人體足部激光三維掃描系統研制

應用物理學論文編號:WLX003  論文字數:27001,頁數:62

目    錄

第一章 緒論 1
1.1 人體足部測量 1
1.1.1 足部三維測量的應用 1
1.1.2 足部的非接觸式測量方法 2
1.2 足部掃描技術的國內外研究狀況 5
1.3 課題背景和論文主要工作 6
第二章 足部激光掃描系統原理 8
2.1 激光三角法原理 8
2.2 攝像機模型 9
2.3 本章小結 12
第三章 系統的硬件和軟件設計 13
3.1 足部掃描系統總體設計 13
3.1.1 系統技術指標 13
3.1.2 系統總體結構 13
3.2 圖像采集系統設計 14
3.2.1 傳感器設計 14
3.2.2 圖像采集卡的選擇 17
3.3 同步運動系統設計 17
3.4 機械結構設計 18
3.5 控制系統程序設計 20
3.5.1 圖像采集控制 20
3.5.2 同步運動控制 21
3.5.3 控制程序設計 21
3.6 本章小結 23
第四章 掃描系統標定研究 24
4.1 攝像機標定及實驗 24
4.1.1 概述 24
4.1.2 平面靶標設計 25
4.1.3 棋盤格角點檢測方法 26
4.1.4 角點檢測實驗 27
4.1.5 攝像機標定 31
4.1.6 角點檢測結果評價 31
4.2 系統標定及實驗 32
4.2.1 標定靶設計 33
4.2.2 標定算法 35
4.2.3 系統標定實驗及結果 37
4.3 本章小結 39
第五章 系統調試和實驗 40
5.1 系統搭建和調試 40
5.1.1 系統搭建 40
5.1.2 系統調試 41
5.2 掃描實驗 41
5.2.1 光帶中心提取 41
5.2.2 人腳模型掃描實驗 42
5.2.3 標準金屬塊掃描實驗 44
5.3 本章小結 48
第六章 總結與展望 49
6.1 工作總結 49
6.2 對于后續工作的建議 49
參考文獻 50
發表論文和參加科研情況說明 54
致    謝 55

摘 要

 本文采用基于激光三角法原理的結構光照明方式設計了一套針對人體足部的激光三維掃描系統，對系統的關鍵技術進行了研究，成功研制出人體足部激光掃描系統樣機。主要工作如下：
 1、在查閱國內外相關文獻的基礎上，分析了基于激光三角法的足部激光三維掃描系統原理，推導了基于攝像機模型的足部表面輪廓點與對應光帶像素點的映射關系。
 2、設計了掃描系統的總體結構，包括圖像采集系統、同步運動系統和機械結構，并編寫了調試控制程序，實現了圖像采集系統與運動系統的同步運行。
 3、對足部激光掃描系統進行了標定，包括攝像機標定和系統全局標定。采用黑白棋盤格標定靶和張正友算法標定了攝像機內部參數；設計了精密的細絲標定靶，在攝像機標定的基礎上，采用直接線性變換方法，得到世界坐標與像素坐標之間的變換矩陣，從而完成了足部激光掃描系統的全局標定。
 4、對掃描系統安裝調試后，進行了人腳模型掃描實驗和標準金屬塊掃描實驗。分析點云截面，得到長度方向、高度方向、寬度方向的相對測量誤差小于0.6%。系統技術指標達到：掃描范圍：360mm×120mm×160mm（長度×高度×寬度），典型分辨率：1mm×0.2mm×0.3mm（長度×高度×深度）。

關鍵詞： 人體足部掃描 激光掃描 全局標定 三維數字化

ABSTRACT
Basing on laser triangulation principle and structured illumination, this dissertation designed a set of laser 3-D scanning system for foot, studied the key technology of this system, and successfully developed the prototype of foot laser scanning system. The main work includes:
After consulting relative references domestic and abroad, the principle of the scanning system based on laser triangulation principle is analyzed. Basing on the camera model, the mapping relationship between the surface profile points of foot and the corresponding pixel points of light band is deduced.
The general structure is designed which includes image capture system, synchronous motion system and mechanical structure. The debug and control program is completed which realized the synchronous running of the image capture system and motion system.
The calibration of foot laser scanning system is implemented, including the camera calibration and global calibration. A black-white chessboard calibration target and Zhang Zhengyou’s algorithm are adopted to calculate the intrinsic parameters of cameras. Basing on these, an accurate filament calibration target is designed to calculate the transformation matrix between world coordinates and pixel coordinates by DLT method so as to complete the global calibration of the foot laser scanning system.
After the installation and adjustment of scanning system, the scanning tests on the foot model and standard metal block were completed. Analysis on the section of point cloud shows that the relative measurement error in the length direction, height direction and depth direction is less than 0.6%. The technical indexes reach that: scanning range of 360mm×120mm×160mm(length×height×width), typical resolution of 1mm×0.2 mm×0.3mm(length×height×depth).

KEY WORDS：human foot scanning, laser scanning, global calibration, 3D digitalization