一种赤足信息采集传感器的分布方法与流程

本发明涉及一种传感器的分布方法，具体说是一种赤足信息采集传感器的分布方法。

背景技术：

众所周知，可穿戴设备被业内喻为继智能手机和平板电脑之后新的产业增长点，现在市面上比较有代表性的智能穿戴产品有智能手环、智能手表和智能眼镜，这些可穿戴设备使用在人体的上半身，为了完善智能穿戴设备的使用范围，智能鞋是有效的补充。同时，穿戴式足底压力测试技术是近年来迅速发展的新型医疗监测技术，其突破了以往医疗机构监测诊断的空间范围限制，能够方便地实现对动态人体足底压力的日常监测，可为人体足部医疗保健、运动姿态矫正及科学制鞋提供依据；因此，足底压力的数据采集极为重要。现有技术中只有对足底压力传感器的研究，但是对足底压力传感器的分布的研究还尚属空白。

技术实现要素：

本申请提供了一种赤足信息采集传感器的分布方法，能满足各种足迹信息的量化采集。

本申请的第一种技术方案是：一种赤足信息采集传感器的分布方法，包括：

s1：确定脚底传感器的数量及分布方式；

s2：确定脚面传感器的数量及分布方式。

进一步的，确定脚底传感器的数量采用以下公式：

n代表的是传感器数量，s代表的是一个成年人的平均足迹面积，单位mm²；d是足迹最小的采集单位平均直径，单位mm。

进一步的，脚底传感器的分布方式，具体为：

a.依据穴位分布情况，将足底分区域；

b.构建以目标函数为参考的区域分布最优方法求解；

c.每个穴位区通过逐步计算二值图区域骨架的方法来分布传感器。

进一步的，将足底分为三类区域：大穴位区、小穴位区和空白穴位区，大穴位区传感器数量为x，小穴位区传感器数量为y，空白穴位区传感器数量为z。

进一步的，目标函数包括信息量、穴位重视量化程度、分布均匀性；其中基于信息量的求解方式为：

空白穴位区每平方毫米的信息量为ha，ha＝v，整体面积为sa；大穴位区包括p个穴位区域，某个区域的面积为sbi，面积最小sbmin，面积最大为sbmax，面积越小，信息量越大，依据公式计算信息量；小穴位区域包括q个穴位区域，某个区域的面积为scj，面积最小scmin，面积最大为scmax，面积越小，信息量越大，依据公式计算信息量，这里构建目标函数h：

1≤i≤p

1≤j≤q

当在传感器数量n给定的条件下，另外，每个区域的传感器密度不得少于平均d个/平方毫米，即x,yi,zj＞d，以上两点认为是约束条件c1，c2，则结合目标函数，得到如下关系：

满足c1，c2约束项，该状态下有无穷多组解，这里采用近邻法或插入法或遗传算法或者神经网络算法求出最优解。

更进一步的，每个穴位区通过逐步计算二值图区域骨架的方法来分布传感器，具体如下：

假定穴位区的传感器数量为k，要进行最少t次的传感器布置(进行t次腐蚀即可获取骨架)，则每次需要分布k/t个传感器，具体步骤如下：

i.定义某穴位区的二值图为i，腐蚀计数初始为0；

ii.对i提取边缘，将传感器k/t个均匀分布在i的边缘上；

iii.对i进行腐蚀，并将腐蚀计数加1；

iv.判断腐蚀次数是否已经达到t，若是，则完成传感器分布；

若否，则继续进行ii。

更进一步的，确定脚面传感器的数量采用以下公式：

m＝f(c,δ)

将赤足分为n个圆，其中，δ为多边形周长逼近圆周长的误差，c为圆的周长，m为满足误差条件的最小边个数，l为参考的跖趾围周长，li为每个圆的周长，m为传感器数量。

更进一步的，脚面传感器的分布方式为均匀分布的方式。

作为更进一步的，上述传感器承载的原型有两种，其中一种是鞋垫；鞋垫上传感器的安装方法为：

a.通过获取大量赤足足迹来构建一个平均脚模型，构建平均脚的方式有：尺寸归一化后的关键点平均、压力足迹平均等；

b.将鞋垫的脚平分线与平均脚平分线重合，并确认鞋垫跟后缘与平均脚跟后缘有5mm的间隔；

c.平均脚以外的区域按照：

i.每个区域均匀分布传感器；

ii.依据平均脚边缘传感器数量逐渐减少(形态学骨架处理)的方式分布传感器；

d.平均脚内，按照不同分区、不同的寻优方式提供的传感器数量做传感器分布。

作为更进一步的，上述传感器承载的原型有两种，另一种是鞋；鞋的鞋底部分传感器安装方法以上述鞋垫为承载安装的方法进行安装，鞋面上传感器的安装方法为：构建坐标系，其中z轴为地面法线方向，y轴为足迹脚中心线方向，x轴为垂直于zy平面的方向；

