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：
本實用新型是一種真人頭像三維激光掃描儀，這是一項通過對真人頭像進行激光掃描，將所得信息在計算機內(nèi)進行數(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、計算機虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、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)上使用的三坐標測量儀屬于類似的產(chǎn)品。但三坐標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，因而至今未能實現(xiàn)普及應(yīng)用。最相近的對比文獻是1998年3月CYBERWARE公司在其站點(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，本實用新型以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準，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。光學成像系統(tǒng)位于CCD信號采集系統(tǒng)的前端，光學成像系統(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)與計算機相連，將信號送入計算機。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實現(xiàn)外同步。轉(zhuǎn)臺上裝有步進電機，由計算機控制步進電機驅(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)輸出對掃描儀的機械控制信號，同時將CCD送來的信號導(dǎo)入計算機，由三維物體生成軟件處理后生成三維文件，存于計算機中。
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，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，且粗細適當。
4、打開轉(zhuǎn)臺電機開關(guān)，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，計算機開始進行處理。
4.1、進行形體掃描即采集形狀信息時，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，計算機分別讀取兩個黑白CCD攝像頭的觀測結(jié)果，然后控制部進電機旋轉(zhuǎn)到下一角度，再進行讀取。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。這些過程由計算機控制。
4.2、進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行。由彩色CCD攝像頭進行掃描，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，即可進行諸如CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAM(計算機輔助制造)、三維動畫制作、計算機虛擬現(xiàn)實、計算機仿真等之類的三維工作了。
本實用新型的優(yōu)點與積極效果本實用新型適用性廣。通過激光掃描，并采用計算機控制操作和處理信息，保證了相當高的精度(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)中是完全獨立地以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準而非參照外國產(chǎn)品，因而實現(xiàn)了只需較低加工制造水平即可實施的方案，成本低廉。而國外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對機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。本實用新型可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、計算機虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、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)上裝有步進電機，由計算機控制步進電機驅(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、光學成像系統(tǒng)(5)位于CCD信號采集系統(tǒng)(6)的前端，光學成像系統(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)與計算機相連，將信號送入計算機。
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)上裝有步進電機，由計算機控制步進電機驅(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)。
專利摘要本實用新型是一種真人頭像三維激光掃描儀,這是一項用激光掃描對象,并用計算機進行數(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電一體化技術(shù)。本實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、光學成像后的激光信號,并轉(zhuǎn)換成電信號導(dǎo)入計算機,由軟件處理后生成三維信息文件。本實用新型可廣泛應(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