（精密仪器及机械专业论文）足部三维测量与仪器开发研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 个性化鞋楦设计是社会发展的必然趋势，因此足部三维测量仪的研制有着 重要的研究意义与广泛的应用价值。本文主要围绕足部全周轮廓自动测量展开， 基于激光扫描的三维脚型测量原理，论文在分析脚型测量特点的基础上，结合 现有测量仪以及课题实际要求，制订了详细实施方案，设计控制系统、光学系 统、机械结构、及图像采集模块来实现快速足部扫描。经过自行开发的软件控 制系统执行图像提取与数据分析，即可在短时间内重建出所测量的足部轮廓。 实现了以单片机为核心的硬件控制电路设计，包括m c u 选型与基本外围电路、 步进电机驱动电路、c c d 、激光器控制电路、电源选型与电路、以及r s 2 3 2 通讯 电路的实现。电路充分考虑了抗干扰设计，采取了许多提高电路的可靠性与电路性 能的措施；并通过软件仿真与电路实验相结合，提高了电路设计与调试的效率。 提出了四组c c d 搭配四组激光器，配合步进电机进行高速扫描的设计方案。 步进电机驱动丝杠，用线性滑轨使平台前后移动，进行快速足部扫描。经适当 调整使此四条激光线相交围绕成一个近似圆的封闭区域，通过移动平台的前后 移动，实现四个c c d 的同步取像，可得到激光线投射至足部各个部位的高度变 化。完成了硬件系统的机械结构设，包括光机盒子、光机底板、滑动平台、量 测物支撑架、外壳等，减小仪器体积，实现便携式。 设计了控制系统软件，包括单片机端下位机程序设计、p c 端上位机组态软 件程序设计二大部分。下位机设计了基于a 3 9 7 2 模块的步进电机驱动控制，以 及c c d 、激光器的开关程序。上位机提供了一个友好的人机交互界面，极大方 便了工程师的操作。 针对测量时形成的盲区情况给出了处理建议，提出本实验室的继承与优化 算法对无序点云进行拼接，效果良好。测量结果表明：继承与优化算法可实现 海量无序点云的精确拼接，且在拼接精度和收敛速度上明显优于传统的最临近 点迭代法，拼接误差小于o 1 m m ，所需迭代次数减少5 次以上。 论文研究的三维足部测量仪的高性能、智能化的特点，对提高我国个性化 鞋楦定制生产的自动化水平将产生积极的促进作用。 关键词：激光扫描法；足部三维测量；个性化鞋楦；拼接 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g no fc u s t o m i z e ds h o el a s ti st h et r e n do fs o c i a ld e v e l o p m e n t ，i th a s i m p o r t a n tr e s e a r c hm e a n i n g sa n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o nv a l u ef o rt h es t u d yo ff o o t3 d m e a s u r e m e n ti n s t r m n e n t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ea u t o m a t i c a lm e a s u r e m e n to f w h o l ef o o t , t h ep r i n c i p l ei sb a s e do nl a s e rs c a n n i n g a f t e rt h ea n a l y s i so ff o o t c h a r a c t e r i s t i c s ，i nl i n ew i t h t h ee x i s t i n gm a c h i n ea n dt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，a f o r m u l ai sg i v e n c o n t r o l s y s t e m ，o p t i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a ls y s t e ma n di m a g e a c q u i s i t i o nm o d u l ea r ed e s i g n e d i m a g ee x t r a c t i o na n da n a l y s i si si m p l e m e n t e db y s e l f - d e v e l o p e ds o f t w a r es y s t e m ，c o n t o u ro ft h ef o o tc a nb er e b u i l ti nas h o r tt i m e t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ui s a c h i v e d ，i n c l u d i n gt h eb a s i cp e r i p h e r a l c i r c u i t s ，s