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安徽大学硕士学位论文 摘要 摘要 结合光学测量技术与计算机视觉理论进行逆向工程求解是上世纪9 0 年代后 兴起的一向新技术，随着应用的推广，该技术逐渐被应用到足部三维外形轮廓的 重构研究上。然而，随着足部生物力学研究的发展，科学工作者进一步的将各种 复杂的足部生理现象系统化、数字化，并进行客观的描述和分析，以便在运动与 生活中进一步探讨现代化的多元健康观。因此，当前足部工程应用研究的重点不 仅限于足部外形轮廓的测量，而是与足部生物力学研究紧密结合起来，通过测量 足部数字化后的生理特征参数，指导更加利于人们运动与健康的鞋子设计，同时， 收集生理特征参数数据样本，推动足部生理分析的研究。 本文研究了用于生理分析和辅助鞋楦设计的足部特征参数的测量问题，并设 计、实现了对足部生理特征参数自动测量的系统。该系统从足部生物力学研究参 数的特征出发，以光学测量与计算机视觉理论为基础，对传统足部外形参数、足 底压力区域以及足面三维轮廓等足部相关生理参数进行自动测量。利用实际完成 硬件系统，对人体足部进行自动测量，并将测量结果与传统手工测量结果进行对 比，实验结果表明系统具有更高的精确度和实用性。论文具体研究工作如下： 1 结合足部生物力学研究的特点，提出了一种更加科学、有效的足部参数测 量系统，并给出了系统空间布局图。系统将足部测量分成足底扫描与足面轮廓重 构两部分，通过对足底扫描图像处理，自动计算脚长、脚宽等传统足部特征参数， 并重点计算足底压力分布区域；通过足面轮廓重构，计算足部围度特征参数，辅 助鞋楦设计。与传统的足部外形三维重构相比，系统能够测量更多足部信息参数， 更加符合人们对现代运动健康的需求。 2 针对足底扫描图像的处理，本文采用大津阈值法分割出足底轮廓区域，并 将足底轮廓坐标映射到世界坐标，最后根据足部参数测量的定义求解脚长、脚宽 等传统足部特征参数。在足底压力区域分割计算中，将压力等级分为三级，并使 用大津阈值法自动求解相应等级的分割阈值，完成足底压力区域的分割。实验结 果表明，该方法能够快速、有效的计算部分足部特征参数，并完成足底压力区域 的分割。 安徽大学硕+ 学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 3 针对足面轮廓三维重构，大量线结构光图片的处理需要耗费大量的时间， 本文首先采用大津阈值法对线结构光带进行初步分割，然后通过灰度中心法求解 线结构光中心，并经过剪枝过程提取骨架，消除非结构光中心的像素点。实验结 果表明，该方法提高了足面轮廓重构的精度，加快了图像处理时间。 4 建立了实验测量平台，并完成了真实人体足部的测量，最后通过实验测量 结果与传统手工方法测量结果进行误差分析，实验结果表明系统具有很好的应用 性与推广性。 关键词：足部参数测量；足底压力区域分割；足面三维重构；骨架提取； i i 安徽大学硕士学位论文 a b s 昀c t a b s t r a c t t h en e wt e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e dw i t ho p t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rv i s i o nt h e o r yt os o l v er e v e r s ee n g i n e e r i n g ，i sar i s i n gt e c h n o l o g yf r o m19 9 0 w i t ht h ep r o m o t i o no fa p p l i c a t i o n ，t h i st e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e di nt h er e s e a r c ho f f o o t3 - do u t l i n e r e c o n s t r u c t i o n h o w e v e r , a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to ft h ef o o t b i o m e c h a n i c sr e s e a r c h ，t h ec o m p l e xf o o t p h y s i o l o g yp h e n o m e n o ni ss y s t e m a t i c ， d i g i t a lf o rt h eo b je c t i v ed e s c r i p t i o na n da n a l y z e db ys c i e n t i s t s ，a n dt h e nt h em o d e r n d i v e r s i f i e dh e a l t hv i e wi ns p o r ta n dl i f ei se x p l o r e d s ot h ei m p o r t a n tp o i n to ft h ef o o t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nr