【技术领域】

本实用新型涉及人脸重构领域，具体是一种基于红外结构光的三维人脸重建装置以及系统。

【背景技术】

人脸识别是一项热门的计算机技术研究领域，其中包括人脸追踪侦测，自动调整影像放大，夜间红外侦测，自动调整曝光强度等技术。

现有技术相机采集人脸信息时，红外发射器发射出不可见红外结构光线投射至待测区域，首先从待测区域提取被标识的人脸，根据人脸特征将人脸图片单独放大，根据人脸上结构光线的不同深度区域，而采集不同的图像相位信息，然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信息，以此来获得人脸的三维结构，再将获取到的信息进行更深入的应用；但是上述方式运算方式，如果用户离红外发射器较远时，投影在用户脸上的红外结构光较少，运算的维度就会巨大，导致响应时间过长且输出的结果精度不高。

【实用新型内容】

为克服现上述的问题，本实用新型提供一种基于红外结构光的三维人脸重建装置及系统。

为了解决上述技术问题，本使用新型提供一技术方案如下：一种基于红外结构光的三维人脸重建装置，其特征在于，包括投影模块：用于对外部分别发射不同角度投射范围的红外结构光；图像采集模块：用于采集人脸图像信息；图像处理模块：用于处理所述图像采集模块采集的人脸图像信息；控制模块：用于控制所述投影模块发射红外结构光的角度；测距传感模块：用于测量用户和所述投影模块的距离；使用时，所述测距传感模块将测得的距离信息反馈至控制模块，所述控制模块根据所述距离信息控制所述投影模块适配相应的投射角度发射所述红外结构光，所述图像采集模块采取此时的人脸图像信息后，所述图像处理模块对所述人脸图像信息进行处理且生成三维点云数据。

优选地，所述投影模块投影镜头，所述投影镜头包括光束整形器、衍射光栅、投射透镜以及红外发射源，所述红外发射源分别发出不同宽度的同轴光线，所述同轴光线依次经光束整形器、衍射光栅后，从投射透镜折射出不同视场角的光线。

优选地，所述红外发射源为近红外半导体激光器；所述同轴光线的波长为830mm；或者所述红外发射源为垂直腔面发射激光器；此时所述同轴光线的波长为940mm。

优选地，所述图像采集模块为近红外相机。

优选地，进一步包括显示模块，所述显示模块用于接收所述图像采集模块所采集的图像信息并以三维点云数据的形式实时显示。

优选地，所述图像处理模块为树莓派。

优选地，进一步包括刷卡模块，所述刷卡模块可识别预设好的IC卡。

优选地，进一步包括补光模块，所述补光模块可在图像采集模块采集人脸图像信息时进行补光。

优选地，进一步包括热感相机，热感相机可在图像采集模块采集人脸图像信息，同时感应人脸的温度。

本实用新型还提供了一种基于红外结构光的三维人脸重建系统，专用于门禁使用，其特征在于：包括上述的基于红外结构光的三维人脸重建装置，其通过预设好的人脸图像和生成的所述三维点云数据进行数据转化并对比，同时设定一相似度的阀值，通过对比结果和阀值比较，进而判定是否为用户本人。

与现有技术相比，本实用新型所提供的一种基于红外结构光的三维人脸重建装置具有如下的有益效果：

1、该基于红外结构光三维人脸重建装置包括投影模块、图像采集模块、图像处理模块、控制模块、测距传感模块，其通过测距传感模块测得用户和投影模块的距离，控制模块根据测得的距离反馈至投影模块，从而控制投影模块发射红外结构光的视场角，以适应用户和投影模块距离，让更多的红外结构光可以落在人脸上，之后通过图像采集模块采集人脸图像信息，图像处理模块将人脸图像信息进行人脸重构生成三维点云数据；这样的好处在于，如果用户离投影模块较远时，投射到用户脸上的红外结构光会变的稀疏，会导致后续图像处理模块在处理人脸图像信息时，人脸上的红外结构光间距较大，从而在图像处理模块最后重构生成三维点云数据的时候，精确度是很低的，也有一种做法是根据用户和投影模块的距离，通过算法控制投影模块发射不同密度条纹的红外结构光，以实现精确的重构人脸，但是这样的做法导致对处理模块的运行速度依赖性较强，否则响应就会很慢，且由于人脸特征的数量均比较多，计算维度很大，降低了可靠性且成本相对也很高，本实用新型仅在投影模块发射红外结构光的视场角上改变，就可以实现让更多的红外结构光投射至人脸上，因此该基于红外结构光三维人脸重建装置具有响应速度快且可靠性更强，人脸重构的精准度更高的特点。