t e p p e rm o t o rd r i v ec i r c u i t ，c c da n dl a s e rc o n t r o lc i r c u i t ，p o w e rs u p p l y c o n t r o ls y s t e ma sw e l la sr s - 2 3 2c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t w et a k ea n t i i n f e r e n c ei n c o n s i d e r i n ga n da d o p tm a n ym e a s u r e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo f t h ec i r c u i t t h i sp a p e ra l s oc o m b i n e sc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t s t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc i r c u i td e s i g n i n ga n d d e b u g g i n g t h es c a n n i n gs y s t e mw h i c hc o m b i n e sf o u rg r o u p so fc c d sa n dl a s e r sw i t h h i g h s p e e ds t e p p e rm o t o ri sp r o p o s e d t h es t e p p e rm o t o rd r i v e ss c r e wb a r s ，w h i c h m a k e st h el i n e a rs l i d em o v eb a c k w a r da n df o r w a r d t h ef o u rl a s e rl i n e sf o r ma na r e a w h i c hl i k e sac i r c l e t h r o u g ht h em o v eo fp l a t f o r m ，t h ef o u rc c d s c a p t u r el a s e rl i n e s ， a n dt h e nw ec a no b t a i nt h ec h a n g e so fh e i g h t so ft h ef o o t t h em e c h a n i c a ls y s t e m i n c l u d e sas h e l f , f l o o r ，s l i d i n gp l a t f o r ma n dah o l d e rw h i c hs u p p o r t st h ef o o t , t h i s d e s i g nm e t h o dh a sr e d u c e di t ss i z et ob eap o r t a b l ee q u i p m e n t i ns o f t w a r es y s t e m ，i ti n c l u d e su p p e rc o m p u t e rc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dl o w e r m c us o f t w a r ed e s i g n t h em c us o f t w a r er e a l i z e st h ed i r e c t l yc o n t r o lo fs t e p p e r m o t o rb a s e do na 3 9 7 2a n dc c dt o g e t h e rw i t hl a s e r s t h eu p p e rc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eg i v e saw o r k i n gw i n d o w ；i ti s v e r yc o n v e n i e n tf o rt h eo p e r a t i o no f e n g i n e e r s c o n s i d e r i n gt h eo b j e c tb l i n da r e aw h e nc o l l e c t i n g3 di n f o r m a t i o n , r e g i s t r a t i o no f i i a b s t r a c t u n o r g a n i z e dp o i n tc l o u d sb a s e do ni n h e r i t i n ga n do p t i m i z i n ga l g o r i t h mi ss t u d i e d i t p e r f o r m e dw e l lt h r o u g he x a m i n a t i o n i ti n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l l r e a l i z ep r e c i s er e g i s t r a t i o no fu n o r g a n i z e dp o i mc l o u d s ，a n di ti sb e a e rt h a ni c p a l g o r i t h mi nr e g i s t r a t i o np r e c i s i o na n dc o n v e r g e n c ev e l o c i t y 。