一种基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置及实现方法与流程

本发明涉及三维扫描技术和计量测量领域。特别涉及基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置。

背景技术：

目前，中国已经超过美国成为全球最大的电子商务市场，其中鞋服类所占份额位居在线购物市场第一位。伴随鞋类在线市场高速增长的同时，鞋类网购平台、垂直电商在运营过程中遇到了制约行业发展的瓶颈：网购用户因不能试穿而导致有效的购物体验欠缺，从而造成消费者网购时容易发生成交犹豫以及成交后存在高退换货率的现象。鞋子与脚型的匹配程度决定了穿着鞋子时的舒适程度。只有充分了解脚的特点，根据脚型规律才能为消费者制造出、挑选出穿着舒适的鞋子。如今，大数据技术、三维扫描技术的迅猛发展，从而为解决上述鞋类难题提供方法。

三维扫描技术，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使其在cad、cam、cims等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与cad/cam软件接口，在cad系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。

大数据技术，与传统数据处理流程并无太大差异，主要区别在于：由于大数据要处理大量、非结构化的数据，所以在各个处理环节中都可以采用mapreduce等方式进行并行处理。大数据可以通过mapreduce这一并行处理技术来提高数据的处理速度。mapreduce的设计初衷是通过大量廉价服务器实现大数据并行处理，对数据一致性要求不高，其突出优势是具有扩展性和可用性，特别适用于海量的结构化、半结构化及非结构化数据的混合处理。mapreduce将传统的查询、分解及数据分析进行分布式处理，将处理任务分配到不同的处理节点，因此具有更强的并行处理能力。mapreduce是一套软件框架，包括map(映射)和reduce(化简)两个阶段，可以进行海量数据分割、任务分解与结果汇总，从而完成海量数据的并行处理。

具体而言，三维扫描技术能够完整地采集消费者三维脚型数据，依据这个三维脚型数据可以为消费者寻找到或定制一双舒适的鞋子。现有三维脚型扫描技术中通常采用激光和结构光栅原理来获取脚部表面的三维坐标。基于这些原理所开发的商用脚型扫描设备成像结构复杂，其使用机械传动装置精密地控制和移动多组光栅和高精度工业ccd摄像头组合，再加上需要一个强大的图形图像处理单元，使得设备成本高昂，这是鞋业相关企业所不能承担的。也正是因为其高昂的成本，所以一次只能测量一只脚，大大降低了扫描的效率和用户体验满意度。中国专利200310108856.2，基于特定网格图案的三维脚型测量和建模的方法，用印有网格的袜子穿在入的脚上，然后通过多个数码相机或者摄像机同时拍摄，确保每个网格的角点(corner)被至少两个数码相机或者摄像机拍到，然后基于立体视觉和光学成像的原理，恢复出所有网格角点的三维位置；在此基础上，利用这些恢复出的角点的三维位置，重新拟合出覆盖在人脚上的三维网格，最后根据三维网格对标准脚的空间位置约束，通过变形建模方法，建立特定的三维脚型的模型，并计算出脚型的参数。基于每个网格的角点重新拟合得到三维网格，计算复杂程度较高。

中国专利201010298713.2，三维足部扫描仪，该三维足部扫描仪能形成人体足部的图像或三维数据记录，用于鞋楦的制作。该三维足部扫描仪包括：足部扫描装置，用于拍摄足部内侧图像、足部外侧图像和足部底部图像；以及足部图像分析系统，用于对所述足部内侧图像、足部外侧图像和足部底部图像进行分析以获取三维足部数据。本发明首先利用多个摄像头拍摄足部内侧、外侧和底部的图像，再对图像进行校正和拼接，并提取完整的足部内侧、外侧和底部轮廓，结合标准三维足部数据生成足部三维模型,其摄像头为固定，且需要耗费较多的摄像头完成足部内侧、外侧和底部的图像的拍摄。

此外，还有一种基于拍照原理的脚型测量仪，采用单摄像头或多摄像头拼接，通过拍摄脚的底面和侧面轮廓进行测量。这种方式受摄像头的拍摄范围限制，为了拍摄整个脚型，摄像头和被拍摄物的距离很大，从而使得扫描箱体需要占用很大空间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供可自动寻轨拍照和图像处理的三维脚型测量装置。

