李新華，程濤軍，馬 春，孫 南，王俊青

1.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230039

2.中國(guó)科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所 自動(dòng)化系，合肥 230031

基于線結(jié)構(gòu)光和足底掃描的足部參數(shù)測(cè)量研究

李新華1，程濤軍1，馬 春1，孫 南1，王俊青2

1.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230039

2.中國(guó)科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所 自動(dòng)化系，合肥 230031

1 引言

利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)解決逆向工程（Reverse Engineering，RE）問(wèn)題是近年來(lái)制造工業(yè)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其應(yīng)用十分廣泛。該技術(shù)最早被用于航空工業(yè)和汽車工業(yè)模具的輪廓測(cè)量，20世紀(jì)90年代末至今，該技術(shù)因具有無(wú)接觸測(cè)量方式和測(cè)量結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)，而被應(yīng)用到人體測(cè)量學(xué)上。在足部生物力學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)足部姿勢(shì)形態(tài)，病理特征的無(wú)接觸式測(cè)量研究[1-2]（如：足底壓力分布，足弓高等）成為了近來(lái)研究的熱點(diǎn)；在健康運(yùn)動(dòng)生活上，利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量個(gè)體足部系列參數(shù)，并結(jié)合足部生物力學(xué)研究成果設(shè)計(jì)制造更加科學(xué)、舒適，且能夠滿足個(gè)人要求的鞋楦成為了目前制鞋行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

自20世紀(jì)90年代，大量的數(shù)學(xué)計(jì)算方法被引入到視覺領(lǐng)域后，利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)重構(gòu)物體輪廓的研究方法主要分為三種：（1）激光（線結(jié)構(gòu)光）掃描[3-4]；（2）面結(jié)構(gòu)光投影[5-6]；（3）多視圖重構(gòu)[7-8]。隨之，該方法被引入到對(duì)足部外形輪廓的三維重構(gòu)研究中，在國(guó)內(nèi)，居琰[9]，賈倩倩[10]等采用線激光掃描實(shí)現(xiàn)了足部三維重構(gòu)；胡勇[11]，Qing He等[12]采用多視圖方法實(shí)現(xiàn)了足部三維重構(gòu)；在國(guó)外，Jiahui Wang，Hideo Saito[13]采用多視圖方法實(shí)現(xiàn)了足部三維重構(gòu)，且該系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)足部系列參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。就實(shí)驗(yàn)效果而言，對(duì)于這三種重構(gòu)方法，激光掃描方法有很高的精度和很強(qiáng)的魯棒性，但是激光光源價(jià)格昂貴，而且重構(gòu)所需時(shí)間較長(zhǎng)；面結(jié)構(gòu)光投影方法由于受到足部外形輪廓不規(guī)則的影響，無(wú)法被應(yīng)用于足部三維重構(gòu)；多視圖方法雖然具有重構(gòu)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法容易受到環(huán)境噪聲的影響，增加了特征點(diǎn)提取和匹配的難度，降低了重構(gòu)精度。就足部生物力學(xué)研究而言，腳長(zhǎng)、腳寬、前腳圍、足弓高等相關(guān)足部參數(shù)，尤其是足底壓力區(qū)域分割的結(jié)果對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)更加健康、科學(xué)的鞋楦具有很大影響，而上述三維重構(gòu)的方法只是注重足部外形輪廓的三維重構(gòu)，忽略了足部生物力學(xué)研究所關(guān)注的參數(shù)，缺少了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)值。

