（光学工程专业论文）人体足部激光三维扫描系统研制.pdf

摘要 本文采用基于激光三角法原理的结构光照明方式设计了一套针对人体足部 的激光三维扫描系统，对系统的关键技术进行了研究，成功研制出人体足部激光 扫描系统样机。主要工作如下： 1 、在查阅国内外相关文献的基础上，分析了基于激光三角法的足部激光三 维扫描系统原理，推导了基于摄像机模型的足部表面轮廓点与对应光带像素点的 映射关系。 2 、设计了扫描系统的总体结构，包括图像采集系统、同步运动系统和机械 结构，并编写了调试控制程序，实现了图像采集系统与运动系统的同步运行。 3 、对足部激光扫描系统进行了标定，包括摄像机标定和系统全局标定。采 用黑白棋盘格标定靶和张正友算法标定了摄像机内部参数；设计了精密的细丝标 定靶，在摄像机标定的基础上，采用直接线性变换方法，得到世界坐标与像素坐 标之间的变换矩阵，从而完成了足部激光扫描系统的全局标定。 4 、对扫描系统安装调试后，进行了人脚模型扫描实验和标准金属块扫描实 验。分析点云截面，得到长度方向、高度方向、宽度方向的相对测量误差小于 o 6 。系统技术指标达到：扫描范围：3 6 0 r a m x1 2 0 m m x1 6 0 r a m ( 长度x 高度 x 宽度) ，典型分辨率：l m m 0 2 m i n x 0 3 r a m ( 长度x 高度深度) 。 关键词：人体足部扫描激光扫描全局标定三维数字化 a b s t r a c t b a s i n go nl a s e rt r i a n g u l a t i o np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e di l l u m i n a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e s i g n e das e to fl a s e r3 一ds c a n n i n gs y s t e mf o rf o o t ，s t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yo f t h i ss y s t e m , a n ds u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h ep r o t o t y p eo ff o o tl a s e rs c a n n i n gs y s t e m 乃em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 a f t e rc o n s u l t i n gr e l a t i v er e f e r e n c e sd o m e s t i ca n da b r o a d , t h ep r i n c i p l eo ft h e s c a n n i n gs y s t e mb a s e do nl a s e rt r i a n g u l a t i o np r i n c i p l ei sa n a l y z e d b a s i n go nt h e c a m e r am o d e l ，t h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u r f a c ep r o f i l ep o i n t so ff o o t a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp i x e lp o i n t so fl i g h tb a n di sd e d u c e d 2 t h eg e n e r a ls t r u c t u r ei s d e s i g n e dw h i c hi n c l u d e si m a g ec a p t u r es y s t e m , s y n c h r o n o u sm o t i o ns y s t e ma n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h ed e b u ga n dc o n t r o l p r o g r a mi sc o m p l e t e dw h i c hr e a l i z e dt h es y n c h r o n o u sr u n n i n go ft h ei m a g e c a p t u r es y s t e ma n dm o t i o ns y s t e m 3 t h ec a l i b r a t i o no ff o o tl a s e rs c a n n i n gs y s t e mi s i m p l e m e n t e d , i n c l u d i n gt h e c a m e r ac a l i b r a t i o na n dg l o b a lc a l i