專利名稱：壓痕泡沫數(shù)字掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于獲得并掃描足部足底面壓痕的系統(tǒng)。本公開還涉及一種用于 獲得并掃描足部足底面壓痕輪廓的系統(tǒng)，其使用自持式的激光掃描技術(shù)數(shù)字化用于制造矯 正器的壓痕輪廓。本公開還涉及一種用于獲得并掃描足部足底面壓痕的系統(tǒng)，其使用減少 了被掃描圖像的像差及失真的校準(zhǔn)板。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)地，用于捕捉足部足底面的三維(3-D)形狀或輪廓的設(shè)備需要填充有石膏的 泡沫壓痕。這種石膏用于生產(chǎn)病人的受治療的足部的模型。之后能夠使用針式數(shù)字化儀或 激光掃描儀測(cè)量模型以精確地產(chǎn)生用于制造矯正器的足部足底面的圖像。使用石膏的系統(tǒng) 不方便，需要大量步驟并且費(fèi)時(shí)。而不需要石膏的激光掃描系統(tǒng)通常不是自持的或有效的。已知使用三維(3-D)輪廓的光學(xué)數(shù)字化的系統(tǒng)，其使用用于三角測(cè)量的與光源耦 聯(lián)的相機(jī)。典型地，光源是結(jié)構(gòu)化的或束狀的；束狀光源將包括以規(guī)定入射角投影至相機(jī) 視場(chǎng)內(nèi)的物體上的激光線。光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng)典型地被校準(zhǔn)以將觀測(cè)線位置映射為等高線數(shù) 據(jù)。將預(yù)定的幾何物體放置在相機(jī)視場(chǎng)中并將圖像中的各點(diǎn)映射至物體上的已知位置能夠 實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。將記錄的圖像數(shù)據(jù)與視場(chǎng)中物體的已知幾何形狀相比以確定幾何值并將其分配 給相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)中的觀測(cè)位置。以這種方式，系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何從相機(jī)圖像中的點(diǎn)位置導(dǎo)出 幾何數(shù)據(jù)。也就是，校準(zhǔn)數(shù)字化系統(tǒng)。上述概念具有多種變體。例如，一種變體使用布置在光源與將要掃描的表面之間 的校準(zhǔn)板。穿過(guò)校準(zhǔn)板的光在將要掃描的表面上形成圖案，如線陣列、網(wǎng)格圖案、點(diǎn)等?？?替換地，數(shù)字化系統(tǒng)可使用極軸而不是線性軸以便于將被測(cè)量的物體傳輸通過(guò)相機(jī)的視場(chǎng) 及結(jié)構(gòu)化的光源。這種系統(tǒng)經(jīng)常有涉及通過(guò)相機(jī)看到的圖像的像差及失真，以及由于反射 的距離以及角度造成的亮度不一致的問題。已知上述的使用基本光學(xué)數(shù)字化的系統(tǒng)。然而，迄今為止，這種系統(tǒng)大，建設(shè)昂貴 并且操作費(fèi)時(shí)。這種及其它缺點(diǎn)將激光掃描技術(shù)的應(yīng)用限制在花費(fèi)及尺寸不是相對(duì)重要因 素的應(yīng)用中，如，高端醫(yī)療應(yīng)用及服務(wù)局等應(yīng)用。其它技術(shù)可用于測(cè)量將要測(cè)量物體如足部的底面的幾何形狀。這些技術(shù)包括(1) 接觸式數(shù)字化，其中以已知間隔隔開的量針在足部下被向上迫壓并周期性地采集輪廓，以 及(2)光學(xué)三角測(cè)量，其中已知特征的輻射投影到受治療的足部上，使得當(dāng)輻射接觸足部 時(shí)所產(chǎn)生的輻射形狀由傳感器，典型地為相機(jī)，觀測(cè)到。處理器用于評(píng)估觀測(cè)到的圖像以確 定被測(cè)量的物體(例如，足部)的輪廓數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)玫降臄?shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是專用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，接觸式數(shù)字化通常是優(yōu)選的獲得足部底面的 方法。當(dāng)測(cè)量時(shí)接觸式數(shù)字化儀支撐足部。