解决上述技术问题，本发明提供了一种基于自动寻轨模式的三维脚型测量方法，包括如下步骤：

控制第一摄像头实时拍摄脚部底面得到底面轮廓线，

根据所述底面轮廓线得到双脚的底面闭合轮廓线，

在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线，

根据上述底面闭合轮廓线和侧面轮廓线建立得到三维脚型。

更进一步，对所述第一摄像头的控制方法具体为：

将所述第一摄像头调节至预设的初始位置，

第一摄像头从上述初始位置按照选定的方向开始进行实时拍照，

在该些照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域，对拍照后得到的每一帧照片的有效区域进行图像处理并提取出脚部底面轮廓线，在上述当前位置拍照并检测底面轮廓线并得到有效坐标；

沿所述底面轮廓线延伸的方向，将上述有效处理区域中距离所述有效坐标最远的轮廓点作为下一个位置坐标，并将摄像头移动至其中心与该位置坐标重合，

由初始位置开始记录到的所有有效坐标即为底面闭合轮廓，

所述有效坐标为：当所述第一摄像头的中心点与检测到的轮廓线上的一点重合或者距离小于一设定阈值，则所述第一摄像头所在的位置在轨迹坐标系xoy中的坐标。

更进一步，若没有检测到脚部底面轮廓，则所述第一摄像头继续在选定方向上移动，直到检测出第一张有底面轮廓的照片所在对应的位置。

更进一步，在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线的方法具体包括：

将所述第二摄像头调节至预设的初始位置，第二摄像头从上述初始位置拍摄第一张照片；

将第二摄像头按照选定的方向移动到第二个位置并拍照，将拍摄的两张照片进行拼接后进行图像处理，并提取出侧面的轮廓；

上述第二摄像头在初始位置和第二个位置所拍摄的照片中的重叠区域，用以通过特征检测的方法进行图像拼接，上述第二摄像头在初始位置和第二个位置所拍摄的照片覆盖的物理空间的范围大于所要求测量的最大脚长。

更进一步，所述第一摄像头被配置为用以拍摄脚部底面所用的摄像头，所述第二摄像头被被配置为用以拍摄脚部侧面所用的摄像头，

还包括：用以将所述第一摄像头和/或所述第二摄像头按照轨迹运动的双向导轨和用以控制所述第一摄像头和/或所述第二摄像头在所述双向导轨上移动的步进电机。

基于上述，本发明还提供了一种基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置，包括：一承重单元、底面轮廓系统、侧面轮廓线系统以及处理单元，

所述承重单元用以承载双脚，并作为脚底轮廓线所在平面，

所述底面轮廓系统，用以控制第一摄像头实时拍摄脚部底面得到底面轮廓线，以及，根据所述底面轮廓线得到双脚的底面闭合轮廓线，

所述侧面轮廓线系统，用以在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线，

所述处理单元用以，对上述过程拍摄的照片进行图像矫正、图像去噪、边缘检测和边缘提取的图像图像处理方式，并根据上述底面闭合轮廓线和侧面轮廓线建立得到三维脚型。

更进一步，所述底面轮廓系统包括：自动寻轨拍照单元、图像识别单元，

所述自动寻轨拍照单元用以，通过所述步进电机控制所述导轨上的摄像头机动寻址并拍照；

所述图像识别单元用以，将摄像头拍摄得到的图像进行预处理和图像轮廓提取，以及测量出符合要求的照片。

更进一步，所述承重单元包括：承重板和底座，在所述底座与承重板之间形成一中空腔体，在腔体内安装有多个用以将所述承重板和所述底座两两相连的支撑部。

本发明还提供了一种基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置，按照所述的方法进行操作，还包括：

