本发明涉及三维扫描及数字化分析技术领域，具体涉及一种足部快速三维扫描方法。
背景技术：
随着生活水平的提高，人们对鞋类产品的要求也渐渐地从单纯追求款式的漂亮过渡到对舒适度的要求。我国幅员辽阔，由于区域不同、生长环境不同，各地区人群的足型也会有各自的特征，因此鞋类企业就需要针对消费对象，进行设计研发和销售，使消费者能够买到更适合他们脚型的鞋类产品，然而国内制鞋行业对各地区群的足型特征基础研究仍然不够。传统的制鞋业将皮鞋分为男鞋、女鞋、童鞋几类，并且将人脚的长度划分为几个对应的区间，然后对于每一类鞋为每一个脚长区间定义一个码数，规定脚长位于该区间的脚均应该穿着该区间所对应码长的鞋子。在同一个码长的鞋子中，根据脚宽的不同还分成不同的肥瘦型。在生产的过程中，根据码长和肥瘦型生产出特定鞋号和款式的标准鞋楦，然后根据这些标准鞋楦制作成不同大小不同样式的鞋子。人们在购买鞋子的时候常常需要试穿不同型号的鞋子来寻找尽可能适合自己脚型的鞋，以至于在大部分的情况下，人脚必须被动地适应鞋子固定的尺寸和形状。事实上，属于同一码长所对应的脚长区间的脚型形状差异是很大的，即使是同一个人的左右脚也并非是完全镜像对称的，也可能存在长短、胖瘦、足弓高度等不同程度的差异，甚至同一个人的左右脚不属于同一个鞋子码长所对应的脚长区间的情况也较为常见。因此，很多人不得不忍受皮鞋挤脚、磨脚或不跟脚的痛苦。为了改变这种“削足适履”的现状，根据用户的脚型形状进行鞋子定制是不可避免的。
特定职业的人员如运动员、演员等在训练过程需要对脚型的动态形状以及步态压力进行研究。为了能够达到更好的训练效果，有时需要对运动员或舞蹈演员等进行动作姿势的调整，而脚作为支撑整个身体的着力点，其着地的姿势、角度等对整个动作的完成起决定性作用，所以通常需要对他们在运动过程中，脚着地的短时间内的形状变化进行分析，从而指导训练。在医学研究方面，脚型形状的测量可以为生物动力学，人体运动学的研究提供更全面的数据资料，可以帮助研究儿童脚型的发育过程，帮助观察病态脚型康复疗效，另外，其还可以进行辅助假肢再造以及医学仿真实验等。
传统的足型数据获取采用的是手工测量的方式，虽然该方法操作简单、成本低廉，但是存在精确度低、效率低等问题，并且由于手工测量只能针对足部特征点，缺乏对足部形态的整体特征信息的描述。面对大数量的足型数据采集，若使用皮尺、高度尺、量脚规及量脚板等工具逐一量取足部关键测量部位的尺寸，测量数据的精确程度极易受到测量者的操作手法及被测者姿势的影响，且要获得完整的数据需花费大量的时间，其低效率的缺点立刻显现。另外，原始手工测量所得到的少数参数并不能准确地完全地描述足部形状。研究结果表明每个人的足弓高和脚趾与脚底平面夹角都是显著不同的，这一方面并未体现在我国现行的标准中，即按照脚长和脚宽两个特征尺寸来确定鞋型，并不能准确的反映出属于同一号型的不同个体脚型的差异。这从另一方面说明需要一种新的脚型测量方式和表达方法来更加便捷地获取和全面地表达脚型的形状。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，针对现有人体足部外形轮廓三维重构方法精度低、扫描速度慢、鲁棒性差、成本高、不符合足部生理特点以及难以市场化推广的问题。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种人体足部快速三维扫描方法，所述方法应用于包括测量头的足部三维扫描装置中，所述测量头包括两个相机和散斑投射器，所述方法包括：
调整所述测量头视场；
采用相机内、外参数捆绑调整的方式对所述测量头进行标定；
向足部投射散斑，采集足部图像，进行散斑匹配；
利用已标定好的测量头进行三维密集点云重建，得到足部三维模型；
根据所述足部三维模型提取足部模型尺寸。
进一步的，所述测量头为两个，所述采用相机内、外参数捆绑调整的方式对所述测量头进行标定包括：
将带有编码点和非编码标志点的标定板放置于相机的视场下，通过移动标定板获取标定板在八个不同位置和姿态的相机图像；
通过图像处理，识别出八组图像中非编码点的图像坐标和编码点对应的编码值；
通过摄影测量中相对定向算法计算出前两组图像的相对位置关系，并重建出编码标志点物方坐标；
通过直接线性变换法和角锥法定向出其它组图像位置，重建出非编码标志点的物方坐标：
通过捆绑调整优化算法对相机内部参数、外部参数、物方特征点坐标进行整体的迭代优化，得到所述两个测量头相机间的内外参数。
进一步的，所述散斑匹配包括：
采用种子点扩散方法进行粗匹配；
