專利名稱：一種腳型參數測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及人體特征識別領域，具體為一種腳型參數測量裝置及測量方法。
技術背景
人體測量學是一門用測量方法研究人的體質特征的科學。它的方法和數據可用于評價兒童至成人的發育及體質。它的資料是制定鞋帽、服裝等規格及標準的依據。人類學和民族學工作者，則利用人體測量資料來研究各民族之間的親緣關系和民族起源問題。
行走(包括站、跑)是最常見的人體運動現象，是運動生物學的重要研究內容。與人的行動密不可分的就是腳型測量與選鞋制鞋。足部測量是人體測量的一部分，足部測量的準確性具有重要作用。
要制造出合適人腳型的鞋子，首先要測量人的腳型。傳統的制鞋業中往往采用人工接觸式測量法來進行測量腳的結構參數，這種測量方法勞動強度比較大，效率比較低。在此條件下，想達到個性化制鞋的目的，測量人員需要對人體足部的足長、足寬、足It、足弓等多處對制鞋有影響的特征位置進行測量。很明顯的是，手工的選取位置和測量，這種大量的重復性的勞動，出現的錯誤會很多，計算的精度也非常有限。同時，在此條件下，即使對足部的特征位置的數據進行分析和處理，也很難實現完整的足部模型和詳細數據。
而國外興起的非接觸式腳型測量儀——特別是三維腳型測量儀雖然測量效率和精度都比較高，但是價格非常高昂，相關的操作也較為復雜，不利于在生產生活大規模的推廣。最為理想的結果即是，在成本較為低廉的情況下，又能實現足部特征提取和腳型三維重建及測量功能。發明內容
本發明目的是提供一種腳型參數測量裝置及測量方法，以實現低成本條件下提供完整的足部特征位置、數據信息以及三維重構。
為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為一種腳型參數測量裝置，由封裝箱體、計算機，以及分別嵌入封裝箱體中的足底掃描測試平臺、三個攝像頭、兩個帶有光柵的點光源及計算分析軟件組成。其中兩個帶有光柵的點光源分別位于封裝箱體前后端頂部，依次照射腳部，在全腳上形成光柵投影，足底掃描測試平臺位于封裝箱體底部，足底掃描測試平臺對足底進行掃描，三個攝像頭分別位于封裝箱體不同側壁上，采集在三維空間中不同方向的帶有投影的足部圖像；安裝有計算分析軟件的計算機與足底掃描測試平臺、攝像頭通訊連接，接收足底掃描測試平臺、攝像頭各自傳輸的數據。
所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述攝像頭有三個，分別嵌入在封裝箱體的左、右、后三側側壁，和水平面夾角呈45°對足部進行拍攝。
所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述帶有光柵的點光源中，光柵為采用絲網印刷工藝，在有機玻璃制作的薄面上印制的一條稠密的條紋帶，點光源的光線通過稠密的條紋帶在足部表面投影，形成光柵效應。
所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述封裝箱體為方形，或者其他任意形狀。
所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述足底掃描測試平臺、攝像頭分別通過USB數據線與計算機通訊連接。
一種腳型參數測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)點光源的出射光通過光柵后在足部形成投影，通過安裝在封裝箱體不同側壁上的攝像頭在三維空間不同方向采集帶有投影的足部圖像，同時足底掃描測試平臺對足底進行掃描，獲取足底圖像；(2)攝像頭將帶有投影的足部圖像傳送至計算機，同時足底掃描測試平臺將足底圖像亦傳送至計算機，計算機對帶有投影的足部圖像、足底圖像進行分析計算，獲得足部特征位置、數據信息，通過結合足底圖像、帶投影的足部圖像進行三維重構，得到足部的三維模型， 根據足部的三維模型得到腳型參數；(3)計算機將得到的腳型參數數據存儲在數據庫中，進行數據庫樣本分析，以歸類出相同尺寸下不同型的腳型。
