一种可调节多视点三维重建采集系统的制作方法

本发明设计了一种多视角三维重建硬件系统，属于计算机视觉中的动态图像采集技术领域。

背景技术：

计算机视觉中，三维重建的图像采集主要分为静态采集系统和动态采集系统。静态采集系统要求被摄对象在整个采集过程中保持静止，早期采用单个摄像机不断移动到多视角采集图像。如debevec等人于2002年搭建的变光照静态采集系统，采用的就是单一视角采集。动态采集系统可在短时间内采集图像，不需要被摄对象完全静止。而对于人体部位，如手部和脸部，很难保持一定时间段内静止，这需要在多个视角上同时采集某时刻图像进行三维重建，即多视角动态三维重建。根据光照控制方式不同，分为恒光照和变光照采集系统。恒光照系统对光源要求较高，但无需专业控制。目前国内外许多研究所和高校搭建了多视角采集系统，如英国萨里大学、德国马普所、清华大学和南京大学等。但这些多视角采集系统的设计采集对象为人体和人脸以及较大场景物体，不能很好地采集手部图像信息，且体积庞大，功能单一，并且不适用于大量人体图像数据的采集。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种多视点三维重建采集系统，设计了一个环绕被摄对象的升降旋转式笼型采集器，搭载相机采集人体手部和头部图像，实现头部和手部图像采集复用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多视点三维重建采集系统，包括升降旋转式笼型采集器、以及固定在升降旋转式笼型采集器上的相机和光源，升降旋转式笼型采集器包括笼型相机固定支架、外部升降旋转机构，所述笼型相机固定支架包括上部圆环、中部圆环、下部圆环、连接在中部和下部圆环之间的若干侧柱，连接在上部和中部圆环之间的若干斜柱，上部圆环内还连接有十字支架，相机固定在侧柱上，光源固定在十字支架上；所述外部升降旋转机构包括连接在笼型相机固定支架两侧的轴承、连接在支撑框和笼型相机固定支架之间的丝杆结构、与丝杆结构连接的支撑框。

进一步的，还包括设置在笼型相机固定支架下方的升降座椅和/或手部支撑架。

进一步的，所述斜柱与侧柱成120°夹角。

进一步的，所述侧柱为18根，在中、下部圆环之间均匀分布。

进一步的，所述相机数量为2至36台，同一根侧柱上搭载相机数量为0到2台。

进一步的，所述支撑框包括底部框架以及两侧面框架。

本发明还提供了多视点三维重建采集系统采集机构的采集方法，包括采集头部图像的步骤和采集手部图像的步骤，其中采集头部图像的步骤包括：

令笼型相机固定支架处于低位水平姿态，把升降座椅放置在笼子正下方；

同时调整两侧丝杆，升降笼型相机固定支架至合适高度固定；

再调整笼型相机固定支架角度至水平，固定角度；

升降座椅位于低位，被采集者坐上座位；

座椅升高到高位，使被采集者头部位于笼型相机固定支架正中采集区域；

控制相机进行采集；

采集手部图像的步骤包括：

多视点三维重建采集系统中的笼型相机固定支架处于高位倾斜姿态，把手部支撑架放置在笼型相机固定支架稍前方；

同时调整两侧丝杆，升降笼型相机固定支架至合适高度固定；

在调整笼型相机固定支架角度至45°倾斜，固定角度；

根据被采集者身体结构，调整手部支撑架的位置和高度；

被采集者伸出手臂，放置在手部支撑架上，使手部位于笼型相机固定支架正中采集区域，并能保持相对稳定；

控制相机进行采集。

进一步的，采集头部图像时的合适高度为升降座椅高位高度+被采集者坐高。

进一步的，采集手部图像时的合适高度为被采集者肩部高度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供的多视点三维重建采集系统结构新颖，对于不同身材尺寸被摄者，可调节采集系统的高度、姿态以适应采集对象，采集其手部头部图像。系统结构便于布置相机和光源以获取高质量的图像，出色的人体工程学设计提高被摄者舒适度。

