有益效果

1.本实用新型通过正面图像采集单元和两个侧面图像采集单元配合采集人脸数据，并由所述控制器将所述人脸数据通过所述数据端口传输到外部处理设备进行三维重建。本实用新型将照相机系统的各部分进行模块化设计，并集成到一个装置中，方便拆装和运输，能够简便的搭接装配，同时也能有效的完成三维人脸数据的采集，大大降低了成本，同时也便于后期维护。

2.本实用新型通过添加纹理相机，从而实现后期外部设备处理时能对复杂目标曲面的三维表面进行完整的构建。

3.本实用新型通过利用金属导热性强的原理，同时在外壳上设置通风对流孔，大大的提高了侧面图像采集单元的散热效率，在保证了不受灰尘杂质干扰的同时，有效的延长了采集相机的使用寿命。并通过设置散热结构，使芯片的使用寿命大大增长，也提升系统核心器件的应用性能。

4.本实用新型通过利用金属导热性强的原理，同时在控制器两侧设置对流风道，将热传导散热和风冷相结合，有效的提高了控制器的散热效率，延长了控制器元器件的使用寿命，也提升系统核心器件的应用性能。

5.本实用新型通过设置加固横梁连杆来连接正面图像采集单元与侧面图像采集单元，极大的增强了本实用新型的稳定性，避免了系统在采集时由于外界振动造成的图像不清楚的问题。同时，本实用新型的加固横梁连杆可以通过转动调整角度，使安装更加简单易行。

6.本实用新型利用中空的支撑立柱来放置采集单元的数据线缆，并将数据线缆与底壳内部的工控系统对应接口连接，避免了线缆的外露，实现了线缆隐藏式保护设计。

7.所述底座下设有脚垫，所述脚垫高度可调，使底座更加稳定，不受桌面平整度影响，也提高了底部风冷散热的效率。

8.本实用新型通过在底座设置语音模块，可结合相机控制检测软件，输出语音提示以及语音指令录入，使操作更加方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例1所述的一种三维全脸照相机系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1所述的一种三维全脸照相机系统的侧面图像采集单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1所述的一种三维全脸照相机系统的通风对流孔示意图；

图4为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的结构示意图；

图5为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的连接结构示意图；

图6为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的系统架构示意图；

图7为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的采集单元构架示意图；

图8为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的侧面图像采集单元架构示意图；

图9为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的底座背面结构示意图；

图10为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的散热设计结构示意图；

图11为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的金属散热栅和风扇结构示意图；

图12为本实用新型实施例2所述的一种三维全脸照相机系统的金属散热栅和风扇安装示意图；

图13为本实用新型实施例3实施例4所述的一种三维全脸照相机系统的精度测试数据分析示意图；

图中标记：1-正面图像采集单元，2-侧面图像采集单元，3-底座，4-支撑立柱，5-开关，6-红外相机，7-红外投射振镜，8-纹理相机，9-金属安装架，10-加固横梁连杆，11-脚垫，12-玻璃窗口，13-控制器，14-控制器散热片，15-金属散热栅，16-风扇，α-侧面图像采集单元光轴与正面图像采集单元光轴夹角，β-侧面采集单元中两个红外相机光轴的夹角。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

本实用新型采用三立柱式构架，简化并缩小了装置的大小，采集目标与正面图像采集单元1正对，两个侧面图像采集单元2分别对采集目标三维实体左侧面和右侧面成像建模，通过相位深度转换的矢量深度拼接重建，纹理拼贴实现对复杂目标曲面的三维表面构建。

实施例1

如图1所示，一种三维全脸照相机系统，包括正面图像采集单元1、侧面图像采集单元2、支撑立柱4、底座3以及开关5。

所述底座3内设有控制器13、散热模块和数据端口；所述散热模块用于为所述控制器13降温；所述数据端口用于与外部设备进行数据交换。同时所述底座3下设有至少3个可调节橡胶脚垫11，用于支撑所述系统。

所述开关5设置在所述底座3上，与所述控制器13电连接；所述支撑立柱4为空心圆管，所述正面图像采集单元1与所述侧面图像采集单元2通过所述支撑立柱4安装在所述底座3上，并通过所述支撑立柱4的空心设计与所述控制器13电连接，从而实现线缆隐藏式保护设计。

