基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法，在箱体侧板上的横向支撑板上设置有联动的正弦光栅、伺服电机和齿轮，在箱体底部有能与正弦光栅适配的激光器光源，在箱体中部设置有图像反射镜面，在箱体的另一端设置有单摄像头，采用正弦光栅照射于人体足底，由伺服电机控制物理光栅移动一定的距离，在足底表面形成四幅相位差为π/2的畸变光栅，通过工业相机分别采集四幅畸变的光栅图像，对光栅进行相位分析，从而求得足底的三维数据信息。本发明专利技术使用高精度工业相机对光栅图像进行采集，并采用四步相移的方法，可滤除随机噪声提高精度，且本系统只使用一个摄像头，减少系统成本并保持高精度扫描。

Plantar 3D scanning device and method based on single camera four step grating phase-shifting method

The invention discloses a foot bottom three-dimensional scanning device and method based on a single camera four step grating phase shift method. A sinusoidal grating, a servo motor and a gear are arranged on the lateral support plate on the side plate of the box, and there is a laser light source adapted to the sinusoidal grating at the bottom of the box, and the image reflection is set in the middle of the box. In the mirror, a single camera is set at the other end of the box, and a sinusoidal grating is used to irradiate the human foot. The servo motor controls the physical grating to move a certain distance, and four distorted gratings with a phase difference of PI /2 are formed on the surface of the foot. Four distorted grating images are collected by an industrial camera, and the phase of the grating is divided into phase. Thus, the three-dimensional data information of the sole is obtained. The invention uses a high precision industrial camera to collect the grating image, and uses the four step phase shift method to filter the precision of the random noise, and the system only uses one camera to reduce the system cost and keep the high precision scanning.

【技术实现步骤摘要】
基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法
本专利技术属于生物医学
，具体涉及一种基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法。
技术介绍
足部疾患主要包括高足弓、扁平足、足旋前、踇外翻、胼胝、足底筋膜炎等不同病症，还有由其他疾病引起的内外翻足、糖尿病足等。各种足部问题不但会产生局部症状，还会引起人体足部以上骨骼系统的对线不良，导致膝、髋、骨盆、脊柱椎体各部位关节出现问题，影响人体健康。而针对这种情况需要获取患者的足底形状，临床中现在一般采用足底石膏取模的接触式方法，但这种方法不适用于足部溃烂、坏疽以及其他足面创伤的患者，且制作成功率低，采集加工流程复杂、工艺繁琐，模型重复利用率差。而非接触式的三维扫描产品，市场上非常少，且都是国外进口设备，价格昂贵，影响一些病人的检查，影响病情发展，耽误治疗。