一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法技术

本发明专利技术涉及一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，属于数字图像处理和模式识别领域，该方法包含如下步骤：S1：根据采集装置采集标定图像；S2：利用3D传感摄像头采集幼儿足底RGB图像和深度图像；S3：利用标定图像计算出相机内参；S4：根据相机内参，利用RGB图像和深度图像信息形成点云数据，将像素从二维空间映射到三维空间。与已有的解决方案相比，本发明专利技术成本低，数据采集方便快速。本发明专利技术能够辅助医生诊断婴幼儿足底畸形，并生成婴幼儿足部三维模型为3D打印定制纠正鞋垫或鞋提供模型基础。

A Method of Image Data Acquisition and 3D Shape Modeling of Infant's Foot Plants

The invention relates to a method for collecting image data and modeling three-dimensional shape of foot sole of infants, belonging to the field of digital image processing and pattern recognition. The method comprises the following steps: S1: collecting calibration image according to acquisition device; S2: collecting RGB image and depth image of foot sole of infants by using 3D sensor camera; S3: calculating camera internal coherence by using calibration image; S4: according to camera internal coherence. Using RGB image and depth image information to form point cloud data, the pixels are mapped from two-dimensional space to three-dimensional space. Compared with the existing solutions, the invention has the advantages of low cost, convenient and fast data acquisition. The invention can assist doctors in diagnosing foot deformities of infants and young children, and generate a three-dimensional model of infants and young children's foot to provide a model basis for 3D printing customized correction of insoles or shoes.

