RU2034509C1 - Method of contactless measurement of foot surface - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement of sizes and form of man's foot. SUBSTANCE: method involves putting foot on supporting platform; illuminating foot surface with flat light beams; obtaining image of light beam track separately for inner and outer side surfaces of foot by means of two television cameras, whose optical axes are extending at acute angles with respect to supporting surface and flat light beams; sighting of foot at the side adjacent to television cameras, which are turned to heel portion of foot. Television camera optical axes projection onto supporting surface defines an angle with apex oriented toward heel portion side of foot and positioned at the point disposed on angle bisector projection between camera optical axes onto supporting surface. Heel portion of foot is coincided with predetermined reference point on angle bisector projection by means of heel thrust. EFFECT: increased precision of measurement and enhanced reliability in operation. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерениям размеров и формы стопы человека и может быть использовано для автоматического измерения координат поверхности в системе с ЭВМ. The invention relates to measuring the size and shape of a human foot and can be used to automatically measure the coordinates of the surface in a computer system.

Недостатки контактных способов измерения длительность измерения и наличие погрешностей за счет контакта щупа с мягкой поверхностью стопы и за счет подвижки объекта за длительное время измерения. Контактные методы также создают дискомфорт для клиента при снятии мерки. Известны бесконтактные фотографические методы и автоматические телевизионные способы измерений, которые не позволяют определить обхватные размеры стопы и рассматривают только проекции. The disadvantages of contact methods of measuring the duration of the measurement and the presence of errors due to contact of the probe with the soft surface of the foot and due to the movement of the object over a long measurement time. Contact methods also create discomfort for the customer when taking measurements. Contactless photographic methods and automatic television measurement methods are known that do not allow determining the girth sizes of the foot and consider only projections.

Известен бесконтактный способ измерения координат трехмерной поверхности стопы, заключающийся в освещении стопы системой плоских лучей, параллельных опорной плоскости с автоматическим анализом изображений на ЭВМ, полученных под углом к опорной поверхности так, что биссектриса угла между оптическими осями перпендикулярна опорной поверхности. Способ позволяет произвести определение координат полной поверхности стопы путем расчета по изображениям следа плоских лучей на поверхности стопы (прототип). A non-contact method of measuring the coordinates of the three-dimensional surface of the foot is known, which consists in illuminating the foot with a system of flat beams parallel to the reference plane with automatic analysis of computer images obtained at an angle to the reference surface so that the bisector of the angle between the optical axes is perpendicular to the supporting surface. The method allows to determine the coordinates of the full surface of the foot by calculating from the images of the trace of flat rays on the surface of the foot (prototype).

Недостатком способа-прототипа является пониженная точность измерения длины стопы за счет образования мертвых зон в носке и пятке. Ухудшение условий измерения в пальцах затрудняет анализ изображения этой сложной поверхности автоматической системой. Кроме того, конструкция устройства, реализующая способ-прототип, оказывается неудобной для клиента и затрудняет опору на ногу из-за необходимости освещения стопы со всех сторон и близким расположением камер по бокам стопы. Наиболее информативный участок стопы в носочно-пучковой части занимает незначительную часть кадра, что также снижает точность. The disadvantage of the prototype method is the reduced accuracy of measuring the length of the foot due to the formation of dead zones in the toe and heel. The deterioration of the measurement conditions in the fingers makes it difficult to analyze the image of this complex surface by an automatic system. In addition, the design of the device that implements the prototype method is inconvenient for the client and makes it difficult to support the foot due to the need to illuminate the foot from all sides and the proximity of the cameras on the sides of the foot. The most informative part of the foot in the nosocomial part occupies a small part of the frame, which also reduces accuracy.

Цель изобретения повышение точности и удобства при измерении. The purpose of the invention is the improvement of accuracy and convenience in measurement.