e s e a r c hi sn o to n l yf o c u s i n go nf o o ts h a p ec h a r a c t e r i s t i c so f m e a s u r e m e n t ，b u ta l s oc o m b i n i n gw i t hf o o tb i o m e c h a n i c a l s t u d yc l o s e l y b y m e a s u r i n gt h ef o o td i g i t a lp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dc o m b i n gw i t h t h e o r e t i c a lo ff o o tb i o m e c h a n i c sr e s e a r c h ，t h ed e s i g no fs h o e sf o rs p o r t s ，h e a l t ha n d s c i e n t i f i cc a r lb eg u i d e d a tt h es a m et i m e ，t oc o l l e c tt h es a m p l ed a t ao ft h e p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rc a nf u r t h e rp r o m o t et h ef o o to fb i o m e c h a n i c s r e s e a r c h t h et h e s i ss t u d i e st h em e a s u r e m e n t p r o b l e mo f f o o tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf o r p h y s i o l o g i c a la n a l y s i sa n da i d e dd e s i g no fs h o ea n dd e s i g na n dr e a l i z e sas y s t e m w h i c hc o u l dm e a s u r ea u t o m a t i c a l l yf o o t p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r s b a s e do no p t i c a lm e a s u r e m e n ta n dc o m p u t e rv i s i o nt h e o r y , a n ds t a r t i n gf r o mt h e f e a t u r ew h a tr e s e a r c h e d b yt h e b i o m e c h a n i c so ft h ef o o t ，t h e s y s t e mc o u l d a u t o m a t i c a l l ym e a s u r et h ef o o tp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d i n gt r a d i t i o n a l f o o ts h a p ep a r a m e t e r s ，t h ea r e ao fp l a n t a rp r e s s u r ea n d f o o t3 - do u t l i n e b yt h eu s e o fh a r d w a r es y s t e mw h i c hh a db e e nc o m p l e t e da c t u a l l yt om e a s u r eh u m a nf o o t a u t o m a t i c a l l y , a n dc o m p a r e dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sw i t l lt r a d i t i o n a lm a n u a l m e a s u r e m e n t sr e s u l t s ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mh a sh i g h e r a c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t y t h em a i nf i n d i n g so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 c o m b i n i n g w i t hf o o tb i o m e c h a n i c a l s t u d y , t h e t h e s i si n t r o d u c e st h e i i i 安徽大学硕士学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 