一承载平台，所述承载平台上设置有：用以承重和测量双脚的透明承重板、用以提供滑动轨道的纵向导轨和横向导轨，

在所述纵向导轨和横向导轨上均设置有拍摄脚部侧面所用的摄像头和拍摄脚部底面所用的摄像头，

以及，用以控制摄像头移动拍摄脚部侧面或底面的步进电机，

所述透明承重板位于第一水平面，所述摄像头所拍摄的脚部底面的照片位于第三平面，所述摄像头的移动轨迹位于第二水平面，所述拍摄脚部侧面所用的摄像头位于第四水平面。

通过上述的三维脚型测量方法的控制方法，包括如下步骤：

通过步进电机驱动的所述摄像头进行双向导轨的寻址，

根据寻址获取得到底面闭合轮廓线，

以及根据多点连续图像拼接获取得到侧面轮廓线。

本发明的有益效果：

本发明中提供的基于自动寻轨模式的三维脚型测量方法，通过控制第一摄像头实时拍摄脚部底面得到底面轮廓线，根据所述底面轮廓线得到双脚的底面闭合轮廓线，在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线，根据上述底面闭合轮廓线和侧面轮廓线建立得到三维脚型。能够不受摄像头拍摄范围范围的限制，仅占用较小的空间。同时，采用能够同时测量出双脚的三维脚型，提升了扫描测量效率和用户体验度。

附图说明

图1是本发明一实施例中的基于自动寻轨模式的三维脚型测量方法流程图；

图2是图1中对第一摄像头的控制方法流程图；

图3是本发明一实施例中的基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置结构示意图；

图4是图3中装置的水平坐标示意图；

图5是在图3中选取的底面摄像头所拍摄的照片的有效处理区域；

图6是发明一优选实施例中基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置示意图。

具体实施方式

现在将参考一些示例实施例描述本公开的原理。可以理解，这些实施例仅出于说明并且帮助本领域的技术人员理解和实施例本公开的目的而描述，而非建议对本公开的范围的任何限制。在此描述的本公开的内容可以以下文描述的方式之外的各种方式实施。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

图1是本发明一实施例中的基于自动寻轨模式的三维脚型测量方法流程图，步骤s100控制第一摄像头实时拍摄脚部底面得到底面轮廓线，步骤s101根据所述底面轮廓线得到双脚的底面闭合轮廓线，步骤s102在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线，步骤s103根据上述底面闭合轮廓线和侧面轮廓线建立得到三维脚型。在步骤s100中，可以通过控制第一摄像头移动到不同位置处，拍摄出脚部底面得到底面轮廓线。在步骤s101中求得左右脚双脚的闭合轮廓线，可以左右脚分别求得。在步骤s102中测量得到左右脚的侧面轮廓线，得到竖直方向上的数据。步骤s103中根据在步骤s101中和步骤s102测量得到的底面闭合轮廓线以及侧面轮廓线。

作为本实施例中的优选，图2是图1中对第一摄像头的控制方法流程图，对所述第一摄像头的控制方法具体为：

步骤s200将所述第一摄像头调节至预设的初始位置，

步骤s201第一摄像头从上述初始位置开始进行实时拍照，

步骤s202对拍照后得到的每一帧照片进行处理并提取出脚部底面轮廓线的该些照片，若没有检测到脚部底面轮廓，则所述第一摄像头继续在选定方向上移动，直到检测出第一张有底面轮廓的照片所在对应的位置。

步骤s203在该些照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域，在当前被判定为底面轮廓的照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域。在这个区域中距离中心点最远的轮廓点被纪录为下一个位置坐标，并同时发送给用以控制摄像头在水平、竖直方向移动的步进电机。由步进电机驱动，通过横向和纵向导轨将底面摄像头移动到此位置。

步骤s204将上述有效处理区域中距离所述中心点最远的轮廓点作为下一个位置坐标，并根据所述位置坐标确定得到当前位置，若所述轮廓线与该些照片中当前照片的中心点的最小距离大于一设定阈值，则向最小距离的轮廓点的方向移动第一摄像头使得所述第一摄像头的中心点与该轮廓点重合；

若所述轮廓线与当前照片的中心的最小距离小于一设定阈值，则继续拍照并提取出照片。

步骤s205在上述当前位置拍照并检测底面轮廓线并得到有效坐标，沿所述底面轮廓线延伸的方向，找出有效坐标后形成闭合的轮廓线；沿着轮廓线延伸的方向不断重复，直到找到的有效坐标形成闭合的轮廓线。

