專利名稱：輕便的非接觸式三維數據掃描器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子儀器數據測量領域，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據掃描器。
在立體人物塑像工業領域中，例如制作領袖人物的塑像，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，傳統上，制作人物頭部的雕像需要高水平的藝人，頭部雕像的質量極為依賴于藝人在復制人的頭部雕像的復雜過程中的技藝。
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。結果，雕像制品的精確度還要依賴于能否得到可充分體現人的幾何形狀的三維數據資料，而要精確地進行人體頭部雕像的工業制造，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的非接觸型，接觸型方法采用各類的機械探針和感應器直接度測被測物的尺寸，以及在被測物上噴涂一層物質后再進行量度等，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行的，應用有限制，過去的另一些非接觸型方法主要設計為適用于無生命的物體，而并非是為測量人而設計的，它獲取被測物體數據的速度太低，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據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，并能被以數據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。
實現本實用新型的技術方案是，該裝置主要包括有旋轉框架機構(1)，掃描組件(2)和電腦(3)，即利用輕便材料制成一個旋轉框架機構(1)，它受電腦(3)控制，其旋轉部分能繞預定位置進行旋轉，將被測物安置在該預定位置上，利用一個安裝在旋轉框架機構(1)上的掃描組件(2)，向被測物發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行收集和光電轉換，將信息送至電腦(3)進行圖像信息處理，得出被測物的形狀坐標數據，數據可被隨時顯示及打印出來，旋轉框架機構(1)和掃描組件(2)結構簡單輕便，便于攜帶，此裝置特別適用于測量人的頭部，這樣就實現了本實用新型的目的。
本實用新型用如下附圖進行說明
圖1是本實用新型三維數據掃描器的主要構成部分的一個實施例簡圖；圖2是本實用新型三維數據掃描器的構成的立體圖和相關工作環境說明圖；圖3是本實用新型三維數據掃描器的主要結構關系說明簡圖；圖4是本實用新型三維數據掃描器的掃描組件(2)的結構，位置設置和光路的說明圖；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據掃描器的掃描范圍說明圖；圖7是本實用新型三維數據掃描器的傾斜度調整機構說明圖。
以下結合附圖，對本實用新型作進一步詳細說明。
參閱圖1，圖1給出了本實用新型的三維數據掃描器的一個主要結構組成和工作狀態的簡要說明圖，本掃描器的構成包括有旋轉框架機構(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行測量作業，然后將測到的圖像轉為數據信號通過數據傳輸線即時傳給電腦(3)，如圖1中所示，旋轉框架機構(1)包括一個一端固定在穩定結構構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，其結構要牢固，圖中所示支架(1-1)是三角形的牢固結構，安裝在一個固定物例如桌子的邊沿上，馬達機構(1-2)設置在支架(1-1)上，旋轉臂設置在支架(1-1)的頂端，旋轉部分是由一個馬達機構(1-2)帶動其旋轉臂(1-3)繞一預定位置，例如是人坐在那里的位置，進行旋轉，旋轉角度的控制可以用各種方式，利用定位的電器接點，或利用安裝在附設在馬達機構(1-2)上的測位傳感器單元來監測旋轉角度；向電腦(3)傳輸旋轉角位置信號，由電腦(3)按預定程序控制馬達機構(1-2)的運轉，從而控制了旋轉臂(1-3)的旋轉，旋轉臂(1-3)的外端承載有掃描組件，掃描組件(2)設置并固定在旋轉臂(1-3)外端的吊臂下，由旋轉臂(1-3)帶著，繞預定位置旋轉，圖中即繞人的頭部旋轉，在旋轉的同時，掃描組件(2)進測量作業，其光源向被測物件進行掃描，所反射的含有被測物件形狀的光線經光路被光學傳感器(2-3)所收集，并將收集的光線轉換為電信號，傳輸給電腦(3)，電腦(3)可以采用任何普通電腦，通過數據傳輸線與旋轉框架機構(1)和掃描組件(2)相連接，按預定程序對轉動和掃描作業進行控制和協調，以及接收掃描組件(2)輸入的被測物件表面形狀的信息，進行圖像信息處理，確定被測物的表面上的點的坐標，并進行數據的存儲，一維及三維數據及圖像的顯示，以及打印數據等。
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成，即包括有旋轉框架機構(1)，掃描組件(2)和電腦(3)，旋轉框架機構(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，攝取在每一測量位置時的人的圖像(頭像)的數據。