所述侧面图像采集单元2为两个，对称分布在所述正面图像采集单元1的两侧，且所述正面图像采集单元1与两个侧面图像采集单元2的光轴相交于所述正面图像采集单元1的正前方，且光轴夹角的范围是[25°，35°]。如图2所示，所述侧面图像采集单元2包括红外相机6、红外投射振镜7、纹理相机8、窗口玻璃以及金属安装架9；所述红外相机6为两个，分别设置在所述侧面图像采集单元2的顶部和底部，所述纹理相机8设置在两个所述红外相机6的中间；所述纹理相机8的光轴与水平方向平行，且所述纹理相机8的光轴与两个所述红外相机6的光轴相交于一点。所述窗口玻璃用于防止灰尘进入相机镜头。如图3所示，所述侧面图像采集单元2采用带有通风对流孔的金属外壳，所述红外相机6与所述纹理相机8通过金属安装架9固定在所述金属外壳内。

本实施例中，两个组件电连接，指的是两个组件之间能够进行电荷的传递。可以理解的是所述开关5与所述控制器13之间的电连接，可以是直接接触进行电性连接，也可以是通过其他的导电结构(例如金属件、导电胶以及导电线缆)进行间接的电性连接；同样的，图像采集单元与所述控制器13电连接，可以是通过隐藏在所述支撑立柱4的导电结构(例如金属件、导电胶以及导电线缆)进行间接的电性连接，此处优选导电线缆来进行连接。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括了滑环连接的加固横梁连杆10。

为了进一步提高了测量仪器的稳定性，本实施例增加了折叠滑环和加固横梁连杆10；左右加固横梁连杆10与两个折叠滑环一体，通过与中间的支撑立柱4轴头适度配合形成可绕轴向转动的机构，调到设计角度位置，由滑环上端螺丝锁紧，即可固化连接。折叠连接创新设计改进了原有装配方式，如图5所示，左右侧面图像采集单元2生产时将其内部及线缆装好并和支撑立柱4组装成一个模块，使后期运输和拆装时不用拆解模块内部，直接模块化搭接，包括控制器13也是一次装配在底壳上，后期只要完成各个组合模块的固定，并把对应线缆插接好，即可标定使用，大大降低了成本和组装复杂度，便于折叠收纳，利于运输，提高了生产效率。支撑立柱4通过加固横梁连杆10的设计角度以及底座3上支撑立柱4对应的安装孔位置限定，可精确达到左右相机的设计安装角度，当调整到适当位置后，支撑立柱4在其下端与外螺纹配合的螺帽把支撑立柱4下端锁紧在底座3内侧。这样的设计安装调整简单易行，锁紧结构使立柱结构的稳定性和刚性都得到增强，提高了仪器整体的稳定性。

三维相机模组空间构成的设计构架是本实用新型的一大创新，包括正面图像采集单元1、左右侧面图像采集单元2内部投射振镜以及相机的空间位置关系，从而良好实现三维重建的效果。

如图6所示，本实用新型对系统构架三维全脸相机的效果对角度进行了优化设计，经实际验证，在基本设计构型情况下，将三参数即基线s，目标距l和左右单元相对基线角度，将参数进行正交实验后，小型红外高精度全脸相机系统，空间布局位置调试试验，对照标定后建模的点云数量质量进行评定，兼顾点云三角面型数量和全脸(左耳连续面部到右耳)得到最佳系统构架如图7所示：目标距离l：560mm，基线s：650mm，左右相机光轴与基线夹角，也就是侧面图像采集单元光轴与正面图像采集单元光轴夹角α＝59±1°，如图8所示，侧面图像采集单元2中的红外上下红外相机6基线135mm附近，相对水平方向夹角β＝14°，结构光投射对中设置，主光轴水平出射。

