本发明涉及三维模型重建技术，尤其涉及基于特征光斑重建脚部模型的技术。
背景技术：
近年来，随着光学测量技术的普及，光学和计算机技术的非接触式足部自动测量逐渐得到应用和普及。目前现有技术在本领域具有几种技术方向，例如基于激光扫描的脚式测量技术，基于计算机视觉和图像处理技术足三维测量技术等。虽然现有技术的这些测量结果是有效和准确的。然而现有技术只注重脚背的三维重建，却忽视了脚底的模型的建立，从而使得现有技术的足形三维重建并不完整。
造成此类问题产生的原因在于，现有技术在足部重建过程中，被测者往往是站在检测平台上，因此只有脚背是暴露在检测范围内的，而唯一脚底这一部分很容易被忽视，然而这种忽视却是致命的，因为根据人体学而言，正常人体的脚底实际上是具有起伏部分拱起的，而并非平板的，因此这一特点是不能低估的，否则脚部的三维重建后的数据是失实的，如果根据此类数据定制的产品，如鞋子等适用于人体脚底的产品即会使人产生不适感。因为根据人体脚底的足弓结构特点，足弓至少分为三种类型：高弓、正弓和平弓，因此获取此类脚底三维数据有显得尤其重要了。
此外现有基于现有技术的激光三维重建测量系统有两个缺点：其一图像传感器为避免干扰通常成本极高；其二扫描时间较长。而Joewono Widjaja先生提出的利用非结构化照明重建脚底表面的方案，即利用液晶显示器（LCD）投射到脚底表面的正弦光栅图案。光栅变形后的相位信息可以得出脚底高度。此方法的装置结构复杂。同时，基于结构照明的重建容易受到环境光的影响。因此综上所述目前亟待一种技术来解决上述现有技术的缺陷。
技术实现要素：
本发明的提供的一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，运用图像处理技术，能够精确的实现对脚底三维模型的重建。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，其步骤包括：
步骤A.建立测量系统获取脚面及脚底图像；
步骤B.基于预设判断条件将脚底图像分割成足弓和足曲区域；
步骤C.区分足弓和足曲图案区域内像素点，获取足曲部分像素点灰度值；
步骤D.视足弓区域像素点高度为0，基于图像灰度值参数库计算足曲区域像素点高度值；
步骤E.合并足弓和足曲区域高度值点云模型形成三维重建。
优选地，所述步骤B还包括：轮廓修正，即根据脚面图像校准修正脚底图像的轮廓。
优选地，步骤B中所述预设判断条件包括：根据灰度、颜色、纹理、形状中的一种或多种特征提取脚底图像中足弓和足曲区域。
优选地，所述步骤B中所述预设判断条件包括：提取脚底图像足弓和足曲区域像素的特征颜色作为参考，对整个图像进行颜色滤波处理，使足弓和足曲区域与背景分离，后对图像进行阈值分割。
优选地，所述图像灰度值参数库包括：建立足曲区域高度变化和灰度值的对应数据模型，以供释出对应区域像素点的高度值。
本发明另一方面还提供了一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，其步骤包括：
步骤A.建立测量系统获取脚面及脚底图像；
步骤B.基于预设判断条件将脚底图像分割成足弓和足曲部分；
步骤C.判断足弓类型；
步骤D.获取足弓和足曲图案区域内像素点，及该像素点灰度值；
步骤E.基于图像灰度值参数库计算足弓和足曲区域像素点高度值；
步骤F.合并足弓和足曲区域高度值点云模型形成三维重建。
优选地，所述判断足弓类型方法包括：采用形态学方法对分割后的图像进行开运算，去除噪声和小的连通区域，得到足弓区域的二值图像，沿该二值图长度方向对去除脚趾的足弓图像等分3个相同区域；计算中间区域与总面积比值；对比预设足弓系数判断足弓类型。
优选地，所述预设足弓系数的判断依据为：当足弓系数小于0.20，则属于高弓，当足弓系数大于0.26，则属于平弓，当足弓系数在0.20 ~0.26之间，则属于正弓。
优选地，所述图像灰度值参数库包括：将脚底图像分为至少4个区域包括：前脚掌、后脚跟、足弓以及脚底拱起部分，根据步骤C的足弓类型分类统计各个区域中脚底表面点的高度信息与其在图像中对应点的灰度值的关系，建立数据模型以释出对应像素点的高度值。
本发明另一方面还提供了一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，其步骤包括：
步骤A.建立测量系统获取脚面及脚底图像；
步骤B.基于预设判断条件将脚底图像分割成足弓和足曲区域；
步骤C.获取足弓和足曲图案区域内像素点，及该像素点灰度值；
步骤D.基于图像灰度值参数库计算足弓和足曲区域像素点高度值；
步骤E.合并足弓和足曲区域高度值点云模型形成三维重建。
