专利名称：用三维摄像机定制三维雕像的方法
技术领域：
本发明是涉及一种关于三维对象的拍取方法，尤其是涉及一种拍取二维和三维图像并将二维图像信息定制于三维对象上的技术方法。
背景技术：
人或其它三维对象的图像一般用传统的二维数码相机来拍取。最近，数码相机被用于拍取三维对象的二维图像。这些数码图像的数字存储使得印象感丰富的细节和色彩能被数码相机拍取，然后被打印出来或者被浏览。
图1A-B显示的是用以拍取二维图像的数码相机和用以显示二维图像的计算机和打印机。图1A中数码相机12有一镜头，该镜头用于拍取来源于对象10的光线。来源于对象10的光线被收集后被送往数码相机内的电荷耦合器(CCD)或其它图像感应器上。二维表面电荷耦合器(CCD)的将获取的光线转换成代表电荷耦合器(CCD)的二维表面上不同x，y位图上的色彩和阴影度的像素。
数码相机12生成的像素被存储到标准的格式，诸如联合图像专家组格式(JPEG)或者位图格式(BMP)。这些像素可能表现为某种形式，例如贝尔(Bayer)形式。在此有些x，y位置上可能有某些色彩的像素，但缺乏其它色彩的像素。因此，需要插入已生成缺省的色彩。
图1B中，个人计算机PC14从图1A的数码相机12接收到JPEG图像文本。数码相机12的存储卡被插入到个人计算机PC14一个特殊的读取器，或者一种接口，诸如USB线，被用来传输数字图像文件到个人计算机PC14。以JPEG格式文文件显示的数字图像可能被转换成像素并显示于计算机PC14，或者被转换成可打印的像素并通过打印机16打印出来。打印机16能输出三维对象10的二维图像18。尽管有色彩和细节信息，但二维图像18仍是平面图像，因而图像由于缺失了第三维，它还不是三维对象10的完美替代像。
图2A-B显示用以生成三维复制本的一种三维相机和一种三维打磨(精雕)机。图2A中，三维相机20拍取三维对象10的三维图像。三维相机能使用多种技术用以获取不仅包括二维图像，还包括对象10的三维信息。例如，某些三维相机可能置有实际接触三维对象10表面的机械探头。当机械探头沿着三维对象10滑过时，三维相机20拍取探头的运动轨迹，该运动轨迹对应于对象10的三维特征。
三维相机20的其它技术可能使用激光测距仪以测定三维相机20与三维对象10外表位置之间的距离。该测距仪可以沿着三维对象10横跨扫描。另一种方法是投射坐标网格线到三维对象10表面，然后被投射网格上的扭曲像呈现在三维对象10表面，被三维相机20拍取。坐标网格线可能有不同的色彩辅助轮廓的识别。一种是时间变动性的正弦曲线也能够被投射到三维对象10表面，三维相机获取不同时刻的变化。另一三维相机20`可能用于拍取富有立体感的图像，或者移动三维相机20从不同的侧面或角度取景，然后组合成单一的对象10的三维模型。
三维信息能存储为Z的轮廓图或者附加于相机拍取的普通二维图像信息的距离资料。某些标准的三维几何文本格式以诸如DXF\VRML和STL的形式存在。也可以使用不同的专有格式。
图像2B中，一种三维打磨机从三维相机读取几何文本，打磨拍取对象的三维外形。不同的快速原型系统可利用。诸如计算机数码控制(CNC)打磨机。打磨机24收到三维相机20获取的几何文本，转换几何文本为一系列的钻孔机或者车床钻头22的运动。打磨块28加载于打磨机24，并能够通过翻转机上下左右移动和翻转，以让钻头22在打磨块表面理想的位置切削。经过一段时间后，钻头22已经切除了打磨块28的部分，展示了一个理想的打磨后外形26。打磨后的外形26是经三维相机20拍取和转换为几何文本发送到打磨机24后的三维对象10的替代像。
尽管打磨后的外形26是三维对象10的三维替代像，但是它可能缺少三维对象10的色彩、质感和其它部分特征。例如，打磨块28可能是蜡块或者塑料，可能是一种色调和质感。这样打磨后外形26只有一种色调和质感，不像三维对象10那样有不同的色调和质感。
(图1B)在加载已打磨外形26的三维信息过程中，二维图像18的色彩和质感细节信息缺失了。然而，二维图像18缺少已打磨外形26的深度和形状。无论二维图像18还是打磨后外形26都未圆满地拷贝三维对象10的色彩，细节信息和外形。
