基于明暗图像的足底三维重建装置及方法与流程

本发明涉及三维重建技术领域，尤其涉及一种基于明暗图像的足底三维重建装置及方法。

背景技术：

三维被动恢复技术作为计算机视觉领域一个重要的研究方向，己在社会生产生活的各个领域显示出越来越不可忽视的地位和作用，尤其在农业、工业、国防、医学、空间技术等领域，具有广泛的应用价值。三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，在计算机内生成物体三维表示主要有两类方法：1.使用几何建模软件(如3dmax，maya等)通过人机交互生成物体三维几何模型；2.利用物体的二维信息恢复三维信息。

国内外关于足部三维重建的研究工作并不多，基于激光扫描的有：王玉秀等开发了一套足部形状的非接触测量系统，该系统以一定频率同步发射两条激光线，在被测物表面形成一条封闭曲线，并使用3台ccd摄像机从不同角度同时拍摄该曲线与足底图像。经过对像平面和实物之间的空间映射变换及图像处理后，可获得被测物表面的三维曲面信息。还有matijajezersek基于激光多线三角化技术提出了一种高速三维足部形状的扫描方法，该方法通过对光栅投射器的位置进行巧妙设定，并采用同一波长的激光进行透射，使其在进行投影时，相邻投射器的激光条纹不会互相干涉，避免了由此带来的限制，从而提高了激光扫描的速率。有基于立体视觉的：hyunglaelee为了降低三维足部获取技术的成本，采用12个普通pc摄像机，而非ccd摄像机，对目标足部图像进行采集，然后从足部数据库中选出适当的足部进行变形，使之轮廓以及形状的相关特征位置与图像中足部相一致，从而得到所测量足部的形状。高飞提出了一种基于立体视觉及稀疏特征的三维足部重建方法，该方法把标记点图案设置在袜子上，通过10台普通摄像机对穿着带有标记点图案袜子的足部图像进行采集，然后从所采集到的图像中提取标记点并进行立体视觉匹配，接着根据投影成像的几何关系重建出每个标记点的三维几何位置，并利用三角化处理以及曲面细分等手段获取用户的三维足部。

上述几种采集方法，人脚是站在硬件采集平台上的，足底相较于足面较特殊，这些足部三维重建的研究工作中也没有特别的关注足底的三维重建，关于足底三维重建的文献资料很少，相关的工作是通过使用激光，但是基于激光的测量系统有几个缺点：1.需要一个比市售传感器更昂贵的无干扰的图像传感器；2.只能用于裸脚测量，被测者需要站在一个透明的数据采集平台上，这会导致纪录的信息被反射光束干扰，影响测量精度，同时还存在测量速度慢，体型大以及忽略足底三维信息等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于明暗图像的足底三维重建装置及方法，通过一张足底图片即可实现足底的三维重建，成本低。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：基于明暗图像的足底三维重建装置，包括玻璃采集平台、灯光源、相机、平面镜和处理器，脚站在玻璃采集平台上，平面镜均位于玻璃采集平台的下方，灯光源用于对足底进行照明，相机将拍摄的平面镜中足底的图像转换成足底明暗灰度图，处理器将足底明暗灰度图转换成足底三维模型。

作为本发明的优化方案，平面镜与玻璃采集平台平行，相机安装在玻璃采集平台的下表面。

作为本发明的优化方案，平面镜与玻璃采集平台四周密封，相机在密封环境中拍摄平面镜中足底的图像。

作为本发明的优化方案，玻璃采集平台为钢化玻璃。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：基于明暗图像的足底三维重建方法，包括如下步骤：

步骤1：利用相机获取足底在灯光源照射的情况下的足底图像，相机将拍摄的足底图像转换成足底明暗灰度图；

步骤2：处理器将相机获取的足底明暗灰度图转换成足底三维模型。

作为本发明的优化方案，步骤2包括如下步骤：

步骤a：处理器识别并提取出足底明暗灰度图中的足底部分，根据足底形态特征将足底分为4个区域；

步骤b：统计各个区域中点的明暗信息与实际高度信息的关系；

步骤c：根据步骤b中的对应关系，已知足底明暗灰度图中某点所在区域及其灰度值推算出对应的高度值，未包含的点的信息可以通过插值从而实现足底三维重建

本发明具有积极的效果：1)本发明与传统三维光栅足部扫描仪相比，该技术所用设备是相机，在设备造价方面远远低于光栅技术采用的设备；

2)本发明在速度方面，该技术对足底数据的获取就是相机对足底进行一次拍照；

3)本发明在设备构造方面，该技术采用的设备是相机，便于运输。

4)本发明整体结构简单，测量精度高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为基于明暗图像的足底三维重建装置的结构示意图；

图2为足底所分4个区域的示意图；

图3为基于明暗图像的足底三维重建方法的流程图。

其中：1、玻璃采集平台，2、灯光源，3、相机，4、平面镜，5、前脚掌区域，6、后脚掌区域，7、足弓区域，8、足底和玻璃采集平台未接触区域。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了基于明暗图像的足底三维重建装置，包括玻璃采集平台1、灯光源2、相机3、平面镜4和处理器，脚站在玻璃采集平台1上，平面镜4均位于玻璃采集平台1的下方，灯光源2用于对足底进行照明，相机3将拍摄的平面镜4中足底的图像转换成足底明暗灰度图，处理器将足底明暗灰度图转换成足底三维模型。本发明通过足底的明暗图像来恢复足底表面点的相对高度信息。

平面镜4与玻璃采集平台1平行，相机3安装在玻璃采集平台1的下表面。

平面镜4与玻璃采集平台1四周密封，相机3在密封环境中拍摄平面镜4中足底的图像。其中，灯光源2处于平面镜4与玻璃采集平台1组成的密封环境中，可以防止自然光对拍照效果的干扰。

玻璃采集平台1为钢化玻璃。拍摄时，可以通过平面镜4缩短与钢化玻璃底部的距离。

如图2-3所示，基于明暗图像的足底三维重建装置进行足底三维重建方法，包括如下步骤：

步骤1：利用相机3获取足底在灯光源2照射的情况下的足底图像，相机3将拍摄的足底图像转换成足底明暗灰度图；控制灯光源2和相机3，先控制灯光源2亮起再在照明的情况下控制相机3对足底进行拍照，并将获得的照片转成明暗灰度图。

步骤2：处理器将相机3获取的足底明暗灰度图转换成足底三维模型。

步骤2包括如下步骤：

步骤a：处理器识别并提取出足底明暗灰度图中的足底部分，根据足底形态特征将其分为4个区域；当人站立在玻璃采集平台1上时，与玻璃采集平台1接触的足底会呈现出明显的特征，与玻璃采集平台1未接触的部分由于足底不平坦高度信息不一样导致相机3采集的足底图像中的亮度不一致。其中，足底的4个区域分别为前脚掌区域5、后脚掌区域6、足弓区域7和足底和玻璃采集平台未接触区域8。

步骤b：统计各个区域中点的明暗信息与实际高度信息的关系；

步骤c：根据步骤b中的对应关系，已知足底明暗灰度图中某点所在区域及其灰度值推算出对应的高度值，未包含的点的信息可以通过插值从而实现足底三维重建。

通过足底的二维图像可以推算某点的x、y坐标，有了高度值就有了z坐标，即求出了该点的三维坐标(x，y，z)，通过足底各个点的三维坐标最终得到足底三维模型。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。