2、进一步投影模块包括光束整形器、衍射光栅、投射透镜以及红外发射源，控制模块控制红外发射源的发光宽度，经光束整形器、衍射光栅、投射透镜对光线进行衍射和折射处理后，即可控制投影模块发射的视场角，因此仅仅通过简单的硬件设施和程序即可控制投影模块发射的视场角，运算量最小不会引起迟滞，响应时间最短，且简单可靠。

3、进一步，红外发射源选型方面，红外发射源可为近红外半导体激光器；同轴光线的波长可为830mm，红外发射源为垂直腔面发射激光器；此时所述同轴光线的波长为940mm。

4、进一步图像采集模块的选型方便，应与投影模块保持一致，图像采集模块为近红外相机，可以靠红外线成像且具有穿透，夜视，提高快门速度的功能。

5、进一步可增添有显示模块，所述显示模块用于接收所述图像采集模块所采集的图像信息并以三维点云数据的形式实时显示，因此用户可通过显示器观测到自己人脸重构后的三维点云数据，以方便用户对准红外发射源和进行数据处理。

6、图像处理模块为树莓派，与常见的51单片机和STM32等这类的嵌入式微控制器相比，不仅可以完成相同的IO引脚控制之外，还能运行有相应的操作系统，可以完成更复杂的任务管理与调度，能够支持更上层应用的开发，为了开发者提供了更广阔的应用空间。比如开发语言的选择不仅仅只限于C语言，连接底层硬件与上层应用，可以实现物联网的云控制和云管理，也可以忽略树莓派的IO控制，使用树莓派搭建小型的网络服务器，做一些小型的测试开发和服务。

7、进一步包括刷卡模块，所述刷卡模块可识别预设好的IC卡，以方便用户进行识别，从而用户可以将个人信息存储于IC卡内部，在该基于红外结构光的三维人脸重建装置进行人脸对比，该设计可利用在门禁系统、监控系统、打卡系统，以对用户进行筛选识别。

8、补光模块，所述补光模块可在图像采集模块采集人脸图像信息时进行补光，防止用户在黑暗环境下，无法找到投影模块的发光口，从而影响使用体验和识别效率。

9、热感相机，热感相机可在图像采集模块采集人脸图像信息，同时感应人脸的温度，防止一些不法分子用伪造人脸、面具等蒙混过关，进一步增加了该人脸重建装置的安全性。

10、该基于红外结构光三维人脸重建装置的系统可运用在门禁上，取代了传统烦琐的门卫工作，可实现高效率、高科技的现代管理。对持卡人的进出权限、允许进出的时间都可方便的统一进行管理，且利用该基于红外结构光三维人脸重建装置，用户在不同距离下的情况都可以高效高精度的识别，且通过热感相机，补光模块，增加了用户在使用该门禁系统的安全性和方便性。

【附图说明】

图1是本实用新型中基于红外结构光的三维人脸重建装置的模块示意图；

图2是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置的结构示意图；

图3是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置部分结构的主视图；

图4是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置中投影模块的结构示意图；

图5是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置中投影模块在用户与其距离为a时的结构示意图以及光路图；

图6是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置中投影模块在用户与其距离为b时的结构示意图以及光路图；

图7是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置中投影模块在用户与其距离为c时的结构示意图以及光路图；

图8是本实用新型第一实施例中基于红外结构光的三维人脸重建装置使用状态中的结构示意图；

附图标识说明：100、三维人脸重建装置；1、测距传感模块；2、控制模块；3、投影模块；31、投影镜头；311、红外发射源；312、光束整形器；313、衍射光栅；314、投射透镜；4、图像采集模块；5、处理模块；6、显示模块。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1、图2以及图3，本实用新型提供了基于红外结构光的三维人脸重建装置100，用于人脸识别，其可适用于手机、平板、监控器、打卡器，场景应用可为办公室，酒店、机场、火车站、生活小区等场合。

