DE202013011910U1

DE202013011910U1 - Surveying system for measuring limbs

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Publication number: DE202013011910U1
Application number: DE202013011910.1U
Authority: DE
Original assignee: EHRICKE HANS HEINO
Current assignee: EHRICKE HANS HEINO
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-10-28
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: DE102013001897A1

Abstract

Vermessungssystem zur Vermessung von Gliedmaßen, insbesondere zur Bestimmung biometrischer Daten des menschlichen Fußes, bestehend aus einer Referenzplatte mit bekannten Abmaßen, auf der wenigstens ein zu vermessender Körper platziert wird, und einer frei oder nahezu frei beweglichen baulichen Einheit, die aus einer optischen Aufnahmevorrichtung, aus einer Bedienvorrichtung, aus einer Auswertevorrichtung, die ausgebildet ist, aus Aufnahmen der Aufnahmevorrichtung Vermessungsdaten oder biometrische Daten wenigstens eines zu vermessenden Körpers zu bestimmen, aus einem Orientierungssensor zur Bestimmung der räumlichen Orientierung der Aufnahmevorrichtung und aus einer Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Messergebnissen der Vermessung besteht, wobei die Schritte Positionierung und Ausrichtung wenigstens eines Messobjekts, Aufnahme wenigstens eines zweidimensionalen Projektionsbildes mittels einer optischen Aufnahmevorrichtung von oben oder schräg oben, mit der Bildaufnahme zeitgleiche oder annähernd zeitgleiche Erfassung der vom Orientierungssensor erzeugten Daten, Ermittlung der Vermessungsdaten in dem wenigstens einen aufgenommenen Bild mittels Bildanalyseverfahren in der Auswertevorrichtung, Ausgabe der räumlichen Vermessungsdaten oder davon abgeleiteten Meßdaten auf der Ausgabevorrichtung angewendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitgleich oder nahezu zeitgleich mit der Bildaufnahme vom Orientierungssensor erzeugten Daten zusammen mit den durch das Bildanalyseverfahren gewonnenen Daten zum Zwecke der Bestimmung der Vermessungsdaten oder der biometrischen Daten in der Auswertevorrichtung verwendet werden.Measuring system for measuring limbs, in particular for determining biometric data of the human foot, consisting of a reference plate with known dimensions, on which at least one body to be measured is placed, and a freely or almost freely movable structural unit consisting of an optical recording device an operating device, an evaluation device which is designed to determine measurement data or biometric data of at least one body to be measured from recordings of the recording device, an orientation sensor for determining the spatial orientation of the recording device and an output device for outputting measurement results of the measurement, wherein the steps of positioning and aligning at least one measurement object, recording at least one two-dimensional projection image by means of an optical recording device from above or obliquely above, at the same time as the image recording he or approximately simultaneous acquisition of the data generated by the orientation sensor, determination of the measurement data in the at least one captured image by means of image analysis methods in the evaluation device, output of the spatial measurement data or measurement data derived therefrom are used on the output device, characterized in that the data are simultaneously or almost simultaneously with the data recorded by the orientation sensor are used together with the data obtained by the image analysis method for the purpose of determining the measurement data or the biometric data in the evaluation device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungssystem zur optischen Vermessung von Gliedmaßen, insbesondere des menschlichen Fußes.The invention relates to a surveying system for the optical measurement of limbs, in particular of the human foot.

Die Bestimmung biometrischer Eigenschaften des menschlichen Fußes bildet die Voraussetzung dafür, geeignete Schuhe, die in Länge, Breite und Passform dem Fuß entsprechen und eine gesunde Entwicklung und Erhaltung der Füße, insbesondere auch bei Kinder, ermöglichen, zu fertigen oder aus einem Sortiment auszuwählen.The determination of biometric characteristics of the human foot is the prerequisite for making suitable footwear that conforms to the foot in terms of length, width and fit and that allows the foot to develop and maintain well, especially in children, or to select from an assortment.

Die Bestimmung von Passform und Schuhgröße stellt damit eine wichtige Aufgabe dar, die mit technischen Hilfsmitteln zu lösen ist. Von besonderer Bedeutung für den Einsatz in Schuhhandelsfilialen ist die einfache Handhabung des Hilfsmittels sowie dessen Robustheit. Ausserdem spielt die digitale Erfassung der Meßdaten und deren zentrale Speicherung und Auswertung, beispielsweise zum Zwecke der Optimierung des Angebots in Schuhhandelsfilialen, eine immer größere Rolle. Daher werden Verfahren benötigt, die einfach zu handhaben sind, einen geringen Wartungsaufwand erforderlich machen und die unmittelbare digitale Erfassung von Fußlänge und -breite ermöglichen.The determination of fit and shoe size thus represents an important task that can be solved with technical aids. Of particular importance for use in shoe retail stores is the simple handling of the tool and its robustness. In addition, the digital recording of measured data and their central storage and evaluation, for example, for the purpose of optimizing the offer in shoe retail stores, plays an increasingly important role. Therefore, methods are needed that are easy to handle, require low maintenance, and enable immediate digital capture of foot length and width.