所述的一種腳型參數測量方法，其特征在于帶有投影的足部圖像為攝像頭提供平面圖像不具備的深度信息，通過攝像頭采集到的帶有投影的足部圖像得到足部表面點的三維信息。結合足底掃描測試平臺得到的足底圖像，實現足部的三維建模。
本發明相對于現有技術的有益效果為其一，精度比傳統接觸式腳型測量儀更高，本發明通過對腳型的圖像信息進行綜合分析，處理計算，獲得腳的各項參數和有用信息，而不受外界環境的干擾和操作人員熟練程度的影響，因此精度比起傳統的接觸性腳型測量設備要高很多，抗干擾能力也強很多。
其二，別出心裁的在點光源處加裝了光柵，通過投影形成的光柵現象，可以給攝像頭提供捕捉到畫面中足部的深度信息，結合已知標定的平面信息，可以進行完整的三維重建，這減少了攝像設備的數量，大大壓縮了成本，精巧的設計避免了大量的圖形計算和復雜的標定模塊化，以最便捷的方式取得很好的效果和準確的數據。這也是本測量系統的亮點之一。
其三，獲得的測量數據更多。采用足底掃描測試平臺和三個攝像頭作為圖像傳感器，使得腳型參數測量裝置能夠獲得更多的腳型信息。如果只有位于底部的掃描設備，則只能測量腳長和腳寬等有限的幾個參數，加上位于側面的攝像頭的輔助后，則可以測量跖圍， 足弓高等更多并且更全面的腳型參數，并能實現進行全面的足部模型的三維重建的目標。
其四，對外圍硬件要求較低。與其它三維腳型測量儀相比，本發明不需要處理特別復雜的3D圖形數據，因此不需要處理性能很好的電腦，普通的家用機就可以勝任。
其五，整體結構比較簡捷，整體尺寸較小。本發明利用光柵現象，對玻璃板上的坐標點進行攝像頭的標定，省去了其它三維腳型測量儀常用的位于測量儀頂部的兩個攝像頭。由于這些結構上的改進，因此整體的尺寸得到了控制和壓縮。
其六，成本低廉，只需要普通的CMOS網絡攝像頭，不需要價格昂貴的CXD攝像頭； 因為不需要調整攝像頭和光源的位置，因此不需要驅動電機以及相應的電機驅動器；采用相對價格比較低廉的點光源，而非價格相對高昂的線光源。采用以上各種措施，可以在保證結果準確性的前提下，大大壓縮制造成本。
圖1本發明結構原理示意圖。
圖2計算機測試分析軟件功能流程圖。
圖3計算機測試分析軟件功能模塊圖。
具體實施方式
如圖1所示。本發明裝置由已標定的足底掃描測試平臺1、攝像頭2、帶有光柵的點光源3、封裝箱體4和計算機5組成。其中，已標定的足底掃描測試平臺1位于封裝箱體4 的底部，攝像頭2分別位于封裝箱體4的箱體的左、右、后三側，帶有光柵的點光源3位于封裝箱體4的頂部。攝像頭2、足底掃描測試平臺1圖像的傳送是通過USB2. 0接口與計算機 5相連接；計算機5的測試分析軟件功能模塊包括通信接口組件、數據采集組件、數據存取組件、數據分析組件、檔案管理組件、參數報表組件以及打印驅動組件。計算機5的測試分析軟件通過已標定的足底掃描測試平臺1、攝像頭2輸出的圖像信息，通過分析軟件綜合分析計算獲得足部特征位置、數據信息以及三維重構，為足部分析研究、制鞋業的足部測量與分析、鞋產品舒適性評價與個性化定制，以及醫療康復效果評估等提供科學的依據。這里， 提出一個足型分類系統的概念對存儲在數據庫的大量腳型數據，進行數據庫樣本分析，為相同鞋碼的多個用戶，進行模式分類。根據不同的足型特征，提供同尺不同型的個性化制鞋建議。即是通過對數據庫存儲數據的分析，軟件給出個性化制鞋參考建議。
已標定的足底掃描測試平臺1 由普通的平面掃描儀改裝而成，固定好攝像頭2位置之后，依據攝像頭2捕捉到的圖像，對攝像頭2進行標定，在足底掃描測試平臺1上面做出標出刻度線。
攝像頭2 攝像頭2是三個分別用螺絲固定于箱體左、右、后側壁的普通CMOS攝像頭，和水平面夾角呈45°對足部進行拍攝，分別采集帶有投影的足部圖像信息。