【技术实现步骤摘要】
一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法
本专利技术属于数字图像处理和模式识别领域，涉及一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法。
技术介绍
足畸形是指足部形态或结构的异常，正常人足部形状是由相对称的外在肌和内在肌维持其平衡，一些先天性或硕导疾病性原因可以造成足部畸形。婴幼儿由于先天性原因或在足发育过程中不良的行走习惯等容易造成足底畸形。一旦足部有畸形：1.首先影响足的站立、负重。2.影响步态，出现跛行。3.外形难看。4.影响穿鞋。5.由于畸形足背外侧大片胼胝。6.神经源性由于感觉迟钝出现压疮，足底外侧、足跟处压疮久治不愈，严重者足跟骨骨髓炎，足骨骨髓炎。针对婴幼儿足底畸形的治疗一般分为保守治疗如：如石膏托固定，使用矫形器，中医手法等；手术治疗一般根据足畸形类型选择手术方式。婴幼儿足底畸形需要早发现早治疗，一旦发展到彻底畸形只能通过手术治疗。因此对婴幼儿定时进行足底畸形检查很有必要，发现畸形的趋势也需要及时的进行矫正治疗。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，用于辅助医生诊断婴幼儿足底畸形，并生成婴幼儿足部三维模型为3D打印定制纠正鞋垫或鞋提供模型基础。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，该方法包含如下步骤：S1：根据采集装置采集标定图像；S2：利用3D传感摄像头采集幼儿足底RGB图像和深度图像；S3：利用标定图像计算出相机内参；S4：根据相机内参，利用RGB图像和深度图像信息形成点云数据，将像素从二维空间映射到三维空间。进一步，所述采集装置为立方体框架结构，且该框架结构的每条边都设置一加强杆，保证整个结构的稳定性，在框架结构的底面设置有一横杆，所述横杆上还设置有一垂直于框架结构底面的竖杆，所述竖杆上固定设置有一朝向框架结构的上表面的3D传感摄像头，所述框架结构的上表面采用钢化玻璃覆盖，且在框架结构上表面的加强杆上还设置有多根辅强杆。进一步，步骤S1具体包含如下步骤：S11：将标定图片的拍摄方位设置于采集装置的正上方；S12：使用标定板在不同位置，不同角度，不同姿态下拍摄20张标定图片。进一步，步骤S2具体包含如下步骤：S21：让一名婴幼儿光脚站立于采集装置的上表面；S22：利用3D传感摄像头透过透明钢化玻璃拍摄照片；S23：对于每一名婴幼儿同时拍摄其脚底正常站立时的RGB图像和深度图像。进一步，步骤S3具体包含如下步骤：S31：提取标定图片的角点信息和亚像素角点信息；S32：相机标定，p＝K[R|t]P其中，p是像点坐标，P是标定的棋盘坐标，K表示相机内参，R表示外参旋转矩阵，t表示平移向量，满足：H＝K[R|t]H表示的是成像平面和标定棋盘平面之间的单应矩阵；S33：通过对应的点对解得H，得到相机内参，满足：其中，fx表示像素在X轴方向的焦距，fy表示像素在Y轴方向的焦距，cx表示像素在X轴方向的偏移，cy表示像素在Y轴上的偏移。进一步，步骤S4具体包含如下步骤：S41：相机针孔成像原理，满足：其中，f是焦距，x是像素点到成像中心的距离，y是像素点在二维平面的纵轴上的值，X是三维空间中的点到成像中心的距离，Y是三维空间中点在纵轴上的距离，Z是成像中心到三维空间中点所在的垂直于地面的平面的距离；S42：将RGB图像的二维像素点结合深度图像信息映射到三维空间中，满足：其中，s代表系数；S43：映射得到每个像素点在三维空间中的位置信息，利用点云库(PCL，PointCloudLibrary)输入所有点的位置信息和RGB像素信息，生成三维空间的点云模型。本专利技术的有益效果在于：与已有的解决方案相比，本专利技术成本低，数据采集方便快速。本专利技术能够辅助医生诊断婴幼儿足底畸形，并生成婴幼儿足部三维模型为3D打印定制纠正鞋垫或鞋提供模型基础。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术流程图；图2为本专利技术标定图像示意图；图3为本专利技术针孔成像原理图；图4为本专利技术采集装置结构图；图5为本专利技术采集装置侧视图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。本专利技术所述一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法。如图1所示，具体包括以下几个步骤：步骤1：采集20张RGB标定图片，拍摄方位位于采集装置正上方，需要使用标定板在不同位置、不同角度、不同姿态下拍摄。标定图像如图2所示。如图4所示，本专利技术的采集装置为立方体框架结构，且该框架结构的每条边都设置一加强杆5，保证整个结构的稳定性，在框架结构的底面设置有一横杆，横杆上还设置有一垂直于框架结构底面的竖杆2，竖杆2上固定设置有一朝向框架结构的上表面的3D传感摄像头3，框架结构的上表面采用钢化玻璃覆盖1，且在框架结构上表面的加强杆上还设置有多根辅强杆4。如图5所示，为了适应不同发育程度的婴幼儿，本专利技术的采集装置在3D传感摄像头3通过一旋钮6固定在竖杆2上，松开旋钮6，可上下调节3D传感摄像头与钢化玻璃之间的距离。步骤2：婴幼儿双脚分开站立于玻璃板上，同时采集足底的一张RGB图像和一张深度图像。步骤3：利用标定图片获得相机内参K。步骤301：对每一张标定图片，提取角点信息。步骤302：对每一张标定图片，进一步提取亚像素角点信息。步骤303：相机标定。p＝K[R|t]P(1)其中，p是像点坐标；P是标定的棋盘坐标；K表示相机内参，是与相机自身特性相关的参数，比如相机的焦距、像素偏移量等，具体矩阵形式在公式3中给出；R表示外参旋转矩阵，是相机在世界坐标系中的参数，比如相机的位置、拍摄时旋转方向等，因本装置固定摄像头的拍摄角度和位置，在后面步骤中未涉及R；t表示平移向量，这样就可以得到下面的等式：H＝K[R|t](2)H表示的是成像平面和标定棋盘平面之间的单应矩阵。通过对应的点对解得H后，则可以通过上面的等式得到相机的内参数K，以及外参旋转矩阵R和平移向量t。其中内参K矩阵可表示为：其中fx表示像素在X轴方向的焦距，fy表示像素在Y轴方向的焦距，cx表示像素在X轴方向的偏移，cy表示像素在Y轴上的偏移。步骤4：利用步骤3得到内参矩阵K，可以依据相机针孔成像原理，将RGB图像的二维像素点结合深度图像信息映射到三维空间中。针孔成像原理，如图3所示：其中f是焦距(光学中心和像平面的距离)，x是像素点到成像中心的距离，y是像素点在二维平面的纵轴上的值，X是三维空间中的点到成像中心的距离，Y是三维空间中点在纵轴上的距离。可以通过一下的公式将二维点映射到三维空间中：其中fx、fy、x、y、X、Y与公式3、公式4、公式5相同，s代表系数，cx表示像素在X轴方向的偏移，cy表示像素在Y轴上的偏移，cx表示像素在X轴方向的偏移，cy表示像素在Y轴上的偏移。通过映射得到每个像素点在三维空间中的位置信息，最后利用PCL点云库输入所有点的位置信息和RGB像素信息，即可生成三维空间的点云模型。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明专利技术的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本专利技术进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本专利技术权利要求书所限定的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：根据采集装置采集标定图像；S2：利用3D传感摄像头采集幼儿足底RGB图像和深度图像；S3：利用标定图像计算出相机内参；S4：根据相机内参，利用RGB图像和深度图像信息形成点云数据，将像素从二维空间映射到三维空间。

【技术特征摘要】
1.一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：根据采集装置采集标定图像；S2：利用3D传感摄像头采集幼儿足底RGB图像和深度图像；S3：利用标定图像计算出相机内参；S4：根据相机内参，利用RGB图像和深度图像信息形成点云数据，将像素从二维空间映射到三维空间。2.根据权利要求1所述的一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，其特征在于：所述采集装置为立方体框架结构，且该框架结构的每条边都设置一加强杆，保证整个结构的稳定性，在框架结构的底面设置有一横杆，所述横杆上还设置有一垂直于框架结构底面的竖杆，所述竖杆上固定设置有一朝向框架结构的上表面的3D传感摄像头，所述框架结构的上表面采用钢化玻璃覆盖，且在框架结构上表面的加强杆上还设置有多根辅强杆。3.根据权利要求2所述的一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，其特征在于：步骤S1具体包含如下步骤：S11：将标定图片的拍摄方位设置于采集装置的正上方；S12：使用标定板在不同位置，不同角度，不同姿态下拍摄20张标定图片。4.根据权利要求3所述的一种婴幼儿足底图像数据采集和三维形状建模方法，其特征在于：步骤S2具体包含如下步骤：S21：让一名婴幼儿光脚站立于采集装置的上表面；S22：利用3D传感摄像头透过透明钢化玻璃拍摄照片；S23：对于每一名婴幼儿同时拍摄其...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾晓，郑鑫宇，赵园园，陈俊恒，肖斌，李伟生，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50