Eine Vielzahl der heute bekannten Verfahren zur Vermessung von Gliedmaßen setzt das Vorhandensein einer mehr oder weniger aufwändigen Apparatur voraus. Dazu gehören Verfahren, bei denen der auf einer Grundplatte stehende Fuß durch manuelles oder elektronisches Heranführen von Schiebern von vorn und von seitlich an die Fußgrenzen vermessen werden kann. Bekannt sind auch Verfahren, bei denen der Fuß auf eine mit Drucksensoren ausgerüstete Druckplatte aufgesetzt wird ( EP 2 241 209 A1 ). Auch Verfahren mit Verwendung digitaler Kameras, wobei entweder mehrere stationäre Kameras eingesetzt werden oder eine einzelne Kamera, die sich unter Verwendung mechanischer Komponenten, beispielsweise eines Drehtellers, relativ zum Messobjekt bewegt, sind bekannt. Des Weiteren ist aus DE 20 2006 014 657 U1 ein Messsystem bekannt, das mit einer fest installierten Kamera, einer transparenten Aufnahmeplatte, einer Beleuchtungseinheit und einem Spiegelsystem ein Abbild der Fußsohle sowie seitlicher Projektionen des Fußes aufnimmt und an einen Computer überträgt, der Aufgaben der Auswertung, Steuerung und Bedienung übernimmt. Zum Stand der Technik gehören auch Verfahren, bei denen der Fuß von oberhalb oder schräg oberhalb mit ein oder mehreren Kameras aufgenommen wird. Das Problem der perspektivischen Verzerrung wird dabei dadurch gelöst, daß die Kamera in Bezug zum Untersuchungsraum fixiert wird, beispielsweise durch ein kioskartiges Gehäusesystem, an dem die Kamera fest angebracht ist. Die intrisischen und extrinsischen Kameraparameter, die für die Rückprojektion von Bildpunkten in den Untersuchungsraum benötigt werden, werden dabei durch eine Kalibriermessung bestimmt. Bei einem weiteren Verfahren wird eine hinterleuchtete Messplatte verwendet, auf die der Fuß aufgestellt wird und die mit einem regelmäßigen, kontrastreichen geometrischen Muster bedruckt ist. Aus ein oder mehreren Aufnahmen von oben oder schräg oben werden mithilfe des Musters absolute Distanzmaße für Fußlänge und -breite ermittelt. All diese Verfahren haben entweder nur ein mechanischmanuelles Funktionsprinzip ohne die Möglichkeit der direkten digitalen Erfassung der Meßdaten oder sie setzen eine aufwändige Apparatur mit Fixierung der optischen Aufnahmevorrichtung voraus, was insbesondere für die Robustheit und einfache Wartbarkeit nachteilig ist.A large number of limb measurement methods known today require the presence of a more or less complex apparatus. These include methods in which the foot standing on a baseplate can be measured by manual or electronic movement of slides from the front and from the sides to the foot boundaries. Also known are methods in which the foot is placed on a pressure plate equipped with pressure plates ( EP 2 241 209 A1 ). Also, methods using digital cameras using either multiple stationary cameras or a single camera moving relative to the object under test using mechanical components, such as a turntable, are known. Furthermore, it is off DE 20 2006 014 657 U1 a measuring system known that with a fixed camera, a transparent mounting plate, a lighting unit and a mirror system takes a picture of the sole of the foot and lateral projections of the foot and transmits it to a computer that performs tasks of evaluation, control and operation. The prior art also includes methods in which the foot is received from above or obliquely above with one or more cameras. The problem of perspective distortion is achieved in that the camera is fixed in relation to the examination room, for example, by a kiosk-type housing system to which the camera is firmly attached. The intrinsic and extrinsic camera parameters required for the backprojection of pixels into the examination room are determined by a calibration measurement. In another method, a backlit measuring plate is used, on which the foot is placed and which is printed with a regular, high-contrast geometric pattern. From one or more shots from above or diagonally above, the pattern is used to determine absolute distance measurements for foot length and width. All of these methods either have only a mechanical-manual functional principle without the possibility of direct digital acquisition of the measured data or they require a complex apparatus with fixation of the optical recording device, which is disadvantageous in particular for the robustness and easy maintainability.

Zum Stand der Technik gehören auch optische Verfahren, bei denen mit einer Kamera, etwa einer Smartphone- oder Handy-Kamera, Aufnahmen des Fußes von oben gemacht und ausgewertet werden. Bei einem dieser Verfahren wird eine Schablone verwendet, die der Anwender mittels einer Schere aus einem Blatt Papier einer Standard-Größe herstellt. Auf die Schablone wird der Fuß in definierter Weise aufgestellt und von oben fotografiert. Das Digitalfoto wird über ein Computernetzwerk an einen Serverrechner übertragen und dort analysiert. Die Form der Schablone wird als geometrische Referenz dazu benutzt, absolute Distanzmaße im Pixelbild zu bestimmen. Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe Aufwand für die Herstellung der Schablone und die Tatsache, daß dabei Fehler auftreten können, die die Exaktheit der Vermessung unmittelbar beeinflussen. Zudem ist die Anbindung an ein Computernetzwerk und die Übertragung der vergleichsweise großen Bilddateien erforderlich.The prior art also includes optical methods in which recordings of the foot are made and evaluated from above using a camera, for example a smartphone or mobile phone camera. In one of these methods, a template is used which the user uses a pair of scissors to make from a sheet of standard sized paper. On the template, the foot is set up in a defined manner and photographed from above. The digital photo is transmitted via a computer network to a server computer and analyzed there. The shape of the template is used as a geometric reference to determine absolute distance measures in the pixel image. A disadvantage of this method is the high cost of producing the template and the fact that errors can occur that directly affect the accuracy of the survey. In addition, the connection to a computer network and the transmission of relatively large image files is required.

