引言
人体三维扫描仪技术因其具有非接触、全场性、高精度和实时自动处理等特点，向来是研究的热点。美国纺织及服装技术公司开发出分层轮廓测量仪，德国Assyst Bullmer公司开发出TELMATOptifit三维人体测量仪。国内，香港理工大学设计和建造了密栅云纹的原型摄影器材来测量胸围，随后进一步研制出CubiCam人体三维扫描系统；
内地在90年代中后期有一些高等院校与研究所进行过这方面的研究，如总后军需装备研究所和北京服装学院共同研制的“双视点投影光栅”人体尺寸测量系统。目前这些三维人体测量系统还存在着许多不足，如CCD摄像机的分辨率及其标定过程制约了系统测量精度，且与计算机的接口复杂；系统的测试空间相对庞大，不可拆装，不适合大范围推广；价位普遍较高，实用性不强。为此开发出以单片机为主控单元构成控制系统，采用CCD相机与自行开发的逆向软件进行点云采集与处理的多方位人体三维扫描仪仪。
1 相位法三维扫描仪原理
相移法又称为位相测量轮廓术[6叫，是采用正弦光栅投影将所要获取的物体表面三维轮廓信息调制在光强分布图中，捕获物体表面上光场图像即相位图，然后利用几何关系求得物体表面三维轮廓信息，完成物体表面三维重建。
相移法光路如图1所示，尺为参考平面， 、 ’分别为ccD摄像机镜头入瞳和出瞳的光心， 、 ’分别为投影系统镜头出瞳和入瞳的光心。日为被测物体上任一点，其在参考平面上的投影为 ，线段HH’即为被测物体日点处的高度。A、 点分别是日点与 、巨连线到参考平面R的交点。G为黑白相间且节距固定的正弦光栅板，光源装置Q发出白光透过光栅G投射到被测物体表面，由于被测物体表面形貌不平，规则的投影栅线发生畸变，即调制形成相位图，经CCD摄像机采集，落在成像面 上。设O为坐标系原点，摄像机出瞳光心最到参考平面尺的距离为L，投影系统光心与摄像装置光心连线 E 的长度为d，被测物体 点处的高度HH’为Ilz 两幅图像上同一个像点h’的相位值分别是
参考平面R上B、A点的相位 和 ，所产生的相位差为A = 一 ；正弦光栅板G的栅线节距为 ，投影到参考平面上的栅线节距为P，两者的栅线节距频率都为．厂n。将h’点用其物点 的坐标表示，由于投影系统光心与摄像机光心的连线 巨平行于参考平面R，则有 AAHB，
2 三维测量系统实施方案
本文根据相移法搭建三维扫描仪，其工作流程如图2所示。设计让点光源发出的白光穿过透镜组合形成相位调制所需要的平行光照射到光栅上，穿过光栅的光线通过一个镜头后投影到被测人体上；光栅安装在微动导轨上，通过机械结构、丝杠、连轴器等与一个步进电机主轴相连，步进电机主轴的转动通过丝杠转化为水平移动，由此带动光栅在导轨上进行相移运动，进而实现相移法；相位图的获取由智能CCD摄像机完成，光栅每次移动规定栅后，CCD摄像机拍摄一幅图像并存储，获取的光栅图像通过反求处理完成三维人体重构。
3 硬件设计
3．1硬件总体设计
单一相位图拍摄系统的控制系统基于单片机进行设计，根据相关控制量的需要及硬件系统工作要求，控制系统应具有数据采集、脉宽调制(PWM)信号产生、与上位机的通信、传感器控制等功能模块3．2光栅投影设计整个光路由光源、聚光镜、隔热玻璃、光栅及投影物镜等组成，针对光源必须满足高亮度、高发光效率、低发热、寿命长的要求，选择12V／5W 的LED作为点光源。聚光镜由两块平凸透镜组成，它们凸面相对放置，作用是将光线会聚并均匀地照射在光栅上，以便获得均匀的光强，同时充分利用光源，增加物体上光栅影像的亮度和均匀度。光栅是具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，其中狭缝或线条的间隔便是空间周期，对于本系统使用的正弦光栅而言，空间周期是光栅线条的间隔投影物镜本质上相当于一个凸透镜，用来形成光栅的实像。
3．3光栅相移系统设计
