一種人體足部快速三維掃描方法

一種人體足部快速三維掃描方法

一種人體足部快速三維掃描方法是由魏斌 苗一飛 李文潘 發明開發。

本發明公開了一種人體足部快速三維掃描方法,涉及三維掃描及數字化分析技術領域,所述方法采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定;向足部投射散斑,采集足部圖像,進行散斑匹配;利用已標定好的測量頭進行三維密集點云重建,得到足部三維模型;根據所述足部三維模型提取足部模型尺寸。本發明提供的人體足部快速三維掃描方法可以獲得人體足部的內踝點、外踝點、足跟點、趾尖點等足部關鍵點坐標,進而完成足部腳圍、腳長、外踝長、腳寬圍、腳跟圍等尺寸的自動提取解算,掃描速度快,精度高。

[0001] 本發明涉及三維掃描及數字化分析技術領域,具體涉及一種足部快速三維掃描方法。

背景技術

[0002] 隨著生活水平的提高,人們對鞋類產品的要求也漸漸地從單純追求款式的漂亮過渡到對舒適度的要求。我國幅員遼闊,由于區域不同、生長環境不同,各地區人群的足型也會有各自的特征,因此鞋類企業就需要針對消費對象,進行設計研發和銷售,使消費者能夠買到更適合他們腳型的鞋類產品,然而國內制鞋行業對各地區群的足型特征基礎研究仍然不夠。傳統的制鞋業將皮鞋分為男鞋、女鞋、童鞋幾類,并且將人腳的長度劃分為幾個對應的區間,然后對于每一類鞋為每一個腳長區間定義一個碼數,規定腳長位于該區間的腳均應該穿著該區間所對應碼長的鞋子。在同一個碼長的鞋子中,根據腳寬的不同還分成不同的肥瘦型。在生產的過程中,根據碼長和肥瘦型生產出特定鞋號和款式的標準鞋楦,然后根據這些標準鞋楦制作成不同大小不同樣式的鞋子。人們在購買鞋子的時候常常需要試穿不同型號的鞋子來尋找盡可能適合自己腳型的鞋,以至于在大部分的情況下,人腳必須被動地適應鞋子固定的尺寸和形狀。事實上,屬于同一碼長所對應的腳長區間的腳型形狀差異是很大的,即使是同一個人的左右腳也并非是完全鏡像對稱的,也可能存在長短、胖瘦、足弓高度等不同程度的差異,甚至同一個人的左右腳不屬于同一個鞋子碼長所對應的腳長區間的情況也較為常見。因此,很多人不得不忍受皮鞋擠腳、磨腳或不跟腳的痛苦。為了改變這種“削足適履”的現狀,根據用戶的腳型形狀進行鞋子定制是不可避免的。

[0003] 特定職業的人員如運動員、演員等在訓練過程需要對腳型的動態形狀以及步態壓力進行研究。為了能夠達到更好的訓練效果,有時需要對運動員或舞蹈演員等進行動作姿勢的調整,而腳作為支撐整個身體的著力點,其著地的姿勢、角度等對整個動作的完成起決定性作用,所以通常需要對他們在運動過程中,腳著地的短時間內的形狀變化進行分析,從而指導訓練。在醫學研究方面,腳型形狀的測量可以為生物動力學,人體運動學的研究提供更全面的數據資料,可以幫助研究兒童腳型的發育過程,幫助觀察病態腳型康復療效,另外,其還可以進行輔助假肢再造以及醫學仿真實驗等。

[0004] 傳統的足型數據獲取采用的是手工測量的方式,雖然該方法操作簡單、成本低廉,但是存在精確度低、效率低等問題,并且由于手工測量只能針對足部特征點,缺乏對足部形態的整體特征信息的描述。面對大數量的足型數據采集,若使用皮尺、高度尺、量腳規及量腳板等工具逐一量取足部關鍵測量部位的尺寸,測量數據的精確程度極易受到測量者的操作手法及被測者姿勢的影響,且要獲得完整的數據需花費大量的時間,其低效率的缺點立刻顯現。另外,原始手工測量所得到的少數參數并不能準確地完全地描述足部形狀。研究結果表明每個人的足弓高和腳趾與腳底平面夾角都是顯著不同的,這一方面并未體現在我國現行的標準中,即按照腳長和腳寬兩個特征尺寸來確定鞋型,并不能準確的反映出屬于同一號型的不同個體腳型的差異。這從另一方面說明需要一種新的腳型測量方式和表達方法來更加便捷地獲取和全面地表達腳型的形狀。

內容

[0005] 有鑒于此,本發明要解決的技術問題在于,針對現有人體足部外形輪廓三維重構方法精度低、掃描速度慢、魯棒性差、成本高、不符合足部生理特點以及難以市場化推廣的問題。