附图说明

图1为升降旋转式笼型采集器整体结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的侧视图。

图4为升降旋转式笼型采集器的侧视图，其中笼型相机固定支架为旋转45°状态。

图5为升降座椅的推杆低位状态示意图。

图6为升降座椅的推杆高位状态示意图。

图7为升降座椅俯视图，图中不包括升降平台顶板。

图8为采集头部和手部数据的状态示意图。

附图标记说明：

1-笼型相机固定支架，2-轴承，3-限位轴承座，4-丝杆，5-手轮，6-侧柱，7-中部圆环，8-下部圆环，9-斜柱，10-上部圆环，11-十字支架，12-支撑框，12-1-底部框架，12-2-侧面框架,13-传动机构，13-底座，14-电动升降推杆，15-升降台，16-直线轴承，17-支撑柱，18-移动平台。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明是基于多视角重建的原理，设计了一个环绕被摄对象的升降旋转式笼型采集器，如图1-7所示。主要采集对象为人体手部和头部图像，可实现头部和手部图像采集复用。设计的小型笼型支架环绕手部，搭载的相机可以很好地采集手部图像，而身体的其他部位不会对其造成遮挡干扰。笼型支架设计符合三维重建原理，可以便于相机的位置调整和固定，顶部结构也为光源的布置调整提供了更多空间，密集的支架结构为增添相机视角提供可能。为了能实现采集头部和采集手部的复用，设计了外部旋转升降机构。站姿进行手部采集，此时支架高位旋转态；坐姿进行头部采集，此时支架位于低位水平态。再结合正常成年人体身高、坐高统计数据，确定合理的支架尺寸，升降尺寸范围和支架旋转角度，以符合人体工程学。配合使用的升降座椅和手部支撑架，让被采集者在采集过程中没有不适感，能够改善被采集对象的采集体验，有利于快速大量采集。

具体的说，本发明提供了一种多视点三维重建采集系统，包括升降旋转式笼型采集器、以及设置在采集器上的相机、光源。

升降旋转式笼型采集器由两个部分组成，如图1-4所示，分为笼型相机固定支架1和外部升降旋转机构。外部升降旋转机构包括旋转机构、升降机构和支撑框12。旋转机构为笼子侧壁的转轴2和限位轴承座3，转轴2固定在笼型相机固定支架1两侧，限位轴承座3固定在丝杆结构上方升降平台上。升降机构为位于两侧的丝杆结构，丝杆结构包括丝杆4、传动机构13、手轮5、移动平台18，手轮5通过传动机构与丝杆连接，传动机构可采用蜗轮蜗杆或两啮合的斜齿等常见的能够改变旋转运动方向的机构，传动机构套在丝杆上，其内壁具有与丝杆相配合的螺纹，将手轮的旋转转为丝杆的升降。丝杆顶端与移动平台连接，可以上下推动平台，旋转机构设置在移动平台上，从而最终将手轮的转动转变为笼子的升降动作。图1左侧升降机构简略绘制，但其实际结构与右侧升降机构结构相同。在升降时同时调整两侧丝杆升降，旋转时调整笼子角度到合适位置，通过限位块固定角度。支撑框12包括底部框架12-1以及两侧面框架12-2，笼型相机固定支架有18根侧柱6用于固定相机；上下用圆环固定。具体的说，笼型相机固定支架包括上中下三个圆环，侧柱6连接在中部圆环7和下部圆环8之间，顶部斜柱9自中部圆环连接到上部圆环10固定；上部圆环内部连接一个十字支架11，兼有稳固支架和布置光源两个作用。mvs使用三角测量原理从多个图像的像素匹配重建三维模型。这意味着测量的准确性与三角形的基线直接相关。基线较大会造成遮挡和像素成像差异大。18根侧柱到圆心最小夹角为20°，这样可以得到较小的基线，便于像素匹配。每根侧柱长500mm，可以自由固定两台普通大小单反相机。搭载的相机数量及位置可调，可在多根侧柱上搭载相机，同一根侧柱上亦可搭载多台相机，因此总相机数量可为2至36台，同一根侧柱上搭载相机数量为0到2台。侧柱上下的固定环直径1400mm，加装相机后，拍摄手部和头部图像使用的相机焦段为50mm至80mm，为中长焦段，拥有更好的成像效果，锐度更高。顶部斜柱与侧柱成120°夹角，连接顶部直径为720mm的固定环，这便于调整光源和相机位置。