采用步进电机通过连轴器、丝杠带动正弦光栅在导轨上做水平运动，相移完成后步进电机反转带动正弦光栅返回初始原点为下次相移做准备。由于光栅是5O线的，那么节距为0．50mm，每次移动0．125mm，因此要求光栅相移系统有很高的分辨率和定位精度。正弦光栅镶嵌在定位块上，由定位块在导轨上移动同时又要求导轨机构安装、维护方便，因此选择1级精度的滚动导轨，则定位块即为其滑块。滚动导轨采用钢球作为滚动体，其与V型轨道面为点接触，因而具有较小的摩擦系数(0．003～0．005)；滑块灵敏度高，运动平稳且低速时不易发生爬行现象，高速停止振动小。
3．4智能CCD摄像系统
投影光路将正弦光栅打到人体上产生相位图，需要进行拍摄，获取可供计算机处理的图像数据。本测量系统采用遵循USB2．0标准的MVC2000高速、高分辨率图像采集系统，它将变焦镜头、CCD感光芯片、视频信号处理电路、数据传输接口、电源、机壳整合为一个整体，能够即插即用，而且是基于用户的设计，提供板级、封装形式，可以根据用户要求进行定制，预留系统开发微处理器控制接口，提供完整的SDK开发包。
4 软件设计
4_1整体设计
系统软件根据各部分功能可分为单片机固化程序模块、USB接口驱动程序、人机交互界面模块、MVC2000系统设置模块、图像预处理模块等，每个模块都有相应的开发环境，通过数据接口实现交互功能n ，软件系统框图如图4示。单片机固化程序模块用来初始化单片机及其外围设备，包括USB接口控制寄存器和端点的初始化，交叉开关寄存器和I／O口初始化等；USB接口驱动程序提供对硬件设备操作的功能函数，驱动硬件设备。MVC2o0O系统设置模块用来设置采集图像的摄像机参数、激发闪光灯工作，响应单片机控制指令。图像预处理模块包括相位图实值化、三角函数运算、相位去包裹得到人体三维信息；人机交互界面模块主要完成对菜单和对话框事件的响应，实现人机交互功能。
4．2单片机控制模块设计
采用德国Keil Software公司的Keil C基于C语言编程，功能强大但直接配置C805 1F340的I／O口比较繁杂，而Silicon Labs公司独立的集成开发环境(IDE)能够快速、方便的完成I／O口初始化，并且能够将Keil C集成到其中，因此采用在IDE中进行单片机的控制程序开发。控制程序包括单片机系统初始化、中断响应与处理，数据传输及软件看门狗等，同时要响应来自系统外设及USB接口的各种中断请求，完成各种数据交换和事件处理。
4．3人机接口设计
根据测量系统工作流程搭建人机交互界面框架，主要包括拍摄模式的选择、相关元器件状态和参数设定、拍摄命令实施等，在操作错误及控制命令执行失败时及时进行消息提醒；软件界面开发涉及到的功能有对话框、弹出消息窗口、下拉工具条、逐步激活等。
5 实验
使用所设计的三维扫描仪仪从3个不同方位对人体模特进行光栅投射，并采用CCD~H机获取光栅图像，每次采集获取4幅变形光栅图像，可在lOOms内完成图像采集。采用USB通信口将变形光栅图像输入到计算机，将变形光栅图解相和去包裹处理，生成三维点云。利用点云拼接技术实现模特不同方位点云的自动拼接，拼接后的点云如图5(a)所示。其纹理锁控制关系，另外，在设计中一定要注意触摸面中各控键的参数设置要与PLC中的设置保持． ， 这样才能正确的通过触摸屏上的监控画面来整条生产线的正常运行。具体的PLC程序很在此就不再赘述。
结论
由于整条生产线在设计的过程中就充分考虑了的各控制性能指标和使用需求，通过工业以太方式，将模块化设计的各控制单元控制起来，产线中各控制点在中央控制台上都可以集中监控，既方便了监控设备，也方便了整条生产线的运行管理和维护，为系统的正常、高效的运行提供了较好的技术保证。整条生产线运行半年来，效果良好，获得用户的好评。
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