在CN201410708967、CN104374332A、CN104339658A、CN104315979A、CN104359405A所公开的三维扫描装置虽然可以实现三维扫描功能，但是扫描的方式、精度及扫描装置的机械结构都不适于对人体足底扫描，并且以上产品的扫描周期都特别长，由于扫描部位特殊，而且扫描时需静止不动，这对扫描时间的长短以及扫描装置的高低有着较高的要求，而上述的几款产品都不满足对人体足底扫描的要求，效果不理想；方法方面，在CN102519393A、CN106412561A所公开的光栅测量轮廓术的方法可以对测量物体的高度信息，但这种方法需要两个光栅同时成像，对光源要求过高，且采集图像的CCD相机位置与光栅是同一个方向，并不适合对足底进行采集，在CN2048682U、CN201611133750.1、CN106643563A所公开的三维面型测量仪的方法，精度相对较低，不能满足足部矫形与康复的要求。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法，通过光栅投影的方法获取人体足底三维信息，缩短了扫描时间，并且采用高精度工业相机对光栅图像进行采集，提高了数据的噪声比，并且采用四步相移的处理算法，对物体进行三维重构，保证了重构模型的高精度，并且箱体内部置有图像反射镜面，将垂直向上的扫描方向转换为平面方向扫描，大大降低了扫描装置的高度，便于人体保持舒适的动作进行扫描。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案来实现：基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，包括具有透明顶部的箱体，在箱体中部设置有横向支撑板，横向支撑板上设置有正弦光栅、伺服电机和单轴滚珠丝杠直线滑台，正弦光栅通过单轴滚珠丝杠直线滑台与伺服电机控制端相连，在箱体底部且正弦光栅的正前方设置有能与正弦光栅适配的激光器光源，在正弦光栅和激光器光源前方设置有图像反射镜面，此外，在箱体上还设置有单摄像头。本专利技术进一步的改进在于，图像反射镜面与箱体底面呈45°夹角，且图像反射镜面朝向正弦光栅的一侧。基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，该方法基于上述基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，包括以下步骤：步骤一、将白板置于箱体的透明顶部，激光器光源产生白光光束经过正弦光栅形成光强分布函数已知的正弦光栅图像，进行系统标定，获取世界坐标系与摄像头坐标系之间的参数，将正弦光栅图像投射到箱体的透明顶部，单摄像头采集投射到透明顶部的光栅图像，然后伺服电机工作控制正弦光栅移动1/4栅距，单摄像头继续采集第二张投射到顶部的光栅图像，再次移动1/4栅距，采集第三张光栅图像，再移动1/4栅距，采集第四张光栅图像，且待测物体不同位置的高度不同，所采集到的图像相应位置的相位也有所变化；步骤二、采集完四幅光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，提取光栅解相位后的其中一行相位值作为标准模板，将解包裹后的相位作为参考面标准相位；步骤三、将人体足底置于箱体的透明顶部，按照步骤一的方式采集四副畸变光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，对畸变光栅解相位后的相位值进行查找表法与标准模板进行匹配，找出与标准模板最接近的相位值，并用标准模板内的最接近相位值对畸变光栅内的相位值进行替换，得到畸变光栅的最终相位真实值，并求解畸变光栅与参考面相位值差；步骤四、根据相位差值获得人体足底的三维点云数据；对人体足底的三维点云数据进行去噪处理，对三维点云数据进行快速傅里叶变换，在频域内对三维点云数据进行低通滤波去噪，滤除残差点与误差点，利用Geomagic软件进行处理，删除足底区域以外的冗余数据，仅保留有效点云数据；然后，将有效点云数据进行拼接与压缩，邻域删除点数据，减少数据量，构建Nurbs曲面，对Nurbs曲面进行高阶平滑处理，进而获取人体足底三维曲面。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，物体高度-相位的映射关系化简表达为：其中，l为投影装置与参考面的距离，为待求相位，a，b为系统标定求得的参数，h为被测表面高度，公式如下：其中，d为投影装置与摄像机距离，λ0是光栅条纹的条纹间距。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，产生了正弦光栅，其光强分布函数为：其中，I′(x,y)为背景光强度，I″(x,y)为图像的灰度调制，代表光栅图像的相位值，δi为图像的相位位移；利用四步相移法光栅扫描，首先产生相移差均为π/2的光栅图像，将产生的光栅条纹对测量系统的参考面进行扫描采集，得到图像的灰度分布R，并将所得的图像保存，根据四步相移法的简化公式：即可解得光栅的解包裹相位，将参考面相位解包裹为连续的相位值，将其中的最左或最右一行作为参考相位，将参考相位的值设为0。