非接觸式三維激光腳型的測量系統(tǒng)及測量方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及制鞋領(lǐng)域，尤其涉及一種非接觸式三維激光腳型的測量系統(tǒng)及測量方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]在制鞋業(yè)中，作為鞋之母體的鞋楦，其設(shè)計(jì)的依據(jù)，必須以腳型為基礎(chǔ)。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，往往也需要獲取人的腳型數(shù)據(jù)。目前腳型的測量大多是有經(jīng)驗(yàn)的做鞋師傅采用皮尺和量高器手工測量而得，客戶體驗(yàn)性不好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性受人為因素影響比較大，同時不便于大面積測量，測量的數(shù)據(jù)缺乏完整三維面形數(shù)據(jù)；
隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，采用自動化智能化機(jī)器測量會帶來更大的便利。根據(jù)測量方式分為接觸式測量和非接觸式測量兩種，接觸式測量大多制作一些機(jī)械的腳型測量工具進(jìn)行測量，目前國內(nèi)的專利大多是接觸式測量，如專利CN203040899U介紹了《一種腳型測量工具》，專利CN101862055A《基于中國鞋號和鞋型的腳型測量器》等，這些方法需要人工參與讀數(shù)，同時獲取不了三維腳型數(shù)據(jù)；
非接觸式測量方法主要采用結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)(Frank Chen, Gordon M Brown, MuminSong， Overview of three-dimens1nal shape measurement using optical methods。Opt Eng 2000。39(1)，10~22)和普通照相三維技術(shù)。普通照相技術(shù)采用相機(jī)從多個角度拍攝腳型圖片，然后通過軟件合成三維數(shù)據(jù)，精度不高，無法適應(yīng)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)基于三角測量法原理(蘇顯渝，李繼陶《信息光學(xué)》科學(xué)出版社，1999)，將結(jié)構(gòu)光(激光或條紋)投射到物體表面，受物體表面面形調(diào)制，結(jié)構(gòu)光發(fā)生變形，通過解調(diào)這種變形信息即可獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)。該方法具有非接觸，掃描速度快，獲取信息豐富，掃描精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代三維掃描技術(shù)主要的發(fā)展方向。
[0005]國外一些廠家開發(fā)了基于結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)的三維腳型掃描系統(tǒng)，如英國ShoeMaster，日本Infoot等開發(fā)的三維腳型掃描儀，采用激光掃描的方式，大多采用四個激光器，八個CCD傳感器，光路直射的方式，體積大，硬件成本高。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種自動化程度高、智能機(jī)械化、重復(fù)性高、無人工測量誤差、測量效率高、測量結(jié)果精確的非接觸式三維激光腳型的測量系統(tǒng)及測量方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種非接觸式三維激光腳型的測量系統(tǒng)，包括載物玻璃平臺，測量腳型時用于支撐被測腳的擺放；
機(jī)械支撐模塊，用于支撐載物玻璃平臺；
光學(xué)成像模塊，投射激光至被測腳的表面，并獲取多角度激光圖像；
運(yùn)動控制模塊，驅(qū)動其上的運(yùn)動軸按照指令運(yùn)動，所述運(yùn)動控制模塊與光學(xué)成像模塊驅(qū)動連接，且?guī)庸鈱W(xué)成像模塊進(jìn)行前后測量；
三維模型建立模塊，所述三維模型建立模塊分別與光學(xué)成像模塊和運(yùn)動控制模塊電連接，且將光學(xué)成像模塊獲取的激光圖像和運(yùn)動控制模塊的運(yùn)動參數(shù)，還原成被測腳的三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
自動測量參數(shù)模塊，所述自動測量參數(shù)模塊與三維模型建立模塊電連接，自動識別被測腳的特征部位，提取特征部位的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對腳型的測量；根據(jù)三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)和特征參數(shù)診斷腳型是否健康，若不健康并指導(dǎo)腳型進(jìn)行康復(fù)；
3D鞋楦設(shè)計(jì)模塊，所述3D鞋楦設(shè)計(jì)模塊與自動測量參數(shù)模塊電連接，并導(dǎo)入三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)和特征參數(shù)，根據(jù)腳型的三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)選擇鞋楦，利用特征參數(shù)調(diào)整鞋楦的三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將調(diào)整后的三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入鞋楦CAD/CAM系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)腳型的定制化制鞋。