Это достигается за счет улучшения условий измерения носочной части при фиксации положения пяточной части по заданой точке с помощью пяточного упора. Улучшение условий измерения обеспечивается смещением к носочной части поля зрения камер, что ликвидирует мертвые зоны в носочной части. Освещение поверхности плоскими лучами из точек, расположенных на вертикалях между каждой камерой и опорной плоскостью, создает наилучшее освещение в поле зрения камер без образования затемнений и разрывов в изображении плоских лучей. Это увеличивает точность и надежность автоматического измерения. Так как телекамеры и осветители оказываются расположены в носочной части стопы, то увеличивается пространство с боковых сторон, не занятое элементами измерительного устройства. Это обеспечивает удобство для измеряемого человека и дает возможность измерения с опорой на стопу, что также увеличивает информативность измерений. Так как пяточный упор определяет положение крайней точки пятки и ликвидированы мертвые зоны в носке, то улучшается точность измерения длиннотных параметров стопы. This is achieved by improving the measurement conditions of the forefoot while fixing the position of the heel part at a given point using the heel stop. Improving the measurement conditions is provided by the shift to the fore part of the field of view of the cameras, which eliminates the dead zones in the fore part. Illumination of the surface with flat beams of points located vertically between each camera and the reference plane creates the best illumination in the field of view of the cameras without the formation of blackouts and gaps in the image of plane beams. This increases the accuracy and reliability of automatic measurement. Since the cameras and illuminators are located in the forefoot of the foot, the space increases on the sides, not occupied by the elements of the measuring device. This provides convenience for the person being measured and makes it possible to measure with support on the foot, which also increases the information content of the measurements. Since the heel emphasis determines the position of the extreme point of the heel and the dead zones in the toe are eliminated, the accuracy of measuring the long-length parameters of the foot is improved.

Форма пяточного закругления может быть восстановлена интерполяцией, что незначительно усложняет измерение, так как способ предполагает наличие вычислительного устройства. Координаты поверхности стопы рассчитываются по формулам
X X'cos(π/2 θ) Y'sin(π/2 θ);
Y X'sin(π/2 θ) + Y'cos(π/2 θ);
Z Z', где X, Y, Z координатная система для описания поверхности стопы, имеющая центр в точке вершины угла между проекциями оптических осей камер на опорную плоскость, причем ось Z вертикальна к опорной плоскости, а ось X совпадает с биссектрисой угла;
X', Y', Z' координатная система телекамеры, где ось Y' совпадает с проекцией оптической оси данной камеры на плоскость;
θ- половина угла между проекциями оптических осей на опорную плоскость, причем знак θ меняется для второй камеры.The shape of the heel rounding can be restored by interpolation, which slightly complicates the measurement, since the method requires a computing device. The coordinates of the surface of the foot are calculated by the formulas
X X'cos (π / 2 θ) Y'sin (π / 2 θ);
Y X'sin (π / 2 θ) + Y'cos (π / 2 θ);
Z Z ', where X, Y, Z is the coordinate system for describing the surface of the foot, having a center at the vertex of the angle between the projections of the optical axes of the cameras onto the reference plane, the Z axis being vertical to the supporting plane, and the X axis coinciding with the angle bisector;
X ', Y', Z 'coordinate system of the camera, where the Y' axis coincides with the projection of the optical axis of this camera onto a plane;
θ is the half angle between the projections of the optical axes onto the reference plane, and the sign of θ changes for the second camera.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются визирование стопы при измерении осуществляют со стороны носочной части и по бокам стопы таким образом, что проекции оптических осей телекамер на опорную плоскость образуют угол, вершина которого направлена в сторону пяточной части стопы и находится в точке, расположенной на проекции биссектрисы угла между оптическими осями камер на опорную плоскость, при этом стопу последовательно освещают из точек, расположенных на вертикалях между каждой камерой и опорной плоскостью, а пяточную часть стопы совмещают с заданной точкой, расположенной на проекции биссектрисы угла, причем координаты поверхности стопы получают из формул
X X'cos( π/2 θ) Y'sin( π/2 -θ);
Y X'sin( π/2 θ) + Y'cos( π/2 -θ);
Z Z', где X, Y, Z координатная система для описания поверхности стопы, имеющая центр в точке вершины угла между проекциями оптических осей камер на опорную плоскость, причем ось Z вертикальна к опорной плоскости, а ось X совпадает с биссектрисой угла;
X', Y' Z' координатная система телекамеры, где ось Y' совпадает с проекцией оптической оси данной камеры на плоскость;
θ- половина угла между проекциями оптических осей на опорную плоскость, причем знак θ меняется для второй камеры. Сходных признаков в известных аналогах не обнаружено.Significant differences of the proposed technical solution are the sight of the foot during measurement is carried out from the forefoot and on the sides of the foot in such a way that the projections of the optical axes of the cameras onto the supporting plane form an angle, the apex of which is directed towards the heel of the foot and is located at a point located on the projection of the bisector the angle between the optical axes of the cameras on the reference plane, while the foot is sequentially illuminated from points located vertically between each camera and the reference plane Strongly and heel of the foot is aligned with a predetermined point situated on the bisector of the projection angle and the coordinates of the foot surface is obtained from the formulas
X X'cos (π / 2 θ) Y'sin (π / 2 -θ);
Y X'sin (π / 2 θ) + Y'cos (π / 2 -θ);
Z Z ', where X, Y, Z is the coordinate system for describing the surface of the foot, having a center at the vertex of the angle between the projections of the optical axes of the cameras onto the reference plane, the Z axis being vertical to the supporting plane, and the X axis coinciding with the angle bisector;
X ', Y' Z 'coordinate system of the camera, where the Y' axis coincides with the projection of the optical axis of this camera on a plane;
θ is the half angle between the projections of the optical axes onto the reference plane, and the sign of θ changes for the second camera. No similar signs were found in the known analogues.