步骤s206所述有效坐标为：当所述第一摄像头的中心点与检测到的轮廓线上的一点重合，则所述第一摄像头所在的位置在轨迹坐标系xoy中的坐标。

在上述步骤步骤s200-步骤s206中，所述第一摄像头被配置为用以拍摄脚部底面所用的摄像头，所述第二摄像头被被配置为用以拍摄脚部侧面所用的摄像头，

还包括：用以将所述第一摄像头和/或所述第二摄像头按照轨迹运动的双向导轨和用以控制所述第一摄像头和/或所述第二摄像头在所述双向导轨上移动的步进电机。

具体地，可以将所述第一摄像头调节至预设的初始位置，第一摄像头从上述初始位置按照选定的方向开始进行实时拍照，在该些照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域，对拍照后得到的每一帧照片的有效区域进行图像处理并提取出脚部底面轮廓线，在上述当前位置拍照并检测底面轮廓线并得到有效坐标；沿所述底面轮廓线延伸的方向，将上述有效处理区域中距离所述有效坐标最远的轮廓点作为下一个位置坐标，并将摄像头移动至其中心与该位置坐标重合，由初始位置开始记录到的所有有效坐标即为底面闭合轮廓，所述有效坐标为：当所述第一摄像头的中心点与检测到的轮廓线上的一点重合或者距离小于一设定阈值，则所述第一摄像头所在的位置在轨迹坐标系xoy中的坐标。

图3是本发明一实施例中的基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置结构示意图，一种基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置，包括：一承重单元100、底面轮廓系统200、侧面轮廓线系统300以及处理单元400，

所述承重单元100用以承载双脚，并作为脚底轮廓线所在平面，

所述底面轮廓系统200，用以控制第一摄像头实时拍摄脚部底面得到底面轮廓线，以及，根据所述底面轮廓线得到双脚的底面闭合轮廓线，

所述侧面轮廓线系统300，用以在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线，

所述侧面轮廓线系统300中，在预设位置控制第二摄像头拍摄得脚部侧面照片得到双脚的侧面轮廓线的方法具体包括：

将所述第二摄像头调节至预设的初始位置，第二摄像头从上述初始位置拍摄第一张照片；

将第二摄像头按照选定的方向移动到第二个位置并拍照，将拍摄的两张照片进行拼接后进行图像处理，并提取出侧面的轮廓；

上述第二摄像头在初始位置和第二个位置所拍摄的照片中的重叠区域，用以通过特征检测的方法进行图像拼接，上述第二摄像头在初始位置和第二个位置所拍摄的照片覆盖的物理空间的范围大于所要求测量的最大脚长。

所述处理单元400用以，根据上述底面闭合轮廓线和侧面轮廓线建立得到三维脚型。

作为本实施例中的优选，图5是在图3中选取的底面摄像头所拍摄的照片的有效处理区域，如图5所示，在当前被判定为底面轮廓的照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域。在这个区域中距离中心点最远的轮廓点被纪录为下一个位置坐标，并同时发送给步进电机。由步进电机驱动，通过横向和纵向导轨将底面摄像头移动到此位置。

作为本实施例中的优选，所述底面轮廓系统200包括：自动寻轨拍照单元、图像识别单元，所述自动寻轨拍照单元用以，控制步进电机上的摄像头拍照并机动寻址；所述图像识别单元用以，将摄像头拍摄得到的图像进行预处理和图像轮廓提取，以及测量出符合要求的照片。

在一些实施例中，自动寻轨拍照单元还用以在光线较差时进行补偿光照。

所述承重单元100包括：承重板和底座，在所述底座与承重板之间形成一中空腔体，在腔体内安装有多个用以将所述承重板和所述底座两两相连的支撑部。

在一些实施例中，所述承重板为钢化玻璃。

在一些实施例中，所述承重板为透明玻璃。

图4是图3中装置的水平坐标示意图，其中，b01为承重钢化玻璃，上表面为脚底轮廓所在的平面，坐标系uov；b02为底面摄像头移动的轨迹所在的平面，设为轨迹坐标系xoy；b03为作为底面摄像头的第一摄像头所拍摄的照片的图像平面，设为图像坐标系uov；b04为本装置中作为底面摄像头的第一摄像头。