通过本发明，提供的一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，能够精确的实现对脚底三维模型的重建，同时重建过程无需昂贵及复杂的检测设备，且不易受到环境光的影响，实现了快速索轮廓提取、索形三维重建等功能，节省了设备成本，缩短了三维重建时间，且稳定，鲁棒性较佳。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是发明第一实施例的步骤示意图；
图2是发明第一实施例的测量系统的结构示意图；
图3是发明第一实施例的测量定位区域的示意图；
图4是发明第一实施例的脚底与背景分离的示意图，左侧图仅含足弓区域，右侧图是包涵足弓及足曲区域；
图5是发明第一实施例的脚底与脚底二值化后的示意图，左侧图仅含足弓区域，右侧图是包涵足弓及足曲区域；
图6是发明第一实施例的脚底与脚面示意图，左侧图为脚面二值化图，中间为未修正的脚底图，右侧为修正后的脚底图；
图7是发明第二实施例的足弓类型计算示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”“步骤A”“步骤B”等是用于区别类似的对象，而并不一定用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
根据本发明的实施例，提供了一种本文提出了一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，根据图1所示其主要原理通过摄像装置获取脚面、脚底的图像，运用图像处理技术将脚底图像分为2个区域：1.脚底和玻璃采集平台接触并受压形变的足弓部分；2.脚底未和玻璃采集平台接触的隆起足曲部分。把区域1中的足弓形态提取出来并将其视为脚底部最底端的平面；区域2是一个渐变的曲面，从正、底面图像中确定该隆起区域的边界，运用统计学方法，统计分析脚底高度与灰度值之间的关系，利用统计关系与灰度值得到相应点的高度值，从而实现脚底的三维重建。
实施例一
请参阅图1至图6，具体来说为实现基于特征光斑的脚部模型重建方法，首先需建立测量系统，其结构如图2所示，其包括一个用于站立的玻璃板20，两个相机10，11，一个镜子30和照明装置（图中未示出）。玻璃板20和镜子30之间的底部空间是密封的。为了减少反射光的影响，需将封闭空间的内壁涂黑。底部的镜子30与玻璃板20平行。当被测者在玻璃板20上时脚底被照亮。上部相机10拍下了脚面图片，而下部相机11则从镜子上取脚底图像。
在实际测量中，由于被测者不同的姿态习惯，脚的摆放位置和角度会出现偏差。为了消除足弓系数计算的不利影响，提高足弓形状评价的鲁棒性，优选在玻璃板20上设置测量定位区域，以使脚应该站在垂直方向上。所采集的脚底图像如像图3左侧所示,脚面图像如图3右侧所示。
值得一提的是根据图3左侧所示，通常人类的脚站在平面上是不完全平坦的,接触玻璃板20部分，由于人体自重压力，脚底将呈现一个明显的形态学特性,且这部分的脚底颜色是不同于周围颜色的。因此本发明利用这个原理通过采集该脚底的图像并进行特征筛选，以进行后续处理。
此外为了提高该测量系统的数据精确性可靠性，优选对摄像装置进行测前标定，如通过黑白网格置于玻璃板20上，每个网格为标准2cm*2cm正方形，籍此通过校准件建立图像坐标系统与世界坐标系统的映射关系，进而完成标定。
其后，在该测量系统中拍摄脚底和脚面图像，并根据预设判断条件将脚底图像分割成足弓和足曲部分，值得一提的是该预设判断条件包括:根据灰度、颜色、纹理、形状等一种或多种特征来提取图像中足弓和足曲的区域。而本实施例中以其中部分特征提取为例进行说明。
目前，图像分割方法主要基于阈值、边缘、区域理论。在实验中，虽然皮肤的颜色因人而异，但接触玻璃后的这部分脚底颜色之间的差别很小，这部分颜色可以有效地区别于背景。因此利用基于颜色和阈值组合的分割方法提取目标区域是本发明优选的实施方案，籍此将脚底图像分割成足弓和足曲部分。
此外本发明的该方法，模仿了人眼的颜色视觉的特性，通过提取脚底足弓和足曲区域像素的特征颜色作为参考，对整个图像进行颜色滤波处理，从而使得目标区域与背景分离，如图4所示得到左右两个不同的图形。然后对图像进行阈值分割，由于阈值分割后的图片存在毛刺和孤立点，再运用形态学方法对分割后的图片进行开运算，去除噪声和小的连通区域，得到最终目标区域的二值图像，如图5所示得到左右两个不同的二值图形。大量实验表明，尽管不同的人脚底肤色略有不同，但受压力影响，它们与玻璃接触部分的颜色差异不大，将这种颜色作为区别于背景环境的有效特征能有效地提取出目标足弓区域。
此外如图4图5右侧图所示可以看出脚底图案的形状与实际有偏差，原因在于脚底图中小腿肚的特征颜色与足曲部分近似，因此导致提取的脚底内测轮廓与实际不符，因此通过脚面图像来对脚底轮廓进行校准，可以有效的解决此类问题，如图6所示左侧第一图是脚面，之后依次是未修正和修正后的脚底图，籍此切除不符的区域以修正脚底轮廓图像。
