摘 要：描述了一个基于光切原理的多 CCD 脚型三维测量系统，介绍了系统的测量原理以及扫描控制系统的设计。该系统采用三台 CCD 从不同角度采样脚型，对光带图像进行分割、平滑等一系列处理，通过坐标变换后获得了脚型完整断面轮廓数据。采用标准圆柱体对系统进行了性能测试，测量误差小于 0.5%，实验结果表明该系统具有良好的实用性。
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。
2 扫描控制系统设计
脚型三维轮廓测量获取连续轮廓信息的原理如图5 所示。半导体激光器发出线光源，经柱面镜发散后形成扇形光束照射到被测脚型表面，四个半导体激光器可以形成一封闭的光切面光环。CCD摄像摄取经反射镜反射的光切面轮廓的像。照明系统和摄像系统固定于测量装置上，计算机通过步进电机驱动系统控制步进电机，步进电机带动测量装置在导轨上运动，步进电机、导轨及置放脚型的玻璃板固定在仪器底座上，在整个测量过程中静止，从而形成摄像光切面的相对运动，图像采集卡分别采集三个 CCD 摄像机在各光切面摄取的信息，从而实现对脚型完整轮廓的测量。机械传动系统采用步进电机作为驱动源，机械传动要将电机的旋转运动变为直线运动，从而形成三维的连续运动。传动装置采用滚动导轨，相对于滑动导轨，其摩擦阻力小，动、静摩擦系数差别小，运动灵活、平稳，不易出现爬行现象，运动精度和定位精度高等优点。结构使用了直线运动球轴承，将步进电机的旋转运动转为直线运动，一种常用传动形式——螺旋运动，步进电机与丝杆之间连接采用单级齿轮传动，丝杆采用滚珠丝杆。整个系统结构简单，传动链短，减少误差产生的环节，具有传动平稳、准确、精度高等优点。
3 光切面轮廓信息的提取及处理
光切面图像处理的流程图如图6 所示。原始摄取的光切面图像包括光带图像和背景的灰度图像，而我们感兴趣的则是准确的一像素点宽的光切面轮廓线，在进行数据处理前须分离出感兴趣的光带图像。在脚型测量过程中，不能保证测量完全在无光干扰条件下进行，测量仪内腔光源来源复杂，而且被测脚型表面的反射光强又随表面特性(表面粗糙度、光洁度、法线方向)的不同有很大差异，使得光切面图像的灰度分布往往很不均匀，用通常的单一门限法无法保证图像分割的质量。过大的阈值门限使分割出来的可用信息少，产生断点，导致数据的不完整，过小的阈值门限又将一部分背景及光散射图像误认为光带信息，使光带部分粗化、变形，给后继的轮廓中心线提取带来麻烦。根据最小误差分割原理，设计中采用了判别分析法来对光带和背景进行有效分割。采用光切法测量脚型时，光源的波动、图像卡的性质、信道传输过程、光敏器件等噪声源干扰使图像中不可避免的含有噪声，在提取光带信息前必须进行去噪处理，校正失真，排除噪声干扰，以提高脚型轮廓信息获取的准确度。光切法的原理要求得到光切面脚型的轮廓线。理论上讲，光切法的照射光面是一个平面，它在脚型表面上的投影被映射成像面上的一条曲线。然而，实际的照射光面有一定厚度，其投影在视觉图像中被映射成具有多像素宽的光带。脚型表面形状具有不规则性，其反射特性也不一致，造成了光带图像的灰度、宽度不均匀。只有光带线条中轴上的点才正确反映着脚型轮廓信息。系统采用了一种光带中轴快速跟踪算法达到了有效描述提取光带中轴的目的。算法的核心是利用光带中轴居中特性，对光带中轴的所有点进行快速跟踪[4]。实验表明，用光带中轴跟踪法可以有效提取光切轮廓信息，达到设计要求的精度，适用性强，可靠性高，运行速度比经典细化算法快 50 倍以上。在提取中心轮廓后，对于CCD 摄像机摄取的光切面图像根据脚型测量仪的测量空间布局进行相应的坐标转换以获取脚型轮廓数据的实际坐标。测量中由于采用了三个 CCD 独立摄取图像测量方式，每个摄像机摄取的均为断面轮廓的部分影像，为获得完整的断面轮廓信息，将三个 CCD 摄取的部分图像经坐标变换处理后的轮廓图像加以合成。光切面轮廓信息的提取及处理过程如图7 所示。
4 结 论
脚型三维测量系统是一个光、机、电、算相结合的一体化系统，因而对于测量结果的影响是多方面因素的综合。对误差进行理论上的校正较为困难，在实际测量中，修正误差的方法是让摄像机对标准物体进行摄像，然后根据标准物体的标准尺寸对摄像机所摄得的结果进行逐点修正，并建立一个面修正模板，每次摄像结果的误差根据这个模板进行查表修正。通过对一标准圆柱体测试表明，圆柱体理论值 r =60mm，实际测量值 R=60.323mm，相对误差为 0.36%。在获得每个断面的轮廓数据后,对所得数据进行一定的平滑处理后进行三维重建，重建后数据能如实映射脚型轮廓。
参考文献：
[1] LI JITAO, SU XIAN YU, XIANG LIQUN. Laser range sensing by triangulation: Influence of speckle[J].Opto-Electronic Engineering，1997，24(2)：69-72(in Chinese).
[2] TANG SONG XIN，SU XIAN YU. Characteristics of the three-dimensional distribution of talbot diffraction field[J].Opto-Electronic Engineering，1996，23(2)：34-41(in Chinese).
[3] TAKATAUJITOSHIYUKI，KIRITAATSUSHI，KUROSAWA TOMIZO. Simple instrument for measuring edge angles usinga light sectioning method[J]. Measurement Science & Technology，1997，8(7)： 782-786.
[4] SMITH RW. Computer processing of line images: a survey[J]. Pattern Recognition，1987，20(1)：7-15.
基金项目：国家“八五”重点科技攻关项目资助(85-604-20-05)
作者简介: 居琰(1973-)，男(汉族)，江苏淮安人，博士生。主要从事图像处理、人工智能、文字识别系统研究与应用。E– mail :juyan@cpcw.com