b r a t i o n ab l a c k w h i t ec h e s s b o a r dc a l i b r a t i o n t a r g e ta n dz h a n gz h e n g y o u sa l g o r i t h ma r ea d o p t e dt oc a l c u l a t et h ei n t r i n s i c p a r a m e t e r so fc a m e r a s b a s i n go nt h e s e ，a l la c c u r a t ef i l a m e n tc a l i b r a t i o nt a r g e ti s d e s i g n e dt oc a l c u l a t et h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xb e t w e e nw o r l dc o o r d i n a t e sa n d p i x e lc o o r d i n a t e sb yd l tm e t h o ds oa st oc o m p l e t et h eg l o b a lc a l i b r a t i o no ft h e f o o tl a s e rs c a n n i n gs y s t e m 4 a f t e rt h ei n s t a l l a t i o na n da d j u s t m e n to fs c a n n i n gs y s t e m , t h es c a n n i n gt e s t so nt h e f o o tm o d e la n ds t a n d a r dm e t a lb l o c kw e r ec o m p l e t e d a n a l y s i so l lt h es e c t i o no f p o 缸c l o u ds h o w st h a tt h er e l a t i v em e a s u r e m e n te r r o ri nt h el e n g t hd i r e c t i o n , h e i g h td i r e c t i o na n dd e p t hd i r e c t i o ni sl e s st h a no 6 t h et e c h n i c a li n d e x e sr e a c h t h a t ：s c a n n i n gr a n g eo f3 6 0 m m 12 0 r n m 16 0 r a m ( 1 e n g t h h e i g h txw i d t h ) t y p i c a lr e s o l u t i o no flm m xo 2m m o 3 m m ( 1 e n g t h h e i g h t d e p t h ) k e yw o r d s ：h u m a nf o o ts c a n n i n g ，l a s e rs c a n t l i n g ，g l o b a lc a l i b r a t i o n , 3 d d i g i t a l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料j 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邵宾 签字日。期：2 阳3 年，2 月2 df i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五陕导师签名： 嚷弦畚 签字同期：2 p 醒年j 2 月2 d 日 签字日期：五晰，2 月修同 第一章绪论 第一章绪论 人体的脚型测量主要有接触式测量和非接触式测量两种类型。在2 0 世纪6 0 年代我国曾经开展过两次全国性的脚型调查【l 】，采用接触式测量方法测量并对2 5 万人的脚型进行分析，为我国的鞋楦设计、鞋号制定奠定了重要基础。2 0 0 3 年3 月，我国温州市首次采用非接触式测量方法对华东地区的人体脚型进行了数据采 集。虽然接触式测量较为简单、易操作，但由于劳动强度大、效率低、准确性差 等诸多人为因素，不能准确地描述出足部形状。因此，需要更加快速高效，准确 精密的针对人脚的测量方法和工具。 随着激光技术的发展，基于几何光学的激光三角法逐渐得到广泛应用。激光 三角法的基本原理是让激光器发出的激光投射在被测曲面上，用c c d 摄像机采 集光带被曲面调制后的图像，进而通过对光带的特征分析提取出被测物体的形 状、尺寸等表面轮廓信息。这种方法扫描速度快、精度高、无损且易于实现自动 化，并且可以通过软件的方法进行调整处理，是一种可靠的非接触式测量方法， 广泛应用于三维数字化以及测量领域。 1 1 人体足部测量 1 1 1 足部三维测量的应用 人体测量数据可以应用于机器、家具、武器、车辆和飞机座舱、船舶、房屋、 课桌等的设计，并形成了- - j , - j 应用学科一人类工效学或人体工程学。