帶有光柵的點光源3 分別位于封裝箱體前后端頂部，光柵采用絲網印刷工藝，在有機玻璃制作的平面上，印制有一條稠密的條紋帶，點光源的光線通過此條稠密的條紋帶依次照射腳部，即可在足部表面皮膚上投影，形成光柵效應，從而提供捕捉到的圖像的深度信息。足底掃描測試平臺1和攝像頭2和帶有光柵的點光源3組成了完整的圖像信息獲取部件。足底掃描測試平臺1獲得的完整足底圖像信息，攝像頭2結合帶有光柵的點光源3， 可以獲得足部整體圖像信息，從而進行三維重構。
封裝箱體4 其余所有的組成部分的承載和封裝體。由內側涂黑的長方體箱體構成。
計算機5 計算機中設置有測試分析軟件，測試分析軟件的功能模塊包括通信接口組件、數據采集組件、數據存取組件、數據分析組件、檔案管理組件、參數報表組件以及打印驅動組件。計算機5的測試分析軟件通過已標定的足底掃描測試平臺1、攝像頭2輸出的圖像信息，通過測試分析軟件對源圖像的綜合分析判斷和計算，獲得足部特征位置、數據信息，并進行三維重構，恢復完整的足部模型。為足底測量的應用研究提供數據分析模板和參數指標體系。同時也可以為足部分析研究、身份識別研究、制鞋業足部檢測與分析、鞋產品舒適性評價與個性化定制，以及對醫療康復時的康復效果評估等提供科學的依據。同時，足型分類系統的概念，可以根據不同的足型特征，進行同尺不同型的個性化制鞋。
封裝箱體4將已標定的足底掃描測試平臺1、攝像頭2和帶有光柵的點光源3封裝為一個整體，構成了完整的圖像信息獲取裝置。將足部放在掃描設備上，正常姿勢站立。帶有光柵的點光源3提供光源，并在足部表面形成具有光柵效應的投影。已標定的足底掃描測試平臺1掃描足底平面圖像。同時，攝像頭2拍攝足部的圖片。設備掃描和拍攝的圖像通過USB與安裝有測試分析軟件的計算機5相連接，計算機5的測試分析軟件通過分析計算，實現足部的三維建模，并得到相關所求數據。
如圖2所示。測試分析軟件啟動后，用戶(操作員)雙擊圖標運行程序，輸入新客戶資料(或加載老客戶資料)，就緒后點擊“開始測量”按鈕。程序自動調用設備驅動、啟動設備并開始獲取圖像，緩存、備份原始數據，根據緩存原始數據，程序自動調用圖像處理程序 一方面，已標定的足底掃描測試平臺1掃描足底平面圖像，軟件對足底平面圖像處理，經過圖像去噪、圖像增強、背景剔除、閾值分割、輪廓提取、形態學處理的步驟，可以建立足底平面坐標系，并求出相關足底平面的數據；另一方面，攝像頭2拍攝足部的圖片，由于已在足底掃描測試平臺1對攝像頭2做出標定，并刻有標定線。那么，帶有光柵的點光源3在足部表面形成的光柵效應的投影圖像即可為左右側攝像頭提供平面圖像所不具備的深度信息， 即可知道足部表面點的三維信息。結合腳底平面圖像，和后側的攝像頭，即可以實現足部的三維建模，并得到相關所求數據。通過這樣方式，系統生成并顯示預處理的腳型圖像，提取腳型特征點，實現三維重建，恢復完整足部模型，并在顯示的腳型圖像中標識(當特征點明顯有誤或偏離較大時，允許用戶手動調整)。同時，程序自動計算特征參數，生成報表，供用戶打印；對存儲在數據庫的大量腳型數據，進行數據庫樣本分析，為相同鞋碼的多個用戶， 進行模式分類。根據不同的足型特征，提供同尺不同型的個性化制鞋建議。即是通過對數據庫存儲數據的分析，軟件給出個性化制鞋參考建議；后臺運行網絡監視線程，根據程序設置、網絡連接和遠程服務器狀態，判斷測試數據發送時機。
如圖3所示。計算機的測試分析軟件功能包括平臺管理、用戶輸入、圖形獲取、顯示管理、圖像分析處理等。其核心是圖像分析處理，以項目模板和數據庫為基礎，分析計算已標定的足底掃描測試平臺1和攝像頭2獲得的圖像，得到特征點特征數據及參數，實現三維重構，獲取足部模型。
