用于多视图几何三维重建的特征点补充系统的制作方法

本发明涉及三维扫描仪设备，具体用于物体的三维数据采集和建模还原；其包含多个摄像头。

背景技术：

目前市场上应用广泛的有一下三维扫描设备：

1、手持式扫描仪：此类扫描仪要求人体保持静止状态，对其按照前后左右逐层卓行扫描，然后通过计算机处理完成三维建模，扫描时间长；

2、全景式人体扫描系统：此类扫描系统为简单的直立式结构，要经常人为调整扫描的高度及角度范围，它采用多组三维深度摄像头结合投影光栅扫描的方式采集数据，通过计算机完成建模，存在结构不稳定,调试复杂,扫描盲点大.设备成本高,后期处理复杂,生成的三维模型缺乏色彩纹理等缺陷；

我们根据人体视觉差原理组成了一套待扫描目标的图像采集还原系统；所述视觉差是指我们的系统具备多个摄像头，待扫描目标的每一处位置都至少会有两个摄像头同时拍摄采集图像；该原理的系统其成像还原效率高，质量好；但是，为了保证高质量的信息采集，目前的该系统中使用的摄像头的像素已经达到了单反相机的级别，但是入门级单反相机的镜头价格都在3000元至5000元不等，成本非常高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于多视图几何三维重建的特征点补充系统，其采用多个摄像头采集待扫描目标，同时具备非常可靠的特征点补充灯，能够提供更多的特征点，使得摄像头的像素要求降低，成本变低；整个系统结构合理，采集还原效率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于多视图几何三维重建的 特征点补充系统，用于采集待扫描目标的图像信息；包含多个图像采集处理单元，所述图像采集处理单元是由图像采集单元和图像处理单元组成的一个嵌入型微采集处理单元；多个图像采集处理单元互相连接，并行工作；所述图像采集处理单元连接至计算机；

所述图像采集单元为摄像头，所述图像处理单元为采用ARM芯片作为CPU的嵌入式计算机单元，两个单元组成图像采集处理单元的整体；

还包含用于安装摄像头的框架组件；所述框架组件上还设置有朝向待扫描目标照射的LED补光灯和特征点补充灯；

所述特征点补充灯电连接至开关端子，所述开关端子通过图像采集处理单元控制通断；所述多个图像采集处理单元通过交换机互相连接；所述计算机通过路由器与所有图像采集处理单元集中连接。

所述特征点补充灯为用于投射随机二维码图案的图案投影灯，或者为用于投射红外光线图案的红外投影灯，或者为用于投射激光干涉图案的激光投影灯；

所述特征点补充灯和摄像头的数量为多个；所有特征点补充灯投射的图案覆盖所述待扫描目标；所有摄像头的拍摄范围的并集同样覆盖整个待扫描目标；同一个特征点补充灯投射的图案至少被两个摄像头同时完整拍摄；

所述摄像头的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整。

本发明的进一步改进点在于：

(1)所述图案投影灯包含高亮LED灯和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；

所述红外投影灯为用于投射白光或蓝光的红外投影灯，其包含有红外发射装置；

所述激光投影包含激光发生器。

(2)所述图案投影灯的光学镜头为凹凸透镜组合；所述特征点补充灯包含灯壳和灯壳架；所述灯壳架包含用于固定灯壳的安装杆，安装杆的一端为用于安装在框架组件上的固定板，安装杆的另一端通过安装杆调节件与能够水平调整角度的水平旋转件连接；所述水平旋转件上通过俯仰调节件安装有俯仰杆，俯仰杆顶端安装所述灯壳。

进一步的是：所述安装杆调节件、俯仰调节件均为铰接件，该铰接件可以通过紧固螺钉在调整完角度后进行锁死；所述灯壳上设置有散热片；所述灯壳的一端为透光的镜头，该镜头可以通过转动调节焦距。