In einem weiteren Verfahren wird ein weißes Papierblatt einer Standardgröße verwendet. Der Fuß wird auf das Blatt aufgestellt und per Smartphone-Kamera ein Bild von oben aufgenommen, so daß die Papierkanten sowie Fersenpunkt, Fußspitze und weitere Meßpunkte der Fußkontur sichtbar sind. Die Auswertung erfolgt manuell durch den Benutzer im Rahmen eines dialog-orientierten Computerprogramms, das auf dem Smartphone ausgeführt wird. Dabei verschiebt der Benutzer interaktiv Grenzlinien solange, bis diese mit Kanten des Papierblatts übereinstimmen bzw. Extrempunkte der Fußaussenkontur berühren. Nachteilig ist die Fehleranfälligkeit der Interaktion, weil es in vielen Fällen nicht möglich ist, die Grenzlinien in dem aufgenommenen Projektionsbild eindeutig und richtig zu paltzieren. Ausserdem gestaltet sich die Bildaufnahme schwierig, da auf dem Bild alle 4 Kanten des Papierblatts und die zu bestimmenden Extrempunkte der Fußaussenkontur zu sehen sein müssen.In another method, a standard size white paper sheet is used. The foot is placed on the sheet and taken by smartphone camera a picture from above, so that the paper edges and heel point, toe and other measurement points of the foot contour are visible. The evaluation is done manually by the user as part of a dialog-oriented computer program that runs on the smartphone. In doing so, the user interactively moves border lines until they match the edges of the paper sheet or touch the extreme points of the outer contour of the foot. The disadvantage is the susceptibility to error of the interaction, because in many cases it is not possible to clearly and correctly place the boundary lines in the recorded projection image. In addition, the image acquisition difficult, since all 4 edges of the paper sheet and to be determined extreme points of Fußaussenkontur must be seen on the picture.

