一种手部3D四维数据采集装置的制作方法

本发明涉及生物识别技术领域，特别是一种手部3D四维数据采集装置。

背景技术：

手部作为生物特征即生物固有的生理或行为特征之一，具有一定的唯一性和稳定性，即任何两生物的某种手部特征之间的差异比较大，且手部特征一般不会随着时间发生很大的变化，这就使得手部特征很适合应用在身份认证或识别采集装置中的认证信息等场景中。

目前使用单一相机采集手部特征数据，单一相机只能采集某个特定的角度，或者需要调整相机来采集不同角度的手部特征，实际使用起来不便捷，较为繁琐，因此亟待解决这一技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的手部3D四维数据采集装置。

本发明实施例提供了一种手部3D四维数据采集装置，包括：图像信息收集组件，用于获取所述被采集对象的手部图像数据，并将所述手部图像数据传输至数据处理组件；柜体，用于安装所述图像信息收集组件；透明手部容纳腔，用于容纳所述被采集对象的手部；数据处理组件，其信息输入端连接所述图像信息收集组件的信息输出端，用于接收所述图像信息收集组件传输的手部图像数据，对所述手部图像数据进行处理和计算，生成所述被采集对象的3D四维手部数据。

优选地，所述图像信息收集组件为多台可见光相机形成的相机矩阵，所述柜体包括设有弧形承载结构的支撑结构，所述多台可见光相机布置在所述弧形承载结构上。

优选地，所述图像信息收集组件为光场相机、激光、光栅中的一种或多种，所述柜体上设有滑轨，所述图像信息收集组件可沿所述滑轨绕手部滑动。

优选地，还包括：设置在所述手部容纳腔周围的无影灯光组件，用于形成无阴影的图像环境。

优选地，所述手部容纳腔为两个，分别与人的左右手对应。

优选地，所述图像信息收集组件包括深度红外相机和变焦彩色相机，所述柜体上设有相机放置机构。

优选地，所述数据处理组件还包括：图像处理器，用于对所述手部图像数据优化处理，包括自动曝光、自动白平衡、自动对焦和/或图像畸形校正；中央处理器，用于将所述手部图像数据输入配准算法模型，进行配准计算得到配准数据，基于所述配准数据生成所述被采集对象的3D四维手部数据。

优选地，还包括：设置在所述柜体上的显示器，所述显示器与所述数据处理组件连接；在所述数据处理组件构建得到手部的3D模型后，在所述显示器上通过可视化方式显示手部3D数据；或者在所述数据处理组件构建得到具有时间维度的手部的3D模型后，在所述显示器上通过可视化方式显示手部四维数据。

本发明的有益效果：

一种手部3D四维数据采集装置，图像信息收集组件，用于获取所述被采集对象的手部图像数据，并将所述手部图像数据传输至数据处理组件；柜体，用于安装所述图像信息收集组件；透明手部容纳腔5，用于容纳所述被采集对象的手部；数据处理组件，其信息输入端连接所述图像信息收集组件的信息输出端，用于接收所述图像信息收集组件传输的手部图像数据，对所述手部图像数据进行处理和计算，生成所述被采集对象的3D四维手部数据。本发明与传统技术相比，结合数字图像处理技术、人工智能控制技术，提供一种操作简单、速度快、精度高的手部3D四维数据采集装置。没有阴影的无影灯光系统，可以为指部特征提取提供锐利和杂讯少的特征点影像，显著提高特征点提取效能。基于可见光穿透玻璃的特性，将手部放置在穿透特性极佳的透明手部容纳腔5上，相机阵列可以准确的采集人体的指部的特征点，并基于这些特征点，形成手部的3D模型。基于手部主要特征点集中在指部顶端的特点，在数据采集的过程中，自动的识别指端，并将与指端关系不大其他部分的特征点自动剔除的算法，可以显著提高数据分析处理的速度。

附图说明

图1为本发明所提供的数据采集装置第一种具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明实施例中的装置示意图。

图3图本发明所提供的数据采集装置第二种具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明所提供的数据采集装置第三种具体实施方式的结构示意图。

图5为本发明所提供的数据采集装置第四种具体实施方式的结构示意图。

图6为本发明所提供的数据采集装置第五种具体实施方式的结构示意图。

附图标记

柜体1、图像信息收集组件2、盖板3、显示器4、透明手部容纳腔5、无影灯光组件6。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

需要说明的是：本发明中的3D四维数据是指3D空间数据结合时间维度数据所形成的数据，3D空间结合时间维度是指：多张相同时间间隔或不同时间间隔、不同角度、不同方位或不同状态等情况的图像或影像形成的数据集合。

