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一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法

阅读：306发布：2021-10-14

专利汇可以提供一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，步骤如下：步骤1：图像获取；步骤2：检测A4纸四个角顶点坐标，对图像进行几何校正；步骤3：正面脚的目标提取与测量；步骤4：侧面脚的目标提取与测量；本发明通过几何校正、图像处理技术能够有效的获取脚的关键部位的数据，可以满足购鞋者选着鞋码和鞋商制鞋时的需求，其误差均在2毫米之内。该方法在网上鞋店可以将得到的数据作为参考，为用户提供更准确的鞋码和款式，提高网上购物的成功率。该数据还可用于制鞋厂商为消费者提供专门的定制服务，即能帮助用户选择或定制到满意的鞋子，又能节约商家在销售环节因退换服务而产生的费用。，下面是一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤1：图像获取
通过人脚与A4纸之间的比例关系计算脚长和脚宽，并根据脚面高度与脚的长度之间的比例关系计算脚面关键部位的实际高度；因此，需要拍摄两幅图像，一幅是脚的正面照脚踩在白色A4纸上，相机从脚的正上方垂直向下拍摄；另一幅是脚的侧面照相机从脚的内侧对脚进行侧面投影；
步骤2：检测A4纸四个角顶点坐标，对图像进行几何校正
图像在获取及显示的过程中往往会产生几何失真，几何失真包括平移、缩放、旋转和透视以及更为复杂的几何失真；任意几何失真都能由非失真坐标系(x,y)变换到失真坐标系(x',y')的方程来定义；假设f(x,y)是无失真的原始图像，g(x',y')是f(x,y)的几何失真结果，则得到几何校正的基本关系式，如下：
式中，h1(x,y)和h2(x,y)为校正变换函数，h1(x,y)和h2(x,y)用下面的多项式来近似：
由于标准A4纸四个角顶点的实际相对坐标是已知的，将A4纸的四个角顶点作为控制点，通过图像处理技术检测几何失真图像中A4纸的四个角的坐标，然后再利用校正变换函数以及双线性内插法对失真图像进行几何失真校正；
步骤3：正面脚的目标提取与测量
由步骤2截取到A4纸子图像，我们要从这个子图像中提取出脚长和脚宽两个数据，具体实施过程如下：
(1)足尖位置的检测
足尖是落在A4纸的上半部分区域内的，而足跟是与A4纸的底边对齐的，因此在A4纸子图的上半部分检测足尖的位置，并根据脚与A4纸的比例关系计算出脚长；
(2)第一蹠骨和第五蹠骨的位置检测
由于第一蹠骨和第五蹠骨分别位于脚掌的两侧，我们用如下过程检测这两点的位置：
①对前脚掌所在的子区进行边缘检测并滤波;与足尖位置检测的过程相类似，对脚宽处的边缘所在区域进行边缘检测，并用形态学闭运算滤波；
②确定第一蹠骨的横坐标位置；在A4纸子图上、对应从足跟到足尖的69.5%位置处的纵坐标，用1×16窗口从右向左搜索，将窗口右左对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，灰度差的均值大于25的位置就是第一蹠骨位置，将该点处的横坐标记为xinner；
③确定第五蹠骨的横坐标位置；与步骤②相类似，在足跟到足尖的62.5%位置处，用
1×16窗口从左向右搜索，第一个满足窗口左右对折灰度差平均值大于25的位置就是第五蹠骨的位置，将该点处的横坐标记为xouter；
(3)脚长和脚宽的计算
A4纸的标准大小是210毫米×297毫米，假设A4纸子图是M行N列的，令A4纸子图像左下角为坐标原点，若足尖位置在子图像中的坐标是(x,y)，则脚的实际长度为297×y/M毫米；假设在A4纸子图像上提取的脚掌宽度像素个数为c，由第一蹠骨和第五蹠骨的横坐标值可得c=xinner-xouter，而脚的实际宽度为210×c/N毫米；