(3)所有摄像头组成摄像头阵列；所述框架组件为支架；所述摄像头阵列中的每个摄像头安装在支架上，且通过支架上设置的水平传动部件和竖直传动部件分别实现相对于水平面的角度的转动和相对于竖直方向上的角度的转动；所述水平传动部件和竖直传动部件均包含驱动电机；所述驱动电机电连接至控制器；所述控制器控制所述驱动电机实现摄像头阵列的中点对准所述待采集目标中点；

所述支架包含柱子，柱子上安装多个水平传动部件，每个水平传动部件以柱子中心轴线为旋转轴转动，所述竖直传动部件安装在水平传动部件上，所述竖直传动部件包含水平的转轴，竖直传动部件的驱动电机驱动转轴转动，摄像头的背面固定安装在转轴上；所述特征点补充灯的安装杆端部的固定板固定安装在所述柱子上。

进一步的是：所述水平传动部件包含驱动电机以及齿轮传动组件，驱动电机固定安装在柱子上，驱动电机的输出轴安装主动齿轮，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮转动套装在柱子上，被动齿轮的齿面与所述竖直传动部件连接，带动所述竖直传动部件整体沿着水平方向角度的转动。

更进一步的是：还包含用于测量摄像头阵列与待采集目标之间距离的测距装置，所述测距装置电连接至所述控制器，所述测距装置包含红外测距仪，超 声波和深度摄像头；还包含用于测量所述摄像头的角度的转动角度的角度传感器，所述角度传感器电连接至所述控制器。

(4)所述框架组件包含球体结构的壳体；壳体内表面设置有所述摄像头；所述壳体上还设置有朝向壳体内部照射的所述LED补光灯和特征点补充灯；

所述框架组件的壳体包含外层框架和内层框架；内外层框架共计包含48个拼接平板；其中内层框架包含相邻拼接组装的五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；外层框架对应的包含五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；

所述特征点补充灯的光学镜头伸入至内层框架以内，特征点补充灯远离光学镜头的一端穿过所述外层框架的特征点补充灯孔后置于外层框架外部；所述特征点补充灯安装杆端部的固定板固定安装在所述内层框架上。

进一步的是：所述框架组件还包含用于支撑所述壳体的底座；所述底座采用空心长方体倒R角设计，中间部分放置设备供电部分，底座上表面设置四个相机孔位。

进一步的是：同一层拼接平板沿边通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接构成半足球穹顶型；内外层拼接平板之间通过角铁和内六方机械螺钉互相连接构成可以放置元器件和连接线的夹层；所述底座与上半部分通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将计算机的处理任务分散到众多的采集处理单元上，单个芯片故障最多一部分任务受损，而其它机器不会受任何影响，系统整体性能比较可靠；本发明多台采集处理单元同时处理类似任务，在更短的时间内解决相同问题，充分发挥计算单元性能、提高数字图像处理的效率和效果，更加有效的提高计算单元的利用率；该结构能够节省开支，单个计算单元并不需要很高的配置就可以完成一部分任务量，多个相同低成本计算单元集群比单台高性能计算机投 入更低。

本发明还通过特征点补充灯增加特征码，将图像信息进行特征码提取，颜色调整，亮度调整，消除图像瑕疵，从而将图像质地进行大幅度的改善使其更加满足后期制作需求。

具体的：本发明的摄像头配置了特征点补充灯；该特征点补充灯如果图案投影灯，则通过投射随机二维码图案来增加人体的特征点，该特征点能够让计算机准确快速的识别人体的轮廓，不需要对特征点进行精确的坐标计算和形状设计；至少两个摄像头同时采集投射的随机二维码，能够模拟人的双眼观察物体的效果，能够更加直接，真实的还原采集到人体数据；随机二维码采用方形斑点能够保证最终采集信息的棱角分明，采集的非常精确；具备了特征点补充灯后，我们的摄像头的像素可以大大降低，我们的实际试验中，采用500万像素就能达到目前采用单反机级别的扫描系统的效果；成本降低幅度非常大，经济效益和社会效益都非常高；如果该特征点补充灯为红外投影灯，则通过投射带颜色的红外光进行投射，这对于待扫描目标为人体时极为有效，因为待扫描对象不会因为存在随机二维码等图案产生心里的不适，红外光对于待扫描对象本身是看不见的，但是我们的摄像头能够准确识别，计算机也能可靠处理；同样的激光投影灯通过投射激光干涉图能够实现非常容易的图案生成过程；每种投影灯都是各有利弊；但是我们对于采用随机二维码的投影灯的具体方案实施后，发现其效果最优，因为二维码生成过程非常方便，二维码的方形斑点也很容易被计算机识别，同时该投影灯的成本也低，能够有效降低整体成本；