支撐足部允許進(jìn)行完全負(fù)重測(cè)量，而不會(huì)使足 部完全塌陷在掃描儀的平的上表面上。當(dāng)施加重量時(shí)，這產(chǎn)生了捕捉足部延伸的支持?jǐn)?shù)據(jù)集。激光掃描儀在掃描機(jī)構(gòu)與被測(cè)量的主體之間具有透明板。在測(cè)量足部的情況下，如果足部懸掛在玻璃板上方，由掃描儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與足部形狀相匹配。然而，這種技術(shù)需要 被測(cè)量的足部處于無(wú)重負(fù)的位置。從處于無(wú)重負(fù)位置的足部獲得的輪廓數(shù)據(jù)不是非常合意 的，因?yàn)樵谛凶叩倪^(guò)程中，當(dāng)重量施加于足部上時(shí)，足部的尺寸可能擴(kuò)大很多并且可能擴(kuò)大 一半。由無(wú)重負(fù)測(cè)量產(chǎn)生的輪廓將過(guò)度支撐足部并引起不適。但是，如果足部放置在透明 板上以模擬足部的負(fù)重，受治療的足部的底面完全是平的。這產(chǎn)生了不適且不自然、失真的 形狀。激光掃描儀也具有多個(gè)與將足部放置在透明板上相關(guān)聯(lián)的其它問題，如(1)起 霧，如果足部沒有完全干，在玻璃上產(chǎn)生霧，這傾向于達(dá)不到足部的測(cè)量精度因?yàn)殪F至少部 分地模糊了受治療的足部的形狀；以及(2)由于受治療的足部缺乏對(duì)比而引起的表面折 射，這是由于，例如，放置在透明玻璃板上的裸足具有淺的膚色，當(dāng)玻璃板接觸足部時(shí)，這分 散了投影的輻射。投影光在主體內(nèi)部分散。之后，它通過(guò)透明板折射回。當(dāng)輻射擴(kuò)散時(shí)，這 產(chǎn)生了模糊的輻射觀測(cè)如上所述，相應(yīng)地，需要一種結(jié)合激光掃描系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的獲得足部足底面壓痕的系 統(tǒng)。這種系統(tǒng)在從用于捕捉足部壓痕的任何種類的媒介中采集數(shù)據(jù)方面將具有類似功效。還存在可替換的媒介，即，使用泡沫獲得足部特別是足部足底面的壓痕。一種這類 常見的可替換的媒介是襪鑄型，通常被稱為“拖鞋鑄型”。這種技術(shù)涉及將足部包在在啟用 時(shí)硬化的澆注料中。一旦硬化，鑄型被切割并且從足部移除。移除鑄型的上部之后產(chǎn)生足 部壓痕。那時(shí)，它能夠使用掃描儀對(duì)泡沫壓痕進(jìn)行相同地處理。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供了一種校準(zhǔn)改進(jìn)的壓痕掃描系統(tǒng)，其具有外殼以及已知幾何形狀的校 準(zhǔn)板。在所述校準(zhǔn)板上具有多個(gè)不同形狀。該系統(tǒng)還具有用于向板上的形狀發(fā)出輻射的輻 射源，以及用于反射由輻射在形狀上產(chǎn)生的圖像的表面。還提供了當(dāng)板相對(duì)于外殼移動(dòng)時(shí) 用于接收形狀的圖像的傳感器。處理器將板的已知幾何形狀與由傳感器接收的圖像相比較 并且基于已知幾何形狀及圖像校準(zhǔn)傳感器以減少系統(tǒng)像差及失真。一種校準(zhǔn)改進(jìn)的用于捕捉壓痕的掃描系統(tǒng)，包括已知幾何值的物體，所述物體上 具有多個(gè)不同形狀；以及用于向多個(gè)不同形狀發(fā)出輻射的輻射源。該系統(tǒng)還提供了用于反 射多個(gè)不同形狀的圖像的表面，以及用于捕捉多個(gè)不同形狀的反射圖像并用于輸出與多個(gè) 不同形狀的圖像相應(yīng)的數(shù)據(jù)的傳感器。處理器將輸出數(shù)據(jù)與物體的已知幾何值相比并存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)與值之間的差以最小化被掃描物體的像差。一種測(cè)量壓痕輪廓的方法，包括如下步驟使用在其上具有多個(gè)不同形狀的板校 準(zhǔn)傳感器以導(dǎo)出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及將物體放置在媒介中以獲得所述物體的壓痕。該方法還包括 使用從輻射源發(fā)出的輻射掃描壓痕并在掃描期間，感測(cè)來(lái)自壓痕的反射光；以及使用從傳 感器的校準(zhǔn)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)計(jì)算代表壓痕輪廓的空間值。