步骤4：侧面脚的目标提取与测量
脚的侧面照图像是用来提取关键部位脚面的高度的，从足跟到足尖的2/5、1/2以及
3/4处，这几个部位的脚面高度是鞋楦设计所用到的重要参数，选择鞋码时，脚面高的人选择比正常脚大一个的鞋码，或者在定制鞋子的时候适当增加鞋楦的高度；侧面照图像中，足跟至足尖的距离就是脚长，而从足底到脚面就对应了相应位置的脚高；假设侧面照中足跟在图像的左侧、足尖在右侧，则关键部位的脚面检测和高度测量方法如下：
（1）检测足跟和足尖
足跟和足尖在图像的下半部分，且在图像左右两侧形成了两个纵向的边缘，因此在图像从底部到高度的1/2区间内，检测图像中纵向的边缘，即能定位到足跟和足尖的位置；检测足底
足底位于足尖和足跟纵坐标的下方，与地板接触，形成了横向的边缘；但是，由于脚的足弓处有弧度，因此脚的底部在图像上所成的边缘并不是一条直线，由此，我们以前脚掌的底部位置作为足底位置来检测1/2以及3/4处的高度，以后脚掌的底部位置作为足底位置来检测2/5的高度；前脚掌一般是脚长的1/3，其横坐标在[x0-(x1-x0)×2/3,x1]区间内，则该位置的足底检测过程为：
①用垂直方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出横向边缘，模板为；
②在横向边缘图像上，横坐标为[x0-(x1-x0)×2/3,x1]、纵坐标为[0,min(y0,y1)]的区间内，计算水平方向的灰度积分投影，积分值最大的行所在的纵坐标即是足底的纵坐标，记为y2；
后脚掌足底检测方法类似；
（2）脚面的关键部位检测
此处以从足跟到足尖的1/2处为例，介绍脚面的关键部位检测；根据经验值，人脚的1/2处脚面高度是脚长的1/3左右，因此，1/2处脚面的横坐标为(x0+x1)/2、纵坐标为y2+(x1-x0)/3；截取1/2处脚面所在的子区窗口，采用区域生长法对该窗口区域进行分割，区域内被分成目标和背景两部分；脚面是目标和背景的分界线，则横坐标为(x0+x1)/2处的分界点就是人脚1/2处脚面位置，我们用y3表示该点的纵坐标；
同样过程，我们提取出2/5处和3/4处的脚面位置；
（3）脚面的关键部位实际高度计算
由以上步骤，侧面照的足尖与足后跟之间的距离为x1-x0个像素，1/2处脚面高度是y3-y1个像素；根据脚长和脚高之间的比例关系，得出1/2处脚面的实际高度为同样方式我们能计算出3/4处和2/5处的脚面高度。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，其特征在于：在步骤1中所述的需要拍摄两幅图像，一幅是脚的正面照，另一幅是脚的侧面照，其具体要求和操作如下：
①脚的正面照的采集方法：将白色A4纸短边一侧贴墙放置；用户将脚踩在A4纸上，使脚的中轴线与A4纸的中轴线对齐；足跟靠墙，使得足跟位置和A4纸边缘处对齐，脚的长度方向与A4纸的长度方向一致，且确保脚完全落在A4纸内部；摄像头在脚的正上方50厘米到70厘米之间、拍摄角与地面垂直进行成像，尽量保持A4纸在图像中不歪斜，并确保视场内完全包含A4纸区域；
②脚的侧面照的采集方法；侧面照不需要A4纸，只需要用户站在墙壁或一个纯色挡板的前面，脚的外侧靠墙或挡板；镜头从脚的内侧向脚的外侧成像，距离侧面脚的距离30厘米到50厘米，拍摄角平行于地面，并与脚面保持同样高度；
③视场内场景要尽量简单：正面照要求视场内只包含脚、A4纸和地板；侧面照的背景应该是简单的墙壁或挡板，避免其它干扰物出现；同时要求用户穿黑色或其它深色的袜子，以保证脚、A4纸和地板有足够大的反差对比。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，其特征在于：在步骤2中所述的“通过图像处理技术检测几何失真图像中A4纸的四个角的坐标，然后再利用校正变换函数以及双线性内插法对失真图像进行几何失真校正”，其具体实现过程如下：
