足底三维扫描仪设计与研究

发布时间：2020-07-03 22:30

【摘要】：三维扫描仪主要的用途是创建物体几何表面的点云(point cloud),这些点可用来插补处物体的表面形状,越密集的点云可以创建越精确的模型(该过程称为三维重构)。随着社会发展,物质文化的丰富,大众对于个性化定制的需求愈加强烈。其中以身姿矫正为目的的定制化鞋垫颇为流行。为了满足大众需求和顺应当下研究热点,论文设计了一台低成本、高精度的足底专用三维扫描仪(基于单目三角测量原理),用来获取人足底面的三维点云数据,并为3D打印机提供数据支持;另外编写了配套使用的软件,可以实时显示足底三维点云数据图。足底专用三维扫描仪在进行机械结构设计制作时,借鉴已有扫描仪并根据使用特点进行了优化。在进行图像采集处理时,先使用了一种可以很好细化激光带的邻域滤波方式(采用3*3滤波窗口),之后再用灰度重心法提取激光带上像点位置。采集完成获得的足底点云图显示效果较好,精度较高。足底专用三维扫描仪,扫描测量时存在多种误差来源。为了提高点云数据精度和对细节特征的显示,论文针对扫描仪的误差进行了研究。目前针对扫描仪误差的分析研究方向较多,各有不同。为提高Z_W方向测量精度,论文选择针对激光带平面垂直度误差进行分析、测量及校准工作。实验估测出了激光带平面偏角θ,为测量数据在Z_W方向上的精确校准提供了依据。其间,主要工作为制作了高精度阶梯标准件,配合三坐标测量机,实现了简单实验条件下的高精度误差分析。针对测量数据良好的连续性精度,定义了附加标定误差e,展开分析研究,并成功给出误差矫正的系统方法和矫正公式。并由测量矫正结果的验证来看,误差可以达到±0.06mm,矫正较为成功。可以得出结论,设计的足底专用三维扫描仪以较为简易的硬软件设计精确地提供了人足底面的三维信息。获得精确的足底三维点云数据后需要进行最为关键的数据处理——三维重构。三维重构可理解为曲线曲面的拟合,以三角剖分为特点的复杂曲面快速开发重构手段在各领域应用广泛。论文借鉴相关最新的文献资料,提出一种基于点云深度特征的细节三角剖分方法。详细介绍了以线激光扫描为基础的足底点云数据的重构过程,首先对带状数据点分段处理,设定阈值补充漏点、删除无用段;接着以8-邻接域法为主寻找边界点并排序连接构成闭合曲线;再对带状数据点进行Savitzky-golay滤波;最后根据数据二维网格形式的拓扑关系构建四边形网络,使用提出的细节三角剖分方法进行面片分割。实验证明给出的曲面重构方法响应迅速,展示的边界与内部细节特征明显。总体而言,足底专用三维扫描仪先后设计制作两次已经能够满足课题的研究初衷。经过结构的设计优化,测量矫正以及后续的针对性数据处理,其测量使用已经足够稳定;多次测量足模足弓系数,波动范围在0.01以内,重复精度高;生成的足底病理分析报告内容较为丰富,使用价值较高,在医学上,能为患者身姿的矫正做出一定可行性建议和贡献。但足底三维扫描仪不足之处依然存在,为更好与团队后期设计制作的3D打印机良好配行工作,仍需后续的不断改进。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH122

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本文编号：2740268