[0009]其中，所述光學(xué)成像模塊包括光學(xué)玻璃、多個激光器和多個CCD傳感器；所述多個激光器按體積分布在設(shè)定的腳型掃描區(qū)域內(nèi)，且圍成360°分布，測量時每個激光器經(jīng)光學(xué)玻璃后發(fā)射一條明亮的激光線束照射在腳型的表面上，且多個激光器的激光線束形成一個環(huán)形的激光照射光路；所述多個CCD傳感器均勻分布在設(shè)定的腳型掃描區(qū)域內(nèi)，且多個CCD傳感器形成一個封閉的環(huán)形成像光路；所述激光器和CCD傳感器兩兩組合形成一個孤立的三維成像單元。
[0010]其中，所述光學(xué)成像模塊還包括折疊光路單元，所述折疊光路單元包括多個高鏡面反射鏡，高鏡面反射鏡將激光照射光路和成像光路由寬、高方向折疊到長度方向。
[0011]其中，所述光學(xué)成像模塊還包括成像擴(kuò)展光路單元，所述成像擴(kuò)展光路單元也包括多個高鏡面反射鏡，每個CCD傳感器的成像光路通過高鏡面反射鏡后照射在被測腳上。
[0012]其中，該系統(tǒng)還包括電氣模塊，所述電氣模塊與自動測量參數(shù)模塊電連接，并輔助實(shí)現(xiàn)人機(jī)控制功能。
[0013]其中,所述自動測量參數(shù)模塊包括
運(yùn)動控制單元，所述運(yùn)動控制單元與運(yùn)動控制模塊電連接，且產(chǎn)生運(yùn)動指令，控制運(yùn)動控制模塊上的運(yùn)動軸完成相應(yīng)的精密運(yùn)動；
系統(tǒng)校正單元，所述系統(tǒng)校正單元與光學(xué)成像模塊電連接，實(shí)現(xiàn)2D圖像向3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；
三維掃描重建單元，所述三維掃描重建單元與系統(tǒng)校正單元電連接，且驅(qū)動激光器對被測腳進(jìn)行掃描，獲取多個三維面形數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元與三維掃描重建單元電連接，且完成對三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理及編輯；
參數(shù)提取單元，所述參數(shù)提取單元與三維掃描重建單元電連接，且自動提取特征部位的特征參數(shù)及尺寸；
可視化顯示單元，所述可視化顯示單元與數(shù)據(jù)處理單元電連接，且實(shí)現(xiàn)三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化顯示。
[0014]其中，所述激光器為毫瓦級功率激光器。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種非接觸式三維激光腳型的測量方法，包括以下步驟:
步驟1，將被測腳平放在載物玻璃平臺上，投射激光至被測腳的表面，基于三角法測量原理，通過三維激光測量，以獲取單角度激光圖像；
步驟2，驅(qū)動運(yùn)動軸運(yùn)動并進(jìn)行連續(xù)測量，以獲得獲取多角度激光圖像； 步驟3，將獲取的激光圖像和運(yùn)動參數(shù)，還原出被測腳的三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
步驟4，自動識別被測腳的特征部位，提起特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對被測腳的測量；并根據(jù)三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)診斷腳型是否健康，若健康，則直接進(jìn)行步驟5 ;若不健康，則指導(dǎo)腳型康復(fù)后進(jìn)行步驟5。
[0016]步驟5，將特征參數(shù)和三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入鞋楦CAD/CAM系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)腳型的定制化制。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的非接觸式三維激光腳型的測量系統(tǒng)及測量方法，具有以下有益效果:
1)使用者只需要將被測腳放在載物玻璃平臺上，通過光學(xué)成像模塊就可以完成全方位的三維數(shù)據(jù)測量，獲取高密度三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且通過自動測量參數(shù)模塊自動給出腳型的特征參數(shù)，由這兩個信息來判斷腳型是否畸形，且進(jìn)行鞋楦設(shè)計(jì)；該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且測量速度快，十幾秒內(nèi)就可完成一只腳型的完整測量；
2)采用非接觸式激光測量，使用者可在輕松舒展的情況下進(jìn)行測量，有效避免因接觸造成的形變，且運(yùn)動控制模塊控制光學(xué)成像模塊進(jìn)行前后運(yùn)動測量，使得獲得三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)更全方位高密度；
3)光學(xué)成像模塊的獨(dú)特設(shè)計(jì)，環(huán)形光路測量，測量無死角，測量精度可達(dá)0.02mm,擴(kuò)展了相機(jī)的成像視角，使一個相機(jī)可以當(dāng)多個相機(jī)用，節(jié)省了設(shè)備成本；且折疊光路的使用，以犧牲少量長度方面的尺寸，獲取整個設(shè)備體積的減少，不僅縮小了設(shè)備體積，進(jìn)一步降低了設(shè)備成本，而且方便攜帶；
4)獲取信息多樣，包括腳型部位的特征參數(shù)和高密度三維面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；