CN106570932B - 基于图像的人体头部三维数据采集系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的人体头部三维数据采集系统及其方法；该三维数据采集系统包括图像采集装置、拍摄平台以及用于调整图像采集装置相对于拍摄平台位置的位置调节装置；所述的位置调节装置，包括环形轨道、能够进行三维调节的辅助拍摄支架；拍摄平台处于环形轨道的中心位置处，辅助拍摄支架可移动地安装在环形轨道上，而图像采集装置则安装在辅助拍摄支架上；所述图像采集装置，在辅助拍摄支架的三维调节下，能够使得位于拍摄平台上的人体的头部，始终处于图像采集装置的拍摄视域内；辅助拍摄支架沿着环形轨道的移动，能够实现图像采集装置对位于拍摄平台上的人体的头部进行360°图像采集。由此可知，本发明结构简单，易操作，成本低。

Description

基于图像的人体头部三维数据采集系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像的人体头部三维数据采集系统及其方法，属于计算机图形学和计算机视觉技术领域。

背景技术

基于图像的三维建模是当前计算机视觉、计算机图形学等学科领域的热点研究问题。

传统三维扫激光描仪、结构光扫描仪可以精确捕获物体表面的三维几何信息，但这类设备一般结构复杂、不易操作且价格昂贵。传统的基于多视角视频序列获取精确的三维模型，采集时间短，但普遍需要搭建相机阵列，成本较高。单一图像建模时间短、精度高，但它需要相应的数据库作为先验知识对模型进行约束，没有先验知识，只凭单张图像来进行三维重建无法实现。

发明内容

发明目的：为了克服上述存在的问题，本发明提供了一种基于图像的人体头部三维数据采集系统及其方法。

为克服上述的技术问题，本发明将采取如下的技术方案：

一种基于图像的人体头部三维数据采集系统，包括图像采集装置、拍摄平台以及用于调整图像采集装置相对于拍摄平台位置的位置调节装置；所述的位置调节装置，包括环形轨道、能够进行三维调节的辅助拍摄支架；拍摄平台处于环形轨道的中心位置处，辅助拍摄支架可移动地安装在环形轨道上，而图像采集装置则安装在辅助拍摄支架上；所述图像采集装置，在辅助拍摄支架的三维调节下，能够使得位于拍摄平台上的人体的头部，始终处于图像采集装置的拍摄视域内；辅助拍摄支架沿着环形轨道的移动，能够实现图像采集装置对位于拍摄平台上的人体的头部进行360°图像采集。

所述辅助拍摄支架固定安装在平板小车上，该平板小车可移动地安装在环形轨道上。

所述的辅助拍摄支架包括基座、相机云台以及能够调整相机云台三维位置的三维调节机构；所述的三维调节机构包括Z向平移机构以及XY平面内旋转驱动机构；所述XY平面内旋转驱动机构的动力输出端与相机云台固定，且XY平面内旋转驱动机构安装在Z向平移机构的动力输出端，而Z向平移机构则安装在基座上；图像采集装置安装在相机云台上，相机云台在XY平面内旋转驱动机构的驱动下，能够做XY平面内的旋转运动，而XY平面内旋转驱动机构在Z向平移机构的驱动下，能够做垂直于XY平面的Z向平移运动，进而带动相机云台做垂直于XY平面的Z向平移运动。

所述Z向平移机构包括滚轴丝杆、连接杆以及驱动电机；滚轴丝杆为两根，相互平行地安装在基座上，并分别与驱动电机的动力输出端连接；连接杆位于两根滚轴丝杆之间，且连接杆的两端均通过直线轴承与相邻的一根滚轴丝杆可移动连接；所述的XY平面内旋转驱动机构，包括旋转臂，旋转臂的一端与相机云台连接，另一端垂直穿过连接杆后，与操作把手连接，且旋转臂通过紧固旋钮与连接杆固紧。

所述平板小车通过小车运动控制器进行运动情况控制；所述的小车运动控制器，能够针对于相机处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标的各状态，对应预设平板小车间歇运动的周期及图像采集运动的时间。

所述辅助拍摄支架通过辅助控制器进行三维调节；所述辅助控制器，用于调整相机相对于端坐在拍摄平台上的人体的头部的拍摄角度，使得相机能够分别处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标。