通過(guò)參考下文說(shuō)明并結(jié)合附圖，將理解本發(fā)明的其它或進(jìn)一步的益處、優(yōu)點(diǎn)以及 特征，其中類似的參考數(shù)字指示類似的結(jié)構(gòu)元件，并且圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的立體圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1系統(tǒng)沿2-2線的剖視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1系統(tǒng)沿3-3線的剖視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1系統(tǒng)沿4-4線的剖視圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖；圖6示出了本發(fā)明的系統(tǒng)當(dāng)抽屜處于伸展位置時(shí)的立體圖；以及 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的圖3的校準(zhǔn)板的視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種新穎的用于激光掃描的結(jié)構(gòu)。這里所描述的實(shí)施方式旨在說(shuō)明 該結(jié)構(gòu)而不是全面、詳盡地列出本發(fā)明所有可能的實(shí)施方式。本發(fā)明優(yōu)選地使用廉價(jià)的組件及技術(shù)。這些包括，例如，商品相機(jī)，如那些與個(gè)人 電腦一起使用的相機(jī)(即，數(shù)碼相機(jī))。這種相機(jī)相對(duì)廉價(jià)并且設(shè)計(jì)為易于與電腦連接。在本發(fā)明的說(shuō)明性及示例性應(yīng)用中使用的相機(jī)能夠是商用的“網(wǎng)絡(luò)攝像頭”。相機(jī) 使用USB，串行的，或其它(優(yōu)選為標(biāo)準(zhǔn)化)接口連接于個(gè)人電腦。相機(jī)優(yōu)選地裝備有通帶 濾波器。該濾波器能夠是帶通、高通或低通濾波器以使結(jié)構(gòu)化發(fā)射源的輻射(例如，光線) 的所需光譜通道能夠穿過(guò)至相機(jī)，但是濾去很大程度的可能進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)的其它發(fā)射。例 如，相機(jī)能夠裝備濾波器以濾去可能進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)的環(huán)境光。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，結(jié)構(gòu)化發(fā)射源由在激光的發(fā)射端具有凸的塑料透鏡的激 光二極管提供。透鏡使激光發(fā)射沿軸線向外傳播以在與激光發(fā)射相交的表面上產(chǎn)生線。激 光二極管相對(duì)廉價(jià)并且被廣泛使用。本發(fā)明優(yōu)選地與標(biāo)準(zhǔn)電腦接口以及通信協(xié)議兼容并且使用它們，從而便于連接于 商用電腦及其它使用標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議的處理外設(shè)。USB接口是一種這樣的接口，因?yàn)樗?普遍的，并且需要很少或是不需要特殊技能就可以連接。連接的容易性使本發(fā)明更加有益。 USB接口促進(jìn)具有USB接口的現(xiàn)成產(chǎn)品的商用數(shù)碼相機(jī)的使用。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，接口設(shè)計(jì)為使USB連接能夠用于控制本發(fā)明的緊湊型光 學(xué)輪廓數(shù)字化儀的其它功能。本發(fā)明的該方面有助于本發(fā)明的低成本維護(hù)并改進(jìn)了本發(fā)明 的適用性及可靠性。本發(fā)明的控制電子方面提供沿軸運(yùn)動(dòng)的控制，輻射源的控制，定位控制，以及用于 照明標(biāo)的物并數(shù)字化其輪廓的投影裝置的控制。投影裝置允許標(biāo)的物的直接成像，以及輪 廓測(cè)量。得到標(biāo)的物的度量需要直接成像。在方面的一個(gè)方面中，度量用于確定足部(或 其它任何被測(cè)量的標(biāo)的物)的長(zhǎng)度及寬度。如上所述，由于當(dāng)受力時(shí)足部擴(kuò)大，測(cè)量無(wú)重負(fù)的足部不能提供完全捕捉足部輪 廓所需的全套數(shù)據(jù)。