CN106767433A - 一种测量足部尺寸的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量足部尺寸的方法与系统。所述方法包括：S1，对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；S2，基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。本发明利用统计数据建立三维脚型样本数据库，在脚型特征大数据的支持下，用户仅仅通过智能终端拍照就能够实现满足精度要求的脚型尺寸测量，投资少、简单可靠，操作方便，灵活性强，测量误差小精度高。

Description

一种测量足部尺寸的方法与系统

技术领域

本发明涉及图像处理领域，更具体地，涉及一种测量足部尺寸的方法与系统。

背景技术

目前对于足部尺寸的测量，传统测量方式是使用具有刻度的尺子等实体测量工具进行测量，例如，通过使用布尺、钢卷尺、测高仪以及自制的一些简易工具(划笔、油印板等)进行测量，以获得足部相关部位的高度、宽度、长度等尺寸。这种方法投资少，操作简单，方便灵活，并且便于短时间内在不同测量地点进行测量。

早年，我国开展的大规模脚型调查，主要使用具有刻度的尺子进行足部尺寸测量。但该方法效率低，劳动强度大，测量结果需手工记录，重复性差，对测量者的技术要求较高，且无法在短时间内进行快速准确的大量测量。

在计算机视觉、电子学、图像学及信息学等的影响下，人体测量技术经历了由接触式到非接触式、由二维到三维的发展，并向自动化测量和利用计算机测量处理分析的方向发展。

足部测量作为人体测量的重要组成部分，也正在逐步尝试使用三维测量技术作为主要测量方法和手段。虽然三维测量技术种类繁多，但应用在脚型测量领域的技术主要分为三大类：基于被动立体视觉的三维重建法、摄像头终端预置法和基于激光三维扫描的脚型重建法。

其中，基于被动立体视觉的三维重建法包括激光三维扫描，结构光三维扫描等技术。

基于被动立体视觉的三维重建法原理如图1所示，基于人眼睛双目视差原理，两个或两个以上摄像机同时拍摄被测量物体的二维图像，通过两幅二维图像的匹配，建立物体的三维形貌，将二维图像恢复到三维图像。若使用两个以上摄像机时，可以提供更多信息，有利于三维图像恢复。例如，采用多相机对待测脚进行多角度拍摄获取脚型的方法，或者采用12个普通PC摄像机采集目标脚型的方法，或者基于立体视觉稠密重建技术重建三维脚型的方法，或者使用10个摄像机全方位拍摄脚部图像，对脚型进行三维重建，或者采用6个相机加足底压力测量仪的测量方法等等，都属于被动立体视觉类方法。

所述基于被动立体视觉的三维重建法需要从待测物体图像上提取稳定的特征点进行两幅图像之间的匹配，不仅计算量大，而且需要待测物体表面具有丰富的纹理信息。

所述摄像头终端预置法的案例有申请号为20150122269.1的中国专利“一种基于摄像头的尺寸测量方法及装置”。所述专利将摄像头预置，根据焦距获取目标对象在垂直于摄像头中心光轴的平面的投影尺寸并计算得到所述目标对象的尺寸。

所述基于激光三维扫描的脚型重建法，其原理如图2所示，其工作过程是：线激光器发出的激光照射在被测量物体表面，在物体表面形成一条明亮的光带；CCD摄像机获取物体表面包含激光条纹的二维图像；通过计算机对二维图像进行处理，提取物体光切面上的二维轮廓。平移被测物体或平移线激光器与CCD摄像机组成的传感单元，使激光平面以一定的间隔扫过物体表面，在物体表面形成一系列的光切面二维轮廓，运用如图3所示的三角测距原理，进而求得被测物体的三维轮廓。

基于激光三维扫描的脚型重建法有较多的案例。除了学术上的研究，目前也有许多公司推出了基于激光扫描的脚型测量产品，例如Vorum公司的CANFIT-PLUSTM脚型扫描设备，Shoe Master制鞋软件中的脚部测量模块，Vitus人体扫描系统中的脚型扫描模块PEDUS也采用了激光扫描方法。国内航空工业总公司303所和轻工制鞋研究所研制的脚型测量系统以及中国皮革制鞋工业研究院与四川大学开发的一套脚/楦型激光测量系统。

