脚型三维轮廓测量技术研究及系统实现

　　引 言

　　人体的脚型，从测量分类意义上讲，属于典型的小型复杂物体轮廓测量范畴[1-2]。脚型自动测量采用的方法多种多样，主要有机械法、投影法、光学法等。这些方法从一定程度上填补了脚型自动测量研究空白，但都不约而同地存在一些缺点。如机械法属接触式测量，测量精度较低，测量过程复杂;光学法则对光学系统的要求较高，数据处理繁复，而且不能完整地测出脚型轮廓参数。寻找一种方便、快捷的脚型测量方法仍是脚型自动测量上的难点之一。

　　本文结合脚型三维轮廓测量仪的研究和设计,论述了如何将光切法用于脚型测量以及光切法脚型测量系统的组成，即利用激光平面光对脚进行光切，在脚的某一个截面上形成封闭光带，用三个 CCD 摄像机对截面光带成像，可一次获得脚的某一个截面的二维轮廓信息，再沿光切的垂直方向步进测量，就可以得到脚的整个三维曲面信息。

　　1 测量原理及技术方案

　　图1 所示为光切法测量原理，光切法(Light-Sectioning Method, LSM)是近十多年发展起来的一种视觉测量法[3]，该方法利用激光线光源，经柱面镜产生平面光照射在被测物上，在被测物表面上产生一条明亮的光带，通过 CCD(Charge Coupled Device)摄像机摄取光带的图像，经计算机处理即可获得光切面上的物体二维轮廓信息。移动被测物体或激光源柱面镜系统，让光切面按一定间隔扫描物体表面，将每一定间隔的二维截面轮廓组合起来，即可获取被测物体的三维轮廓信息。其具有系统组成灵活、自动化程度高等特点，非常适合对脚型三维轮廓的测量。

　　在对物体三维轮廓进行测量时，由于受到 CCD视场限制，在很多场合用一台 CCD 摄像机不能获取物体的完整轮廓信息。系统采用三台摄像机获取脚型轮廓光切面的全部信息，极大地降低了仪器成本。三台CCD 摄像机测量空间布局如图2 所示。为了减小测量仪器体积，三台 CCD 摄像机主光轴与基准轴线平行，而在各自光路中增加了一反射镜，摄像机摄取反射像，由于设计反射镜与脚基准轴线成一定夹角，即也保证了摄像机摄取的是脚型光切面轮廓的角度投影像。CCD1、CCD2用于摄像脚面左右轮廓图像，CCD3用于摄取脚底纹轮廓图像，三台 CCD 摄像机所摄图像各有部分信息重合，从而保证了摄取的光切面轮廓信息的完整性。

　　由于CCD 与被测脚型成一定的角度，要正确获取图像与脚型实体间的变换关系，必须先确定摄像机光敏面的成像坐标系与实际光切面坐标系间的关系。

　　脚型轮廓表面的光切投影与其在成像面上的光带具有一一对应关系，只要提取出摄取图像的光带坐标，便可计算出脚型光切轮廓处的三维实际坐标。