作為上述實施實例的應用，本發明可用于腳型測量領域，是圖像處理、醫療康復領域的一種數據獲取裝置和數據分析方法。測試分析軟件通過對腳步特征點的選取以及對腳型的三維重建，可以提供一種制鞋業足部生物學檢測與分析、臨床及足部康復效果評估等領域的非接觸式腳型測量、數據測量裝置與分析的途徑。
作為上述實施實例的應用，本發明還可用于制鞋業的鞋產品舒適性評價與設計、 鞋產品個性化設計、矯形鞋具的設計與效能評估。
權利要求
1.一種腳型參數測量裝置，其特征在于包括有封裝箱體、計算機，以及分別嵌入封裝箱體中的足底掃描測試平臺、三個CMOS攝像頭、兩個帶有光柵的點光源；點光源的出射光通過光柵后在足部形成投影，足底掃描測試平臺位于封裝箱體底部，足底掃描測試平臺對足底進行掃描，多個攝像頭分別位于封裝箱體不同側壁上，采集在三維空間中不同方向的帶有投影的足部圖像；所述計算機與足底掃描測試平臺、攝像頭通訊連接，接收足底掃描測試平臺、攝像頭各自傳輸的數據。
2.根據權利要求1所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述三個CMOS攝像頭，分別嵌入在封裝箱體的左前側、右前側、正后側側壁，和水平面夾角呈45°對足部進行拍攝。
3.根據權利要求1所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述兩個帶有光柵的點光源分別位于封裝箱體前后端頂部，依次照射腳部，在全腳上形成光柵投影。
4.根據權利要求1所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述帶有光柵的點光源中，光柵為采用絲網印刷工藝，在有機玻璃制作的薄面上印制的一條稠密的條紋帶，點光源的光線通過稠密的條紋帶在足部表面投影，形成光柵效應。
5.根據權利要求1所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述封裝箱體為方形， 或者其他任意形狀。
6.根據權利要求1所述的一種腳型參數測量裝置，其特征在于所述足底掃描測試平臺、攝像頭分別通過USB數據線與計算機通訊連接。
7.基于權利要求1的一種腳型參數測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)前后點光源的出射光通過光柵后依次照射腳部，在全腳上形成光柵投影，通過安裝在封裝箱體不同側壁上的攝像頭在三維空間不同方向采集帶有投影的足部圖像，同時足底掃描測試平臺對足底進行掃描，獲取足底圖像；(2)攝像頭將帶有投影的足部圖像傳送至計算機，同時足底掃描測試平臺將足底圖像亦傳送至計算機，帶有投影的足部圖像為攝像頭提供平面圖像不具備的深度信息，通過攝像頭采集到的帶有投影的足部圖像得到足部表面點的三維信息；計算機對帶有投影的足部圖像、足底圖像進行分析計算，獲得足部特征位置、數據信息，通過結合足底圖像、帶投影的足部圖像進行三維重構，得到足部的三維模型，根據足部的三維模型得到腳型參數；(3)計算機將得到的腳型參數數據存儲在數據庫中，進行數據庫樣本分析，以歸類出相同尺寸下不同型的腳型。
全文摘要
本發明公開了一種腳型參數測量裝置及測量方法，裝置包括封裝箱體、計算機，以及分別嵌入封裝箱體中的足底掃描測試平臺、多個攝像頭、帶有光柵的點光源。本發明通過實際集成化設備，將平面掃描儀，點光源和兩個攝像頭設備有機結合，形成一個腳型參數測量裝置，直接提供完整的足部特征位置、數據信息以及三維重構的足部模型。
文檔編號A43D1/02GK102525034SQ201110373179
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者何江南, 占禮奎, 周旭, 姚志明, 孫怡寧, 李文, 楊先軍, 王俊青, 程濤軍, 馬祖長 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院