本专利技术进一步的改进在于，步骤三，具体实现方法如下：对人体足底进行光栅图像照射采集，采集的图像灰度分布为：其中，i＝0,1,2,3，分别表示四步相移的四个图像；即可解得光栅的包裹相位，对解出的主相位φ(x,y)进行相位解包裹，即解中的k值，解包裹采用基于查找表法的四次傅里叶变换，首先利用四次傅里叶变换法解得参考面的解包裹相位，然后对足底图像做四次傅里叶变换解得估计相位值，对参考面解包裹相位利用查找表法求解畸变光栅真实相位值，最终解出整幅图像的解包裹相位φ(x,y)，主相位与解包裹相位。本专利技术进一步的改进在于，步骤四，具体实现方法如下：根据解得的光栅相位信息求得畸变光栅与参考面光栅之间的相位差，利用相位差带入系统模型得到人体足底表面的三维点云数据；首先利用GeomagicStudio软件对足底面点云数据进行去噪，简化处理，并去除部分位置处的细节特征，最终完成人体足底曲面模型的构建，具体如下；由GeomagicStudio软件打开生成的三维点云数据，首先要对三维点云数据进行去噪及优化处理，断开组件连接，选择删除非连接点云数据，选择体外孤点，通过寻找体外孤点使点云数据平滑，将所剩的点数据进行封装，使点集合转换成三角面；生成的三角面会由于部分数据点被删除而产生部分孔洞，选择全部曲面对三角面进行填充，然后对脚趾部分曲面进行去除特征处理，完成去除特征处理后需对曲面边界进行优化，使曲面边界更为光顺，最后通过网格医生对曲面去除毛刺，简化组成曲面的三角面数量，保证软件读入及处理曲面的速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，其特征在于，包括具有透明顶部的箱体(1)，在箱体(1)中部设置有横向支撑板(7)，横向支撑板(7)上设置有正弦光栅(8)、伺服电机(3)和单轴滚珠丝杠直线滑台(4)，正弦光栅(8)通过单轴滚珠丝杠直线滑台(4)与伺服电机(3)控制端相连，在箱体(1)底部且正弦光栅(8)的正前方设置有能与正弦光栅(8)适配的激光器光源(6)，在正弦光栅(8)和激光器光源(6)前方设置有图像反射镜面(5)，此外，在箱体(1)上还设置有单摄像头(2)。

【技术特征摘要】
1.基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，其特征在于，包括具有透明顶部的箱体(1)，在箱体(1)中部设置有横向支撑板(7)，横向支撑板(7)上设置有正弦光栅(8)、伺服电机(3)和单轴滚珠丝杠直线滑台(4)，正弦光栅(8)通过单轴滚珠丝杠直线滑台(4)与伺服电机(3)控制端相连，在箱体(1)底部且正弦光栅(8)的正前方设置有能与正弦光栅(8)适配的激光器光源(6)，在正弦光栅(8)和激光器光源(6)前方设置有图像反射镜面(5)，此外，在箱体(1)上还设置有单摄像头(2)。2.根据权利要求1所述的基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，其特征在于，图像反射镜面(5)与箱体(1)底面呈45°夹角，且图像反射镜面(5)朝向正弦光栅(8)的一侧。3.基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，包括以下步骤：步骤一、将白板置于箱体(1)的透明顶部，激光器光源(6)产生白光光束经过正弦光栅(8)形成光强分布函数已知的正弦光栅图像，进行系统标定，获取世界坐标系与摄像头坐标系之间的参数，将正弦光栅图像投射到箱体(1)的透明顶部，单摄像头(2)采集投射到透明顶部的光栅图像，然后伺服电机(3)工作控制正弦光栅(8)移动1/4栅距，单摄像头(2)继续采集第二张投射到顶部的光栅图像，再次移动1/4栅距，采集第三张光栅图像，再移动1/4栅距，采集第四张光栅图像，且待测物体不同位置的高度不同，所采集到的图像相应位置的相位也有所变化；步骤二、采集完四幅光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，提取光栅解相位后的其中一行相位值作为标准模板，将解包裹后的相位作为参考面标准相位；步骤三、将人体足底置于箱体(2)的透明顶部，按照步骤一的方式采集四副畸变光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，对畸变光栅解相位后的相位值进行查找表法与标准模板进行匹配，找出与标准模板最接近的相位值，并用标准模板内的最接近相位值对畸变光栅内的相位值进行替换，得到畸变光栅的最终相位真实值，并求解畸变光栅与参考面相位值差；步骤四、根据相位差值获得人体足底的三维点云数据；对人体足底的三维点云数据进行去噪处理，对三维点云数据进行快速傅里叶变换，在频域内对三维点云数据进行低通滤波去噪，滤除残差点与误差点，利用Geomagic软件进行处理，删除足底区域以外的冗余数据，仅保留有效点云数据；然后，将有效点云数据进行拼接与压缩，邻域删除点数据，减少数据量，构建Nurbs曲面，对Nurbs曲面进行高阶平滑处理，进而获取人体足底三维曲面。4.根据权利要求3所述的基于单摄像头...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珏，成少文，郭金涛，张明明，郭宇宇，王颖拓，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61