為了解決上述問(wèn)題，本文將足部參數(shù)測(cè)量分為足面輪廓點(diǎn)云重構(gòu)和足底輪廓區(qū)域參數(shù)計(jì)算兩部分。通過(guò)采用特制的紅外線結(jié)構(gòu)光源替代昂貴的激光光源，降低系統(tǒng)成本，然后采用線結(jié)構(gòu)光掃描方法，重構(gòu)足面輪廓點(diǎn)云；引入足底掃描技術(shù)計(jì)算足底輪廓點(diǎn)云，分割足底壓力區(qū)域，然后將足面輪廓點(diǎn)云與足底輪廓點(diǎn)云進(jìn)行融合，計(jì)算相關(guān)足部系列參數(shù)，為設(shè)計(jì)制造利用運(yùn)動(dòng)健康的鞋楦提供更加科學(xué)、有效的參數(shù)依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)又將當(dāng)前足部生物力學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)參數(shù)-足底壓力區(qū)域分布數(shù)據(jù)發(fā)回實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中心，用于進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，該方法具有精度高，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，又引入足底掃描技術(shù)，僅由一幅足底掃描圖像就能計(jì)算出足底區(qū)域所含的有用數(shù)據(jù)，加快了測(cè)量時(shí)間，同時(shí)又將光學(xué)測(cè)量與足部生物力學(xué)研究相結(jié)合，使得測(cè)量結(jié)果更加科學(xué)和合理。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)由足底掃描部分和線結(jié)構(gòu)光足面三維重構(gòu)部分組成。足底掃描是以掃描儀為平臺(tái)，通過(guò)掃描靜態(tài)站立于平臺(tái)上的足底，可以得到含有足底輪廓和足底壓力信息的圖像；線結(jié)構(gòu)光足面三維重構(gòu)采用線結(jié)構(gòu)光掃描方法，其中兩個(gè)交叉的線光源組成結(jié)構(gòu)光平面，并調(diào)節(jié)光平面垂直于掃描儀，CCD1和CCD2分別位于掃描儀的兩端且垂直于光平面，這樣有利于減少線結(jié)構(gòu)光成像的盲點(diǎn)區(qū)域，系統(tǒng)用滑塊帶動(dòng)光平面移動(dòng)完成整個(gè)足面輪廓的掃描。

在系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算測(cè)量中，對(duì)世界坐標(biāo)系的合理選取能夠減少系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間，降低算法復(fù)雜度。該系統(tǒng)選擇將掃描儀長(zhǎng)邊和寬邊分別作為世界坐標(biāo)系Zw，Xw軸，掃描儀左上角作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)Ow，將垂直于掃描儀平臺(tái)，并過(guò)Ow點(diǎn)射線作為世界坐標(biāo)系Yw軸。系統(tǒng)空間布局如圖1所示，實(shí)物框架如圖2所示。

本文利用線結(jié)構(gòu)光對(duì)足面進(jìn)行三維重構(gòu)的硬件要求是攝像機(jī)光心線與線結(jié)構(gòu)光面的垂直。本文實(shí)現(xiàn)的方法是：利用一點(diǎn)激光源，發(fā)射一條垂直于光平面的直線，并通過(guò)攝像機(jī)成像，由于攝像機(jī)的透鏡具有一定的厚度，當(dāng)激光線與攝像機(jī)光心線不重合時(shí)，激光線通過(guò)透鏡成像會(huì)產(chǎn)生折射，這樣圖像上會(huì)看到兩個(gè)光點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置，使得這兩個(gè)光點(diǎn)盡量重合，這樣就能到達(dá)系統(tǒng)要求的攝像機(jī)與結(jié)構(gòu)光面垂直的要求。

圖1 足部測(cè)量空間分布圖

圖2 足部三維重構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)

2.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)可分為足底掃描部分與足面輪廓重構(gòu)部分。對(duì)于足底掃描部分，首先對(duì)掃描圖像進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行輪廓提取和壓力區(qū)域分割，最后計(jì)算足底參數(shù)；對(duì)于足面重構(gòu)部分，首先經(jīng)過(guò)濾波，然后對(duì)結(jié)構(gòu)光帶圖像初始化分割，接著將初始分割的結(jié)構(gòu)光帶細(xì)化，最后還原三維坐標(biāo)且融合三維數(shù)據(jù)。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)映射原理