而且，將足部放置在掃描儀的玻璃板上會(huì)引起其它問題(例如，起霧及 足部過(guò)度平坦)。但是為了，例如，制造定制矯形支撐，期望完全明白受力足部的輪廓。圖1中示出的實(shí)施方式是設(shè)計(jì)為測(cè)量人體足部足底面形狀的輪廓數(shù)字化儀。為了 制作足部的矯形器，本發(fā)明的這種特別應(yīng)用使用數(shù)字化儀測(cè)量足部。參考附圖并且，具體地，參考圖1至圖3，分別示出了根據(jù)本發(fā)明的掃描系統(tǒng)的立 體圖以及剖視圖，通常使用參考數(shù)字10指代掃描系統(tǒng)。系統(tǒng)10具有外殼12，其包括一對(duì) 傳感器，例如，相機(jī)15 ；—對(duì)反射面，如，反射鏡20 ；以及一對(duì)用于放出輻射的輻射源。輻射源優(yōu)選地是激光線發(fā)生器25。激光線發(fā)生器25各自包括在發(fā)射端具有凸的塑料透鏡的激 光二極管。透鏡使激光發(fā)射沿軸線向外傳播以在校準(zhǔn)板或壓痕上產(chǎn)生線27，這將在下文論 述。本公開特別適用于為了制作足部矯形器而測(cè)量足部足底面。盡管輻射源示出為激光 線發(fā)生器25，但其它設(shè)備如光電二極管、燈、紅外線發(fā)生器以及聲波發(fā)生器也在本發(fā)明的范 圍內(nèi)。盡管傳感器示出為相機(jī)，但也能夠使用其它傳感器例如，數(shù)碼相機(jī)、光電二極管以及 CCD (電荷耦合器件)。
系統(tǒng)10包括一對(duì)多部分滑軌30，它們連接于外殼12的相對(duì)側(cè)的內(nèi)部表面。抽屜 40在滑軌30中相對(duì)于外殼12平滑地滑動(dòng)。抽屜40承載設(shè)在抽屜40的容器35中的泡沫 塊34。泡沫塊34優(yōu)選地為酚醛泡沫塑料，一種通常用于絕緣的超低密度膨脹聚苯乙烯材 料，其是一種當(dāng)人體足部壓入容器35內(nèi)時(shí)壓縮的壓力敏感材料。泡沫塊34易于變形，帶有 很少或沒有記憶性，并且無(wú)限期地保留壓痕36的變形形狀。拖鞋鑄型也能夠用于捕捉足部 足底面的輪廓。拖鞋鑄型也會(huì)保留用于矯形器制造的足部足底面的負(fù)面壓痕。馬達(dá)45提 供原動(dòng)力以使抽屜40能夠通過(guò)滑軌30滑動(dòng)以移動(dòng)泡沫容器35。圖3還示出了兩個(gè)模板60，在其上，用戶可將她們的足部放置在各自的泡沫容器 35中。另外，如圖4所示，各種連接端口也與系統(tǒng)10連接用于與處理器37和/或圖像顯 示設(shè)備38電連接以分別計(jì)算并圖像化顯示在泡沫容器35中已掃描的泡沫壓痕36的結(jié)果。 本發(fā)明優(yōu)選地與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算接口以及通信協(xié)議兼容并使用它們，從而便于與商用電腦以及其 它使用標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議的外圍處理設(shè)備的連接。圖2至圖6示出了抽屜40在外殼12內(nèi)部的定位。相機(jī)15以及激光線發(fā)生器25 幾乎定位于容器35中的各泡沫塊34的正上方。抽屜40在測(cè)量過(guò)程期間以及存儲(chǔ)期間支 撐泡沫容器35。如在圖2中所示，抽屜40使用一系列的滾珠軸承在圖5的滑軌30中移動(dòng)， 但是也能夠使用其它最小化摩擦的方法。滑軌30位于外殼12的每個(gè)側(cè)面上。每個(gè)滑軌30 具有內(nèi)部部件31以及外部部件32。內(nèi)部部件31附著于抽屜40而外部部件附著于外殼12。 內(nèi)部部件31以及外部部件32相對(duì)于彼此滑動(dòng)以確保抽屜40可從盒子10中完全伸出。這 種構(gòu)造也確保泡沫容器35內(nèi)的泡沫塊34的整個(gè)長(zhǎng)度將被掃描到。顯著地，滑軌30也節(jié)省 了空間減少了系統(tǒng)10的總長(zhǎng)度以更方便地使用。通常，發(fā)生在相機(jī)中的像差及失真引起相機(jī)中等距捕捉的物理點(diǎn)顯示出不等距。 為了補(bǔ)償這種現(xiàn)象，對(duì)橫跨視場(chǎng)的整個(gè)寬度的已知點(diǎn)的校準(zhǔn)過(guò)程補(bǔ)償了這種透鏡像差及失
直