采用激光扫描的方法对脚型形状进行获取，其优点在于采样率高,所获取的模型较精细，但其扫描效率低，每次只能扫描一条线，扫描时间较长。

目前脚型测量方法虽然有较为成熟的产品在市场上流通，然而这些扫描方法有的需要多个摄像头，有的需要激光发射器，有的需要投影仪，所需要的硬件设备昂贵，且均不能够在智能终端上运用，用户自行购买昂贵且操作复杂的扫描产品不现实，去专门的门店测量脚型又费时费力。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的测量足部尺寸的方法与系统。

根据本发明的一个方面，提供一种测量足部尺寸的方法，包括：

S1，对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；

S2，基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。

根据本发明的另一个方面，提供一种测量足部尺寸的系统，包括畸变纠正模块和尺寸映射模块，

畸变纠正模块，用于对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；

尺寸映射模块，用于基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。

本申请提出的一种测量足部尺寸的方法与系统，利用统计数据建立三维脚型样本数据库，在脚型特征大数据的支持下，用户可以仅仅通过智能终端拍照就能够实现脚型尺寸测量，简单可靠，操作方便，测量误差小精度高。

附图说明

图1为现有技术中被动立体视觉三维重建方法原理示意图；

图2为现有技术中基于激光三维扫描的脚型重建法示意图；

图3为现有技术中激光三角测距原理示意图；

图4为本发明一种测量足部尺寸的方法流程图；

图5为本发明一种测量足部尺寸的方法的足部尺寸特征图像示意图；

图6为本发明所述透视畸变纠正示意图；

图7为本发明所述四个二维顶点的对应位置关系示意图；

图8为本发明所述透视畸变纠正前后效果图；

图9为本发明所述足印长度特征示意图；

图10为本发明所述足印宽度特征示意图；

图11为本发明所述足部尺寸A的统计数据中成年男性足部尺寸数据示意图；

图12为本发明所述测量足部尺寸的核心原理示意图；

图13为本发明一种测量足部尺寸的方法实施例示意图；

图14为本发明一种测量足部尺寸的系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图4所示，一种测量足部尺寸的方法，包括：

S1，对所获取的足部图像进行透视畸变纠正。

S2，基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。

本发明利用统计数据建立三维脚型样本数据库，预先建立足印特征与足部尺寸的映射关系，用户可以仅仅通过智能终端拍照就能够实现脚型尺寸测量，简单可靠，操作方便，测量误差小精度高。

所述S1进一步包括：

S1.1，获取特定参照物背景下的足部图像。

S1.2，利用独立畸变参数对所述足部图像进行透视畸变纠正。

所述S2进一步包括：

S2.1，基于纠正后的所述足部图像建立足印坐标系，提取足印特征集合B。

S2.2，利用预先建立的射关系获取足部尺寸集合，所述预先建立的映射关系为：

A＝MB

其中，A为足部尺寸集合，B为足印特征集合，M为映射矩阵。

本发明需要通过特定参照物来确定足部图像尺寸，以达到精确计算的目的；由于拍摄的距离和方位的不同，会造成图像产生透视畸变，因此需要对透视畸变进行纠正，使所述足部图像恢复到所述特定参照物的正常状态；在此基础上提取足印特征，利用预先得到的三维映射关系即可快速的计算得到实际的足部尺寸数据。

所述S1.1获取特定参照物背景下的足部图像，进一步包括：

S1.1.1，选取具有干净背景和固定尺寸的面型参照物为所述特定参照物。

S1.1.2，在所述特定参照物背景上留下足印轮廓。

S1.1.3，采集所述足印轮廓生成所述足部图像。

具体实施时，为保障足型测量精度，对抗光照变化，可采用A4大小的白纸作为脚部背景。用户在A4白纸上踩得的黑色或其它颜色脚印作为前景，脚印与白色背景有明显区别，可增强对抗光照变化的能力；同时由于A4纸大小已知，可用于精确测得脚底长度和宽度尺寸。