本文實(shí)現(xiàn)足部參數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵在于圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)映射建模。由掃描圖像與線結(jié)構(gòu)光成像原理可知，掃描圖像坐標(biāo)點(diǎn)和兩個(gè)CCD拍攝圖像坐標(biāo)點(diǎn)到規(guī)定的世界坐標(biāo)系XwYwZwOw內(nèi)的映射完全不同，故本文將足部三維的重構(gòu)原理分為掃描儀對(duì)足底區(qū)域坐標(biāo)映射計(jì)算和線結(jié)構(gòu)光對(duì)足面輪廓點(diǎn)云重構(gòu)兩步單獨(dú)介紹。

3.1 足底區(qū)域坐標(biāo)映射計(jì)算

由于掃描儀成像采用的是一種線性CCD圖像單元感光成像原理，因此，在規(guī)定世界坐標(biāo)系XwYwZwOw內(nèi)，掃描儀得到的圖像為足底的正投影。而由于足底受到人體壓力，使得足底面與掃描儀緊貼在一起，同時(shí)足部生物力學(xué)對(duì)足底生理特性的研究關(guān)注的重點(diǎn)在于足底壓力區(qū)域的分布，扁平足、正常足、高弓足等的判別。故本文系統(tǒng)將足底面的高度近視當(dāng)成0，對(duì)于足底掃描圖像上坐標(biāo)P(xc，yc)與其對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)P′(xw，yw，zw)的映射關(guān)系為：

3.2 足面輪廓點(diǎn)云重構(gòu)

由于結(jié)構(gòu)光平面在攝像機(jī)上成像滿足正交原理，對(duì)于結(jié)構(gòu)光平面中任一點(diǎn)的世界坐標(biāo)為Pw(xw，yw，zw)，其在攝像機(jī)上成像坐標(biāo)為Pc(xc，yc)，在不考慮攝像機(jī)畸變因子的情況下，可以將攝像機(jī)模型簡(jiǎn)化為理想的小孔成像模型，其坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示。

圖4 光切面坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由圖4可知，世界坐標(biāo)系XwYwZwOw中的點(diǎn)Pw(xw,yw,zw)經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)（繞Yw180°）變換，可以轉(zhuǎn)換該點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系XcYcZcOc下的坐標(biāo)為變換關(guān)系為：

其中xoffset，yoffset，zoffset分別為攝像機(jī)坐標(biāo)系與規(guī)定世界坐標(biāo)系在X軸和Y軸上的偏移量，f為攝像機(jī)焦距，du為攝像機(jī)到光平面的距離。

公式（5）、（6）為沒有考慮攝像機(jī)畸變的理想模式，而現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)模型存在著切向和徑向畸變。用Pc(xc，yc)表示圖像點(diǎn)坐標(biāo)，表示經(jīng)過(guò)畸變校正后的坐標(biāo)，則可以用下面公式進(jìn)行畸變校正：

由公式（4）～（8）可推出世界坐標(biāo)系XwYwZwOw上的點(diǎn)Pw(xw，yw，zw)與CCD上成像點(diǎn)Pc(xc，yc)的關(guān)系為：

已知攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系Pw(xw，yw，zw)的平移量(xoffset，yoffset，zoffset)，攝像機(jī)焦距f以及光平面到攝像機(jī)距離du，由公式（9）～（11）可知足面輪廓點(diǎn)世界坐標(biāo)與像平面坐標(biāo)的映射關(guān)系；已知掃描儀dot/inch參數(shù)，由公式（1）～（3）可知足底輪廓點(diǎn)世界坐標(biāo)與像平面坐標(biāo)的映射關(guān)系。對(duì)于足底圖像處理與足面輪廓重構(gòu)，系統(tǒng)規(guī)定了統(tǒng)一世界坐標(biāo)系XwYwZwOw，故最后只要將計(jì)算所得的足面輪廓點(diǎn)云與足底點(diǎn)云疊加融合，就能得到完整的足部外形輪廓點(diǎn)云坐標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由人體測(cè)量學(xué)定義，足部系列參數(shù)基本測(cè)量點(diǎn)的分布如圖5所示。它們分別為1-最長(zhǎng)趾尖點(diǎn)、2-足后跟點(diǎn)、3-第一跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)、4-第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)、5-足跟第一跖骨點(diǎn)、6-足跟第五跖骨點(diǎn)。其中坐標(biāo)點(diǎn)1與坐標(biāo)點(diǎn)2的連線為腳長(zhǎng)，3和4的連線為前腳掌寬，5和6為腳跟寬，而過(guò)直線3和4且垂直于腳底面的足部輪廓橫截面的曲線為前腳圍。