①对脚的正面照进行边缘检测：利用Sobel算子对正面照图像进行边缘提取，得到图像的梯度图；该梯度图中，目标的边缘变成了亮带，而目标和背景区域由于灰度变化比较平坦，因此在梯度图中形成了暗区；
②对梯度图像二值化：A4纸和脚目标所形成的边缘在图像中占据很小的一部分区域，设为图像面积的0.1；对梯度图进行直方图统计，图像的边缘像素灰度值较高，将分布在直方图靠右侧的位置，而非边缘像素则集中在直方图靠左侧的位置，从直方图最右侧向左计算直方图的累积概率，即图像边缘的像素统计，并将累积概率为0.1所对应的灰度值设定为阈值，小于阈值的像素置为255，大于阈值的像素置为0，从而提取出包括A4纸和脚目标的边缘；
③初步检测A4纸的四个角顶点位置坐标，对前述第②步中得到的二值图像，在水平轴上[-5°,5°]的范围内以1°为步长对图像进行灰度投影；由于A4纸的左右两个纵向边是图像中的强边缘，它会在正确的投影方向上形成极值，而根据先验知识，A4纸处在图像的中间位置，从图像中间位置向两侧，检测灰度投影的极值，就能检测左右两条纵向边以及它们的方向角；同样做法能够检测出A4纸的上下两条横向边和它们的方向角；计算左右两条纵向边和上下两条横向边之间的交叉点，即得到A4纸四个角顶点位置的粗略坐标；
④精确检测A4纸的四个角顶点位置坐标：以第③步中得到的A4纸四个角顶点位置坐标为中心，在原灰度图上相应位置截取四个140×140大小的子图，将四个子图中边缘所占图像面积的比率设置为0.15，重复上面的第①至③步，即得到A4纸的四个角顶点位置的精确坐标；
⑤对图像进行几何校正：A4纸实际四个角顶点的相对坐标已知，利用上述的校正变换函数和双线性内插法对失真图像进行几何校正；
⑥截取A4纸子图，去掉无用背景：图像校正后，A4纸所在的区域就是一个标准的矩形，矩形的长宽比就是A4纸的长宽比；从图像中截取该矩形，去掉背景，则截取下来的这个子图内部就是我们要检测的脚目标。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，其特征在于：在步骤3中所述的“足尖位置的检测”，其具体过程为：
①截取A4纸子图像上半部分子区，利用Sobel算子进行边缘检测；根据先验知识，脚目标在这个子区中形成的边缘约占子区面积的0.06，本方案用0.06的面积比例进行阈值选择，对子区进行二值化；
②二值图像中有散落的噪声点，采用形态学闭运算对二值图进行滤波，运算模板的大小为5×5
③对去噪后的二值图像，从上向下按行搜索每一个目标点，以该目标点为中心取5×8的窗口，将窗口上下对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，并求平均，而第一个满足灰度差平均值大于30的目标点即是足尖的位置，用(x,y)表示。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，其特征在于：在步骤4中所述的“检测足跟和足尖”，其具体过程如下：
①采用水平方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出足尖和足跟处的纵向边缘，所采用模板如下：
②足跟和足尖的边缘在图像中所占面积比例为0.1，用该面积比例作为阈值对图像二值化，得到边缘二值图；
③用5×8窗口从左向右按列搜索，假设窗口中目标点个数为n，则第一个满足(n/(5×8))>0.9的窗口所在位置就是足跟的粗略位置，用(x'0,y'0)表示，其中x'0为足跟粗略位置的横坐标，y'0为纵坐标；
④以足跟位置坐标(x'0,y'0)为中心，截取20×20的子窗口，在窗口内对足跟位置进行细搜索；采用x方向的梯度模板[1 -1]计算窗口内梯度，搜索窗口内每行的最大梯度所在位置，对所有行的最大梯度所在位置进行横坐标统计，则具有最多的横坐标即为足跟位置的精确横坐标，我们用(x0,y0)代表足跟的精确坐标位置；
⑤同样过程，当从图像右侧开始向左按列搜索时，得到足尖的坐标位置(x1,y1)。