r e g i s t r a t i o ne r r o ri sl e s s t h a n0 1m m ，a n dt h er e q u i r e di t e r a t i v en u m b e ri sr e d u c e db y5t i m e s t h eh i g h - p e r f o r m a n c ea n di n t e l l i g e n c eo ft h i s3 df o o tm e a s u r i n gm a c h i n ep l a y s 锄i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h ea u t o m a t i c a l l yl e v e lo fp e r s o n a ll a s tc u s t o m i z a t i o n k e yw o r d s ：l a s e rs c a n n i n g ；f o o t3 dm e a s u r e m e n t ；p e r s o n a ll a s t ；r e g i s t r a t i o n i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：狮 签字日期：矽吟年么月j 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弛圣根导师签名：獬 签字日期：m 9 年易月拓日签字日期：炒尹年6 月i v - e l 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着光电技术的发展和计算机c a d c a m 技术的成熟，光学三维 传感在实物仿形，逆向工程等领域己经得到了广泛的应用。伴随人们生活水平 的提高，产生了个体消费者对量体裁衣、量脚制鞋的需求。作为逆向工程的一 个实例，将光学三维传感技术应用于脚形测量，为制鞋业提供一种迅速获取个 体消费者脚形三维数据的手段，成为制鞋计算机辅助设计的重要组成部分。 1 1 研究目的、意义 制鞋业是我国重要的出口行业，全国2 0 0 7 年共生产1 1 0 亿双鞋，其中7 1 7 亿双鞋出e l ，出1 2 1 值为3 6 0 3 亿美元【l 】。在制鞋业蓬勃发展的形势下，技术含量 的欠缺越来越成为其发展的桎梏。在浙江，仅仅温州、台州、青田的主要制鞋 企业就有近万家，但大部分是从事于台湾、香港及南韩公司代工的这种低附加 值的生产模式。随着中国加入w t o ，为了参与国际市场的竞争，创造我们自己 的世界名牌，整个制鞋行业的现行制鞋工艺必须进行全面的现代化改造。现在 我国正处于制鞋业从劳动密集型向技术密集型转化的一个关键时期，只有迎接 挑战、抓住机遇，迅速而成功的利用现代化技术对这一具有广阔市场前景的传 统产业进行改造，中国才能真正成为实力上的制鞋强国，而不仅仅是数量上的 制鞋大国。 。 目前，鞋型鞋号是依据大量统计、分析、归纳出的标准鞋型系列来设计的， 这使得有相当一部分正常脚型者，他们应穿的鞋型鞋号处于标准鞋型鞋号的中 间值上，但也只能穿用近似鞋型鞋号。而大部分畸形脚型者，则根本就没有适 合的的鞋型鞋号。根据统计资料，我国的畸形脚型占有很大的比例。其中后天 性畸形脚居多。这些后天性畸形大都又是长期勉强穿用不合适的鞋造成的。因 此根据不同的足部设计出更合适的鞋，并实现其过程的现代化、自动化，使穿 鞋由“大众系列化”变为“个体适合”的转变一直是制鞋业追求的目标之一，而足部 自动测量则是其中的一个很关键的难点。传统的光学计量技术与当代快速发展 的计算机技术、应用光学以及光电子技术等新技术的有效融合，使得这一领域 第1 章绪论 发生了重大变化，为解决这一难题提供了更为强大的工具。 随着c a d c a m 技术的日益成熟，目前在国外的一些发达国家已经形成了 关于制鞋c a d 技术的研究、开发、制造、销售以及咨询服务的新产业。一些先 进国家采用计算机辅助设计系统，总结传统的制鞋经验、方法和工艺，进行鞋 楦型、帮样等设计，使传统的制鞋业发生了深刻的变化。制鞋c a d 是相对于传 统的鞋产品设计和制造方法，结合现代c a d c a m 技术而提出的计算机辅助设 计鞋产品方法。其实质就是将c a d 领域中的理论和技术应用到鞋产品的设计、 生产、产品发展、经营管理等各个环节，从而极大地改善了产品的整个生产效 率与质量。