一種數(shù)字散斑人體三維快速掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維測(cè)量領(lǐng)域中人體三維數(shù)據(jù)測(cè)量的問題，特別涉及一種數(shù)字散斑人 體三維快速掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體三維測(cè)量通過獲得人體各部位的尺寸和模型，研究人體的形態(tài)特征，廣泛用 于3D打印、醫(yī)學(xué)治療、服裝定制、運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域。例如，在進(jìn)行真人模型3D打印時(shí)，首先要 獲得人體的三維數(shù)據(jù)；而在醫(yī)學(xué)治療方面，快速獲得人體面部三維數(shù)據(jù)是制定更好的整形、 矯形手術(shù)方案的前提；另外，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，所設(shè)計(jì)的日用產(chǎn)品必須 與人體尺寸更加匹配，才能滿足消費(fèi)需求。因此，如何快速、精確得獲取人體全身或者局部 的三維數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。
[0003] 國(guó)內(nèi)外目前已出現(xiàn)商業(yè)化的人體掃描系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般基于光柵、紅外或激光 掃描原理，主要用于人體三維的靜態(tài)掃描，存在的共同缺陷是：由于一次掃描需要多次投影 光柵或激光條紋，使得整體掃描速度較慢，且難以避免人體晃動(dòng)造成的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，本發(fā)明公開了一種數(shù)字散斑人體三維快速掃描方法；
[0005] 所述方法包括下述步驟：
[0006] S100、多相機(jī)全局標(biāo)定：在測(cè)量視場(chǎng)中布置標(biāo)定板來標(biāo)定多個(gè)測(cè)量頭中相機(jī)的內(nèi) 部參數(shù)和外部參數(shù)；
[0007] S200、人體圖像快速采集：利用多個(gè)測(cè)量頭向人體表面的不同位置處投影隨機(jī)的 散斑圖案，并利用多個(gè)測(cè)量頭從不同角度同步采集人體圖像；
[0008] S300、人體三維點(diǎn)云重建：基于步驟S100、S200,對(duì)每個(gè)測(cè)量頭采集的人體圖像進(jìn) 行立體匹配和三維坐標(biāo)重建，得到多幅人體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0009] S400、多幅點(diǎn)云動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)：對(duì)步驟S300獲得的多幅三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)， 得到人體完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0010] S500、人體三維建模：根據(jù)步驟S400得到的人體完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立人體 完整的三維彩色模型。
[0011] 本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] (1)本發(fā)明方法通過向人體表面一次投射散斑圖像即可實(shí)現(xiàn)人體三維掃描，克服 了傳統(tǒng)多次投射結(jié)構(gòu)光柵的缺陷，消除了人體掃描時(shí)晃動(dòng)造成的誤差，實(shí)現(xiàn)了人體三維數(shù) 據(jù)的快速掃描。
[0013] (2)由于本發(fā)明方法能夠在2毫秒內(nèi)完成人體圖像數(shù)據(jù)的采集，可用于捕捉人體 運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)據(jù)。
[0014] (3)本發(fā)明方法能夠同時(shí)獲得人體三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)和彩色紋理數(shù)據(jù)。
[0015] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有人體掃描技術(shù)的缺陷和不足，通過向人體表面投影隨機(jī)散斑圖 案，采用多相機(jī)多角度拍攝人體圖像并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析和三維計(jì)算來實(shí)現(xiàn)人體三維數(shù)據(jù) 的快速掃描，并能夠避免人體三維掃描過程中由于身體晃動(dòng)造成的誤差。
【附圖說明】
[0016] 圖1本發(fā)明人體三維掃描流程圖；
[0017] 圖2本發(fā)明測(cè)量頭的三維設(shè)計(jì)圖；
[0018] 圖3本發(fā)明測(cè)量框架布置示意圖；
[0019] 圖4本發(fā)明投影的散斑圖案；
[0020] 圖5本發(fā)明采集的人體表面散斑圖像；
[0021] 圖6本發(fā)明人體三維點(diǎn)云重建示意圖；
[0022] 圖7本發(fā)明多幅點(diǎn)云配準(zhǔn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1的流程圖所述：本發(fā)明公開了一種數(shù)字散斑人體三維快 速掃描方法；
[0025] 所述方法包括以下步驟：
[0026] S100、多相機(jī)全局標(biāo)定：在測(cè)量視場(chǎng)中布置標(biāo)定板來標(biāo)定多個(gè)測(cè)量頭中相機(jī)的內(nèi) 部參數(shù)和外部參數(shù)；
[0027] S200、人體圖像快速采集：利用多個(gè)測(cè)量頭向人體表面的不同位置處投影隨機(jī)的 散斑圖案，并利用多個(gè)測(cè)量頭從不同角度同步采集人體圖像；