圖5 足底參數(shù)測(cè)量點(diǎn)

4.1 足底掃描圖像處理

本文對(duì)足部掃描圖像的處理與這些關(guān)鍵點(diǎn)的自動(dòng)求解步驟如下：

（1）首先對(duì)掃描圖像（見圖6（a））進(jìn)行灰度化和中值濾波處理，接著利用閾值分割提取足底輪廓邊緣線。

（2）利用Opencv中函數(shù)求解足底輪廓線的最小外接矩形，并記下兩條長(zhǎng)邊的斜率、長(zhǎng)度以及端點(diǎn)坐標(biāo)。

（3）遍歷足底輪廓線坐標(biāo)，在沿長(zhǎng)邊方向1/3到1/2范圍內(nèi)，分別求解這些坐標(biāo)到兩條長(zhǎng)邊的最短距離的坐標(biāo)點(diǎn)，并記下這兩個(gè)點(diǎn)，根據(jù)左右腳的不同，這兩個(gè)點(diǎn)分別可以為第一跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)和第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)或者第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)和第一跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)，由這兩點(diǎn)可以計(jì)算前腳掌寬。

（4）遍歷足底輪廓線坐標(biāo)，在沿長(zhǎng)邊方向4/5到長(zhǎng)邊末端范圍內(nèi)，分別求解這些坐標(biāo)到兩條長(zhǎng)邊的最短距離的坐標(biāo)點(diǎn)，并記下這兩個(gè)點(diǎn)，根據(jù)左右腳的不同，這兩個(gè)點(diǎn)分別可以為足跟第一跖骨點(diǎn)和足跟第五跖骨點(diǎn)或者足跟第五跖骨點(diǎn)和足跟第一跖骨點(diǎn)，由這兩點(diǎn)可以計(jì)算腳跟寬。

（5）在步驟（3）（4）所求4個(gè)點(diǎn)中，將左邊的兩個(gè)點(diǎn)連成一條直線，右邊的兩個(gè)點(diǎn)也連成一條直線，并計(jì)算這兩條直線相交后銳角的角平分線，該角平分線與足底輪廓線相交的兩個(gè)點(diǎn)即為足后跟點(diǎn)和最長(zhǎng)趾尖點(diǎn)，記下這兩點(diǎn)，并計(jì)算腳長(zhǎng)。

（6）最后對(duì)足部區(qū)域采用Otsu[14]自動(dòng)閾值分割得到足底壓力分布結(jié)果。

足底掃描圖片處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 腳底掃描圖片處理

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6中，圖（a）為掃描原圖，圖（b）為底面輪廓求解圖，圖（c）為由底面輪廓區(qū)域還原到規(guī)定世界坐標(biāo)系內(nèi)的近似輪廓點(diǎn)云，圖（d）為足底面測(cè)量點(diǎn)的求解圖，圖（e）為足底壓力分布圖，其中深紅色的區(qū)域?yàn)槿梭w主要受壓區(qū)域。由原圖以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出，由于人體正常壓力，足底面緊貼掃描儀玻璃平面且產(chǎn)生形變使得足底面輪廓更加平整，同時(shí)通過(guò)圖像能夠很明顯地看出足底不同的區(qū)域的受壓情況，并計(jì)算足底受壓區(qū)域，因此在應(yīng)用研究中，將足底輪廓區(qū)域近似成一個(gè)平面并求解足底受壓區(qū)域比求解完全理想的足底面三維輪廓更加具有實(shí)際意義。