这种设计方法既可针对不同顾客的脚型，设计相应的鞋型，使皮鞋 更适合顾客自身的脚型，又可根据设计师的理念来设计独具风格的鞋产品。 足部三维测量技术研究具有深刻的意义，其目的是获取足部数据并把已有 的足部测量数据很好的运用到数控刻楦机中，自动生成个性化鞋楦，实现足型 测量系统和鞋楦c a d c a m 系统实现真正的一体化。本系统的设计可以满足客 制化的要求。整个设计过程可以直接在计算机上对足部三维模型进行操作，更 加直观地体现设计师的思想和客户的要求，从而可以有效地提高设计的效率与 精度，减少设计的成本与周期。此外，本文的研究不仅在制鞋行业有着广泛的应 用前景，而且对其他相关行业的软件开发也具有启发和借鉴意义。 该课题能够充分发挥实验室前人的成果，且紧随国内外研究热点，推动三维 足部测量技术的应用，由研究型逐渐转型到应用型。 1 2 足部测量的基本方法 准确和高效率的足部测量方法不仅是鞋楦设计和方便人们选鞋、穿鞋不可 缺少的【2 】，而且也是大规模足部测量所必须的。现有的足部测量方法分接触式和 非接触式两种。 1 2 1 接触式 1 ) 手工测量 测量人员利用简单的尺、规等传统测量工具进行特征点的测量。特点是投资 少、操作简单、携带方便，但这- n 量方式的缺点是效率低、劳动强度大、准确 2 第1 章绪论 性较差，由于仅仅是对特征点进行测量，所以对于被测鞋楦或是脚的整体缺乏完 备的特征信息描述。对于实现广泛的楦型个性化几乎是不可能的，虽然因为要测 的特征点数据量小，测量速度很快，但是，这一优势随着日益发展的各种快速测 量方式从而显得越来越微不足道。尽管目前这- - n 量方式还是大量使用，但是， 我们可以相信，随着技术的发展，这一方式将逐步被其他的方式所取代。 2 ) 机械式 借助复杂的机械装置进行测量。特点是效率、准确性较手工测量高，还可 以减轻劳动强度。这类设备一般分为两种：一种是具有低自由度的测量特征点 的简单仪器，另一类是具有多自由度运动结构的探测头。第一种测量仪器，都 是仿照手工测量方式对某些特征点进行测量，虽然在测量精度和测量速度上较 手工测量有很大的提高，但这类测量方法依然没有解决手工测量的许多制约因 素的影响。第二种测量设备，因为是多自由度( 一般都会大于3 个自由度) 运动设 备，这类系统的测量精度比前一种测量方式较高，但是由于系统的结构较为复 杂，因此对系统的控制、制造以及结构参数都有很高的要求，使得这类仪器的 成本较高，不便于广泛推广。而且，要获得完整的三维面形数据，测量速度也 是这一类仪器的制约因素。 无论是哪一种直接测量方式，由于测量仪器的探测部件均需要与被测物体发 生直接接触，这类设备在测量和脚类似的柔性物体时，接触测量中难免会发生变 形，精确度并不高。虽然对于多自由度的测量设备来说可以获得较完整的三维面 形数据，但是这一方法在测量时速度很慢，导致了测量类似于脚类柔性物体时， 很难保证测量过程中的一致性。由此可见，机械法不是很好的足部测量方法。 1 2 2 非接触式 该方法主要是利用光电原理以及电子扫描等先进技术，使足部测量系统的 探测部件在与脚不发生直接接触的情况下达到测量的目的。因此，用这种方法 测量足部，速度快、准确性高，还可以减轻繁重的体力劳动，是一种比较理想 的测量方法。 光几何法是利用光束的几何关系实现物体面形的测量。包括摄像测量法、 电子经纬仪交汇测量法、激光三角测量法等。其中，激光三角测量法以其特有 性质得到越来越多的应用。 1 ) 激光三角测量法【3 - 5 】 3 第1 章绪论 激光照射在被测物体表面的一个点上，该点一部分散射光经光学接收系统 成像在感光点上，根据光点在成像面上的位置，可以测量出物体表面的面形变 化，如图1 1 所示。八十年代以来，在这一原理基础上发展了多种非接触式曲面 测量技术，并且已经有很多种技术成功地运用到实际工程项目中并取得了良好 的应用效果。譬如，四川大学光电系在国家自然科学基金资助下，于1 9 8 9 年研 制成功的鞋楦三维面形光电测量系统。 光几何法的测量精度取决于激光光学系统的传输函数的特性。针对每一种 具体的光学结构，都有不同的因素影响到测量的精度。但是，这些方法都有一 些相同的参数影响，其中最重要的是成像面的分辨率、物体面形变化的最大频 率、光路的空间结构等。 l 1 一 图1 1 激光三角法原理图 2 、) 结构光投影测量法 这一方法是近1 0 年以来发展极为迅速的一种测量方法 6 - 9 1 。这类方法将激光 线光源或是面光源产生的具有某种空间结构的光投影到被测物体的表面，由于 物体表面的不同高度对这一结构光产生调制，形成了变形的结构光，通过分析 这一变形结构光的信息就可以解调出物体的表面形貌。 投影光疆 图1 2 结构光投影三角测量法原理 4 第1 章绪论 1 3 三维足部测量系统国内外研究现状及发展趋势 客制化制鞋主要包括三部分：数据的获取、后续图像处理和鞋楦的加工成 形。用三维足部测量系统来获得足部的三维数据，根据制鞋业的发展需求，足 部三维形貌测量仪器在国内l o - t 1 1 国外已有研究或产品销售，国内外部有一定 的机构在从事足部测量系统的开发，并逐渐将自己的产品投入生产实用。国外 比较成功的测量系统主要有以下几种。 