三维足部扫描系统中数据处理的基本设置

郝超杰

摘 要：三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。

关键词：三维激光扫描；数据；点云；模型

三维足部激光扫描系统的数据处理包括主控计算机、图像识别、畸变差更正、建模。通过计算机控制平移采集图像，采用黑白棋盘格标定靶和张正友算法，标定图像中心坐标（Cx，Cy），畸变系数（k1、k2、p1、p2）等摄像机内部参数，研制适于足部激光扫描系统标定的细丝标定靶，并在摄像机标定的基础上，采用直接线性变换方法，得到像素坐标（Xf，Yf）与世界坐标（Xw，Yw）的映射关系矩阵，进而通过高斯滤波等除去杂点，最后建模，完成三维足部激光扫描系统的数据处理。

一、主控计算机的基本配置

针对于长度方向的扫描范围是290mm的足部扫描系统，考虑余量，需要行程大于300mm的移动平台。运动分辨率应优于本系统长度方向的分辨率：20μm。同时，本系统需要在平台的台面中轴线下方安装下光机模组（包括CCD和激光器），在台面两侧安装两个支撑臂用来支撑左右光機模组，同时，考虑到成年人的一般体重，这就要求台面允许的承载大于lO0kg（估计值）。随后根据电机的相关参数选择驱动器对电机进行控制。根据图像采集速率，计算得到在不细分的情况下，每秒需要的脉冲数为1500pulse，在上述情况下，分辨率为0.025mm。若采用最大的256细分，每秒需要脉冲数变为384000个，因此需要控制卡能提供的脉冲频率大于该参数。

基于上述计算，选择单轴步进电机控制器。它是一块多轴运动控制卡，可驱动步进/伺服系统，可实现单轴运行或两轴联动插补控制，并由硬件实现机械装置的超限保护。其功能特点有：32位PCI总线（PCI2.1标准）；最高速可达1 MHz（即每秒1000000个脉冲）；自动回原点功能，可读回运动中实际位置。整个系统除了计算机、平移台自身有配套的电源，还需要给运动控制器、CCD摄像机以及激光器配备直流电源。

二、图像的采集和识别处理

图像采集系统由接口、CCD摄像机和控制软件组成，通过控制软件编程实现对图像信号的采集和保存。接口有USB、Net、1394等，根据系统使用要求设置采集参数，采集时先将图像保存在缓存中，最后再将采集到的图像从缓存中以不同的命名保存到文件中以便于后续的处理和重建。

对图像进行识别时需要首先进行光带中心提取，对灰度图像进行光带提取时采用质心法，分两步来实现：首先对作二值化图像每一列的像素点的进行扫描，对灰度值为1的点（即白像素点）进行质心运算，即可得到当前列的光带中心像素坐标，然后逐列移动，即可得到所有列上的光带中心坐标，此时得到的光带中心坐标只是一个近似值；在第一步得到的像素坐标近似值的基础上，从原始灰度图像上寻找这一坐标在列方向上的一个邻域，然后利用质心法重新计算每一列的光带中心，即可得到更为精确的光带中心坐标。

摄像机标定是从二维图像获取三维空间信息的关键和必要步骤，如基于图像的物体重建，基于图像的测量等。现有的摄像机标定方法大致可以分成两类：传统的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。传统的摄像机标定方法是在一定的摄像机模型下，基于特定的实验条件，如形状、尺寸己知的标定参照物，经过对其图像进行处理，利用一系列数学变换和计算方法，求取摄像机模型的内部参数和外部参数。但在很多情况下，由于存在经常性调整摄像机的要求，且设置己知的标定参数也不现实，这时就需要一种不依赖标定参照物的摄像机自标定方法。用二维平面靶标和张正友算法对摄像机进行标定。

其中为了获得己知的精确的世界坐标，需要设计精密标定靶。标定靶作用是为各视觉传感器提供相应的标定控制点对：即精确的世界坐标和像素坐标。它应满足：标定点的空间范围应该能够近似覆盖整个测量范围，才能保证测量精度；在标定过程中，要对多个传感器进行标定，因此标定靶的设计应该使得标定过程尽量简单，减少标定过程中的工作量。