ο系統(tǒng)10還具有校準(zhǔn)板50，其具有多個(gè)高對(duì)比度的不同形狀，如圖2及圖7所示。 傾斜的校準(zhǔn)板50標(biāo)有多個(gè)不同的形狀，他們是精確測(cè)量的等腰梯形53或逐步錐化的線。多 個(gè)梯形及線的軸線在現(xiàn)實(shí)空間中等距離相隔但在相機(jī)15的圖像中不會(huì)顯示成這樣。對(duì)橫 跨圖像的寬度的這種差異進(jìn)行映射最小化了被掃描物體上透鏡像差的影響。多個(gè)梯形53 包括中心梯形54以及布置在中心梯形54的相對(duì)側(cè)面上的側(cè)面梯形55。多個(gè)梯形53中的 每個(gè)沿板50的整個(gè)長(zhǎng)度延伸。多個(gè)梯形53中的每個(gè)也具有基底58及頂部59。板50具有 側(cè)面邊緣62、頂部邊緣63以及底部邊緣64?；?8及頂部59是平行的。頂部59的尺寸 比基底58短，因此在多個(gè)梯形中的每個(gè)中最接近于相機(jī)15的頂部邊緣處產(chǎn)生錐度。多個(gè) 梯形53中的每個(gè)填充有高反射性顏色。相反，周圍區(qū)域以及多個(gè)梯形53中的每個(gè)之間上 色為非反射性的。在掃描過(guò)程期間投影到板50上的線27將作為一系列白點(diǎn)或點(diǎn)由相機(jī)接收，代表多個(gè)梯形中的每個(gè)的反射部分。板50上的多個(gè)梯形53中的每個(gè)的間距及形狀減少了相機(jī)25的透鏡引起的像差及失真。多個(gè)梯形53中的中心梯形56在其中心軸線處精確地放置在板50的物理中心。中 心梯形53以及各側(cè)面梯形55具有與相鄰梯形的軸線等距的中心軸線。盡管多個(gè)梯形53 的軸線等距離間隔，但逐步接近側(cè)面邊緣62的側(cè)面梯形55具有更寬的基底58，并且因此更 寬。因此，來(lái)自側(cè)面梯形的點(diǎn)中由相機(jī)15觀測(cè)到的點(diǎn)的圖像將比如果它們沒有被加寬時(shí)的 情況變得更亮。側(cè)面梯形55的加寬補(bǔ)償了由于透鏡像差引起的圖像的側(cè)面邊緣上的暗淡。多個(gè)梯形53中的每個(gè)的形狀也補(bǔ)償了來(lái)自最接近相機(jī)15的梯形的點(diǎn)的圖像的不 相稱的亮度。來(lái)自傾斜板50的線27的反射亮度相對(duì)于板50到相機(jī)15的距離是非線性的。 本發(fā)明的板50補(bǔ)償了這種失真表現(xiàn)以使在校準(zhǔn)期間由相機(jī)15接收的點(diǎn)的圖像將具有均勻 的亮度及尺寸以獲得更高的分辨率及精度。反射圖像點(diǎn)的尺寸方面的補(bǔ)償將補(bǔ)償由比那些 遠(yuǎn)離相機(jī)的圖像更接近相機(jī)的圖像所接收的更亮的亮度。因此，校準(zhǔn)板50上的梯形形狀補(bǔ)償了像差以及反射點(diǎn)的亮度及尺寸的不相稱的 表現(xiàn)。校準(zhǔn)板50相對(duì)于抽屜40中的底板52限定的水平面定位成預(yù)定角度51。在本發(fā)明 的這種實(shí)施方式中，角度51相對(duì)于水平面約為12度。校準(zhǔn)板50的預(yù)定角度51以及由相 機(jī)15觀測(cè)的圖像視場(chǎng)21的尺寸將確定壓痕的最大可能掃描高度或深度。盡管相對(duì)于底 板52的大角度51允許較高的壓痕最大校準(zhǔn)高度或深度，但是可能限制相機(jī)15觀測(cè)的視場(chǎng) 21。隨著預(yù)定角度51增加，產(chǎn)生分辨率損失，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)的縱向上從掃描過(guò)程中能夠捕捉 到由投影在板50上的線27產(chǎn)生的點(diǎn)較少。反過(guò)來(lái)，淺的角度，盡管提供了大的視場(chǎng)21，但 不可能提供大的透視水平，在校準(zhǔn)期間通過(guò)該透視水平收集用于映射的點(diǎn)的圖像。因此，板 50的角度51根據(jù)壓痕或抽屜40尺寸的具體要求而變化。雖然角度51是可變化的，但其優(yōu) 選為相對(duì)于水平面或基底52處于8度到25度的范圍內(nèi)。校準(zhǔn)板50是可移動(dòng)的以便于適應(yīng)多個(gè)相機(jī)以及不同的壓痕或抽屜尺寸。系統(tǒng)10 也具有與馬達(dá)45驅(qū)動(dòng)相聯(lián)的帶65以在激光掃描期間能夠控制抽屜40及泡沫容器35在滑 軌30上的線性前進(jìn)。現(xiàn)將參考圖1至圖7結(jié)合本發(fā)明的其它方面討論根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)10的操作。泡 沫容器35各包含一個(gè)泡沫塊34，如，易于變形的酚醛泡沫塑料?？商鎿Q地，來(lái)自拖鞋鑄型的 鑄型也能夠放置在抽屜40中用于掃描。當(dāng)抽屜40從外殼12拉出時(shí)，用戶將她的足部放置 在各自的容器35中以在塊34中提供足部足底面的壓痕36。