图3展示的是一种用以定制三维雕像的传统方法。对象30的图像被拍取后，图像用彩色打印机33打印出来或由照相店印出来；在二维图像34的基础上，雕刻家用粘质材料雕刻脸部和头部35。
已经打磨成型的柔软粘性对象35需要进行硬化处理，例如放到窑或者烤炉硬化粘性头像36；另一种硬化粘性对象36是重铸为其它能迅速硬化的树脂性材料。绘画家应用图像34喷打已经硬化但尚未着色的头像36，使之与图像34相似，成为一个完全着色的硬化的头像38。
喷绘着色后，将完全着色的硬化的头像38安装上或不安装弹簧，然后安装到身体塑像上组成一个完整的塑像39。
然而，以普通相机12拍取的图像基础上，不容易让雕刻家控制每一尊对象的相似性，面部各容貌大小，位置相符合和每一个雕刻出来的质量。
理想的结果是更加逼真、面部各容貌大小，位置相符合，富有色彩的三维塑像。因此，提取三维和二维的各个具体的细节信息，利用这些信息生成一个三维形状的对象复本，这将是本发明所要解决的。
发明说明 本技术有关制造定制的三维雕像的改进技术。下列说明旨在让本领域的普通技术人员能够根据申请文和必要技术特征的规定利用和使用该发明。对于凡了解该领域技术的人们来说，针对具体对象作相应的修改以获得最佳效果那时不言自喻。下文所界定的一般原则同样适用于其它实施例中。所以，本发明并不局限于所示和说明的具体实施例，而是覆盖符合下文揭示的原则和新颖性特征的最大范围。
图4显示的是关于加强三维/二维拍摄、三维打磨和二维打印、在三维打磨的基础雕刻、喷打着色和将头像安装到身体塑像上的示意图。三维相机41可以利用激光测距或者其它技术拍摄三维对象40几何细节信息。这些几何细节信息被装为几何文本42，表现为诸如DXF、STL、VRML、IGES等标准格式。几何文本42包括有关三维对象40表面点的(z，y，z)资料，不同的点的资料是不相同的。
在用三维相机41拍摄几何文档42的X，Y，Z数据的同时，一个二维图像也被拍摄下来。理想的是，该二维图像是用拍摄三维数据的三维相机41的镜头拍摄的，这最大程度避免了失真。在某些施实例中用镜头拍摄图像可以稍微被抵销激光测距仪。二维图像数据被装载为JPEG图像文本43。图像文本43也可能采用其它格式，如TITF。记录显示在三维相机41平面图像(x，y)位置的颜色像素数据包含在二维图像文本43中。
于是，三维相机41输出几何文本和二维图像文本43。某些商业渠道销售的三维相机便能输出文本42和二维图像文本43。诸如用米诺尔塔(Minolta)的VIVID700三维相机。
将几何文本42输给三维打磨机44，打磨机44可能是计算机数控机，诸如计算机控制的车床，打磨机，钻孔机等。几何文本42可能被最先处理，转换生成打磨机44上的机器指令。将打磨块45装载于打磨机44上，被打磨成定制打磨外形46，该打磨外形46保有几何文本42说明的三维对象40的外形。
二维图像文本43输往微机PC47。微机PC47生成二维图像的打印文本，打印文本被输送到打印机48。
打印机48生成打印的二维图像纸49，上面打印有同于二维图像文本43的三维相机41拍摄的二维图像。打印的二维图像纸49和定制的打磨外形46都是按三维对象40的表征定制的。
已打磨的定制外形46用适于雕刻的粘性材料重塑，以便于清除和雕饰面部、眼、鼻、口和耳，如果三维相机41拍摄的只是面部而不是整个头部，雕刻家塑用背侧头部和融入根据已打磨的定制外形46重铸的粘性材料面部的前半部，完成整个粘性材料头像50。
完成后的柔软的粘性材料50将经过硬化加工处理，如将它放置到窑或烤炉中硬化粘性材料头像51；另一种制作硬化粘性材料头像51的方法是将重塑为其它可迅速硬化的树脂材料。
绘画家或艺术家根据图像49或由显示器上的图像47，对未着色的硬化的粘性材料头像51的面部、眼、眉毛、齿和毛发着色，使之变成有着完全色彩的人头像52。
已完成的着色的定制的三维人头像52安装上或不安装弹簧，形成定制的三维塑像53。
