朱曉蘭,吳壯志

三維足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱曉蘭1,吳壯志2

以青年田徑運(yùn)動(dòng)員足型研究為背景,基于足部掃描儀輸出的三維足部點(diǎn)云數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)定義了12個(gè)測(cè)點(diǎn)和18個(gè)測(cè)量參數(shù),給出了無(wú)標(biāo)記點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別方法和足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量的方法,其中,圍度和面積測(cè)量采用基于平面散亂點(diǎn)集的區(qū)間B樣條擬合方法。系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和易用性等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了足型參數(shù)的全自動(dòng)測(cè)量。同時(shí),允許用戶對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行交互調(diào)整,提供了自定義測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,該測(cè)量方法在自動(dòng)識(shí)別率和準(zhǔn)確率上都已經(jīng)能夠滿足足部測(cè)量的需要,并且具有較強(qiáng)的魯棒性,已成功應(yīng)用于田徑運(yùn)動(dòng)員的足型參數(shù)測(cè)量。

足部測(cè)量;輪廓提取;特征識(shí)別;足部特征點(diǎn);區(qū)間B樣條曲線

1 前言

人體測(cè)量學(xué)通過(guò)對(duì)人體各部位的尺寸測(cè)量來(lái)確定個(gè)體之間和群體之間在人體尺寸上的差別,用以研究人的形態(tài)特征,是人類功效學(xué)(Ergonomics)的一個(gè)十分重要的研究領(lǐng)域,其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,目前,已經(jīng)普遍應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)、法醫(yī)、教育、體育、建筑、美術(shù)等領(lǐng)域,如服裝號(hào)型、機(jī)器、家具、武器、車輛和飛機(jī)座艙、房屋、課桌等的設(shè)計(jì)。足型測(cè)量作為人體測(cè)量的重要組成部分,主要應(yīng)用于足型規(guī)律的研究和制鞋業(yè)等領(lǐng)域。

足部測(cè)量技術(shù)在幾十年的發(fā)展歷程中,大致經(jīng)歷了由手工到自動(dòng)、接觸式到非接觸式、二維到三維,并向自動(dòng)測(cè)量和利用計(jì)算機(jī)測(cè)量、處理和分析的方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的足部測(cè)量技術(shù)主要是手工接觸式的,使用游標(biāo)卡尺、布條、平尺、測(cè)高儀以及自制的一些簡(jiǎn)易工具(劃筆、油印板等)進(jìn)行測(cè)量,直接測(cè)量足的長(zhǎng)度、寬度、高度和周長(zhǎng)等測(cè)量項(xiàng)目。20世紀(jì)60年代,我國(guó)曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)兩次全國(guó)性的腳型調(diào)查,采用接觸式測(cè)量方法測(cè)量和分析了25萬(wàn)人的腳型,為我國(guó)鞋楦設(shè)計(jì)、制定鞋號(hào)奠定了基礎(chǔ)。但接觸式測(cè)量效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,測(cè)量結(jié)果受測(cè)量人員的影響,且難以得到某些不能直接獲得的特殊尺寸(如斷面形態(tài)等)。

