非接触式三维激光脚型的测量系统及测量方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及制鞋领域，尤其涉及一种非接触式三维激光脚型的测量系统及测量方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]在制鞋业中，作为鞋之母体的鞋楦，其设计的依据，必须以脚型为基础。在医疗保健领域，往往也需要获取人的脚型数据。目前脚型的测量大多是有经验的做鞋师傅采用皮尺和量高器手工测量而得，客户体验性不好，数据准确性受人为因素影响比较大，同时不便于大面积测量，测量的数据缺乏完整三维面形数据；
随着计算机视觉技术的发展，采用自动化智能化机器测量会带来更大的便利。根据测量方式分为接触式测量和非接触式测量两种，接触式测量大多制作一些机械的脚型测量工具进行测量，目前国内的专利大多是接触式测量，如专利CN203040899U介绍了《一种脚型测量工具》，专利CN101862055A《基于中国鞋号和鞋型的脚型测量器》等，这些方法需要人工参与读数，同时获取不了三维脚型数据；
非接触式测量方法主要采用结构光扫描技术(Frank Chen, Gordon M Brown, MuminSong， Overview of three-dimens1nal shape measurement using optical methods。Opt Eng 2000。39(1)，10~22)和普通照相三维技术。普通照相技术采用相机从多个角度拍摄脚型图片，然后通过软件合成三维数据，精度不高，无法适应实际工业应用。结构光扫描技术基于三角测量法原理(苏显渝，李继陶《信息光学》科学出版社，1999)，将结构光(激光或条纹)投射到物体表面，受物体表面面形调制，结构光发生变形，通过解调这种变形信息即可获取物体的表面三维数据。该方法具有非接触，扫描速度快，获取信息丰富，扫描精度高等优点，成为现代三维扫描技术主要的发展方向。
[0005]国外一些厂家开发了基于结构光扫描技术的三维脚型扫描系统，如英国ShoeMaster，日本Infoot等开发的三维脚型扫描仪，采用激光扫描的方式，大多采用四个激光器，八个CCD传感器，光路直射的方式，体积大，硬件成本高。
[0006]
【发明内容】
[0007]针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种自动化程度高、智能机械化、重复性高、无人工测量误差、测量效率高、测量结果精确的非接触式三维激光脚型的测量系统及测量方法。
[0008]为实现上述目的，本发明提供一种非接触式三维激光脚型的测量系统，包括载物玻璃平台，测量脚型时用于支撑被测脚的摆放；
机械支撑模块，用于支撑载物玻璃平台；
光学成像模块，投射激光至被测脚的表面，并获取多角度激光图像；
运动控制模块，驱动其上的运动轴按照指令运动，所述运动控制模块与光学成像模块驱动连接，且带动光学成像模块进行前后测量；
三维模型建立模块，所述三维模型建立模块分别与光学成像模块和运动控制模块电连接，且将光学成像模块获取的激光图像和运动控制模块的运动参数，还原成被测脚的三维面形点云数据；
自动测量参数模块，所述自动测量参数模块与三维模型建立模块电连接，自动识别被测脚的特征部位，提取特征部位的特征参数，实现对脚型的测量；根据三维面形点云数据和特征参数诊断脚型是否健康，若不健康并指导脚型进行康复；
3D鞋楦设计模块，所述3D鞋楦设计模块与自动测量参数模块电连接，并导入三维面形点云数据和特征参数，根据脚型的三维面形点云数据选择鞋楦，利用特征参数调整鞋楦的三维面形点云数据，将调整后的三维面形点云数据导入鞋楦CAD/CAM系统中，实现脚型的定制化制鞋。
[0009]其中，所述光学成像模块包括光学玻璃、多个激光器和多个CCD传感器；所述多个激光器按体积分布在设定的脚型扫描区域内，且围成360°分布，测量时每个激光器经光学玻璃后发射一条明亮的激光线束照射在脚型的表面上，且多个激光器的激光线束形成一个环形的激光照射光路；所述多个CCD传感器均匀分布在设定的脚型扫描区域内，且多个CCD传感器形成一个封闭的环形成像光路；所述激光器和CCD传感器两两组合形成一个孤立的三维成像单元。
[0010]其中，所述光学成像模块还包括折叠光路单元，所述折叠光路单元包括多个高镜面反射镜，高镜面反射镜将激光照射光路和成像光路由宽、高方向折叠到长度方向。
[0011]其中，所述光学成像模块还包括成像扩展光路单元，所述成像扩展光路单元也包括多个高镜面反射镜，每个CCD传感器的成像光路通过高镜面反射镜后照射在被测脚上。
[0012]其中，该系统还包括电气模块，所述电气模块与自动测量参数模块电连接，并辅助实现人机控制功能。
[0013]其中,所述自动测量参数模块包括
运动控制单元，所述运动控制单元与运动控制模块电连接，且产生运动指令，控制运动控制模块上的运动轴完成相应的精密运动；
系统校正单元，所述系统校正单元与光学成像模块电连接，实现2D图像向3D点云数据的转换；
三维扫描重建单元，所述三维扫描重建单元与系统校正单元电连接，且驱动激光器对被测脚进行扫描，获取多个三维面形数据；
数据处理单元，所述数据处理单元与三维扫描重建单元电连接，且完成对三维面形点云数据的处理及编辑；
参数提取单元，所述参数提取单元与三维扫描重建单元电连接，且自动提取特征部位的特征参数及尺寸；
可视化显示单元，所述可视化显示单元与数据处理单元电连接，且实现三维面形点云数据的可视化显示。
[0014]其中，所述激光器为毫瓦级功率激光器。
[0015]为实现上述目的，本发明还提供一种非接触式三维激光脚型的测量方法，包括以下步骤:
步骤1，将被测脚平放在载物玻璃平台上，投射激光至被测脚的表面，基于三角法测量原理，通过三维激光测量，以获取单角度激光图像；
步骤2，驱动运动轴运动并进行连续测量，以获得获取多角度激光图像； 步骤3，将获取的激光图像和运动参数，还原出被测脚的三维面形点云数据；
步骤4，自动识别被测脚的特征部位，提起特征参数，实现对被测脚的测量；并根据三维面形点云数据诊断脚型是否健康，若健康，则直接进行步骤5 ;若不健康，则指导脚型康复后进行步骤5。
[0016]步骤5，将特征参数和三维面形点云数据，导入鞋楦CAD/CAM系统中，实现脚型的定制化制。
[0017]与现有技术相比，本发明提供的非接触式三维激光脚型的测量系统及测量方法，具有以下有益效果:
1)使用者只需要将被测脚放在载物玻璃平台上，通过光学成像模块就可以完成全方位的三维数据测量，获取高密度三维面形点云数据，且通过自动测量参数模块自动给出脚型的特征参数，由这两个信息来判断脚型是否畸形，且进行鞋楦设计；该系统结构简单，且测量速度快，十几秒内就可完成一只脚型的完整测量；
2)采用非接触式激光测量，使用者可在轻松舒展的情况下进行测量，有效避免因接触造成的形变，且运动控制模块控制光学成像模块进行前后运动测量，使得获得三维面形点云数据更全方位高密度；
3)光学成像模块的独特设计，环形光路测量，测量无死角，测量精度可达0.02mm,扩展了相机的成像视角，使一个相机可以当多个相机用，节省了设备成本；且折叠光路的使用，以牺牲少量长度方面的尺寸，获取整个设备体积的减少，不仅缩小了设备体积，进一步降低了设备成本，而且方便携带；
4)获取信息多样，包括脚型部位的特征参数和高密度三维面形点云数据，保证了测量结果的准确性；