c h a r a c t e r i s t i co fam o r es c i e n t i f i ca n de f f e c t i v ef o o tp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ， a n dg i v e st h es y s t e ms p a c el a y o u td i a g r a m t h em e a s u r e m e n to ff o o td i v i d e di n t o p l a n t a rs c a na n df o o tc o n t o u rr e c o n s t r u c t i o ni ns y s t e m b yp r o c e s s i n gt h ei m a g eo f f o o ts c a n ，c a l c u l a t i n ga u t o m a t i c a l l yt r a d i t i o n a lf o o tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha s f o o tl o n g ，f o o tw i d ea n dt h e nt h es y s t e mf o c u so nc a l c u l a t i n gt h ep l a n t a rp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na r e a ；a tt h es a m et i m e ，b yr e c o n s t r u c t i n gf o o ts u r f a c ec o n t o u r , t h es y s t e m c a l c u l a t e st h ef o o tc i r c u m f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r st oa s s i s ts h o el a s td e s i g n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf o o ts h a p er e c o n s t r u c t i o n ，t h es y s t e mc o u l dm e a s u r e m o r ef o o ti n f o r m a t i o n ，a n dm e e tn e e d so ft h em o d e m p e o p l es p o r t sa n dh e a l t h 2 i nf o o ts c a ni m a g ep r o c e s s i n g ，i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fo t s ut h r e s h o l d w a su s e dt os e g m e n tc o n t o u ra r e ao ff o o t ，t h e nm a p p i n g p l a n t a rc o n t o u rc o o r d i n a t e st o w o r l dc o o r d i n a t e s ，a n df i n a l l y , c a l c u l a t i n ga u t o m a t i c a l l yt r a d i t i o n a lf o o tc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ss u c ha sf o o tl o n g ，f o o tw i d et h a ta c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no ff o o t p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t i np l a n t a rp r e s s u r ea r e as e g m e n t ，p r e s s u r el e v e li sd i v i d e d i n t ot h r e el e v e r sa n dt h em e t h o do fo t s ut h r e s h o l dw a su s e dt oc a l c u l a t et h r e s h o l d f o rs e g m e n t a t i o nw h i c h c o r r e s p o n d st o t h e p r e s s u r el e v e l ，a n dt h e nc o m p l e t e s e g m e n t a t i o no ft h ep l a n t a rp r e s s u r er e g