足部必須以交換的方式放置以 防止過(guò)度壓力施加于任一泡沫容器35。這種過(guò)度壓力可能產(chǎn)生不準(zhǔn)確的掃描結(jié)果，其潛在 導(dǎo)致不合適匹配的矯正器。在用戶從泡沫容器35中移去她們的足部并且在泡沫塊34中產(chǎn) 生壓痕36后，抽屜40在外殼12中完全回到原位。泡沫塊34保留了用于以后掃描的足部 足底面的壓痕36的輪廓。在掃描未知幾何形狀之前，需要對(duì)每個(gè)相機(jī)/激光單元進(jìn)行已知幾何形狀的校 準(zhǔn)。設(shè)備的每單位壽命僅需要一次這種校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)之前，校準(zhǔn)板50固定在抽屜40中。馬 達(dá)45及帶65能夠被選擇性地激活以移動(dòng)抽屜40并且因此移動(dòng)泡沫容器35遠(yuǎn)離外殼12。 帶45以選取的速率在激光線27及相機(jī)15正下方沿縱向移動(dòng)包括校準(zhǔn)板50的抽屜40。激 光線發(fā)生器25產(chǎn)生以預(yù)定的入射角度28投影在校準(zhǔn)板50上的線27。預(yù)定角度28在可能 的角度范圍內(nèi)確定以便適應(yīng)必要的壓痕深度并最小化陰影導(dǎo)致的可見物體表面的損失。
隨著校準(zhǔn)板50相對(duì)于線27移動(dòng)，反射點(diǎn)在反射鏡20中可見并且當(dāng)它們進(jìn)入視場(chǎng) 21時(shí)由相機(jī)15捕捉為圖像。電腦視頻軟件處理每個(gè)圖像以定位前述的由多個(gè)錐形梯形53 產(chǎn)生的點(diǎn)。由于多個(gè)形狀中的每個(gè)的中心軸線在三維空間中處于已知位置，所以其在相機(jī) 圖像中繪制的像素位置能夠用于代表三維點(diǎn)。通過(guò)板50沿其長(zhǎng)度橫移的同時(shí)得到一系列 圖像，相機(jī)視場(chǎng)21中的每個(gè)可能像素使用已知三角函數(shù)映射為三維空間中的實(shí)際點(diǎn)。因此 獲得校準(zhǔn)映射并將其作為數(shù)據(jù)查找表保存在掃描系統(tǒng)10的持久存儲(chǔ)器中。在任意時(shí)間軟 件能夠加載該表，為隨后的圖像中的任一點(diǎn)提供快速的數(shù)據(jù)查找以取回物理點(diǎn)。這樣，當(dāng)激 光線27投影在未知物體如壓痕上時(shí)，該線的反射能夠在相機(jī)圖像中被軟件發(fā)現(xiàn)并使用數(shù) 據(jù)查找表轉(zhuǎn)換為空間中的三維點(diǎn)。因此，每個(gè)裝置的壽命期間僅需要一次任意相機(jī)/激光 單元的校準(zhǔn)，只要校準(zhǔn)映射的持久存儲(chǔ)器保持完好即可。校準(zhǔn)之后，移去板50。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的掃描系統(tǒng)包括存儲(chǔ)、處理以及應(yīng)用以實(shí)施本發(fā)明 。在做出壓痕36的輪廓并返回至外殼12后，掃描開始。激光線發(fā)生器25橫跨泡沫 塊34中的壓痕36的接近6英寸的寬度投影線。反射鏡20用于折疊或反射由相機(jī)15觀察 到的激光線27在泡沫塊34中輪廓上的投影的視場(chǎng)21。通過(guò)折疊視場(chǎng)21，外殼的整體尺寸， 高度以及長(zhǎng)度，大大地減少。另外，反射鏡20的使用使較長(zhǎng)的焦距成為可能并允許使用較 便宜的相機(jī)光學(xué)器件及最小化像差。在本申請(qǐng)中，掃描系統(tǒng)10直接作用在足部留在泡沫容 器35內(nèi)的壓痕36上。相機(jī)15提供用于讀取壓痕36上的激光線27的位置的圖像。由系 統(tǒng)10捕捉壓痕的輪廓并存儲(chǔ)由相機(jī)15接收的點(diǎn)的空間定位。通過(guò)使用圖像中已發(fā)現(xiàn)的激 光點(diǎn)在校準(zhǔn)映射中查找相應(yīng)的三維空間點(diǎn)來(lái)計(jì)算輪廓的顯影。通常，隨著抽屜向內(nèi)橫移完成一個(gè)輪廓的掃描，而隨著抽屜向外橫移完成第二個(gè) 輪廓的掃描。顯著地，系統(tǒng)10的尺寸及幾何形狀設(shè)計(jì)為使線27反射為在傾斜校準(zhǔn)板50的一半 高度70處橫跨相機(jī)視場(chǎng)21的中心的一組水平點(diǎn)。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)確保了視場(chǎng)21的中部與 動(dòng)態(tài)范圍或壓痕的深度的50%相關(guān)，以便于數(shù)據(jù)采集。