说明书全文

一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法

（一）技术领域：

[0001] 本发明涉及一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，属于图像处理和摄影几何测量的技术领域。（二）背景技术：

[0002] 人需要行走，鞋子舒服程度影响着生活质量。鞋的品牌林林总总，每个品牌都会有自己独有的鞋的内部设计参数和流线。对于一双号码确定的鞋，鞋的宽度和高度、鞋底的形状和坡度设计、以及鞋楦的参数等等，都会对脚的舒适感产生影响。如何根据人的脚型设计符合人的生理特点的鞋是一个非常专业的问题。鞋的款式众多，却并不是每一双鞋都适合自己。买鞋是一件令人烦恼的事情，尤其对于脚型有些特殊的人更是如此。在网络购物盛行的今天，单纯依靠一个鞋码信息很难买到舒服的鞋子。如果能够把脚的关键部位数据提取出来，作为商家为用户选择鞋码和款式的参考数据，则无疑可以提高网络购物的成功率，减少因退换商品而产生的费用。

[0003] 本发明采用A4纸作为参照物（标准尺寸是210毫米×297毫米），用户将脚踩在一张A4纸上，采集图像数据，提取脚目标，并根据脚与A4纸的比例关系完成脚部关键数据的提取和测量。（三）发明内容：

[0004] 1、目的：本发明的目的在于提供一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，以适应当今网络购物的需要。该方法可以获取人脚关键部位的数据，网上鞋店可以将得到的数据作为参考，为用户提供更准确的鞋码和款式，提高网上购物的成功率。更进一步，该数据还可用于制鞋厂商为消费者提供专门的定制服务。因此，该发明即能帮助用户选择或定制到满意的鞋子，又能节约商家在销售环节因退换服务而产生的费用。

[0005] 2、技术方案：本发明通过以下技术方案实现。

[0006] 本发明一种基于图像的人脚关键部位的数据提取与测量方法，该方法包括如下四个步骤：

[0007] 步骤1：图像获取

[0008] 本方案通过人脚与A4纸之间的比例关系计算脚长和脚宽，并根据脚面高度与脚的长度之间的比例关系计算脚面关键部位的实际高度。因此，需要拍摄两幅图像，一幅是脚的正面照（以下简称正面照），如图1(a)正面照图像采集方式示意图所示，要求脚踩在白色A4纸上，相机从脚的正上方垂直向下拍摄；另一幅是脚的侧面照（以下简称侧面照），要求相机从脚的内侧对脚进行侧面投影，如图1(b)侧面照图像采集方式示意图。具体要求和操作如下：

[0009] ①正面照的采集方法：将白色A4纸短边一侧贴墙放置；用户将脚踩在A4纸上，尽量使脚的中轴线与A4纸的中轴线对齐；足跟靠墙，使得足跟位置和A4纸边缘处对齐，脚的长度方向与A4纸的长度方向一致，且确保脚完全落在A4纸内部；摄像头在脚的正上方50厘米到70厘米之间、拍摄角与地面垂直进行成像，尽量保持A4纸在图像中不歪斜，并确保视场内完全包含A4纸区域。

[0010] ②侧面照的采集方法；侧面照不需要A4纸，只需要用户站在墙壁或一个纯色挡板的前面，脚的外侧靠墙或挡板；镜头从脚的内侧向脚的外侧成像，距离侧面脚的距离30厘米到50厘米，拍摄角平行于地面，并与脚面保持同样高度；

[0011] ③视场内场景要尽量简单：正面照要求视场内只包含脚、A4纸和地板；侧面照的背景应该是简单的墙壁或挡板，避免其它干扰物出现；同时要求用户穿黑色或其它深色的袜子，以保证脚、A4纸和地板有足够大的反差对比。

[0012] 步骤2：检测A4纸四个角顶点坐标，对图像进行几何校正

[0013] 图像在获取或显示的过程中往往会产生几何失真。几何失真包括平移、缩放、旋转和透视以及更为复杂的几何失真。任意几何失真都可由非失真坐标系(x,y)变换到失真坐标系(x',y')的方程来定义。假设f(x,y)是无失真的原始图像，g(x',y')是f(x,y)的几何失真结果，则可以得到几何校正的基本关系式，如下：

