本發(fā)明涉及三維重建技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于明暗圖像的足底三維重建裝置及方法。

背景技術(shù)：

三維被動(dòng)恢復(fù)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向，己在社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域顯示出越來(lái)越不可忽視的地位和作用，尤其在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)、空間技術(shù)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。三維重建是指對(duì)三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)內(nèi)生成物體三維表示主要有兩類(lèi)方法：1.使用幾何建模軟件(如3dmax，maya等)通過(guò)人機(jī)交互生成物體三維幾何模型；2.利用物體的二維信息恢復(fù)三維信息。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于足部三維重建的研究工作并不多，基于激光掃描的有：王玉秀等開(kāi)發(fā)了一套足部形狀的非接觸測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以一定頻率同步發(fā)射兩條激光線，在被測(cè)物表面形成一條封閉曲線，并使用3臺(tái)ccd攝像機(jī)從不同角度同時(shí)拍攝該曲線與足底圖像。經(jīng)過(guò)對(duì)像平面和實(shí)物之間的空間映射變換及圖像處理后，可獲得被測(cè)物表面的三維曲面信息。還有matijajezersek基于激光多線三角化技術(shù)提出了一種高速三維足部形狀的掃描方法，該方法通過(guò)對(duì)光柵投射器的位置進(jìn)行巧妙設(shè)定，并采用同一波長(zhǎng)的激光進(jìn)行透射，使其在進(jìn)行投影時(shí)，相鄰?fù)渡淦鞯募す鈼l紋不會(huì)互相干涉，避免了由此帶來(lái)的限制，從而提高了激光掃描的速率。有基于立體視覺(jué)的：hyunglaelee為了降低三維足部獲取技術(shù)的成本，采用12個(gè)普通pc攝像機(jī)，而非ccd攝像機(jī)，對(duì)目標(biāo)足部圖像進(jìn)行采集，然后從足部數(shù)據(jù)庫(kù)中選出適當(dāng)?shù)淖悴窟M(jìn)行變形，使之輪廓以及形狀的相關(guān)特征位置與圖像中足部相一致，從而得到所測(cè)量足部的形狀。高飛提出了一種基于立體視覺(jué)及稀疏特征的三維足部重建方法，該方法把標(biāo)記點(diǎn)圖案設(shè)置在襪子上，通過(guò)10臺(tái)普通攝像機(jī)對(duì)穿著帶有標(biāo)記點(diǎn)圖案襪子的足部圖像進(jìn)行采集，然后從所采集到的圖像中提取標(biāo)記點(diǎn)并進(jìn)行立體視覺(jué)匹配，接著根據(jù)投影成像的幾何關(guān)系重建出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的三維幾何位置，并利用三角化處理以及曲面細(xì)分等手段獲取用戶的三維足部。

上述幾種采集方法，人腳是站在硬件采集平臺(tái)上的，足底相較于足面較特殊，這些足部三維重建的研究工作中也沒(méi)有特別的關(guān)注足底的三維重建，關(guān)于足底三維重建的文獻(xiàn)資料很少，相關(guān)的工作是通過(guò)使用激光，但是基于激光的測(cè)量系統(tǒng)有幾個(gè)缺點(diǎn)：1.需要一個(gè)比市售傳感器更昂貴的無(wú)干擾的圖像傳感器；2.只能用于裸腳測(cè)量，被測(cè)者需要站在一個(gè)透明的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)上，這會(huì)導(dǎo)致紀(jì)錄的信息被反射光束干擾，影響測(cè)量精度，同時(shí)還存在測(cè)量速度慢，體型大以及忽略足底三維信息等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于明暗圖像的足底三維重建裝置及方法，通過(guò)一張足底圖片即可實(shí)現(xiàn)足底的三維重建，成本低。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是：基于明暗圖像的足底三維重建裝置，包括玻璃采集平臺(tái)、燈光源、相機(jī)、平面鏡和處理器，腳站在玻璃采集平臺(tái)上，平面鏡均位于玻璃采集平臺(tái)的下方，燈光源用于對(duì)足底進(jìn)行照明，相機(jī)將拍攝的平面鏡中足底的圖像轉(zhuǎn)換成足底明暗灰度圖，處理器將足底明暗灰度圖轉(zhuǎn)換成足底三維模型。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，平面鏡與玻璃采集平臺(tái)平行，相機(jī)安裝在玻璃采集平臺(tái)的下表面。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，平面鏡與玻璃采集平臺(tái)四周密封，相機(jī)在密封環(huán)境中拍攝平面鏡中足底的圖像。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，玻璃采集平臺(tái)為鋼化玻璃。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是：基于明暗圖像的足底三維重建方法，包括如下步驟：

步驟1：利用相機(jī)獲取足底在燈光源照射的情況下的足底圖像，相機(jī)將拍攝的足底圖像轉(zhuǎn)換成足底明暗灰度圖；

步驟2：處理器將相機(jī)獲取的足底明暗灰度圖轉(zhuǎn)換成足底三維模型。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，步驟2包括如下步驟：