如图5为最能够反映足部尺寸的特征图像，包括高弓足、扁平足和正常足。在所述A4白纸上留下脚印后，可通过智能终端的摄像设备对着所述A4白纸拍照，即可获得所述足部图像。采集足印图像时取站立姿势，获取准确的足印信息，尽量降低误差。

所述S1.2利用独立畸变参数对所述足部图像进行透视畸变纠正，进一步包括：

S1.2.1，根据所述足部图像的所述特定参照物的四个二维顶点的对应位置关系获得八个独立的畸变参数；

S1.2.2，利用所述八个独立的畸变参数构建畸变矩阵；

S1.2.3，利用所述畸变矩阵对所述足部图像中的位置点进行纠正变换，获取纠正后的足部图像。

由于相机成像是一个透视投影过程，拍摄的图像会存在较大的透视畸变，透视畸变严重影响了足部尺寸的测量。为了精确测量脚部尺寸，需要对所述足部图像的透视畸变进行纠正。

如图6、图7所示，由于本发明所述特定参照物具有固定尺寸，尤其是选用A4白纸为所述特定参照物，A4白纸的形状和尺寸是固定的且已知的，只要纠正了A4白纸的四个角的位置，即四个二维顶点的位置，即可对所述足部图像进行纠正。通过所述四个二维顶点可获得八个独立的畸变参数，所述八个独立的畸变参数可通过畸变矩阵中的八个变量利用八个线性方程组即可求得。

所述畸变矩阵为：

所述畸变矩阵中有九个元素，所述八个独立的畸变参数为所述畸变矩阵中的任意八个元素。

所述畸变纠正的原理为:

首先将透视畸变建模为(1)式：

其中，[u,v,w]为原位置点，[x′,y′,w′]为畸变后的位置点，为畸变矩阵。

经过(2)式的矩阵变换，可获得原位置点：

其中，x为成像后的二维坐标中的横坐标，y为成像后的二维坐标中的纵坐标。

图8为所述足部图像进行透视畸变纠正前后的效果图。

所述S2.1基于纠正后的所述足部图像建立足印坐标系，提取足印特征集合B中，所述足印坐标系为：以纠正后的足部图像的上边线向右作为坐标系的x轴正向，左边线向下作为y轴正向，单位为像素。由于A4纸长宽与图像的长宽成正比，通过计算此比例可将识别出的足印图像像素大小特征转化成以毫米为单位的具体尺寸特征。

通过建立足印坐标系，可提取足印的稳定特征，以便于精确足部尺寸的重构。现有的图像特征分析包括结构特征，子空间特征、统计特征、纹理特征等等。为最终测得足部精确尺寸，需提取稳定的足印特征，最能够体现脚部尺寸的足印特征集合B。

所述足印特征集合B包括足印的长度特征集合和宽度特征集合。所述长度特征集合包括脚趾端点、拇趾外突点部位、小趾外突点部位、第一跖趾部位、第五跖趾部位、腰窝部位和踵心部位；所述宽度特征集合包括足印整体宽度、足弓处宽度、拇趾里宽、小趾外宽、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝外宽和踵心全宽。图9为足印的长度特征集的部分特征，图10为足印的宽度特征集的部分特征。图9和图10中虚线为脚底形状，实线为楦底形状。

所述S2.2中所述映射矩阵M通过训练数据得到，包括：

建立二维及三维的足部尺寸样本库；

基于所述足部尺寸样本库，利用线性回归获取映射矩阵M，满足M＝arg min|A-MB|。

训练映射矩阵M的具体实施为：

通过对实际足部的三维扫描，可以获得精确的足部尺寸集合A作为统计数据，所述足部尺寸集合A包括二维数据和三维数据，其中长度尺寸和宽度尺寸为二维数据，围度尺寸为三维数据。

获取大量的足部图像，通过对所述大量的足部图像的足印特征的提取，可以获得稳定的足印特征集合B作为统计数据；基于所述足部尺寸集合A和所述足印特征集合B建立足部尺寸样本库。

两个数据集合A和B之间的映射关系f可能存在多种表达。然而，由于提取的足印特征集合B均是长度特征和宽度特征，而精确足部尺寸集合A中的特征也均为尺寸数据，因此，长度特征、宽度特征与尺寸数据之间的映射关系应当是线性的，可以运用线性关系表达映射，为：