4.2 線結(jié)構(gòu)光圖像處理與足面三維重構(gòu)

本文對(duì)足面輪廓進(jìn)行三維重構(gòu)的步驟如下：

（1）對(duì)線結(jié)構(gòu)光圖像（見圖7（a））進(jìn)行中值濾波，然后采用Otsu[14]算法進(jìn)行初始分割，得到具有一定寬度的線光帶圖像。

（2）采用重心法對(duì)結(jié)構(gòu)光帶進(jìn)行細(xì)化處理，得到線結(jié)構(gòu)光帶中心坐標(biāo)圖像。

（3）將兩個(gè)CCD攝像機(jī)光帶坐標(biāo)分別還原到規(guī)定的世界坐標(biāo)系中，并利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合消除光帶重合區(qū)域和盲點(diǎn)區(qū)域。

（4）對(duì)所有分層輪廓結(jié)構(gòu)光線進(jìn)行融合，就能得到足面三維輪廓點(diǎn)云。

足面三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 足面三維點(diǎn)云

在圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中，（a）圖為線結(jié)構(gòu)光原圖，（b）圖初始線光帶提取結(jié)果，（c）圖為圖像細(xì)化后的線結(jié)構(gòu)光帶中心效果圖，（d）、（e）圖分別為腳面兩側(cè)線光帶經(jīng)過(guò)處理后的效果圖，（f）圖為（d）、（e）兩圖恢復(fù)到世界坐標(biāo)后融合處理的結(jié)果，（g）、（h）、（i）圖分別為足面分層輪廓線相融合后不同視角效果圖。由圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線結(jié)構(gòu)光平臺(tái)能夠很好地重構(gòu)足面三維輪廓。

4.3 足部整體輪廓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)計(jì)算

將足底輪廓點(diǎn)云與足面輪廓點(diǎn)云相融合，就能得到完整足部外形輪廓信息，實(shí)驗(yàn)效果圖如圖8所示。

圖8 腳型三維點(diǎn)云

在系統(tǒng)對(duì)足部參數(shù)計(jì)算中，本文實(shí)現(xiàn)了如圖5所示中的六個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的自動(dòng)提取，并以此計(jì)算出了腳長(zhǎng)、前腳掌寬、腳跟寬、前腳掌圍等參數(shù)。其中前面三個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法已經(jīng)在足底圖像處理中給出了，而前腳掌圍的求解步驟為：

表1 足部參數(shù)測(cè)量結(jié)果分析

（1）求解足底圖像中第一跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)和第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)，連成直線，并計(jì)算這兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度。

（2）將足面三維輪廓點(diǎn)云投影到足底平面上，找到投影點(diǎn)在步驟（1）所求的直線上的所有點(diǎn)。

（3）對(duì)步驟（2）中所求的點(diǎn)進(jìn)行擬合形成一段光滑的曲線，并計(jì)算其長(zhǎng)度。

（4）將步驟（1）、（3）中求解的直線長(zhǎng)度和曲線長(zhǎng)度相加就得到了前腳掌圍度。

本文采用這種方法對(duì)足部參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并選擇了三組數(shù)據(jù)與實(shí)際人工測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，前腳掌寬和腳跟寬的誤差要比腳長(zhǎng)和前腳掌圍的誤差要小很多，而且對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)_長(zhǎng)的誤差精度也不相同。那是由于足部在前腳掌寬和腳跟寬的地方相對(duì)平整，所以測(cè)量精度高。而對(duì)于腳長(zhǎng)參數(shù)測(cè)量由于不同人的腳，有扁平足、正常足和高弓足之分，使得足底面凹凸程度不同，因此與手工測(cè)量腳長(zhǎng)時(shí)，高弓足的誤差精度肯定大于正常足、偏平足。而對(duì)于前腳掌圍度求解時(shí)，由于足面分層輪廓線在實(shí)際測(cè)量中具有一定的距離，因此在進(jìn)行擬合求解時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。從表1所示的足部參數(shù)測(cè)量整體結(jié)果分析可以看出，系統(tǒng)對(duì)足部系列參數(shù)測(cè)量具有很高的精確度，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