图5是用三维相机形成构造三维塑像，三维相机同时拍摄二维图像和三维几何形状(见第102步)，某些扫描可以确定几何数据，诸如用激光测距仪扫描或在三维对象上投影花边样式加工处理。
三维相机生成了两种文本以X、Y、Z资料表示的几何文本，和以X、Y、Z颜色数据表示的二维图像文本。几何文本是典型的X、Y、Z数，它相应于产业标准，诸如AutoCAD的DXF，IGES或者STL格式，这种几何文本可能是单色的(黑色或灰色)而二维图像文本包含色彩信息。
几何文本由三维相机输出，(见第104步)，被CNC打磨机读取，某些前置加工处理可由CNC器自身或计算机来完成。诸如转换几何文本DXF/STL格式为其它计算机控制指令，几何文本或机器指令文本被送到CNC打磨机，打磨机切削打磨块，生成三维对象(见第108步)已成形的三维对象代表几何文本描述的对象，再用适于雕刻的粘性材料重塑或重铸该已打磨好的三维对象(见第110步)。
雕刻家清除和雕饰三维对象的面部、眼、鼻和口，如果头的背部确实需用三维相机拍摄，雕刻家得清理和修饰头发，然而，如果三维相机拍摄不到头像的背部，雕刻家则必需塑造头像的背部和将其它附到脸像以构成一个完整的三维粘性材料头像(见第116步) 该粘性材料头像需经硬化加工处理，诸如将粘性材料头像放到窑或烤炉中(见第118步)或者重塑为其它可短时间内迅速硬化的树脂性材料。
二维文本被输送到微机或工作站(见第106步)该二维图像文本可能表示为JPEG，BMP，TIFF等文本格式；微机处理二维图像文本(见第112步)，诸如生成打印文本，已处理的二维图像文本通过打印机打印出来(见第114步)。
绘画家根据三维图像为未着色(单色)的三维头像着色(见第114步)使之具有相似的眼、眼色、眉毛、白色和嘴唇(见第120步)。
已完全着色的定制的三维头像经安装上或不安装弹簧后，便形成三维的定制塑像(见第121步)。
图6是CNC打磨更为详细的流程图。控制CNC打磨机打磨(见第108步)的计算机收到DXF/STL几何文本(见第122步)后，调整定制三维对象的大小比例(见第124步)，使之适合于打磨块的开头和大小，这种比例定制可在DXF文本转换之前进行。几何文本被编辑为机器指令或产业NC数码文本(见第126步)，控制CNC打磨机的切削工具的切削运动。
已转换的数字控制(NC)码文本下载到CNC打磨机上(见127步)。
打磨块被放到CNC打磨机上(见第128步)打磨块可以是木质，塑料，蜡，泡沫，或其它适于CNC打磨的材料。已转换为机器指令的几何文本随后被CNC打磨机执行。打磨机根据指令切削打磨(见第130步)，该打磨机可能中途停止，让操作员更换切削工具或迅速翻转已打磨部分。
一旦操作执行完成，最后的已打磨好的三维对象131可以被移走了。
图1A-B显示的是用来拍摄二维图象的数码相机12和用来显示和打印二维图像的计算机和打印机。
图2A-B显示的是用以生成三维复制本的三维相机和三维打磨机。
图3显示的是定制三维雕像的传统方法。
图4显示的是关于加强三维/二维拍摄、三维打磨和二维打印、在三维打磨的基础雕刻、喷打着色和将头像安装到身体塑像上的示意图。
图5是利用三维相机定制三维雕像的总流程图。
图6是计算机数控打磨的具体流程。
具体实施例方式本发明人考虑了数个实施例子，从不同的角度拍摄三维人面部或全部头像，用来定制三维头像，这是可能的拍摄整个头像需要分别打磨面前部和头后部。某些CNC机带来的旋转轴，它就不需分别打磨头前后部便可打磨整个头像。
粘性材料三维头像雕刻好后和准备硬化处理后还可能有其它选择，例如，一些柔性粘性材料可以在一定温度下窑或烤炉中放置一段时间，使之硬化。某些粘性材料一夜间自身便可硬化，整个头像还可以用其它更为便宜的树脂或瓷性材料加以重塑和重铸。
将定制好的三维头像安附到身体塑像上有不同的组合方式，例如，把磁铁内置于完成的定制三维头像中心，一金属片安装在身体塑像的上端，这使得定制的三维头像很容易滑进身体塑像中，也允许同样定制的三维头像容易更换不同型号的身体塑像。