[0014]

[0015] 式中，h1(x,y)和h2(x,y)为校正变换函数。本方案中，h1(x,y)和h2(x,y)用下面的多项式来近似：

[0016]

[0017]

[0018] 由于标准A4纸四个角顶点的实际相对坐标是已知的，本方案中将A4纸的四个角顶点作为控制点，通过图像处理技术检测几何失真图像中A4纸的四个角的坐标，然后再利用校正变换函数以及双线性内插法对失真图像进行几何失真校正。具体实现过程如下：

[0019] ①对正面照进行边缘检测。利用Sobel算子对正面照图像进行边缘提取，得到图像的梯度图。梯度图中，目标的边缘变成了亮带，而目标和背景区域由于灰度变化比较平坦，因此在梯度图中形成了暗区；

[0020] ②对梯度图像二值化。A4纸和脚目标所形成的边缘在图像中占据很小的一部分区域，设为图像面积的0.1。对梯度图进行直方图统计，图像的边缘像素灰度值较高，将分布在直方图靠右侧的位置，而非边缘像素则集中在直方图靠左侧的位置。从直方图最右侧向左计算直方图的累积概率（即图像边缘的像素统计），并将累积概率为0.1所对应的灰度值设定为阈值，小于阈值的像素置为255，大于阈值的像素置为0，从而提取出包括A4纸和脚目标的边缘；

[0021] ③初步检测A4纸的四个角顶点位置坐标。对前述第②步中得到的二值图像，在水平轴上[-5°,5°]的范围内以1°为步长对图像进行灰度投影。由于A4纸的左右两个纵向边是图像中的强边缘，它会在正确的投影方向上形成极值。而根据先验知识，A4纸处在图像的中间位置，从图像中间位置向两侧，检测灰度投影的极值，就可以检测左右两条纵向边以及它们的方向角。同样做法能够检测出A4纸的上下两条横向边和它们的方向角。计算左右两条纵向边和上下两条横向边之间的交叉点，即可得到A4纸四个角顶点位置的粗略坐标。

[0022] ④精确检测A4纸的四个角顶点位置坐标。以步骤③中得到的A4纸四个角顶点位置坐标为中心，在原灰度图上相应位置截取四个140×140大小的子图。将四个子图中边缘所占图像面积的比率设置为0.15，重复上面的步骤①至③，即可得到A4纸的四个角顶点位置的精确坐标。

[0023] ⑤对图像进行几何校正。A4纸实际四个角顶点的相对坐标已知，利用上述的校正变换函数和双线性内插法对失真图像进行几何校正。

[0024] ⑥截取A4纸子图，去掉无用背景。图像校正后，A4纸所在的区域就是一个标准的矩形，矩形的长宽比就是A4纸的长宽比。我们从图像中截取这个矩形，去掉背景。则截取下来的这个子图内部就是我们要检测的脚目标。我们后续的处理就是针对这个A4纸子图像进行的。

[0025] 步骤3：正面脚的目标提取与测量

[0026] 由步骤2截取到A4纸子图像，我们要从这个子图像中提取出脚长和脚宽两个数据。具体实施过程如下：

[0027] （1）足尖位置的检测

[0028] 足尖是落在A4纸的上半部分区域内的，而足跟是与A4纸的底边对齐的。因此可以在A4纸子图的上半部分检测足尖的位置，并根据脚与A4纸的比例关系计算出脚长。具体过程为：

[0029] ①截取A4纸子图像上半部分子区，利用Sobel算子进行边缘检测；根据先验知识，脚目标在这个子区中形成的边缘约占子区面积的0.06，本方案用0.06的面积比例进行阈值选择，对子区进行二值化。

[0030] ②二值图像中有散落的噪声点，采用形态学闭运算对二值图进行滤波，运算模板的大小为5×5

[0031]

[0032] ③对去噪后的二值图像，从上向下按行搜索每一个目标点。以该目标点为中心取5×8的窗口，将窗口上下对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，并求平均。而第一个满足灰度差平均值大于30的目标点即是足尖的位置，用(x,y)表示。