隨著光電測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展,非接觸式的自動(dòng)測(cè)量方法成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)研究方向。非接觸式自動(dòng)測(cè)量方法主要分為基于圖像的二維測(cè)量方法和基于視覺(jué)的三維測(cè)量方法?；趫D像的二維測(cè)量方法采用通過(guò)采集足底圖像,通過(guò)圖像處理和特征提取等方法來(lái)得到足部的長(zhǎng)度、寬度等有關(guān)尺寸參數(shù)信息,其缺點(diǎn)是得到的足部尺寸數(shù)目有限,而且不能直接獲取圍度尺寸參數(shù)。目前,已經(jīng)商品化應(yīng)用的系統(tǒng)主要有加拿大的FootScan,該系統(tǒng)僅能測(cè)量3個(gè)長(zhǎng)度參數(shù)、2個(gè)寬度參數(shù)和3個(gè)角度參數(shù)共8個(gè)參數(shù)。基于視覺(jué)的三維測(cè)量方法一般基于三角測(cè)量原理,采用結(jié)構(gòu)光等主動(dòng)視覺(jué)的方法進(jìn)行足部表面的三維重建,得到足部表面的三維點(diǎn)云模型或三角網(wǎng)格模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行足部測(cè)量。由于此方法得到了足部表面的三維模型,足以支撐后續(xù)的任何足部參數(shù)測(cè)量,同時(shí),所測(cè)數(shù)據(jù)能直接運(yùn)用于CAD/CAM系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)足部測(cè)量和后續(xù)設(shè)計(jì)、研發(fā)及生產(chǎn)的一體化,因此,已經(jīng)成為足部測(cè)量的主流方法。國(guó)外開(kāi)展足部三維非接觸測(cè)量技術(shù)的研發(fā)比較早,目前,比較成熟的有加拿大Vorum公司的CanFit系統(tǒng),日本I-Ware Lab的INFOOT系統(tǒng)等。這些設(shè)備的使用,為個(gè)性化制鞋提供了可能。國(guó)內(nèi)目前也有多家科研院所正在自主研發(fā)三維足部非接觸測(cè)量系統(tǒng),但主要還集中在足部測(cè)量設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

圖1 三維足部非接觸測(cè)量系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

一個(gè)典型的三維足部非接觸測(cè)量系統(tǒng)一般包括兩個(gè)組成部分(圖1):1)足部測(cè)量設(shè)備,也稱為足部掃描儀,通過(guò)采用線激光掃描或面結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法測(cè)量足部的外形模型,輸出為點(diǎn)云模型(ASC文件)或三角網(wǎng)格模型(STL文件);2)足部參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng),該軟件的輸入為足部點(diǎn)云模型或三角網(wǎng)格模型,輸出為足部的測(cè)量尺寸參數(shù)(XML文件或EXCEL文件)。目前已有的足部非接觸測(cè)量系統(tǒng),例如CanFit和INFOOT等,都將這兩部分集成在一起,相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)研表明,市場(chǎng)上還未見(jiàn)有獨(dú)立于足部掃描硬件設(shè)備的足部參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng)。本研究擬開(kāi)展此項(xiàng)研究,為三維足型數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)動(dòng)鞋標(biāo)準(zhǔn)等的研究提供技術(shù)和軟件支持。支撐此項(xiàng)研究的主要依據(jù)如下:1)足部參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng)和足部掃描儀在邏輯上是獨(dú)立的,技術(shù)上是上下游關(guān)系。所有的三維掃描儀包括足部掃描儀,都能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的三維模型數(shù)據(jù)格式(例如點(diǎn)云模型的ASC格式,三角網(wǎng)格模型的STL格式等),實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于足部掃描數(shù)據(jù)的參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng),在技術(shù)上是合理的;2)將參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng)從測(cè)量硬件設(shè)備中獨(dú)立出來(lái),可以降低硬件設(shè)備的廠家的技術(shù)難度,使其更加專注硬件設(shè)備的開(kāi)發(fā);3)用戶可以分模塊購(gòu)買相關(guān)產(chǎn)品,降低用戶的使用成本。目前,國(guó)內(nèi)的相關(guān)科研院所一般購(gòu)買的都是國(guó)外的集成設(shè)備,價(jià)格高,能夠測(cè)量的參數(shù)固定,維護(hù)升級(jí)困難,升級(jí)成本高。部分與足型掃描儀配套的參數(shù)測(cè)量軟件功能還相當(dāng)簡(jiǎn)單,無(wú)論從測(cè)量指標(biāo)和軟件功能等方面滿足不了相關(guān)研究的要求;4)相關(guān)測(cè)量參數(shù)指標(biāo)的定義和基于三維模型的測(cè)點(diǎn)自動(dòng)提取方法等的研究具有較強(qiáng)的理論意義,也是人體測(cè)量學(xué)中一直研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 研究方法

2.1 測(cè)量指標(biāo)

本研究青年田徑運(yùn)動(dòng)員足型指標(biāo)體系為基礎(chǔ),確定了18個(gè)測(cè)量項(xiàng)目參數(shù),設(shè)計(jì)了向光測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)提取算法。為了使定義和測(cè)量足部參數(shù)方便,本研究給出相關(guān)術(shù)語(yǔ)和測(cè)量參數(shù)的定義。

