專利名稱:輕便的非接觸式三維數(shù)據(jù)掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及電子儀器數(shù)據(jù)測量領(lǐng)域,特別是采用非接觸式的光電測量方式測度人體頭部或花瓶,雕塑等物件的三維數(shù)據(jù)掃描器。
在立體人物塑像工業(yè)領(lǐng)域中,例如制作領(lǐng)袖人物的塑像,英雄人物的塑像,名人的半身塑像,以至朋友中家庭中想給某個家庭成員或朋友訂做一個金屬的例如銅的,銀的頭像雕像,半身雕像等等,在這方面,最難制造的就是人的頭部,傳統(tǒng)上,制作人物頭部的雕像需要高水平的藝人,頭部雕像的質(zhì)量極為依賴于藝人在復(fù)制人的頭部雕像的復(fù)雜過程中的技藝。
通常雕像的幾何形狀主要是基于二維的參考資料例如照片,畫片或肖像。結(jié)果,雕像制品的精確度還要依賴于能否得到可充分體現(xiàn)人的幾何形狀的三維數(shù)據(jù)資料,而要精確地進(jìn)行人體頭部雕像的工業(yè)制造,就要對人的頭部作精確的三維測量,過去,有許多可能的方法和裝置去量度三維物體,方法方面主要有兩類,機械的接觸型和光學(xué)的非接觸型,接觸型方法采用各類的機械探針和感應(yīng)器直接度測被測物的尺寸,以及在被測物上噴涂一層物質(zhì)后再進(jìn)行量度等,此法不適用于軟的和不定形的被測物,例如人;非接觸型方法有些是在暗室中進(jìn)行的,應(yīng)用有限制,過去的另一些非接觸型方法主要設(shè)計為適用于無生命的物體,而并非是為測量人而設(shè)計的,它獲取被測物體數(shù)據(jù)的速度太低,這又影響了所獲取的資料的一致性和可信賴性。
而且,由于形狀的復(fù)雜性,采用以往的非接觸型掃描器用于人的頭部的度量會造成很大的畸變,畸變主要是由于人的面部的特征部分例如鼻子和下巴的陰影成影及測量不到,測量不完全造成的。
因此,用于雕像制作方面的一種輕便的,非接觸式的,精確而低畸變的,適用于一般物件,而又特別適用于人體頭部的三維數(shù)據(jù)攝取的儀器是十分需要的。
本實用新型的主要目的在于提供一種裝置,依靠此裝置,物件的三維幾何形狀,特別是任何人體的頭部,包括面部和脖子,能夠被精確地測得,并能被以數(shù)據(jù)資料方式持久地存貯,為雕塑等用途所使用,而且,裝置要簡單輕便,便于攜帶。
實現(xiàn)本實用新型的技術(shù)方案是,該裝置主要包括有旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3),即利用輕便材料制成一個旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),它受電腦(3)控制,其旋轉(zhuǎn)部分能繞預(yù)定位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn),將被測物安置在該預(yù)定位置上,利用一個安裝在旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)上的掃描組件(2),向被測物發(fā)出可見光激光光線并對包含了被測物外形的信息的反射光線進(jìn)行收集和光電轉(zhuǎn)換,將信息送至電腦(3)進(jìn)行圖像信息處理,得出被測物的形狀坐標(biāo)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可被隨時顯示及打印出來,旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)和掃描組件(2)結(jié)構(gòu)簡單輕便,便于攜帶,此裝置特別適用于測量人的頭部,這樣就實現(xiàn)了本實用新型的目的。
本實用新型用如下附圖進(jìn)行說明
圖1是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的主要構(gòu)成部分的一個實施例簡圖;圖2是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的構(gòu)成的立體圖和相關(guān)工作環(huán)境說明圖;圖3是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的主要結(jié)構(gòu)關(guān)系說明簡圖;圖4是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的掃描組件(2)的結(jié)構(gòu),位置設(shè)置和光路的說明圖;圖5是圖4中掃描組件(2)的各部件的相對位置說明圖;圖6是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的掃描范圍說明圖;圖7是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的傾斜度調(diào)整機構(gòu)說明圖。