l 、法国克雷奥 法国克雷奥电子公司的足部测量仪【i ：该仪器已在法国皮鞋店使用，顾客 只需将脚放在箱子的厚玻璃上，这时上下4 个激光二极管对脚进行扫描，8 台摄 像机从不同的方位进行拍摄，计算机处理好的三维数据可以直接送到制鞋厂。 制鞋厂的计算机系统再根据这些数据和用户选的样式，附加某些审美特征即可 自动制鞋。晟多一天，顾客便可穿上称心如意的新皮鞋。但是该仪器重达1 0 0 多公斤，并且适合于欧美国家人的足部特点。 2 、加拿大c a n f i t _ p l u s v o r u mr e s e a r c hc o r p o r a t i o n 的c a n f i t _ p l u sc a d c a ms y s t e m s 1 4 1 ，如图l3 、 1 4 所示。v o r u m 公司提供的完全集成产品线采用光学形状扫描技术，包含直观 的设计软件和强大的c n c 成型机。因广泛的使用范围和较好的精度， c a n f i t - p l u s 在同类产品市场上表现不俗。c a n f i t p l u s 的零售足部扫描器 是个专门为c a n f i t - p l u s 零售鞋类系统设计的高精度光电成像设备。该系统 测量部分采用激光片光作为投影光，当脚放在载物台上时，平移系统带动激光 器平动，使激光片光扫描脚形表面，摄 像机同时进行拍摄图像。经计算机处理 三维成形后的数据可进一步用于设计师 进行鞋样设计，然后将数据转换成光电 信号，进行数控加工。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。 采用了最新科技的c a n f l t - p l u s 零售足部扫描器在高速度和高分辨率数 图l3 c a n f i t - p l u s c a d c a m 系统 第l 章绪论 据采集方面非常出众。大范围的测量场景捕捉了2 3 个关键基准尺寸，例如趾骨 顶点长度，侧踝高度，围长，脚背高，脚背田长，拱高等。此技术能为个性化 定制测量提供详细精确的定位。其三维图像可显示在显示屏上。这是集光电测 量、鞋样设计、加工制造三位一体的系统，目前售价很高。 固 蹦【4 c a n f i t _ p l u s c a d c a m 软件扫描系统 3 、s h o em a s t e r s h o e sm a s t e r 制鞋软件是英国开发的套高性能鞋业c a d 系统，如图15 所示。其功能完全覆盖了鞋类产业的整个制造流程，包括二维级放，高速排料， 三维鞋帮设计，高精度鞋楦设计，底设计，定制与医学矫正器材，足部扫描与 分析几个模块组成。为目前国际卜功能最为丰富的鞋业c a d 软件之一。该公司 采用底层技术自主开发而成，有很强的开发实力和技术背景。 但是，该软件数年来在中国的市场推广并不得力。究其原因，除极高的价 格以外，主要还是技术上的不成熟造成的。由于鞋业c a d 系统对软件要求非常 之高，试图用一个公司的产品力量去完成整个鞋业c a d 系统都将是不太现实的。 制造商反馈了s h o e m a s t e r 的如下几大缺点： 1 ) 三维鞋帮设计部分三维虚拟效果的真实感不强，复杂曲面效果无法表 达，整体效果呆板生硬。对于复杂鞋样效果的处理比如工艺鞋和凉鞋，带复 杂饰件的皮鞋等都无法表达，实用性不强。 2 ) 二三维交互样版设计部分，曲跷功能的核心需求把握不充分，只能进行 一些简单样版的处理，并且自动化程序不高，细节处理不到位，难以应对复杂 的鞋样版设计过程。比如高腰靴鞋、皱纹鞋等的曲跷。在制鞋工业中，如果 第1 章绪论 套价格昂贵的设计系统不能真正从事设计，其实用价值可想而知。 3 ) 鞋底设计部分功能太弱，无法实用。由于鞋底曲面的复杂性，对软件曲 面设计功能要求很高，一般软件都很难达到这样高的要求，s h o em a s t e r 在这方 面还有很长的路要走。 4 ) 鞋楦设计部分，功能也比较弱，与意大利的e a s y l a s t 比较，有很大的距 离。该模块只能完成鞋楦大体结构的参数化设计，并不能进行细节部分的雕饰， 实用程度不高。 5 ) 自动排刀算料部分，功能也比较一般，因为s h o e m a s t e r 并小生产裁皮机 等硬件，对于与硬件相关的软件研发考虑不够充分，比如该软件没有提供专门 的硬件控制平台与各类机器相联就是一个例证。 6 ) 没有相应的二维仿真处理系统配套，不能应对低端用户的要求。 7 ) 级放系统的设计不够简洁，操作复杂，国内用户难以接受。 图1 5s h c em f l s | e r 系统 4 、u l t r a f o o t 公司旧研制的革命性三维足型测量仪( 已获得全球专利) 结 合了精密的传感器组件和高科技计算机技术。经过创新设计，三维足型测量仪 能够在人体自重状态下测量出足底每一处细微的压力变化和曲面变化。 在国内，有很多高校及科研单位都在研究c a d c a m 在制鞋业中的应用。 但是，这些研究局限于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少，而且c a d 和c a m 技术往往是各自封闭孤立的，各个系统之间不能实现数据传递和通讯， 妨碍了其应用和推广。主要有： l 、重庆大学 由重庆大学光机系和四川工业学院机械系联合开发的“足部测量仪”【1 6 - 1 7 1 。