基于多视几何的三维脚型测量技术与系统

摘要

脚型三维形状测量技术是个性化鞋履定制，医疗诊断，生物力学分析等领域的关键技术。本文基于机器视觉技术、数字几何处理技术，对脚型在静态状态及行走运动状态的三维形状获取问题进行了深入研究，并基于研究成果，实现了一套个性化制鞋行业应用软件。在全面调研和总结人体脚型非接触建模与测量技术的基础上，本文主要开展了如下几项工作：
　　 1.对处于静止状态下的三维脚型形状获取问题进行研究，探索了一种脚型静态三维几何形状获取的新方法。该方法对脚型进行主动标记，结合立体视觉技术，根据所拍摄到的脚型图像对其三维形状进行恢复。在研究过程中，分别解决了脚型标记问题、标记点提取问题、双目图像标记点匹配问题以及三维脚型形状的重建问题。实验验证，该方法所获取的脚型形状精度在1mm以内。
　　 2.针对鞋履产品的个性化定制，设计实现了一种三维脚型形状参数的测量方法。该方法在定位脚型轮廓特征点的基础上，实现了对脚长、脚宽、跖趾围长、前跗骨围长等参数的测量。该方法所测脚型参数的误差小于1mm。
　　 3.在脚型静态形状获取技术的基础上，进一步探索了脚型动态形状的获取方法，提出了一种脚型在行走过程中的三维形状获取方法。该方法首先采用静态脚型获取技术根据视频的第一帧图像重建脚型的三维参考模型，然后，构建三维模型顶点运动投影的速度矢量场，并据此匹配相邻帧间的标记点，从而鲁棒地跟踪复杂背景中的三维动态目标以及相邻帧间运动幅度较大的动态目标。基于三维参考模型，利用数字几何处理方法可靠地在三维空间中估计运动过程中由于遮挡等原因造成的缺失标记点。实验结果表明，该方法可以精确地、完整地、鲁棒地获取动态脚型的三维形状。
　　 4.基于本文的研究成果，实现了一套完整的基于脚型形状测量的个性化鞋履定制系统，该系统实现了脚型在静止及运动状态下的三维形状获取功能、与制鞋相关的脚型形状参数测量功能、个性化鞋楦形状设计功能，并通过建立数据库来管理客户信息、订单信息、操作员信息、脚型信息、鞋楦信息等。
　　 上述工作的主要技术贡献与创新点为：
　　 1.本文提出了基于立体视觉的脚型静态形状获取方法，可以瞬间完成对脚型图像的采集并据此重建脚型，有效解决了生物体测量过程中由于抖动所带来的测量误差问题，提高了脚型测量的精度。
　　 2.本文提出了基于三维模型运动向量场的动态脚型获取方法，解决了在开放环境中运动着的脚型在步态周期中的形状获取问题。该方法在跟踪过程中引入了三维参考模型，使其在跟踪过程中既保持了测量的精度，又解决了缺失标记点的估计问题，从而保持了跟踪结果的完整性。另外，运动向量场的引入有效解决了低帧率条件下，嘈杂背景中纹理近似的三维目标的跟踪问题。最后，该方法可以自动地提取、跟踪标记点并完成目标建模，避免了传统方法中繁琐的交互修正工作。
　　 3.本文根据制鞋的业务流程，打通了鞋楦定制的个性化设计接口，形成了一套从脚型获取到数字化楦型输出的个性化皮鞋定制软件，目前它已经在产业中得到应用。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 本文内容及组织结构

第2章 三维脚型建模与测量技术综述

2.1 三维形状获取与测量概述

2.2 基于激光扫描的脚型建模与测量

2.3 基于立体视觉的脚型建模与测量

2.4 基于结构光的脚型建模与测量

2.5 本章小结

第3章 基于立体视觉重建三维几何关键技术

3.1 基于立体视觉的三维重建流程

3.2 图像采集

3.3 相机标定

3.4 多视图像间匹配关系建立

3.4.1 稀疏特征匹配

3.4.2 稠密特征匹配

3.5 建构三维模型的主要方法

3.6 本章小结

第4章 静态脚型的几何形状获取

4.1 基于主动式标记点的脚型建模方案

4.2 标记点提取

4.2.1 改进的Harris特征提取

4.2.2 基于ELT图像分割的标记点提取

4.3 标记点双目匹配

4.4 三维脚型的稀疏网格建构

4.5 三维脚型的稠密网格生成

4.6 脚模型精度分析

4.6.1 采样点重建精度分析

4.6.2 脚型参数的测量精度分析

4.7 本章小结

第5章 基于脚印图的三维脚型参数测量

5.1 脚型参数测量概述

5.2 脚型参数测量的基本流程

5.3 基于脚印图的脚型特征点定位

5.4 脚型长宽与边距的计算

5.5 脚型跖趾围长与前跗骨围长的计算

5.6 本章小结

第6章 动态脚型的几何形状获取

6.1 问题描述

6.2 总体方案设计

6.3 标记点跟踪

6.3.1 视频中的标记点提取

6.3.2 标记点帧间匹配

6.4 缺失标记点估计

6.5 结果精确性与完整性分析

6.6 鲁棒性测试

6.7 本章小结

第7章 基于三维脚型建模与测量技术的个性化皮鞋定制系统-ArtShoe

7.1 系统需求分析

7.2 系统总体设计

7.2.1 架构设计

7.2.2 运行逻辑设计

7.2.3 处理逻辑设计

7.3 静态脚型获取流程

7.4 动态脚型获取流程

7.5 与鞋楦设计模块的接口

7.6 系统测试

7.7 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 本文工作主要内容

8.2 本文主要贡献与创新点

8.3 未来研究工作

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