三維足部掃描中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝超杰

摘 要：隨著激光技術(shù)的發(fā)展，基于幾何光學(xué)的激光三角法逐漸得到廣泛應(yīng)用。激光三角法的基本原理是讓激光器發(fā)出的激光投射在被測(cè)曲面上，用CCD攝像機(jī)采集光帶被曲面調(diào)制后的圖像，進(jìn)而通過(guò)對(duì)光帶的特征分析提取出被測(cè)物體的形狀、尺寸等表面輪廓信息。這種方法掃描速度快、精度高、無(wú)損且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且可以通過(guò)軟件的方法進(jìn)行調(diào)整處理，是一種可靠的非接觸式測(cè)量方法，廣泛應(yīng)用于三維數(shù)字化以及測(cè)量領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：三維足部掃描 激光三角法 三維數(shù)字化

前 言：三維足部掃描儀是一款高科技立體腳型測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備集合了光學(xué)、機(jī)械、電子領(lǐng)域的新興技術(shù)。利用激光平面光對(duì)腳進(jìn)行光切，在腳的某一個(gè)截面上形成封閉光帶，用三個(gè) CCD 攝像機(jī)對(duì)截面光帶成像，可一次獲得腳的某一個(gè)截面的二維輪廓信息，再沿光切的垂直方向步進(jìn)測(cè)量，就可以得到腳的整個(gè)三維曲面信息[1]。

一、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

足部掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)為：掃描范圍、分辨率、掃描時(shí)間。

分辨率是評(píng)價(jià)掃描系統(tǒng)精度的重要參數(shù)，分辨率越高越能真實(shí)反映物體表面的細(xì)節(jié)，但也會(huì)對(duì)CCD攝像機(jī)提出更高的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，掃描時(shí)間變長(zhǎng)，因此需要合理選擇。定義傳感器獲取圖像中每一像素代表的實(shí)際距離為系統(tǒng)的分辨率。由于被測(cè)物體距傳感器的遠(yuǎn)近會(huì)對(duì)分辨率產(chǎn)生影響，因此只能給出系統(tǒng)在典型位置處的分辨率，稱(chēng)為典型分辨率。定義系統(tǒng)測(cè)量的典型位置為距離人腳中心線左右各40mm處的兩個(gè)豎直平面。在典型位置處，傳感器獲得的圖像最為清晰，而在此位置內(nèi)外，則靠鏡頭的景深來(lái)調(diào)節(jié)。

對(duì)比國(guó)外足部掃描系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)于人體足部數(shù)據(jù)測(cè)量[2-6]的考慮，提出了這樣的技術(shù)指標(biāo)：

掃描范圍：290mm*140mm*160mm（長(zhǎng)度*高度*寬度）

典型分辨率：0.1mm*0.2mm*0.3mm（長(zhǎng)度*高度*深度）

掃描時(shí)間的提出主要考慮縮短人體足部保持固定姿態(tài)的時(shí)間，所以掃描時(shí)間要在硬件條件允許的前提下盡量短，因此提出掃描時(shí)間為12s，對(duì)應(yīng)的掃描速度為30mm/s。同時(shí)，掃描儀器的空間尺寸盡可能小，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體高度不超過(guò)350mm，寬度300mm左右。

下面將根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，對(duì)光路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足提出的技術(shù)指標(biāo)。

二、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的光路設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)主要利用光學(xué)的反射和折射原理來(lái)設(shè)計(jì)光路，在保證光程的基礎(chǔ)上縮小所需空間，對(duì)于左側(cè)和右側(cè)的激光器，激光器經(jīng)過(guò)一次反射打在被掃描的物體表面，左側(cè)和右側(cè)的CCD的接收則是有兩路光路，將一個(gè)CCD分成兩部分，得到兩部分圖片，用以代替激光三角法中的兩個(gè)CCD。下側(cè)激光器采用的是兩次反射，CCD采用的是和左右兩側(cè)相同的設(shè)計(jì)思路。

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，將激光器，CCD和反射鏡結(jié)合在一起，既不影響攝像頭的信息采集，保證儀器的正常工作，又能極大的減小儀器的整體尺寸。

三、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的硬件選取

（一）傳感器的選取

圖像采集系統(tǒng)的核心是傳感器，包括CCD和激光器，它們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中的位置關(guān)系由提出的技術(shù)指標(biāo)決定。

1、CCD的選擇

對(duì)于CCD的選擇，有如下考慮點(diǎn)：

（1）采集足部的外形輪廓信息，只需使用黑白圖像。

（2）像面尺寸和視場(chǎng)角能滿足掃描范圍和分辨率的要求。

（3）重量輕，減少系統(tǒng)的負(fù)載。

筆者建議可以選取深圳度申科技有限公司的微型全色相機(jī)M2S500M-H。

2.腳面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)

對(duì)腳面的掃描采用安裝在左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)掃描臂上的兩組傳感器完成。針對(duì)于平行于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，距離中心線左右各40mm的兩條虛線是設(shè)定的分辨率的典型位置，代表兩個(gè)垂直于紙面的平面。以某一個(gè)CCD為例，在典型位置處，要達(dá)到的高度方向掃描范圍是120mm，即以點(diǎn)N為中心并垂直于紙面的距離，而CCD需要放置在掃描高度方向上60mm處的位置。那么根據(jù)CCD在該方向上的視場(chǎng)角為42°，計(jì)算得到CCD到典型位置的距離為PN =156.3mm[7]。