它能为标 准服装设计和服装规格标准的制订提供依据，还能应用于服装立体裁剪、商品检 查或服装展示等。 作为人体测量的一部分，足部的三维数字化在制鞋工业【2 】中将有重要应用。 传统的制鞋方法存在很多问题： 1 、在设计和仿制中，必须先由工人以手工方法制作母楦，对工人的技术经 验有很大的依赖性，精度很难保证，生产效率非常低。 。 2 、鞋楦的形状不能用初等解析办法描述，目前只能靠离散点和围度等尺寸 来描述。制作中缺乏将美感量化的途径，在客观上难以实现理想中的设计要求。 3 、鞋楦的设计必须符合解剖学和运动生理学理论的要求，但是传统的鞋楦 的设计和制作方法以人工为主，很多知识只是作为经验相传，缺乏系统的分析记 第一章绪论 录，难以满足优化设计的要求。 4 、由于模具的设计制作周期比较长，市场应变能力较差，难以提高经济效 益。 近年来，许多工业生产线系统正在由大规模批量型生产向用户定制的、个性 化、小规模生产转变。而快速设计生产技术对个性化生产系统不可或缺。同时， 每个人的脚型、尺寸以及个人偏好的款式大相径庭，因而面向客户的鞋业生产系 统应用将展现出巨大的生命力。个性化定制的制鞋系统的优势在于顾客在满足合 脚、舒适要求的同时还可以选择自己喜欢的皮鞋样式。从制造商的角度来看，个 性化定制的制鞋系统不仅意味着更小的库存，而且扫描获得的顾客脚型数据和相 关信息也可以保存下来备用。 可以推测：随着技术的不断进步和生产成本的降低，个性化定制的制鞋产业 将得到迅猛发展。今后，个性化定制的鞋类生产很可能走向普通大众。那么，必 须快速、准确地对人的足部实行三维数字化，满足社会发展和大众的需要。 此外，对于足部的三维数字化以及测量，还可以应用在如下的重要领域中【3 】； 1 、体质变异研究； 2 、生长发育研究； 3 、为建立适应我国国民体型的原型提供依据； 4 、在工业、国防、医学、法医、教育、体育、建筑、美术等领域有广泛的 应用； 5 、虚拟环境、因特网上购物、电子商务、产品广告等。 1 1 2 足部的非接触式测量方法 足部测量方法有接触式和非接触式两类。接触式测量【4 】包括： 1 、简易法。使用布基带尺、钢卷尺以及自制的简易工具进行测量。优点是 投资少、操作简单、工具携带方便。缺点是效率低、劳动强度大、准确性较差。 2 、机械法。借助机械装置来测量脚型。优点是效率和准确性较高，还可以 减轻繁重的体力劳动。缺点是只能测量长、宽等少数几个易测部位。 因此，非接触式测量成为主要的方法。 非接触式测量方法利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其 三维信息，如声、光、电磁等。这类方法速度快、准确性较高，而且可以减轻繁 重的体力劳动，是一种比较理想的测量方法。它又可分成两大类，一类是非光学 方法，另一类是光学方法。 在非光学测量方法中，主要利用物体对信号的反射、吸收等特性使信号被物 体调制，然后通过分析被调制的信号来计算被测物体的信息，或者利用物体与探 2 第一章绪论 针之间的相互作用特性进行测量，包括利用发射和接受电磁波信号的雷达成像 嘲、利用声波信号的超声波成像 6 1 、利用物体对x 射线吸收的计算机体层摄影 ( c t ) 【7 】、利用电子隧道电流的扫描电子显微镜( s t m ) 8 1 以及利用原子间相互 作用力的原子力显微镜( a f m ) 1 8 等。 光学测量方法又可以细分为被动三维测量与主动三维测量。 1 、被动三维测量 被动三维测量利用自然光源，不需要特殊的照明，通过摄像机从不同的位置 摄取被测物体图像，利用图像中的某些特征建立它们的关系，从而获取实际物体 的位置或尺寸信息。典型的被动三维测量方法有双目视觉法【9 】和层切法【1 0 】： ( 1 ) 双目视觉法是通过两个摄像机对物体从两个不同角度获取两幅图像， 通过同一物体所成的不同像点，建立真实世界坐标和图像坐标之间的关系。该方 法与人的双目立体视觉相似，原理直观，但是计算复杂、数据运算量大、需要依 赖于人对物体的先验知识。因此该方法常常用于对目标的识别、理解以及位置形 态的分析。 ( 2 ) 层切法又称逐层切削照相测量技术，采用材料逐层去除与逐层光扫描 相结合的方法，是近年来出现的一种断层测量技术。它以极小的厚度去逐层切削 实物，并对每一断层进行照相，能快速、自动、准确地测量实物的表面和内部尺 寸。层切法可对有孔及内腔的物体进行测量，缺点是这种测量是破坏性的、不可 逆的过程。 2 、主动三维测量 主动三维测量采用结构光照明方式，需要使用某种特别的结构照明光源，如 激光、投影光栅等。由于三维面形对结构光场的空间或者时间调制，因此可以从 携带有三维面形信息的观察光场中解调出三维面形数据。相对于被动三维传感， 它具有高灵敏度、高测量精度、高度自动化等特点，因此大部分以三维测量为目 的的系统都是采用主动三维测量方式。 ( 1 ) 数字全息法i l l j 其基本过程为：采用激光照射待测样品，利用光敏电子元件记录物场全息图， 并以数字形式保存在计算机中。数字再现全息图利用强度信息获得物体表面的灰 度分布，利用相位信息获得物体的形状信息。从而得到以层析方式显示的三维物 场，进而对三维物场进行定量分析、测量和三维重构。