На фиг. 1, 2 и 3 изображена схема устройства, реализующего способ; на фиг. 4 схема расчета координат. In FIG. 1, 2 and 3 depict a diagram of a device that implements the method; in FIG. 4 scheme for calculating coordinates.

Устройство, реализующее способ, включает основание 1, служащее опорной плоскостью для измеряемой стопы 2, пяточный упор 3, две телекамеры 4 и расположенные под телекамерами осветители 5. Осветители 5 снабжены щелевыми диафрагмами 6 по числу плоских лучей. Телекамеры 4 включают оптическую систему (объектив) 7 и матричный фотоприемник 8. Осветители 5 содержат источник света 9 (линейная лампа), отражатель 10 цилиндрического типа и коллиматор 11 в виде цилиндрической линзы. Элементы осветителя формируют пучок параллельных лучей, которые формируются маской 6. Маска 6 имеет горизонтальные щелевые прорези, положение которых определяет высоту соответствующего луча Hi, где i номер плоского луча и щели. Телекамеры 4 расположены со стороны носочной части по бокам стопы симметрично относительно оси X, на которой находится пяточный упор 3 и которая является осью для базирования стопы. Оптические оси телекамер 4 пересекаются на вертикальной оси Z и образуют с ней угол a. Проекции оптических осей на опорную плоскость 1 составляют с осью X угол θ. Телекамеры 4 связаны с компьютером через согласующее устройство (адаптер), которые входят в состав устройства (на схеме не показаны). Связь телекамеры с адаптером и компьютером выполнена известным образом. A device that implements the method includes a base 1 that serves as a reference plane for the measured foot 2, a heel stop 3, two cameras 4 and illuminators 5 located under the cameras. The illuminators 5 are equipped with slotted diaphragms 6 according to the number of plane rays. The cameras 4 include an optical system (lens) 7 and an array photodetector 8. The illuminators 5 comprise a light source 9 (a linear lamp), a reflector 10 of a cylindrical type, and a collimator 11 in the form of a cylindrical lens. The illuminator elements form a beam of parallel rays, which are formed by mask 6. Mask 6 has horizontal slotted slits, the position of which determines the height of the corresponding beam Hi, where i is the number of the plane beam and the slit. The cameras 4 are located on the forefoot side on the sides of the foot symmetrically with respect to the X axis, on which the heel stop 3 is located and which is the axis for the base of the foot. The optical axis of the cameras 4 intersect on the vertical axis Z and form an angle a with it. The projections of the optical axes onto the reference plane 1 comprise an angle θ with the X axis. The cameras 4 are connected to the computer through a matching device (adapter), which are part of the device (not shown in the diagram). The connection of the camera with the adapter and the computer is made in a known manner.