三、标定方法选取与标定实验

如何实现摄像机和激光器组成的传感器的标定，即标定光平面与摄像机之间的位置关系；如何实现系统全局的标定，即标定各组传感器之间的位置关系。这就要考虑全局标定方法。全局标定要把各个视觉传感器的测量数据统一到一个总体世界坐标系中，也就是确定各个视觉传感器坐标系相对这一总体世界坐标系的位置与方向，即旋转矢量和平移矢量。主要有以下三种常用的全局标定方法同名坐标统一法、中介坐标统一法和世界坐标唯一法。

其中世界坐标唯一法的基本思想是直接利用世界总体坐标系下的标定点对处于测量状态的各个视觉传感器单元进行局部标定，从而将局部标定和全局标定统一到了一起。其优点在于：实现了在测量现场视觉传感器局部标定和全局标定的统一；减少了坐标转换次数，从而减少了由坐标系转换所带来的精度损失；减少了标定点的采集次数，降低了劳动强度。因此采用世界坐标唯一法对系统进行全局标定。

利用平面靶标对摄像机进行标定的关键是含有坐标信息的特征点也称控制点的检测。常用的特征点是黑白棋盘格靶标上的角点。目前的检测方法可以分为两大类：一类是基于图像边缘的特征，通过用轮廓点来拟合直线或计算边缘曲率、夹角，从而判定角点。概括来说，图像处理的整体步骤是：

1.读入拍摄的棋盘格图像，利用Canny算子进行边缘检测；

2.利用BW算子求出边缘区域的CBW响应值，并设置闽值取出前M个；

3.设置角点邻域阈值，将同一角点邻域内的点取均值，最终得出与实际角点数量相同的N个角点的图像坐标。

准确检测了一幅图像的角点像素坐标之后，就能利用张正友算法进行标定，该方法基于以下思想：标定过程中，摄像机的内部参数始终保持不变，发生变化的只是外部参数。所以要求摄像机在两个以上不同的位置对同一平面靶标进行拍摄，摄像机或靶标两者之一可以自由移动，不需要知道它们之间的相互位置关系和运动参数等。像机的标定完成之后，就能将角点的世界坐标结合摄像机内外参数矩阵，将各点投影到图像坐标系中，比较重投影点与实际检测出的角点之間的误差。为了说明角点检测的准确性，对于直线拟合和BW算子检测出的角点也按照张正友方法求解摄像机内外参数，之后投影到图像坐标系中。

四、模型构建

建模需要依次进行以下步骤，进行以下步骤：首先进行机械调整。调整玻璃平台与导轨面平行，即与扫描方向平行；调整两个扫描臂平面与导轨平行，且等高、等间距；然后进行传感器调试。保证脚底面与玻璃平面相交的位置不会超出CCD相机的视场并留有一定余量，保证数据的完整性。可以通过调整CCD安装座的俯仰角度实现。因为图像亮度、对比度的设置如果太低，会使光带的亮度降低，不易于黑暗的背景区分；如果设置太高，会使得噪声点亮度增加，产生误差和多余点云。随后进行运动控制调试。保证CCD在电机匀速运动阶段采集图像。在平台运动过程中，若人为碰触近端的零位开关和远端的限位开关，电机将立即停止运动，这就保证了系统的安全。其次进行激光平面调试。通过调整激光器安装座的俯仰、平移，将三个激光平面调整到完全重合且与扫描方向垂直的状态。最后通过点云真实地还原脚模的外形轮廓变化，多个角度视图清晰。用高斯滤波滤除杂点，进而得到更为完善的模型。

参考文献：

[1]李晓洁，《激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制》，硕士学位论文，天津，天津大学，2007.

[2]田丰，赵宏，陈文艺，《利用空间坐标变换的三维测量系统》，光学学报，1998 18（2），199.

[3]黄炎，《基于立体视觉的脚型测量系统中的关键技术研究》，硕士学位论文，杭州浙江大学，2006.

[4]王玉秀，李晓久，《人体足部非接触测量系统的研究》，天津工业大学学报，2004，23（5）：9197.