本发明的图案投影灯，包含高亮LED灯和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；随机二维码能够采用现有的二维码生成器非常便捷的生成，而且也能保证组合 的多样性以及不同投影灯投射的二维码是不同的；防止计算机将相同二维码的部分识别为同一个人体位置，造成还原错误；避免了将左右胳膊都合成还原为一个胳膊的现象发生；

本发明的所述特征点补充灯和摄像头的数量为多个；所有特征点补充灯投射的图案覆盖位于待扫描目标；所有摄像头的拍摄范围的并集覆盖整个待扫描目标；同一个特征点补充灯投射的图案至少被两个摄像头同时完整拍摄；如此一来能够保证基本的布置数量；而且本发明中优选实施方式中的球体结构的框架组件结构能够完全可靠的满足该数量的布置，是一种创造性非常高的具体实施方式；

本发明的所述摄像头的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整；便于初始位置的可靠调节。

2、本发明的优选实施方式中，摄像头阵列中的每个摄像头安装在支架上，且通过支架上设置的水平传动部件和竖直传动部件分别实现相对于水平面的角度的转动和相对于竖直方向上的角度的转动；所述水平传动部件和竖直传动部件均包含驱动电机；如此一来，摄像头的能够在两个自由度上进行角度的电控调整，非常方便，调整范围能够满足实际使用要求；

本发明优选实施方式中，驱动电机电连接至所述控制器，因此整个控制器能够控制驱动电机实现摄像头阵列的中点对准所述待采集目标中点；对于不同规格的待采集目标来说，都可以通过控制器来实现所有摄像头的自动调整，非常便捷准确。

本发明的优选实施方式中，支架包含柱子，柱子上安装多个水平传动部件，每个水平传动部件以柱子中心轴线为旋转轴转动，所述竖直传动部件安装在水平传动部件上，所述竖直传动部件包含水平的转轴，竖直传动部件的驱动电机驱动转轴转动，摄像头的背面固定安装在转轴上；每个柱子上的摄像头组成一列，多列摄像头能够通过柱子非常可靠便捷的固定在待采集目标附近，实现待 采集目标的全方位图像信息采集；

本发明的优选实施方式中，所述水平传动部件包含驱动电机以及齿轮传动组件，驱动电机固定安装在柱子上，驱动电机的输出轴安装主动齿轮，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮转动套装在柱子上，被动齿轮的齿面与所述竖直传动部件连接，带动所述竖直传动部件整体沿着水平方向角度的转动；该的水平传动部件采用齿轮啮合结构实现，非常的可靠，调整过程也非常精确；

综上，本发明在优选实施方式中，采用控制器结合电机驱动完成集群式的摄像头自动拍照的功能；其通过控制器的图像识别调节摄像头的角度，达到图像合成无缝拼接；集群式摄像头阵列中每个摄像头的位置固定，但每个摄像头的视角可以两个自由度移动。集群式摄像头阵列的中点对准被照待采集目标的中点，根据集群式摄像头阵列到待采集目标的距离和待采集目标的参数(可通过传感器获得)，可以根据计算出集群式摄像头阵列中每个摄像头应该偏转的位置；进行粗调之后，根据摄像头获取的图片合成计算，细调校准摄像头的角度；

需要说明的是，本发明所述的相对于水平面的角度的转动相对于竖直方向上的角度的转动并不一定是水平方向和竖直方向，而且不是相对采集目标，其是限定了摄像头能够进行二维方向调整的功能；具体的，一般可以理解为是与摄像头平面相互正交的X和Y方向的二维方向，一般情况可认为是水平和竖直方向，球形或其他结构则例外。