由于核心器件相机的传感器的发热量较大，因此本实用新型对散热还进行了全新的设计。如图2和图5所示，侧面图像采集单元2中各个相机安装在金属安装架9上，针对发热量大，热量集中的部件采用导热硅胶层+金属的相机散热片+金属外壳的方式，将高热量传导到面积较大的外壳表面，且如图3所示，加入了通风对流的散热设计。经过实际测试，在25℃室温状况下，再未加新的散热设计方案，只使用工控机原有风扇，cpu芯片上的温度66℃，融入了新的设计后，芯片上的温度降为49℃，外壳上的温度为39℃附近。

所述控制器13采用工控机系统，如图9所示，所述底座3的控制器13的散热模块包含以下设计。1)在底座3上控制器13两侧中设置了通风竖槽孔，并在竖槽孔外侧设置了对流风道；2)如图10所示，控制器13与散热模块按照控制器13电路背面、控制器散热片14、底壳内表面的顺序依次安装，所述导热硅脂填充在所述控制器与所述控制器散热片14以及所述控制器散热片14与所述底座3之间，采用控制器13倒吊安装的方式将电路背面的热量通过传导至底壳表面，同时控制器13电路的正面cpu硅片表面设置有金属散热栅15，如图11和图12所示，所述金属散热栅15为u型散热栅，包括导热铜管以及对应的安装槽，中间嵌有风扇16，将所述控制器13以及邻近元件的热量沿箭头方向排出，用以对所述控制器13进行进一步散热。同时底座3底部采用了4个可调节橡胶脚垫11，也将原有底座3下端的盖板设计成孔径5mm的阵列分布的网孔结构。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，本实施例所述控制器13采用型号为aaeonepic-kbs9的工控机。在采集好图像数据后本实用新型通过所述工控机来进行三维重建，并连接外部显示器进行图像显示。

所述底座3内还设有语音模块，所述语音模块与所述工控机电连接，可结合所述工控机内的相机控制检测软件，输出语音提示以及语音指令录入，使操作更加方便。

本实施例中，所述语音模块与所述工控机电连接，指的是两个组件之间能够进行电荷的传递。可以是直接接触进行电性连接，也可以是通过其他的导电结构(例如金属件、导电胶以及导电线缆)进行间接的电性连接。

实施例4

本实施例为实施例2所述散热设计的散热效果评估测试，其实验步骤与测试方法如下：

在25℃标况环境，未应用本方案中的散热设计时，只使用工控机原有风扇情况下，启动采集软件，启动本实用新型的一种三维全脸照相机系统，运行一小时建模程序软件进行连续采图建模。

对比实验一：用测试软件测试cpu工控机各组件的温度测评测试一段时间(10分钟左右)，温度稳定后记录温度数据。

对比实验二：

应用实施例2中传导与风冷结合的散热设计方案，并进行全面测试：

打开三维建模软件，进行相机拍图建模，并打开测试软件进行压力测试环境，cpu100％运行，运行10分钟，显示温度88℃，连续测量，达到温度平衡点；

在上述过程中，仪器设备运行良好，连续采图建模，软件工作正常，建模效果良好。

对比实验三：随后关掉测试软件压力测试，采图建模软件正常运转状态下，连续拍图工作模式下，连续运行10分钟后，查看其各主要组件温度数值。

根据对照试验测试，在上述实验环境，在较设计相对严苛情况，室温25℃标况下上述三个对比实验结果如下：

表1

如表1所示

1)在工控机本身风扇冷却条件下，软件正常运行连续采图建模工作下，cpu温度64℃左右，

2)融入新的散热设计后，压力测试时平衡温度88℃±3℃，软件运行良好，可以在压力模式下性能表现良好稳定。

3)随即去掉压力测试，变化率为从88℃—50℃用时10分钟左右。

实验结论：

运用了全新的散热设计后，在软件连续拍图建模模式下，cpu的热平衡温度测试为50℃，较使用新的散热设计之前的64℃，有很大改善。通过对照测试，验证了本文中传导与风冷结合的散热设计方案对仪器性能和稳定性有了较大提升，从而有利于增强建模运算性能。

通过3dstudio12配合标准球规，采用本实用新型的一种三维全脸照相机系统进行多次测量测试，得到多组测试数据，将所测数据进行误差统计分析，如图13所示，所得测试精度平均值为＝0.15±0.05mm，误差符合高斯分布，本实用新型能有效的完成三维人脸数据的采集。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。