专利名称：一种人体表面轮廓三维重建的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量技术领域、计算机图像处理领域，更进一步涉及一种基于结构光的人体表面轮廓三维重建的方法和装置。
背景技术：
人体表面轮廓测量可以采用印模法、CT成像法、激光扫描法、结构光法等方法。采取印模的方法比较简便，但常常因为材料及软组织受压变形而造成三维重建的精确度差， 耗时长，并且有可能引起人体不适。医院一般通过计算机断层成像(CT)技术得到人体某部位完整的三维信息。但CT的成本过高，具有辐射，因此难以大范围推广使用。激光扫描法可以得到准确的人体表面轮廓，但激光设备成本过高，且设备日常维护费用也高，不易推广。结构光技术是一种具有非接触、测量范围大、速度快、分辨率高、能够测量复杂轮廓等优点的测量方法，适用于人体等复杂物体的表面轮廓测量，近年来已被广泛地应用于逆向工程、质量控制、虚拟现实和生物医学等领域。但将结构光技术用于人体直接测量时，由于人体表面轮廓不仅是具有复杂形态，而且是具有复杂光反射情况的三维物体，因此与一般工程应用、人体模型测量等不同，需要对结构光技术进行改进。格雷码与相移技术是光学三维测量中应用最广泛的编码结构光技术。格雷码编码简单，抗干扰能力强，不受物体高度限制，但是随着编码图案数目增加，将导致速度降低、解码难度增大，因此格雷码的分辨率有限。相移法适合测量小范围表面连续的物体，分辨率高，但相位经过反正切运算求得，被限制在(-η/2，π/2]之间，对折叠相位展开的过程易出错。且结构光技术用于人体表面轮廓测量时，对测量环境的要求较高，环境中的光线将对测量结果带来较大误差。

发明内容
本发明目的是为了克服以上问题，提供一种结构简单、制造成本较低、使用时对人体无辐射的一种人体表面轮廓三维重建的方法与装置。本发明的技术方案是一种人体表面轮廓三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)将投影仪投射区域，摄像机拍摄区域与人体被测部位对应；
(2)投影仪每次投射1幅图像，摄像机就采集1幅图像，投影图像包括黑白图像、格雷码图像和相移光栅图像；
(3)处理采集的图片，得到人体表面轮廓的三维信息。进一步的，包括以下步骤
(1)在计算机上预览摄像机拍摄的图像，调整饱和度，白平衡，gamma值等参数，使其拍摄的效果达到最优；
(2)投影仪投射全白光和全黑光到人体表面，并由摄像机拍摄图像；
(3)投影仪投射五幅格雷码图像到人体表面，并由摄像机拍摄图像；(4)投影仪投射四幅相移光栅到人体表面，并由摄像机拍摄图像；
(5)对采集到的图片进行滤波处理；
(6)通过步骤(2)、(3)拍摄得到的图片对格雷码图像进行局部阈值二值化处理，并将格雷编码转换为二进制编码，得到连续递增的编码区域；
(7)对步骤(5)得到的图片中的相位信息进行反正切变换，得到折叠相位；
(8)将步骤(7)得到的折叠相位在步骤(6)得到的各编码区域上展开，最终得到连续的展开相位，并对展开过程进行周期错位校正；
(9)构造一参考平面的相位，与步骤(8)的相位相减，得到与人体表面轮廓高度信息对应的绝对相位信息；
(10)采用相位误差拟合函数的方法对步骤(9)的误差进行补偿，得到最终表征人体表面轮廓信息的绝对相位；
(11)根据测量系统的标定参数与步骤(10)的结果，重建人体表面轮廓。进一步的，所述投影仪投射的四幅相移光栅的光强公式为
其中 N=4，i=l、2、3、4。本发明可在一般环境下直接对人体表面轮廓进行图像采集，单次采集时间小于2 秒。一种人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于包括投射编码光栅条纹到人体上的投影仪、采集经人体待测部位反射的变形的编码光栅条纹的摄像机以及和分别和投影仪、摄像机相连，用于图像处理、重建和显示人体体表三维轮廓的计算机。进一步的所述人体表面轮廓三维重建的装置还包括独立的投影图像生成模块， 所述投影图像生成模块分别于计算机和投影仪相连。进--步的所述编码光栅条纹是格雷码编码光栅条纹与正弦编码光栅条纹。
进--步的所述正弦编码光栅条纹间存在相移关系。
进--步的所述投影仪的分辨率在800*600以上。
进--步的所述摄像机的分辨率为10M*768以上。
进--步的还包括分别设置在投影仪和摄像机下方的可调节支架，使投影仪和摄
像机与人体待测部位位于同一水平面。本发明的技术方案是 本发明的优点是