[0033] （2）第一蹠骨和第五蹠骨的位置检测

[0034] 从专业角度讲，脚掌的宽度是指脚的第一蹠骨（脚的内侧）与第五蹠骨（脚的外侧）之间的距离。而第一蹠骨位于从足跟到足尖的69.5%位置处，第五蹠骨则位于从足跟到足尖的62.5%位置处。由于第一蹠骨和第五蹠骨分别位于脚掌的两侧，我们用如下过程检测这两点的位置：

[0035] ①对前脚掌所在的子区进行边缘检测并滤波。与足尖位置检测的过程相类似，对脚宽处的边缘所在区域进行边缘检测，并用形态学闭运算滤波；

[0036] ②确定第一蹠骨的横坐标位置。在A4纸子图上、对应从足跟到足尖的69.5%位置处的纵坐标，用1×16窗口从右向左搜索，将窗口右左对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，灰度差的均值大于25的位置就是第一蹠骨位置，将该点处的横坐标记为xinner。

[0037] ③确定第五蹠骨的横坐标位置。与步骤②相类似，在足跟到足尖的62.5%位置处，用1×16窗口从左向右搜索，第一个满足窗口左右对折灰度差平均值大于25的位置就是第五蹠骨的位置，将该点处的横坐标记为xouter。

[0038] （3）脚长和脚宽的计算

[0039] A4纸的标准大小是210毫米×297毫米。假设A4纸子图是M行N列的，令A4纸子图像左下角为坐标原点，若足尖位置在子图像中的坐标是(x,y)，则脚的实际长度为297×y/M毫米。假设在A4纸子图像上提取的脚掌宽度像素个数为c，由第一蹠骨和第五蹠骨的横坐标值可得c=xinner-xouter，而脚的实际宽度为210×c/N毫米。

[0040] 步骤4：侧面脚的目标提取与测量

[0041] 脚的侧面照图像是用来提取关键部位脚面的高度的。从足跟到足尖的2/5、1/2以及3/4处，这几个部位的脚面高度是鞋楦设计所用到的重要参数。选择鞋码时，脚面高的人可以选择比正常脚大一个的鞋码，或者在定制鞋子的时候可以适当增加鞋楦的高度。侧面照图像中，足跟至足尖的距离就是脚长，而从足底到脚面就对应了相应位置的脚高。假设侧面照中足跟在图像的左侧、足尖在右侧，则关键部位的脚面检测和高度测量方法如下：

[0042] （1）检测足跟和足尖

[0043] 足跟和足尖在图像的下半部分，且在图像左右两侧形成了两个纵向的边缘。因此在图像从底部到高度的1/2区间内，检测图像中纵向的边缘，即可定位到足跟和足尖的位置。具体过程如下：

[0044] ①采用水平方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出足尖和足跟处的纵向边缘。所采用模板如下：

[0045]

[0046] ②足跟和足尖的边缘在图像中所占面积比例为0.1，用该面积比例作为阈值对图像二值化，得到边缘二值图；

[0047] ③用5×8窗口从左向右按列搜索，假设窗口中目标点个数为n，则第一个满足(n/(5×8))>0.9的窗口所在位置就是足跟的粗略位置，用(x'0,y'0)表示，其中x'0为足跟粗略位置的横坐标，y'0为纵坐标。

[0048] ④以足跟位置坐标(x'0,y'0)为中心，截取20×20的子窗口，在窗口内对足跟位置进行细搜索。采用x方向的梯度模板[1 -1]计算窗口内梯度，搜索窗口内每行的最大梯度所在位置，对所有行的最大梯度所在位置进行横坐标统计，则具有最多的横坐标即为足跟位置的精确横坐标，我们用(x0,y0)代表足跟的精确坐标位置。

[0049] ⑤同样过程，当从图像右侧开始向左按列搜索时，可得到足尖的坐标位置(x1,y1)。

[0050] （2）检测足底

[0051] 足底位于足尖和足跟纵坐标的下方，与地板接触，形成了横向的边缘。但是，由于脚的足弓处有弧度，因此脚的底部在图像上所成的边缘并不是一条直线。由此，我们以前脚掌的底部位置作为足底位置来检测1/2以及3/4处的高度，以后脚掌的底部位置作为足底位置来检测2/5的高度。前脚掌一般是脚长的1/3，其横坐标在[x0-(x1-x0)×2/3,x1]区间内，则该位置的足底检测过程为：

