專利名稱:真人頭像三維激光掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型是一種真人頭像三維激光掃描儀,這是一項(xiàng)通過對真人頭像進(jìn)行激光掃描,將所得信息在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終得到頭像的形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù),它可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計算機(jī)仿真、廣告宣傳、影視制作、公安檔案管理等領(lǐng)域的三維信息采集。
目前真人頭像三維掃描技術(shù)在國內(nèi)還處在尚待起步狀態(tài),只有工業(yè)上使用的三坐標(biāo)測量儀屬于類似的產(chǎn)品。但三坐標(biāo)測量儀由于采用的是探測頭與物體接觸掃描,因而只能掃描那些表面比較平滑,質(zhì)地堅硬的物體,無法對真人頭像進(jìn)行掃描;而且速度慢,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對物體形狀要求較為嚴(yán)格,所以雖然具有精度高的優(yōu)勢,但仍然基本上只能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,對于其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵤┢饋黼y度較大。國外目前有少數(shù)幾家公司(如CYBERWARE,MODELMAKER,REPLICA,DIGIBOT,SURFACER等)從事此項(xiàng)生產(chǎn),但由于這幾家公司的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、價格、易用性等方面的原因,特別是價格過高,因而至今未能實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。最相近的對比文獻(xiàn)是1998年3月CYBERWARE公司在其站點(diǎn)(www.cyberware.com)上對其產(chǎn)品的介紹,但該產(chǎn)品的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,制造要求高。
為了解決上述問題,本實(shí)用新型以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn),旨在提出一種適用性廣、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的真人頭像三維掃描儀的設(shè)計。
以下結(jié)合附圖具體描述真人頭像三維激光掃描儀的設(shè)計方案本實(shí)用新型如圖1及圖2所示,由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD(電容耦合器)信號采集系統(tǒng)(6)、轉(zhuǎn)臺(8)和支架(9)組成。激光波前變換系統(tǒng)位于激光光源的前端,激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3),激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸、線形激光束與轉(zhuǎn)臺中心軸在同一平面上。光學(xué)成像系統(tǒng)位于CCD信號采集系統(tǒng)的前端,光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號采集系統(tǒng)的中心軸與轉(zhuǎn)臺的中心軸在同一平面上,反射的激光經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)和CCD信號采集系統(tǒng)后可以形成在CCD中看到的信號(7)。CCD信號采集系統(tǒng)由兩路黑白CCD攝像頭(6.1)和一路彩色CCD攝像頭(6.2)組成,各CCD攝像頭的中心軸與激光光源的光軸在同一個垂直于轉(zhuǎn)臺中心軸的平面上。兩路黑白CCD攝像頭分別連接在激光光源和激光波前變換系統(tǒng)的兩邊,這兩路黑白CCD攝像頭的中心軸與激光光源的光軸的夾角相等。支架裝于轉(zhuǎn)臺的下方,并垂直于轉(zhuǎn)臺的中心軸。通過連接架(10),支架的一端連接彩色CCD攝像頭,另一端連接由兩路黑白CCD攝像頭及激光光源、激光波前變換系統(tǒng)組成的連接體。CCD信號采集系統(tǒng)與計算機(jī)相連,將信號送入計算機(jī)。激光光源前裝有衰減裝置。激光波前變換系統(tǒng)由柱透鏡構(gòu)成。線形激光束寬度小于1.5毫米。CCD信號采集系統(tǒng)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片,該濾光片在對激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。CCD信號采集系統(tǒng)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)采用外同步CCD,與彩色CCD實(shí)現(xiàn)外同步。轉(zhuǎn)臺上裝有步進(jìn)電機(jī),由計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。由整體支架(11)支持整個系統(tǒng),整體支架末端與轉(zhuǎn)臺相連,可調(diào)節(jié)高低位置。轉(zhuǎn)臺的正下方放置座椅(12),掃描對象(4)坐在座椅中。如圖3所示的軟件部分處理流程,信號采集系統(tǒng)輸出對掃描儀的機(jī)械控制信號,同時將CCD送來的信號導(dǎo)入計算機(jī),由三維物體生成軟件處理后生成三維文件,存于計算機(jī)中。
真人頭像三維激光掃描儀的具體使用操作步驟如下1、打開計算機(jī),啟動掃描軟件。
2、掃描對象就坐座椅,調(diào)節(jié)整體支架,使轉(zhuǎn)臺下的激光光源的照射范圍覆蓋掃描對象的頭部,CCD、激光器的中心與待掃描者頭部的中心大體平行。
3、調(diào)節(jié)焦距,可在CCD中觀測到整個頭像,圖像清晰,位置正確。激光束高度合適,且粗細(xì)適當(dāng)。
4、打開轉(zhuǎn)臺電機(jī)開關(guān),轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺,計算機(jī)開始進(jìn)行處理。
4.1、進(jìn)行形體掃描即采集形狀信息時,轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周,計算機(jī)分別讀取兩個黑白CCD攝像頭的觀測結(jié)果,然后控制部進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到下一角度,再進(jìn)行讀取。這些信息經(jīng)軟件處理后即可得到頭像的三維形狀信息,并以文件的形式存儲在硬盤上。這些過程由計算機(jī)控制。
4.2、進(jìn)行色彩掃描即采集彩色信息時,需打開照明系統(tǒng),掃描過程與形體掃描可同時進(jìn)行。由彩色CCD攝像頭進(jìn)行掃描,讀取的是物體表面的色彩信息。經(jīng)軟件處理即可得到頭像表面的色彩信息。