A＝MB (4)

在已知A，B的情况下，计算变换矩阵M，从而求得精确的映射关系，可最终完成拍照重构脚部尺寸的目的。

通过统计中国成年人足部尺寸大数据，归纳出成年人足型规律，进而抽象出稳定的足部特征提取方法。图11为本发明所述足部尺寸A的统计数据中成年男性足部尺寸数据示意图。

以上为训练映射矩阵M的过程，当映射矩阵M训练好了后，通过智能终端拍摄了足部图像，提取足印特征集合B后，就可以利用映射矩阵M快速的获取足部的实际尺寸。

所述S2.2中所述足部尺寸集合A包括足部的长度尺寸集合、宽度尺寸集合、围度尺寸集合及其相关的等差数据。

所述长度尺寸集合包括脚趾端点、拇趾外突点部位、小趾外突点部位、第一跖趾部位、第五跖趾部位、腰窝部位和踵心部位。

所述宽度尺寸集合包括基本宽度、拇趾里宽、小趾外宽、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝外宽和踵心全宽。

所述围度尺寸集合包括砣围和跗围。

所述围度尺寸为三维尺寸，基于所提取的足印足弓部的特征及足印的相关的长度特征和宽度特征，可以通过映射矩阵M计算出三维的足部围度尺寸。

所述S2.2利用预先建立的射关系获取足部尺寸集合的具体实施为：

利用映射矩阵M对所提取的足印特征集合B中的每个特征的测量数据进行线性变换，即执行A＝MB，即可获取与每个特征对应的实际足部尺寸；当对所述足印特征集合B的每一个特征的测量数据都进行变换后即可获得足部尺寸集合A。

本发明所述测量足部尺寸的核心原理示意图可表示为图12，其核心过程为：通过拍照获取足印轮廓图像，然后进行稳定特征提取形成足印特征集合B，利用所述足印特征集合B与足部尺寸集合A之间的映射关系f，获取三维的足部尺寸集合A。所述映射关系f为所述足印特征集合B到所述足部尺寸集合A的映射矩阵M。

如图13所示，为本发明一种测量足部尺寸的方法实施例示意图，本发明简单的利用智能终端测量足部尺寸，因此最佳实施例以智能终端APP形式呈现，用户只需调用智能终端摄像镜头完成足印拍照，系统即可在0.5秒左右的时间内完成足印图像的透视畸变纠正、足印特征集合的提取和足部尺寸的计算。本实施例流程如下：

步骤1：A4白纸背景下获取足部轮廓线，即用户脚踩在A4白纸上，留下黑色或其他颜色的足印轮廓线。

步骤2：采集足部轮廓图像，即通过智能终端摄像头拍摄具有足印轮廓线的A4白纸，所拍摄的图片应该包括全部A4白纸。

步骤3：图像焦点自动定位。

步骤4：图像透视畸变纠正，即采样S2的方法通过畸变模型及独立畸变参数进行透视畸变纠正。

步骤5：图像灰度二值化、去燥，这是对图像的处理，增强对比度提高足印特征提取时的精确度。

步骤6：提取足印轮廓特征集合B。

步骤7：特征参数测量，即对提取的特征集合B中的每一项特征测量尺寸，例如对所述长度特征集合中的脚趾端点、拇趾外突点部位、小趾外突点部位、第一跖趾部位、第五跖趾部位、腰窝部位和踵心部位的每个特征点，按足部的长度方向测量长度；对所述宽度特征集合中的足印整体宽度、足弓处宽度、拇趾外突宽、小趾外宽、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝外宽和踵心全宽的每个特征点，按足部的宽度方向测量宽度，如图9及图10所示。

