一种三维面部扫描仪的制作方法

本实用新型属于计算机三维人脸建模技术领域，特别涉及一种采用照相机图像进行建模的三维面部扫描仪。

背景技术：

随着电影产业的发展，电影特效的应用越来越广泛，电影里的虚拟人物也越来越真实。现在虚拟人物的制作方式主要包括计算机直接三维建模和三维扫描转化为三维模型两类。其中，计算机直接三维建模效率低，模型质量不稳定；而采用三维扫描进行建模速度快，模型真实。

对于电影特效行业来说，采用三维扫描技术进行三维人脸建模是大势所趋，但目前常用的三维扫描方式成本高，还存在其它不少问题。一种是采用激光三维扫描设备，基于激光三维扫描设备的人脸建模方法尽管能够获取丰富的几何细节和细腻的纹理，但激光三维扫描设备昂贵，其扫描速度低下，无法快速获取人面部数据；二是采用专用的深度相机或投射结构光的方法对三维立体的空间位置测量扫描的方法，但是采用这种方法的设备一般无法同时采集三维立体的多个侧面的数据，扫描时间长，对活体扫描精度低。比如现有的“手持扫描器”，通常使用RGBD深度传感相机，例如Artec EVA等。其缺点是需要几分钟的时间来扫描，扫描对象必须静止不动，导致演员疲劳，影响扫描效果。三是基于拍摄相机图像进行三维重构的方法，采用一张或多张不同角度的人脸图像，利用拍摄相机与人脸在空间中的几何位置关系对人脸三维模型进行重构。这种方法无需专用设备，使用简便，现有技术中有一种矩阵式多相机系统，通常基于20至120台数码单反相机，安装在专门搭建的框架上，配以多台专业的电脑、大功率摄影灯，以及大量辅助线材，价格非常昂贵，并且设备配件众多、操作工序复杂，在实际使用过程中，需要运输、组装、调试、拍照……耗费大量人力物力，非常不方便，同时也很大地降低了扫描精度。

目前，现在技术中还没有适用于面部扫描的基于拍摄相机图像进行三维重构的三维扫描设备。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种三维面部扫描仪，实现了对人面部快速、高效、低成本的扫描，该三维面部扫描仪具有一体化的整体结构，无需组装，方便运输，使用方便，也很大地提高了扫描精度。

本实用新型的具体技术方案是一种三维面部扫描仪，包括壳体、底座、立柱、照相模块、灯光模块和控制组件，其特征在于，

所述的壳体为半球壳状，该半球壳状的壳体由多块相机及灯光安装框架拼接而成，每个相机及灯光安装框架包括外框架、壳体导光板、相机安装板和壳体封板，相邻的相机及灯光安装框架的外框架贴合，并通过安装螺钉固定拼接在一起，所述的壳体导光板卡在外框架内并位于壳体内表面的一侧，多个相机及灯光安装框架的壳体导光板形成壳体的内表面，所述的壳体导光板具有穿过照相机镜头的通孔，所述的相机安装板固定安装在外框架内，在照相机和照明灯带安装毕后，所述的壳体封板将外框架位于壳体外表面的开口封闭，

所述的立柱有两根，所述的壳体两侧分别通过一根立柱安装在底座上，

所述的照相模块包括多个带有控制器的照相机，所述的带有控制器的照相机安装在相机安装板上，带有控制器的照相机的镜头穿过壳体导光板上的通孔，

所述的灯光模块包括多个照明灯带和给照明灯带供电的灯光电源，每块壳体导光板的内侧安装有一个照明灯带，

所述的控制组件包括交换机和控制计算机，所述的多个带有控制器的照相机分别通过交换机与控制计算机连接，

更进一步地，还包括头部定位组件，所述的头部定位组件固定安装在立柱上，头部定位组件能够抵住头部，在扫描仪拍摄时，使头部位位置固定不动。

更进一步地，所述的二根立柱为对称的左立柱和右立柱，左立柱包括立柱体、立柱导光板、上封板、下封板和扣手，所述的立柱体为曲面薄壳结构，立柱体上部具有通孔，所述的立柱导光板将该通孔封闭，立柱导光板的内侧安装有一个照明灯带，所述的上封板和下封板将立柱体的曲面薄壳结构的开口侧封闭，所述的扣手安装在上封板，右立柱结构与左立柱结构对称，两根立柱在底座上安装好后，两根立柱的立柱导光板的位置相对并平行。