5、在各種三維軟件中,打開前面得到的頭像形體信息或表面貼圖信息,即可進(jìn)行諸如CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)、CAM(計算機(jī)輔助制造)、三維動畫制作、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計算機(jī)仿真等之類的三維工作了。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與積極效果本實(shí)用新型適用性廣。通過激光掃描,并采用計算機(jī)控制操作和處理信息,保證了相當(dāng)高的精度(優(yōu)于1.0毫米)。大部分的調(diào)節(jié)和步驟由計算機(jī)完成,操作原理簡單,對操作者要求寬松。由于在開發(fā)中是完全獨(dú)立地以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn)而非參照外國產(chǎn)品,因而實(shí)現(xiàn)了只需較低加工制造水平即可實(shí)施的方案,成本低廉。而國外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對機(jī)械加工的要求往往很高,因而價格極高,與本發(fā)明相比約高出10倍之多。本實(shí)用新型可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計算機(jī)仿真、廣告宣傳、影視制作、公安檔案管理等領(lǐng)域的真人頭像三維信息采集。
圖1是真人頭像三維激光掃描儀原理圖1-激光光源 2-激光波前變換系統(tǒng)3-線形激光束4-掃描對象5-光學(xué)成像系統(tǒng) 6-CCD信號采集系統(tǒng)7-在CCD中看到的信號圖2是真人頭像三維激光掃描儀結(jié)構(gòu)圖1-激光光源 2-激光波前變換系統(tǒng)5-光學(xué)成像系統(tǒng) 6-CCD信號采集系統(tǒng)6.1-黑白CCD攝像頭 6.2-彩色CCD攝像頭8-轉(zhuǎn)臺 9-支架10-連接架 11-整體支架
12-座椅圖3是軟件處理框圖。
下面結(jié)合前述的操作步驟說明最佳實(shí)施例如下激光光源(1)采用633nm的He-Ne激光器。激光光源前裝有衰減裝置。激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成。線形激光束(3)寬度小于1.5毫米。CCD信號采集系統(tǒng)(6)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片,該濾光片在對激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。轉(zhuǎn)臺(8)上裝有步進(jìn)電機(jī),由計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。由整體支架(11)支持整個系統(tǒng),整體支架末端與轉(zhuǎn)臺(8)相連,可調(diào)節(jié)高低位置。轉(zhuǎn)臺的正下方放置座椅(12),待掃描者可以坐在座椅上接受激光掃描。
權(quán)利要求1.一種真人頭像三維激光掃描儀,由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD信號采集系統(tǒng)(6)、轉(zhuǎn)臺(8)和支架(9)組成,其特征是1.1、激光波前變換系統(tǒng)(2)位于激光光源(1)的前端,激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3),激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸、線形激光束與轉(zhuǎn)臺(8)中心軸在同一平面上;1.2、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)位于CCD信號采集系統(tǒng)(6)的前端,光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號采集系統(tǒng)的中心軸與轉(zhuǎn)臺(8)的中心軸在同一平面上;1.3、CCD信號采集系統(tǒng)(6)由兩路黑白CCD攝像頭(6.1)和一路彩色CCD攝像頭(6.2)組成,各CCD攝像頭的中心軸與激光光源(1)的光軸在同一個垂直于轉(zhuǎn)臺(8)中心軸的平面上;1.4、兩路黑白CCD攝像頭(6.1)分別連接在激光光源(1)和激光波前變換系統(tǒng)(2)的兩邊,這兩路黑白CCD攝像頭的中心軸與激光光源的光軸的夾角相等;1.5、支架(9)裝于轉(zhuǎn)臺(8)的下方,并垂直于轉(zhuǎn)臺的中心軸;1.6、通過連接架(10),支架(9)的一端連接彩色CCD攝像頭(6.2),另一端連接由兩路黑白CCD攝像頭(6.1)及激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)組成的連接體;1.7、CCD信號采集系統(tǒng)(6)與計算機(jī)相連,將信號送入計算機(jī)。
2.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是激光光源(1)前裝有衰減裝置。
3.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是線形激光束(3)寬度小于1.5毫米。
5.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是CCD信號采集系統(tǒng)(6)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片,該濾光片在對激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。
6.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是CCD信號采集系統(tǒng)(6)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)采用外同步CCD,與彩色CCD實(shí)現(xiàn)外同步。
7.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是轉(zhuǎn)臺(8)上裝有步進(jìn)電機(jī),由計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。
8.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。
9.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是由整體支架(11)支持整個系統(tǒng),整體支架末端與轉(zhuǎn)臺(8)相連,可調(diào)節(jié)高低位置。
10.按照權(quán)利要求1所述的真人頭像三維激光掃描儀,其特征是轉(zhuǎn)臺的正下方放置座椅(12)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種真人頭像三維激光掃描儀,這是一項(xiàng)用激光掃描對象,并用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終得到頭像形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù)。本實(shí)用新型采用波前變換系統(tǒng)將激光源發(fā)出的激光變成線形激光束掃描對象,用CCD(電容耦合器)采集經(jīng)反射、光學(xué)成像后的激光信號,并轉(zhuǎn)換成電信號導(dǎo)入計算機(jī),由軟件處理后生成三維信息文件。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于影視制作、廣告宣傳、三維動畫制作等領(lǐng)域。
文檔編號G03C9/00GK2382044SQ9820492
公開日2000年6月7日 申請日期1998年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者張明, 李新章, 陳旭 申請人:北京大學(xué)