[發明專利]一種利用RGB-D攝像機測量足部三維腳型信息及三維重建模型的方法

有效

• 申請號: 201410216433.0
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103971409B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 何炳蔚;雷阿唐;沈恒華;趙強
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及三維曲面測量技術領域，特別是一種利用RGB-D攝像機測量足部三維腳型信息及三維重建模型的方法。

背景技術

目前，鞋型鞋號是依據大量統計、分析、歸納出的標準鞋型系列來設計的，這使得有相當一部分正常腳型者，他們應穿的鞋型鞋號處于標準鞋型鞋號的中間值上，但也只能穿用近似的鞋型鞋號。而絕大多數畸形腳型者，則根本就沒有適合的鞋型鞋號。據調查統計，我國畸形腳的比例約占15%左右，其中后天性畸形居多，大多是因為鞋不適合造成的。因此根據不同的腳型設計出更適合的鞋，并實現這個過程的現代化、自動化，使穿鞋由“大眾系列化”變為“個體適合化”的轉變一直是制鞋業追求的目標之一。

準確和高效率的腳型測量方法不僅是鞋楦設計和方便人們選鞋、穿鞋不可缺少的，而且也是大規模腳型測量、腳型矯正等所必須的。現有的腳型測量方法分接觸式測量和非接觸式測量兩種：

1、接觸式測量：接觸式測量主要是使用一些機械式的手工測量儀器或由接觸式傳感器組成的電子測量儀器，其中以手工測量為主。手工測量的工具主要包括：布帶尺、鋼卷尺、劃筆、量高儀、踏腳印器和量腳卡尺。手工測量從測量方法上又分為直接法和間接法。直接法比較簡單。首先用筆在腳的特征部位上標出有關測量點，利用布帶尺、量高儀等工具可以直接測量出腳的各個有關數據。間接法利用腳印器踏出腳印并繪制出腳的輪廓線，然后再進行測量分析。接觸式腳型測量的優點是投資少、操作步驟簡單、靈活性強、方便攜帶、便于短時間內在不同的測量地點進行測量。缺點是接觸式測量方式會對腳部產生壓力，引起腳部形變，造成測量誤差，測量時間長，而且測量的腳部參數有限，有些較復雜的參數或曲線無法測量，工作效率低、勞動強度大、重復再現性差、測量者之間的誤差大，同時，這種測量方式難以獲得腳部整體的數據信息。也不能對腳的截面形態進行數據采集。無法進行更深層次的研究；

2、非接觸式測量：在計算機、光學等學科發展的帶動下。光學非接觸式測量作為近年來興起的一門測量技術受到越來越多的重視。目前，光學非接觸式測量方法主要有構光測量、立體視覺測量、激光測量等：

（1）結構光測量：結構光三維視覺基于光學三角法原理，其基本原理是由結構光投射器向被測物體表面投射可控制的光點、光條或光面結構，并由圖像傳感器（如攝像機）獲得圖像，通過系統幾何關系，利用三角原理計算得到物體的三維坐標。結構光測量方法具有計算簡單、體積小、價格低、便于安裝和維護的特點，在實際三維輪廓測量中被廣泛使用。但是測量精度受物理光學的限制，存在遮擋問題，測量精度與速度相互矛盾，難以同時得到提高；

（2）立體視覺測量：在計算機視覺系統中，利用兩臺位置相對固定的攝像機或一個攝像機在兩個不同的位置，從不同角度同時獲取同一景物的兩幅圖像,通過計算空間點在兩幅圖像中的視差來獲得其三維坐標值。立體視覺方法最大的特點是拍攝速度快，可以在不到一秒時間內完成拍攝任務，適合于需要快速測量場合。但立體視覺方法數據處理量大，處理時間長，而且需要進行兩幅圖像的匹配，在物體表面灰度和面形變化不大時，會影響匹配和測量精度；

（3）激光測量：由一個多邊形鏡頭定位的一根直線可視激光束，通過高頻掃描來對物體表面進行掃描測量；應用三角定律，激光束在物體表面經反射后由激光接受器接收，然后經計算獲得物體表面的坐標。激光掃描可以精確地提供三維環境信息，數據處理簡單，受環境影響小。但成本高，精度、測距與掃描速率存在矛盾關系。

獲取足部三維模型不僅能夠實現消費者的鞋類定制、智能選鞋，而且在矯形鞋定制、假肢生產、醫學診斷和手術輔助等醫療領域也有重要應用：

1、矯形鞋定制：采集患者腳型數據并傳到矯形中心，矯形中心根據患者的腳型數據生產加工出矯形鞋；

2、假肢生產：掃描患者的另一只健康的腳，快速得到這只腳的完整三維模型，然后利用鏡像得到另外一只腳的三維模型，再利用得到的腳的模型數據生產出假肢，確保兩只腳外形相同；

3、醫學診斷：快速采集患者的腳底三維數據，足科醫生可根據采集到的三維數據準確判斷患者的足病類型，以便于采取更科學有效的治療方法；

4、手術輔助：采集患者的腳部三維數據，通過在電腦中仔細觀察患者腳型，研究最佳手術方案，確保手術的成功率。

利用深度相機進行場景深度信息測量是近年來興起的技術，這主要得益于深度圖攝像機的成本降低，特別是微軟推出的一款RGB-D攝像機：Kinect，極大地激發了研究者將RGB-D攝像機應用到醫學、娛樂、機械等各研究領域。