以下結(jié)合附圖,對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參閱圖1,圖1給出了本實用新型的三維數(shù)據(jù)掃描器的一個主要結(jié)構(gòu)組成和工作狀態(tài)的簡要說明圖,本掃描器的構(gòu)成包括有旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3)。圖中給出了一個坐著的人,掃描組件(2)對著該人的頭部正進(jìn)行測量作業(yè),然后將測到的圖像轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)信號通過數(shù)據(jù)傳輸線即時傳給電腦(3),如圖1中所示,旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)包括一個一端固定在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件上固定不動的支架(1-1),要求輕便和有足夠的強度,可用輕金屬如鋁合金或薄的型鋼等制造,其結(jié)構(gòu)要牢固,圖中所示支架(1-1)是三角形的牢固結(jié)構(gòu),安裝在一個固定物例如桌子的邊沿上,馬達(dá)機構(gòu)(1-2)設(shè)置在支架(1-1)上,旋轉(zhuǎn)臂設(shè)置在支架(1-1)的頂端,旋轉(zhuǎn)部分是由一個馬達(dá)機構(gòu)(1-2)帶動其旋轉(zhuǎn)臂(1-3)繞一預(yù)定位置,例如是人坐在那里的位置,進(jìn)行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度的控制可以用各種方式,利用定位的電器接點,或利用安裝在附設(shè)在馬達(dá)機構(gòu)(1-2)上的測位傳感器單元來監(jiān)測旋轉(zhuǎn)角度;向電腦(3)傳輸旋轉(zhuǎn)角位置信號,由電腦(3)按預(yù)定程序控制馬達(dá)機構(gòu)(1-2)的運轉(zhuǎn),從而控制了旋轉(zhuǎn)臂(1-3)的旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)臂(1-3)的外端承載有掃描組件,掃描組件(2)設(shè)置并固定在旋轉(zhuǎn)臂(1-3)外端的吊臂下,由旋轉(zhuǎn)臂(1-3)帶著,繞預(yù)定位置旋轉(zhuǎn),圖中即繞人的頭部旋轉(zhuǎn),在旋轉(zhuǎn)的同時,掃描組件(2)進(jìn)測量作業(yè),其光源向被測物件進(jìn)行掃描,所反射的含有被測物件形狀的光線經(jīng)光路被光學(xué)傳感器(2-3)所收集,并將收集的光線轉(zhuǎn)換為電信號,傳輸給電腦(3),電腦(3)可以采用任何普通電腦,通過數(shù)據(jù)傳輸線與旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)和掃描組件(2)相連接,按預(yù)定程序?qū)D(zhuǎn)動和掃描作業(yè)進(jìn)行控制和協(xié)調(diào),以及接收掃描組件(2)輸入的被測物件表面形狀的信息,進(jìn)行圖像信息處理,確定被測物的表面上的點的坐標(biāo),并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲,一維及三維數(shù)據(jù)及圖像的顯示,以及打印數(shù)據(jù)等。
參閱圖2,圖2是本實用新型的又一實施例的外觀圖,從圖2中比圖1更直觀地看到了本實用新型掃描器的各部分構(gòu)成,即包括有旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3),旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)的支架固定在桌邊上,電腦(3)及其打印機放置在桌面上,兩把椅子,靠近電腦(3)的椅子是操作電腦(3)的人的坐椅,另一椅子即是預(yù)定位置,由被測的人坐在那里,坐在椅子上,掃描組件(2)工作時,繞著坐在椅子上的人旋轉(zhuǎn),攝取在每一測量位置時的人的圖像(頭像)的數(shù)據(jù)。