Как видно из схемы устройства, ограничивающие положение стопы элементы 4 и 5 (осветители и камеры) к носочной части и не мешает положению стопы по сравнению с прототипом. Уменьшая угол θ, можно получить компоновку устройства, практически не ограничивающего положение человека. Опорная площадка с упором размещается вне измерительного устройства, но в поле зрения камер. Размещение осветителей 5 под телекамерами 4 обеспечивает оптимальное освещение при любой компоновке устройства, так как направление света совпадает с направлением проекции оптической оси на плоскость, при этом не образуется затенений даже при веерообразных плоских лучах (какие использованы в прототипе), что повышает надежность анализа изображения автоматической системой. Также более эффективно используется пространство кадра, что увеличивает точность отсчета. Ликвидируется мертвая зона в носочной части, так как обеспечивается перекрытие поля зрения камер. Наличие упора 3 позволяет точно определить положение пятки, несмотря на наличие мертвой зоны в пяточной части. Эта зона увеличивается при уменьшении угла θ и для восстановления формы в пяточной части и при измерении обхватов в голени следует применить интерполяцию споайном или дугой. Это возможно потому, что горизонтальные сечения поверхностей пятки и голени, попадающие в мертвую зоны, выпуклы и с высокой степенью симметрии. As can be seen from the device diagram, limiting the position of the foot elements 4 and 5 (illuminators and cameras) to the forefoot and does not interfere with the position of the foot compared with the prototype. By decreasing the angle θ, it is possible to obtain a layout of a device that practically does not limit a person’s position. The reference platform with emphasis is placed outside the measuring device, but in the field of view of the cameras. The placement of illuminators 5 under the cameras 4 provides optimal illumination for any arrangement of the device, since the direction of light coincides with the direction of projection of the optical axis onto the plane, and no shading is formed even with fan-shaped flat rays (which are used in the prototype), which increases the reliability of automatic image analysis system. The frame space is also used more efficiently, which increases the reading accuracy. The dead zone in the forefoot is eliminated, since the overlapping of the field of view of the cameras is ensured. The presence of the stop 3 allows you to accurately determine the position of the heel, despite the presence of a dead zone in the heel. This zone increases with decreasing angle θ and to restore shape in the heel and when measuring the girth in the lower leg, interpolation with a spain or arc should be applied. This is possible because the horizontal sections of the surfaces of the heel and lower leg falling into the dead zone are convex and with a high degree of symmetry.

Таким образом, предлагаемый способ в сравнении с прототипом позволяет обеспечить при незначительном усложнении расчетов удобство при измерении стопы, улучшить точность и упростить устройство (прежде всего осветитель). Удаленность от стопы элементов измерительного устройства облегчает установку стопы по базовым осям, что также повышает точность. Thus, the proposed method in comparison with the prototype allows to provide, with a slight complication of calculations, convenience in measuring the foot, improve accuracy and simplify the device (primarily the illuminator). The distance from the foot of the elements of the measuring device facilitates the installation of the foot along the basic axes, which also increases accuracy.

Измерение координат поверхности стопы производят следующим образом. Стопа 2 устанавливается по оси X и прижимается к пяточному упору 3. Под управлением компьютера (при запуске программы измерения) включается один из осветителей 5 и производится запись координат изображения с расположенной над ним камеры в память компьютера. После этого производится такая же процедура для другой пары осветителя и камеры. The measurement of the coordinates of the surface of the foot is as follows. Stop 2 is installed along the X axis and pressed against the heel stop 3. Under the control of the computer (when the measurement program starts), one of the illuminators 5 is turned on and the image coordinates from the camera located above it are recorded in the computer memory. After that, the same procedure is performed for another pair of illuminator and camera.