图6是发明一优选实施例中基于自动寻轨模式的三维脚型测量装置示意图，一承载平台8，所述承载平台8上设置有：用以承重和测量双脚的透明承重板5、用以提供滑动轨道的纵向导轨3和横向导轨4，

在所述纵向导轨3和横向导轨4上均设置有拍摄脚部侧面所用的摄像头6和拍摄脚部底面所用的摄像头7，

以及，用以控制摄像头横向移动拍摄脚部侧面或底面的步进电机(1,2)，

所述透明承重板5位于第一水平面，所述摄像头所拍摄的脚部底面的照片位于第三平面，所述摄像头的移动轨迹位于第二水平面，所述拍摄脚部侧面所用的摄像头位于第四水平面。

具体操作方法为：

初始化底面的摄像头的位置。通过图3所示的驱动电机1和驱动电机a02将拍摄脚部侧面所用的摄像头6和拍摄脚部底面所用的摄像头7送至定义的初始位置。

在一些实施例中，所述定义的初始位置为：坐标平面内指定的某个点，作为此坐标的0点(原点)，可以是任意一点。在本实施例中根据具体扫描的内容(比如，脚的轮廓)选取使得摄像头行走路线最短(或者寻址路线所耗时间最优)的起始点。这个初始位置和初始运动的方向确定了，则判定第一个轮廓点的具体方法也就可以确定了(因为在初始位置拍摄的图像和从此位置此方向开始拍摄到第一个轮廓的图像要求有明显的不同的特征)。

底面摄像头从初始位置开始实时拍照，图像处理模块对每一帧照片进行处理并提取出脚底面的轮廓。如果判定没有检测到轮廓，底面摄像头将向选定的方向移动，直到检测出第一张有底面轮廓的照片所在的位置为止。判定轮廓的条件是摄像头的中心点与检测到的轮廓线上的一点重合(即轮廓线经过图像中心点)。符合此情形的摄像头所在的位置在轨迹坐标系xoy中的坐标被纪录为有效坐标值。

如图5所示，在当前被判定为底面轮廓的照片中，选取以中心点p(u,v)为中点，边长为w的矩形区域为有效处理区域。在这个区域中距离中心点最远的轮廓点被纪录为下一个位置坐标，并同时发送给步进电机。由步进电机驱动，通过横向和纵向导轨将底面摄像头移动到此位置。步进电机可以是28步进电机。

在当前位置拍照并检测底面轮廓，如果轮廓线与当前照片的中心的最小距离大于一个阈值，则向最小距离的轮廓点的方向移动摄像头至摄像头的中心点与该轮廓点重合；如果轮廓线与当前照片的中心的最小距离小于这个阈值，则重复轮廓线位置寻找的步骤，该位置的坐标被纪录为有效坐标值。

沿着轮廓线延伸的方向不断重复上述步骤，直到找到的有效坐标形成闭合的轮廓线。

重复上述步骤，找到另外一只脚的所有有效坐标形成闭合的轮廓线。

将侧面摄像头移动到初始化的位置。按照一定的步长在每个预设的位置拍摄脚的侧面照片。并且经过图像处理，拼接和提取侧面轮廓。

在本实施例中，步长被定义为摄像头每次移动的距离，此距离由每次拍摄的图像的有效大小(如前所述拍摄的整个图像中取的一定大小的区域，一般是以摄像头中心为中心的一块图像区域。所有方法中涉及的图像处理都只针对这个区域，叫做有效区域)决定。由于侧面的轮廓图像通过2-3副照片拼接而成，则此步长一般要小于图像的宽度，使得相邻两幅图像之间有重叠区域，便于拼接。优选地，2-3幅图像拼接后的区域要超过最大的脚长。

基于保存的标准脚部模型，通过上述步骤获得的底面轮廓和侧面轮廓，可以建立新的三维脚型，并且通过定义的算法自动获取脚部各关键部位的测量值。

虽然本公开以具体结构特征和/或方法动作来描述，但是可以理解在所附权利要求书中限定的本公开并不必然限于上述具体特征或动作。而是，上述具体特征和动作仅公开为实施权利要求的示例形式。