參閱圖3,圖3是本實用新型非接觸式三維數(shù)據(jù)掃描器的主要結(jié)構(gòu)關(guān)系的說明簡圖,用以說明各主要特征部分,以及說明有關(guān)的聯(lián)系。從圖中可以看到,本掃描器由三部分構(gòu)成,即旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3),雖然圖中只給出了三個部分中每部分的主要特征構(gòu)成,但在本說明書的文字說明中仍結(jié)合前后內(nèi)容作詳細(xì)說明。旋轉(zhuǎn)架機構(gòu)(1)中包括有架(1-1),馬達(dá)機構(gòu)(1-2),旋轉(zhuǎn)臂(1-3),其中,支架(1-1)是固定不動的支持支架,馬達(dá)機構(gòu)(1-2),由馬達(dá)和皮帶輪,齒輪等構(gòu)成,用于操縱和控制旋轉(zhuǎn)臂(1-3)的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)狀況,旋轉(zhuǎn)臂(1-3)攜帶著固定其上的掃描組件(2)繞預(yù)定位置,即繞放置在預(yù)定位置上的物件或坐著的人旋轉(zhuǎn),使掃描組件(2)攝錄或測下被測物件或被測人的頭部的外形幾何形狀和相應(yīng)尺寸,并隨時將掃描得到的信息傳給電腦(3),由電腦(3)對旋轉(zhuǎn)位置按預(yù)定程序進(jìn)行監(jiān)控,和對圖像信息進(jìn)行處理。
支架(1-1)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造考慮了人類工程學(xué)的要求,整個旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)的構(gòu)架是用輕便的結(jié)實的材料制成,如鋼,不銹鋼,鋁鋁合金型材,工程塑料等,結(jié)構(gòu)是輕便型的,容易裝配和攜帶的。
馬達(dá)機構(gòu)(1-2)可以是穩(wěn)定速度的,也可以是可變速的,動力線通過支架(1-1)中間接到電源上。
掃描組件(2)包括有光源(2-1),反射鏡組(2-2),光學(xué)傳感器(2-3),濾光片(2-4)和傾斜度調(diào)整機構(gòu)等,其中,光源(2-1)可以是可調(diào)焦的可見光激光光線產(chǎn)生器,其構(gòu)造是一帶有圓筒形透鏡的激光二極管,置于掃描組件(2)的框架上的一個適當(dāng)位置上,反射鏡組(2-2)是由三片平面反射鏡構(gòu)成,用于將由光源(2-1)發(fā)出,投射到被測物表面后反射回的光線再反射到光學(xué)傳感器(2-3)中,三片平面反射鏡的位置的設(shè)置是根據(jù)使掃描組件(2)總尺寸達(dá)到或接近最小的原則來設(shè)置的,后面的附圖給出了具體設(shè)置情況的實施例。
光學(xué)傳感器(2-3)用來收集反射的圖像信號,該信號包含了被測物件表面幾何形狀的像素和相對位置的信息。光學(xué)傳感器(2-3)可以是各種光電攝取技術(shù)器件,如CCD,COMS等攝像機光學(xué)傳感器之類,即各類攝像機的鏡頭部分,它能將光信號圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號,并傳輸給電腦(3)。
為了減小像差和畸變,在光學(xué)傳感器(2-3)之前加有濾光片(2-4),它是一個窄帶濾波器,只允許與光源相近的頻率的光波通過,用以濾去周圍環(huán)境光線的影響。
為了減小像差和畸變,在光學(xué)傳感器(2-3)下設(shè)置了傾斜度調(diào)整機構(gòu),它可以是一個小馬達(dá),例如伺服馬達(dá),直接帶動,或經(jīng)馬達(dá)和部分齒輪帶動,或由人手進(jìn)行角度調(diào)整,為的是通過傾斜度的變化,使光學(xué)傳感器(2-3)能收到被測人的鼻孔,下巴的側(cè)面后面的圖像信號,區(qū)別陰影,從而使數(shù)據(jù)更全面和正確,從而減少或消除由此而產(chǎn)生的畸變。
電腦(3)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,圖像處理,存貯,顯示,打印方面的操作,及對旋轉(zhuǎn)框架(1)和掃描組件(2)的相關(guān)機構(gòu)和單元按預(yù)定程序進(jìn)行控制的操作,主要包括有專門的圖像接收和處理單元(3-1),用于接收光學(xué)傳感器(2-3)傳來的圖像信息,并把這些信息進(jìn)行圖像信息處理,以確定被測物的表面上的點的坐標(biāo),以及將有關(guān)旋轉(zhuǎn)和掃描位置信息傳輸給定位控制單元(3-6),圖像數(shù)據(jù)處理后,則有數(shù)據(jù)存貯單元(3-3)將測量結(jié)果的圖形外形形狀坐標(biāo)進(jìn)行存貯,在顯示器(3-4)上進(jìn)行顯示,在打印機(3-5)上進(jìn)行打印輸出,特別是電腦(3)中還設(shè)置有定位控制單元(3-6)和運動控制單元(3-7),單元中都內(nèi)置預(yù)定程序,根據(jù)收到的信息,按預(yù)定程序發(fā)出控制信號進(jìn)行控制操作,使旋轉(zhuǎn)位置與掃描作業(yè)相協(xié)調(diào),由電腦(3)據(jù)此使掃描組件(2)在此位置進(jìn)行同步地相應(yīng)的圖像的測量和反射光即圖像像素的捕捉操作,使被測物件每一外形形狀和其具體位置角度相對應(yīng)。
