一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置及工作方法

技术领域

本发明涉及激光传感器技术领域，具体涉及一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，还涉及一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置的工作方法。

背景技术

公开号为CN111595268A的中国专利公开了“一种基于微机的高精度多维线激光传感器及工作方法”包括：底板、线激光发射器、相机、微型计算机和外壳，所述线激光发射器通过激光固定架安装在底板的一端，所述相机旋转安装在底板的另一端，所述微型计算机安装在底板上，位于线激光发射器和相机之间，所述外壳覆盖整体底板，在外壳的侧面对准线激光发射器的发射端和相机的镜头处均开设有方孔，解决了现有线激光传感器视角小、造价高的问题。

但还存在的缺陷：现有技术方案只能用于点云，只有三维坐标采集，不携带纹理及彩色信息。

发明内容

为此，本发明提供一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，包括黑白工业相机、窄带滤光片、彩色工业相机、短通滤光片、微型计算机、线激光器以及底座；所述底座的一端设置有所述黑白工业相机及所述彩色工业相机，所述底座的另一端设置有所述线激光器；所述黑白工业相机具有黑白相机镜头，所述窄带滤光片设置在所述黑白工业相机及所述黑白相机镜头之间；所述彩色工业相机具有彩色相机镜头，所述彩色工业相机与所述彩色相机镜头之间设置有所述短通滤光片；所述黑白工业相机及所述彩色工业相机均分别与所述微型计算机电连接。

进一步地，所述微型计算机位于所述黑白工业相机及所述彩色工业相机的共同侧与所述线激光器之间的位置上。

进一步地，所述窄带滤光片的波长为830nm，半波长是±15nm。

进一步地，所述短通滤光片的波长小于800nm。

进一步地，所述线激光器的波长为830nm。

进一步地，还包括激光固定架，所述激光固定架上安装有所述线激光器，所述线激光器被所述激光固定架压住。

进一步地，还包括防尘罩，所述底座上安装有所述防尘罩，所述黑白工业相机、所述彩色工业相机、所述微型计算机以及所述线激光器设置在所述防尘罩内。

进一步地，还包括黑白相机安装架以及彩色相机安装架，所述黑白相机安装架以及所述彩色相机安装架均安装在所述底座上，所述黑白工业相机转动连接在所述黑白相机安装架上，所述彩色工业相机转动连接在所述彩色相机安装架上。

进一步地，所述黑白工业相机在所述黑白相机安装架上能够在0°至60°范围内转动，所述彩色工业相机在所述彩色相机安装架上能够在0°至60°范围内转动。

根据本发明的第二方面，一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置的工作方法，使用如本发明的第一方面任一项的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，包括以下步骤：

步骤1、分别建立黑白工业相机坐标系与世界坐标系、彩色工业相机坐标系与世界坐标的之间的变换关系以及黑白工业相机与彩色工业相机之间的像素映射关系，通过世界坐标系进行相互转换：

黑白工业相机(坐标系)＝f0(世界坐标系)，

彩色工业相机(坐标系)＝f1(世界坐标系)，

黑白工业相机(坐标系)＝f3[彩色工业相机(坐标系)]，

其中，f0代表黑白工业相机坐标系与世界坐标系的变换关系，f1代表彩色工业相机坐标系与世界坐标系的变换关系，f3代表黑白工业相机坐标系与彩色工业相机的变换关系；

f3可以通过f0与f1计算获得；

步骤2、进行相机的畸变矫正及建立相机与世界坐标系的关系：黑白工业相机与彩色工业相机固定在底座上，并且上下平行排列固定，在黑白工业相机与彩色工业相机的公共视野内放置世界坐标系装置，该装置每间隔一段距离就会出现标记点，将该标记点在世界坐标系的坐标位置记录下来，黑白工业相机采集一次图像、彩色工业相机采集一次图像，通过图像处理提取识别标记点的像素值，在该点建立了世界坐标系与黑白工业相机坐标系以及世界坐标系与彩色工业相机坐标的映射关系，直到标记点填充满黑白工业相机与彩色工业相机的公共区域，在整个公共区域里面建立黑白工业相机与世界坐标系的变换关系，彩色工业相机与世界坐标系的变换关系，通过计算即可得到黑白工业相机与彩色工业相机的坐标映射关系；

步骤3、线激光器的激光照射物体后，黑白工业相机通过提取线激光的中心坐标得到该条线的三维坐标，通过黑白工业相机与彩色工业相机的映射关系得到彩色纹理信息。

本发明具有如下优点：通过本发明的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，在黑白工业相机的基础上增加彩色工业相机，通过彩色工业相机与黑白工业相机的同步标定，将彩色工业相机与黑白工业相机的坐标系统一，黑白工业相机获取点云三维坐标后，可映射彩色工业相机获取颜色信息，这样就可以获取点云的三维坐标信息又可以获取点云的颜色纹理信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置的结构图。