公开文本的摘要是根据摘要的要求制作的，以便于研究者迅速地确定源于本公开文本的任何专利技术公开的主题。阅读者应该知道，它并不用于解释或限制权利要求的范围或含义37C.P.R§1.72(b)，亦并非本方法所说明的每一改进都需在每个实施例中得到应用。权利要求必要技术特征中使用“手段(means)”一词时，申请人为了使权利要求的必要技术特征符合35 USC§112第六款的规定，通常手段(means)词前冠以一个或更多的文字作为修饰，这一文字或更多文字的修饰旨在便于权利要求的参引，而不是表达结构上的限制，这种手段+作用(means-plus-functions)的权利要求，意图在于覆盖不仅包括用以执行该作用的结构或其构造，也包括等效的结构。例如，尽管钉子和螺帽有不同的结构但因为它们都具有加固的作用，因而是等效的，但权利要求没有使用手段(“means”)一词并不意味着就不符合35 USC§112第六款的规定。信号是典型的电子信号，也可能是光学信号诸如用纤维光缆传输的光学信号。
前述关于本发明实施例的说明旨在于图标和说明它意不在穷举或限制发明到精确的公开形式。如上所述，可能有诸多修改和变化是，总之，发明的保护范围不是由本具体实施例限制。而是由后附的权利要求书所限制。
权利要求
1.用三维相机生成定制的三维对象的方法，具体步骤包括拍摄三维对象细节信息；装载该三维细节信息为几何文本；拍摄三维对象的三维图像生成二维图像文档；传输所述几何文本到三维打磨机；插入打磨块到三维打磨机；在三维打磨机上根据几何文本的三维信息切削打磨块，生成打磨后的定制外形；将打磨后的定制外形转换成可雕塑材料；将可雕塑材料的定制外形塑造完整三维头像；硬化已定制的三维完整头像。着色已硬化后的完整的三维定制头像。
2.如权利要求1所述的三维相机生成定制的三维对象的方法，其特征在于所述几何文本的前置处理包括调整三维对象的大小的比例。
3.如权利要求1所述的三维相机生成定制的三维对象的方法，其特征在于所述的完整彩色头像是连接到预置的身体塑像上。
4.如权利要求1所述的三维相机生成定制的三维对象的方法，其特征在于已打磨的定制外形，是根据三维相机拍摄的对象几何文本的三维细节信息在三维空间对打磨块打磨形成的；定制已打磨的外形重塑为粘性材料头像，硬化和着色。
5.如权利要求4所述的三维相机生成定制的三维对象的方法，其特征在于所述生成的三维对象中，已打磨的定制外形至少包括两个单独打磨可以拼凑起来形成一个生成的三维对象部分。
6.一种定制的三维对象的方法包括传输三维对象几何文本到一台三维打磨机；插入打磨块到三维打磨机；在三维打磨机上根据几何文本的三维细节信息切削打磨块，生成已打磨的定制外形；把已打磨的定制外形重塑为粘性材料；塑造完整的三维头像；硬化已定制的三维完整头像；着色三维头像。
7.如权利要求6所述的定制的三维对象的方法，其特征在于所述的粘性材料为可雕塑材料。
8.如权利要求6所述的定制的三维对象的方法，其特征在于所述的硬化材料为树脂材料。
9.如权利要求6所述的定制的三维对象的方法，其特征在于所述的硬化材料为自硬化粘土材料。
10.如权利要求6所述的定制的三维对象的方法，其特征在于所述的硬化材料为烤炉中硬化粘土材料。
全文摘要
本发明涉及一种用三维摄像机定制三维雕像的方法。三维对象的三维复制本由已打磨的的三维定制外形和二维图像复合而成。一个三维相机拍摄三维对象的三维细节信息的同时也拍摄一个多色的三维对象的二维图像。三维相机输出几何文本到计算机数控打磨机，打磨机切削打磨块形成定制的已打磨的三维外形。三维相机也输出二维文本到微机中。雕刻家在定制的已打磨的三维外形和二维图像完成完整的三维头像。完成的粘性头像经硬化后根据二维图像进行喷打着色，完整着色的头像安装到预置的身体塑像上。
文档编号B44B1/00GK1770006SQ200410086350
公开日2006年5月10日 申请日期2004年10月26日 优先权日2004年10月26日
发明者谭生 申请人:谭生