i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dc a l lc a l c u l a t et h ep a r to ft h ef o o tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf a s t ，e f f e c t i v ew h i l e c o m p l e t ep l a n t a rp r e s s u r er e g i o ns e g m e n t a t i o n 3 t h i st h e s i sf i r s tu s eo t s ut op r e l i m i n a r ys e g m e n tt h el i n es t r u c t u r el i g h tb a n d ， b e c a u s et h ep r o c e s s i n go ft h el a r g en u m b e ro fl i n es t r u c t u r e dl i g h ti m a g es p e n d sal o t o ft i m ei nr e c o n s t r u c t i o no ff o o ts u r f a c ec o n t o u r , a n dt h e nu s et h eg r a yc e n t e rm e t h o d i st os o l v et h el i n e a rs t r u c t u r e dl i g h tc e n t e r , w h i l ee l i m i n a t et h ec e n t e rp i x e lo ft h e n o n s t r u c t u r e dl i g h ta f t e rt h ep r u n i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ，t h e p r o p o s e dm e t h o di m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h eo u t l i n eo ft h ef o o ts u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，a n ds p e e du pt h ei m a g ep r o c e s s i n gt i m e 4 t h et h e s i ss e tu pt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n dc o m p l e t e st h em e a s u r e m e n to f t h er e a lh u m a nf o o t f i n a l l y , e r r o ra n a l y s i sw a sm a d eb yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a l r e s u l t sw i t ht h er e s u l t sw h i c hu s et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t h o d st o m e a s u r e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ts y s t e mh a sag o o da p p l i c a t i o na n de x t e n s i o n i v t h ef o o tp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ；f o o tp r e s s u r ea r e as e g m e n t a t i o n ； f o o ts u r f a c e3 - dr e c o n s t r u c t i o n ；s k e l e t o ne x t r a c t e d ； v 安徽大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 计算机视觉研究的主要目的是使得计算机能够通过二维图像感知空间三维 环境信息，从而使得机器具有感知物体在现实三维空间中的形状、纹理、位置、 运动以及相关几何信息，以便帮助机器更好的理解和识别物体。上世纪8 0 年代 以来，m a n 的视觉计算( 也称为三维重建框架理论) 、基于模型的视觉( m o d e l b a s e dv i s i o n ) 、主动视觉( a c t i v ev i s i o n ) 等模型框架为计算机视觉的应用奠定 了理论基础，设计实现针对特定目的的视觉测量系统已经广泛的被用于现实生活 和成产中。 光学三维测量技术【1 - 6 ( o p t i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ) 是以视觉理论为基础，结合光电学、数字图像处理、图形学等科学技术为一体的 现代测量技术，在目前三维数据采集工程应用中成为热点。