用于测量鞋的形状、尺寸和弹性的方法和装置与流程

本发明涉及一种测量技术和测量方法，它可以用于制鞋工业，特别适用于确定包括靴子到凉鞋的大多数不同鞋类的尺寸的装置。

所述方法和装置可用于制鞋、服装和针织工业中鞋(包括解剖学的/矫形的)、服装和头饰以及必须完全适合人体的产品(例如矫形鞋垫、矫形器、假肢)的测量、制造、设计、质量评估。它们可用于日常生活中，在贸易行业中可用于市场投放、销售和远程购买适合客户实际特殊身体特征的鞋、服装类、头饰。

当测量如下其它薄壁物体时也可以使用这些方法和装置：管道、虹吸管、各种容器、任何形状的通道等。所述装置可以测量以下参数：围长、周长、椭圆度、形状偏差、轮廓的几何形状。

背景技术：

已知一种用于确定鞋的内表面的装置，其工作原理基于以下事实：在与相机刚性连接的探头上设置与待测表面接触的传感元件，并且相机由位于物体外部的2d标注图像引导，该图像相对于相机是可变的。同时以编程方式构建3d模型[us20100238271a1，2010年9月23日]。

已知装置的缺点是仅存在一个传感探头；需要手动越过整个表面；由于探头所施压力的大小不同而导致的测量结果失真；测量的劳动强度和持续时间。

已知一种通过光学方法检测内部空间(例如鞋、管道)的三维形状的方法，以及用于实施所述方法的装置[us2005/0168756a1，2005年8月4日]。

所述发明涉及一种光学检测内部空间的三维形状的方法和用于实施该方法的装置。其原型的工作原理是将带有标记的形状配合材料固定在空间的内壁上。相机放置在内并拍摄一系列重叠的图像。通过摄影测量方法处理图像从而得到内表面的3d模型。

这种方法的缺点是需要将标记材料固定在整个待测表面上，由于必须考虑粘合方法及其随后的移除，因此较难采用。另外，如果材料不是实心的，则待测物体的真实形状可能会变形。

技术实现要素：

测量中空物体的内表面的形状、尺寸和弹性特性的方法的目的是提高精度、减少劳动强度和测量时间。

通过使用一种测量中空物体的内表面的形状、尺寸和弹性特性的方法来实现以上目的，在所述方法中，当装置插入待测物体时，相机通过位于在待测表面上产生均匀的应力状态的探头上的指示器来接收与扁平标记条相关的空间数据，通过所得空间数据建立物体的内部空间的三维模型，作为测量恢复的三维模型的结果得到所述三维模型的尺寸，并且作为使用不同的力扫描相同的物体并测量变形体的最终尺寸和原始尺寸之间的差模量的结果来获得弹性特性。

该方法建议结合使用测量3d物体的接触式和非接触式方法。该装置可通过收集物体的形状和尺寸的数据来接收该物体的三维数字模型。相机图像用于提取3d数据(收集关于其视场内尺寸和表面形状的信息)。因此，就可以接收到物体表面的几何点云。

精度得到提高，同时弹性管状物体部分在由装置探头施加的机械膨胀应力的作用下也得以恢复。

为了使弹性物体具有真实的形状，表面在弹性探头系统测量部分的限度内均匀地膨胀。

为了使装置平稳地初始插入待测物体，就会使用伸缩探头的一种构造。

处于应力状态的探头紧密地贴合待测量表面，为的是处于弹性情况下的待测材料能够恢复其初始形状，从而增加测量的精度。

与原型不同，我们建议仅在一侧使用标记材料。在我们这个情况下，内表面的3d模型的产生并不是来自于待测物体的图像，而是来自于探头上的指示器相对于扁平标记条位置的图像。此外，在应力状态下的探头处于待测量空间的内部，能均匀地拉伸物体材料，这就使其能够测量物体原始的、未变形的形状。