1)根据投影仪特性以及投影与拍摄间的时间特性，设计了相位误差补偿曲线，提高了人体表面轮廓的重建准确度。改进了一般周期校正方法，并将其用于校正人体表面轮廓的绝对相位，提高了人体表面轮廓的重建准确度。采用独立的投影图像生成模块，用于生成投影图像，并控制投影仪投影图像，便于控制从投影仪投射图像到摄像机采集图像间的时间间隔，提高了相位误差拟合函数的稳定性。采用投射全白与全黑图像的方法，降低了人体表面轮廓三维重建对测量环境的要求。本发明采用对全图像直接处理的方法，与传统识别光栅条纹中心的方法相比，不需要对处理结果进行插值等处理，人体表面轮廓三维重建的精度更高。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
图ι本发明中投影仪投射的5幅格雷码(a e)和4幅相移光栅(f i)图片。图2本发明用于相位误差补偿的拟合曲线。图3本发明提出的人体表面轮廓三维重建装置的系统框图。图4本发明提出的人体表面轮廓三维重建方法流程图。其中1投影图像生成模块；2计算机；3投影仪；4摄像机；5人体待测部位。
具体实施例方式实施例系统工作前，预先根据设置的投影图像与采集图像间的时间间隔，采用拟合函数法对投影图像的相位误差进行曲线拟合，得到如图2所示的相位误差补偿曲线。在计算机上预览摄像机拍摄的人体图像，调整系统与人体的相对位置，使得摄像机拍摄的区域、投影仪投射光栅的区域刚好在被测的人体部位。调整摄像机的参数，有焦距、gamma值、饱和度、白平衡(自动或手动)、曝光时间(自动或手动)等，使得拍摄的图像最清晰，色彩失真最小。投影仪一共投射11幅图像，包括1幅全白、1幅全黑、5幅格雷码、4幅相移光栅图像，投影仪每次投射1幅图像，摄像机就采集1幅图像，整个过程控制在3秒内。开始采集后，投影仪在投影图像生成模块的控制下投射全白光与全黑光，即光强为1=255和1=0，摄像机采集得到的图像记为图像1和图像2 ；投影仪投射5幅格雷码图像， 如图1中a e所示，摄像机分别采集得到的5幅图像记为图像3 图像7 ；投影仪投射4 幅相移光栅图像，如图1中f i所示，光栅的光强公式为
T0i(U) = α +i(x,j)cos(2i!f0x + 1M/hI)
其中N=4，i=l、2、3、4。相邻两幅图像光栅的相移差为η摄像机拍摄的图像分别记为图像8 图像11。对摄像机拍摄的11幅图像进行滤波处理。对格雷码图像进行局部阈值二值化，具体步骤为对于某一像素点，记图像1(全白光)中该像素的灰度为fb，图像2 (全黑光)中该像素的灰度为fd，图像3 图像7中该像素的灰度为fi，取阈值T为
T = mi((fsXx,y)-fd(x,y))/2)
对于这样一个阈值，令
f (x,y) = Q μ s(x,}^)>T/(W) = I if Jj (x, y) < T
对二值化之后的格雷编码进行转换，记格雷编码为g(l) g(5)，转换后的二进制编码为b(l) b (5)，转换公式为
b(l) = g0) M)^xor(b(i-llg(i))；
其中 i=2、3、4、5。四步相移法所求的折叠相位为
/ -/
-(W) = arctan ———丄
J1 -13
相位被包裹在(-η/2，π/2]之间，对于任一像素，将该像素的折叠相位与该像素二进制编码所对应的十进制数相加，得到展开相位。相位分布在0 π，η为光栅周期数。由于格雷码和相移图案在强度图像中周期不完全重合，会产生周期错位的误差， 所以需对展开的相位进行周期错位校正，具体方法为逐行扫描每一像素点，分别对相邻两像素点作差进行比较，找到相位突变和解码周期增加的像素点的位置，若相位发生突变，即
#(* /) — iKhj-視)^ ^/2 ,而其对应解码周期值未增加即k(i,jy 二-腿》时,则调
节解码周期值，使k(ij) = k(i,f) +1 ；若解码周期值增加k(i，j) — k{ij- 》=1 ,而相
位值未发生突变即Hi,J)~ HiJ-概)<π/2 ,则调节解码周期值，使Jt(IjJ) = k(i,j)-l。
从而使得解码周期和相位周期的变化保持一致。其中m为像素点间的间隔。构造参考平面的展开相位，由于参考平面为一理想平面，所以参考平面的展开相位是单调且相位值均勻变化的。将两个展开相位相减，就可以得到人体表面的三维轮廓信肩、ο采用拟合相位误差函数的方法对上一步的结果进行补偿，求得的拟合函数如图2 所示，对于结果中任一像素点的相位值，在函数中得到所对应的误差，并将这个误差减去， 得到最终人体表面轮廓对应的绝对相位。最后根据系统标定参数与绝对相位，完成三维重建，整个工作流程如图4所示。如图3所示的人体表面轮廓三维重建的装置包括投影图像生成模块1，计算机2， 投影仪3以及摄像机4。投影图像生成模块1用于生成投影图像，接收计算机2的指令，控制投影仪3，并发送已投影消息给计算机2 ；投影仪3受控于投影图像生成模块1，并投射其发送的图像；摄像机4用于采集图像，并将采集所得图像发送给计算机2进行处理；人体被测部位5为待重建人体表面三维轮廓；计算机2，用于接收投影生成模块1发送的消息，控制摄像机4的采集时间，接收摄像机4发送来的采集图像并处理，最终完成人体表面轮廓的三维重建。本发明的一个实施例中使用的投影仪是Optoma DNX0516型DLP投影仪，摄像机是维视MVC-200UC型CCD，分辨率选择800*600像素，测量时间在2秒内。