该技术将各种结构光 投射到物体表面，人为的将物体外形特征信息加载于光学图像中，通过提取和还 原图像中的光学信息，最后由计算机融合相关信息，完成物体真实三维模型的重 构，该技术具有非接触、精度高、速度快等优点。而随着社会的发展，计算机、 数字图像传感设备等硬件设施性能的提高和成本的降低，更进一步的推动了光学 测量技术的发展，拓宽了其应用前景。 利用光学测量技术对足部进行三维重构的研究，法国、英国、德国、日本等 发达国家开始的比较早，主要以单目视觉和双目视觉理论框架为依据，并提出了 许多的测量方法，推出了很多成熟的商业产品，我国在光学测量方面的研究开展 的比较晚，但也取得了相当的成果。采用光学测量技术对足部进行三维重构的关 键点在于以下四点：( 1 ) 足部复杂面形对系统设计的影响；( 2 ) 数学图像处理中 大量外形轮廓信息处理算法的选择对测量时间的影响；( 3 ) 相关硬件传感设备的 成本对市场承受能力的影响；( 4 ) 足部参数测量的实际研究意义。研究解决相关 问题，提供快速开发和有效产品的解决方案，具有广泛的应用价值和现实意义。 本章围绕本文研究的理论，首先阐述了利用计算机视觉技术对足部三维重构 技术的应用，给出了足部三维重构技术的背景及研究价值，并叙述了本文足部重 构系统的独特之处，接着说明了当前足部三维重构技术在国内外研究中的相关方 安徽大学硕士学位论文非接触式足部参数测量应用研究 法以及目前国外现有的相关足部三维测量仪，最后概括了本文的结构组织和主要 研究内容。 1 1 研究的背景和意义 随着社会进步发展，世界各国对健康内涵的认识已经从传统医学范畴上的模 式扩展为现代多元化的运动健康观，进而拓展了人体生物学领域的发展。人体生 物力学旨在研究怎样把复杂的生理问题系统数字化，进而对人体生理现象进行客 观定量的描述和解释【j 卜9 1 。随着现代科技的飞跃发展，运动生物力学( 人体生物 力学的分支) 的研究也取得了巨大的成就，其成果被应用于指导竞技体育的训练 和民众科学的健身锻炼，并取得了令人瞩目的成果。作为人体运动生物力学最重 要的部分，足部生物力学的研究也因为其在运动与健康方面所具备的决定性的因 素而兴起。如何更加完善和有效的数字化足部生理特征，简单、便利的测量其相 关形态特征参数，以备人体生物学家对人体足部生理现象进行正确、科学的解释 和分析成为了当前工程人员研究的热点。 在医学领域，医学研究者发现，通过对糖尿病患者和正常人静态足底压力参 数进行测量，再对病理足和正常足的压力值进行对比分析，能够探讨病理足的演 变和形成【1 0 1 ，并对病理足进行等级划分，指导其治疗过程。在运动领域，通过 对体育运动出现的各类足部损伤的相关机理与运动过程相关性的分析，临床研究 证明，通过穿戴特殊功能的运动鞋【1 2 d 4 1 ，能够很大程度的降低各类肌肉拉伤和关 节损伤的发生。在生活领域，相对于传统制鞋方式简单、款式固定、鞋楦通用等 不能满足现代特定职业人员( 如演员等) 在特定场合下对鞋子个性化的要求，通 过光学三维测量方法，对特定人员的足部进行三维重构【1 5 j 7 1 ，以此构建特定的鞋 楦来满足特殊场合的要求在国内外的研究中，已经取得了很大的成果。 各行的研究人员因为自身研究领域的不同，对足部生理特征描述所关注的重 点也不相同，这样对人体足部生理现象的描述具有一定的片面性。医学工作者只 关注足底压力与病理特征的关系，因此他们推动了各种足底压力测量板的发展； 体育科学家针对保护不同职业运动员的足部安全，因此他们设计了各种结构的运 动鞋；而艺术设计者也仅仅是从个性化，美观化的角度考虑，利用计算视觉方法 重构足部三维轮廓，并制定特定的鞋楦来满足特定环境的需求。显然，这些只从 安徽大学硕士学位论文 第一章绪论 个别角度去分析足部生理现象得到的结果并不能满足现实人们对现代多元化运 动健康观的要求。 本文改进以往单一的利用计算视觉重构足部外形轮廓的方法，引入对足部相 关参数的测量，以更加完善、准确的数字化形式来描述人体足部生理现象，并结 合运动生物力学研究分析，满足人们现代多元化的运动健康观的需求。通过将该 系统市场生产化后不仅能够满足人们运动生活更加健康，更加科学，同时推动运 动普及度，提高人们生活质量，促进制鞋产业的发展，而且系统能够通过采集大 量群众足部参数样本，并送回数据样本中心，能够给足部生物力学的研究提供更 加完备的数据资料，进一步推动足部生物力学的发展。 1 2 光学三维测量的方法 相对以往接触式脚底测量技术，光学测量技术能够快速、精确、有效的对足 部轮廓进行三维重构，并测量相关足部参数，该技术推动了制鞋工业中个性化鞋 楦的设计，方便人们在日常生活中选择合适的，有利于运动健康的鞋子，同时有 利于大规模的统计测量人体足部参数样本，进而探讨人体足部生理特征与模式。 国内外的足部三维重构测量系统设计目前向着操作简单、携带方便、数据信息与 其它信息技术更紧密结合的方向发展，其理论依据主要有基于单目视觉的激光扫 描三维重构和基于双目视觉的多视图三维重构两种方法。 1 2 1 基于单目视觉激光扫描三维重构 激光扫描三维重构是结构光三维视觉技术在足部重构中的一种应用，该技术 是基于激光三角法测量原理 i s - 2 1 ，又叫光切法，当结构光投射到物体表面时，物 体表面对结构光束进行三维空间内的调制，改变结构光束成像的角度，进而改变 像点在图像坐标中的位置，原理示意图如图1 1 所示。