基于特征点补充的低成本高清晰度人体三维扫描成像系统的制作方法

本发明涉及三维扫描仪设备，具体用于物体的三维数据采集和建模还原。

背景技术：

目前市场上应用广泛的有一下三维扫描设备：

1、手持式扫描仪：此类扫描仪要求目标人体保持静止状态，对其按照前后左右逐层卓行扫描，然后通过计算机处理完成三维建模，扫描时间长；

2、全景式人体扫描系统：此类扫描系统为简单的直立式结构，要经常人为调整扫描的高度及角度范围，它采用多组三维深度摄像头结合投影光栅扫描的方式采集数据，通过计算机完成建模，存在结构不稳定,调试复杂,扫描盲点大.设备成本高,后期处理复杂,生成的三维模型缺乏色彩纹理等缺陷；

与此同时，现在主流三维扫描系统都是抓取物体的特征点，特征点的多少直接影响物体的质量；其对特征点的依赖非常严重；因此目前采用结构光类的扫描仪的特征点都有非常严格的特征点坐标信息；但是，基于照相机拍摄采集图像信息，最终由二维信息还原三维信息的系统中目前只能通过不断的提高系统中的照相机的像素来满足高质量的物体数据还原；目前的该类系统中使用的照相机的像素已经达到了单反相机的级别，但是入门级单反相机的镜头价格都在3000元至5000元不等，成本非常高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于特征点补充的低成本高清晰度人体三维扫描成像系统，其采用多个照相机采集目标人体信息的原理构件，该照相机的像素要求低，成本低，但是采集质量非常高，效果好，能够全方位的高质量采集信息，最终能够实现快速建模还原。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于特征点补充的低成本高 清晰度人体三维扫描成像系统，用于采集目标人体的图像信息；包含用于采集图像信息的照相机和用于安装照相机的框架组件；所述框架组件包含球体结构的壳体；壳体内表面设置有所述照相机；所述壳体上还设置有朝向壳体内部照射的LED补光灯和特征点补充灯；

所述特征点补充灯为投影灯，包含高亮LED灯和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；

所述特征点补充灯和照相机的数量为多个；所有特征点补充灯投射的随机二维码覆盖位于壳体内的目标人体；所有照相机的拍摄范围的并集覆盖整个目标人体；同一个特征点补充灯投射的随机二维码至少被两个照相机同时完整拍摄；

所述照相机的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整。

进一步的是：所述照相机的有效像素大于300万像素。

本发明的进一步改进点包含：

(1)所述特征点补充灯的光学镜头为凹凸透镜组合；所述特征点补充灯还包含电源模块、开关以及用于容纳所述高亮LED灯，光学镜头和成像镜片的灯壳。

进一步的是：所述特征点补充灯还包含用于固定灯壳的安装杆，安装杆的一端为用于安装在框架组件上的固定板，安装杆的另一端通过安装杆调节件与能够水平调整角度的水平旋转件连接；所述水平旋转件上通过俯仰调节件安装有俯仰杆，俯仰杆顶端安装所述灯壳。

进一步的是：所述安装杆调节件、俯仰调节件均为铰接件，该铰接件可以通过紧固螺钉在调整完角度后进行锁死；所述灯壳上设置有散热片；所述灯壳 的一端为透光的镜头，该镜头可以通过转动调节焦距。

(2)所述框架组件的壳体包含外层框架和内层框架；内外层框架共计包含48个拼接平板；其中内层框架包含相邻拼接组装的五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；外层框架对应的包含五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；

其中，内层框架周围的五个五边形拼接平板上均分别设置有多个相机安装孔、一个LED灯孔和一个特征点补充灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；内层框架顶部的一个五边形拼接平板设置有五个LED灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；内层六边形拼接平板均分别设置有多个相机安装孔、一个LED灯孔和一个特征点补充灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；内层四边形拼接平板上均分别设置有多个相机安装孔、一个特征点补充灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；

所述外层框架周围的五个五边形拼接平板，以及外层六边形拼接平板，外层四边形拼接平板上分别对应设置有一个特征点补充灯孔；外层顶部的一个五边形拼接平板为完整的正五边形；