笼型固定支架1侧面连接旋转件5，最大旋转角度为45°，便于被采集者伸出手臂采集。设计被采集者身高为1米至1.9米，包括十岁左右儿童及绝大部分成人身高。以人体平均坐高身高比0.53得，升降部分高度范围为1290mm至1800mm。考虑余量，1290mm略高于身高为1米被采集者坐高与升降座椅高度之和。1800mm略高于1.9米被采集者站姿肩部高度，即为站姿手部采集最高高度。

支架使用铝型材制作，质量轻也便于制作安装。单反相机通过球形云台和支架侧柱连接。

由于需要采集的图像背景较为单一，在笼型支架内部设置定制的绿色pvc塑料遮光片，以形成内部绿幕。

光源采用恒光源方案，在笼型支架顶部即斜柱部位，环绕放置多个漫反射led高亮度光源，保证被采集对象均匀受光。高亮光源使相机光圈可以调小，增大景深；可以提高快门速度，提升动态捕捉能力。

此三维重建采集系统旨在采集大量人体手部及头部图像，获取手部及头部三维数据，重建手部头部三维模型，以建立一定规模的三维模型数据集，为其他研究提供数据支撑。采集设备与被采集者的配合十分重要。因此设计了可伸缩手部支撑架和升降座椅提升被采集者采集过程中的舒适度，便于大量采集。手部支撑架使用商用可升降三脚架改装，完全可以满足1200mm至1600mm的升降要求。升降座椅需要300mm行程，普通商用升降座椅达不到要求，因此使用电动推杆设计升降平台，加装座椅背(在图中未示出)，如图5、图6、图7所示。升降座椅包括底座13、安装在底座内的电动升降推杆14、安装在电动升降推杆顶部的升降台15，电动升降推杆顶部与升降台顶板连接。在底座顶部的升降台支撑柱17穿出通孔处设置有直线轴承16，对升降台的运作起到导向及限位作用，令其平稳升降避免左右晃动。升降座椅低位470mm，高位770mm。手部支撑架设置在笼型固定支架下方，其顶端位于笼型固定支架内，便于拍摄顶端的手部图像。升降座椅设置在笼型固定支架下方，当被采集者坐在升降座椅上时，头部位于笼型固定支架内，便于拍摄。

多台单反相机需要同步采集手部数据，才能达到动态重建的要求。通用的解决方案为，使用smartshooter等专业单反相机控制软件，通过usb控制单反相机。但是会有较大延迟。我们的解决方案为，为每台单反相机安装遥控引闪器，使用无线控制方式采集图像。图像采集后被存储在相机sd卡中。再通过usb传输图像到计算机。延迟在毫秒级，效果良好。

采集器主要有两个方面的功能，为头部和手部的采集。通过调整笼型采集器的相对位置和角度，实现两个部位的采集。采集头部数据时，采集机构处于低位水平姿态，把升降座椅放置在笼子正下方。首先同时调整两侧丝杆，升降笼子至合适高度(770mm+被采集者坐高)固定。再调整笼子角度至水平，使用限位螺丝固定角度。采集时，首先升降座椅位于低位，被采集者坐上座位。电动座椅升高到高位，使被采集者头部位于笼子正中采集区域(图8(c))。控制相机进行采集。采集完成后降低升降座椅，被采集者离开座位。采集完成。采集手部数据时，采集机构处于高位倾斜姿态(图8(a))，把手部支撑架放置在笼子稍前方。首先同时调整两侧丝杆，升降笼子至合适高度(被采集者肩部高度)固定。在调整笼子角度至45°倾斜，使用限位螺丝固定。采集时，根据被采集者身体结构，调整手部支撑架的位置和高度，被采集者伸出手臂，放置在手部支撑架上，使手部位于笼子正中采集区域，并能保持相对稳定(图8(b))。控制相机进行采集。采集完成后被采集者收回手臂，采集完成。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。