在由基于线结构光对足部 轮廓三维重构系统中，系统由线结构光源投射形成一个光平面，当光平面与物体 轮廓面相交时就能形成一条明亮的光带，这条光带是由线结构光与物体不规则表 面经过调制所得，摄像机通过拍摄该光带所得到的图片，并在线结构光源与摄像 机之间相对位置一定时，可以通过调制后的线结构光带图像坐标由三角测量法重 现物体表面坐标，恢复物体三维轮廓形状。其中线结构光模型的几何结构关系如 安徽大学硕士学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 图1 - 2 所示。 投 图1 1 三角测量原理示意图 f i g 1 - 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mb yt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t 图卜2 线结构光模型的几何结构关系 f i g 1 - 2g e o m e t r yr e l a t i o n s h i po ft h el i n es t r u c t u r e dl i g h tm o d e l 1 2 2 基于双目视觉的多视图三维重构 利用计算视觉进行三维重构的另一种方法就是基于双目视觉多视图三维重 构。多视图三维重构是对同一场景下，在不同视角上拍摄多幅图像( 满足两幅即 可) ，并寻找这些幅图像之间的对应关系，并以此恢复物体表面三维结构，该方 法是基于仿生学的基础上发展而来的。通过对人类眼睛获取现实生活中三维信息 安徽大学硕士学位论文 第一章绪论 的理论研究可得，当两只眼睛观察同一个点时，大脑能够感受到物体的深度和远 近，因此空间中一点的深度信息可由两幅不同视角的图像坐标计算得到。而多视 觉三维重构方法是模仿人的两只眼睛获取现实物体空间信息模型化得来的，通过 多个视角拍摄物体，然后通过视觉理论模型计算物体空间点的三维坐标，以此来 恢复物体三维轮廓形状，其结构示意图如图1 3 所示。多视图足部轮廓三维重构 一般是在足部四周放置四个摄像机，在特定约束条件下，计算足部轮廓三维坐标 信息。由于受到足部形状特征的影响，这种方法一般只适合对足面轮廓进行三维 重构。 图l - 3 多视图结构示意图 f i g 1 - 3 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ft h em u l t i v i e w 场景几何信息、摄像机几何信息以及图像深度信息的未知使得利用多视图进 行场景物体三维模型重建是一项很复杂的任务。因此在实际重构处理中一般简化 假设场景模型为刚性的，摄像机模型为理想针孔模型。在简化假设场景条件下， 利用多视图进行重建物体三维轮廓几何结构的关键问题在于多图像( 一般只有两 幅) 间的图像匹配，可以根据计算图像像素间的相似度，并在特定约束条件下， 找到多图像间最相似的系列像素点，然后根据多视图结构关系计算该像素点对应 的现实实物三维空间结构。但是由于图像自身可能存在重复特征点和噪声因子， 且不同摄像机在拍摄图像中存在不同的投影畸变和光学畸变等因素，增加了图像 匹配的难度，因此该方法需要额外的添加相关信息和约束条件来降低图像匹配的 安徽大学硕士学位论文非接触式足部参数测量应用研究 难度。 1 2 3 足部轮廓三维重方法 自上世纪九十年代，大量的数学计算方法被引入到视觉领域后，三维重构理 论研究方法主要分为三种：( 1 ) 激光( 点或线结构光) 扫描瞳卿羽( 属于单目视觉范 畴) ；( 2 ) 面结构光投影旺 嘲( 属于单目视觉范畴) ；( 3 ) 多视图重构汹删( 属于双目 视觉范畴) 。对于足部三维重构的研究，在国内，居琰汹1 ，贾倩倩凹1 等采用线激 光扫描实现了足部三维重构系统；胡勇0 。，q i n gh e 口u 等采用多视图方法实现了 足部三维重构系统；在国外，j i a h u iw a n g , h i d e os a i t o 。论1 采用多视图方法实现了 足部三维重构，而且该系统能够自动对足部系列参数进行测量。 对于这三种重构方法，激光扫描方法有很高的精度和很强的鲁棒性，但是激 光光源价格昂贵，而且重构速度较慢；而由于受到足部外形轮廓不规则的影响， 面结构光投影方法无法被应用于足部三维重构；多视图方法具有重构速度快的特 点，但是该方法容易受到环境光照对特征点提取和匹配的影响，重构精度不高， 鲁棒性不好。 1 3 足部轮廓三维重构系统应用现状 尽管足部三维重构的研究在国内外已经有了很大的成果，但是，这些成果大 多存在实验室和研究所，并没有能够市场话化，产业化。只有在国际市场上出现 了一些特定功能的制鞋产品系统，其中有些产品的目的是专门为异形脚和病态脚 设计鞋楦，而且它们大多仅以制作鞋楦为目的，并不在运动与健康上考虑鞋楦设 计的科学性、合理性，同时这些足部三维扫描设备价格也十分的昂贵。国际上已 经产业化的足部三维测量扫描系统有： 法国克雷奥电子公司的脚型测量仪，该仪器采用点结构光扫描技术，该仪器 由4 个激光投射器和8 台处于不同角度的摄像机组成，通过拍摄扫描在足面上的 激光点，并处理光学图像，计算处理三维数据，实现了足部三维轮廓点云的构建。 