對(duì)于腳的寬度方向，CCD在該方向上的視場(chǎng)角為∠APB =32°。仍以CCD4為例，在典型位置處，需要達(dá)到的范圍是掃描寬度的一半：80mm，則BN ≧40mm；取AB =100mm，計(jì)算得BN =43.5mm，CCD攝像機(jī)與激光器的夾角為θ=∠BNP=65.8°。同時(shí)，d1=LN =64mm； h1=LP =142mm；l1=QN =PN =156.3mm。

對(duì)腳底的掃描采用一組傳感器。垂直于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。以CCD為例，在腳底面上需要達(dá)到的掃描寬度是160mm， CCD在該方向上的視場(chǎng)角為∠ARB=42°，求得OR =208.4mm 。通過(guò)分析CCD在高度方向上的視場(chǎng)角為∠MPN=32°，讓CCD攝像機(jī)與激光器的夾角與腳面?zhèn)鞲衅鹘M中CCD與激光器的夾角保持一致，即θ=∠MOR=65.8°。計(jì)算得d2=DR =85mm， h2=OH =190mm。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)可以看出我們?cè)O(shè)計(jì)的足部掃描儀需要3個(gè)激光器和3個(gè)CCD攝像機(jī)，大大減輕了儀器的生產(chǎn)成本和外形尺寸。

（二）激光器的選擇

光源的擴(kuò)束方法有三種：

凸透鏡。這種擴(kuò)束方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是兩端是弧形的，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；波浪棱鏡式。這種擴(kuò)束方法的優(yōu)點(diǎn)是中間部分光束比較集中，缺點(diǎn)是單線的兩端是不連續(xù)的一系列點(diǎn)，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；鮑威爾棱鏡[8]（Powell Lenses）： 鮑威爾棱鏡是一種光學(xué)劃線棱鏡，它使激光束通過(guò)后可以最優(yōu)化地劃成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的一條直線。鮑威爾棱鏡劃線優(yōu)于柱面透鏡的劃線模式，能消除高斯光束的中心熱點(diǎn)和褪色邊緣分布。

考慮激光器發(fā)出的光在豎直平面內(nèi)距離激光器LN = 64mm處要有足夠的寬度覆蓋豎直高度140mm的范圍（140mm為掃描為掃面范圍）；同時(shí)，激光束在豎直方向的高度不應(yīng)僅僅與掃描臺(tái)面相切，而且要向下多留一些余量，便于與腳底的激光束形成完整的閉合光帶；并要求光束較細(xì)，光線強(qiáng)度穩(wěn)定。

綜上所述，我們選擇了西安赫胥爾鐳得激光科技有限公司的藍(lán)光線光源激光器，主要技術(shù)指標(biāo)為：

光扇角：60度；線寬：0.3mm；波長(zhǎng)：475nm；額定功率15毫瓦；工作電壓5V。

根據(jù)激光發(fā)散角求出過(guò)點(diǎn)N的高度方向上光束長(zhǎng)度為152.5mm> 120mm，滿足掃描范圍的要求。

選擇藍(lán)光的原因重要根據(jù)CCD相機(jī)的感光度有關(guān)。根據(jù)所使用相機(jī)的感光度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖可以知道，感光度曲線出現(xiàn)波峰時(shí)光的波長(zhǎng)在475nm左右，因此選擇藍(lán)光（475-496nm），此時(shí)相機(jī)有較好的感光度，可以使得光圈更小，這對(duì)于排除雜光的干擾有很大的作用。

結(jié)語(yǔ)：基于激光掃描原理的三維足部掃描儀的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，操作便捷等優(yōu)勢(shì)，將會(huì)給人工測(cè)量帶來(lái)極大的方便，同時(shí)也能夠進(jìn)行醫(yī)療方面的矯形鞋定制、假肢生產(chǎn)，包括足療機(jī)構(gòu)、醫(yī)學(xué)診斷等。除此之外，現(xiàn)在消費(fèi)者越來(lái)越追求高品質(zhì)的生活，追求個(gè)性化，定制化服務(wù)的市場(chǎng)越來(lái)越大，所以三維足部掃描儀將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//www.baike.com。

[2]丘理，中國(guó)人群腳型規(guī)律的研究（之一）一一中國(guó)成人腳型基本規(guī)律，中國(guó)皮革，2005： 135-139

[3]徐軍，陶開(kāi)山，人體工程學(xué)概論，北京：中國(guó)紡織工業(yè)出版社，2002

[4]辛華泉，人類(lèi)工程設(shè)計(jì)，武漢：湖北美術(shù)出版社，2006

[5]徐磊青，人體工程學(xué)與環(huán)境行為學(xué)，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006

[6]阿爾文·R·蒂利，亨利·德賴弗斯事務(wù)所，人體工程學(xué)圖解設(shè)計(jì)中的人體因素（朱濤譯），北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998

[7]邱實(shí)，《人體足部激光二維掃描系統(tǒng)研制》

[8]http：//baike.baidu.com。