一种脚型参数测量装置及测量方法

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一种脚型参数测量装置及测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及人体特征识别领域，具体为一种脚型参数测量装置及测量方法。\n背景技术\n[0002] 人体测量学是一门用测量方法研究人的体质特征的科学。它的方法和数据可用于评价儿童至成人的发育及体质。它的资料是制定鞋帽、服装等规格及标准的依据。人类学和民族学工作者 ,则利用人体测量资料来研究各民族之间的亲缘关系和民族起源问题。\n[0003] 行走（包括站、跑）是最常见的人体运动现象，是运动生物学的重要研究内容。与人的行动密不可分的就是脚型测量与选鞋制鞋。足部测量是人体测量的一部分，足部测量的准确性具有重要作用。\n[0004] 要制造出合适人脚型的鞋子，首先要测量人的脚型。传统的制鞋业中往往采用人工接触式测量法来进行测量脚的结构参数，这种测量方法劳动强度比较大，效率比较低。在此条件下，想达到个性化制鞋的目的，测量人员需要对人体足部的足长、足宽、足踝、足弓等多处对制鞋有影响的特征位置进行测量。很明显的是，手工的选取位置和测量，这种大量的重复性的劳动，出现的错误会很多，计算的精度也非常有限。同时，在此条件下，即使对足部的特征位置的数据进行分析和处理，也很难实现完整的足部模型和详细数据。\n[0005] 而国外兴起的非接触式脚型测量仪——特别是三维脚型测量仪虽然测量效率和精度都比较高，但是价格非常高昂，相关的操作也较为复杂，不利于在生产生活大规模的推广。最为理想的结果即是，在成本较为低廉的情况下，又能实现足部特征提取和脚型三维重建及测量功能。\n发明内容\n[0006] 本发明目的是提供一种脚型参数测量装置及测量方法，以实现低成本条件下提供完整的足部特征位置、数据信息以及三维重构。\n[0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：\n[0008] 一种脚型参数测量装置，由封装箱体、计算机，以及分别嵌入封装箱体中的足底扫描测试平台、三个摄像头、两个带有光栅的点光源及计算分析软件组成。其中两个带有光栅的点光源分别位于封装箱体前后端顶部，依次照射脚部，在全脚上形成光栅投影，足底扫描测试平台位于封装箱体底部，足底扫描测试平台对足底进行扫描，三个摄像头分别位于封装箱体不同侧壁上，采集在三维空间中不同方向的带有投影的足部图像；安装有计算分析软件的计算机与足底扫描测试平台、摄像头通讯连接，接收足底扫描测试平台、摄像头各自传输的数据。\n[0009] 所述的一种脚型参数测量装置，其特征在于：所述摄像头有三个，分别嵌入在封装箱体的左、右、后三侧侧壁，和水平面夹角呈45°对足部进行拍摄。\n[0010] 所述的一种脚型参数测量装置，其特征在于：所述带有光栅的点光源中，光栅为采用丝网印刷工艺，在有机玻璃制作的薄面上印制的一条稠密的条纹带，点光源的光线通过稠密的条纹带在足部表面投影，形成光栅效应。\n[0011] 所述的一种脚型参数测量装置，其特征在于：所述封装箱体为方形，或者其他任意形状。\n[0012] 所述的一种脚型参数测量装置，其特征在于：所述足底扫描测试平台、摄像头分别通过USB数据线与计算机通讯连接。\n[0013] 一种脚型参数测量方法，其特征在于：包括以下步骤：\n[0014] （1）点光源的出射光通过光栅后在足部形成投影，通过安装在封装箱体不同侧壁上的摄像头在三维空间不同方向采集带有投影的足部图像，同时足底扫描测试平台对足底进行扫描，获取足底图像；\n[0015] （2）摄像头将带有投影的足部图像传送至计算机，同时足底扫描测试平台将足底图像亦传送至计算机，计算机对带有投影的足部图像、足底图像进行分析计算，获得足部特征位置、数据信息，通过结合足底图像、带投影的足部图像进行三维重构，得到足部的三维模型，根据足部的三维模型得到脚型参数；\n[0016] （3）计算机将得到的脚型参数数据存储在数据库中，进行数据库样本分析，以归类出相同尺寸下不同型的脚型。