足部參數(shù)測(cè)量坐標(biāo)系:足平踏于支撐面上,以支撐面為XOY平面,以足后跟點(diǎn)在支撐面上的投影點(diǎn)定義為原點(diǎn)O,足部軸線為Y軸,垂直支撐面向上的方向?yàn)閆軸正方向,建立的右手坐標(biāo)系稱為足部參數(shù)測(cè)量坐標(biāo)系(圖2)。其中,足部軸線是指足后跟點(diǎn)和第二趾尖點(diǎn)的連線在支撐面上的投影線。

測(cè)量項(xiàng)目:綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于足部外形指標(biāo)的研究,參考日本人足型測(cè)量項(xiàng)目,結(jié)合鞋業(yè)現(xiàn)有的關(guān)于普通鞋的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo),確定了6項(xiàng)共18測(cè)量項(xiàng)目(表1和圖2)。

測(cè)點(diǎn):測(cè)點(diǎn)是足部與測(cè)量項(xiàng)目有關(guān)的點(diǎn),每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目的計(jì)算與一個(gè)或多個(gè)測(cè)點(diǎn)有關(guān)。足部的測(cè)點(diǎn)共12個(gè),分別為:1)足后跟點(diǎn);2)最長(zhǎng)趾尖點(diǎn);3)第1跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn);4)第5跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn);5)內(nèi)踝尖點(diǎn);6)外踝尖點(diǎn);7)足舟骨最高點(diǎn);8)內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn);9)拇趾側(cè)凸點(diǎn);10)腳趾前端最高點(diǎn); 11)第1跖趾關(guān)節(jié)上緣點(diǎn);12)支撐面點(diǎn)(圖2)。

為了描述方便,本研究中M表示足部點(diǎn)云模型,B為M的與坐標(biāo)平行的包圍盒,pmin(xmin,ymin,zmin)和pmax(xmax,ymax,zmax)分別為B的坐標(biāo)最小點(diǎn)和坐標(biāo)最大點(diǎn),pi(xi,yi,zi)(1≤i≤12)表示序號(hào)為i的測(cè)點(diǎn);平面H和M的交集S定義為M中到H的距離小于δ的所有點(diǎn)在H上的投影(δ=0.1 mm)。

2.2 足部參數(shù)測(cè)量流程

2.2.1 測(cè)點(diǎn)識(shí)別

測(cè)點(diǎn)識(shí)別是足型參數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵,識(shí)別的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度。測(cè)量項(xiàng)目計(jì)算一般根據(jù)關(guān)聯(lián)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算(表1),除了圍度和面積項(xiàng)目外,其他測(cè)量項(xiàng)目的計(jì)算都十分簡(jiǎn)單。

本系統(tǒng)測(cè)量的18個(gè)測(cè)量項(xiàng)目共涉及12個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的識(shí)別。根據(jù)其所在的位置和特征分具有不同的特征,可以分為兩類:第1類為局部或全局極值點(diǎn),包括足后跟點(diǎn)、最長(zhǎng)趾尖點(diǎn)、第1跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn)、第5跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn)、內(nèi)踝尖點(diǎn)、外踝尖點(diǎn)、拇趾側(cè)凸點(diǎn)、腳趾前端最高點(diǎn)、第1跖趾關(guān)節(jié)上緣點(diǎn)、支撐面點(diǎn);第2類為截面線上的局部極限點(diǎn),包括內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)、足舟骨最高點(diǎn)。下面以足后跟點(diǎn)、和內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)為例簡(jiǎn)述兩類測(cè)點(diǎn)的識(shí)別方法(假定測(cè)量足為左足,單位為mm),點(diǎn)的識(shí)別順序是有意義的,后識(shí)別的點(diǎn)可能依賴已識(shí)別的點(diǎn)。