更进一步地，所述的壳体由9块相机及灯光安装框架拼接而成，9块相机及灯光安装框架包括3块外形为方形的相机及灯光安装框架和6块外形为三角形的相机及灯光安装框架，方形的相机及灯光安装框架的壳体导光板上开有4个均布的通孔，三角形的相机及灯光安装框架的壳体导光板上开有3个均布的通孔，壳体导光板上的每个通孔可对应安装一台带有控制器的照相机。

更进一步地，所述的照明灯带有11个，其中9个分别安装在9块相机及灯光安装框架中，2个分别安装在2个立柱中。

更进一步地，所述的底座包括底座外壳和底座板，所述的控制组件的交换机、控制计算机以及灯光电源安装在底座外壳和底座板围成的空间内。

更进一步地，所述的带有控制器的照相机包括树莓派2代model-B微型计算机、镜头座和500万像素树莓派摄像头。

本实用新型的有益效果是：1)本实用新型的三维面部扫描仪采一体的整体结构，无需组装调试，扫描精度高。可放在任何桌面上，接上显示器、鼠标键盘和220V电源即可使用；2)产品结构紧凑，更加便于运输，仅需两人提起左右把手即可搬动，也不需大型货车，普通的商务车也能运输；3)基于拍摄相机图像进行三维扫描，设备简单，成本低，能够瞬时快速扫描抓拍特定表情，效率高。

附图说明

图1为本实用新型的三维面部扫描仪的立体示意图；

图2为本实用新型的三维面部扫描仪的右视图；

图3为本实用新型的三维面部扫描仪的后视图；

图4为本实用新型的三维面部扫描仪的方形的相机及灯光安装框架和灯带、照相机的安装结构分解图；

图5为本实用新型的三维面部扫描仪的三角形的相机及灯光安装框架和灯带、照相机的安装结构分解图；

图6为本实用新型的三维面部扫描仪的左立柱安装结构分解示意图；

图7为本实用新型的三维面部扫描仪的底座的分解图；

图8为本实用新型的三维面部扫描仪的控制组件的分解图；

图9为本实用新型的三维面部扫描仪的照相模块与控制组件的接线示意图；

图10为本实用新型的三维面部扫描仪的灯光模块的接线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明，本说明仅用于解释本实用新型，并不作为本实用新型的限定。

如附图1-10所示，本实用新型提出的三维扫描仪，包括壳体1、底座2、立柱3、照相模块4、灯光模块5、控制组件6和头部定位组件7，各个子系统集成为一体机，便于携带、操作方便。

壳体1采用铝合金和ABS工程塑料加工而成，所述的壳体1为半球壳状，该半球壳状的壳体1由9块相机及灯光安装框架11拼接而成，每个相机及灯光安装框架包括外框架111、壳体导光板112、相机安装板113和壳体封板114，相邻的相机及灯光安装框架的外框架111贴合，并通过安装螺钉固定拼接在一起，所述的壳体导光板112卡在外框架111内并位于壳体1内表面的一侧，多个相机及灯光安装框架11的壳体导光板112形成壳体1的内表面，所述的壳体导光板112具有穿过照相机镜头的通孔，所述的相机安装板113固定安装在外框架111内，在带有控制器的照相机41和照明灯带51安装毕后，所述的壳体封板114将外框架111位于壳体1外表面的开口封闭。壳体导光板112为亚克力材料。

所述的头部定位组件7固定安装在立柱3上，头部定位组件7能够抵住头部，在扫描仪拍摄时，使头部位位置固定不动。所述的头部定位组件7包括支撑梁71、旋架72和伸缩杆73，所述的支撑梁71位于壳体1的上部并且支撑梁71的两端分别与两根立柱3固定连接，所述的支撑梁71的下表面旋转连接旋架72的一端，旋转连接的旋转轴线与地面垂直，所述的旋架72的另一端安装伸缩杆73，所述的伸缩杆73包括固定杆、动杆和定位螺丝，所述的固定杆固定在旋架72上，旋紧定位螺丝能够使动杆与固定杆的位置固定，在在扫描仪拍摄时，头部位于壳体1凹下的内表面前，旋转旋架72至三维面部扫描仪对称中心面处，此时旋架72位于头部的后侧，调整动杆使动杆抵住头部的后侧，旋紧定位螺丝后，开始拍摄。