a.根据固定码的鞋面，从脚跟开始，测量鞋面的最大周长l，通过l/最少传感器数量，计算传感器分布的步长d；鞋中心线与鞋跟的交点正垂直距离为d的作为参考点o1，鞋面与o1xy平面相交的位置，每隔距离d安装一个传感器；

b.鞋中心线与鞋跟的交点正垂直距离为2d的作为参考点o2，鞋面与o2xy平面相交的位置，每隔距离d安装一个传感器，以此类推，鞋面与o2xy平面没有交点为止。

本发明的有益效果是：本发明给出了一种用于赤足信息采集的传感器分布计算方法及一种基于传感器位置情况的安装步骤，使赤足信息的采集的方法得到了改善，使得采集到的赤足信息更加的全面完整，可以满足各种足迹信息的量化采集，为赤足三维重建打好了更加坚实的基础。

附图说明

本发明共有附图3幅：

图1为穴位分区示意图；

图2为实施例中将赤足分为4个圆的示意图；

图3为实施例中构建的坐标系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例提供一种赤足信息采集传感器的分布方法，其传感器要求如下：

1)传感器包括但不限于压感电阻、电容或者电源，感压灵敏度高，体积小，耗电少，感压噪声水平低；

2)传感器的使用寿命要高，耐磨，防腐蚀；

3)模数转换噪声水平低，电压或者电流量化位数在8位以上；

4)整体传感器的承载原型是鞋，脚底传感器的承载原型是鞋垫。

1.脚底：

1)解决问题：

(1)不同大小的脚，采集到的信息量(分辨率、传感器数量、感压元点数目)不一致；

(2)保证传感器的点位置定义没有意义。

2)分布方式(点状分布)：

(1)传感器数量的确认：

n代表的是传感器数量(单位百万像素)，s代表的是一个成年男性的平均足迹面积(单位mm²)，d是足迹最小的采集单位平均直径(单位mm)。

依据中医病灶反映的颗粒大小(小米粒平均直径为1mm左右)，最小区域的脚底采集信息点每1mm至少采集2个点以上，换算为分辨率即66ppi，因此整个足底采集设备传感器的分布密度最少是4个/平方毫米，一个成年男性的平均足迹大小大约在23400mm²以内(足长25cm，足宽9cm左右)，需要至少963600个点，考虑到低分辨率的足迹信息不足以采集部分脚大的男性，且传感器分布并不是纯二维简单排列，外加需要额外的点来保证采集区域可以完整采集到足迹，本申请将分辨率提升至理论值的两倍以上——200万个点(成年女性的脚面积要小于男性脚，因此，可以按照男性足迹分辨率要求)，即不论性别、脚情况，每个人的脚底信息均使用200万个点来采集。这是对每个足底信息采集传感器数量的最低要求。

(2)传感器的分布方式：

依据中医理论，人体的每只脚重要穴位共有66个，左右脚各33个，病灶的反映区域从面积上讲差别很大，最大与最小面积比超过10:1，反映区域越大，采集的点也就越多，面积越小，实际需要采集的数据越多(依据信息量)，给出一种基于穴位面积的传感器分布方法，具体如下：

a.依据穴位分布情况，将足底分为三类区域：大穴位区，小穴位区，以及空白穴位区，参考图1穴位分区示意图，浅灰色为小穴位区，深灰色为大穴位区，黑色为空白穴位区.

b.空白穴位区每平方毫米传感器分布数量定为x，大穴位区每平方毫米传感器分布数量定为y(不同穴位的传感器分布可以不同，也可以相同，因此用向量的方式来表示，空白穴位区没有穴位，因此单个变量即可表示)，小穴位区每平方毫米传感器分布数量定为z，构建以目标函数为参考的区域分布最优方法求解，目标函数包括但不限于信息量、穴位重视量化程度、分布均匀性等，这里给出基于信息量的求解方式：将各自承载的信息量做定义：

空白穴位区每平方毫米的信息量为ha，ha＝v，整体面积为sa，大穴位区包括的区域(共p个穴位)，某个区域的面积为sbi，面积最小sbmin，面积最大为sbmax，面积越小，信息量越大，依据公式计算信息量，小穴位区域(共q个穴位)，某个区域的面积为scj，面积最小scmin，面积最大为scmax，面积越小，信息量越大，依据公式计算信息量，这里构建目标函数h：

1≤i≤p

1≤j≤q

当在传感器数量n给定的条件下，另外，每个区域的传感器密度不得少于平均d个/平方毫米，即x,yi,zj＞d，以上两点认为是约束条件c1，c2，则结合目标函数，可以得到如下关系：