[0052] ①用垂直方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出横向边缘，模板为；

[0053]

[0054] ②在横向边缘图像上，横坐标为[x0-(x1-x0)×2/3,x1]、纵坐标为[0,min(y0,y1)]的区间内，计算水平方向的灰度积分投影，积分值最大的行所在的纵坐标即是足底的纵坐标，记为y2。

[0055] 后脚掌足底检测方法类似。

[0056] （3）脚面的关键部位检测

[0057] 此处以从足跟到足尖的1/2处为例，介绍脚面的关键部位检测。根据经验值，人脚的1/2处脚面高度大约是脚长的1/3左右，因此，1/2处脚面的横坐标为(x0+x1)/2、纵坐标大约为y2+(x1-x0)/3。截取1/2处脚面所在的子区窗口，采用区域生长法对该窗口区域进行分割，区域内被分成目标和背景两部分。脚面是目标和背景的分界线，则横坐标为(x0+x1)/2处的分界点就是人脚1/2处脚面位置，我们用y3表示该点的纵坐标。

[0058] 同样过程，我们可以提取出2/5处和3/4处的脚面位置。

[0059] （4）脚面的关键部位实际高度计算

[0060] 由以上步骤，侧面照的足尖与足后跟之间的距离为x1-x0个像素，1/2处脚面高度是y3-y1个像素。根据脚长和脚高之间的比例关系，可以得出1/2处脚面的实际高度为同样方式我们可以计算出3/4处和2/5处的脚面高度。

[0061] 3、优点及功效

[0062] 本发明的优点是：将标准A4纸作为参考，通过几何校正、图像处理技术能够有效的获取脚的关键部位的数据。对采集的50组图像数据中，脚长、脚宽以及脚面关键部位的高度测量结果误差均在2毫米之内。

[0063] 根据鞋码和脚长的一般计算公式

[0064]

[0065] 按照半个码数计算误差，可得脚长误差在2.5毫米之内，再结合脚宽和脚高的误差以及鞋商的制鞋所用的标准，将脚长、脚宽以及关键脚面高度的测量结果最大误差定在2毫米，可以满足购鞋者选着鞋码和鞋商制鞋时的需求，而本发明的方法实验结果误差均在2毫米之内。（四）附图说明

[0066] 图1(a)正面照图像采集方式示意图

[0067] 图1(b)侧面照图像采集方式示意图

[0068] 图2(a)正面照脚长、脚宽测量流程图

[0069] 图2(b)侧面照脚面关键部位高度测量流程图（五）具体实施方式

[0070] 为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述：

[0071] 本发明在Microsoft Visual C++6.0编程环境下结合opencv1.0实现。正面照脚长、脚宽测量流程如图2(a)所示，侧面照脚面关键部位高度测量见流程图2(b)。计算机配置采用：Intel Core i2E7300处理器，主频2.66GHz，内存3GB，操作系统为32位WindowsXP专业版。该人脚关键部位的数据提取与测量方法包括以下步骤：

[0072] 步骤1：按图1(a)、图1(b)，图像采集方式示意图的形式采集正面照和侧面照，具体采集方法如下：

[0073] ①正面照的采集方法：将白色A4纸短边一侧贴墙放置；用户将脚踩在A4纸上，尽量使脚的中轴线与A4纸的中轴线对齐；足跟靠墙，使得足跟位置和A4纸边缘处对齐，脚的长度方向与A4纸的长度方向一致，且确保脚完全落在A4纸内部；摄像头在脚的正上方50厘米到70厘米之间、拍摄角与地面垂直进行成像，尽量保持A4纸在图像中不歪斜，并确保视场内完全包含A4纸区域。