请继续参阅图1，一种基于红外结构光的三维人脸重建装置100，包括投影模块3、图像采集模块4、图像处理模块5、控制模块2、测距传感模块1以及显示模块6。

其中测距传感模块1依次电性连接、控制模块2、投影模块3、图像采集模块4，同时，图像采集模块4和图像处理模块5以及显示模块6电性连接；

可以理解，该电性连接关系只是方便阐述实施例的一种方式，在实际实现时，只要满足以下条件即可：

测距传感模块1可感应用户和投影模块3的距离，当用户进入预设的范围时，示例性的如：0.6m以内，测距传感模块1会触发控制模块2响应，控制模块2从而控制投影模块3向人脸发射适配距离的投射角度的红外结构光，此时图像采集模块4实时采集人脸上的红外结构光投射后形成的人脸图像信息并将其传输给图像处理模块5，图像处理模块5对人脸图像信息进行处理从而生成三维点云数据并实时在显示模块6上显示；

其中，上述“测距传感模块1”属于近距离测量传感器，具体可为激光距离传感器、超声波距离传感器、红外测距传感器的任一种，可选地为红外测距传感器，其可发出发射0.75μM-1000μM的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被用户反射回来的时间，通过测时间来计算与用户之间的距离。

上述“图像采集模块4”可为红外光相机以及近红外光相机，其区别为波长上的差异，单目或者双目不予限定，具体选型时，根据使用环境而定，示例性的如，当该基于红外结构光的三维人脸重建装置100适用于手机解锁功能时，可选地为红外双目相机。

进一步地，图像采集模块4在采集到一张图片时，首先会将图片中的人脸通过标记特征提取出来，以构成人脸区域，再将人脸区域放大，再通过识别人脸上的红外结构光，即为上述人脸图像信息。

上述“控制模块2”和“图像处理模块5”可为MCU微机、STM32、树莓派，其具体同理根据使用环境而定，树莓派是计算机平台，相对硬件配置强大、软件功能丰富，但STM32功耗相比较低，稳定性比树莓派强，示例性的如：当该基于红外结构光的三维人脸重建装置100适用于门禁系统时，可选地为树莓派。

上述：“红外结构光”是用于3D扫描的一个光学方法，可理解为波长在红外线级别的结构光，它是投射出一组用数学方法构造的光图形，按照一定顺序照亮被测量的部位；

当图像采集模块4到投影模块3的距离已知，图像采集模块4同步捕捉被照亮的人脸图像，可以理解，即是上述图像采集模块4采集的“人脸信息图像”，相对于用于预设好用于校准的平面基准表面，图像采集模块4采集到的人脸信息图像表面形状看起来肯定是扭曲的，图像处理模块5基于几何三角剖分的原理使得计算被扫描物体表面上每个点的XYZ坐标都有一定规律，然后，将这些点构成点云数据，用于人脸表面详细3D模型的计算构造。

以上，对本实用新型提供的方法的整体特征以及部分特征词汇进行了说明，下面结合实施例对本使用新型的具体使用时，控制模块2控制投影模块3发射适配距离的投射角度的方式予以说明：

请参阅图4，投影模块3包括投影镜头31；

其中投影镜头31包括红外发射源311、光束整形器312、衍射光栅313以及投射透镜314，当用户处于一个距离为a时，其中红外发射源311可发出宽度为r的红外结构光，红外结构光经过光束整形器312的扩束和准直后，再经衍射光栅313折射后至投射透镜314发生反射，以向外部射出视场角为q的红外结构光，此时大多红外结构光投影在人脸上，只有小部分进入了外部环境中。

请继续参阅图4，同理，当用户和投影模块3的距离为b时(a<b)，红外发射源311发出宽度为i的红外结构光，同经上述过程后，以向外部射出和视场角为e(e＜q)的红外结构光。

请参阅图5，同理，当用户和投影模块3的距离为c时(b<c)，红外发射源311发出宽度为h的红外结构光，同经上述过程后，以向外部射出视场角u(u＜e)的红外结构光。

可以理解，上述当用户分别位于和投影模块3距离为a、b、c时，投影模块3向外部分别对应发射和水平面补角为q、e、u的红外结构光，其目的均为使更多的红外结构光可以落到人脸上，而具体通过红外发射源311发出不同宽度的红外结构光，最终来控制射出后所发出红外结构光的视场角u的核心部件是衍射光栅313，本领域人员容易知道，光束整形器312只能将红外发射源311发出的红外结构光的宽度变大，如红外发射源311发出的红外结构光的宽度为r时，设定光束整形器312的放大倍数为2，则经光束整形器312后的宽度则为2r，但是其角度并未发生变化，因此不同宽度红外结构光照射在衍射光栅313的位置是不一样的，仅需将衍射光栅313各个位置的折射率不一样，则可达到上述效果，示例性的如，红外结构光经光束整形器312后的宽度则2r时，对应衍射光栅313的相应位置折射率为n，则射出的