测量结果将以点云的形式公布，同时会创建一个cad文件(obj)。

该装置构造中配有测量探头。

当其沿着物体的内表面移动时，进行三维坐标读取。该装置配有录像机或照相机，从而可以在三个平面上实时接收扫描探头末端确切位置的信息。

附图说明

图1示出的是能确定鞋的形状和尺寸的装置。

具体实施方式

建立中空物体内表面三维模型的方法是为了提高精度、减少劳动强度和测量时间。

这是通过使用如下方法实现的：在所述方法中，当装置插入待测物体时，相机通过位于在待测表面上产生均匀应力状态的探头上的指示器来接收与扁平标记条相关的空间数据，通过所得空间数据建立物体内部空间的三维模型，作为测量恢复的三维模型的结果得到所述三维模型的尺寸，并且作为使用不同的力力度扫描相同的物体并测量变形体的最终尺寸和原始尺寸之间的差模量的结果来获得弹性特性。

将装置插入待测物体时，相机会记录图像。在对每个图像进行进一步处理的过程中，会确定探头指示器的位置以及扁平标记条图像片段的位置。图2显示了相机图像，在图像上可以清楚地看到扁平标记条和指示器，根据所收到的信息，可通过软件处理图像并获得待测物体的点坐标。

在探头指示器的图像上，实现对图像格式rgb(红色、绿色、蓝色)的绿色通道g的搜索。该搜索分两个阶段进行。首先，通过全扫描，存储绿色像素。然后，通过蒙特卡罗法，在其中搜索包括最大绿色像素数的圆形形状(半径为5个像素，图像尺寸为640×480像素)的区域。在找到第一个指示器之后，从主图像中移除属于它的绿色像素，并进行下一个指示器的搜索。在不能找到填充有绿色像素的另一个圆形区域之后，即可得出视场内指示器数量的结论。

当视场内指示器的数量显著减少(特别是，从8到3)时，则视频停止记录，这也意味着当装置离开待测腔时，探头矫直。

在每个图像上，探头的指示器都可获得关于内表面部分的信息。

图像序列使得可以接收到内表面的多个部分的点云。为了将这些部分彼此组合起来，就会使用扁平标记条，从而就可以高精度地确定每个被测部分在空间中的位置。

由于指示器远离探头的末端，因此需进行初步校准，以使像素中指示器与图像的光学中心的距离同相机轴线与探头在内表面上的接触点之间的实际角度相关联。

标记条上的图像是以黑白的矩形和椭圆形随机组合起来的。以如此方式按尺寸分布的图形就可使得图像的小片段是唯一的，并且不在相同的标记条上重复。必须在各种特征距离中都满足唯一性这一要求：针对大小不同尺寸的片段(特别是从2×2mm²至20×20mm²的方形片段)。

由于探头具有一定的宽度，覆盖了扁平标记条图像的大部分。因此，为确定装置的位置，需使用位于探头之间(特别是测量鞋的前部时)或探头末端之间(特别是测量鞋的后部时)的标记条图像片段。

为了搜索标记条图像的片段，需使用缩小范围的蒙特卡罗法，从而确定标记条的片段在坐标系中的хф、уф坐标、方形片段的尺寸aф，并将这些参数与相机图像中的片段参数相关联：x、y坐标和梯形参数，表示从一定角度观看时的扭曲的方形片段(上边缘和下边缘之间的差，上边缘相对于下边缘的水平偏移、整个梯形的旋转角度)。作为组合图像片段的标准，应使用对应像素强度差的平方和。

应针对每一帧都进行标记条图像的三个方形片段的搜索：一个主要片段、和相对于主要片段向上和向右缩进的两个片段。根据三个片段在扁平标记条上的хф、уф坐标，计算相机光学中心的三个坐标хэ、yэ、zэ和相机光轴的方向角aэ、βэ、γэ。最后的六个参数就可使得清楚且高精度地确定探头末端在空间上的位置，并将为该帧所接收到的点添加到与待测物体内表面的形状相对应的公共点云上去(图3)。