3、综上所述，本发明将投影灯作为一种特征点补充灯，图案投影灯中，在光路上设置了带有随机二维码的成像镜片，如此可以增加很多特征点；其原理类似于一张白纸和一张印有图案的纸，两个放在一起，一眼就看出来有图案的特征点多；本发明的特征点补充灯将高亮LED灯的光线通过刻有随机二维码的成像镜片，然后经过凹凸透镜组合达到一个最佳的投影效果；使得人体表面黑白相间，特征点很明显。

4、本发明的优选实施方式中，采用球体结构的壳体作为安装摄像头等部件 的框架，其可以使得相机成穹顶式分布，使得人体三维扫描仪中的摄像头能够充分扫描到空间内的所有位置，多视角，全方位采集照片信息，从而获取高精度的参数；本发明的框架组件中每一块都可以已成为一个独立的电路模块，可灵活拼装，拆卸，运输；本发明的框架组件设计合理，为拍照单元提供支撑定位坐标，多个拍照单元组合为点阵式拍照系统，能适应调整扫描对象的姿态变化，快速完成待扫描目标人体的外轮廓多角度拍照，适用于三维图像处理工作站的数据采集，成像质量高，扫描速度快，成本相对低廉，具有极佳的实用性和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图；

图2为本发明的一种具体实施方式的平面结构示意图；

图3为图2所示具体实施方式的单个摄像头的结构示意图；

图4为图2所示具体实施方式的单个特征点补充灯的结构示意图；

图5为图2所示具体实施方式的单个摄像头水平方向调整角度的示意图；

图6为本发明的框架组件的一种具体实施方式的结构示意图；

图7为本发明的内层框架的一种具体实施方式的结构示意图；

图8为与图7对应的外层框架的一种具体实施方式的结构示意图；

图9为本发明的特征点补充灯的一种具体实施方式的结构原理图；

图10为图9所示特征点补充灯的成像镜片上的随机二维码的效果示意图。

附图标记说明：

101-支架，102-摄像头，103-待扫描目标，111-柱子，112-水平传动部件，113-竖直传动部件；

10-内层周围五边形，20-内层顶部五边形，30-内层六边形，40-内层四边形，50-外层周围五边形，60-外层顶部五边形，70-外层六边形，80-外层四边形，90-底座，100-开口；200-高亮LED灯，300-成像镜片，400-光学镜头，500- 外层框架，600-内层框架，700-特征点补充灯，800-开关端子；

31-相机安装孔，32-特征点补充灯孔，33-LED灯孔；

701-固定板，702-安装杆，703-安装杆调节件，704-水平旋转件，705-俯仰调节件，706-俯仰杆，707-灯壳，708-透光镜头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图1～10所示，其示出了本发明的具体实施方式，本发明用于多视图几何三维重建的特征点补充系统，用于采集待扫描目标103的图像信息；包含多个图像采集处理单元，所述图像采集处理单元是由图像采集单元和图像处理单元组成的一个嵌入型微采集处理单元；多个图像采集处理单元互相连接，并行工作；所述图像采集处理单元连接至计算机；

如图所示，所述图像采集单元为摄像头102，所述图像处理单元为采用ARM芯片作为CPU的嵌入式计算机单元，两个单元组成图像采集处理单元的整体；

如图所示，还包含用于安装摄像头的框架组件；所述框架组件上还设置有朝向待扫描目标照射的LED补光灯和特征点补充灯；

如图所示，所述特征点补充灯电连接至开关端子800，所述开关端子通过图像采集处理单元控制通断；特征点补充灯的开关过程能够被摄像头组成的图像采集处理单元可靠控制，可以保证特征点补充灯与摄像头的对应开关关系和开关次序；所述多个图像采集处理单元通过交换机互相连接；所述计算机通过路由器与所有图像采集处理单元集中连接。

