专利名称：基于特定网格图案的三维脚型测量和建模的方法
技术领域：
本发明涉及三维脚型的快速测量和建模方法，尤其涉及一种基于特定网格图案的三维脚型测量和建模的方法。
背景技术：
就脚型数据的获取而言，目前的主流技术途径是基于光学系统，包括1)基于激光的三角测量技术。是目前十分流行的三维数据获取方式，精度高，适用范围广，但设备的价格昂贵。主要部件有高速摄像头，激光发射器，信号处理器，高精度步进电机等。
2)基于结构光的测量技术。主要部件有专用投影仪，摄像头等。精度中等，价格也中等。
3)基于计算机视觉的测量技术。主要的设备是摄像头，其核心是立体视觉系统。
目前，由于国外的技术垄断，这些基于激光的专用设备的价格十分昂贵，售价高达百万人民币，如Vorum公司(http//www.vorum.com/)开发的专门针对脚型的输入，0.5毫米的精度，CANFIT-PLUS.Yeti.三维脚型扫描仪；Shoemaster公司(http//www.shoemaster.co.uk)开发的FOTOFIT脚型扫描系统。
国内的航空工业总公司303所和轻工制鞋研究所研制了一套基于结构光的测量系统，包括4个摄像头和4个投影光源，并通过反光镜测量脚底形状，但并没有后续的可投入实际应用的产品问世。从技术的角度来看，目前这些三维脚型测量系统都只是产生三维的散乱点数据(几何信息)，需要强有力的后续处理才能建构出脚型的形状和三维模型。
在脚型测量和建模的技术途径上，除了测量每一点的三维信息的方法外，还有测量一些关键的脚型轮廓信息，如Visimage公司的产品(http//www.vis.ca/footscan.htm)。
变形建模方法是计算机辅助几何造型的常见方法之一，通常用于某一类复杂物体的建模和造型。其基本的算法框架为对某一类物体的一个或多个已知的三维模型上，用户首先指定他想要建模的该类物体的一组空间位置约束，然后检查已知的三维模型是否满足这些约束，如满足，则直接返回该物体；否则，计算机系统自动地根据该类物体的形状特性和领域知识，通过几何推理和约束求解等手段，迭代地对已知模型的几何和拓扑形状进行变动和修改，直到结果模型满足用户的指定约束为止，并返回该结果模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于特定网格图案的三维脚型测量和建模的方法。
它用印有网格的袜子穿在人的脚上，然后通过多个数码相机或者摄像机同时拍摄，确保每个网格的角点(corner)被至少两个数码相机或者摄像机拍到，然后基于立体视觉和光学成像的原理，恢复出所有网格角点的三维位置；在此基础上，利用这些恢复出的角点的三维位置，重新拟合出覆盖在人脚上的三维网格，最后根据三维网格对标准脚的空间位置约束，通过变形建模方法，建立特定的三维脚型的模型，并计算出脚型的参数。
本发明基于立体视觉原理和网格的纹理特性，其恢复出的三维网格综合体现了脚型的三维几何形状和轮廓，然后通过变形建模方法，就可以实现脚型的快速测量和建模。与现有的脚型测量和建模方法相比较，本发明强调基于特定网格纹理，利用普通的数码相机(摄像机)和立体视觉原理，来实现脚型的三维测量和建模。其优点是硬件成本低，并把硬件装置和软件系统有机地结合一起，即避免了单一的硬件实现的高成本，也避免了单一的软件实现的低精度，因此，本发明的方法不仅可操作性强，而且实现成本低，利于推广使用。
图1袜子上的网格图案示例图；图2网格角点的示例图；图3主要脚型参数的示意图；图4本发明的相机或摄像机配置示意图；图5本发明的工作流程图。
具体实施例方式
本发明的硬件部分由6到8个数码相机或摄像机和一台计算机组成，并固定在一个半径约为80厘米的圆形平台上，每个数码相机(或摄像机)通过USB数据传输接口和计算机相联接，所采集到的数码图像由运行在计算机上的软件系统进行立体视觉计算和处理，并最终建构出三维脚型模型。
本发明测量和建模的具体步骤1)数码相机或者摄像机的定标，通过对三维空间信息已知的物体进行拍摄，然后根据他们在采集到的二维图像中的像素坐标位置，估计出数码相机或者摄像机的内外参数，包括焦距、两个相机之间的相对空间位置和相对的朝向角度；2)网格角点的侦测，自动或者半自动地找出从各个数码相机或者摄像机输入图像中的所有角点的像素坐标位置；3)网格角点的匹配，自动或者半自动地找出输入的两幅图像中的角点之间的对应关系，即一幅图像中的角点对应于另一幅图像中的哪一个角点；4)根据光学几何成像原理和相机的内外参数，计算出各个角点的三维位置；5)根据三维角点位置，并和人的标准脚模型相结合，拟合出人脚的三维网格；6)根据该三维网格，通过变形方法，建立脚型的三维模型，并计算出脚型的参数，包括脚长、脚宽、外怀骨中心下沿点高度1、后跟突度点高度2、舟上弯点高度3、前跗骨突点高度4、第一跖趾关节高度5、脚拇指高度6以及跖围7、跗围8、兜围9和脚腕围10的围长。
如图1所示，其中，图1(c)为袜子A图案，图1(a)为袜子A图案穿在脚上后的图案示意图；图1(d)为袜子B图案，图1(b)为袜子B图案穿在脚上后的图案示意图。
