专利名称：一种回转式光栅扫描采像技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及非接触式人像空间坐标三维数据(3D)的采集技术。
背景技术：
空间坐标3D采集技术，目前已在各行业得到应用与研究，并取得丰硕成果。在工 业产品中的模具制造，产品检验、测量、设计，大地测绘，甚至航空航天等高科技领域都有着 广泛的应用。目前三维数据采集方法，按照原理可以分为三种接触式，如三维坐标测量； 非接触式，如结构光法、激光三角法；逐层扫描式，如CT法、核磁共振法、自动断层扫描法。 上个世纪八十年代，美国Cyberware公司研制出一部专用的头部三维扫描仪，并成功应用 于影视特技制作。目前应用在人像空间坐标3D采集上的技术主要有两种一种是基于结构 光法的光栅投影三维采像技术，另一种是回转式3D扫描采像技术(专利号94103620. 0)。光栅三维采集技术是应用最广泛的3D扫描采像技术，其突出优点在于采像速度 很快，约在1秒钟以内。采像速度很快就容易抓拍人物脸部瞬间的表情，这将有利于采集人 物面部自然生动的表情。但是，测量精度依赖光栅密度，不适合复杂表面的物体。山于光栅 是从人像正前方以发散角度形式射到人脸部，而两台摄像机也是从人像前方采集信息。这 样以来，人像脸部除正面一小部分面积采集的三维数据较为准确外，在人像脸两侧2/3多 面积的三维数据采集极不准确。其结果，光栅三维采集技术所获取的3D数据可以良好地表 示人像正面信息，但是无法正确表示侧面信息。这里以及下面所说的人像，指人的头脑部 分，特别包括面部。回转式3D扫描采像技术，其主要技术特征在于该设备围绕顾客回转360°采集 3D数据。在采像仪回转工作采集三维数据时，发出垂直激光束的线性激光发生器和两台摄 像机采集角度相对不变。在人像360°范围内，采集三维数据的基础条件相同，这样人头像 各部位空间数据采集精度和可重复性都很高，根据这样的3D数据制造出来的顾客立体头 像和顾客本人相似性很高。其缺点在于，当该回转式3D扫描仪采集顾客头像时，需要至少 20秒左右才能360°的回转周期，完成头像采集。其中，线性激光需要在人脸部扫描近10秒 左右，而这一时间人的头部不可以发生移动，因此需要用一定的设备固定人的头部。另外， 人的表情或者五官也不可以发生变化，而长时间的扫描，将导致人的表情僵硬。这样使制造 出来的立体人像虽然从侧面和正面都和顾客相似性很高，但表情比较呆板，商业价值有所 下降。回转式3D扫描采像仪只能在20秒左右、甚至更多的时间才能完成三维数据采集， 其原因在于目前国内外摄像机的频率一般都是24帧/秒，这是国际标准。特种高速摄像 机除外，但这种高速摄像机成本很高，维修、调试都很困难，不利于商业化推广。回转式3D 扫描采像仪平均角速度为每秒为18°。如设计每转动一度采集一条线性激光完整的数据， 360°的回转最少需要15秒的时间。考虑到采集三维数据时，双摄像机的同步信号和机械 的启动、停止的影响，有些部分信息不准确，因此18 20秒以上是3D扫描采像技术的最佳 和最短的采集时间。
另外，回转式3D扫描采像仪由于要做大于360°的旋转，各种电源线、视频线的设 计安装很复杂，而且容易出故障。光栅三维采集技术采用的是由点及面的投射式光栅，这样的技术原理会导致人像 侧面失真。而回转式3D扫描采像技术则设计安装复杂，特别是采像时间长，回导致人像面 部表情僵硬。将以上两种人像空间坐标三维(3D)的采集技术结合在一起，汇集两种技术的优 点而克服各自的缺点，这是本发明“一种回转式光栅扫描采像技术”的目的所在。
发明内容
本发明“一种回转式光栅扫描采像技术”，利用光栅三维采集技术的原理，采取N 个等距线性激光发生器所发出的激光构成垂直等距光栅；利用回转式3D扫描采像技术的 原理，以人像为圆心，等距安装N个线性激光发生器，等距安装M个等距摄像机；激光器或 /与摄像机安装在以人像为圆心的圆弧形回转平台上，以人像为圆心转动，这里所说的圆弧 型包括圆形；激光器或/与摄像机在圆弧形回转平台上分布后所形成的最大圆心角的角度 可大于或等于90° ；当激光器或/与摄像机随着圆弧形回转平台转动时，线性激光发生器 发出激光投射到人像上；摄像机采集人像上的激光反射光，通过计算机处理最终获得人像 三维数据。这里的等距，既可以指空间直线位置的等距离，也可以指当以人像为圆心时的等 角度。圆弧形回转平台以人像为轴心旋转时，激光器与摄象机按照以下模式工作激光 器采取间歇的方式投射激光，也就是每隔一定的角度或一定的时间投射一次激光，摄像机 记录激光投射时形成的人像反射光，例如回转平台每转1°，线性激光器投射一次激光，则 在180°范围内就可以投射光栅180条；或者，线性激光器连续不间断地投射激光，而摄像 机以每秒24帧或更多帧采集数据，一样可以起到增加光栅密度的效果。这里N与M为自然数，且N>4，M>4。