Aus DE10 2011 121 086A1 ist ein Meßsystem und ein Verfahren bekannt, bei dem der Fuß auf einem Papier einer Standardgröße auf dem Boden platziert wird, mittels einer Smartphonekamera von oben oder schräg oben aufgenommen wird und die bekannten Abmaße des Papiers dazu benutzt werden, in Pixeln gemessene Meßstrecken im Bild in metrische Maße umzurechnen. Dabei ergibt sich das Problem, daß die eindeutige Rückprojektion von Meßstrecken im Bild in den Meßraum nicht immer möglich ist, insbesondere, wenn die Kamera schräg zum Boden ausgerichtet wird. Beispielsweise lassen sich bei einer Aufnahme des Fußes und des Blattes schräg von vorn die Blattlängskanten im Bild finden und bei Kenntnis der wahren metrischen Breite des Blattes in Pixeln gemessene Streckenmasse von Strecken, die senkrecht zu den Blattlängskanten verlaufen, in metrische Maße umrechnen. Aufgrund der vorliegenden perspektivischen Projektion lassen sich damit aber Strecken parallel zu den Blattkanten nicht exakt aus den Pixelkoordinaten in metrische Koordinaten umrechnen. In der Konsequenz entstehen Meßfehler. Behelfen kann man sich, indem man die Kamera bzw. das Smartphone parallel zur Ebene des Bodens bzw. des Blattes ausrichtet. Dies erschwert aber die Handhabung des Meßsystems durch den Anwender erheblich, so daß die allgemeine Anwendbarkeit insbesondere für Benutzer, die weniger versiert mit Endgeräten umgehen können, nicht mehr gegeben ist. Out DE10 2011 121 086A1 For example, a measuring system and method is known in which the foot is placed on a standard size paper on the floor, recorded from above or obliquely above by means of a smartphone camera, and the known dimensions of the paper are used to measure, in pixels, measured distances in the image to convert metric dimensions. This results in the problem that the unambiguous backprojection of measuring distances in the image in the measuring space is not always possible, especially if the camera is aligned obliquely to the ground. For example, when the foot and the blade are picked up obliquely from the front, the leaf longitudinal edges can be found in the image and, with knowledge of the true metric width of the blade, measured in pixels measured distances of distances that run perpendicular to the leaf longitudinal edges, convert into metric measures. Because of the present perspective projection, however, it is not possible to convert distances parallel to the sheet edges exactly from the pixel coordinates into metric coordinates. The consequence is measurement errors. You can help yourself by aligning the camera or the smartphone parallel to the plane of the floor or the sheet. However, this complicates the handling of the measuring system by the user considerably, so that the general applicability, especially for users who can handle less versed with terminals, no longer exists.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Vermessungssystem für die Vermessung von Gliedmaßen bereitzustellen, das eine exakte Vermessung von Messstrecken in aufgenommenen Projektionsbildern ermöglicht und den Anwender bei der Ausrichtung der optischen Aufnahmevorrichtung möglichst wenig einschränkt.In view of this prior art, the object of the invention is to provide a compact measurement system for the measurement of limbs, which allows an exact measurement of measurement distances in recorded projection images and restricts the user as little as possible in the alignment of the optical recording device.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Vermessungssystem zur Vermessung von Gliedmaßen, insbesondere zur Bestimmung biometrischer Daten des menschlichen Fußes, bestehend aus einer Referenzplatte mit bekannten Abmaßen, auf der wenigstens ein zu vermessender Körper platziert wird, und einer frei oder nahezu frei beweglichen baulichen Einheit, die aus einer optischen Aufnahmevorrichtung, aus einer Bedienvorrichtung, aus einer Auswertevorrichtung, die ausgebildet ist, aus Aufnahmen der Aufnahmevorrichtung Vermessungsdaten oder biometrische Daten wenigstens eines zu vermessenden Körpers zu bestimmen, aus einem Orientierungssensor zur Bestimmung der räumlichen Orientierung der Aufnahmevorrichtung und aus einer Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Messergebnissen der Vermessung besteht, wobei die Schritte Positionierung und Ausrichtung wenigstens eines Messobjekts, Aufnahme wenigstens eines zweidimensionalen Projektionsbildes mittels einer optischen Aufnahmevorrichtung von oben oder schräg oben, mit der Bildaufnahme zeitgleiche oder annähernd zeitgleiche Erfassung der vom Orientierungssensor erzeugten Daten, Ermittlung der Vermessungsdaten in dem wenigstens einen aufgenommenen Bild mittels Bildanalyseverfahren in der Auswertevorrichtung, Ausgabe der räumlichen Vermessungsdaten oder davon abgeleiteten Meßdaten auf der Ausgabevorrichtung angewendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitgleich oder nahezu zeitgleich mit der Bildaufnahme vom Orientierungssensor erzeugten Daten zusammen mit den durch das Bildanalyseverfahren gewonnenen Daten zum Zwecke der Bestimmung der Vermessungsdaten oder der biometrischen Daten in der Auswertevorrichtung verwendet werden, gelöst.According to the invention, this object is achieved by a surveying system for measuring limbs, in particular for determining biometric data of the human foot, consisting of a reference plate of known dimensions, on which at least one body to be measured is placed, and a freely or almost freely movable structural unit, the from an optical recording device, from an operating device, from an evaluation device, which is designed to determine from recordings of the recording device surveying data or biometric data of at least one body to be measured, from an orientation sensor for determining the spatial orientation of the recording device and from an output device for outputting Measuring results of the measurement consists, the steps od positioning and alignment of at least one object to be measured, recording at least one two-dimensional projection image by means of an optical recording device od he obliquely above, with the image recording simultaneous or approximately simultaneous detection of the data generated by the orientation sensor, determination of the survey data in the at least one recorded image by image analysis method in the evaluation device, output the spatial survey data or derived measurement data applied to the output device, characterized the data generated by the orientation sensor at the same time or almost simultaneously with the image acquisition is used together with the data obtained by the image analysis method for the purpose of determining the measurement data or the biometric data in the evaluation device.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht dabei in der Verwendung von Orientierungsdaten aus Sensoren, die in die bauliche Einheit des Meßsystems integriert sind, zum Zwecke der Ermittlung von Messwerten des zu vermessenden Messobjekts. Derartige Sensoren sind heute häufig in Endgeräten wie Smartphones oder Tablet-PCs integriert und liefern Signale, mit deren Hilfe jederzeit die räumliche Orientierung des Endgeräts bestimmt werden kann. Beispiele für derartige Sensoren sind magnetische oder gyroskopische Sensoren. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Kippwinkel bestimmen, die die Längsachse bzw. die Querachse des Endgeräts mit der Horizontalebene und damit im allgemeinen mit der Ebene des Bodens bilden. Diese Winkel geben somit Aufschluß über die Orientierung der Kamera-Bildebene bzgl. der Ebene des Bodens bzw. einer als Referenz benutzten Platte mit bekannten Abmaßen. Da die Sensoren ihre Daten mit einer hohen zeitlichen Auflösung zur Verfügung stellen, kann zeitgleich oder annähernd zeitgleich mit der Bildaufnahme die räumliche Orientierung der Kamera-Bildebene erfasst und für die Berechnung der Messdaten verwendet werden. Die gemessenen Kippwinkel können als Teil der extrinsischen Kameraparameter betrachtet werden, wie sie für die Rückprojektion von Messpunkten oder Messstrecken aus der Kamerabildebene in den dreidimensionalen Messraum benötigt werden. Da bei Einsatz eines mobilen Endgeräts für die Messaufgabe nicht alle extrinsischen Kameraparameter bekannt sind bzw. bestimmt werden können, was insbesondere die Position der Kamera im Messraum betrifft, wird ein Rechenalgorithmus vorgeschlagen, der die Orientierungsdaten mit weiteren, insbesondere durch automatisierte Bildanalyse gewonnenen Daten verknüpft, um bestimmte Maße des Messobjekts zu bestimmen. Die Bildanalyse wird ebenso wie der Rechenalgorithmus auf der Auswerteeinheit des Endgeräts ausgeführt und stellt dem Rechenalgorithmus Daten wie etwa die in Pixeln gemessene Breite der vorderen Kante der als Referenz benutzten Platte zur Verfügung.The basic idea of the invention consists in the use of orientation data from sensors that are integrated in the structural unit of the measuring system, for the purpose of determining measured values of the object to be measured. Such sensors are today often integrated in terminals such as smartphones or tablet PCs and provide signals that can be used at any time to determine the spatial orientation of the terminal. Examples of such sensors are magnetic or gyroscopic sensors. With their help, the tilt angle can be determined, which form the longitudinal axis or the transverse axis of the terminal with the horizontal plane and thus generally with the level of the soil. These angles thus provide information about the orientation of the camera image plane with respect to the plane of the floor or a reference plate used with known dimensions. Since the sensors provide their data with a high temporal resolution, the spatial orientation of the camera image plane can be recorded at the same time or approximately simultaneously with the image acquisition and used for the calculation of the measurement data. The measured tilt angles can be considered as part of the extrinsic camera parameters required for the backprojection of measurement points or measurement paths from the camera plane to the three-dimensional measurement space. Since not all extrinsic camera parameters are known or can be determined when using a mobile terminal for the measurement task, which relates in particular to the position of the camera in the measurement space, a calculation algorithm is proposed which links the orientation data with further data obtained in particular by automated image analysis. to determine certain dimensions of the DUT. The image analysis, like the computational algorithm, is performed on the evaluation unit of the terminal and provides the computational algorithm with data such as the width, measured in pixels, of the leading edge of the reference disk.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere Merkmale, zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben, unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Abbildungen verwiesen wird. Es zeigt: The invention will be described below without limiting the general inventive concept with reference to embodiments, from which further features, expedient refinements and advantages of the invention will be described with reference to the figures, with respect to all in the text unspecified details of the invention is expressly made to the figures , It shows:

1 eine schematische Darstellung der Referenzplatte und des Projektionsraums mit den Koordinatensystemen der Bildebene und des Projektionsraums und der für den Vermessungsalgorithmus bedeutsamen Punkte, Strecken und Geraden und 1 a schematic representation of the reference plate and the projection space with the coordinate systems of the image plane and the projection space and for the surveying algorithm significant points, lines and lines and

2 eine schematisierte Darstellung eines aufgenommenen Projektionsbilds 2 a schematic representation of a recorded projection image

1 zeigt eine schematische Darstellung der Referenzplatte und des Projektionsraums, betrachtet von seitlich, bei geneigter Ausrichtung der Kamera mit dem Kippwinkel φ zwischen Kamerabildebene und Oberfläche der Referenzplatte (10). Dabei steht der Fuß (8) auf einer rechteckigen Referenzplatte (10) mit bekannten Abmaßen, so daß die Ferse eine senkrechte Begrenzungsfläche (7), gerade berührt. Die Referenzplatte kann aus Holz, Metall, Kunststoff oder anderen festen Materialien bestehen. Zur einfacheren Abgrenzung im Rahmen der Bildanalyse trägt sie zweckmäßigerweise eine Farbe, die stark mit der Farbe des Meßobjekts kontrastiert. Ein guter Farbkontrast kann beispielsweise durch Verwendung dunkler Socken auf einer weissen oder hellen Platte erzeugt werden. Durch Verwendung einer Leuchtplatte, bei der von der Plattenoberfläche Licht abgegeben wird, beispielsweise durch ein LED-Panel oder eine Elektroluminiszenzfolie, kann ein besonders guter Kontrast, auch bei Verwendung heller Socken, erzeugt werden. Im Ausführungsbeispiel ist die Referenzplatte in einen podestartigen Kasten (1) so integriert, daß die obere Horizontalfläche des Kastens größtenteils durch die Referenzplatte gebildet wird. Alternativ kann die Referenzplatte auf dem Fußboden aufgelegt werden oder in diesen integriert sein. Denkbar sind auch weitere Integrationsmöglichkeiten der Platte, etwa in eine herausziehbare Schublade eines Schrank- oder Regalsystems. Bei bekannter Länge der Referenzplatte ist für die Bestimmung der Fußlänge die Strecke l zwischen Fußspitze (3) und vorderer Kante der Referenzplatte (4) zu vermessen. 1 shows a schematic representation of the reference plate and the projection space, viewed from the side, with tilted orientation of the camera with the tilt angle φ between camera plane and surface of the reference plate ( 10 ). Here stands the foot ( 8th ) on a rectangular reference plate ( 10 ) of known dimensions, so that the heel has a vertical boundary surface ( 7 ), just touched. The reference plate may be made of wood, metal, plastic or other solid materials. For ease of demarcation in the context of image analysis, it expediently carries a color that strongly contrasts with the color of the test object. Good color contrast can be achieved, for example, by using dark socks on a white or light panel. By using a light plate, in which light is emitted from the plate surface, for example by an LED panel or an electroluminescent foil, a particularly good contrast can be achieved, even when using light socks. In the exemplary embodiment, the reference plate is in a podium-like box ( 1 ) is integrated so that the upper horizontal surface of the box is largely formed by the reference plate. Alternatively, the reference plate can be placed on the floor or integrated into it. Also conceivable are further integration possibilities of the plate, such as in a pull-out drawer of a cabinet or shelving system. For a known length of the reference plate, the distance l between the toe ( 3 ) and leading edge of the reference plate ( 4 ) to measure.

Das für Projektionsrechnungen häufig verwendete Modell der Lochkamera wird der Optik der Kameras, wie sie in Smartphones oder Tablet-PCs zum Einsatz kommen nicht gerecht und wird daher in das Modell der gaußschen Optik mit dicker Linse dadurch überführt, daß anstatt der fokalen Länge f der Kameraoptik die prinzipale Länge c verwendet wird1

1: C. Steger, M. Ulrich, C. Wiedemann, Machine Vision Algorithms and Applications, pp 18–24, Wiley, Weinheim, 2008 .

. Diese ist abhängig von der Entfernung s des Objekts zur Kamera und kann beispielsweise durch Kalibriermessungen für einen bestimmten Entfernungsbereich, wie er für die hier beschriebene Vermessungsaufgabe definiert werden kann, für jedes Kameraobjektiv bestimmt werden. Alternativ kann die prinzipale Länge auch aus den Parametern Entfernung Kamera zu Meßobjekt, räumliche Bildauflösung und Brennweite des Objektivs auf analytischem Wege annähernd bestimmt werden.The model of the pinhole camera frequently used for projection calculations does not do justice to the optics of the cameras used in smartphones or tablet PCs and is therefore converted into the model of Gaussian optics with a thick lens by replacing the focal length f of the camera optics the principal length c is used 1

1: C. Steger, M. Ulrich, C. Wiedemann, Machine Vision Algorithms and Applications, pp. 18-24, Wiley, Weinheim, 2008 ,

, This is dependent on the distance s of the object to the camera and can be determined, for example, by calibration measurements for a specific distance range, as can be defined for the surveying task described here, for each camera lens. Alternatively, the principal length can also be approximately determined analytically from the parameters of distance camera to object to be measured, spatial image resolution and focal length of the objective.