该 第1 章绪论 测量系统采用光切法原理，利用四个半导体激光器，三个c c d 摄像机从不同的 方位进行投影和拍摄，投影系统和摄像系统固定于测量装置上，计算机通过步 进电机驱动系统控制步进电机，带动测量装置在导轨上运动。步进电机、导轨 和置放足部的玻璃板固定在仪器底座上，在整个测量系统中静止，从而形成摄 像光切面的相对运动，图像采集卡分别采集三个c c d 摄像机在各光切面摄取的 信息，从而实现对足部完整轮廓的测量。 2 、四川大学 四川大学光电科学技术系研制的三维传感足部测量系统i ，该测量系统基 于光切法测量原理，可以在4 0 秒的时间内完成一只足部的全方位测量。 3 、清华大学 清华大学王伯雄教授等研制的三维足部测量系统【“i ，并且附有多个压力传 感器，实时测量足部载荷。 r 飞 e 竺! 苎 图i6 清华大学足部测量系统 综上所述，以上测量仪已经达到了智能化、成本低等优点，精度和速度都 基本满足要求，并且建立了足部特征数据库，为制鞋业的发展提供了强大的技 术支持，并且为以后的开发奠定了坚实的基础。但是这些足部三维测量系统还 都存在着不足，虽然各个高校做了大量研究，但测量系统均没有推广使用，主 要问题包括以下几个方面。 1 ) 摄像头及激光器的个数选取和摆放才i 合理，测量出现大量盲区，后续数 据处理非常困难。 2 ) 测量速度慢、精度低。 3 ) 体积大、携带不方便。 足部三维测量技术是以机器视赏为基础，结合光、机、电综合应用的一项 新的测量技术。国内的研究还处于起步阶段，真正商品化的三维足部测量系统 第1 章绪论 市场上还没有出现。随着目前科技的进步，各种新技术的出现，以及人民生活 水平的提高和消费观念的转变，三维足部测量系统的发展必将进入个新阶段， 其下一步的发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 使用光学快速扫描技术开发研制足部测量设备，针对鞋楦或实际足部进 行扫描，将扫描得到的数据资料，利用自行研发的软件转化为c a d c a m 可以 使用的格式。 2 ) 实现足部全周轮廓测量，开发基于足部的三维测量系统协同平台。目前 此类的扫描设备，以医工应用为主。对于人体测量设备，通常系统比较复杂， 本身体积大，采用多个分离系统。对于足部属于小面积物体，如果采用单一摄 像头的单个系统，则需要足部的多次移动。多个c c d 的足部固定测量成了重要 的发展方向。 3 ) 测量系统简便可靠、体积小、重量轻、易于运输，成本适中；系统操作 应简单，易于掌握，尽可能消除人为操作造成的误差，并且准备时间短、准备 工作量小、测量时间短。自动、快速、准确、低成本应当成为今后三维足部测 量系统发展的主要方向。 4 ) 实现测量系统智能化，使系统具有测量、识别、分析等多种后续功能。 智能化主要包括扫描过程的智能化、人机界面的智能化、数据采集与分类的智 能化、投影的高度自适应等。 5 ) 足部特征的自动提取及鞋楦模型的建立，人体脚部模型是一个自封闭的 复杂曲面，而且缺少相应明显的特征，大多数是通过直接扫描鞋楦来反求鞋楦 模型，不是根据脚部测量数据，精度太低。寻求其自动建立方法是三维足部测 量的必然趋势。 6 ) 空间三维图像的拼接及匹配。由于视觉传感器测量范围有限，对于大型 被测对象要获得物体完整的三维信息，单c c d 测量往往不能够满足要求，因此 必须对不同传感器位置得到的空间图像或数据进行拼接，由得到的散乱点云重 建三维图像。为了进行拼接，常采用标记点法、基于图像特征点法等算法。拼 接时，三维图像匹配处理也是重要的一个方面( 有的算法将拼接和匹配及数据 融合统称为拼接过程) 。 1 4 论文研究背景、内容及章节安排 9 第1 章绪论 本实验室一直致力于三维测量方面的研究，对于光学三维测量体系有较深入 的研究，在莫尔条纹应用、f t p 、p s p 算法，及投影光栅相移测量装置的研制上 取得了一定的成绩，也创新出几种快速高效的图像拼接、重构等算法，紧随当今 国内外研究热点以及现有三维足部测量仪的问题，并结合本实验室以往的成果， 1 4 1 论文研究内容 本论文对基于激光扫描的足部三维测量与仪器开发技术进行了研究，具体 内容如下。 1 ) 三维足部测量系统设计方案 现有三维测量方法有很多，正确的测量原理和方案非常重要，结合足部的实 际特点，首先人脚为软体，不能采用接触测量，那么就要选用非接触测量。为减 小误差和提高测量速度，采用一次全周轮廓测量，多条光线组成一个环绕足部的 轮廓，在外加机械结构的带动下，通过光线从脚跟一直扫描的脚尖，这对光线投 射以及机构设计等都有严格要求，即不仅光程要合理，机构设计也要比较复杂。 2 ) 硬件系统设计 对于足部三维测量系统，必然有其硬件和软件组成，本测量仪的控制系统 要起到主要的作用，不仅用来控制机械结构的驱动，还要视线c c d 、激光器的 开关和数据采集等。在电路设计中也要充分考虑了抗干扰设计，采取提高电路 的可靠性的措施；对于机构系统，其首先要实现带动c c d 、激光器进行扫描， 还要轻便、目前许多体积过于庞大，遮光性不强，造成外部光线噪声影响大， 从而增加后续数据处理的难度，此部分的设计要求精密、合理，有相当难度。 3 ) c c d 、激光器架构方式设计 c c d 、激光器架构方式直接影响到系统的测量效果和体积。