[发明专利]一种基于多台RGB-D摄像机下的足部表面三维信息获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维曲面测量技术领域，特别是一种基于多台RGB-D摄像机下的足部表面三维信息获取方法。

背景技术

近年来，许多工业生产线系统正在由大规模批量型生产向用户定制的、个性化、小规模型生产转变。而快速设计生产技术对个性化生产系统不可或缺。在一个典型的面向客户定制要求的生产系统中，客户在线地提供所需产品的详细数据，随后下订单。几天后客户定购的产品就能按照客户的个性要求被生产出来，邮寄到客户手中。我们将这种思想应用到我们的制鞋工业。要制作出为每一位顾客量身定制的个性化鞋子，快速为顾客设计、生产出个性化的鞋楦是关键。每个人的脚型、尺寸以及个人偏好的款式大相径庭，因而面向客户的鞋业生产系统应用将展现出巨大的生命力。

个性化定制的制鞋系统的优势在于顾客在满足合脚、舒适要求的同时还可以选择自己喜欢的鞋子样式。从制造商的角度来看，个性化定制的制鞋系统不仅意味着更小的库存，而且扫描获得的顾客足部三维模型和相关信息也可以保存下来备用。个性化定制的制鞋系统不仅能够实现消费者的鞋类定制、智能选鞋，而且在矫形鞋定制、假肢生产、医学诊断和手术辅助等医疗领域也有重要应用。

准确和高效率的脚型测量方法不仅是鞋楦设计和方便人们选鞋、穿鞋不可缺少的，而且也是大规模脚型测量、脚型矫正等所必须的。现有的脚型测量方法分接触式测量和非接触式测量两种。

1、接触式测量：接触式测量主要是使用一些机械式的手工测量仪器或由接触式传感器组成的电子测量仪器，其中以手工测量为主。手工测量的工具主要包括：布带尺、钢卷尺、划笔、量高仪、踏脚印器和量脚卡尺。手工测量从测量方法上又分为直接法和间接法。直接法比较简单。首先用笔在脚的特征部位上标出有关测量点，利用布带尺、量高仪等工具可以直接测量出脚的各个有关数据。间接法利用脚印器踏出脚印并绘制出脚的轮廓线，然后再进行测量分析。接触式脚型测量的优点是投资少、操作步骤简单、灵活性强、方便携带、便于短时间内在不同的测量地点进行测量。缺点是接触式测量方式会对脚部产生压力，引起脚部形变，造成测量误差，测量时间长，而且测量的脚部参数有限，有些较复杂的参数或曲线无法测量，工作效率低、劳动强度大、重复再现性差、测量者之间的误差大，同时，这种测量方式难以获得脚部整体的数据信息。也不能对脚的截面形态进行数据采集。无法进行更深层次的研究。

2、非接触式测量：在计算机、光学等学科发展的带动下。光学非接触式测量作为近年来兴起的一门测量技术受到越来越多的重视。目前，光学非接触式测量方法主要有构光测量、立体视觉测量、激光测量等。

（1）结构光测量：结构光三维视觉基于光学三角法原理，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器（如摄像机）获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度与速度相互矛盾，难以同时得到提高。

（2）立体视觉测量：在计算机视觉系统中，利用两台位置相对固定的摄像机或一个摄像机在两个不同的位置，从不同角度同时获取同一景物的两幅图像,通过计算空间点在两幅图像中的视差来获得其三维坐标值。立体视觉方法最大的特点是拍摄速度快，可以在不到一秒时间内完成拍摄任务，适合于需要快速测量场合。但立体视觉方法数据处理量大，处理时间长，而且需要进行两幅图像的匹配，在物体表面灰度和面形变化不大时，会影响匹配和测量精度。

（3）激光测量：由一个多边形镜头定位的一根直线可视激光束，通过高频扫描来对物体表面进行扫描测量；应用三角定律，激光束在物体表面经反射后由激光接受器接收，然后经计算获得物体表面的坐标。激光扫描可以可以精确地提供三维环境信息，数据处理简单，受环境影响小。但成本高，精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。

近年来，传统二维图像/视频帧的应用遇到瓶颈，RGB-D深度摄像机能够获取图像/视频帧的深度信息，具有解决真实世界中计算机视觉问题的巨大潜力。随着传感器价格的下降和计算机视觉技术的发展，RGB-D深度摄像机（如微软的Kinect、华硕的Xtion等）取得了巨大的成功，在研究领域得到了较多研究，其被应用到三维重建、姿态识别、对象识别、场景理解和动作识别等研究课题中。