Der Fokuspunkt der Kamera wird mit F bezeichnet. In ihm schneiden sich alle Projektionsstrahlen der perspektivischen Projektion. Es wird ein kartesisches Raumkoordinatensystem so aufgespannt, daß F sein Ursprung ist, die x-Achse parallel zur Projektionsbildebene bzw. Kamera-Bildebene verläuft und die y-Achse senkrecht auf der Kamera-Bildebene steht und somit mit der optischen Mittelachse zusammenfällt. Die Kamera-Bildebene hat einen Abstand zum Fokuspunkt F, der der prinzipalen Länge c (6) der Kameraoptik entspricht. Die u-Achse der Kamera-Bildebene ist in 1 als Pfeil dargestellt. Bei der Projektion wird die Fußspitze (3) in den Punkt A mit den Koordinaten (x₁, c) der Kamera-Bildebene und ein Punkt der vorderen Kante der Referenzplatte (4) in den Punkt B mit den Koordinaten (x₂, c) der Bildebene abgebildet. Im Projektionsbild kann die Distanz zwischen den Punkte A und B in Pixeln gemessen werden. Benötigt für die Berechnung der Strecke l wird die Distanz l' zwischen den Punkten B und D. Der Punkt D ergibt sich durch Schneiden der durch B verlaufenden, zur Ebene des Bodens parallelen Geraden mit der Projektionsgeraden durch F und A. Dieser kann wie folgt berechnet werden:
Zunächst wird die Gerade FA durch die Punkte F und A bestimmt. Diese verläuft durch den Ursprung und hat damit als y-Achsen Abschnitt den Wert 0. Ihre Steigung ist

The focus point of the camera is labeled F. In it, all the projection rays of the perspective projection intersect. A Cartesian space coordinate system is set up so that F is its origin, the x-axis is parallel to the projection image plane or camera image plane, and the y-axis is perpendicular to the camera image plane and thus coincides with the optical central axis. The camera image plane has a distance to the focal point F which corresponds to the principal length c (6) of the camera optics. The u-axis of the camera image plane is in 1 shown as an arrow. When projecting the toe ( 3 ) in the point A with the coordinates (x ₁ , c) of the camera image plane and a point of the front edge of the reference plate ( 4 ) in the point B with the coordinates (x ₂ , c) of the image plane. In the projection image, the distance between the points A and B in pixels can be measured. Necessary for the calculation of the distance l is the distance l 'between the points B and D. The point D is obtained by intersecting the lines running parallel to the plane B through the projection line through F and A. This can be calculated as follows become:
First, the straight line FA is determined by the points F and A. This runs through the origin and thus has the value 0 as a y-axis section. Its slope is

Damit ergibt sich die Geradenformel:

This results in the straight line formula:

Für die Gerade AB durch die Punkte A und B gilt: y = c (2) For the straight AB through the points A and B: y = c (2)

Die Gerade BD durch die Punkte B und D ergibts sich aus der Geraden AB durch Drehung um den Winkel φ im Uhrzeigersinn im Drehpunkt B: m = tanφ y = –tanφ·x + c + tanφ·x₂ (3) The straight line BD through the points B and D results from the straight line AB by rotation through the angle φ in the clockwise direction at the pivot point B: m = tanφ y = -tanφ * x + c + tanφ * x ₂ (3)

D wird durch Schneiden der geraden BD mit der Geraden FA berechnet. Hierzu werden (1) und (3) gleichgesetzt und nach x aufgelöst:

D is calculated by intersecting the even BD with the line FA. For this purpose, (1) and (3) are equated and resolved to x:

Durch Einsetzen von x in Gleichung 1 kann y am Punkt D berechnet werden. Die Länge l' der Strecke BD ergibt sich wie folgt:

By substituting x into equation 1, y can be calculated at point D. The length l 'of the distance BD is as follows:

Nun kann 1 berechnet werden: l = a·l' / a' (6) Now 1 can be calculated: l = a · l '/ a' (6)

Dabei ist a die bekannte Länge der vorderen Kante der Referenzplatte und a' die Länge der vorderen Kante der Referenzplatte im Projektionsbild bzw. auf dem Bildsensor der Kamera. Gleichung (6) ergibt sich aus den Abbildungseigenschaften der Zentralprojektion bei waagrechter Ausrichtung der Kamera bzgl. ihrer kürzeren Achse. Wenn a' die Länge der Strecke a auf dem Sensorchip ist und z die Entfernung der Strecke a vom Fokuspunkt, dann gilt: a' / a = c / z ⇒ z = ca· / a' (7) In this case, a is the known length of the front edge of the reference plate and a 'is the length of the front edge of the reference plate in the projection image or on the image sensor of the camera. Equation (6) results from the imaging properties of the central projection with horizontal alignment of the camera with respect to their shorter axis. If a 'is the length of the line a on the sensor chip and z is the distance of the line a from the focal point, then: a '/ a = c / z ⇒ z = ca · / a' (7)

Ebenso gilt: l' / l = c / z ⇒ l = l'·z / c (8) Likewise: l '/ l = c / z ⇒ l = l' * z / c (8)

Durch Einsetzen von (7) in (8) erhält man: l = l'·c·a / c·a' = a·l' / a' Inserting (7) in (8) gives: l = l '* c * a / c * a' = a * l '/ a'