如图2所示，其中，图2(a)中用方框标示的交叉点为图1(a)和(c)所示的网格图案A的角点。图2(b)中用方框标示的交叉点为图1(b)和(d)所示的网格图案B的角点。
如图3所示，其中，图3(a)中的“1”所标示的为外怀骨中心下沿点高度；“2”为后跟突度点高度；“3”为舟上弯点高度；“4”为前跗骨突点高度；“5”为第一跖趾关节高度；“6”为脚的拇指高度。
图3(b)中的“7”所标示的为跖围，脚跖围指的是通过脚的第一跖趾关节和第五跖趾关节所测量的围长。也叫做跖趾围长；“8”所标示的为跗围，脚跗围指的是通过前跗骨突点和第五跖骨粗隆点所测的围长；“9”所标示的为兜围，脚兜围指的是通过脚后跟和舟上弯点所测的围长；“10”所标示的为脚腕围，指的是通过脚腕最细处所侧的围长。
如图4所示，为本发明的相机的位置配置关系的示意图，在测量时，人脚放在圆盘的中心区域，8个相机在其四周排列，并确保待测量的人脚上的袜子的各个角点至少被两个相机(摄像机)拍摄到。
如图5所示，系统在准备阶段时，首先通过专用的、已知其三维空间位置的图案，进行相机或摄像机的定标和校准，估计出他们的参数。待测量的脚型在准备阶段时，首先穿上特定图中所示的袜子，放置在圆盘的中心区域，然后通过遥控器或线控器，控制6-8个相机(摄像机)一次性性地从各个角度拍摄，并通过USB接口传输到计算机内，然后启动软件系统，把采集到所有图像加载到内存中，并在每幅图像中找出角点，并连接成二维网格。
在系统自动匹配角点的基础上，由用户交互地纠正错误的匹配，并补上漏缺的匹配关系。此时，软件系统启动立体视觉模块，根据校准好的相机或摄像机的参数，以及匹配好的角点对应关系，计算出各个角点的三维位置，并根据其在二维图像上的网格连接关系，形成三维的网格。
最后，系统根据三维的网格，对系统中的标准脚型进行变形，生成特定的待测量的人脚的三维模型，并通过用户的交互在该三维模型选取脚型的特征点，然后，系统自动根据该三维模型，计算出脚型参数，包括脚长、脚宽、外怀骨中心下沿点高度、后跟突度点高度、舟上弯点高度、前跗骨突点高度、第一跖趾关节高度、脚拇指高度以及跖围、跗围、兜围和脚腕围的围长。
权利要求
1.一种基于特定网格图案的三维脚型测量和建模方法，其特征在于用印有网格的袜子穿在人的脚上，然后通过多个数码相机或者摄像机同时拍摄，确保每个网格的角点被至少两个数码相机或者摄像机拍到，然后基于立体视觉和光学成像的原理，恢复出所有网格角点的三维位置；在此基础上，利用这些恢复出的角点的三维位置，重新拟合出覆盖在人脚上的三维网格，最后根据三维网格对标准脚的空间位置约束，通过变形建模方法，建立特定的三维脚型的模型，并计算出脚型的参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于特定网格图案的三维脚型测量和建模方法，其特征在于所说测量和建模的具体步骤1)数码相机或者摄像机的定标，通过对三维空间信息已知的物体进行拍摄，然后根据他们在采集到的二维图像中的像素坐标位置，估计出数码相机或者摄像机的内外参数，包括焦距、两个相机之间的相对空间位置和相对的朝向角度；2)网格角点的侦测，自动或者半自动地找出从各个数码相机或者摄像机输入图像中的所有角点的像素坐标位置；3)网格角点的匹配，自动或者半自动地找出输入的两幅图像中的角点之间的对应关系，即一幅图像中的角点对应于另一幅图像中的哪一个角点；4)根据光学几何成像原理和相机的内外参数，计算出各个角点的三维位置；5)根据三维角点位置，并和人的标准脚模型相结合，拟合出人脚的三维网格；6)根据该三维网格，通过变形方法，建立脚型的三维模型，并计算出脚型的参数，包括脚长、脚宽、外怀骨中心下沿点高度(1)、后跟突度点高度(2)、舟上弯点高度(3)、前跗骨突点高度(4)、第一跖趾关节高度(5)、脚拇指高度(6)以及跖围(7)、跗围(8)、兜围(9)和脚腕围(10)的围长。
全文摘要
本发明公开了一种基于特定网格图案的三维脚型测量和建模的方法。它用印有网格的袜子穿在人的脚上，然后通过多个数码相机或者摄像机同时拍摄，确保每个网格的角点(corner)被至少两个数码相机或者摄像机拍到，然后基于立体视觉和光学成像的原理，恢复出所有网格角点的三维位置；在此基础上，利用这些恢复出的角点的三维位置，重新拟合出覆盖在人脚上的三维网格，最后根据三维网格对标准脚的空间位置约束，通过变形建模方法，建立特定的三维脚型的模型，并计算出脚型的参数。本发明硬件成本低，并把硬件装置和软件系统有机地结合在一起，既避免了单一的硬件实现的高成本，也避免了单一的软件实现的低精度。本发明可操作性强，而且实现成本低，利于推广使用。
文档编号G01C11/12GK1544883SQ20031010885
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者潘云鹤, 耿卫东, 门素琴, 黄炎, 丁磊 申请人:浙江大学