权利要求
1.一种人体表面轮廓三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将投影仪投射区域，摄像机拍摄区域与人体被测部位对应；(2)投影仪每次投射1幅图像，摄像机就采集1幅图像，投影图像包括黑白图像、格雷码图像和相移光栅图像；(3)处理采集的图片，得到人体表面轮廓的三维信息。
2.根据权利要求1所述的一种人体表面轮廓三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)在计算机上预览摄像机拍摄的图像，调整饱和度，白平衡，gamma值等参数，使其拍摄的效果达到最优；(2)投影仪投射全白光和全黑光到人体表面，并由摄像机拍摄图像；(3)投影仪投射五幅格雷码图像到人体表面，并由摄像机拍摄图像；(4)投影仪投射四幅相移光栅到人体表面，并由摄像机拍摄图像；(5)对采集到的图片进行滤波处理；(6)通过步骤(2)、(3)拍摄得到的图片对格雷码图像进行局部阈值二值化处理，并将格雷编码转换为二进制编码，得到连续递增的编码区域；(7)对步骤(5)得到的图片中的相位信息进行反正切变换，得到折叠相位；(8)将步骤(7)得到的折叠相位在步骤(6)得到的各编码区域上展开，最终得到连续的展开相位，并对展开过程进行周期错位校正；(9)构造一参考平面的相位，与步骤(8)的相位相减，得到与人体表面轮廓高度信息对应的绝对相位信息；(10)采用相位误差拟合函数的方法对步骤(9)的误差进行补偿，得到最终表征人体表面轮廓信息的绝对相位；(11)根据测量系统的标定参数与步骤(10)的结果，重建人体表面轮廓。
3.根据权利要求2所述的一种人体表面轮廓三维重建的方法，其特征在于，所述投影仪投射的四幅相移光栅的光强公式为 (U) = Φ,,Υ) +h(x,y)cos(2^0x + ZM/js[)其中 N=4，i=l、2、3、4。
4.一种人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于包括投射编码光栅条纹到人体上的投影仪、采集经人体待测部位反射的变形的编码光栅条纹的摄像机以及和分别和投影仪、摄像机相连，用于图像处理、重建和显示人体体表三维轮廓的计算机。
5.根据权利要求4中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于所述人体表面轮廓三维重建的装置还包括独立的投影图像生成模块，所述投影图像生成模块分别于计算机和投影仪相连。
6.根据权利要求4中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于所述编码光栅条纹是格雷码编码光栅条纹与正弦编码光栅条纹。
7.根据权利要求6中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于所述正弦编码光栅条纹间存在相移关系。
8.根据权利要求4中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于所述投影仪的分辨率在800*600以上。
9.根据权利要求4中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于所述摄像机的分辨率为10M*768以上。
10.根据权利要求4中所述的人体表面轮廓三维重建的装置，其特征在于还包括分别设置在投影仪和摄像机下方的可调节支架，使投影仪和摄像机与人体待测部位位于同一水平面。
全文摘要
本发明公开了一种人体表面轮廓三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将投影仪投射区域，摄像机拍摄区域与人体被测部位对应；(2)投影仪每次投射1幅图像，摄像机就采集1幅图像，投影图像包括黑白图像、格雷码图像和相移光栅图像；(3)处理采集的图片，得到人体表面轮廓的三维信息。本发明根据投影仪特性以及投影与拍摄间的时间特性，设计了相位误差补偿曲线，提高了人体表面轮廓的重建准确度；改进了一般周期校正方法，并将其用于校正人体表面轮廓的绝对相位，提高了人体表面轮廓的重建准确度；采用独立的投影图像生成模块，用于生成投影图像，并控制投影仪投影图像，便于控制从投影仪投射图像到摄像机采集图像间的时间间隔，提高了相位误差拟合函数的稳定性。
文档编号G01B11/24GK102175179SQ20111004340
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者刘欣冉, 周平 申请人:东南大学