表1 本研究足部參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目定義一覽表

圖2 本研究足部參數(shù)測(cè)點(diǎn)和測(cè)量項(xiàng)目定義示意圖

1.足后跟點(diǎn):足后跟點(diǎn)為局部Y值最小點(diǎn)。由于踝關(guān)節(jié)上部的影響,此點(diǎn)并不一定是全局Y值最小點(diǎn),識(shí)別算法如下:1)取M中Z坐標(biāo)小于Zmin+0.5×(Zmax-Zmin)的所有點(diǎn)構(gòu)成點(diǎn)集M1;2)取M1中Y坐標(biāo)最小的點(diǎn)為足后跟點(diǎn)。

2.內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn):足弓曲線上的最高點(diǎn),足弓線定義如下:設(shè)足跟部最內(nèi)點(diǎn)(即足根部X坐標(biāo)最小點(diǎn))與第1跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn)連線為L(zhǎng),定義與L平行且垂直于XOY面的平面為足弓切面,足弓切面與足部模型M的交點(diǎn)集為足弓曲線。內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)識(shí)別算法如下:從足部中間向足內(nèi)側(cè)掃描移動(dòng)足弓切面,直到出現(xiàn)足弓曲線不完整的情況為止,最后一根完整足弓線上Z坐標(biāo)最大的點(diǎn)為內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)。

2.2.2 測(cè)量項(xiàng)目計(jì)算

測(cè)點(diǎn)識(shí)別出來(lái)以后測(cè)量項(xiàng)目的計(jì)算有了數(shù)據(jù)依據(jù),表1給出了各個(gè)測(cè)量項(xiàng)目計(jì)算的相關(guān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量項(xiàng)分為長(zhǎng)度、高度、寬度、圍長(zhǎng)、面積、角度等。

1.長(zhǎng)度、高度、寬度測(cè)量:11測(cè)量項(xiàng)目(表1),每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目有兩個(gè)相關(guān)測(cè)點(diǎn),其尺寸可由此兩個(gè)測(cè)點(diǎn)直接計(jì)算出來(lái)。設(shè)兩測(cè)點(diǎn)為pi(xi,yi,zi)和pj(xj,yj,zj),則長(zhǎng)度l =|yj-yi|,寬度w=|xj-xi|,高度h=|zj-zi|。

3.圍度測(cè)量:包括足圍、足跟圍、踝上圍3個(gè)測(cè)量項(xiàng)目(表1),圍長(zhǎng)測(cè)量需要根據(jù)相關(guān)測(cè)點(diǎn)定義的截面和足部模型求交,得到截面和模型的交點(diǎn)集,再根據(jù)交點(diǎn)集來(lái)求圍長(zhǎng)。系統(tǒng)采用區(qū)間B樣條曲線擬合方法,用擬合的曲線的圍長(zhǎng)作為待測(cè)的圍長(zhǎng)。

圍長(zhǎng)的計(jì)算算法如下:1)計(jì)算截面H與模型M的交點(diǎn)集S;2)采用曲線重構(gòu)算法,根據(jù)交點(diǎn)集S重構(gòu)區(qū)間B樣條曲線;3)計(jì)算封閉曲線C的長(zhǎng)度作為圍長(zhǎng)。

足圍截面是通過(guò)第1跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn)和第5跖趾關(guān)節(jié)突點(diǎn)且垂直于XOY平面的平面;足跟圍截面為通過(guò)足后跟點(diǎn)、內(nèi)踝尖點(diǎn)和外踝尖點(diǎn)3點(diǎn)的平面;踝上圍則根據(jù)一組等間隔的平行平面z=z1+iΔ作為截面(其中,z1為內(nèi)踝尖點(diǎn)的z坐標(biāo),Δ為截面間隔,取0.5 mm),采用上述圍長(zhǎng)算法求取每個(gè)截面的圍長(zhǎng),取最小者作為踝上圍。

4.面積測(cè)量:足跟測(cè)量只有足跟面積一項(xiàng),其計(jì)算方法如下:1)用XOY平面作為截面H和M模型求交,得到交點(diǎn)集S;2)設(shè)足跟圍點(diǎn)集為S1,計(jì)算S1的最大Y坐標(biāo)點(diǎn)ymax,刪除S中所有y坐標(biāo)大于ymax的點(diǎn);3)采用外邊界擬合的區(qū)間B樣條曲線C,將C離散成多邊形P,求取多邊形P的面積作為足跟面積。