籍此根据上述获得的足弓区域和脚底图案，可以精确分离出足曲区域，从而对该足曲部分图像进行灰度化可获取像素点灰度值，此时脚底足弓区域由于基本与平面平贴，因此可视足弓区域像素点高度为0，仅计算足曲区域像素点高度值即可，籍此可以大大的降低计算量，并提高三维模型重建速度。
需要说明的是，通过研究发现，一幅图像在一个像素点处的图象强度即灰度或称为亮度,是和该像素点对应于空间中的场景点的表面形状、物体表面的反射特性、照明环境相关的。如果给定一个固定的照明条件,以及已知物体表面的反射特性,那么像素点的灰度变化则对应于其物体表面形状的相应变化。反过来,由图像灰度的变化就可以恢复出表面的形状,即从明暗恢复形状（Shape From Shading，简称SFS)。
传统SFS算法大多采用了不符合实际情况的苛刻假设条件,以及不合适地假设某些先验条件如：1.光源为无限远处点光源即为平行光；2.反射模型为Lambertian漫反射模型；3.成像关系为平行正交投影。而由于脚底表面并不是一个理想的漫发射面，并且脚底图像是隔了一块玻璃拍摄得到的，光经过玻璃会产生折射和反射，导致重影、反光等问题，从这些假设和先验条件出发，不可能得到精确的具有普适性的三维重建结果。
为此，根据本发明的实验环境，给出了基于统计模型的脚底图像高度计算方法，当被测者站立在玻璃板20上时，与玻璃接触的脚底部分会呈现出明显的形态特征，与玻璃未接触的部分由于其不平坦高度信息不一样导致图像中的亮度信息（灰度信息）不一样。通过统计各个区域中脚底表面点的高度值与其在图像中对应点的亮度值的关系，最后通过统计关系以及亮度值得到高度信息，实现脚底的三维重建。而本实施例中基于该原理，通过提供图像灰度值参数库，来建立足曲区域高度变化和灰度值的对应范围，来建立数据模型，以供后续对比足曲区域像素点的灰度值时，释出对应区域像素点的高度值。
最终，根据上述获取的足曲区域的所有像素点的高度值，来建立点云，并与该足弓区域的点云合并，即可形成脚底的三维重建。当然本领域技术人员可以理解，运用现有技术的脚面三维重建技术与本发明的脚底三维重建技术结合使用后，即可获得足部的完整三维模型。
实施例二
本发明另一方面还提供了一种优选实施方案，该实施例中的基于特征光斑的脚部模型重建方法还包涵足弓类型判断步骤，籍此实现对人体足弓类型进行科学评价和分类，并建立更为精确的脚底三维模型。
其中在该实施例中除建立测量系统获取脚面及脚底图像；并基于预设判断条件将脚底图像分割成足弓和足曲部分后，还设有足弓判断步骤，请参阅图7，该判断过程包括，采用形态学方法对分割后的足弓图像进行开运算，去除噪声和小的连通区域，得到足弓区域的二值图像，沿该二值图长度方向对去除脚趾的足弓图像等分3个相同区域，如图7所示S1,S2,S3；通过计算中间区域与总面积比值，对比预设足弓系数判断足弓类型，具体为当足弓系数小于0.20，则属于高弓，当足弓系数大于0.26，则属于平弓，当足弓系数在0.20 ~0.26之间，则属于正弓。
同时建立基于足弓类型的图像灰度值参数库，具体包括：将脚底图像分为至少4个区域包括：前脚掌、后脚跟、足弓部以及脚底拱起部分，通过统计各个区域中脚底表面点的高度值与其在图像中对应点的灰度值的关系，最后通过统计关系以及灰度值得到高度信息，以建立数据模型，从而可以根据不同足弓类型，以及脚底各个区域的特点，以释出精确对应的像素点的高度值。
籍此本实施例中，该足弓区域不再设置高度为0，而是与足曲区域一样将图像灰度化，并通过基于足弓类型的图像灰度值参数库，来计算各区域像素点对应的高度值，从而形成点云，并最终合并足弓和足曲区域高度值点云模型形成三维重建。
从而由此建立的脚底三维模型由于考虑到足弓的类型，以及脚底各个部位的受力形变情况，能够更为真实直观的建立起逼真的脚底三维模型。
实施例三
此外本领域技术人员应当理解，根据上述实施例的变化方式很多，如在实施例二中不判断足弓类型，但依然将脚底图像分为至少4个区域包括：前脚掌、后脚跟、足弓部以及脚底拱起部分，通过统计各个区域中脚底表面点的高度值与其在图像中对应点的灰度值的关系，最后通过统计关系以及灰度值得到高度信息，建立数据模型以释出精确对应的像素点的高度值，也依然属于本发明揭露的范围，因此只要根据本发明揭示方案的概念，在本领域技术人员的合理推断下进行的各种变化实施方式，也皆属本发明揭示的范围。
综上所述，通过本发明提供的一种基于特征光斑的脚部模型重建方法，能够精确的实现对脚底三维模型的重建，同时重建过程无需昂贵及复杂的检测设备，且不易受到环境光的影响，实现了快速索轮廓提取、足弓型分类、索形三维重建等功能，节省了设备成本，缩短了三维重建时间，且稳定，鲁棒性较佳。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。