\n[0017] 所述的一种脚型参数测量方法，其特征在于：带有投影的足部图像为摄像头提供平面图像不具备的深度信息，通过摄像头采集到的带有投影的足部图像得到足部表面点的三维信息。结合足底扫描测试平台得到的足底图像，实现足部的三维建模。\n[0018] 本发明相对于现有技术的有益效果为：\n[0019] 其一，精度比传统接触式脚型测量仪更高，本发明通过对脚型的图像信息进行综合分析，处理计算，获得脚的各项参数和有用信息，而不受外界环境的干扰和操作人员熟练程度的影响，因此精度比起传统的接触性脚型测量设备要高很多，抗干扰能力也强很多。\n[0020] 其二，别出心裁的在点光源处加装了光栅，通过投影形成的光栅现象，可以给摄像头提供捕捉到画面中足部的深度信息，结合已知标定的平面信息，可以进行完整的三维重建，这减少了摄像设备的数量，大大压缩了成本，精巧的设计避免了大量的图形计算和复杂的标定模块化，以最便捷的方式取得很好的效果和准确的数据。这也是本测量系统的亮点之一。\n[0021] 其三，获得的测量数据更多。采用足底扫描测试平台和三个摄像头作为图像传感器，使得脚型参数测量装置能够获得更多的脚型信息。如果只有位于底部的扫描设备，则只能测量脚长和脚宽等有限的几个参数，加上位于侧面的摄像头的辅助后，则可以测量跖围，足弓高等更多并且更全面的脚型参数，并能实现进行全面的足部模型的三维重建的目标。\n[0022] 其四，对外围硬件要求较低。与其它三维脚型测量仪相比，本发明不需要处理特别复杂的3D图形数据，因此不需要处理性能很好的电脑，普通的家用机就可以胜任。\n[0023] 其五，整体结构比较简捷，整体尺寸较小。本发明利用光栅现象，对玻璃板上的坐标点进行摄像头的标定，省去了其它三维脚型测量仪常用的位于测量仪顶部的两个摄像头。由于这些结构上的改进，因此整体的尺寸得到了控制和压缩。\n[0024] 其六，成本低廉，只需要普通的CMOS网络摄像头，不需要价格昂贵的CCD摄像头；\n因为不需要调整摄像头和光源的位置，因此不需要驱动电机以及相应的电机驱动器；采用相对价格比较低廉的点光源，而非价格相对高昂的线光源。采用以上各种措施，可以在保证结果准确性的前提下，大大压缩制造成本。\n附图说明\n[0025] 图1 本发明结构原理示意图。\n[0026] 图2计算机测试分析软件功能流程图。\n[0027] 图3 计算机测试分析软件功能模块图。\n具体实施方式\n[0028] 如图1所示。本发明装置由：已标定的足底扫描测试平台1、摄像头2、带有光栅的点光源3、封装箱体4和计算机5组成。其中，已标定的足底扫描测试平台1位于封装箱体4的底部，摄像头2分别位于封装箱体4的箱体的左、右、后三侧，带有光栅的点光源3位于封装箱体4的顶部。摄像头2、足底扫描测试平台1图像的传送是通过USB2.0接口与计算机\n5相连接；计算机5的测试分析软件功能模块包括通信接口组件、数据采集组件、数据存取组件、数据分析组件、档案管理组件、参数报表组件以及打印驱动组件。计算机5的测试分析软件通过已标定的足底扫描测试平台1、摄像头2输出的图像信息，通过分析软件综合分析计算获得足部特征位置、数据信息以及三维重构，为足部分析研究、制鞋业的足部测量与分析、鞋产品舒适性评价与个性化定制，以及医疗康复效果评估等提供科学的依据。这里，提出一个足型分类系统的概念：对存储在数据库的大量脚型数据，进行数据库样本分析，为相同鞋码的多个用户，进行模式分类。根据不同的足型特征，提供同尺不同型的个性化制鞋建议。即是通过对数据库存储数据的分析，软件给出个性化制鞋参考建议。\n[0029] 已标定的足底扫描测试平台1：由普通的平面扫描仪改装而成，固定好摄像头2位置之后，依据摄像头2捕捉到的图像，对摄像头2进行标定，在足底扫描测试平台1上面做出标出刻度线。\n[0030] 摄像头2：摄像头2是三个分别用螺丝固定于箱体左、右、后侧壁的普通CMOS摄像头，和水平面夹角呈45°对足部进行拍摄，分别采集带有投影的足部图像信息。