该方法信息获取速度快、 灵活性大，但测量范围受光学口径和c c d 器件的分辨率影响很大。 ( 2 ) 飞行时间法【1 2 j 这种方法原理比较直接，利用一束激光打在目标物体表面，漫反射光中的一 部分沿相反路径回到接受器件。激光发出和接收到的时间差，乘以激光传播的速 第一章绪论 度，就能计算出目标物体的距离。但是此方法对信号处理系统的时间分辨力提出 了很高的要求。为了提高测量精度，实际系统往往采用时间调制光束，例如采用 正弦调制的激光束，然后比较发射光束和接收光束之间的位相，计算出距离。 ( 3 ) 相位测量法 相位测量法采用光栅图样投影到被测物体表面，条纹的振幅和位相受到物体 表面的深度信息的调制。对调制后的条纹进行提取、计算、分析，即可解调出携 带物体深度信息的相位变化，从而得到物体的三维信息。主要包括：传统的莫尔 条纹法【1 3 】、时域相位测量技术【1 4 1 和空域相位测量技术1 5 1 。 ( 4 ) 结构光法 1 6 - 1 8 】 结构光法利用结构照明光源中的几何信息来帮助提取物体表面的三维信息。 由于三维面型对结构照明光束产生空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了 成像光点在检测器阵列上的位置，因此通过成像光点位置的确定和系统光路的几 何参数，即可计算出距离。使物体平移或旋转通过光平面，或者让光平面扫描物 体，就可以得到物体的三维面形信息。 结构光投影检测技术最初是从二十世纪8 0 年代发展起来的直接获取三维图 像的方法，其基本思想是利用结构光投影的几何信息来求得物体的三维信息，通 过向物体投射各种结构光( 如点、线、空间符号结构光等) ，在不同于投影光轴 的方向观察，利用投影点、观察点及物体的三角关系获取物体的三维信息。按照 结构照明方式可以分为以下几类：点结构光、线结构光、多线结构光和面结构光。 点结构光投影法是最早发展起来的，它向物体不同位置投影激光点，c c d 成像面上光点的位置变化就反映出物体表面的变化。计算出物体上所有检测点的 三维坐标即可获取物体的整体三维图像。由于点结构光投影法属于点检测方法， 需要增加二维扫描机构，机构复杂，测量时间长，并且数据空间分辨率低，实用 性不高。 线结构光投影法是结构光投影法中具有代表性的一种方法，利用柱面镜将激 光器发出的光变成一条线结构光，相当于在该线方向上排列了若干个点结构光。 控制光平面依次扫描过物体的表面，通过摄像机拍摄一系列物体的结构光图像， 从而获取物体表面形状的三维信息。 多线结构光方法与单线结构光方法类似，一次性投射出多条光束，能提高扫 描的效率，但是增加了标定的复杂性和图像处理的难度。 在线结构光投影法基础上，井口征士等提出了一种新的结构光投影法 1 7 , 1 8 ， 即面结构光投影法：向物体投影各种模式的面结构光，当基准结构光投影到目标 物时，若从不同于投影光轴方向的观测点来看，基准结构光条纹随着物体表面形 状的凹凸变化而发生畸变，由于这种畸变是投影的基准结构光条纹受物体表面形 4 第一章绪论 状的调制所致，因此包含了物体表面形状的三维信息。由于面结构光投影法是一 次性瞬间投影获取被测物体表面形状的三维信息，因此与线结构光投影法相比具 有快捷、数据空间分辨率高等特点。 正因为具有上述优点，目前很多足部扫描测量系统都使用了结构光法。 1 2 足部扫描技术的国内外研究状况 下面以国内外具有代表性的足部扫描系统为例，介绍该领域的研究状况。 l 、德国v i t r o n i c 公司研制的p e d u s 3 d 足部扫描仪【1 9 1 ，应用非接触的光 带法测量，通过3 个摄像传感器共同工作，能捕捉脚底和脚面的形状，扫描速率 可调节。扫描范围为：3 4 0 m m x l 6 0 m m x 8 0 m m ( 长宽高) 。其分辨率在x 、y ( 长度、高度) 方向上约l m m ，而在z ( 深度) 方向上的典型值约2 m m 。典型 扫描时间是7 s 。仪器的外形尺寸为：8 0 0 m m x 6 0 0 m m x 5 7 0 m m ( 长宽高) 。 2 、德国c o r p u s e 公司研制的l i g h t b e a m 三维足部扫描仪【2 0 】使用c m o s 图像 传感器，采用的是摄像头旋转扫描的方式，只能获得脚面信息。图像的分辨率可 在6 4 0 4 8 0 ( v g a 格式) 到2 0 4 8 x 1 5 3 6 ( u x g a 格式) 之间设置。由于采用单 传感器工作，需要3 5 秒内完成一只脚的扫描，精度为+ l m m ，仪器外形尺寸为 5 3 0 m m ( 半径) 3 7 1 r a m ( 高度) 。 3 、加拿大v o r 聊“r e s e a r c h 公司研制的y e t i3 df o o ts c a n n e r - b 系列足 部扫描仪【2 l 】使用8 个摄像机和4 个激光器，应用光带法测量。它的相关参数为： 能扫描的最大目标尺寸：4 2 3 m m 1 6 5 m m x l 7 0 m m ( 长宽高) ； 扫描精度：o 5 m m ； 外形尺寸：9 5 0 m m 5 1 0 m m x 5 3 0 m m ( 长x 宽高) 。 