參閱圖4,圖4是本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的掃描組件(2)的結(jié)構(gòu),位置設(shè)置和光路的說明圖。圖中,掃描組件(2)被置于一個儀器殼中,光源(2-1)發(fā)出可見光的激光紅外光,至被測物件表面,然后反射到反射鏡組(2)的三塊平面反射鏡(2-2)上,被連續(xù)近距離反射,三塊平面反射鏡的這種近距離設(shè)置,為的是改變反射光的方向,使光學(xué)傳感器(2-3)易于收集反射光和減小整個掃描組件(2)的結(jié)構(gòu)尺寸,使總尺寸達(dá)到或接近最小,濾光片(2-4)設(shè)置在光學(xué)傳感器(2-3)的前面,圖中未能顯示傾斜度調(diào)整機構(gòu),但其位置是固定在光學(xué)傳感器(2-3)下面,能帶動其傾斜。本圖中清楚地說明了光的發(fā)射至接收過程的路徑,由光學(xué)傳感器(2-3)收到的圖像信息,經(jīng)其自身轉(zhuǎn)換為電信號后,經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線等傳輸給電腦(3)。
參閱圖5,圖5中采用了建立坐標(biāo)系標(biāo)注坐標(biāo)和角度方式說明了掃描組件(2)中各個部件的相對位置,采用掃描組件(2)外殼的上邊和左邊分別做為坐標(biāo)系平面的成直角的x軸和y軸交叉點,圖中向右、向下、分別為x軸、y軸的正方向尺寸,采用相對單位,光源射出的光線的方向與x軸平行,光源(2-1)的中心位置坐標(biāo)為(15,9),括號中前面數(shù)字是x坐標(biāo),后面是y坐標(biāo),在此尺度下,三塊反射鏡組成的反射鏡組(2-2),其每一平面反射鏡的中心位置坐標(biāo)分別是鏡(2-2-1)為(46,52),鏡(2-2-2)為(35,17),鏡(2-2-3)為(18,60),裝在光學(xué)傳感器(2-3)之前的濾光片(2-4)的中心位置坐標(biāo)是(23,62),各反射鏡及光學(xué)傳感器的安裝角度分別以鏡面平面及光學(xué)傳感器軸線與y軸正方向的夾角確定,鏡(2-2-1)的安裝角是70度左右,鏡(2-2-2)的安裝角是90度,即,與y軸垂直,與x軸平行,鏡(2-2-3)的安裝角是約25度,光學(xué)傳感器(2-3)連同其濾光片(2-4)的安裝角是70度左右,坐標(biāo)和安裝角確定了各部件位置,實際尺寸可按這種相對尺寸比例擴大,一個推薦的尺寸是將圖中的1個單位代表3毫米時,鏡(2-2-3)的位置就是(1 8×3毫米,60×3毫米),即(54毫米,180毫米),也可選用其它實際尺寸,余類推。掃描組件(2)中的各個部件的相對位置的設(shè)置不是唯一的,但本實施例的設(shè)置位置和角度是特別選取的,可使整個掃描組件(2)的尺寸很小,使掃描組件輕便小巧,便于安裝和搬運及攜帶。
參閱圖6,圖6著重說明掃描組件(2)的掃描范圍,圖中的陰影范圍就是掃描范圍,可達(dá)270度甚至360度,通常,270度的掃描范圍已經(jīng)足夠,頭部后邊的部分由耳后過渡過去,就已經(jīng)很準(zhǔn)確,特別需要的時候,以及掃描其它不規(guī)則的物件時,掃描范圍可調(diào)整至繞被測物件整整一周,這樣,所采集到的數(shù)據(jù)非常全面和可靠,可以減少由于數(shù)據(jù)不全成造成的不準(zhǔn)確。
本實用新型的實驗實測數(shù)據(jù)給出,通常,完成一次單方向掃描270°或360°只要半分鐘,一個往返即雙向繞被測物掃描也只要1分鐘,即半分鐘最多一分鐘即可以完成掃描作業(yè),掃描作業(yè)時間可以根據(jù)情況作出標(biāo)準(zhǔn)化。
參閱圖7,圖7所示是傾斜度調(diào)整機構(gòu)配合光學(xué)傳感器(2-3)工作的情形,該傾斜度以傾斜角φ角表示,是水平線與其軸線的夾角,φ最初調(diào)在水平線向上10度,其角度可由電腦(3)控制和調(diào)整,也可以由人手調(diào)整,為使所有位置都被考慮到而使φ角度被相應(yīng)調(diào)整,以減少生成的像的畸變。
本實用新型三維數(shù)據(jù)掃描器的結(jié)構(gòu)可以系列化和標(biāo)準(zhǔn)化,由于結(jié)構(gòu)簡單,它可以容易地用簡單的手工工具裝配和拆卸開,這些構(gòu)件即旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)和掃描組件(2)可以包裝在一個尺寸不大的箱子里,因此,本掃描器是便攜式的,可在任何地方安設(shè),雖然也有別種的掃描器,但都大而笨重,不便攜帶,不便運輸,本實用新型的結(jié)構(gòu)優(yōu)良得多。本實用新型的實施,會給用各種金屬例如金,銀,銅等以及用合成樹脂,纖維樹脂,工程塑料等雕塑人像工業(yè)提供一個極為有用和便利的工具。它不但特別適用于人的頭部的外形量度,任何三維物件,只要外形尺寸允許,都可以用本實用新型的掃描器進(jìn)行外形量度,使本儀器的適用范圍擴大。