參閱圖3，圖3是本實用新型非接觸式三維數據掃描器的主要結構關系的說明簡圖，用以說明各主要特征部分，以及說明有關的聯系。從圖中可以看到，本掃描器由三部分構成，即旋轉框架機構(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成，但在本說明書的文字說明中仍結合前后內容作詳細說明。旋轉架機構(1)中包括有架(1-1)，馬達機構(1-2)，旋轉臂(1-3)，其中，支架(1-1)是固定不動的支持支架，馬達機構(1-2)，由馬達和皮帶輪，齒輪等構成，用于操縱和控制旋轉臂(1-3)的旋轉和旋轉狀況，旋轉臂(1-3)攜帶著固定其上的掃描組件(2)繞預定位置，即繞放置在預定位置上的物件或坐著的人旋轉，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)對旋轉位置按預定程序進行監控，和對圖像信息進行處理。
支架(1-1)的結構構造考慮了人類工程學的要求，整個旋轉框架機構(1)的構架是用輕便的結實的材料制成，如鋼，不銹鋼，鋁鋁合金型材，工程塑料等，結構是輕便型的，容易裝配和攜帶的。
馬達機構(1-2)可以是穩定速度的，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)，光學傳感器(2-3)，濾光片(2-4)和傾斜度調整機構等，其中，光源(2-1)可以是可調焦的可見光激光光線產生器，其構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位置上，反射鏡組(2-2)是由三片平面反射鏡構成，用于將由光源(2-1)發出，投射到被測物表面后反射回的光線再反射到光學傳感器(2-3)中，三片平面反射鏡的位置的設置是根據使掃描組件(2)總尺寸達到或接近最小的原則來設置的，后面的附圖給出了具體設置情況的實施例。
光學傳感器(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。光學傳感器(2-3)可以是各種光電攝取技術器件，如CCD,COMS等攝像機光學傳感器之類，即各類攝像機的鏡頭部分，它能將光信號圖像信號轉換為電信號，并傳輸給電腦(3)。
為了減小像差和畸變，在光學傳感器(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，用以濾去周圍環境光線的影響。
為了減小像差和畸變，在光學傳感器(2-3)下設置了傾斜度調整機構，它可以是一個小馬達，例如伺服馬達，直接帶動，或經馬達和部分齒輪帶動，或由人手進行角度調整，為的是通過傾斜度的變化，使光學傳感器(2-3)能收到被測人的鼻孔，下巴的側面后面的圖像信號，區別陰影，從而使數據更全面和正確，從而減少或消除由此而產生的畸變。
電腦(3)主要進行數據收集，圖像處理，存貯，顯示，打印方面的操作，及對旋轉框架(1)和掃描組件(2)的相關機構和單元按預定程序進行控制的操作，主要包括有專門的圖像接收和處理單元(3-1)，用于接收光學傳感器(2-3)傳來的圖像信息，并把這些信息進行圖像信息處理，以確定被測物的表面上的點的坐標，以及將有關旋轉和掃描位置信息傳輸給定位控制單元(3-6)，圖像數據處理后，則有數據存貯單元(3-3)將測量結果的圖形外形形狀坐標進行存貯，在顯示器(3-4)上進行顯示，在打印機(3-5)上進行打印輸出，特別是電腦(3)中還設置有定位控制單元(3-6)和運動控制單元(3-7)，單元中都內置預定程序，根據收到的信息，按預定程序發出控制信號進行控制操作，使旋轉位置與掃描作業相協調，由電腦(3)據此使掃描組件(2)在此位置進行同步地相應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。
參閱圖4，圖4是本實用新型三維數據掃描器的掃描組件(2)的結構，位置設置和光路的說明圖。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，被連續近距離反射，三塊平面反射鏡的這種近距離設置，為的是改變反射光的方向，使光學傳感器(2-3)易于收集反射光和減小整個掃描組件(2)的結構尺寸，使總尺寸達到或接近最小，濾光片(2-4)設置在光學傳感器(2-3)的前面，圖中未能顯示傾斜度調整機構，但其位置是固定在光學傳感器(2-3)下面，能帶動其傾斜。本圖中清楚地說明了光的發射至接收過程的路徑，由光學傳感器(2-3)收到的圖像信息，經其自身轉換為電信號后，經數據傳輸線等傳輸給電腦(3)。
參閱圖5，圖5中采用了建立坐標系標注坐標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)的中心位置坐標為(15,9)，括號中前面數字是x坐標，后面是y坐標，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)，裝在光學傳感器(2-3)之前的濾光片(2-4)的中心位置坐標是(23,62)，各反射鏡及光學傳感器的安裝角度分別以鏡面平面及光學傳感器軸線與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，光學傳感器(2-3)連同其濾光片(2-4)的安裝角是70度左右，坐標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置不是唯一的，但本實施例的設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270度甚至360度，通常，270度的掃描范圍已經足夠，頭部后邊的部分由耳后過渡過去，就已經很準確，特別需要的時候，以及掃描其它不規則的物件時，掃描范圍可調整至繞被測物件整整一周，這樣，所采集到的數據非常全面和可靠，可以減少由于數據不全成造成的不準確。