另外，该公司研制的c a n f i t - p l u s 零售脚型扫描器是一个专门为零售鞋类 系统设计的高精度光电成像设备。该系统捕捉了2 3 个关键基准尺寸，例如趾骨 顶点长度、侧踩高度、围长、脚背高、脚背围长、拱高等等，此技术能为个性化 定制测量提供详细精准的定位。其三维脚型图像可立即显示在显示屏上。使用这 一系统，一个零售商可以迅速有效地测量一个客户的脚型，安排合适的鞋子的制 造商进行加工。 4 、日本i - w a r e 实验室研制的i n f o o t 足部扫描仪】采用的是垂直于脚底平 面的光束扫描，它的技术参数为： ( 1 ) 高端型( h i g h t y p e ) - 扫描范围：4 0 0 m m x 2 0 0 m m x 2 5 0 m m ，扫描速率有3 0 m m s 和1 5 m m s 两种模 式； 第一章绪论 扫描分辨率相应有：l m m ( 宽度、深度方向上) ，2 r n m ( 扫描长度方向上) 和i m m ( 宽度、深度方向上) ，l m m ( 扫描长度方向上) 两种； 外形尺寸：6 8 5 m m ) 1 2 0 m m ， 满足扫描范围的要求。 1 6 第三章系统的硬件和软件设计 3 2 2 图像采集卡的选择 图像采集卡能将各种模拟视频信号经a d 转换成数字信号送入计算机，供 计算机作处理、存储、传输等。根据系统参数要求，对图像采集卡提出以下要求： ( 1 ) 图像采集的像素和分辨率满足需要，考虑系统的典型分辨率以及整个 扫描系统的结构，要求图像采集像素应优于6 4 0 x 4 8 0 ( 水平垂直) ： ( 2 ) 配套的采集卡库函数具备应有的功能，便于用户操作，并且保持c c d 开始采集与平移台开始运动同步。 因此选用了北京嘉恒中自的o k m c 3 0 图像采集卡，其相关技术指标为： 可接多种标准制式信号，摄像机为n t s c ( e 队) 制式时，采集图像分辨率 为6 4 0 x 4 8 0 ；支持r g b 3 2 、r g b 2 4 、r g b l 6 、r g b l 5 、r g b 8 、y u v 4 2 2 、黑白 图像g r a y 8 等图像格式。支持多卡同时使用。 3 3 同步运动系统设计 本系统长度方向的扫描范围是3 6 0 m m ，考虑余量，需要行程大于4 0 0 m m 的 平移台。平移台的运动速度大于本系统设计扫描速度：3 0 m m s ；运动分辨率应 优于本系统长度方向的分辨率：l m m 。同时，本系统需要在平移台的台面中轴线 上安装一组传感器( 包括c c d 和激光器) ，在台面两侧安装两个支撑臂用来安装 另外两组传感器，这就要求台面允许的承载大于1 0 k g ( 估计值) 。 据此选择了微纳光科的w n l 0 4 t a 5 0 0 m 型电控平移台，其主要参数为： 最大平移运动速度：5 0 m m s ； 分辨率：o 0 2 5 r a m ( 无细分) ； 台面承载：3 0 k g ； 螺杆：滚珠螺杆( 导程4 m m ) ； 电机：4 2 b y g l 0 7 c ( 步进角1 8 。) 。 根据电机的相关参数选择驱动器对电机进行控制。两相混合式步进电机 4 2 b y g l 0 7 c 的主要参数为：工作电压为2 4 v ，电流为1 6 a 相；保持转矩：i n m 。 电机外部通过r s 2 3 2 的9 针接口与驱动器连接，不需单独的电源供电。 因此选用了乐创自动化的两相四相混合式步进电机细分驱动器，型号为 d m d 4 0 3 a 。它的最大输出电流为3 5 a 相，自身供电电压为2 4 v 4 0 v d c ，可以 提供最大2 5 6 细分。 根据图像采集速率，计算得到在不细分的情况下，每秒需要的脉冲数为 3 0 型：1 5 0 0 ( p u l s e ) 。 1 7 第三章系统的硬件和软件设计 在上述情况下，分辨率为0 0 2 5 r a m 。若采用最大的2 5 6 细分，每秒需要脉冲 数变为3 8 4 0 0 0 个，因此需要控制卡能提供的脉冲频率大于该参数。 基于上述计算，选择了乐创自动化的的m p c 0 7 s p 型运动控制卡。它是一块 多轴运动控制卡，可驱动步进伺服系统，可实现单轴运行或两轴联动插补控制， 并由硬件实现机械装置的超限保护。其功能特点有：3 2 位p c i 总线( p c i 2 1 标 准) ；最高速可达1 m h z ( 即每秒1 0 0 0 0 0 0 个脉冲) ；自动回原点功能，可读回运 动中实际位置。 整个系统除了计算机、平移台自身有配套的电源，还需要给运动控制卡、 c c d 摄像机以及激光器配备直流电源。运动控制卡需要两种电压：2 4 v ( 电流 8 0 0 m a ) 、5 v ( 电流5 0 0 m a ) ；每个c c d 摄像机工作电压1 2 v ( 电流1 5 0 m a ) ， 共需6 个；每个激光器工作电压5 v ( 电流2 5 m a ) ，共需3 个。同时需要考虑线 性电源的使用特性，实际需要的电流应该在电源所能提供的最大电流的6 0 以 下，所以对电源提出如下指标： 输入：a c2 2 0 v + 1 0 ，5 0 h z ；输出：d c2 4 v 1 5 a1 2 v 1 5 a5 v 2 a 。 