步骤8：足部三维尺寸重构，利用S3方法中的三维映射关系获取足部尺寸集合A。

步骤9：输出足部尺寸集合A。

通过以上步骤1-9，一个完整的足部尺寸测量的用户体验就完成了。

在此之前，利用步骤8的足部三维尺寸重构时，需要先进行如下步骤：

步骤10：建立足部尺寸样本库(2D/3D)，所述足部尺寸样本库通过统计数据得到，包括足部尺寸集合A的统计数据和足印特征集合B的统计数据。

步骤20：利用线性回归方法计算映射关系，获得映射矩阵M。

步骤10和步骤20主要是利用统计数据对训练映射矩阵M，所述映射矩阵M训练好了后，即可完成步骤8的功能，实现足部尺寸的重构。

如图14所示，为本发明一种测量足部尺寸的系统，包括畸变纠正模块和尺寸映射模块，

畸变纠正模块，用于对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；

尺寸映射模块，用于基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。

在一个实施例中，对于一个具体的足印，本系统测量结果如下：

本发明利用智能终端拍照结合图形图像处理的方式提取二维的、稳定的足部特征集合，再根据线性映射关系计算出三维的足部特征参数，进而实现足部尺寸的重构，所述线性映射关系是根据大数据及线性回归理论推算而出的，由此填补了市场上足部尺寸快速测量的空白。

本发明投资少、操作简单、灵活性强、方便携带、便于短时间内在不同测量地点进行测量。用户只需一部智能终端便可轻松测量准确尺寸，不需要手动记录测量结果，不需要掌握相关测量技术，简单便捷，具有非常强的实用性。本发明的测量误差小于0.5毫米，测量精度非常高。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量足部尺寸的方法，其特征在于，包括：

S1，对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；

S2，基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1进一步包括：

S1.1，获取特定参照物背景下的足部图像；

S1.2，利用独立畸变参数对所述足部图像进行透视畸变纠正。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2进一步包括：

S2.1，基于纠正后的所述足部图像建立足印坐标系，提取足印特征集合B；

S2.2，利用预先建立的射关系获取足部尺寸集合A，所述预先建立的映射关系为：

A＝MB

其中，A为足部尺寸集合，B为足印特征集合，M为映射矩阵。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.1进一步包括：

S1.1.1，选取具有干净背景和固定尺寸的面型参照物为所述特定参照物；

S1.1.2，在所述特定参照物背景上留下足印轮廓；

S1.1.3，采集所述足印轮廓生成所述足部图像。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.2进一步包括：

S1.2.1，根据所述足部图像的所述特定参照物的四个二维顶点的对应位置关系获得八个独立的畸变参数；

S1.2.2，利用所述八个独立的畸变参数构建畸变矩阵；

S1.2.3，利用所述畸变矩阵对所述足部图像中的位置点进行纠正变换，获取纠正后的足部图像。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述畸变矩阵为：

所述八个独立的畸变参数为所述畸变矩阵中的任意八个元素；

所述纠正变换为:

其中，[u,v,w]为原位置点，[x′,y′,w′]为畸变后的位置点，为畸变矩阵。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2.1中所述足印特征集合B包括足印的长度特征集合和宽度特征集合,

所述长度特征集合包括脚趾端点、拇趾外突点部位、小趾外突点部位、第一跖趾部位、第五跖趾部位、腰窝部位和踵心部位；

所述宽度特征集合包括足印整体宽度、足弓处宽度、拇趾里宽、小趾外宽、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝外宽和踵心全宽。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2.2中所述映射矩阵M通过训练数据得到，包括：

建立二维及三维的足部尺寸样本库；

基于所述足部尺寸样本库，利用线性回归方法获取所述映射矩阵M，满足M＝arg min|A-MB|。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S2.2中所述足部尺寸集合A包括足部的长度尺寸集合、宽度尺寸集合和围度尺寸集合，

所述长度尺寸集合包括脚趾端点、拇趾外突点部位、小趾外突点部位、第一跖趾部位、第五跖趾部位、腰窝部位和踵心部位；

所述宽度尺寸集合包括基本宽度、拇趾里宽、小趾外宽、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝外宽和踵心全宽；

所述围度尺寸集合包括砣围和跗围。

10.一种测量足部尺寸的系统，其特征在于，包括畸变纠正模块和尺寸映射模块，

畸变纠正模块，用于对所获取的足部图像进行透视畸变纠正；

尺寸映射模块，用于基于纠正后的足部图像提取足印特征集合，利用预先建立的映射关系获取所述足部图像对应的足部尺寸集合。