它们的正确组 合和搭建方式非常重要，经由激光器投射出的光线如何能够准确被c c d 所捕获， 以及数量为多少才能够无盲区采集，这些都成为了本论文的难点。通过分析和 比较以往测量仪的c c d 、激光器个数以及分布方式，结合多次实验进行结果比 较，从减少盲区和减小系统体积出发，推论计算出它们的架构方式，搭建正确 的光路结构，此部分为一个难点。 4 ) 软件系统设计 软件系统用来实现系统的正常运作，包括下位机和上位机，为用户提供一 1 0 第1 章绪论 个友好界面，其设计也是本文的一个重点。 5 ) 足部测量实验研究及数据处理 根据设计方案，设计仪器，进行足部测量实验研究。设计足部三维测量仪 的目的是进行个性化鞋楦设计研究，从足部数据到设计出鞋楦有一个复杂的数 据处理过程，包括预处理、拼接、融合、重建、特征提取、设计鞋楦。这个过 程包括多种算法，通过比较各个算法的精度提出本实验室的算法。 1 4 2 章节安排 根据论文主要内容，章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍了三维足部测量的国内外研究现状，发展趋势，本文 研究的主要内容。 第二章三维足部测量原理及整体方案设计。详细叙述了现有测量原理，并比 较其优缺点，从而提出本测量仪的设计原理及整体方案。 第三章足部三维测量仪的硬件设计。主要元器件的选型，摄像系统，运动系 统的控制实现。详细分析其机械组成，以及c c d 、激光器的架构方式。 第四章足部三维测量仪的软件设计。首先进行整体结构设计，再分功能模块 介绍，包括单片机的固化程序，c c d 、激光器和步进电机的驱动模块、 人机交互模块及m v c 2 0 0 0 系统设置模块。 第五章全方位三维数据的拼接。结合以往拼接算法，运用本实验室提出的继 承与优化方法对采集到的数据进行拼接处理得到完整的点云数据，并 验证拼接效果。 第六章足部三维测量系统实验。简要介绍后续数据处理，详细分析试验步骤， 给出实验结果，误差、精度分析。 第七章总结展望，对所做研究工作进行深入总结并提出展望。 1 5 本章小结 本章针对现今的足部三维测量进行了系统介绍。结合当前足部三维测量仪 的研究现状以及应用情况，提出现有测量仪的缺陷以及未来的发展趋势，并给 出了本论文的研究内容和章节安排。 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 系统总体设计关系到整个系统的功能与性价比，这是设计一个系统须考虑的 首要问题。目前，在三维测量领域，可供选用的测量原理较多，每种测量方法 有其自身的优缺点与应用场合。本章系统总体设计针对课题特点，在进行了系 统总体分析的基础上，比较了常见的三维足部测量方法，从而设计出适合本系 统的总体方案。 2 1 三维足部测量原理 足部测量事实上是三维测距成像问题，常用的测距成像方法有结构光测距、 立体视觉测距、激光测距等，下面简单介绍三种方法。 2 1 1 结构光测距 结构光三维视觉基于光学三角法原理。如图2 1 所示【2 0 】，光学投射器将一定 模式的结构光( 如光栅) 投影于物体表面，物体表面上形成由被测物体表面形状所 调制的光栅光条的三维图像。 图2 1 投影栅相位法光路原理图 处于另一位置的摄像机探测该三维图像，获得光栅光条的二维畸变图像， 光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面深度信息决定了光栅光条的畸 变程度。很直观发现，沿光条可以显示出的位移( 或偏移) 与物体表面深度成比例， 1 2 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像 机之间的相对位置一定时，由畸变的光栅光条图像坐标便可以重现物体表面形 状。即光学投影器和摄像机构成了结构光的三维视觉传感器。单个结构光的三 维视觉传感器可实现一定视觉范围与二维的描述，多个结构光三维视觉传感器 可以实现大范围与三维描述。 2 1 2 立体视觉测距【2 1 - 2 3 利用多幅图像( 一般两幅) 获取物体三维几何信息的方法。根据仿生学，具有 视觉的生物都有两个眼睛，两个眼睛同时观察物体时候，会有深度或远近的感 觉。在立体视觉系统中，我们可以用双摄像机，从不同角度同时获取周围景物 的两幅数字图像，然后根据计算机视觉的相关方法，由计算机重建周围景物的 三维形状与位置。基于立体视觉的三维重建的一个重要的先决条件是要建立两 幅图像的对应关系，计算出空间三维信息。 2 1 3 激光测距【2 如2 7 】 图2 2 立体视觉示意图 由一个多边形镜头定位的一根直线可视激光束( 如6 7 0 r i m ，激光等级2 ) ，通 过高频( 如1 0 k h z ) 扫描，来对物体表面进行扫描测量。由光学系统成像到线阵 1 3 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 c c d 或面阵c c d 上的位置，根据几何三角关系成像点c c d 上的位置即可计算 得到被测物体的高度尺寸。通过测量系统的扫描运动就能将被测物体的全部外 形尺寸得到，获得被测物体的点云采样结果。如图2 3 是一个激光工作台的示意 图。 2 1 4 技术方案比较 三种主流测量技术的比较如下： 步进电机驱动工作台 。