2.2.3 自定義測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)

如果有添加新的測(cè)量參數(shù)需求,可通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):1)如果需要添加測(cè)點(diǎn),則在足部模型上交互式點(diǎn)取測(cè)點(diǎn),并命名測(cè)點(diǎn),之后保存;2)定義測(cè)量參數(shù)名稱,并選擇測(cè)量參數(shù)的類型(高度、寬度、長(zhǎng)度、圍度、角度);3)選擇相關(guān)測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)根據(jù)以上信息,更新測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)的配置文件。

3 研究結(jié)果

3.1 系統(tǒng)功能概述

如圖1所示,三維足型參數(shù)測(cè)量軟件系統(tǒng)的輸入是三維人體足部點(diǎn)云數(shù)據(jù)(Point Clouds),輸出為測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)和各個(gè)測(cè)量項(xiàng)目的測(cè)量值。系統(tǒng)主要由交互界面、渲染引擎、測(cè)點(diǎn)識(shí)別、IO文件操作、配置管理、數(shù)據(jù)庫(kù)和IO文件操作等模塊組成,主要功能有:

1.被測(cè)者管理:系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)被測(cè)者的個(gè)人信息、輸入數(shù)據(jù)、測(cè)量結(jié)果進(jìn)行管理,并提供查詢、增加、刪除、報(bào)表生成、結(jié)果打印等相關(guān)功能。

2.讀入并顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù):從數(shù)據(jù)庫(kù)或文件讀入被測(cè)者的足部點(diǎn)云模型或三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù),并對(duì)讀入的足部模型進(jìn)行渲染。

3.自動(dòng)測(cè)量:在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下自動(dòng)完成測(cè)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別和測(cè)量項(xiàng)目的自動(dòng)計(jì)算。

4.測(cè)點(diǎn)編輯和測(cè)量項(xiàng)目更新:用戶可對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查和確認(rèn),對(duì)不滿足的點(diǎn),可以通過(guò)交互編輯的方式將測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到期望位置,同時(shí)更新相關(guān)測(cè)量項(xiàng)目。

5.測(cè)量結(jié)果輸出:系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量的結(jié)果保存為XML文件或Excel表格文件。

6.交互測(cè)量:交互測(cè)量允許用戶測(cè)量模型上任意兩點(diǎn)之間的距離、模型上的弧長(zhǎng)和任意截面的圍長(zhǎng)等。

7.自定義測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù):指用戶可以交互添加新的測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)參數(shù);

8.批處理:用戶指定一個(gè)數(shù)據(jù)文件目錄以后,系統(tǒng)可以自動(dòng)地完成目錄下全部的數(shù)據(jù)全自動(dòng)測(cè)量工作。

3.2 執(zhí)行流程

系統(tǒng)執(zhí)行的主流程如圖3所示:1)系統(tǒng)首先從文件或數(shù)據(jù)庫(kù)讀入一個(gè)被測(cè)者的足部模型數(shù)據(jù);2)之后進(jìn)行測(cè)量自動(dòng)識(shí)別;3)用戶通過(guò)交互界面瀏覽每個(gè)測(cè)點(diǎn),如果對(duì)某個(gè)測(cè)點(diǎn)的識(shí)別位置不滿意,可以進(jìn)行交互調(diào)整測(cè)點(diǎn)位置,直到滿意為止;4)根據(jù)識(shí)別或修改的測(cè)點(diǎn)位置,自動(dòng)完成測(cè)量項(xiàng)目的計(jì)算;5)測(cè)點(diǎn)和測(cè)量項(xiàng)目的結(jié)果保存到文件或數(shù)據(jù)庫(kù)。

交互測(cè)量和批處理功能相對(duì)比較獨(dú)立。交互測(cè)量是自動(dòng)測(cè)量的有效補(bǔ)充,用戶調(diào)入模型數(shù)據(jù)后可以用交互測(cè)量工具進(jìn)行交互測(cè)量。批處理是為了加快大批量數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì),系統(tǒng)可以預(yù)先完成所有全自動(dòng)測(cè)量工作,之后再由用戶對(duì)識(shí)別的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn),如果調(diào)整了測(cè)點(diǎn)位置,則需要對(duì)相關(guān)測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行重新計(jì)算并更新結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖3 本研究三維足型參數(shù)測(cè)量主流程示意圖