當(dāng)光束27在校準(zhǔn)板50的與壓痕深 度的一半相關(guān)的位置聚焦時(shí)，不僅減少了像差，而且能夠在抽屜40的單次通過(guò)時(shí)看到整個(gè) 壓痕。掃描系統(tǒng)10的效率通過(guò)使視場(chǎng)的中部定位在此位置而優(yōu)化。系統(tǒng)10允許精確的校準(zhǔn)以及隨后的足部足底面的快速且精確的掃描而無(wú)需使用 石膏。另外，掃描能夠由單個(gè)一體的設(shè)備完成以節(jié)省時(shí)間以及用于矯正器制造的費(fèi)用。此 夕卜，校準(zhǔn)系統(tǒng)補(bǔ)償了視場(chǎng)21的圖像中的相機(jī)透鏡像差，以及校準(zhǔn)板50與相機(jī)15之間的距 離變化導(dǎo)致的圖像中的點(diǎn)的非線性亮度。已經(jīng)具體參考本發(fā)明的優(yōu)選形式描述了本發(fā)明，但是顯然可在不偏離由所附權(quán)利 要求限定的本發(fā)明的精神及范圍的情況下作出多種變化及修改。
權(quán)利要求
一種校準(zhǔn)改進(jìn)的壓痕掃描系統(tǒng)，包括外殼；布置在所述外殼中的已知幾何形狀的校準(zhǔn)板；在所述校準(zhǔn)板上具有多個(gè)不同形狀；用于向所述板上的所述形狀發(fā)出輻射的輻射源；用于反射由所述輻射在所述形狀上產(chǎn)生的圖像的表面；當(dāng)所述板相對(duì)于所述外殼移動(dòng)時(shí)用于接收所述形狀的所述圖像的傳感器；以及處理器，所述處理器將所述板的已知幾何形狀與由所述傳感器接收的所述圖像相比較并且基于已知幾何形狀及所述圖像校準(zhǔn)所述傳感器及輻射源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)不同形狀包括在所述校準(zhǔn)板上中心布置的形狀以及與所述中心布置的形狀隔開的側(cè)面布置的形狀， 所述側(cè)面布置的形狀隨著遠(yuǎn)離所述中心布置的形狀而逐步變寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述中心布置的形狀及所述側(cè)面布置的形狀各 自具有與所述多個(gè)不同形狀中的其它形狀的中心線等距的中心線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)不同形狀是多個(gè)錐形線或多個(gè)沿所述 板的縱向長(zhǎng)度錐化的梯形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述輻射源從包括激光線發(fā)生器、光電二極管、 燈、紅外線發(fā)生器或聲波發(fā)生器的組中選取。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器從包括相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、光電二極管 及電荷耦合器件的組中選取。
7.一種校準(zhǔn)改進(jìn)的用于捕捉壓痕的掃描系統(tǒng)，包括 已知幾何值的物體，所述物體上具有多個(gè)不同形狀； 用于向所述多個(gè)不同形狀發(fā)出輻射的輻射源；用于反射所述多個(gè)不同形狀的圖像的反射鏡；傳感器，所述傳感器用于捕捉所述多個(gè)不同形狀的反射圖像并用于輸出與所述多個(gè)不 同形狀的所述圖像相應(yīng)的數(shù)據(jù)；處理器，所述處理器將所述輸出數(shù)據(jù)與所述物體的所述已知幾何值相比較并存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 與值之間的差，其中，所述差用于最小化被掃描物體的像差。
8.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)形狀包括多個(gè)梯形或錐形線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)梯形或錐形線中的每一個(gè)的中心線互 相之間是等距的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述已知幾何形狀的物體包括校準(zhǔn)板。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括容納抽屜的外殼，其中所述校準(zhǔn)板容納在所 述抽屜中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述抽屜相對(duì)于所述外殼是可移動(dòng)的以相對(duì) 于所述發(fā)出的輻射移動(dòng)所述校準(zhǔn)板。