专利名称：真人头像三维激光扫描仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种真人头像三维激光扫描仪，这是一项通过对真人头像进行激光扫描，将所得信息在计算机内进行数据处理，最终得到头像的形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术，它可以广泛地应用于三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、广告宣传、影视制作、公安档案管理等领域的三维信息采集。
目前真人头像三维扫描技术在国内还处在尚待起步状态，只有工业上使用的三坐标测量仪属于类似的产品。但三坐标测量仪由于采用的是探测头与物体接触扫描，因而只能扫描那些表面比较平滑，质地坚硬的物体，无法对真人头像进行扫描；而且速度慢，结构复杂，对物体形状要求较为严格，所以虽然具有精度高的优势，但仍然基本上只能应用于工业领域，对于其他应用领域实施起来难度较大。国外目前有少数几家公司(如CYBERWARE，MODELMAKER，REPLICA，DIGIBOT，SURFACER等)从事此项生产，但由于这几家公司的产品在结构、价格、易用性等方面的原因，特别是价格过高，因而至今未能实现普及应用。最相近的对比文献是1998年3月CYBERWARE公司在其站点(www.cyberware.com)上对其产品的介绍，但该产品的问题是结构复杂，成本高，制造要求高。
为了解决上述问题，本实用新型以国内的生产能力为基准，旨在提出一种适用性广、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的真人头像三维扫描仪的设计。
以下结合附图具体描述真人头像三维激光扫描仪的设计方案本实用新型如图1及图2所示，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD(电容耦合器)信号采集系统(6)、转台(8)和支架(9)组成。激光波前变换系统位于激光光源的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴、线形激光束与转台中心轴在同一平面上。光学成像系统位于CCD信号采集系统的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与转台的中心轴在同一平面上，反射的激光经过光学成像系统和CCD信号采集系统后可以形成在CCD中看到的信号(7)。CCD信号采集系统由两路黑白CCD摄像头(6.1)和一路彩色CCD摄像头(6.2)组成，各CCD摄像头的中心轴与激光光源的光轴在同一个垂直于转台中心轴的平面上。两路黑白CCD摄像头分别连接在激光光源和激光波前变换系统的两边，这两路黑白CCD摄像头的中心轴与激光光源的光轴的夹角相等。支架装于转台的下方，并垂直于转台的中心轴。通过连接架(10)，支架的一端连接彩色CCD摄像头，另一端连接由两路黑白CCD摄像头及激光光源、激光波前变换系统组成的连接体。CCD信号采集系统与计算机相连，将信号送入计算机。激光光源前装有衰减装置。激光波前变换系统由柱透镜构成。线形激光束宽度小于1.5毫米。CCD信号采集系统中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。CCD信号采集系统中的两路黑白CCD摄像头(6.1)采用外同步CCD，与彩色CCD实现外同步。转台上装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。由整体支架(11)支持整个系统，整体支架末端与转台相连，可调节高低位置。转台的正下方放置座椅(12)，扫描对象(4)坐在座椅中。如图3所示的软件部分处理流程，信号采集系统输出对扫描仪的机械控制信号，同时将CCD送来的信号导入计算机，由三维物体生成软件处理后生成三维文件，存于计算机中。
真人头像三维激光扫描仪的具体使用操作步骤如下1、打开计算机，启动扫描软件。
2、扫描对象就坐座椅，调节整体支架，使转台下的激光光源的照射范围覆盖扫描对象的头部，CCD、激光器的中心与待扫描者头部的中心大体平行。
3、调节焦距，可在CCD中观测到整个头像，图像清晰，位置正确。激光束高度合适，且粗细适当。
4、打开转台电机开关，转动转台，计算机开始进行处理。
4.1、进行形体扫描即采集形状信息时，转台旋转一周，计算机分别读取两个黑白CCD摄像头的观测结果，然后控制部进电机旋转到下一角度，再进行读取。这些信息经软件处理后即可得到头像的三维形状信息，并以文件的形式存储在硬盘上。这些过程由计算机控制。
4.2、进行色彩扫描即采集彩色信息时，需打开照明系统，扫描过程与形体扫描可同时进行。由彩色CCD摄像头进行扫描，读取的是物体表面的色彩信息。经软件处理即可得到头像表面的色彩信息。
5、在各种三维软件中，打开前面得到的头像形体信息或表面贴图信息，即可进行诸如CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真等之类的三维工作了。
本实用新型的优点与积极效果本实用新型适用性广。通过激光扫描，并采用计算机控制操作和处理信息，保证了相当高的精度(优于1.0毫米)。大部分的调节和步骤由计算机完成，操作原理简单，对操作者要求宽松。由于在开发中是完全独立地以国内的生产能力为基准而非参照外国产品，因而实现了只需较低加工制造水平即可实施的方案，成本低廉。而国外产品的结构对机械加工的要求往往很高，因而价格极高，与本发明相比约高出10倍之多。本实用新型可以广泛地应用于三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、广告宣传、影视制作、公安档案管理等领域的真人头像三维信息采集。