图中：1、黑白工业相机，2、窄带滤光片，3、黑白相机镜头，4、彩色工业相机，5、彩色相机镜头，6、短通滤光片，7、微型计算机，8、激光固定架，9、线激光器，10、底座。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，本发明第一方面实施例中的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，包括黑白工业相机1、窄带滤光片2、彩色工业相机4、短通滤光片6、微型计算机7、线激光器9以及底座10；底座10的一端设置有黑白工业相机1及彩色工业相机4，底座10的另一端设置有线激光器9；黑白工业相机1具有黑白相机镜头3，窄带滤光片2设置在黑白工业相机1及黑白相机镜头3之间；彩色工业相机4具有彩色相机镜头5，彩色工业相机4与彩色相机镜头5之间设置有短通滤光片6；黑白工业相机1及彩色工业相机4均分别与微型计算机7电连接，本实施例的电连接为USB数据线连接、蓝牙通讯连接以及无线通讯连接等方式。

在上述实施例中，需要说明的是，黑白工业相机1在上面，彩色工业相机4平行排列在下面，如果换成彩色工业相机4在上面、黑白工业相机1在下面；黑白工业相机1与彩色工业相机4左右排列，或者黑白工业相机1与彩色工业相机4呈一定角度排列都属于同理替换，只是安装位置不一样而已，上述位置的设置均在本申请的保护范围内，此外，还包括蓄电池，蓄电池为锂电池。

上述实施例达到的技术效果为：通过本实施例的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，在黑白工业相机1的基础上增加彩色工业相机4，通过彩色工业相机4与黑白工业相机1的同步标定，将彩色工业相机4与黑白工业相机1的坐标系统一，黑白工业相机1获取点云三维坐标后，可映射彩色工业相机4获取颜色信息，这样就可以获取点云的三维坐标信息又可以获取点云的颜色纹理信息；通过巧妙的设置黑白工业相机1使用窄带滤光片2，彩色工业相机4使用短通滤光片6，这样的装置，使得黑白工业相机1不受环境光的干扰，彩色工业相机4不受激光的干扰。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，微型计算机7位于黑白工业相机1及彩色工业相机4的共同侧与线激光器9之间的位置上。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，此外，微型计算机7还可以设置在底座10的其他位置上。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将微型计算机7设置在黑白工业相机1及彩色工业相机4的共同侧与线激光器9之间的位置上，占用空间小，制造成本低。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，窄带滤光片2的波长为830nm，半波长是±15nm。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，该窄带滤光片2可以透过光的波段在815nm-845nm之间，采用的是830nm的线激光器9，由于窄带滤光片2在黑白工业相机1与黑白相机镜头3之间，所以黑白工业相机1只能接受815nm-845nm之间的光，大部分都是线激光器830nm的反射光，这样就有效的过滤周围的干扰光。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将窄带滤光片2的波长设置为830nm，半波长是±15nm，避免了对彩色工业相机4产生干扰。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，短通滤光片6的波长小于800nm。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，该短通滤光片允许<800nm的光透过，彩色工业相机4只能接受<800nm的光，也就是环境光，避免830nm的干扰，彩色工业相机4通过环境光可以采集物体的颜色与纹理；同样其他波段的激光、窄带滤光片2、短通滤光片6都属于同理替换，都在保护范围内。

上述可选的实施例的有益效果为：通过上述设置，实现了黑白工业相机1采集线激光器9的信息，过滤周围环境光的干扰，彩色工业相机4采集物体反射的环境光，但不受830nm线激光器9的干扰，达到了既可以采集坐标信息又可以采集纹理信息的目的。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，线激光器9的波长为830nm。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，此外，线激光器9的波长还可为其他数值。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将线激光器9的波长设置为830nm，只作用于黑白工业相机1，避免了环境光对彩色工业相机4的干扰。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，还包括激光固定架8，激光固定架8上安装有线激光器9，线激光器9被激光固定架8压住。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，激光固定架8采用螺栓安装在底座10上。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置激光固定架8，实现了对线激光器9的快速安装和维护。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，还包括防尘罩，底座10上安装有防尘罩，黑白工业相机1、彩色工业相机4、微型计算机7以及线激光器9设置在防尘罩内。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，防尘罩上开设有黑白工业相机1、彩色工业相机4以及线激光器9端部的开孔。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置防尘罩，避免了上述电子元器件受到杂尘干扰。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，还包括黑白相机安装架以及彩色相机安装架，黑白相机安装架以及彩色相机安装架均安装在底座10上，黑白工业相机1转动连接在黑白相机安装架上，彩色工业相机4转动连接在彩色相机安装架上。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，本实施例的转动连接指的是黑白工业相机1可实现在黑白相机安装架上的倾斜角度调整，彩色工业相机4可实现在彩色相机安装架上的倾斜角度调整。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置黑白相机安装架以及彩色相机安装架，实现了黑白工业相机1以及彩色工业相机4倾斜角度的调整。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，黑白工业相机1在黑白相机安装架上能够在0°至60°范围内转动，彩色工业相机4在彩色相机安装架上能够在0°至60°范围内转动。