本文所述的手部信息，包括手指、指纹、手掌、掌纹、手的大小、长度等所有手部相关的数据指标。

本文所述的透明手部容纳腔，可以是实际的腔体，也可以是开放的空间，能实现光线穿透即可，不可局限地理解为腔体为四周环绕的空间区域。

图1为本发明所提供的数据采集装置第一种具体实施方式的结构示意图；图2是本发明实施例中的装置示意图。

如图1所示，图1为本发明第一种具体实施方式所提供的手部信息采集装置，该装置包括：柜体1、图像信息收集组件2、盖板3、显示器4、透明手部容纳腔5、无影灯光组件6。

图1中，图像信息收集组件2具体为可见光相机组成的相机矩阵。

如图所示，在一种具体的实施方式中，手部信息采集装置包括几个主要部分组成：

柜体1：作为整个设备的主要的主体支撑结构；

相机阵列：采集手部特征；

盖板3：手部的放置装置；

数据处理组件：系统的信息处理，分析；

显示器4：用于显示采集后的手部信息；

透明手部容纳腔5：手部的放置位置说明；

无影灯光组件6：为指部3D建模提供灯光环境。

柜体1通过机械固定的方式和相机阵列2相连，柜体1通过机械结构固定的方式和透明透明手部容纳腔53相连，数据处理组件通过机械固定的方式和柜体1相连，无影灯光系统6通过机械固定的方式和柜体1相连。

如图2所示，数据处理组件可以包括黑色方框内部的各组成部分，具体为：

1电源管理模块：提供整个设备的电源；

2串口集成模块：负责相机矩阵和中央处理单元的命令和数据传递；

3灯光管理模块：负责管理外部无影灯光系统的；

4显示驱动模块：负责显示模块的管理；

5数据处理组件：整个系统的采集数据的分析，计算和处理；

6显示模块：系统操作界面；

数据处理组件与其他组件的连接关系如下所示：

1电源管理模块提供电源给相机阵列，串口管理模块，数据处理组件，灯光管理模块，显示驱动模块，显示模块.

2串口集成模块实现相机矩阵和数据处理组件之间的双向通讯.

3灯光管理模块提供电源给无影灯光系统，并负责调整灯光系统的参数.

4数据处理组件连接串口集成模块，灯光管理模块，显示驱动模块和电源管理模块

5显示驱动模块连接数据处理组件和显示模块。

该采集装置的使用方法如下：

(2-1)人体手部可见光相机3D数据采集设备设计思路如下。

A.人体手部可见光相机3D数据采集设备如图6所示，该设备可以包括：

柜体1，作为整个设备的主要的主体支撑结构；

2，采集人体手部特征，具体可以是指部特征和/或掌部特征；

透明手部容纳腔5，人体手部的放置装置；

数据处理组件，系统的信息处理、分析、显示模块；

无影灯光系统6，为手部3D建模提供灯光环境。

(2-2)中央控制模块64和外部的连接。

A.整个中央控制模块由如下几个部分组成：

电源管理模块，提供整个设备的电源；

串口集成模块，负责相机矩阵和数据处理组件的命令和数据传递；

灯光管理模块，负责管理外部无影灯光系统的；

显示驱动模块，负责显示模块的管理；

数据处理组件，整个系统的采集数据的分析、计算和处理；

显示模块，系统操作界面。

B.整个中央控制模块的连接关系如下所示：

B.1电源管理模块提供电源给相机矩阵、串口集成模块、数据处理组件、灯光管理模块、显示驱动模块、显示模块；

B.2串口集成模块实现相机矩阵和数据处理组件之间的双向通讯；

B.3灯光管理模块提供电源给无影灯光系统，并负责调整灯光系统的参数；

B.4数据处理组件连接串口集成模块、灯光管理模块、显示驱动模块和电源管理模块；

B.5显示驱动模块连接数据处理组件和显示模块。

(2-3)设备使用方法如下

A.启动设备：打开电源开关后，启动电源管理模块给系统各个模块提供电源，并同时启动相机矩阵、中央控制模块、无影灯光系统以及显示模块。

B.人体手部放置：将人体的手部放置在透明透明手部容纳腔5上，通过调整手部的位置，使手部的信息全部落在信息采集的方位内，由于本设备的灯光系统采用无影灯光系统，各个角度采集的手部信息没有阴影，可以显著提高特征点采集的效率和准确度。