2 zeigt ein schematisiertes Projektionsbild, wie es in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Kamera des Meßsystems aufgenommen worden sein könnte. Dabei bezeichnen die eingezeichneten Strecken Distanzmaße in Pixeln, die dem Bild durch Bildanalyse entnommen werden können bzw. bekannt sind:

h: halbe Bildhöhe in Pixeln
i: Anzahl Pixel bis zur Fußspitze
j: Anzahl Pixel bis zur vorderen Kante der Referenzplatte
k: Breite der vorderen Kante der Referenzplatte in Pixeln

2 shows a schematic projection image, as it could have been taken in the embodiment described here by the camera of the measuring system. In this case, the drawn distances designate distance measures in pixels, which can be taken from the image by image analysis or are known:

H: half image height in pixels
i: Number of pixels to the tip of the foot
j: Number of pixels to the front edge of the reference plate
k: Width of the front edge of the reference plate in pixels

Aus den im Projektionsbild durch Bildanalyse ermittelten Pixeldistanzen i, j und dem Parameter h können die Pixeldistanzen der Fußspitze und der vorderen Kante der Referenzplatte zur Bildmitte bestimmt werden und durch Multiplikation der jeweiligen Pixelanzahl mit der bekannten Länge eines Pixels auf dem Sensorchip der Kamera die Längen bzw. Koordinaten x₁ und x₂ berechnet werden. Ebenso kann aus k durch Multiplikation mit der Pixellänge auf dem Sensorchip die Länge a' berechnet werden. Der Abstand z zwischen Fokuspunkt und vorderer Kante der Referenzplatte kann in ausreichend genauer Näherung abgeschätzt werden und entspricht der Höhe der Kamera über der Referenzplatte bei der Bildaufnahme. Der Kippwinkel φ wird aus den vom Orientierungssensor oder den Orientierungssensoren bei der Bildaufnahme bereitgestellten Daten berechnet.From the pixel distances i, j and the parameter h determined in the projection image by image analysis, the pixel distances of the toe and the leading edge of the reference plate to the image center can be determined and multiplied by the respective number of pixels with the known length of a pixel on the sensor chip of the camera Coordinates x ₁ and x ₂ can be calculated. Likewise, the length a 'can be calculated from k by multiplication with the pixel length on the sensor chip. The distance z between the focal point and the front edge of the reference plate can be estimated in a sufficiently accurate approximation and corresponds to the height of the camera above the reference plate during image acquisition. The tilt angle φ is calculated from the data provided by the orientation sensor or the orientation sensors during image pickup.

Das in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Berechnungsverfahren geht davon aus, daß die mit u bezeichnete Längsachse der Kamera-Bildebene schräg zur Oberfläche der Referenzplatte verlaufen kann, während die Mittelachse, die parallel zur kürzeren Seite des Projektionsbildes verläuft, senkrecht zur u-Achse steht und mit v bezeichnet wird, parallel oder annähernd parallel zur Ebene des Bodens verläuft. Alternativ dazu kann das Smartphone oder der Tablet-PC durch den Anwender auch im Querformat, das üblicherweise als Landscape-Format bezeichnet wird, gehalten werden. Dabei kann die kürzere v-Achse mit der Ebene der Referenzplatte einen von Null verschiedenen Winkel φ bilden, während die u-Achse parallel oder annähernd parallel zur Ebene der Referenzplatte verläuft. Die Parameter des oben beschriebenen Rechenverfahrens sind dann entsprechend anzupassen.The calculation method shown in this embodiment assumes that the longitudinal axis of the camera image plane denoted by u can run obliquely to the surface of the reference plate, while the central axis, which is parallel to the shorter side of the projection image, is perpendicular to the u-axis and with v is referred to, parallel or approximately parallel to the plane of the soil. Alternatively, the smartphone or the tablet PC by the user in the landscape format, which is commonly referred to as landscape format held. In this case, the shorter v-axis with the plane of the reference plate form a non-zero angle φ, while the u-axis is parallel or approximately parallel to the plane of the reference plate. The parameters of the calculation method described above should then be adjusted accordingly.

In einer alternativen Ausführungsform sind auf der Referenzplatte optische Markierungen mit bekanntem Abstand zueinander oder mit bekannter Ausdehnung angebracht. Diese können zusätzlich zu den bekannten Abmaßen der Referenzplatte oder alternativ dazu verwendet, um die in Pixeln gemessenen Distanzen im Projektionsbild in metrische Distanzwerte umzurechnen. Weiterhin kann anstatt einer rechteckigen Referenzplatte eine anders geformte Referenzplatte verwendet werden, etwa eine quadratische, runde, halbrunde oder elliptische Platte. Der beschriebene Auswerte- und Rechenalgorithmus wird dann so angepasst, dass charakteristische Maße, die sich aus der Form der Referenzplatte ergeben, beispielsweise der Durchmesser einer kreisscheibenförmigen Platte, als Referenz herangezogen werden.In an alternative embodiment, optical markings are mounted on the reference plate at a known distance from one another or with a known extent. These can be used in addition to the known dimensions of the reference plate or, alternatively, to convert the distances measured in pixels in the projection image into metric distance values. Furthermore, instead of a rectangular reference plate a differently shaped reference plate may be used, such as a square, round, semicircular or elliptical plate. The described evaluation and calculation algorithm is then adapted so that characteristic dimensions resulting from the shape of the reference plate, for example the diameter a circular disc-shaped plate, are used as a reference.