照相模块4包括22组带有控制器的照相机41和照相机电源42，每组照相机包括树莓派2代model-B微型计算机411、镜头座412和500万像素树莓派摄像头413，均匀安装在各个相机及灯光安装框架11的相机安装板113上，形成一个半球面，罩住演员面部。500万像素树莓派摄像头413距离演员面部30cm左右。照相模块4使用标准的百兆以太网与控制组件6连接，所有单元的触发信号完美同步，同步精度小于1ms。树莓派微型计算机411采用USB供电，其照相机电源42为4块Anker 60W 6口USB充电器，放置于产品底座2两侧底座外壳21内。照相模块4的带有控制器的照相机41数量最大可扩展至30组。

灯光模块5的照明灯带51共11组，也均匀放置在各个相机及灯光安装框架11的壳体导光板112的内侧，以及立柱3上的立柱导光板32的内侧，围绕演员面部，形成一个发光的半球面，照亮演员面部细节。每组照明灯带51为1根12V 5050LED灯带，LED灯带围绕导光板放置，使导光板发光均匀。每块壳体导光板上有3或4个圆孔，用于放置摄像头。各照明灯带51并联，共用一个12V200W直流电源52供电。

控制组件6包含交换机61、控制计算机62、视频监控单元63、控制面板64和总电源插排65。控制计算机62包含华硕H81I-PLUS电脑主板、英特尔酷睿i3处理器、英睿达8G内存、西部数据1TB硬盘、以及长城220W小机箱电源。控制计算机62运行于Windows环境。

交换机61为2台CISCO-SF90D-16小型交换机，放置于产品两侧底座外壳21内，将控制计算机62与22个带有控制器的照相机41连成百兆以太网络。

视频监控单元63采用“林柏视”70度视角网络摄像头，安装在壳体1中心部的方形的相机及灯光安装框架11的正中间的通孔处，通过USB线连接在控制计算机62主板上，可实时拍摄演员的表情，并显示在工作人员的显示器上，帮助工作人员指导与抓拍演员表情。

控制面板64位于底座2后方，包含一个总电源输入接口、总电源开关、灯光模块开关、控制计算机62的控制计算机开关，以及控制计算机62主板接口，接口可外接显示器、鼠标键盘和220V电源。

总电源插排65通过总电源开关连接到总电源输入接口上，并与产品外部的220V电源线接通；带有控制器的照相机41的树莓派微型计算机411的照相机电源42的电源线要插在总电源插排65上，并为22组树莓派微型计算机411提供5V直流电；交换机61的电源线也要插在总电源插排65上，并通过网线把22组树莓派微型计算机411和控制计算机62组成百兆以太网；灯光电源52的输入电线要通过控制面板64上的灯光模块开关连接到总电源插排65上，并通过并联电路为11组LED照明灯带51供电。

本实用新型提出的三维扫描仪工作时，需要把显示器和鼠标键盘连接到控制面板64上的控制计算机62的对应接口上，然后把220V电源线插入控制面板64上的总电源输入接口并通电，然后开启控制面板64上的总电源开关，此时总电源插排65将通电，照相模块4的树莓派微型计算机411随即通电启动；开启控制面板64上的灯光模块开关，照明灯带51点亮，使壳体导光板112和立柱导光板32发光，照亮演员面部；然后开启控制面板64上的控制计算机开关，启动控制计算机62，然后打开其内部的扫描控制软件，即可通过百兆以太网控制照相模块4的树莓派微型计算机411和树莓派摄像头413拍照，并通过网络把照片传到控制计算机62的固态硬盘内。拍摄好的人面部多角度的照片最终可采用Photoscan在无特征点的情况下进行重构，形成人脸三维模型。

本实用新型提出的三维扫描仪不工作时，可以关闭控制面板64上的灯光模块开关，使导光板不发光；此时照相模块4的树莓派微型计算机411和控制计算机62仍处于启动状态，可随时等待下一次使用；

本实用新型提出的三维面部扫描仪运输时，依次关闭灯光模块开关，关闭控制计算机62，关闭总电源开关之后，拔掉连接在控制计算机62接口上的显示器与鼠标键盘，然后用立柱3左右两侧的扣手35，即可搬运。

以上所述的具体实施方式，对于本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。