3.3 運(yùn)行實(shí)例

本系統(tǒng)運(yùn)行于Windows XP;采用VC.Net2003作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)界面采用Xtreme 11.2作為界面開(kāi)發(fā)包;底層圖形庫(kù)采用OpenG L API;數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite。

圖4為系統(tǒng)運(yùn)行的主界面。主界面可以分為菜單、工具條、狀態(tài)條、模型顯示視圖和測(cè)點(diǎn)與測(cè)量項(xiàng)目列表框5個(gè)部分,模型顯示視圖用來(lái)顯示足部模型和測(cè)量項(xiàng)目在模型上的示意圖;測(cè)點(diǎn)和測(cè)量項(xiàng)目列表框用來(lái)顯示測(cè)點(diǎn)、測(cè)量項(xiàng)目和以及示意圖片。另外,系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)庫(kù)操作界面,交互測(cè)量截面,批處理界面等多個(gè)操作界面。

3.4 結(jié)果分析

本研究使用11位被測(cè)者的左、右腳共22個(gè)足部點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)。11名測(cè)試對(duì)象均為北京體育大學(xué)學(xué)生,足部掃描設(shè)備采用昆山多威專業(yè)運(yùn)動(dòng)鞋研發(fā)中心與清華大學(xué)精密儀器系聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的無(wú)接觸式激光三維足型掃描儀,足部模型數(shù)據(jù)格式為ASC格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如下:

1.測(cè)點(diǎn)識(shí)別:對(duì)所有22個(gè)數(shù)據(jù),12個(gè)測(cè)點(diǎn)中除了內(nèi)踝尖點(diǎn)、內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)、腳趾前端最高點(diǎn)、第1跖趾關(guān)節(jié)上緣點(diǎn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)外,其他8個(gè)測(cè)點(diǎn)都可以正確自動(dòng)識(shí)別,不需要使用交互式調(diào)整方法進(jìn)行修正;自動(dòng)識(shí)別的上述4個(gè)測(cè)點(diǎn)也在理想位置附近,可采用交互式調(diào)整方法方便地將識(shí)別點(diǎn)拖拽到理想位置。表2給出了測(cè)點(diǎn)識(shí)別的結(jié)果,采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是:以測(cè)點(diǎn)理想位置為圓心,分布在半徑為0～5 mm的圓內(nèi)的測(cè)點(diǎn)表示正確識(shí)別,分布在半徑為5～10 mm的圓內(nèi)的測(cè)點(diǎn)為較小誤差部分,分布在半徑大于10 mm的測(cè)點(diǎn)為較大誤差的部分。內(nèi)側(cè)足弓最高點(diǎn)的正確識(shí)別率比較低是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)的特征不是很明顯;腳趾前端最高點(diǎn)、第1跖趾關(guān)節(jié)上緣點(diǎn)的識(shí)別誤差是由于測(cè)量數(shù)據(jù)的存在噪聲引起;內(nèi)踝尖點(diǎn)的識(shí)別誤差則是由于部分被測(cè)者此點(diǎn)局部不夠突出,導(dǎo)致識(shí)別的局部極限位置出現(xiàn)偏差。