v o r u m 公司研发的c a n f i t - p 1 矗刑仪器汹1 ，采用线结构光扫描技术，对足部进行三 维重构，并通过测量足部基本关键基准点，计算足部相关参数尺度( 如脚长、脚 宽等) 为设计个性鞋楦和足部生物力学的研究提供参考依据。 安徽大学硕十学位论文第一章绪论 在国内，很多科研单位和高校都在研究利用计算视觉重构足部三维轮廓，并 利用c a d 技术设计足部鞋楦系统。其中取得了很大的成果，不过确并没有被推广、 应用于市场。下面是国内在足部三维重构研究中，取得很大成果的机构： ( 1 ) 1 9 8 9 年四川大学电子科学技术系采用多视图三维重构理论开发了一套 鞋楦三维面形测量系统眦1 ，开了光学测量技术在足部三维重构中应用的先河。该 系统通过拍摄多幅处于可旋转工作台上固定的鞋楦，通过多视图理论对鞋楦图像 进行处理，计算鞋楦面形的三维数据。 ( 2 ) 由重庆大学和四川工业学院联合开发的“脚型测量仪”汹，矧。该系统采 用线结构光技术，由4 个激光器和3 个不同角度放置的摄像机组成。以三角测量 法为基础，通过对脚面光切图像的处理恢复足部完整三维形状。该方法没有点结 构光扫描方法那样需要处理海量数据，也没有多视图方法那样存在着图像匹配的 难点。 本文在参考文献中将给出一些关于足部三维重构产品的相关的网页啪瑚1 。目 前，国内外的足部三维测量辅助系统的设计向着可携带、易操作和容易结合其他 信息化技术的方向发展。系统的设计关键在于降低硬件成本，提高测量精度，减 少测量时间，能够设计更加科学，更加有利于运动健康的鞋类产品。 1 4 本文结构阐述 本论文主要针对目前工业制鞋中常用的鞋楦模型不能满足当前人们对足部 要求在运动与健康上的需求，在研究和总结前人对足部三维测量的基础上，从实 际应用出发，将线结构光测量技术和足底压力测量相结合，在规定世界坐标系统 下，完成摄像机标定，并经过系统误差分析，校验相关系统参数，最后进行图像 处理和信息计算，完成了足部三维轮廓测量系统的硬件和软件设计，通过实验调 试，完成了足部三维脚型测量系统样机的研制。利用计算视觉与图像处理对足部 轮廓进行测量，并与足部生物力学相结合，通过测量相关足部参数，设计有利于 运动健康的且具有个性化的鞋楦，这一应用在社会生活中具有很重要的应用价值 和发展前景。 本文的结构组织如下： 第一章：通过对足部生物力学在运动与健康上影响的描述，阐明了本系统设 安徽大学硕士学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 计的必要性和先进性，介绍了足部相关参数在运动健康方面的影响，重点阐述了 脚型测量系统开发的方法和国内外研究情况。 第二章：介绍了利用结构光测量技术中的几种方法，并说明了在足部外形三 维重构中应用线结构光测量技术的原因，接着详细的叙述了线结构光测量技术的 基本原理，重点阐述了线结构光在视觉测量技术中所应用的透视投影变换模型以 及由该模型抽象的数学公式。 第三章：首先阐述了本文系统与以往足部测量系统设计关注重点的不同，说 明了系统设计的实际应用性。接着描述了系统平台的组成，并结合前人视觉测量 模型，推导了本文系统测量的理论模型依据，并加以数学公式说明。最后探讨了 实际系统设计中存在的一些对测量结果精度具有一定影响的因素。 第四章：继第三章阐述了系统硬件平台设计和测量理论模型建立后，本章将 介绍利用软件对系统获取的光学图像进行的预处理。本章将图像预处理分为足底 图像预处理和线结构光图像预处理，其基本过程包括滤波、区域分割等。而对于 足底图片则另外需要进行边缘提取以获取足底轮廓线；对于线结构光图像，本文 利用基于骨架的灰度重心法求得结构光光刀中心。本文根据实际情况，选择中值 滤波与o t s u 自动阈值分割方法对图像进行初步处理，实验结果表明，这些基本 的图像初步处理方法不仅能够满足实际精度需求，而且大大的减少了软件在对大 量线结构光图像进行预处理的时问，同时也有很好的鲁棒性。 第五章：在上一章对系统获取图像进行预处理后，本章首先结合足部生理研 究的相关参数，给出了本文系统所需要测量相关足部参数的定义，为本章将要求 得的实验结果做铺垫。然后将实验结果分为足底轮廓区域相关参数求解和足面三 维重构及相关参数求解，并给出了具体计算步骤与实验结果。最后，为了印证本 文由二维图像坐标映射到三维空间坐标模型实验结果的正确性，本文通过给定已 知标定块并利用该映射理论模型进行反求解，并分析计算结果误差，实验证明了 本文理论模型与相关参数计算的正确性、有效性。 第六章：对本文所做的工作进行了总结，并在本文已经实现的功能上对足部 测量系统进行了展望。 安徽大学硕士学位论文 第二章光学测量技术原理 2 1 引言 第二章结构光测量技术原理 在利用光学三维测量技术对足部外形轮廓进行重构的方案中，为了解决立体 视觉( 多视图) 中图像信息特征匹配的难题，科研工作者提出了一种利用结构光 测量技术的方法聆蝴1 。结构光视觉属于单目视觉理论模型范畴，它引入可控光源 技术，将光源，摄像机以及系统平台等三者之间的空间位置信息作为先验条件， 并计算出图像坐标系、摄像机坐标系和规定世界坐标系三者之间的映射关系，再 根据摄像机透视投影成像模型，可以由二维图像还原物体真实的三维外形坐标信 息。根据结构光选择的方式不同，结构光测量技术一般可分为：点结构光测量法、 线结构光测量法、多线结构光测量法、二进制编码方法、灰度编码方法以及彩色 编码方法等。 