所述图像采集装置包括相机以及用于控制相机的拍摄间隔和拍照数量的定时快门遥控器。

在拍摄平台周围均布有3个以上的补光灯；补光灯与拍摄平台中心位置处的水平距离为2.5米，而补光灯相对于拍摄平台水平面的倾角为45°。

本发明的另一技术目的是提供一种基于图像的人体头部三维数据采集系统，包括相机、拍摄平台、环形轨道、平板小车、辅助拍摄支架、小车运动控制器、定时快门遥控器、补光灯以及计算机；辅助拍摄支架包括基座、辅助控制器、驱动电机、滚轴丝杆、直线轴承、连接杆、旋转臂、紧固螺栓以及相机云台；其中：相机通过数据线与计算机连接，且计算机内安装有用于处理相机传输来的图片信息的图像建模配套软件；拍摄平台处于环形轨道的中心位置处，辅助拍摄支架的基座固定安装在平板小车上，而平板小车可移动地安装在环形轨道上；相机固定安装在辅助拍摄支架的相机云台上；辅助拍摄支架中，滚轴丝杆为两根，相互平行地安装在基座上，并分别与驱动电机的动力输出端连接；连接杆位于两根滚轴丝杆之间，且连接杆的两端均通过直线轴承与相邻的一根滚轴丝杆可移动连接；旋转臂的一端与相机云台连接，另一端垂直穿过连接杆后，与操作把手连接，且旋转臂通过紧固旋钮与连接杆固紧；所述的平板小车与小车运动控制器连接；驱动电机与辅助控制器，相机与定时快门遥控器；所述辅助控制器，用于调整相机相对于端坐在拍摄平台上的人体的头部的拍摄角度，使得相机能够分别处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标；所述小车运动控制器，能够针对于相机处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标的各状态，对应预设平板小车间歇运动的周期及图像采集运动的时间；所述定时快门遥控器，能够预设相机的拍照间隔和拍照数量；驱动电机在辅助控制器的控制下，驱动滚轴丝杆带动连接杆平动，达到预设的相机拍摄角度要求；平板小车在小车运动控制器的控制下沿着环形轨道运动；相机在定时快门遥控器的控制下，按照定时快门遥控器预设的拍照间隔和拍照数量，对端坐在拍摄平台上的人体的头部进行拍摄。

本发明的再一个技术目的，是通过一种基于图像的人体头部三维数据采集方法，利用了上述的基于图像的人体头部三维数据采集系统，包括以下步骤：步骤一：调节旋转臂，使相机平视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t1和采集数量n1，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及平视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；步骤二：调节旋转臂，使相机俯视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t2和采集数量n2，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及俯视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；步骤三：调节旋转臂，使相机仰视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置仰视的采集间隔t3和采集数量n3，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及平视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；步骤四：结合建模目标特点，通过手动移动平板小车相机与辅助控制器相结合，使相机运动到合适位置，对建模目标进行局部重要特征图像采集；上述各步骤中提及的建模目标，为端坐在拍摄平台上的人体的头部。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明仅需一台相机，成本远小于扫描仪和阵列相机。建模过程只需通过辅助拍摄支架调节相机的高度和角度，便可以通过定时快门遥控器和平板小车运动控制器快速稳定地完成序列图像的采集，不需要搭建复杂结构系统，也不需要建立人体头部模型数据库。通过图像建模配套软件进行批量处理，快速获取高精度三维模型，不需要后续处理。本发明结构简单，易操作，成本低。

附图说明

图1为一种基于图像的人体头部三维数据采集方法流程图；

图2为人体头部三维数据采集系统结构示意图；

图3为平板小车及辅助拍摄支架的结构示意图；

图中标号：1、相机；2、拍摄平台；3、环形轨道；4、平板小车；5、辅助拍摄支架；6、补光灯；7、计算机；8、基座；9、滚轴丝杠；10、直线轴承；11、连接杆；12、旋转臂；13、紧固旋钮；14、相机云台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置。表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

下面结合附图1到附图3对本发明作详细说明。

如图2、图3所示，基于图像的人体头部三维数据采集系统，包括采集图像的相机1、拍摄平台2、环形轨道3、平板小车4、辅助拍摄支架5、平板小车运动控制器、定时快门遥控器、补光灯6以及计算机7，计算机安装图像建模配套软件，辅助拍摄支架包括：基座8、辅助控制器、电机、滚轴丝杠9、直线轴承10、连接杆11、旋转臂12、紧固旋钮13和相机云台14。

]如图2所示，环形轨道内直径为3m，拍摄平台位于环形轨道中心，拍摄平台高度为0.5m，图像采集过程中，目标人物端坐在拍摄平台上。平板小车车轮卡于环形轨道上，辅助拍摄支架基座固定在平板小车车体上，平板小车运动带动辅助拍摄平台及相机运动。相机数量为1台，相机底部与安装在辅助拍摄平台上的相机云台固定。补光灯数目为三个，均匀分布在拍摄平台周围，补光灯与水平面呈45°俯视照射拍摄平台，补光灯与拍摄平台水平距离为2.5m，补光灯上设有亮度可调钮。

]如图3所示，滚轴丝杠数目为两根，顺直平行穿过与连接杆两端相固定的直线轴承，电机驱动光轴丝杠转动带动连接杆上下运动。连接杆垂直穿过旋转臂，连接杆上下运动带动旋转臂、相机云台及相机上下运动，紧固旋钮安装在旋转臂上，旋转臂一端安装相机云台，另一端设有操作把手，松开紧固旋钮，可以通过操作把手快速调节相机的拍摄角度。