\n[0031] 带有光栅的点光源3：分别位于封装箱体前后端顶部，光栅采用丝网印刷工艺，在有机玻璃制作的平面上，印制有一条稠密的条纹带，点光源的光线通过此条稠密的条纹带依次照射脚部，即可在足部表面皮肤上投影，形成光栅效应，从而提供捕捉到的图像的深度信息。足底扫描测试平台1和摄像头2和带有光栅的点光源3组成了完整的图像信息获取部件。足底扫描测试平台1获得的完整足底图像信息，摄像头2结合带有光栅的点光源3，可以获得足部整体图像信息，从而进行三维重构。\n[0032] 封装箱体4：其余所有的组成部分的承载和封装体。由内侧涂黑的长方体箱体构成。\n[0033] 计算机5：计算机中设置有测试分析软件，测试分析软件的功能模块包括通信接口组件、数据采集组件、数据存取组件、数据分析组件、档案管理组件、参数报表组件以及打印驱动组件。计算机5的测试分析软件通过已标定的足底扫描测试平台1、摄像头2输出的图像信息，通过测试分析软件对源图像的综合分析判断和计算，获得足部特征位置、数据信息，并进行三维重构，恢复完整的足部模型。为足底测量的应用研究提供数据分析模板和参数指标体系。同时也可以为足部分析研究、身份识别研究、制鞋业足部检测与分析、鞋产品舒适性评价与个性化定制，以及对医疗康复时的康复效果评估等提供科学的依据。同时，足型分类系统的概念，可以根据不同的足型特征，进行同尺不同型的个性化制鞋。\n[0034] 封装箱体4将已标定的足底扫描测试平台1、摄像头2和带有光栅的点光源3封装为一个整体，构成了完整的图像信息获取装置。将足部放在扫描设备上，正常姿势站立。带有光栅的点光源3提供光源，并在足部表面形成具有光栅效应的投影。已标定的足底扫描测试平台1扫描足底平面图像。同时，摄像头2拍摄足部的图片。设备扫描和拍摄的图像通过USB与安装有测试分析软件的计算机5相连接，计算机5的测试分析软件通过分析计算，实现足部的三维建模，并得到相关所求数据。\n[0035] 如图2所示。测试分析软件启动后，用户（操作员）双击图标运行程序， 输入新客户资料（或加载老客户资料），就绪后点击“开始测量”按钮。程序自动调用设备驱动、启动设备并开始获取图像，缓存、备份原始数据，根据缓存原始数据，程序自动调用图像处理程序：\n一方面，已标定的足底扫描测试平台1扫描足底平面图像，软件对足底平面图像处理，经过图像去噪、图像增强、背景剔除、阈值分割、轮廓提取、形态学处理的步骤，可以建立足底平面坐标系，并求出相关足底平面的数据；另一方面，摄像头2拍摄足部的图片，由于已在足底扫描测试平台1对摄像头2做出标定，并刻有标定线。那么，带有光栅的点光源3在足部表面形成的光栅效应的投影图像即可为左右侧摄像头提供平面图像所不具备的深度信息，即可知道足部表面点的三维信息。结合脚底平面图像，和后侧的摄像头，即可以实现足部的三维建模，并得到相关所求数据。通过这样方式，系统生成并显示预处理的脚型图像，提取脚型特征点，实现三维重建，恢复完整足部模型，并在显示的脚型图像中标识（当特征点明显有误或偏离较大时，允许用户手动调整）。同时，程序自动计算特征参数，生成报表，供用户打印；对存储在数据库的大量脚型数据，进行数据库样本分析，为相同鞋码的多个用户，进行模式分类。根据不同的足型特征，提供同尺不同型的个性化制鞋建议。即是通过对数据库存储数据的分析，软件给出个性化制鞋参考建议；后台运行网络监视线程，根据程序设置、网络连接和远程服务器状态，判断测试数据发送时机。\n[0036] 如图3所示。计算机的测试分析软件功能包括平台管理、用户输入、图形获取、显示管理、图像分析处理等。其核心是图像分析处理，以项目模板和数据库为基础，分析计算已标定的足底扫描测试平台1和摄像头2获得的图像，得到特征点特征数据及参数，实现三维重构，获取足部模型。\n[0037] 作为上述实施实例的应用，本发明可用于脚型测量领域，是图像处理、医疗康复领域的一种数据获取装置和数据分析方法。测试分析软件通过对脚步特征点的选取以及对脚型的三维重建，可以提供一种制鞋业足部生物学检测与分析、临床及足部康复效果评估等领域的非接触式脚型测量、数据测量装置与分析的途径。\n[0038] 作为上述实施实例的应用，本发明还可用于制鞋业的鞋产品舒适性评价与设计、鞋产品个性化设计、矫形鞋具的设计与效能评估。