本文通过实际应用出发，考虑到足部轮廓测量的外形特征，采用结构光测量 技术中的线结构光测量方法，以两条相交的线结构光构成结构光平面，通过移动 结构光面，并拍摄光带图像，采集足面轮廓信息。相对于其它结构光测量方法在 足部轮廓重构方面的应用，线结构光具有更好的抗干扰性与更高的精确度，能够 减小足部外形信息采集的盲区，同时对系统硬件结构要求简单，易于生产推广。 本章将在下面小节中详细的叙述线结构光的测量原理和线结构光在视觉测量中 所应用的理论模型与矩阵表达形式，为本文下面章节中系统的设计提供依据。 2 2 线结构光测量原理 线结构光测量方法是一种基于几何的视觉测量法，在上世纪9 0 年代后期发 展到了很完善的程度。线结构光测量方法又被称为光切法，是一种直接三角测量 法【4 。由结构光光源射出的光线到达物体表面时，经过空间调制，改变了光线 点在摄像机成像角度，使得光点成像坐标发生改变，其原理示意图如图2 1 。其 中z 为摄像机到结构光线的距离，x 为光线由物体表面反射形成的像点，厂为摄 像机焦距。 为摄像机到基准平面的距离，为待求偏移量，根据相似三角形可 安徽大学硕士学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 得：手= 丽l ，则物体表面与基准面的相对偏移量为：h 一孚。 摄 结构光源 1 一 h 1 叫一； 体 面 基准面 图2 1 三角测量原理示意图 f i 9 2 - i t h ep r i n c i p l ed i a g r a mb yt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t 图2 - l 为最简单的三角测量原理结构示意图，考虑到实际测量因素影响，为 了完整的获得足部轮廓三维信息，线结构光束与摄像机成像所在空间位置并不能 如图2 1 所示那样形成一个简单的直角三角形，因此在利用线结构光方法测量过 程中，必须使得线结构光投射到足部轮廓表面形成的特征线能够最大限度的包含 足部外形轮廓信息，同时采集特征线的摄像机必须能够拍摄到完整的特征线，一 般采用多台摄像机就能满足实际要求。如图2 2 为系统实际三角测量方法原理图， 相对于最基本三角测量原理图，该示意图更加能够适应系统环境要求。 表面 准面 图2 - 2 系统光路原理图 f i 9 2 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fl i g h tp a t h 图2 - 2 是系统实际光路原理图。其中，口为光束线与摄像机成像间夹角，夕 安徽大学硕士学位论文第二章光学测量技术原理 为入射光束在基准平面的反射线与像平面的夹角，口为成像光线与摄像机成像平 面的夹角，x 为线结构光经过足面轮廓空间调制后成像像素坐标偏移量。在系统 测量过程中，为了使线结构光在足面反射的点都能在摄像机上成像，使得摄像机 能够采集到完整的特征线信息，口与必须满足s c h e i m p f l u g 条件h 2 j ，即： 留口= t g a ，式中，为横向放大率。由三角几何关系可知，物体轮廓点相对 于基准平面的高度与像素偏移量x 的关系为： 伽：! 垡二丛型璺竺( 2 1 ) j $ 1 n 8 + x s i n a 。c o s 8 上式中，厂是摄像机焦距，由上式可以得出，线结构光线经过足部轮廓空间调制 后，其相对基准面的高度与成像像素坐标偏移量是一种非线性关系。 在实际的测量系统中，足部轮廓相关三维信息被加载到了图像特征线中，本 文只需要对光学图像进行处理，提取线结构光带坐标( ，) ，根据摄像机成像理 论模型，利用系统已知光源与摄像机空间位置坐标信息，结合三角测量法原理恢 复足部轮廓对应点的三维坐标( 瓦，匕，z 。) ， 可以由关系式 ( k ，匕，z 。) = f ( u ，v ) 表达。 2 3 三维视觉测量理论模型 摄像机成像的过程一般可以抽象为数学模型和非数学模型，其中数学模型包 括：数学解析模型n 3 啪3 ( 三角几何模型) 、透视投影模型h 7 1 以及仿射变换模型h 8 删 等；非数学模型主要是人工神经模型剃。基于光学测量法对足部三维轮廓测量 结合了数学三角几何模型和投影透视模型，下面就该模型进行分析。 2 3 1 坐标系定义 不论是摄像机成像模型，还是建立由物体二维图像还原物体现实三维坐标模 型都是一种由世界坐标系到摄像机坐标系间的映射关系。由二维图像重构三维轮 廓模型可以看成是摄像机成像模型的逆过程，因此本文在此介绍了摄像机成像的 透视投影模型，如图2 3 所示。 安徽大学硕士学位论文 非接触式足部参数测量应用研究 和毁羹上争戮b y u 7 萧厂 冀 坐标畸变变换 。 数字化图像 图2 4 坐标系间关系 f i 9 2 - 4t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ec o o r d i n a t es y s t e m 由图2 3 摄像机成像模型所示，摄像机成像过程中涉及到了多个坐标系间的 转换。其关系结构示意图如图2 4 所示。因此本文约定这些坐标系的表示方法分 别为： 世界坐标系( ，y 。，z 。) ：物体所在现实中的绝对场景坐标系，坐标原点与坐 标轴方向可以人为规定。 摄像机