權(quán)利要求1.一種非接觸式三維數(shù)據(jù)掃描器,用于量度三維物件的外形形狀,特別是用于量度任何人的頭部(面部和頸部)的外形,以用于雕像制造工業(yè),主要包括有旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3)其特征是旋轉(zhuǎn)框架結(jié)構(gòu)(1),一端固定在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,作為支架,它的旋轉(zhuǎn)臂圍繞預(yù)定位置旋轉(zhuǎn),其外端承載有掃描組件(2),掃描組件(2),被設(shè)置在旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)端上,其光源向被測物件進(jìn)行掃描,所反射的含有被測物件形狀的光線經(jīng)光路被光學(xué)傳感器(2-3)所收集,并將收集到的光線轉(zhuǎn)換為電信號,傳輸給電腦(3)進(jìn)行圖像信號處理。
2.如權(quán)利要求1所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)主要包括有支架(1-1),馬達(dá)機構(gòu)(1-2),旋轉(zhuǎn)臂(1-3),馬達(dá)機構(gòu)設(shè)置在支架(1-1)上,旋轉(zhuǎn)臂設(shè)置在支架(1-1)的頂端,在馬達(dá)機構(gòu)(1-2)帶動下,旋轉(zhuǎn)臂(1-3)繞預(yù)定位置轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求2所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)的支架(1-1)和旋轉(zhuǎn)臂(1-3)是用鋁合金型材或工程塑料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述掃描組件(2)主要包括有光源(2-1),反射鏡組(2-2),光學(xué)傳感器(2-3),濾光片(2-4)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述掃描組件的光源(2-1)是可調(diào)焦的可見光激光二極管光線產(chǎn)生器。
6.如權(quán)利要求4所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述反射鏡組(2-2)由三片平面反射鏡構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述反射鏡組(2-2)在以邊框為xy坐標(biāo)系下,其三片平面反射鏡的布設(shè)是相對坐標(biāo)和對y軸夾角為鏡(2-2-1)為(46,52)和70度,鏡(2-2-2)為(35,17)和90度,鏡(2-2-3)為(18,60)和25度,此時設(shè)定的光源(2-1)的中心坐標(biāo)為(15,9),與y軸夾角為90度,濾光片(2-4)的中心從標(biāo)是(23,62),軸線與y軸夾角約70度。
8.如權(quán)利要求7所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述掃描組件(2)的比例尺可采用1單位等于3毫米的實際尺寸。
9.如權(quán)利要求3所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述濾光片(2-4)是一個窄帶濾波器,只允許與光源相近的頻率的光波通過,以濾去及減少周圍環(huán)境光線的影響。
10.如權(quán)利要求3所述的三維數(shù)據(jù)掃描器,其特征在于,所述光學(xué)傳感器(2-3)可以是各種光電攝像技術(shù)器件,各種CCD,CMOS光學(xué)傳感器,各種攝錄機的鏡頭。
專利摘要一非接觸式三維數(shù)據(jù)掃描器,主要用于三維物件特別是人的頭部雕像制作工業(yè)中外貌的量度,它包括有旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1),掃描組件(2)和電腦(3),旋轉(zhuǎn)框架機構(gòu)(1)由支架固定,馬達(dá)機構(gòu)(1—2)帶動載有掃描組件(2)的旋轉(zhuǎn)臂(1—3)繞被測物旋轉(zhuǎn),掃描組件(2)發(fā)光照到被測物表面,反射光被收集,由電腦(3)進(jìn)行輸入和圖像信號處理及存貯等,該掃描器輕便,方便攜帶和運輸,對雕像工業(yè)極為有用。
文檔編號G01B21/20GK2342354SQ9821642
公開日1999年10月6日 申請日期1998年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月4日
發(fā)明者呂新榮, 李利民, 陳志誠, 鐘志強 申請人:香港生產(chǎn)力促進(jìn)局