最后选择了航天长峰朝阳电源有限公司的4 n i c x 6 4 型线性a c d c 电源， 其主要技术指标如下：电压精度1 ；电流调整率1 ；负载率0 1 0 0 。 可见，该电源输出电压和电流信号稳定，可靠性高，满足系统设计需求。 综上，同步运动系统的总体模块框图如3 4 所示。 3 4 机械结构设计 图3 4 同步运动系统模块框图 机械结构设计的总体思路是：保证对于运动的传递平稳，保证各元器件在光 学系统设计中的相对位置关系，各金属零件尽量体积小、便于加工、安装稳固。 因为加工和安装不可能完全精确，所以传感器安装部分，包括激光器的俯仰角度、 3 个激光器的光平面之间的重合、c c d 与激光器中轴线的夹角，都需要能够调节。 此外，还需要设计能用来放置电控平移台、玻璃台面的仪器基座。整台仪器装配 图的不同角度视图如3 5 和3 - 6 所示。 第三章系统的硬件和软件设计 图3 5 足部扫描仪主剖视图 l 一扫描臂激光器座；2 一线光束激光器；3 扫描臂横板：4 扫描臂立板；5 扫描臂连接板 对于脚面的扫描，由图中左右两个扫描臂( 包括激光器及其安装座、c c d 及其安装座) 完成。传感器安装在扫描臂横板上，并通过扫描臂立板、连接板与 电控平移台的运动台面连接。 图3 - 6 足部扫描仪侧剖视图 6 - c c d 摄像机；7 - 底盘c c d 座；8 一底盘；9 一电控平移台；1 0 安装基座；1 1 底盘激光器座： 1 2 一玻璃台面；1 3 扫描臂c c d 座；1 4 玻璃台面立柱；1 5 玻璃台面横梁 1 9 第三章系统的硬件和软件设计 用于扫描脚底的激光器和c c d 的安装座具体形式与脚面传感器的不同，但 功能类似，均可调节。它们通过底盘与电控平移台的运动台面连接。 钢化玻璃平板嵌在由支柱和横梁组成的玻璃台面中，玻璃台面和电控平移台 固定在安装基座上。 3 5 控制系统程序设计 根据扫描系统的设计要求，控制软件应具备以下功能： 1 、能够灵活设置运动参数，实现对运动系统和图像采集系统的有效控制； 2 、保持c c d 采集图像与扫描运动同步； 3 5 1 图像采集控制 图像采集系统由图像采集卡、c c d 摄像机和控制软件组成，通过控制软件 编程实现对图像信号的采集和保存。 程序流程p 1 4 2 1 如图3 7 所示，打开图像采集卡，获取足够大小的缓存，为卡 锁定缓存，其目的是将图像有秩序的保存，避免图像保存混乱。再根据系统使用 要求设置采集参数，采集时先将图像保存在缓存中，最后再将采集到的图像从缓 存中以不同的命名保存到文件中以便于后续的处理和重建。 申请缓存 上 l每卡锁定缓存 上 l设置采集参数 土 l 多卡同时采集到缓存 上 i 缓存图像保存到文件 图3 7 图像采集流程 第三章系统的硬件和软件设计 3 5 2 同步运动控制 图3 - 8 同步运动流程 程序流程呻】如图3 - 8 所示，打开对话窗v i 的同时打开运动控制卡，进行初始 化设置。之后根据需要选择运动模式并设置运动参数运动完成之后自动停止或 者手动停止或者回到零点。 3 5 3 控制程序设计 为了更好地调试系统编写了如图3 - 9 所示的窗口程序。 图3 - 9 控制程序软件窗口 第三章系统的硬件和软件设计 其主要功能如下： 1 、在“高速运动”区域，主要能实现对于高速运动模式下( 如图3 1 0 所示) 的有效控制。在此区域能设置高速运动参数：最低速度i s 、最高速度船、加速度。 其中，最低速度是系统起始的速度，最高速度是系统稳定运行时的速度，加速度 是系统从启动到稳定运行时段的加速度以及从稳定运行到停止时段的减速度。实 际上，电机从静止到运动和从运动到静止不是直接跳变的，都需要经过一个加速 或者减速的过程，这段时间虽然非常短，但是在实验中也应该考虑。 2 、设定好基本参数之后，就能通过该区域下方的5 个按钮来发出运动指令， 其功能如下： “高速点位运动指从当前位置或原点位置运动到设定的“目标位置处； “高速正向负向连续运动 指从当前位置或原点位置以设定的速度连续正向或 者反向运动；“高速回原点运动”指从当前位置回到初始化中设定的原点位置； “平滑停止按钮发出的命令只能用于高速运动模式下，让系统按照设定的 减速度平滑地停止。 利斗 图3 1 0 高速运动模式下的弘f 曲线 由图3 1 0 可知，如果在“高速模式下工作，电机从静止到以设定的速度 凰匀速运动，需要经过加速过程，电机停止时需要经过减速过程，在程序中应 设置c c d 只在匀速运动阶段采集图像。设加速度为a c c e l ，总的行程为p o s ，则 加减速的时间均为r ：丝= ，有效扫描行程为朋一( h s + l s ) f ，这些参数在编 n c c e t 程中应该加以考虑。 3 、在“常速度运动”区域，主要能实现对于常速运动模式下( 如图3 1 1 所 示) 的有效控制。 到达 图3 1 1 常速运动模式下的1 ，f 曲线 第三章系统的硬件和软件设计 设置“常速度( ) 之后，就能发出“常速点位运动”、“常速正向负向连 续运动、“常速回原点运动一命令。除了速度模式不同，其余与对应的高速运动 指令类似。 