采用数字图像相关法进行精细匹配。
进一步的，所述利用已标定好的测量头进行三维密集点云重建，得到足部三维模型包括：
用已标定好的测量头进行分布式密集重建三维点云，再对多个测量头的点云模型进行融合，得到足部点云轮廓模型；
对所述足部点云轮廓模型进行三角网格化封装和补洞，得到所述足部三维模型。
本发明提供的人体足部快速三维扫描方法，通过投射结构光到物体表面，由结构光中的几何信息进而提取物体表面的三维信息，相较于现有技术具有如下优点：
1、本发明方法采用激光散斑投影测量的方法，对人体皮肤无害，健康无辐射。
2、本发明方法的投射器件与相机高度集成模组，缩小了硬件体积，实现毫秒级点云采集时间。
3、本发明克服了传统测量方法在测量范围、测量效率以及测量精度等方面的局限性，实现了非接触快速测量。
4、本发明扫描速度快，一次投射多相机同时采集图像，即可完成扫描，采集时间在微秒级，被扫描者不用在长时间内保持不动姿势，体现了人性化设计。
5、本发明多个测量头组成360°全方位脚型扫描系统，辅以高精度多相机标定方法，扫描数据不需要后期拼接，自动化生成完整的人体足部模型。
6、本发明将相机被集成在测量头内，在测量头标定过程中，采用相机内、外参数捆绑调整的方式对所述测量头进行标定，只需要进行一次测量头外参数的标定即可开始测量，大大简化了标定模型，也提高了标定精度。
附图说明
图1为本发明实施例足部测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例单个测量头结构示意图；
图3为本发明实施例散斑投射器光路设计图；
图4为本发明实施例一种人体足部快速三维扫描方法流程图；
图5为本发明实施例测量头标定示意图；
图6为本发明实施例足部三维实体模型示意图；
图7为本发明实施例足部三维模型示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，但不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本发明提供的一种人体足部快速三维扫描方法应用于人体足部快速三维扫描装置中，该装置包括足部测量装置、控制箱、标定板以及计算机。如图1所示，所述足部测量装置包括：支架、位于所述支架底部的踏板平面131和位于所述支架顶部的顶部测量头2。其中，支架包括竖直的四个支架柱11和设于所述四个支架柱11之间水平的透光平面12和踏板平面131。踏板平面131上设有底部测量头(图中未显示)，四个所述支架柱11顶部分别设有顶部测量头2；支架柱11上开有u型孔，可调节顶部测量头2的上下角度，支架柱11还设有水平固定板，固定板上开有u型孔，可调节顶部测量头2左右角度。
图2所示为单个测量头硬件示意图，该测量头是由两个黑白相机和一个散斑投射器组成；散斑投射器包括vcsel激光阵列、双凸镜、聚光镜、散斑玻片和镜头。图3所示为散斑投射器光路设计图。从led光源发射的光线通过聚光透镜，汇聚成具有一定角度的发散光束，通过菲涅尔镜片调整光路，将发散光整理为平行光，透过设计好的散斑遮罩片，形成测量所需的散斑投射图样，再通过菲涅尔镜片、镜头调整光束，投射到被测足部表面，在被测表面制备出瞬时散斑特征，用于后期计算。整个投射器对光路设计能力、制造工艺要求较高，所设计光路要能在被测物表面投射出清晰、亮度均匀、光强合适的散斑图案，整个投射器要在无尘环境下制造并进行封装。测量时脚放置在踏板平面131，即可实现脚面上无死角测量。
参见图1和图4，本发明提供的一种人体足部快速三维扫描方法，包括：
s401、调整所述测量头视场。
鉴于单个测量头视场有限，不足以对足部进行覆盖。本步骤中通过调整底部测量头和四个顶部测量头2的角度和距离，其中4个顶部测量头围绕足部布置，另一个底部测量头用以扫描足底部位。一方面，保证所有的测量头所形成的视场应能完全覆盖整个足部表面；另一方面，保证相邻测量头所采集的图像有重合区域，从而保证后期全局拼接的顺利完成。
本步骤中，为了保证点云测量的精度，在测量头方面：1)保持环境光源的均匀稳定，尽量减小波动；2)采用高精度的相机标定技术和畸变校正模型解决ccd光轴与人体足部表面不垂直的问题以及镜头畸变引起的测量误差；3)使用高质量、低噪声的ccd图像传感器，提高模拟散斑图的对比度。
本发明实施例中采用数字投影散斑相关方法进行足部扫描，利用散斑投射器将模拟散斑投射到人体足部表面后，迅速进行拍照，因此单个测量头的图像采集时间几乎是ccd相机的曝光时间，是毫秒级的，人体足部在这样短暂的时间间隔内可以被认为是刚体静止，因此单个测量头获得的局部点云具有较高的精度，从而保证了全局点云的精确配准。