上述可选的实施例的有益效果为：通过角度锁止装置实现黑白工业相机1以及彩色工业相机4倾斜角度的锁止。

进一步地，黑白工业相机1以及彩色工业相机4均和微型计算机7之间通过USB3.0数据线连接，实现数据传输的同时为相机供电，底座10上与线激光器9相邻处安装有供电控制端子，所述供电控制端子的供电部分与电源连接，为线激光器9和微型计算机7供电，所述供电控制端子的控制部分与脉冲信号连接，通过供电控制端子与黑白工业相机1以及彩色工业相机4相连，实现对黑白工业相机1以及彩色工业相机4采集的开关控制；线激光器9向外发射线状激光，激光不限于线激光、也可以是点激光、或者别的纹理激光，只是一种发光装置，靠投射到物体上的发射光被黑白工业相机捕捉后计算产生3D信息；微型计算机7处理激光图像并提取激光条纹，将像素坐标转换为物理坐标，并将物理坐标发送至上位机处理器，微型计算机7为一种X86结构的处理器，能够利用单片机、FPGA、嵌入式设备等进行替换；微型计算机7连接有无线通信装置，所述无线通信装置将物理坐标信息发送至上位机处理器，无线通信装置能够进行5G无线断点续传，本实施例通过5G Wifi建立局域网实现的，底层采用TCP协议，为了实现断点续传功能，采用Network Steams通信协议进行传输。如果直接黑白工业相机1以及彩色工业相机4的数据通过USB3.0/网线数据直接上传上位机电脑处理，传输线太长、高速传输不稳定，而近端采集、处理，通过无线传输技术，使设备更加稳定。

本发明第二方面实施例中的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置的工作方法，使用如本发明的第一方面任一项实施例的一种用于三维人体扫描的彩色三维点云传感器装置，包括以下步骤：

步骤1、分别建立黑白工业相机1坐标系与世界坐标系、彩色工业相机4坐标系与世界坐标的之间的变换关系以及黑白工业相机1与彩色工业相机4之间的像素映射关系，通过世界坐标系进行相互转换：黑白工业相机1坐标系＝f0世界坐标系，彩色工业相机4坐标系＝f1世界坐标系，黑白工业相机1坐标系＝f3[彩色工业相机4坐标系]，其中，f0代表黑白工业相机1坐标系与世界坐标系的变换关系，f1代表彩色工业相机4坐标系与世界坐标系的变换关系，f3代表黑白工业相机1坐标系与彩色工业相机4的变换关系；f3可以通过f0与f1计算获得。

步骤2、进行相机的畸变矫正及建立相机与世界坐标系的关系：黑白工业相机1与彩色工业相机4固定在底座10上，并且上下平行排列固定，在黑白工业相机1与彩色工业相机4的公共视野内放置世界坐标系装置，该装置每间隔一段距离就会出现标记点，将该标记点在世界坐标系的坐标位置记录下来，黑白工业相机1采集一次图像、彩色工业相机4采集一次图像，通过图像处理提取识别标记点的像素值，在该点建立了世界坐标系与黑白工业相机1坐标系以及世界坐标系与彩色工业相机4坐标的映射关系，直到标记点填充满黑白工业相机1与彩色工业相机4的公共区域，在整个公共区域里面建立黑白工业相机1与世界坐标系的变换关系，彩色工业相机4与世界坐标系的变换关系，通过计算即可得到黑白工业相机1与彩色工业相机4的坐标映射关系。

步骤3、线激光器9的激光照射物体后，黑白工业相机1通过提取线激光的中心坐标得到该条线的三维坐标，通过黑白工业相机1与彩色工业相机4的映射关系得到彩色纹理信息。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，上述为黑白工业相机1与彩色工业相机3之间的坐标系统一方法，黑白工业相机1与彩色工业相机4各自都有各自的坐标系，其坐标系就是相机CCD阵列的坐标，但由于CCD安装及镜头导致采集的图像出现畸变，也就是说黑白工业相机1采集的图像有畸变，彩色工业相机4采集的图像也有畸变；采用黑白工业相机1建立与世界坐标系之间的变换关系，彩色工业相机4建立世界坐标之间的变换关系，进而推算出黑白工业相机1与彩色工业相机4之间的变换关系的，其他方法的建立黑白工业相机1与彩色工业相机4之间的变换关系的方法也属于同理替换。

上述可选的实施例的有益效果为：通过建立黑白工业相机1与世界坐标系的映射关系，彩色工业相机4建立与世界坐标系的映射关系，从而建立黑白工业相机1与彩色工业相机4之间的变换关系；通过上述方法，有效的实现了三维坐标采集且携带纹理及彩色信息。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。