步驟a：處理器識(shí)別并提取出足底明暗灰度圖中的足底部分，根據(jù)足底形態(tài)特征將足底分為4個(gè)區(qū)域；

步驟b：統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域中點(diǎn)的明暗信息與實(shí)際高度信息的關(guān)系；

步驟c：根據(jù)步驟b中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，已知足底明暗灰度圖中某點(diǎn)所在區(qū)域及其灰度值推算出對(duì)應(yīng)的高度值，未包含的點(diǎn)的信息可以通過(guò)插值從而實(shí)現(xiàn)足底三維重建

本發(fā)明具有積極的效果：1)本發(fā)明與傳統(tǒng)三維光柵足部掃描儀相比，該技術(shù)所用設(shè)備是相機(jī)，在設(shè)備造價(jià)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光柵技術(shù)采用的設(shè)備；

2)本發(fā)明在速度方面，該技術(shù)對(duì)足底數(shù)據(jù)的獲取就是相機(jī)對(duì)足底進(jìn)行一次拍照；

3)本發(fā)明在設(shè)備構(gòu)造方面，該技術(shù)采用的設(shè)備是相機(jī)，便于運(yùn)輸。

4)本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1為基于明暗圖像的足底三維重建裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為足底所分4個(gè)區(qū)域的示意圖；

圖3為基于明暗圖像的足底三維重建方法的流程圖。

其中：1、玻璃采集平臺(tái)，2、燈光源，3、相機(jī)，4、平面鏡，5、前腳掌區(qū)域，6、后腳掌區(qū)域，7、足弓區(qū)域，8、足底和玻璃采集平臺(tái)未接觸區(qū)域。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了基于明暗圖像的足底三維重建裝置，包括玻璃采集平臺(tái)1、燈光源2、相機(jī)3、平面鏡4和處理器，腳站在玻璃采集平臺(tái)1上，平面鏡4均位于玻璃采集平臺(tái)1的下方，燈光源2用于對(duì)足底進(jìn)行照明，相機(jī)3將拍攝的平面鏡4中足底的圖像轉(zhuǎn)換成足底明暗灰度圖，處理器將足底明暗灰度圖轉(zhuǎn)換成足底三維模型。本發(fā)明通過(guò)足底的明暗圖像來(lái)恢復(fù)足底表面點(diǎn)的相對(duì)高度信息。

平面鏡4與玻璃采集平臺(tái)1平行，相機(jī)3安裝在玻璃采集平臺(tái)1的下表面。

平面鏡4與玻璃采集平臺(tái)1四周密封，相機(jī)3在密封環(huán)境中拍攝平面鏡4中足底的圖像。其中，燈光源2處于平面鏡4與玻璃采集平臺(tái)1組成的密封環(huán)境中，可以防止自然光對(duì)拍照效果的干擾。

玻璃采集平臺(tái)1為鋼化玻璃。拍攝時(shí)，可以通過(guò)平面鏡4縮短與鋼化玻璃底部的距離。

如圖2-3所示，基于明暗圖像的足底三維重建裝置進(jìn)行足底三維重建方法，包括如下步驟：

步驟1：利用相機(jī)3獲取足底在燈光源2照射的情況下的足底圖像，相機(jī)3將拍攝的足底圖像轉(zhuǎn)換成足底明暗灰度圖；控制燈光源2和相機(jī)3，先控制燈光源2亮起再在照明的情況下控制相機(jī)3對(duì)足底進(jìn)行拍照，并將獲得的照片轉(zhuǎn)成明暗灰度圖。

步驟2：處理器將相機(jī)3獲取的足底明暗灰度圖轉(zhuǎn)換成足底三維模型。

步驟2包括如下步驟：

步驟a：處理器識(shí)別并提取出足底明暗灰度圖中的足底部分，根據(jù)足底形態(tài)特征將其分為4個(gè)區(qū)域；當(dāng)人站立在玻璃采集平臺(tái)1上時(shí)，與玻璃采集平臺(tái)1接觸的足底會(huì)呈現(xiàn)出明顯的特征，與玻璃采集平臺(tái)1未接觸的部分由于足底不平坦高度信息不一樣導(dǎo)致相機(jī)3采集的足底圖像中的亮度不一致。其中，足底的4個(gè)區(qū)域分別為前腳掌區(qū)域5、后腳掌區(qū)域6、足弓區(qū)域7和足底和玻璃采集平臺(tái)未接觸區(qū)域8。

步驟b：統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域中點(diǎn)的明暗信息與實(shí)際高度信息的關(guān)系；

步驟c：根據(jù)步驟b中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，已知足底明暗灰度圖中某點(diǎn)所在區(qū)域及其灰度值推算出對(duì)應(yīng)的高度值，未包含的點(diǎn)的信息可以通過(guò)插值從而實(shí)現(xiàn)足底三維重建。

通過(guò)足底的二維圖像可以推算某點(diǎn)的x、y坐標(biāo)，有了高度值就有了z坐標(biāo)，即求出了該點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z)，通過(guò)足底各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)最終得到足底三維模型。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。