[0006] 本發明通過以下技術手段解決上述問題:

[0007] 一種人體足部快速三維掃描方法,所述方法應用于包括測量頭的足部三維掃描裝置中,所述測量頭包括兩個相機和散斑投射器,所述方法包括:

[0008] 調整所述測量頭視場;

[0009] 采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定;

[0010] 向足部投射散斑,采集足部圖像,進行散斑匹配;

[0011] 利用已標定好的測量頭進行三維密集點云重建,得到足部三維模型;

[0012] 根據所述足部三維模型提取足部模型尺寸。

[0013] 進一步的,所述測量頭為兩個,所述采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定包括:

[0014] 將帶有編碼點和非編碼標志點的標定板放置于相機的視場下,通過移動標定板獲取標定板在八個不同位置和姿態的相機圖像;

[0015] 通過圖像處理,識別出八組圖像中非編碼點的圖像坐標和編碼點對應的編碼值;

[0016] 通過攝影測量中相對定向算法計算出前兩組圖像的相對位置關系,并重建出編碼標志點物方坐標;

[0017] 通過直接線性變換法和角錐法定向出其它組圖像位置,重建出非編碼標志點的物方坐標:

[0018] 通過捆綁調整優化算法對相機內部參數、外部參數、物方特征點坐標進行整體的迭代優化,得到所述兩個測量頭相機間的內外參數。

[0019] 進一步的,所述散斑匹配包括:

[0020] 采用種子點擴散方法進行粗匹配;

[0021] 采用數字圖像相關法進行精細匹配。

[0022] 進一步的,所述利用已標定好的測量頭進行三維密集點云重建,得到足部三維模型包括:

[0023] 用已標定好的測量頭進行分布式密集重建三維點云,再對多個測量頭的點云模型進行融合,得到足部點云輪廓模型;

[0024] 對所述足部點云輪廓模型進行三角網格化封裝和補洞,得到所述足部三維模型。

[0025] 本發明提供的人體足部快速三維掃描方法,通過投射結構光到物體表面,由結構光中的幾何信息進而提取物體表面的三維信息,相較于現有技術具有如下優點:

[0026] 1、本發明方法采用激光散斑投影測量的方法,對人體皮膚無害,健康無輻射。

[0027] 2、本發明方法的投射器件與相機高度集成模組,縮小了硬件體積,實現毫秒級點云采集時間。

[0028] 3、本發明克服了傳統測量方法在測量范圍、測量效率以及測量精度等方面的局限性,實現了非接觸快速測量。

[0029] 4、本發明掃描速度快,一次投射多相機同時采集圖像,即可完成掃描,采集時間在微秒級,被掃描者不用在長時間內保持不動姿勢,體現了人性化設計。

[0030] 5、本發明多個測量頭組成360°全方位腳型掃描系統,輔以高精度多相機標定方法,掃描數據不需要后期拼接,自動化生成完整的人體足部模型。

[0031] 6、本發明將相機被集成在測量頭內,在測量頭標定過程中,采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定,只需要進行一次測量頭外參數的標定即可開始測量,大大簡化了標定模型,也提高了標定精度。

技術要求書

1.一種人體足部快速三維掃描方法,其特征在于,所述方法應用于包括測量頭的足部三維掃描裝置中,所述測量頭包括兩個相機和散斑投射器,所述方法包括:調整所述測量頭視場;采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定;向足部投射散斑,采集足部圖像,進行散斑匹配;利用已標定好的測量頭進行三維密集點云重建,得到足部三維模型;根據所述足部三維模型提取足部模型尺寸。

2.根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述測量頭為兩個,所述采用相機內、外參數捆綁調整的方式對所述測量頭進行標定包括:將帶有編碼點和非編碼標志點的標定板放置于相機的視場下,通過移動標定板獲取標定板在八個不同位置和姿態的相機圖像;通過圖像處理,識別出八組圖像中非編碼點的圖像坐標和編碼點對應的編碼值;通過攝影測量中相對定向算法計算出前兩組圖像的相對位置關系,并重建出編碼標志點物方坐標;通過直接線性變換法和角錐法定向出其它組圖像位置,重建出非編碼標志點的物方坐標;通過捆綁調整優化算法對相機內部參數、外部參數、物方特征點坐標進行整體的迭代優化,得到所述兩個測量頭相機間的內外參數。

3.根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述散斑匹配包括:采用種子點擴散方法進行粗匹配;采用數字圖像相關法進行精細匹配。

4.根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述利用已標定好的測量頭進行三維密集點云重建,得到足部三維模型包括:用已標定好的測量頭進行分布式密集重建三維點云,再對多個測量頭的點云模型進行融合,得到足部點云輪廓模型;對所述足部點云輪廓模型進行三角網格化封裝和補洞,得到所述足部三維模型。

說明書附圖

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圖2

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圖7