本文研究利用線結(jié)構(gòu)光掃描和足底掃描對(duì)足部系列參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)足部參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。在采用線結(jié)構(gòu)光對(duì)足面進(jìn)行重構(gòu)過(guò)程中，將攝像機(jī)與光切面垂直，使得攝像機(jī)光帶成像為正交投影模型，進(jìn)而簡(jiǎn)化重構(gòu)計(jì)算方法，加快了重構(gòu)速度，提高了重構(gòu)的精度。在對(duì)足底輪廓計(jì)算中，引入足底掃描技術(shù)，與傳統(tǒng)激光掃描對(duì)足底輪廓點(diǎn)云重構(gòu)相比，該方法僅需一幅圖像就能計(jì)算完整的足底輪廓點(diǎn)云，提高了重構(gòu)精度，也縮短了重構(gòu)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速有效地對(duì)足部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)給出足部外形輪廓點(diǎn)云信息，并且成本低廉，易于推廣。

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LI Xinhua1,CHENG Taojun1,MA Chun1,SUN Nan1,WANG Junqing2

1.Key Laboratory of Intelligent Computing&Signal Processing,Ministry of Education,Anhui University,Hefei 230039,China
2.Department of Automation,Institute of Intelligence Machines,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China

Since the existing methods of human foot outline three-dimensional reconstruction have the problems of low accuracy, poor robustness,high cost,and do not meet the actual requirements of the foot biomechanics research etc,a foot parameter measurement system which uses optical measurement technology and realizes non-contact measurement has been designed.On one hand, the system uses plantar scanning technology to construct the point cloud of plantar,segments plantar pressure area,and calculates the relevant parameters of plantar;on the other hand,the system uses line structured light to scan the foot surface to construct point cloud of foot surface,fuses into a whole foot contour point cloud,and finally,the system measures the series of foot parameters according to the definition of foot biomechanics.By the construction of the corresponding hardware platform,the measurements of multiple groups of foot are made,and the experimental results show that the system can finish foot 3D reconstruction quickly and accurately while has good robustness.

measurement of foot parameters;three-dimensional reconstruction of foot surface;line structured light scanning; plantar scanning

針對(duì)現(xiàn)有足部輪廓三維重構(gòu)方法精度低，魯棒性差，成本昂貴且不符合實(shí)際足部生物力學(xué)研究要求等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式足部參數(shù)測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面通過(guò)對(duì)足底掃描圖像處理，構(gòu)建足底輪廓點(diǎn)云，分割足底壓力區(qū)域，計(jì)算足底相關(guān)參數(shù)；另一方面利用線結(jié)構(gòu)光技術(shù)，重構(gòu)足面輪廓，將足底輪廓點(diǎn)云與足面輪廓點(diǎn)云在系統(tǒng)規(guī)定世界坐標(biāo)系內(nèi)融合，形成完整足部輪廓點(diǎn)云，根據(jù)定義計(jì)算足部圍度等足部系列參數(shù)。通過(guò)搭建相應(yīng)硬件平臺(tái)對(duì)多組人體足部進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠快速、精確地完成足部三維重構(gòu)，具有很好的魯棒性。

足部參數(shù)測(cè)量；足面三維重構(gòu)；線結(jié)構(gòu)光掃描；足底掃描

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1112-0548

LI Xinhua,CHENG Taojun,MA Chun,et al.Research of foot parameters measurement based on line structured light and plantar scanning.Computer Engineering and Applications,2013,49（18）：260-264.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61172127）。

李新華（1968—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理；程濤軍（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、三維重構(gòu)；王俊青（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、運(yùn)動(dòng)與健康。E-mail:chengtaojun88@163.com

2011-12-28

2012-05-08

1002-8331（2013）18-0260-05