[0028] S300、人體三維點(diǎn)云重建：基于步驟S100、S200,對(duì)每個(gè)測(cè)量頭采集的人體圖像進(jìn) 行立體匹配和三維坐標(biāo)重建，得到多幅人體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0029] S400、多幅點(diǎn)云動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)：對(duì)步驟S300獲得的多幅三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)， 得到人體完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0030] S500、人體三維建模：根據(jù)步驟S400得到的人體完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立人體 完整的三維彩色模型。
[0031] 在本實(shí)施例中，多相機(jī)標(biāo)定屬于現(xiàn)有技術(shù)，作為示例，本實(shí)施例中采用文獻(xiàn)"大視 場(chǎng)多像機(jī)視頻測(cè)量系統(tǒng)的全局標(biāo)定"（胡浩，梁晉，唐正宗等.光學(xué)精密工程，2012)所提出 的多相機(jī)標(biāo)定方法。
[0032] 本發(fā)明采用測(cè)量頭的數(shù)量和布置位置的原則是：每個(gè)測(cè)量頭分別測(cè)量人體的一部 分，保證所有測(cè)量頭一起測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)人體整體的三維掃描。
[0033] 本實(shí)施例克服了現(xiàn)有人體掃描技術(shù)的缺陷和不足，通過向人體表面投影隨機(jī)散斑 圖案，采用多相機(jī)多角度拍攝人體圖像并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析和三維計(jì)算來實(shí)現(xiàn)人體三維數(shù) 據(jù)的快速掃描，并能夠避免人體三維掃描過程中由于身體晃動(dòng)造成的誤差。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示：所述測(cè)量頭包括：兩個(gè)黑白相機(jī)、一個(gè)散斑投影儀、 一個(gè)彩色相機(jī)和一個(gè)閃光燈；
[0035] 所述兩個(gè)黑白相機(jī)和彩色相機(jī)布置于一個(gè)平面，且兩個(gè)黑白相機(jī)分布在彩色相機(jī) 兩邊；
[0036] 所述散斑投影儀和閃光燈同樣分布在彩色相機(jī)兩邊，且位于彩色相機(jī)和黑白相機(jī) 之間；
[0037] 所述黑白相機(jī)和彩色相機(jī)用于拍攝人體圖像；所述散斑投影儀用于向人體表面投 影隨機(jī)的散斑圖案。
[0038] 在本實(shí)施例中，圖2所示的測(cè)量頭只是測(cè)量頭各組成部分的一種放置方式，所述 測(cè)量頭中的相機(jī)、散斑投影儀和閃光燈也可以為按其他合適的方式進(jìn)行放置，這里不做限 定。
[0039] 在本實(shí)施例中，所述散斑投影儀在投影時(shí)應(yīng)該注意：（1)投影的散斑圖案灰度要 均勻，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)閃光燈的亮度，不宜過亮或過暗；(2)散斑投影和圖像采集應(yīng)保 持同步；（3)所采集的人體表面散斑圖像應(yīng)清晰、灰度對(duì)比明顯。
[0040] 在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟SlOO中：
[0041] 所述標(biāo)定板正反面都均勻粘貼有環(huán)形的編碼標(biāo)志點(diǎn)和圓形的非編碼標(biāo)志點(diǎn)，所有 標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)已知；
[0042] 所述標(biāo)定板在多測(cè)量頭視場(chǎng)內(nèi)具有不同位姿；
[0043] 所述多測(cè)量頭具備同步拍攝標(biāo)定板不同姿態(tài)的標(biāo)定圖像的能力；
[0044] 對(duì)所述標(biāo)定圖像，利用工業(yè)攝影測(cè)量原理進(jìn)行計(jì)算，得到所有黑白相機(jī)和彩色相 機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。
[0045] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S200中的人體圖像包括每個(gè)測(cè)量頭采集的三張人體 圖像，所述三張人體圖像包括：兩個(gè)黑白相機(jī)拍攝的兩張灰度人體圖像，和彩色相機(jī)拍攝的 一張彩色人體圖像。
[0046] 在本實(shí)施例中，所述的人體圖像是通過計(jì)算機(jī)控制所有測(cè)量頭中的兩個(gè)黑白相機(jī) 和一個(gè)彩色相機(jī)同步進(jìn)行拍攝的。所述測(cè)量頭能在0. 002秒內(nèi)完成人體圖像采集。
[0047] 在本實(shí)施例中，采用10個(gè)測(cè)量頭的布置如圖3所示，通過5個(gè)掃描柱構(gòu)成人體全 身掃描的框架，每個(gè)掃描柱的上下兩個(gè)位置各安裝一個(gè)測(cè)量頭；另外，專門在人臉正前方布 置一個(gè)掃描柱，以用于人臉三維精細(xì)掃描。
[0048] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S300包括以下步驟：
[0049] S3001、利用數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)所述的兩張灰度人體圖像進(jìn)行立體匹配；
[0050] S3002、利用SlOO中得到的測(cè)量頭中相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)以及S3001中立 體匹配得到的結(jié)果，基于三角測(cè)量原理計(jì)算人體表面的三維坐標(biāo)，進(jìn)而得到一幅代表該測(cè) 量頭的人體不同部位的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0051] S3003、重復(fù)S3002,直到每個(gè)測(cè)量頭都得到一幅代表所述測(cè)量頭的人體不同部位 的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0052] 在