本发明的工作原理：目标人物端坐在拍摄平台，通过辅助拍摄支架的辅助控制器调节相机高度，旋转臂调节相机角度，使相机到达最优拍摄位置；通过定时快门遥控器设置相机每一个步骤的采集间隔和采集数量，通过平板小车运动控制器设置小车间歇运动的周期，依次完成平视图像采集、俯视图像采集、仰视图像采集和局部重要特征图像采集；图像采集过程中，通过补光灯进行补光，保证获得高质量图像；图像采集完成后，将图像导入图像建模配套软件agisoft，设置建模步骤及参数，运行软件可以获得高精度三维模型。

根据上述提供的基于图像的人体头部三维数据采集系统，本发明将公开一种基于图像的人体头部三维数据采集方法，具体的步骤如下：

步骤一：调节旋转臂，使相机平视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t1和采集数量n1，通过平板小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及平视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和平板小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤二：调节旋转臂，使相机俯视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t2和采集数量n2，通过平板小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及俯视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和平板小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤三：调节旋转臂，使相机仰视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t3和采集数量n3，通过平板小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及仰视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和平板小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤四：结合建模目标特点，通过手动移动平板小车相机与辅助控制器相结合，使相机运动到合适位置，对建模目标进行局部重要特征图像采集；该步骤中提及的局部重要特征主要是指人的五官，比如眼、耳、鼻、嘴等部位。

Claims (3)

1.一种基于图像的人体头部三维数据采集系统，其特征在于：包括相机、拍摄平台、环形轨道、平板小车、辅助拍摄支架、小车运动控制器、定时快门遥控器、补光灯以及计算机；

辅助拍摄支架包括基座、辅助控制器、驱动电机、滚轴丝杆、直线轴承、连接杆、旋转臂、紧固螺栓以及相机云台；其中：相机通过数据线与计算机连接，且计算机内安装有用于处理相机传输来的图片信息的图像建模配套软件；

拍摄平台处于环形轨道的中心位置处，辅助拍摄支架的基座固定安装在平板小车上，而平板小车可移动地安装在环形轨道上；相机固定安装在辅助拍摄支架的相机云台上；

辅助拍摄支架中，滚轴丝杆为两根，相互平行地安装在基座上，并分别与驱动电机的动力输出端连接；连接杆位于两根滚轴丝杆之间，且连接杆的两端均通过直线轴承与相邻的一根滚轴丝杆可移动连接；旋转臂的一端与相机云台连接，另一端垂直穿过连接杆后，与操作把手连接，且旋转臂通过紧固旋钮与连接杆固紧；

所述的平板小车与小车运动控制器连接；驱动电机与辅助控制器连接，相机与定时快门遥控器连接；

所述辅助控制器，用于调整相机相对于端坐在拍摄平台上的人体的头部的拍摄角度，使得相机能够分别处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标；

所述小车运动控制器，能够针对于相机处于平视拍摄目标、仰视拍摄目标以及俯视拍摄目标的各状态，对应预设平板小车间歇运动的周期及图像采集运动的时间；

所述定时快门遥控器，能够预设相机的拍照间隔和拍照数量；

驱动电机在辅助控制器的控制下，驱动滚轴丝杆带动连接杆平动，达到预设的相机拍摄角度要求；

平板小车在小车运动控制器的控制下沿着环形轨道运动；

相机在定时快门遥控器的控制下，按照定时快门遥控器预设的拍照间隔和拍照数量，对端坐在拍摄平台上的人体的头部进行拍摄。

2.根据权利要求1所述基于图像的人体头部三维数据采集系统，其特征在于：在拍摄平台周围均布有3个以上的补光灯；补光灯与拍摄平台中心位置处的水平距离为2.5米，而补光灯相对于拍摄平台水平面的倾角为45°。

3.一种基于图像的人体头部三维数据采集方法，利用了权利要求1所述的基于图像的人体头部三维数据采集系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：调节旋转臂，使相机平视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t1和采集数量n1，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及平视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤二：调节旋转臂，使相机俯视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置相机的采集间隔t2和采集数量n2，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及俯视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤三：调节旋转臂，使相机仰视建模目标，启动辅助控制器，使相机运动到合适的高度位置，通过定时快门遥控器设置仰视的采集间隔t3和采集数量n3，通过小车运动控制器设置小车间歇运动的周期及平视采集运动的时间，同时启动定时快门遥控器和小车运动控制器，围绕目标拍摄一圈；

步骤四：结合建模目标特点，通过手动移动平板小车相机与辅助控制器相结合，使相机运动到合适位置，对建模目标进行局部重要特征图像采集；

上述各步骤中提及的建模目标，为端坐在拍摄平台上的人体的头部。