， 图2 3 激光示意图 表2 1 三种主流测量技术比较 表2 2 主流视觉测量技术比较 测量方法精度 硬件成本软件成本数据处理耗时抗干扰性 激光扫描高 高低短较好 立体视觉低 较低较高长较差 面对制鞋业的需求，结构光因扫描速度慢、持续长，人脚容易在扫描过程 1 4 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 中抖动而造成精度上的误差，不符合需求。而基于视觉的测量方法虽是低成本 的足部测量设备的可行途径之一1 2 阳9 1 ，但其实现需要有后处理系统的支持，计 算量大且要求高。目前制鞋系统主流扫描仪都是基于激光的三维扫描 3 0 0 3 3 ，虽 然价格稍微昂贵，但是随着数字成像技术的快速发展和产业化，摄像机价格下 降很快，使其推广空间更加广阔。而且由于激光照明具有高亮度、良好的方向 性等优点，所以本系统采用激光线光源作为照明光源。 为了实现研制低成本、高精度的足部扫描设备的目标，将激光扫描法作为 我们研究重点，关键在于如何进一步提高激光视觉的测量精度、缩短测量时间， 开发出适合足部测量的软硬件系统【3 4 脚】。 2 2 激光照明方式 下面详细介绍几种主要激光照明方式的特点，根据系统要求选择合适的照明 方式，从而符合我们的设计要求。 根据照明光束的性质可以将激光照明方式分为三种： 2 2 1 点光源照明 图2 4 是采用单光束点结构照明的最简单的情况。采用线状光束的结构照明 是三角测量法的扩展。已经研究的另一些更复杂的三维面形测量技术，包括激 光同步扫描三维面形测量、激光双三角测量，m o i r e 轮廓术、f o u r i e r 变换轮廓术、 位相测量轮廓术等都最终归结于三角测量法，只不过在不同的测量技术中采用 不同方式来观察光场提取三角计算中所需要的几何参数。 最简单的结构照明系统投射一个光点到被测物体表面。点结构照明将光能 集中在一个点上，具有很高的信噪比，可以测量较暗的和较远距离的物体。但 由于每次只能有一个点被测量，为了完成完整的三维面形测量，必须具有附加 的精细二维扫描，这不仅对机械加工有较高的要求，并且会造成整个系统机械 的复杂程度。对于单点投影的三角测量系统，通常采用线阵探测器作为接收器 件。 1 5 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 o 3 z 6 、 ， r 。 2 2 2 激光线光源照明 图2 4 点光源照明 成像面 第二种结构照明系统投射一个线状光束到被测物体表面，形成线结构照明 如图2 5 所示。采用这种照明的传感系统使用二维面阵探测器作为接收器件，只 需要附加一维扫描就可以形成完整的三维面形数据。在某些实际使用中，被测 物体沿某一单一方向移动通过视场，例如传送带上的工件，这时只需要一个固 定的线结构照明传感系统就可以完成三维面形的测量。 图2 5 单激光线照明 这一照明方式的一个扩展是多个片状光束构成的多线结构照明，如图2 6 所 1 6 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 示。与单线结构光照明相比较，多线结构照明每次测量可以得到多个剖面的数 据，这一方式依然需要必要的一维扫描结构，由于采用了多激光线光源方式， 可大大加快采集速度。但对于同样的光学系统和检测器件，多线照明的不足之 处是所实现的深度测量范围下降到单线照明时的1 n 。而且，当物体表面较为复 杂时，将会出现成像面上的光线出现错位等等不利影响，对于数据处理有较高 的要求。 2 2 3 面结构照明 图2 6 多激光线照明 这一照明方式如图2 7 所示，是由系统投射一个二维图形到待测体表面，形 成面结构照明。常见的面结构照明的二维图形是罗齐光栅和正弦光栅。这些面 结构照明方式已在莫尔轮廓术、相位测量轮廓术、傅里叶轮廓术空间位相检测 等三维面形测量中得到了广泛的应用。 采用这一结构光照明方式的测量系统具有很多重要的优点：1 1 系统结构易实 现：2 ) 采用计算机控制的l c d d m d ( 数字微镜装置) 等设备，可以方便的实现相 移，条纹密度和方向也可以方便的改变；3 ) 快速实现全场扫描。 但是，首先这一照明方式需要一个很大的投影空间来完成二维图形的投影， 其次，也由于数控设备的价格问题，无法满足系统设计所要求的：1 ) 尽可能地缩 小系统硬件部分的体积；2 ) 满足商品化的一些具体价格等限制条件。 根据以上三种照明方式的优缺点，本系统采用多激光线光照明方式，这样既 可以满足系统结构尽可能的简单，同时又满足了快速采集和高精度测量的系统 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 设计要求。 2 3 系统设计方案 图2 7 面结构光源照明 激光扫描技术是目前三维扫描中应用非常广泛的一项技术，由于不需要位 相展开，可用于突变和复杂面型的测量。三维面形对激光光束产生空间调制， 改变成像光束的角度，即改变成像光点在检测器阵列上的位置，通过对成像光 点位置的确定和系统光路的几何参数，即可计算出距离。 图2 8 三维足部测量系统功能模块图 1 8 数据 前期 处理 模块 数据 应用 模块 第2 章三维足部测量原理及系统整体设计方案 本文根据激