C.参数设置：通过显示器界面，可以设定相机矩阵拍照的各项参数。

D.信息采集：参数设置完毕，启动相机矩阵开始对手部的信息进行采集，采集的信息会以图片的格式传到中央控制模块进行分析和处理。

E.信息处理：相机矩阵采集完的信号传送到中央控制模块进行信号处理，信息处理的过程如下。

D.1采集图像的滤波

由于人体手部的主要特征采集点集中在手部指部的顶端和掌部，指端的指纹特征也是具有唯一生物识别的特征，所以在采集到手部指部的特征点后，首先需要将非指端的信息采用算法的方法滤掉，整个算法的整体思路如下：

D.1.1建立指端和第二指部的关节纹的库文件以及指部关节纹的特征库；

D.1.2导入特征库针对指部采集到的信息进行特征识别；

D.1.3特征识别后，针对特征区的区域进行计算，计算出指部指端的特征区的范围；

D.1.4特征区和非指部特征区的图像分割；

D.1.5非指部特征区的信息从原始图像剔除；

D.1.6新特征区域的信息做进一步的滤波处理；

D.1.7手部掌部采集方法类似；

D.2采集图像的特征点提取

D.3采集图像的匹配和空间深度信息的计算

D.4特征点云数据的生成

F.数据后续处理：通过对点云数据进行进一步的处理，可以得到手部的纹理构造。

G.手部3D数据显示：手部3D数据通过可视化的方法显示在显示器上。手部放置:将人体的指部放置于透明手部容纳腔中，通过调整指部的位置，使指部的信息全部落在信息采集的方位内，由于本设备的灯光系统采用无影灯光系统，是的各个角度采集的指部信息没有阴影，可以显著提高特征点采集的效率和准确度.

手部放入手部容纳腔中，手部整体落在相机阵列信息采集的范围内.没有阴影的无影灯光系统，可以为手部特征提取提供锐利和杂讯少的特征点影像，显著提高特征点提取效能。基于可见光穿透玻璃的特性，将手部放置在穿透特性极佳的透明手部容纳腔5上，相机阵列可以准确的采集人体的手部的特征点，并基于这些特征点，形成手部的3D模型。基于手部主要特征点集中在指部顶端的特点，在数据采集的过程中，自动的识别指端，并将与指端关系不大其他部分的特征点自动剔除的算法，可以显著提高数据分析处理的速度。掌部数据信息类似。

具体地，柜体1可以包括设有弧形承载结构的支撑结构，可以将多台可见光相机布置在弧形承载结构上，可以均匀分布，也可以非均匀分布，能从多角度同时取得手部信息即可。

请参考图3－图6，图3图本发明所提供的数据采集装置第二种具体实施方式的结构示意图；图4为本发明所提供的数据采集装置第三种具体实施方式的结构示意图；图5为本发明所提供的数据采集装置第四种具体实施方式的结构示意图；图6为本发明所提供的数据采集装置第五种具体实施方式的结构示意图；其图像信息收集组件分别为光栅、光场相机、红外深度相机、激光。

在一种具体的实施方式中，图像信息收集组件2还可以是深度红外相机、激光、光栅，或光场相机中一种或多种，此时，可以在柜体上设置滑轨，图像信息收集组件2可以沿滑轨绕手部滑动。

具体地，该数据采集装置还包括无影灯光组件，可以形成无阴影的图像环境，提高手部数据的精度和准确率。

在一种具体的实施方式中，手部容纳腔可以有两个，分别与人的左右手相对应，以便采集时体验感更好。

在上述实施例中，当获取到被采集对象的完整的手部图像数据后，则可由数据处理组件对手部图像数据进行处理和计算，生成被采集对象的3D 四维手部数据。

在本发明另一优选实施例中，数据处理组件还可以包括：显示器4；数据处理组件还用于将3D四维手部数据发送至显示器4显示。

请参考图4，图4为本发明所提供的数据采集装置第二种具体实施方式的结构示意图。

在图4所示的3D四维手部数据采集采集装置中，图像信息收集组件包括深度红外相机和变焦彩色相机，其中，深度红外相机、变焦彩色相机均可固定设置在柜体1上。数据处理组件包括图像处理器，中央处理器以及驱动器；数据处理组件，深度红外相机，变焦彩色相机，无影灯光组件，相机旋转机构，显示介面，操作介面。

手部模型支撑结构固定在柜体结构上，手部虚拟位置模型固定在手部模型支撑结构上，显示操作介面固定在柜体结构上，中央处理模块固定于柜体内部，旋转机构固定在柜体内部，旋转支架固定在旋转结构上，红外深度相机，变焦彩色相机和灯光固定在旋转支架上，

本发明围绕深度红外相机的手部3D重建的实时性，高精度，高效性，采用一种深度红外相机和变焦彩色相机的结合方式，实时融合高分辨率的深度图像及高分辨率的彩色图像，并扫描实现全自动化的手部3D数据采集装置。

以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。