图1是真人头像三维激光扫描仪原理图1-激光光源 2-激光波前变换系统3-线形激光束4-扫描对象5-光学成像系统 6-CCD信号采集系统7-在CCD中看到的信号图2是真人头像三维激光扫描仪结构图1-激光光源 2-激光波前变换系统5-光学成像系统 6-CCD信号采集系统6.1-黑白CCD摄像头 6.2-彩色CCD摄像头8-转台 9-支架10-连接架 11-整体支架
12-座椅图3是软件处理框图。
下面结合前述的操作步骤说明最佳实施例如下激光光源(1)采用633nm的He-Ne激光器。激光光源前装有衰减装置。激光波前变换系统(2)由柱透镜构成。线形激光束(3)宽度小于1.5毫米。CCD信号采集系统(6)中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。转台(8)上装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。由整体支架(11)支持整个系统，整体支架末端与转台(8)相连，可调节高低位置。转台的正下方放置座椅(12)，待扫描者可以坐在座椅上接受激光扫描。
权利要求1.一种真人头像三维激光扫描仪，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD信号采集系统(6)、转台(8)和支架(9)组成，其特征是1.1、激光波前变换系统(2)位于激光光源(1)的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴、线形激光束与转台(8)中心轴在同一平面上；1.2、光学成像系统(5)位于CCD信号采集系统(6)的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与转台(8)的中心轴在同一平面上；1.3、CCD信号采集系统(6)由两路黑白CCD摄像头(6.1)和一路彩色CCD摄像头(6.2)组成，各CCD摄像头的中心轴与激光光源(1)的光轴在同一个垂直于转台(8)中心轴的平面上；1.4、两路黑白CCD摄像头(6.1)分别连接在激光光源(1)和激光波前变换系统(2)的两边，这两路黑白CCD摄像头的中心轴与激光光源的光轴的夹角相等；1.5、支架(9)装于转台(8)的下方，并垂直于转台的中心轴；1.6、通过连接架(10)，支架(9)的一端连接彩色CCD摄像头(6.2)，另一端连接由两路黑白CCD摄像头(6.1)及激光光源(1)、激光波前变换系统(2)组成的连接体；1.7、CCD信号采集系统(6)与计算机相连，将信号送入计算机。
2.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是激光光源(1)前装有衰减装置。
3.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是激光波前变换系统(2)由柱透镜构成。
4.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是线形激光束(3)宽度小于1.5毫米。
5.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是CCD信号采集系统(6)中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。
6.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是CCD信号采集系统(6)中的两路黑白CCD摄像头(6.1)采用外同步CCD，与彩色CCD实现外同步。
7.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是转台(8)上装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动转台旋转。
8.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。
9.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是由整体支架(11)支持整个系统，整体支架末端与转台(8)相连，可调节高低位置。
10.按照权利要求1所述的真人头像三维激光扫描仪，其特征是转台的正下方放置座椅(12)。
专利摘要本实用新型是一种真人头像三维激光扫描仪,这是一项用激光扫描对象,并用计算机进行数据处理,最终得到头像形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术。本实用新型采用波前变换系统将激光源发出的激光变成线形激光束扫描对象,用CCD(电容耦合器)采集经反射、光学成像后的激光信号,并转换成电信号导入计算机,由软件处理后生成三维信息文件。本实用新型可广泛应用于影视制作、广告宣传、三维动画制作等领域。
文档编号G03C9/00GK2382044SQ9820492
公开日2000年6月7日 申请日期1998年6月8日 优先权日1998年6月8日
发明者张明, 李新章, 陈旭 申请人:北京大学