满足c1，c2约束项,该状态下有无穷多组解，是一个np-hard问题，这里求解此类问题，可以采用近邻法、插入法、遗传算法或者神经网络算法；

c.每个穴位区通过逐步计算二值图区域骨架的方法来分布传感器，假定穴位区的传感器数量为k，要进行最少t次的传感器布置(进行t次腐蚀即可获取骨架)，则每次需要分布k/t个传感器，具体方式是：

i.定义某穴位区的二值图为，腐蚀计数初始为0；

ii.对提取边缘，将传感器个均匀分布在的边缘上；

iii.对进行腐蚀，并将腐蚀计数加1；

iv.判断腐蚀次数是否已经达到，若是，则完成传感器分布；

若否，则继续进行ii。

2.脚面：

1)解决问题：传感器采集信息的误差太大，不能细致到鞋号、肥瘦型。

2)分布方式：

(1)传感器数量的确认：

m＝f(c,δ)

δ为多边形周长逼近圆周长的误差，c为圆的周长，m为满足误差条件的最小边个数，l为参考的跖趾围周长，li为图2每个圆的周长，m为传感器数量。

由于每个人的赤足足面在静态环境下相似性很高，形状差异不会十分明显，变化的程度有限，但考虑到每个人在行走过程中的稳定特征(跖趾围、前跗骨围、兜跟围等)测量，需要传感器要有足够的数量来保证数字化特征与真实特征的误差，在做鞋时，跖趾围每3.5mm为一个鞋号(区分点)，因此在脚面的传感器数量，必须保证每个围特征的测量误差不得超过3.5mm，以成年男性的25号脚型分析，跖趾围约为246.5mm(《鞋类设计师》)，要想测量精度小于3.5mm，每个围特征测量至少需要9个点(用多边形逼近圆的方法来计算误差)，最多需要12个点，即每27.38mm采集一个点，同样，该指标在在围特征的垂直方向上也适用，将赤足分为4个圆(如图2所示)，每个圆的半径分别是45/90/70/60mm，则，垂直方向的采集点分别是11/21/17/14个，考虑到每个圆的公共部分，整体采集数量约为35个，以此判定，对于25号脚的人来说，脚面信息采集需要的传感器数量至少为35*12＝420个，考虑到低分辨率的足迹信息不足以采集部分脚大的男性，这里将围测量方向与垂直围测量方向的传感器数量加倍，分别为70*24，整体有1680个。

(2)传感器的分布方式：采用均匀分布的方式即可，按照每13.69mm一个传感器点分布。

实施例2

本实施例提供一种传感器安装方法，如下：

这里给出两种传感器承载的原型：

1)鞋垫:

(1)鞋垫只能做脚底的传感器安装，根据提供的固定鞋码鞋垫，这里的已知量有：

a.需要分布的整体最少传感器数量；

b.固定足迹关键区域的最少传感器数量；

c.每个区域的最少传感器数量。

(2)安装方法：

a、通过获取大量赤足足迹来构建一个平均脚模型，构建平均脚的方式有：尺寸归一化后的关键点平均、压力足迹平均等；

b、将鞋垫的脚平分线与平均脚平分线重合，并确认鞋垫跟后缘与平均脚跟后缘有5mm的间隔；

c、平均脚以外的区域按照：

i.每个区域最少传感器数量均匀分布传感器；

ii.依据平均脚边缘传感器数量逐渐减少(形态学骨架处理)的方式分布传感器；

d.平均脚内，按照不同分区、不同的寻优方式提供的传感器数量做传感器分布。

2)鞋：

(1)鞋的鞋底部分传感器安装方法可以参考以鞋垫为承载安装的方法进行安装，鞋面传感器根据提供的固定鞋码鞋，安装前的已知量有：

a.需要分布的整体传感器最少数量；

b.传感器分布要求。

(2)安装方法：

a、根据固定鞋码鞋的鞋面，从脚跟开始，测量鞋面的最大周长l，通过l/最少数量传感器，计算传感器分布的步长d，以鞋中心线与鞋跟的交点正垂直距离为d的作为参考点o1，以图3所示方向构建坐标系，z为地面法线方向，y为足迹脚中心线方向，x为垂直与zy平面的方向；鞋面与o1xy平面的相交位置，每隔距离d安装一个传感器；

b、以鞋中心线与鞋跟的交点正垂直距离为2d的作为参考点o2，鞋面与o2xy平面的相交位置，每隔距离d安装一个传感器，以此类推，鞋面与o2xy平面没有交点为止。

本申请给出了一种用于赤足信息采集的传感器分布计算方法及一种基于传感器位置情况的安装步骤，使赤足信息的采集的方法得到了改善，使得采集到的赤足信息更加的全面完整，可以满足各种足迹信息的量化采集，为赤足三维重建打好了更加坚实的基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。