4 、在右下角区域，能实现针对高速和常速运动模式中点位运动“目标位置” 的设置。“立即停止按钮能用于任何时刻任何运动模式下，使系统运动迅速停 止。 实际的系统实验中，根据该窗口程序对本实验室已有的“激光三维彩色数 字化系统 软件包相关参数进行修改。 3 6 本章小结 本章基于激光三角法原理，从系统要求出发设计了足部扫描仪的系统硬件， 包括图像采集系统、同步运动系统和机械结构，介绍了各部分的功能，选择了系 统的组成器件，为整个系统的搭建建立了基础。目的是使得整个扫描系统功能全 面、技术指标达到设定的要求。设计了图像采集系统中传感器的结构，选择了适 合的图像采集卡。同时，根据步进电机运动控制原理，采用计算机一运动控制卡 一驱动器一步进电机组成扫描控制方案，提高了系统的灵活性。 利用v c + + 结合图像采集卡和运动控制卡的驱动程序、库函数，设计了足部 扫描系统控制软件，保证了图像采集系统和运动系统的同步运行，同时便于调试 系统，给后期的图像处理打下基础。 至此，已经完成了系统的整体构架，接下来需要对系统进行标定。 第四章扫描系统标定研究 第四章扫描系统标定研究 本章进行足部激光扫描系统的标定，包括摄像机标定和系统标定。采用黑白 棋盘格标定靶和张正友算法，标定图像中心坐标( g ，c y ) ，畸变系数( j i l 、恕、 p l 、p 2 ) 等摄像机内部参数；研制适于足部激光扫描系统标定的细丝标定靶，并 在摄像机标定的基础上，采用直接线性变换方法，得到像素坐标( 掾珍与世界 坐标( 局，y w ) 的映射关系矩阵，完成足部激光扫描系统的标定。 4 1 摄像机标定及实验 4 1 1 概述 摄像机标定是从二维图像获取三维空间信息的关键和必要步骤，如基于图像 的物体重建，基于图像的测量等。现有的摄像机标定方法大致可以分成两类：传 统的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。传统的摄像机标定方法是在一定的摄 像机模型下，基于特定的实验条件，如形状、尺寸已知的标定参照物，经过对其 图像进行处理，利用一系列数学变换和计算方法，求取摄像机模型的内部参数和 外部参数。但在很多情况下，由于存在经常性调整摄像机的要求，且设置已知的 标定参数也不现实，这时就需要一种不依赖标定参照物的摄像机自标定方法。 具体来说，传统标定方法是将一个结构已知、加工精度很高的标定块作为空 间参照物，通过空间点和图像点之间的对应关系来建立摄像机模型参数的约束， 然后求取这些参数。根据求取标定参数方法的不同可将传统的标定方法分成三 类：非线性优化法【“ 4 5 1 、解析法1 4 6 , 4 7 和两步法 4 8 , 4 9 。大多数传统标定方法采用非 线性优化法，这些方法可获得高精度的标定结果，但需要的计算量非常大。解析 法通过解一组线性方程来得到标定结果，简化了计算过程，但标定精度略低。两 步法( t w o s t a g e ) 即径向约束法，是由r o g e r t s a i 为代表提出的。此法将以上两 种方法综合，第一步是利用最小二乘法解超定方程，给出外部参数；第二步求解 内部参数，如果摄像机没有透镜畸变，可由一个超定方程解出。如果存在径向畸 变，则可结合非线性优化方法获得全部参数。根据需要求解的参数类型，又将传 统的标定方法分为显参数和隐参数标定方法。显参数法需要计算出摄像机的内外 参数，如主点( 图像中心) 、焦距、旋转矩阵、平移向量等。而在有的场合，标 定的参数并没有具体的物理意义，此时就能利用隐参数方法。传统标定方法的典 第四牵扫描系统标定研究 型代表有d l t 方法i 蚓( d i r c c tl i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ) ，t s a i 的方法h 8 0 ”，w e n g 的迭代法 5 0 i ，咀及简易标定方法 “i 。 自标邂方涪p j 是上世纪九十年代出现的一种新的标定方法，不需要标定 物，仅依靠多幅图像对应点之问的关系直接进行标定，使得在场景未知和摄像机 运动任意的一般情况下的标定成为可能。一般要求摄像机固定在一个可以精确控 制的平台上，且平台的运动参数能从计算机中读出，不再需要额外的标定块，而 只需控制摄像机傲特殊的运动，利用在不同位置上所拍摄的多幅图像便可同时标 定出摄像机的内参数和摄像机坐标系与平台坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。 传统方法的优点是可以使用任意的摄像机模型，标定精度高，所以当应用场 合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变化时，传统标定方法应为首选。 考虑到本系统中摄像机所采集的都是人体足部的光带图像，工作状态和环 境都是确定的，不需要使用自标定；同时，摄像机所做的都是在同一平面内的平 移运动不能满足自标定需要的特定运动模式。更重要的是，自标定的精度低于 传统标定方法，所以本系统的标定采用的是传统标定方法。 4 1 2 平面靶标设计 基于以上分析，用二维平面靶标和张正友算法脚1 对摄像机进行标定。目前常 见的平面靶标是棋盘格，用于标定的特征点是棋盘格的角点。