所述特征点补充灯的光学镜头伸入至内层框架以内，特征点补充灯远离光学镜头的一端穿过所述外层框架的特征点补充灯孔后置于外层框架外部；所述特征点补充灯安装杆端部的固定板固定安装在所述内层框架上。

(3)所述框架组件还包含用于支撑所述壳体的底座；所述底座采用空心长方体倒R角设计，中间部分放置设备供电部分，底座上表面设置多个相机孔位。

进一步的是：同一层拼接平板沿边通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接构成半球穹顶型；内外层拼接平板之间通过角铁和内六方机械螺钉互相连接构成可以放置元器件和连接线的夹层；所述底座与上半部分通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的照相机配置了特征点补充灯；该特征点补充灯通过投射随机二 维码图案来增加人体的特征点，该特征点能够让计算机准确快速的识别人体的轮廓，不需要对特征点进行精确的坐标计算和形状设计；至少两个照相机同时采集投射的随机二维码，能够模拟人的双眼观察物体的效果，能够更加直接，真实的还原采集到人体数据；随机二维码采用方形斑点能够保证最终采集信息的棱角分明，采集的非常精确；具备了特征点补充灯后，我们的照相机的像素可以大大降低，我们的实际试验中，采用500万像素就能达到目前采用单反机级别的扫描系统的效果；成本降低幅度非常大，经济效益和社会效益都非常高；

本发明的特征点补充灯为投影灯，包含高亮LED灯和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；随机二维码能够采用现有技术为基础的二维码生成器非常便捷的生成，而且也能保证组合的多样性以及不同投影灯投射的二维码是不同的；防止计算机将相同二维码的部分识别为同一个目标人体位置，造成还原错误；

本发明的所述特征点补充灯和照相机的数量为多个；所有特征点补充灯投射的随机二维码覆盖位于壳体内的目标人体；所有照相机的拍摄范围的并集覆盖整个目标人体；同一个特征点补充灯投射的随机二维码至少被两个照相机同时完整拍摄；如此一来能够保证基本的布置数量；而且本发明中的球体结构的框架组件结构能够完全可靠的满足该数量的布置，是一种创造性非常高的具体实施方式；

本发明的所述照相机的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整；便于初始位置的可靠调节。

2、综上所述，本发明将投影灯作为一种特征点补充灯，在光路上设置了带有随机二维码的成像镜片，如此可以增加很多特征点；其原理类似于一张白纸和一张印有图案的纸，两个放在一起，一眼就看出来有图案的特征点多；本发 明的特征点补充灯将高亮LED灯的光线通过刻有随机二维码的成像镜片，然后经过凹凸透镜组合达到一个最佳的投影效果；使得目标人体表面黑白相间，特征点很明显。

3、本发明中，采用球体结构的壳体作为安装照相机等部件的框架，其可以使得相机成穹顶式分布，使得人体三维扫描仪中的摄像头能够充分扫描到空间内的所有位置，多视角，全方位采集照片信息，从而获取高精度的参数；本发明的框架组件中每一块都可以已成为一个独立的电路模块，可灵活拼装，拆卸，运输；本发明的框架组件设计合理，为拍照单元提供支撑定位坐标，多个拍照单元组合为点阵式拍照系统，能适应调整扫描对象的姿态变化，快速完成待扫描目标人体的外轮廓多角度拍照，适用于三维图像处理工作站的数据采集，成像质量高，扫描速度快，成本相对低廉，具有极佳的实用性和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的框架组件的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明的内层框架的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为与图2对应的外层框架的一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本发明的特征点补充灯的结构示意图；

图5为本发明的特征点补充灯的结构原理图；

图6为本发明的成像镜片上的随机二维码的效果示意图。

附图标记说明：

1-外层框架，2-内层框架；

10-内层周围五边形，20-内层顶部五边形，30-内层六边形，40-内层四边形，50-外层周围五边形，60-外层顶部五边形，70-外层六边形，80-外层四边形，90-底座，100-开口；200-高亮LED灯，300-成像镜片，400-光学镜头；