Для каждой камеры производится расчет поверхности в собственных координатах X', Y' Z', которые отличаются от координат измерения стопы X, Y, Z разворотом вокруг оси Z на угол π/2-θ. Оси Z и Z' совпадают. For each camera, the surface is calculated in its own coordinates X ', Y' Z ', which differ from the coordinates of the measurement of the foot X, Y, Z by a rotation around the Z axis by an angle π / 2-θ. Axes Z and Z 'coincide.

Расчет координат точки поверхности производят следующим образом. The calculation of the coordinates of the surface point is as follows.

Пусть на фиг. 2 изображена точка С поверхности стопы 2 и ее изображение на матрице 8 и двух проекциях с координатами n и m от центра матрицы 8. Изображение строится с помощью оптической системы 7, оптическая ось которой FFo пересекает ось OZ под углом a. Точка С принадлежит световой плоскости h, перпендикулярной оси OZ' и имеющей известную координату по оси Z. Также известны и кроме того неизменны отрезки FFo (обозначим f), MFo (обозначим М), JF' и угол b. Известный отрезок O'h, отсекаемый световой плоскостью, обозначим h. Координаты точки С есть O'Y', которые определим как
O'Y' O'F Y'F, где Y'F h/tgb'
Определим угол b' b ±Δb, где tg (Δb) m/f
Таким образом, определение координаты Y' сводится к определению tgb'
tgb′ tg(b± Δb)

Иногда расчет проще вести, используя вместо тангенсов угла соответствующие отношения геометрических отрезков
O′Y′= O′F′- h

Здесь переменна только величина m, а при смене светового сечения и величина h. По величине h определяют координату X
X' Y'F tgj, т.е. отыскание угла j дает координату X, так как величина
Y′F h

уже известна.Let in FIG. 2 shows the point C of the surface of the foot 2 and its image on the matrix 8 and two projections with coordinates n and m from the center of the matrix 8. The image is constructed using the optical system 7, the optical axis of which FFo intersects the OZ axis at an angle a. Point C belongs to the light plane h, perpendicular to the axis OZ 'and having a known coordinate along the Z axis. The segments FFo (denoted by f), MFo (denoted by M), JF' and angle b are also known and unchanged. The known segment O'h, cut off by the light plane, is denoted by h. The coordinates of point C are O'Y ', which we define as
O'Y 'O'F Y'F, where Y'F h / tgb'
We define the angle b 'b ± Δb, where tg (Δb) m / f
Thus, the determination of the coordinate Y 'is reduced to the determination of tgb'
tgb ′ tg (b ± Δb)

Sometimes it’s easier to carry out the calculation using the corresponding ratios of geometric segments instead of the tangents of the angle
O′Y ′ = O′F′- h

Here, only the value of m is variable, and when the light section changes, the value of h. The value of h determines the coordinate X
X 'Y'F tgj, i.e. finding the angle j gives the coordinate X, since the quantity
Y′F h

already known.

Для определения угла j используем формулу:
tgj h/Fm', где Fm' проекция луча Fm на ось O'M.To determine the angle j, we use the formula:
tgj h / Fm ', where Fm' is the projection of the ray Fm onto the axis O'M.

Из треугольника mm'M находим
Fm' FM m'M FM mM/cos a, где только m переменная величина.From the triangle mm'M we find
Fm 'FM m'M FM mM / cos a, where only m is a variable.

Таким образом, зная величины m, n, h, можно найти координаты X', Y', Z' для любой точки С. Для компенсации погрешностей вычислений можно использовать метод тарировки. Thus, knowing the values of m, n, h, it is possible to find the coordinates X ', Y', Z 'for any point C. To compensate for calculation errors, the calibration method can be used.