因此打印出9 9 的黑白棋盘格圈样作为标定摄像机时的平面靶标。如图4 1 所示。 固4 - 1 棋盘格平砸靶标 f 9 9 1 每个方块大小为l c m 叫c m ，每行和每列均有l o 个角点，共1 0 0 个。定义靶 标左上角的第一个角点的世界坐标为( 0 , 0 ) ，编号为1 ，第一行其它点依次是( 1 ，0 ) 、 2 s 第四章扫描系统标定研究 ( 2 ，0 ) o oo o o 其余行类似。右下角角点坐标为( 9 ，9 ) ，编号为1 0 0 。 4 1 3 棋盘格角点检测方法 利用平面靶标对摄像机进行标定的关键是含有坐标信息的特征点，也称控制 点的检测。常用的特征点是黑白棋盘格靶标上的角点。目前的检测方法可以分为 两大类t 一类是基于图像边缘的特征州j ，通过用轮廓点来拟合直线或计算边缘曲 率、夹角，从而判定角点。这类方法主要缺点是对边缘提取算法依赖性较大。另 一类是直接对灰度图像进行操作，计算图像灰度分布的曲率，以最大曲率的点作 为角点。该类方法归纳为以下几种：m o m v e c 角点算子、p l e s s e y 角点算子、 m i c ( m i n i m u mi n t e n s i t yc h a n g e ) 角点检测算子、s u s a n 角点检测算子、h a r r i s 角 点检测算子1 6 。目前，常用的算法为h a r r i s 角点检测算法，它使用灰度的高斯梯 度作为响应值判断棋盘格图像中的角点。但该方法对噪声敏感，使得实际角点附 近的一个或者多个点的h a r r i s 响应值较高，很难准确确定角点所在位置。刘阳等 【6 2 】提出构造b w 算子来进行角点检测，原理简单，但是算法实现比较复杂，需 要人为选取棋盘格图像中某个小区域，还需要用r a d o n 变换确定特征方向。并且 将b w 算子作用于图像中的每一点，会使得运算量过大，程序处理时间增加。 针对以上两类方法的不足，考虑棋盘格中的角点是指图像中具有较高曲率的 点，出现在黑格和白格交线形成的区域，所以只需在棋盘格边缘寻找即可，这能 大大减小计算量，缩短角点检测的时间。为此，改进b w ( b l a c k w 1 1 i t e ) 算法， 采用边缘提取和灰度特征结合的方式来检测角点。 首先采用边缘检测器c a n n y 算子【6 3 提取边缘，并通过实验设置合适的参数。 然后需要初步定位角点区域，引入b w 角点检测算子【6 2 】如( 4 1 ) 所示。 c 腓( f ，) = i ，l ( 疗) 一，2 ( 胛) l ( 4 - 1 ) 式中，j l 例表示以点以为中心沿着像素点右上和左下方向遍历的数目为n 的像素点的灰度值；1 2 ( n ) 表示以点仁为中心沿着像素点左上和右下方向遍历的 数目为力的像素点的灰度值。产是利用b w 算子作用在提取出的棋盘格边缘点 得到的灰度响应值。对于棋盘格图像中角点区域内的像素点，其响应值产较大； 而对于其它区域的像素点，矿矽值较小；所以本文选取局部最大响应值作为像素 级精度的棋盘格角点所在的位置。对于累加方向上像素点个数以，通过实验，选 取n = 3 ，获得了比较理想的结果。 得到了像素级的角点区域后需要准确求取亚像素级的角点位置。因为，在实 际角点检测过程中，由于成像并非完全理想状态，导致利用b w 算子找出的角点 并不是在实际角点位置均匀分布。设图像中实际角点数量为，若只取前个 ，矽最大值会出现以下情况：某些角点邻域内，存在多个产的局部最大值；而 第四章扫描系统标定研究 在某些应判为角点的区域，却未出现c 8 的局部最大值。这样会使得找出的角点 实际数量小于，因为在某个邻域内的多个产局部最大值应该判作同一个角 点。解决方法如下：遍历大于某个阈值的c 1 8 的局部最大值，将同一邻域内的多 个角点平均，即得到该区域的一个准确角点。 基于上述分析，提出以下的方法使最终检测出的角点数量与棋盘格靶标上的 角点数量相同，并且角点坐标达到亚像素精度： 1 、设置阈值，以的前m 个最大值( 畛) 作为参考集合，让此集合 包含所有实际角点区域。首先取其最大值，即第一个被找出的角点，然后遍历剩 下胁1 个值所对应的点的坐标，求出杯1 个相对于第一个最大值点坐标的距离； 2 、设定“同一角点邻域”判据为：上述距离在以第一个角点为中心的9 9 邻域内，认为与第一个点是同一角点，将满足判据的坐标从原始集合中去除。如 果没有满足判据的点，就只去除第一个点。将去除的点坐标集中在该邻域内； 3 、在新的集合中重复步骤1 、2 ，直至集合为空或者只剩下一个点； 4 、在每一个角点邻域内，把出现的像素级角点坐标取平均值。直到找出 个准确的角点坐标。 概括来说，图像处理的整体步骤是： 1 、读入拍摄的棋盘格图像，利用c a n n y 算子进行边缘检测； 2 、利用b w 算子求出边缘区域的c b w 响应值，并设置阈值取出前m 个； 3 、设置角点邻域阈值，将同一角点邻域内的点取均值，最终得出与实际角 点数量相同的个角点的图像坐标。 用本算法对棋盘格图像进行处理，结果如( 4 2 c ) 和( 4 - 2 d ) 所示，为了便 于比较，还利用基于第一类角点检测方法的直线拟合法和基于第二类角点监测方 法的b w 算法对同一幅图像进行处理，结果如