31-相机安装孔，32-特征点补充灯孔，33-LED灯孔；

321-固定板，322-安装杆，323-安装杆调节件，324-水平旋转件，325-俯 仰调节件，326-俯仰杆，327-灯壳，328-镜头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图1～6所示，其示出了本发明的具体实施方式，本发明基于特征点补充的低成本高清晰度人体三维扫描成像系统，用于采集目标人体的图像信息；包含用于采集图像信息的照相机和用于安装照相机的框架组件；所述框架组件包含球体结构的壳体；壳体内表面设置有所述照相机；所述壳体上还设置有朝向壳体内部照射的LED补光灯和特征点补充灯；

如图所示，所述特征点补充灯为投影灯，包含高亮LED灯200和设于高亮LED灯光路上的用于调整高亮LED灯投射光线焦距的光学镜头400；所述光学镜头和高亮LED灯光之间的光路上还设置有成像镜片300，所述成像镜片上设置有随机二维码；所述投影灯投射出对应随机二维码的图案；所述随机二维码由具有一定密度的方形斑点组成；

如图所示，所述特征点补充灯和照相机的数量为多个；所有特征点补充灯投射的随机二维码覆盖位于壳体内的目标人体；所有照相机的拍摄范围的并集覆盖整个目标人体；同一个特征点补充灯投射的随机二维码至少被两个照相机同时完整拍摄；

如图所示，所述照相机的拍摄角度可以调整；所述特征点补充灯的投射方向可以调整。

优选的，所述照相机的有效像素大于300万像素。当然也可以更低；但是根据我们的实际试验，500万像素是能够保证效果的最优化和成本的最低化；

优选的，如图所示，所述特征点补充灯的光学镜头为凹凸透镜组合；所述特征点补充灯还包含电源模块、开关以及用于容纳所述高亮LED灯，光学镜头和成像镜片的灯壳。

优选的，如图所示，所述特征点补充灯还包含用于固定灯壳327的安装杆 322，安装杆的一端为用于安装在框架组件上的固定板321，安装杆的另一端通过安装杆调节件323与能够水平调整角度的水平旋转件324连接；所述水平旋转件上通过俯仰调节件325安装有俯仰杆326，俯仰杆顶端安装所述灯壳。

优选的，如图所示，所述安装杆调节件、俯仰调节件均为铰接件，该铰接件可以通过紧固螺钉在调整完角度后进行锁死；所述灯壳上设置有散热片；所述灯壳的一端为透光的镜头，该镜头可以通过转动调节焦距。

优选的，如图所示，所述框架组件的壳体包含外层框架1和内层框架2；内外层框架共计包含48个拼接平板；其中内层框架包含相邻拼接组装的五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；外层框架对应的包含五边形拼接平板6个，六边形拼接平板14个，四边形拼接平板4个；

如图所示，其中，内层框架周围的五个五边形拼接平板上均分别设置有多个相机安装孔31、一个LED灯孔33和一个特征点补充灯孔32，并匹配有螺丝固定孔位；内层框架顶部的一个五边形拼接平板设置有五个LED灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；内层六边形拼接平板均分别设置有多个相机安装孔、一个LED灯孔和一个特征点补充灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；内层四边形拼接平板上均分别设置有多个相机安装孔、一个特征点补充灯孔，并匹配有螺丝固定孔位；

所述外层框架周围的五个五边形拼接平板，以及外层六边形拼接平板，外层四边形拼接平板上分别对应设置有一个特征点补充灯孔；外层顶部的一个五边形拼接平板为完整的正五边形；

所述特征点补充灯的光学镜头伸入至内层框架以内，特征点补充灯远离光学镜头的一端穿过所述外层框架的特征点补充灯孔后置于外层框架外部；所述特征点补充灯安装杆端部的固定板固定安装在所述内层框架上。

优选的，如图所示，所述框架组件还包含用于支撑所述壳体的底座；所述底座采用空心长方体倒R角设计，中间部分放置设备供电部分，底座上表面设置多个相机孔位。

优选的，如图所示，同一层拼接平板沿边通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接构成半球穹顶型；内外层拼接平板之间通过角铁和内六方机械螺钉互相连接构成可以放置元器件和连接线的夹层；所述底座与上半部分通过金属连接片和内六方机械螺钉互相连接。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。