Таким образом, достигается повышенная точность измерения за счет улучшения условий измерения носочно-пучковой части стопы, где сосредоточена основная антропометрическая информация. Также повышается удобство в измерении, так как элементы измерительного устройства отнесены от зоны размещения стопы. Thus, improved measurement accuracy is achieved by improving the measurement conditions of the forefoot-bundle part of the foot, where the main anthropometric information is concentrated. The measurement convenience is also improved, since the elements of the measuring device are allocated from the foot placement zone.

Claims (1)

СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТОПЫ, заключающийся в установке стопы на опорной площадке, освещении поверхности стопы плоскими лучами света, получении изображения следа этих лучей раздельно для внешней и внутренней боковых поверхностей стопы двумя телекамерами, оптические оси которых направлены под острыми углами к опорной плоскости и к плоским лучам, и определении пространственной формы поверхности по положению изображения лучей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и удобства при измерении путем размещения опорной площадки в отдалении от элементов измерительного узла, визирование стопы осуществляют со стороны носочной части и по бокам стопы телекамерами, развернутыми к пяточной части стопы так, что проекции оптических осей телекамер на опорную плоскость образуют угол, вершина которого направлена в сторону пяточной части стопы и находится в точке, расположенной на проекции биссектрисы угла между оптическими осями камер на опорную плоскость, а пяточную часть стопы совмещают с помощью пяточного упора с заданной точкой отсчета, расположенной на проекции биссектрисы угла, причем координаты поверхности стопы получают из формул:
X = X′·cos(π/2-θ)-Y′·sin(π/2-θ);
Y = X′·sin(π/2-θ)+Y′·cos(π/2-θ);
Z=Z′,
где X, Y, Z координатная система для описания поверхности стопы, имеющая центр на точке вершины угла между проекциями оптических осей камер на опорную плоскость, причем ось Z вертикальна к опорной плоскости, а ось X совпадает с биссектрисой угла;
X′, Y′, Z′ координатная система телекамеры, где ось совпадает с проекцией оптической оси данной камеры на опорную плоскость;
θ половина угла между проекциями оптических осей на опорную плоскость, причем знак q меняется для второй камеры,
при этом стопу освещают из точек, расположенных на вертикалях между каждой камерой и опорной плоскостью.METHOD OF CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE STOP SURFACE, which consists in installing the foot on the supporting platform, illuminating the surface of the foot with flat light rays, obtaining an image of the track of these rays separately for the outer and inner side surfaces of the foot with two cameras whose optical axes are directed at sharp angles to the supporting plane and to the flat rays, and determining the spatial shape of the surface by the position of the image of the rays, characterized in that, in order to improve accuracy and convenience when measuring by placed If the reference platform is located far from the elements of the measuring unit, the foot is sighted from the forefoot and to the sides of the foot with cameras deployed to the heel of the foot so that the projections of the optical axes of the cameras onto the support plane form an angle whose apex is directed towards the heel of the foot and located at the point located on the projection of the bisector of the angle between the optical axes of the cameras on the reference plane, and the heel of the foot is combined with the heel stop with a given reference point, located hydrochloric projection on the bisector of the angle, and the coordinates of the foot surface is obtained from the formulas:
X = X ′ cos (π / 2-θ) -Y ′ sin (π / 2-θ);
Y = X ′ sin (π / 2-θ) + Y ′ cos (π / 2-θ);
Z = Z ′,
where X, Y, Z coordinate system for describing the surface of the foot, having a center at the vertex of the angle between the projections of the optical axes of the cameras on the reference plane, the Z axis being vertical to the supporting plane, and the X axis coinciding with the angle bisector;
X ′, Y ′, Z ′ coordinate system of the camera, where the axis coincides with the projection of the optical axis of the camera on the reference plane;
θ half the angle between the projections of the optical axes onto the reference plane, and the sign of q changes for the second camera,
while the foot is illuminated from points located vertically between each camera and the reference plane.

Images