圖4 本研究系統(tǒng)運(yùn)行主界面示意圖

表2 本研究足部測(cè)點(diǎn)識(shí)別結(jié)果一覽表

2.測(cè)量參數(shù):18個(gè)測(cè)量參數(shù)根據(jù)相關(guān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,如果移動(dòng)了測(cè)點(diǎn),則需要重新計(jì)算相關(guān)測(cè)量參數(shù)。以手工測(cè)量值為基準(zhǔn)值,已用戶確認(rèn)的測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,18個(gè)測(cè)量參數(shù)中只統(tǒng)計(jì)前14個(gè)(3個(gè)角度參數(shù)和1個(gè)面積參數(shù)手工無(wú)法測(cè)量)。表3給出足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量結(jié)果與手工測(cè)量比較結(jié)果。有11個(gè)測(cè)量參數(shù)與手工測(cè)量測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差在3%之內(nèi),這類測(cè)量參數(shù)主要為高度、長(zhǎng)度和寬度等;對(duì)于3個(gè)圍度測(cè)量參數(shù),相對(duì)誤差在6%之內(nèi)。存在誤差的原因如下:1)手工測(cè)量和掃描測(cè)量不是在同一時(shí)間進(jìn)行,足型的姿態(tài)可能有微小變化;2)手工測(cè)量本身存在一定的誤差;3)無(wú)論對(duì)手工測(cè)量還是自動(dòng)測(cè)量,圍度測(cè)量都比較復(fù)雜,引入誤差的機(jī)會(huì)比較多,所以誤差偏大些。

表3 本研究足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量與手工測(cè)量結(jié)果比較一覽表

4 結(jié)論

本研究基于足部掃描儀輸出的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)足型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)以足型研究的指標(biāo)體系為基礎(chǔ),定義了12測(cè)點(diǎn)和18個(gè)測(cè)量參數(shù);設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別算法;實(shí)現(xiàn)了測(cè)量參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算,其中,圍度和面積參數(shù)采用基于平面散亂點(diǎn)集的區(qū)間B樣條擬合方法進(jìn)行計(jì)算。與CanFit、INFOOT等系統(tǒng)相比,系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和具有較強(qiáng)易用性,允許用戶增加測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù),在全自動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)上,提供了測(cè)點(diǎn)的交互式調(diào)整功能,允許用戶在測(cè)量過(guò)程中對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行可視化交互移動(dòng),并對(duì)相關(guān)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行更新。同時(shí),還提供了數(shù)據(jù)庫(kù)管理,測(cè)量參數(shù)三維可視化等實(shí)用功能,方便用戶實(shí)用。系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新性有如下2點(diǎn):1)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一套測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)可擴(kuò)展框架。在不需要修改程序的情況下,用戶可以交互式的增加測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù);2)在無(wú)標(biāo)記點(diǎn)的情況下,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套基于三維點(diǎn)云模型的足部測(cè)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別算法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,本研究給出的測(cè)點(diǎn)識(shí)別算法、圍度計(jì)算方法等,在自動(dòng)識(shí)別率和準(zhǔn)確率上都已經(jīng)能夠滿足足部測(cè)量的需要,并且具有較強(qiáng)的魯棒性,系統(tǒng)已成功應(yīng)用于田徑運(yùn)動(dòng)員的足型參數(shù)測(cè)量。

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Design and Implementation of 3D Foot Size Measurement System

ZHU Xiao-lan1,WU Zhuang-zhi2

Based on the research of athletes’foot,this paper designs and implements 3D Foot Size Measurement System,whose input data is the point cloud of athletes’foot.Firstly,the system defines 12 measure points and 18 measure items,and gives an automatic unmarked extraction method of measure points;Secondly,the system gives an automatic computing method of the measure items.The girth and area measure items are computed based on the Interval BSpline Curve fitting technique.The system is characterized by the scalability,usability and automatic measurement,and allows the user to interactively update the positions of measure points during the measurement process.The system also supports user-defined measure points and items.The results show that the measurement method provided in this paper can not only meet the requirements of foot size measurement system both in recognition rate and in precision,but also possess strong robustness.It has been applied successfully in athletes’foot research.

f oot measurement;contour extraction;f eature recognition;f oot f eature;B-S pline curve

G804.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1000-677X(2010)09-0044-05

2010-02-05;

2010-08-15

朱曉蘭(1977-),女,河北人,講師,博士,主要研究方向?yàn)槔夏赀\(yùn)動(dòng)鞋研發(fā),Tel:(010)62968162,E-mail:zhuxiaolan77@163.com。

1.北京體育大學(xué),北京100084;2.北京航空航天大學(xué),北京100191 1.Beijing SportUniversity,Beijing 100084,China; 2.Beihang University,Beijing 100191,China.