如图所示，所述特征点补充灯为用于投射随机二维码图案的图案投影灯，或者为用于投射红外光线图案的红外投影灯，或者为用于投射激光干涉图案的激光投影灯；

如图所示，所述特征点补充灯和摄像头的数量为多个；所有特征点补充灯投射的图案覆盖所述待扫描目标；所有摄像头的拍摄范围的并集同样覆盖整个 待扫描目标；同一个特征点补充灯投射的图案至少被两个摄像头同时完整拍摄；

如图所示，所述摄像头的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整。

优选的，如图所示，所述图案投影灯包含高亮LED灯200和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头400；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片300，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；

所述红外投影灯为用于投射白光或蓝光的红外投影灯，其包含有红外发射装置；

所述激光投影包含激光发生器。

优选的，如图所示，所述图案投影灯的光学镜头为凹凸透镜组合；所述特征点补充灯包含灯壳和灯壳架；所述灯壳架包含用于固定灯壳的安装杆702，安装杆的一端为用于安装在框架组件上的固定板701，安装杆的另一端通过安装杆调节件703与能够水平调整角度的水平旋转件704连接；所述水平旋转件上通过俯仰调节件705安装有俯仰杆706，俯仰杆顶端安装所述灯壳707。

优选的，如图所示，所述安装杆调节件、俯仰调节件均为铰接件，该铰接件可以通过紧固螺钉在调整完角度后进行锁死；所述灯壳上设置有散热片；所述灯壳的一端为透光的镜头，该镜头可以通过转动调节焦距。

优选的，如图所示，所有摄像头组成摄像头阵列；所述框架组件为支架101；所述摄像头阵列中的每个摄像头安装在支架上，且通过支架上设置的水平传动部件112和竖直传动部件113分别实现相对于水平面的角度的转动和相对于竖直方向上的角度的转动；所述水平传动部件和竖直传动部件均包含驱动电机；所述驱动电机电连接至控制器；所述控制器控制所述驱动电机实现摄像头阵列的中点对准所述待采集目标中点；

如图所示，所述支架包含柱子111，柱子上安装多个水平传动部件，每个水平传动部件以柱子中心轴线为旋转轴转动，所述竖直传动部件安装在水平传动部件上，所述竖直传动部件包含水平的转轴，竖直传动部件的驱动电机驱动转轴转动，摄像头的背面固定安装在转轴上；所述特征点补充灯的安装杆端部的固定板固定安装在所述柱子上。

优选的，如图所示，所述水平传动部件包含驱动电机以及齿轮传动组件，驱动电机固定安装在柱子上，驱动电机的输出轴安装主动齿轮，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮转动套装在柱子上，被动齿轮的齿面与所述竖直传动部件连接，带动所述竖直传动部件整体沿着水平方向角度的转动。

优选的，如图所示，还包含用于测量摄像头阵列与待采集目标之间距离的测距装置，所述测距装置电连接至所述控制器，所述测距装置包含红外测距仪，超声波和深度摄像头；还包含用于测量所述摄像头的角度的转动角度的角度传感器，所述角度传感器电连接至所述控制器。

优选的，如图所示，所述框架组件包含球体结构的壳体；壳体内表面设置有所述摄像头；所述壳体上还设置有朝向壳体内部照射的所述LED补光灯和特征点补充灯；

如图所示，所述框架组件的壳体包含外层框架500和内层框架600；内外层框架共计包含48个拼接平板；其中内层框架包含相邻拼接组装的五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；外层框架对应的包含五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；

如图所示，所述特征点补充灯的光学镜头伸入至内层框架以内，特征点补充灯远离光学镜头的一端穿过所述外层框架的特征点补充灯孔后置于外层框架外部；所述特征点补充灯安装杆端部的固定板固定安装在所述内层框架上。

优选的，如图所示，所述框架组件还包含用于支撑所述壳体的底座90；所述底座采用空心长方体倒R角设计，中间部分放置设备供电部分，底座上表面 设置四个相机孔位。

优选的，如图所示，同一层拼接平板沿边通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接构成半足球穹顶型；内外层拼接平板之间通过角铁和内六方机械螺钉互相连接构成可以放置元器件和连接线的夹层；所述底座与上半部分通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。