本實用新型的實驗實測數據給出，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，掃描作業時間可以根據情況作出標準化。
參閱圖7，圖7所示是傾斜度調整機構配合光學傳感器(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最初調在水平線向上10度，其角度可由電腦(3)控制和調整，也可以由人手調整，為使所有位置都被考慮到而使φ角度被相應調整，以減少生成的像的畸變。
本實用新型三維數據掃描器的結構可以系列化和標準化，由于結構簡單，它可以容易地用簡單的手工工具裝配和拆卸開，這些構件即旋轉框架機構(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，雖然也有別種的掃描器，但都大而笨重，不便攜帶，不便運輸，本實用新型的結構優良得多。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行外形量度，使本儀器的適用范圍擴大。
權利要求1．一種非接觸式三維數據掃描器，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，主要包括有旋轉框架機構(1)，掃描組件(2)和電腦(3)其特征是旋轉框架結構(1)，一端固定在穩定結構構件上，作為支架，它的旋轉臂圍繞預定位置旋轉，其外端承載有掃描組件(2)，掃描組件(2)，被設置在旋轉框架機構的旋轉端上，其光源向被測物件進行掃描，所反射的含有被測物件形狀的光線經光路被光學傳感器(2-3)所收集，并將收集到的光線轉換為電信號，傳輸給電腦(3)進行圖像信號處理。
2．如權利要求1所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述旋轉框架機構(1)主要包括有支架(1-1)，馬達機構(1-2)，旋轉臂(1-3)，馬達機構設置在支架(1-1)上，旋轉臂設置在支架(1-1)的頂端，在馬達機構(1-2)帶動下，旋轉臂(1-3)繞預定位置轉動。
3．如權利要求2所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述旋轉框架機構(1)的支架(1-1)和旋轉臂(1-3)是用鋁合金型材或工程塑料制成。
4．如權利要求1所述的三維數據掃描器，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)，光學傳感器(2-3)，濾光片(2-4)。
5．如權利要求1或4所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述掃描組件的光源(2-1)是可調焦的可見光激光二極管光線產生器。
6．如權利要求4所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述反射鏡組(2-2)由三片平面反射鏡構成。
7．如權利要求6所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述反射鏡組(2-2)在以邊框為xy坐標系下，其三片平面反射鏡的布設是相對坐標和對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，此時設定的光源(2-1)的中心坐標為(15,9)，與y軸夾角為90度，濾光片(2-4)的中心從標是(23,62)，軸線與y軸夾角約70度。
8．如權利要求7所述的三維數據掃描器，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．如權利要求3所述的三維數據掃描器，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境光線的影響。
10．如權利要求3所述的三維數據掃描器，其特征在于，所述光學傳感器(2-3)可以是各種光電攝像技術器件，各種CCD,CMOS光學傳感器，各種攝錄機的鏡頭。
專利摘要一非接觸式三維數據掃描器,主要用于三維物件特別是人的頭部雕像制作工業中外貌的量度,它包括有旋轉框架機構(1),掃描組件(2)和電腦(3),旋轉框架機構(1)由支架固定,馬達機構(1—2)帶動載有掃描組件(2)的旋轉臂(1—3)繞被測物旋轉,掃描組件(2)發光照到被測物表面,反射光被收集,由電腦(3)進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 優先權日1998年8月4日
發明者呂新榮, 李利民, 陳志誠, 鐘志強 申請人:香港生產力促進局