可以理解，在设定用户和投影模块3的距离，以及红外发射源311发出红外结构光宽度的关系时，可通过统计得到，示例性的如，让一正常人脸大小的实验者以不同距离测试，设定红外结构光投射到人脸上占比总共投射的红外结构光比例阀值，如可以设定80％的红外结构光投射至用户脸上为阀值点，则以80％为阀值，对应用户和红外发射源311的距离设置红外发射源311的红外结构光线的宽度，以使红外发射源311的红外结构光线集中于用户的脸上，从而便于后续图像采集模块4的采集和识别。

进一步地，红外发射源311为近红外半导体激光器；所述同轴光线的波长为830mm；所谓同轴光线的波长，也可理解为中心波长，或者红外发射源311也可为垂直腔面发射激光器；此时所述同轴光线的波长为940mm，具体根据三维人脸重建装置100在使用环境的不同从而设定不同的波长；之所以优选地设置波长为830mm和940mm，是因为这两个范围的波长光线的准直性较好，

在实施一的特殊变形例中，图像采集模块4不仅为近红外相机，还配备了彩色相机(图未示)，通过两个相机同时摄取用户的彩色图像和红外图像，以用于图像处理模块5进行分析处理；此设计的好处在于，当用户在被图像采集模块4采集时，仅通过红外相机，采集的是红外成像下的图像，而用户可能更希望看到的是真实的彩色图像，因此设置两个相机同时采集，彩色相机就类比与我们正常的相机，所以可类似自拍功能显示用户的真实人脸。

请参阅图6，当投影模块3向人脸投射红外结构光后，图像采集模块4开始响应，对此时的人脸图像信息进行拍摄，此时图像采集模块4所能摄入的视场角应当与投影模块3的视场角有重叠的区域，且人脸在该重叠区域内，从而图像采集模块4可采取到已经被投影模块3投射后的人脸图像信息，此时图像处理模块5响应，将所采集的人脸图像信息进行处理，可选地，图形处理模块5为树莓派，其具体方式为：首先计算包裹相位，求解包裹相位，三维人脸重建，其中求解包裹相位的算法采用质量导引法，获取质量图，将质量图使用log调制度-相位梯度偏差质量图进行求解，从而重组生成三维点云数据，并经过显示模块6中显示出来，用户可通过显示模块6适当调整自己脸部的位置，以更精准的获取数据。

在实施一的一些变形例中，一种基于红外结构光的三维人脸重建装置100进一步包括刷卡模块(未标号)，刷卡模块可识别预设好的IC卡，其中IC卡可包括用户的姓名、人脸图像信息、编号或者身体形貌，当用户将IC卡用刷卡模块进行识别时，显示模块6会将用户的信息显示出来，且将本人的人脸图像信息和扫描得到的人脸图像信息进行对比，设定相似度阀值，通过判断相似度判断是否为本人。

在另外实施一的一些变形例中，一种基于红外结构光的三维人脸重建装置100进一步包括补光模块(图未示)和热感相机(图未示)，所述补光模块可在图像采集模块4采集人脸图像信息时进行补光，可以理解，该补光模块主要针对用户在光线较为昏暗环境时，无法人为对准图像采集模块4，热感相机可同时感应人脸的温度，因此可设定要用户亲自到达才能被识别，以达到防伪功能，如某些不法分子使用照片或者面具进行伪造人脸。

本实用新型实施例二还提供一种基于红外结构光的三维人脸重建系统，可用于门禁使用，其适用场景可为银行、政府机关、智能大厦、写字楼、智能小区、学校、企事业单位，其包括上述实施例一中基于红外结构光的三维人脸重建装置，该基于红外结构光的三维人脸重建装置通过预设好的人脸图像，即提前通过预存多个用户的人脸图像信息，在当某一用户使用时，基于红外结构光的三维人脸重建装置会将生成的三维点云数据和用户原本储存的人脸图像信息进行数据转化并对比，同上述变形例设定的相似度的阀值，通过对比结果和阀值比较，进而判定是否为用户本人。

本领域技术人员也应当理解，如果将本实用新型所述结构的全部或部分组件通过稠合、物理连接等方式进行组合，如各组件移动位置；或者将其一体设置；或者可拆卸设计；凡组合后的组件可以组成具有特定功能的设备/装置，用这样的设备/装置代替本实用新型相应组件同样落在本实用新型的保护范围内。