s402、采用相机内、外参数捆绑调整的方式对所述测量头进行标定；
本发明中相机被集成化在一个很小的测量头内，相机间的夹角等相对位置不能改变，这增加了多测量头整体布局的难度和相机标定的难度。本发明采用十参数标定模型，先标定完成每个测量头里边两个黑白相机的内参数，简化标定模型，在实际测量前，只需要进行一次测量头外参数的标定即可开始测量，大大简化了标定模型，不仅标定过程顺利进行，也提高了标定精度，使得标定状态在10张照片左右，就可以完成所有测量位置的准确定位。
本发明示例性实施例中采用如图5所示的平面标定板对五个测量头中相机的内外参数进行标定。标定板预先丝印编码点和非编码点，标定时将标定板置于五个测量头的中心位置，摆放为图中1、2、3个位置。将图1中4个顶部测量头2记为①号、②号、③号和④号测量头，1个底部测量头记为⑤测量头，测量时，可以将①号和②号测量头、②和③号测量头、③和④号测量头、④和⑤测量头为一组，分别采集标定板图像，然后识别标定板上三维点信息，解算外参数，然后通过外参数传递，获得五个测头的绝对外参数。
针对两个测量头(如①号和②号测量头)的标定过程本步骤具体包括：
1、将带有编码点和非编码标志点的标定板放置于相机的视场下，通过移动标定板获取标定板在八个不同位置和姿态的像机图像；
2、通过图像处理，识别出八组图像中非编码点的图像坐标和编码点对应的编码值；
3、通过摄影测量中相对定向算法计算出前两组图像的相对位置关系，并重建出编码标志点物方坐标；
4、通过直接线性变换法和角锥法定向出其它组图像位置，重建出非编码标志点的物方坐标；
5、通过捆绑调整优化算法对相机内部参数、外部参数、物方特征点坐标进行整体的迭代优化，优化结束后就得到了两个测量头相机间的内外参数。
通过上述方法，可以完成其他组测量头进行标定。
s403、向足部投射散斑，采集足部图像，进行散斑匹配；
具体的，本步骤为了加快左右图像的散斑匹配，首先采用种子点扩散方向进行粗匹配。
本发明示例性实施例中在相关搜索的第一阶段，在散斑图像中随机生成一个准确的种子点，然后以该种子为中心，向着它的四邻域扩散，如此反复，直至所有的网格中心都匹配得到对应点对。这种基于种子点的匹配方法能够为相邻子区提供比较准确的初值，以缩短迭代搜索时间。考虑到当前的cpu多为多核，因此使用多核并行运算，每个测量头的匹配计算占用一个核，这样充分利用了计算机的计算能力，很大程度提高点云的生成速度。
粗匹配完成后，采用数字图像相关法进行精细匹配。
具体的，在数字图像相关计算方面，为了保证点云测量的精度：1)使用抗干扰能力最强的标准互相关函数或归一化最小平方距离相关函数可以避免光照不均匀引起的测量误差；2)使用基于灰度梯度迭代的最小二乘法来优化相关函数；3)选择高阶插值方法，如双三次样条插值；4)在考虑运算效率的前提下，选择大小合适的图像计算子区。
本发明所述的足部快速三维扫描系统中，所述数字图像相关法的基本问题是对左右两个相机产生的散斑图像进行相关计算。其中以左图像为参考图像，右图像为变形图像，在参考图像中，取以待匹配点c为中心的(2m+1)×(2m+1)大小的矩形子图像作为参考子图像，在变形图像中，通过一定的搜索方法，并按照预先定义的相关系数进行相关计算，寻找与参考子图像相似度最大的以c`为中心的目标子图像，则点c即为点c`在变形图像中的对应点。
本发明所述的足部快速三维扫描系统中，所诉相关函数如下：
其中r0和r1两个参数用于补偿由于光照引起的灰度线性变化，该相关系数同样具有较强的抗干扰能力，与其它相关系数相比意义更加简单明了，优化过程更加高效。
s404、利用已标定好的测量头进行三维密集点云重建，得到足部三维模型；
具体的，本步骤中，利用已标定好的多测量头的足部三维扫描装置进行分布式密集重建三维点云，再对多个测量头的点云模型进行融合，得到足部点云轮廓模型，然后对足部点云轮廓模型进行三角网格化封装和补洞，生成如图6所示的三维实体模型，最后对三维实体模型进行平滑去噪等后续优化处理后得到如图7所示的足部三维模型。
s405、根据所述足部三维模型提取足部模型尺寸。
本步骤中，根据足部三维模型上的特征参数，针对制鞋行业所需要的基本尺寸数据，以及这些尺寸在三维模型上的定义，可以准确地提取出可以用于下游行业的尺寸数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。