[发明专利]基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置及方法

权利要求书

1.基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，其特征在于，该方法采用基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描装置，该装置包括具有透明顶部的箱体(1)，在箱体(1)中部设置有横向支撑板(7)，横向支撑板(7)上设置有正弦光栅(8)、伺服电机(3)和单轴滚珠丝杠直线滑台(4)，正弦光栅(8)通过单轴滚珠丝杠直线滑台(4)与伺服电机(3)控制端相连，在箱体(1)底部且正弦光栅(8)的正前方设置有能与正弦光栅(8)适配的激光器光源(6)，在正弦光栅(8)和激光器光源(6)前方设置有图像反射镜面(5)，此外，在箱体(1)上还设置有单摄像头(2)；

该方法包括以下步骤：

步骤一、将白板置于箱体(1)的透明顶部，激光器光源(6)产生白光光束经过正弦光栅(8)形成光强分布函数已知的正弦光栅图像，进行系统标定，获取世界坐标系与摄像头坐标系之间的参数，将正弦光栅图像投射到箱体(1)的透明顶部，单摄像头(2)采集投射到透明顶部的光栅图像，然后伺服电机(3)工作控制正弦光栅(8)移动1/4栅距，单摄像头(2)继续采集第二张投射到顶部的光栅图像，再次移动1/4栅距，采集第三张光栅图像，再移动1/4栅距，采集第四张光栅图像，且待测物体不同位置的高度不同，所采集到的图像相应位置的相位也有所变化；

步骤二、采集完四幅光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，提取光栅解相位后的其中一行相位值作为标准模板，将解包裹后的相位作为参考面标准相位；

步骤三、将人体足底置于箱体(1)的透明顶部，按照步骤一的方式采集四副畸变光栅图像，利用四步相移法解出光栅主相位，并用四次傅里叶变换对解出的主相位进行解包裹相位，对畸变光栅解相位后的相位值进行查找表法与标准模板进行匹配，找出与标准模板最接近的相位值，并用标准模板内的最接近相位值对畸变光栅内的相位值进行替换，得到畸变光栅的最终相位真实值，并求解畸变光栅与参考面相位值差；

步骤四、根据相位差值获得人体足底的三维点云数据；对人体足底的三维点云数据进行去噪处理，对三维点云数据进行快速傅里叶变换，在频域内对三维点云数据进行低通滤波去噪，滤除残差点与误差点，利用Geomagic软件进行处理，删除足底区域以外的冗余数据，仅保留有效点云数据；然后，将有效点云数据进行拼接与压缩，邻域删除点数据，减少数据量，构建Nurbs曲面，对Nurbs曲面进行高阶平滑处理，进而获取人体足底三维曲面。

2.根据权利要求1所述的基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，其特征在于，图像反射镜面(5)与箱体(1)底面呈45°夹角，且图像反射镜面(5)朝向正弦光栅(8)的一侧。

3.根据权利要求1所述的基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，其特征在于，步骤一中，物体高度-相位的映射关系化简表达为：

其中，l为投影装置与参考面的距离，为待求相位，a，b为系统标定求得的参数，h为被测表面高度，公式如下：

其中，d为投影装置与摄像机距离，λ₀是光栅条纹的条纹间距。

4.根据权利要求2所述的基于单摄像头四步光栅相移法的足底三维扫描方法，其特征在于，步骤一中，产生了正弦光栅，其光强分布函数为：

其中，I′(x,y)为背景光强度，I″(x,y)为图像的灰度调制，代表光栅图像的相位值，δ_i为图像的相位位移；

利用四步相移法光栅扫描，首先产生相移差均为π/2的光栅图像，将产生的光栅条纹对测量系统的参考面进行扫描采集，得到图像的灰度分布R，并将所得的图像保存，根据四步相移法的简化公式：

即可解得光栅的解包裹相位，将参考面相位解包裹为连续的相位值，将其中的最左或最右一行作为参考相位，将参考相位的值设为0。