Eine vorteilhafte Erweiterung besteht darin, daß die von dem oder den Orientierungssensoren bereitgestellten Daten laufend ausgewertet werden und während des Vorgangs der Bildaufnahme akustische oder optische Signale erzeugt werden, die den Anwender bei der Ausrichtung des Endgeräts unterstützen. So kann beispielsweise auf der Ausgabeeinheit ein Symbol ähnlich einer Wasserwaage dargestellt werden, bei dem sich eine Kugel, die eine Luftblase symbolisiert, in einem Rechteck, das einen Glaszylinder symbolisiert, sich entsprechend der Neigung des Endgeräts bewegt, so daß der Anwender die Ausrichtung des Endgeräts in Bezug auf den Winkel zwischen Längsachse des Rechtecks und Ebene der Referenzplatte besser einschätzen kann.An advantageous extension is that the data provided by the orientation sensor or sensors are continuously evaluated and during the process of image recording acoustic or optical signals are generated, which support the user in the orientation of the terminal. Thus, for example, a symbol similar to a spirit level can be displayed on the dispensing unit, in which a ball symbolizing an air bubble in a rectangle symbolizing a glass cylinder moves according to the inclination of the terminal so that the user aligns the terminal in terms of the angle between the longitudinal axis of the rectangle and plane of the reference plate can better estimate.

Kennzeichnend für die Erfindung ist, daß das Problem der Unbestimmtheit der extrinsischen und intrinsischen Kameraparameter, wie sie für die Rückprojektion von Messpunkten oder Messstrecken aus dem Projektionsbild in den dreidimensionalen Messraum benötigt werden, dadurch gelöst wird, daß die räumliche Ausrichtung der Kamera-Bildebene aus Daten von dem oder den Orientierungssensoren des Endgeräts, die zeitgleich oder annähernd zeitgleich mit der Bildaufnahme erfasst werden, bestimmt wird und zusammen mit weiteren Daten, die durch die Analyse des aufgenommenen Bildes gewonnen werden, über einen auf der Auswerteeinheit ausgeführten Rechenalgorithmus verknüpft werden, so daß sich bestimmte Längenmaße des Messobjekts exakt berechnen lassen.Characteristic of the invention is that the problem of the vagueness of the extrinsic and intrinsic camera parameters, as they are required for the back projection of measuring points or measuring sections from the projection image in the three-dimensional measuring space, is solved by the spatial orientation of the camera image plane of data are determined by the orientation sensor or sensors of the terminal, which are detected at the same time or approximately simultaneously with the image acquisition, and are linked together with further data, which are obtained by the analysis of the recorded image, via a computing algorithm executed on the evaluation unit, so that calculate the exact length dimensions of the DUT.

Die Erfindung ist nicht auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein.The invention is not limited to the previously described embodiments. All mentioned features, including the drawings alone to be taken as well as individual features that are disclosed in combination with other features are considered alone and in combination as essential to the invention. Embodiments of the invention may be accomplished by individual features or a combination of several features.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Podestpodium
22: Punkt auf der Oberfläche der Referenzplatte, der in Bildmitte projiziert wirdPoint on the surface of the reference plate projected in center of the image
33: Fußspitzetoe
44: Vordere Kante der ReferenzplatteFront edge of the reference plate
55: Meßstrecke l (zwischen vorderer Kante der Referenzplatte und Fußspitze)Test section l (between the front edge of the reference plate and toe tip)
66: prinzipale Distanzprincipal distance
77: Vertikale BegrenzungsflächeVertical boundary surface
88th: Fußfoot
99: Projektionsbildprojection image
1010: Referenzplattereference plate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2241209 A1 [0004]
DE 202006014657 U1 [0004]
DE 102011121086 A1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

C. Steger, M. Ulrich, C. Wiedemann, Machine Vision Algorithms and Applications, pp. 18-24, Wiley, Weinheim, 2008. [0015]

Claims

Measuring system for measuring limbs, in particular for determining biometric data of the human foot, consisting of a reference plate of known dimensions, on which at least one body to be measured is placed, and a freely or almost freely movable structural unit, which consists of an optical recording device, from an operating device, an evaluation device, which is configured to determine from recordings of the recording device surveying data or biometric data of at least one body to be measured consists of an orientation sensor for determining the spatial orientation of the recording device and an output device for outputting measurement results of the measurement the steps positioning and alignment of at least one object to be measured, recording at least one two-dimensional projection image by means of an optical recording device from above or obliquely above, with the image recording zeitgleic or approximately simultaneous detection of the data generated by the orientation sensor, determination of the survey data in the at least one recorded image by means of image analysis methods in the evaluation device, output of the spatial survey data or derived measurement data applied to the output device, characterized in that at the same time or almost simultaneously with the image acquisition by the orientation sensor data are used together with the data obtained by the image analysis method for the purpose of determining the survey data or the biometric data in the evaluation device.

Measuring system according to claim 1, characterized in that the reference plate, on which the at least one test object is placed, is formed by a light plate.

Surveying system according to claim 1 or 2, characterized in that the reference plate is integrated in the surface of an accessible platform-like structure.

Surveying system according to claim 1 or 2, characterized in that the reference plate is integrated in the floor.

Measuring system according to one of Claims 1 to 4, characterized in that at least one vertical boundary surface which is directly or indirectly fixedly connected to the reference plate is used for aligning the at least one test object.

Surveying system according to one of claims 1 to 5, characterized in that optical reference markings are mounted on the reference plate at a known distance from one another or with a known extent.

Measuring system according to one of Claims 1 to 6, characterized in that optical or textual or acoustic signals are generated by the output device during the process of image acquisition, which provide the user with information about the current orientation of the image acquisition unit with respect to the at least one measurement object and / or the reference plate and / or their suitability for the exact determination of survey data or biometric data of the test object.