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述輻射源從包括激光線發(fā)生器、光電二極管、 燈、紅外線發(fā)生器或聲波發(fā)生器的組中選取。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器從包括相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、光電二極管 及電荷耦合器件的組中選取。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述物體以預(yù)定的角度布置在所述抽屜中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述角度大致從8度至25度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)出的輻射以預(yù)定的傾斜角度照射所述板。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述角度選擇為在所述板的與將要捕捉的壓 痕一半高度相應(yīng)的中點(diǎn)處照射所述板。
19.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，壓痕是足部足底面的壓痕。
20.一種測(cè)量壓痕輪廓的方法，該方法包括如下步驟a)使用板校準(zhǔn)傳感器及輻射源，所述板上具有多個(gè)不同形狀；b)將物體放置在媒介中以獲得所述物體的壓痕；c)使用從輻射源發(fā)出的輻射掃描壓痕；d)在所述掃描期間，感測(cè)來(lái)自所述壓痕的反射光；以及e)使用從傳感器及輻射源的校準(zhǔn)導(dǎo)出的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算代表壓痕輪廓的空間值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)步驟還包括 將來(lái)自輻射源的輻射投影到已知幾何形狀的板上；反射由所述輻射在所述板上產(chǎn)生的圖像；當(dāng)所述板相對(duì)于所述輻射源移動(dòng)時(shí)感測(cè)所述圖像并輸出所述圖像的信號(hào)； 將所述板的已知幾何形狀與所述輸出信號(hào)相比較；以及存儲(chǔ)已知幾何形狀與所述輸出信號(hào)之差以最小化未知幾何形狀的被掃描物體的像差。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，在所述板上具有多個(gè)錐形線或多個(gè)梯形。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述多個(gè)不同形狀包括在所述校準(zhǔn)板上中心 布置的形狀以及與中心布置的形狀隔開的側(cè)面布置的形狀，所述側(cè)面布置的形狀隨著遠(yuǎn)離 所述中心布置的形狀而逐步變寬。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述中心布置的形狀及所述側(cè)面布置的形狀 各自具有與所述多個(gè)不同形狀中的其它形狀的中心線等距的中心線。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述多個(gè)不同形狀是多個(gè)錐形線或多個(gè)沿所 述板的縱向長(zhǎng)度錐化的錐化梯形。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述物體是人體足部。
全文摘要
本公開提供了一種校準(zhǔn)改進(jìn)的壓痕掃描系統(tǒng)，其具有外殼及已知幾何形狀的校準(zhǔn)板。在校準(zhǔn)板上具有多個(gè)不同形狀。該系統(tǒng)還具有用于向板上的形狀發(fā)出輻射的輻射源以及用于反射由輻射在形狀上產(chǎn)生的圖像的表面。還提供了當(dāng)板相對(duì)于外殼移動(dòng)時(shí)用于接收形狀的圖像的傳感器。處理器將板的已知幾何形狀與由傳感器接收的圖像相比較并基于已知幾何形狀及圖像校準(zhǔn)傳感器以減少系統(tǒng)的像差及失真。
文檔編號(hào)G06K9/00GK101971189SQ200880123958
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者杰弗里·L·達(dá)維斯, 阿延·松德曼 申請(qǐng)人:愛墨菲特有限公司