与现有技术相比，本实用新型所提供的基于红外结构光的三维人脸重建装置具有如下的优点：

1、该基于红外结构光三维人脸重建装置包括投影模块、图像采集模块、图像处理模块、控制模块、测距传感模块，其通过测距传感模块测得用户和投影模块的距离，控制模块根据测得的距离反馈至投影模块，从而控制投影模块发射红外结构光的视场角，以适应用户和投影模块距离，让更多的红外结构光可以落在人脸上，之后通过图像采集模块采集人脸图像信息，图像处理模块将人脸图像信息进行人脸重构生成三维点云数据；这样的好处在于，如果用户离投影模块较远时，投射到用户脸上的红外结构光会变的稀疏，会导致后续图像处理模块在处理人脸图像信息时，人脸上的红外结构光间距较大，从而在图像处理模块最后重构生成三维点云数据的时候，精确度很低，也有一种做法是根据用户和投影模块的距离，通过算法控制投影模块发射不同密度条纹的红外结构光，以实现精确的重构人脸，但是这样的做法导致对处理模块的运行速度依赖性较强，否则响应就会很慢，且由于人脸特征的数量均比较多，计算维度很大，降低了可靠性且成本相对也很高，本实用新型仅在投影模块发射红外结构光的视场角上改变，就可以实现让更多的红外结构光投射至人脸上，因此该基于红外结构光三维人脸重建装置具有响应速度快且可靠性更强，人脸重构的精准度更高的特点。

2、进一步投影模块包括光束整形器、衍射光栅、投射透镜以及红外发射源，控制模块控制红外发射源的发光宽度，经光束整形器、衍射光栅、投射透镜对光线进行衍射和折射处理后，即可控制投影模块发射的视场角，因此仅仅通过简单的硬件设施和程序即可控制投影模块发射的视场角，运算量最小不会引起迟滞，响应时间最短，且简单可靠。

3、进一步，红外发射源选型方面，红外发射源可为近红外半导体激光器；同轴光线的波长可为830mm，红外发射源为垂直腔面发射激光器；此时所述同轴光线的波长为940mm。

4、进一步图像采集模块的选型方便，应与投影模块保持一致，图像采集模块为近红外相机，可以靠红外线成像且具有穿透，夜视，提高快门速度的功能。

5、进一步可增添有显示模块，所述显示模块用于接收所述图像采集模块所采集的图像信息并以三维点云数据的形式实时显示，因此用户可通过显示器观测到自己人脸重构后的三维点云数据，以方便用户对准红外发射源和进行数据处理。

6、图像处理模块为树莓派，与常见的51单片机和STM32等这类的嵌入式微控制器相比，不仅可以完成相同的IO引脚控制之外，还能运行有相应的操作系统，可以完成更复杂的任务管理与调度，能够支持更上层应用的开发，为了开发者提供了更广阔的应用空间。比如开发语言的选择不仅仅只限于C语言，连接底层硬件与上层应用，可以实现物联网的云控制和云管理，也可以忽略树莓派的IO控制，使用树莓派搭建小型的网络服务器，做一些小型的测试开发和服务。

7、进一步包括刷卡模块，所述刷卡模块可识别预设好的IC卡，以方便用户进行识别，从而用户可以将个人信息存储于IC卡内部，在该基于红外结构光的三维人脸重建装置进行人脸对比，该设计可利用在门禁系统、监控系统、打卡系统，以对用户进行筛选识别。

8、补光模块，所述补光模块可在图像采集模块采集人脸图像信息时进行补光，防止用户在黑暗环境下，无法找到投影模块的发光口，从而影响使用体验和识别效率。

9、热感相机，热感相机可在图像采集模块采集人脸图像信息，同时感应人脸的温度，防止一些不法分子用伪造人脸、面具等蒙混过关，进一步增加了该人脸重建装置的安全性。

10、该基于红外结构光三维人脸重建装置的系统可运用在门禁上，取代了传统烦琐的门卫工作，可实现高效率、高科技的现代管理。对持卡人的进出权限、允许进出的时间都可方便的统一进行管理，且利用该基于红外结构光三维人脸重建装置，用户在不同距离下的情况都可以高效高精度的识别，且通过热感相机，补光模块，增加了用户在使用该门禁系统的安全性和方便性。

以上所述仅为本实用新型较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。