如果每隔1°安装一个激光器或/与摄像 机，则N和M可最大达到360。不失一般性，假定N大于等于M,而人像数据最佳采集范围为 [90°，270° ]，则回转平台的最佳旋转角度范围是[90° /N, 270° /M]。假定N = 30，M = 9，则回转平台的最佳旋转角度大于等于3°，小于等于30°。本发明“一种回转式光栅扫描采像技术”在采集人像三维数据时，激光器或/与摄 象机的运动时间将缩短为以往回转式3D扫描采像仪回转运动时间的1/N或1/M左右。这 样，可以达到既降低数据失真度，又能即时精确地采集人的面部表情的效果。圆弧形回转平台的驱动可以采取机械或/与液压或/与电磁等形式，这是基本设 计常识，这里不再累述。摄像机所采集的数据如何处理，也是成熟技术，这里不再赘述。
图一是本发明所述的一种回转式光栅扫描采像技术的实施例示意图。其中，人像(1)，圆弧形回转平台(2)，激光发生器(3)，摄像机(4)。
具体实施例如图一所示，以人像⑴为圆心的一个180°的圆弧形回转平台(2)上，安装10台线性激光发生器(3)和10台摄像机(4)。这20台装备，以相隔角度9°的形式等距分布地在回转平台上。激光发生器(3)和摄像机(4)在回转平台(2)上以人像(1)为轴心施转， 旋转角度为18°左右。线性激光发生器(3)所发出的激光构成垂直等距光栅；摄像机(4) 采集激光发生器(3)发出的线性激光在人像上的反射光；最后通过计算机对摄像机采集的 影像进行处理，处理最终获得人像三维数据。考虑到人的头脑后部没有表情特征，只需要采集头部前面120°到180°左右的 三维数据即可。这样，圆弧形回转平台的圆心角的角度可大于或等于120°。在10台线性 激光源(3)和10台摄像机(4)的共同作用下，采集人像的前面部分的数据，那么只需以往 回转式3D扫描采像仪回转运动时间的1/20，也就是只需要1秒钟左右就可以完成人面部 180°的空间数据扫描与采集。根据本发明所述技术采集的数据而制作出来的立体人像不仅和顾客非常相似，而 且人物表情也自然、生动。在本实施例中，半圆形回转平台(2)在1秒钟内仅需转动18°左右，因此以往回转 式3D扫描采像仪中常见的视频线、电源线易缠绕与损坏的问题便可迎刃而解；并且整体机 型重量也可大幅度减轻。至于回转平台的驱动、摄像机所采集的数据如何处理，是成熟技术，这里不再赘 述。
权利要求
一种回转式光栅扫描采像技术，采用激光投射的方法非接触式地采集人像空间坐标的三维数据，其特征在于，以人像为圆心，安装N个激光发生器，4＜N＜360；以人像为圆心，安装M个摄像机，4＜N＜360；激光器或/与摄像机安装在以人像为圆心的圆弧形回转平台上。
2.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，激光器或/与摄像 机等距安装在回转平台上。
3.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，采取N个等距线性 激光发生器发出激光构成垂直等距光栅。
4.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，激光器或/与摄像 机在圆弧形回转平台上分布后所形成的最大圆心角的角度可大于或等于90°。
5.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，圆弧形回转平台 以人像为轴心旋转时，激光器与摄像机按照以下模式工作a)激光器采取间歇的方式投射 激光，摄像机记录激光投射时形成的人像反射光；或者，b)激光器连续不间断地投射激光， 摄像机以每秒24帧或更多帧记录人像反射光。
6.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，圆弧形回转平台 的驱动可以采取机械或/与液压或/与电磁等形式。
7.如权利要求1所述的一种回转式光栅扫描采像技术，其特征在于，圆弧形回转平台 以人像为轴心旋转，旋转角度在[3°，30° ]范围内。
全文摘要
一种回转式光栅扫描采像技术，涉及人像空间坐标三维(3D)的采集，利用光栅三维采集技术的原理，采取N个等距线性激光发生器所发出的激光构成垂直等距光栅；利用回转式3D扫描采像技术的原理，以人像为圆心，等距安装N个线性激光发生器与M个等距摄像机，激光器或/与摄像机以人像为圆心转动；线性激光发生器发出激光投射到人像上，摄像机采集人像上的激光反射光，通过计算机处理最终获得人像三维数据。激光器或/与摄象机的运动时间将缩短为以往回转式3D扫描采像仪回转运动时间的1/N或1/M左右，可以达到既降低数据失真度，又能即时采集人的面部表情的效果。
文档编号G03B35/08GK101825839SQ20091002137
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者徐晋, 李建利 申请人:徐晋