使用测量中空物体内表面的形状、尺寸和弹性特性，并建立中空物体内表面三维模型的装置是为了提高精度、减少劳动强度和测量时间。

通过使用由主体、内装的相机、两个或两个以上带有指示器的探头以及扁平标记条组成的装置来达到以上目的。

图4所示为：主体1、轴2、镜头单元3、键4、手柄5、带有指示器7的探头6、锁定件8和固定件9半环、镜头10、连接到电脑的相机11。在装置中，存在一种部件，能固定弹性探头的打开角度，以恢复待测弹性表面的形状。

在图5中的空间中所示的是用于测量鞋的鞋垫形状扁平标记条，该条用于定位从相机接收到的图像。

图6所示为扁平标记条的图像，所示图像为黑白不同尺寸的矩形、椭圆的随机组合。

图7所示的探头具有复杂的形状，包括：柄部，手柄的运动被传递到该柄部；轴，位于相对于其旋转的主体基床中；斜向于轴的凸形杆，其开始部分是灵活的，可在延伸探头时产生压缩力；并且在末端有圆角，用于防止刮伤材料并且更好地接触；在杆的实心部分上设有一个或多个指示器的突起物，内置于装置中的相机监视其在三维空间中的位置。

软件可使将捕获的点的云转换为被测内表面的三维模型。

装置工作原理如下：通过沿与镜头10相反的方向移动手柄5，在镜头单元3的狭槽中移动的探头6的柄部减小探头的打开角度，直到其彼此接触为止。同时，由于弹性特性，键4在主体1的表面上处于应力状态。在探头6的缩回位置，该装置放置在待测物体内。通过沿镜头10的方向移动手柄5，探头6打开到由主体1中的狭槽确定的所需的力，键4卡入到所述狭槽中，从而在从手柄移除力时防止探头弯曲。启动相机11进行记录，并将指示器7相对于标记条的位置发送到计算机。通过手柄5，将装置从待测物体上移除，其中探头6由于施加在其上的应力，将紧密地贴在待测表面之上。拍摄测量图像后，相机关闭。计算机将接收的信息转换为被测内表面的3d模型。

图8、图9、图10所示的是：当沿着待测物体(鞋)的内表面移动时装置的位置。图8示出的是通过装置对鞋头的测量。图9示出的是通过装置对鞋后部的测量。为了显示装置在鞋内的位置，制作出了鞋的纵向切割截面。图10以鞋的横截面形式展示了通过装置对鞋中间部分的测量。图11示出了在上部为透明的鞋中，当测量足尖部分时装置探头的位置。在图中可以看出，带指示器的探头在所有位置上都是紧紧贴合鞋的内表面的。

图12和图13所示：其应用领域不仅限于鞋，装置还可以测量衣服(袖)的内表面以及其他的技术对象-管道的内表面。

装置能够将探头固定在几个位置，至少三个位置：臂关闭、半开、完全打开(角度为100°)。这就可以以所需的力打开探头。如果用不同的力测量相同弹性材料的物体，则可以轻易地确定其弹性特性，特别是绝对变形的大小等于变形体的最终尺寸和初始尺寸之间的差模量时。因此，借助于该装置，可以测量不同类型的皮革、织物和其它材料的弹性拉伸性能。图14和图15示出了袖口的弹性的测量。在图14中，为高应力，在图15中，为低应力。图16和图17示出了在测量袖口弹性时的相机图像。在图16和图17中，可以看出，由指示器的点组成的部分在图a中比在图b中更大。

该装置还可控制表面质量并检测仅在拉伸弹性材料时可见的缺陷。在图18显示的相机图像中，可以看到衬衫的接缝。当把该装置插入袖中时，织物将被拉伸，并且接缝也被拉伸，其中所有缺陷都可以通过相机控制。