[0074] ②侧面照的采集方法；侧面照不需要A4纸，只需要用户站在墙壁或一个纯色挡板的前面，脚的外侧靠墙或挡板；镜头从脚的内侧向脚的外侧成像，距离侧面脚的距离30厘米到50厘米，拍摄角平行于地面，并与脚面保持同样高度；

[0075] ③视场内场景要尽量简单：正面照要求视场内只包含脚、A4纸和地板；侧面照的背景应该是简单的墙壁或挡板，避免其它干扰物出现；同时要求用户穿黑色或其它深色的袜子，以保证脚、A4纸和地板有足够大的反差对比。

[0076] 步骤2：检测A4纸四个角顶点坐标，对图像进行几何校正；

[0077] 具体实现过程如下：

[0078] ①Sobel算子是基于梯度算子的3×3的领域。Sobel算子的卷积模板由检测水平方向梯度模板

[0079]

[0080] 和检测垂直方向梯度模板

[0081]

[0082] 组成。两个模板分别应用于正面照图像，每个像素点的水平方向和垂直方向的梯度值平方求和再开根，可得正面照图像的梯度图；

[0083] ②根据经验，边缘所在梯度图图像的面积比例约占0.1。所以，本方法通过统计梯度图的直方图，从灰度值为255开始计算累积概率，将累积概率为0.1所对应的灰度值设定为阈值，小于阈值的像素置为255，大于阈值的像素置为0，从而提取出包括A4纸和脚目标边缘的二值化图像；

[0084] ③对步骤②中得到的二值图像，在水平轴上[-5°,5°]的范围内以1°为步长对图像进行灰度投影。A4纸处在图像的中间位置，从图像中间位置向两侧，检测灰度投影的极值，检测出左右两条纵向边以及它们的方向角。同样做法能够检测出A4纸的上下两条横向边和它们的方向角。计算左右两条纵向边和上下两条横向边之间的交叉点，即可得到A4纸四个角顶点位置的粗略坐标。

[0085] ④以步骤③中得到的A4纸四个角顶点位置坐标为中心，在原灰度图上相应位置截取四个140×140大小的子图。将四个子图中边缘所占图像面积的比率设置为0.15，重复上面的步骤①至③，即可得到A4纸的四个角顶点位置的精确坐标。

[0086] ⑤A4纸实际四个角顶点的相对坐标已知，将A4纸四个角顶点在校正图像上的坐标值和实际坐标值代入校正变换公式：

[0087]

[0088]

[0089] 其中，x是校正图像上的顶点的横坐标值，x'是对应实际横坐标值，y是校正图像上的顶点的横坐标值，y'是对应实际横坐标值。8个方程8个未知数，解出ai(i=0,1,2,3,4,5,6,7)，得到图像的校正变换函数。

[0090] 利用上述的求解的校正变换函数和双线性内插法对失真图像进行几何校正。

[0091] ⑥从校正后的图像中截取A4纸所在矩形区域，去掉背景。得到带有脚目标的A4纸子图像。

[0092] 步骤3：正面脚的目标提取与测量；

[0093] 由步骤2截取到A4纸子图像，从这个子图像中提取出脚长和脚宽两个数据。具体实施过程如下：

[0094] （1）足尖位置的检测

[0095] 足尖是落在A4纸的上半部分区域内的，而足后跟是与A4纸的底边对齐的。因此可以在A4纸子图的上半部分检测足尖的位置，并根据脚与A4纸的比例关系计算出脚长。具体过程为：

[0096] ①截取A4纸子图像上半部分子区，利用Sobel算子进行边缘检测，用0.06的面积比例进行阈值选择，对子区进行二值化。

[0097] ②二值图像中有散落的噪声点，采用形态学闭运算对二值图进行滤波，运算模板的大小为5×5

[0098]

[0099] ③对去噪后的二值图像，从上向下按行搜索每一个目标点。以该目标点为中心取5×8的窗口，将窗口上下对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，并求平均。而第一个满足灰度差平均值大于30的目标点即是足尖的位置，用(x,y)表示。

[0100] （2）第一蹠骨和第五蹠骨的位置检测

[0101] 由于第一蹠骨和第五蹠骨分别位于脚掌的两侧，用如下过程检测这两点的位置：

[0102] ①对前脚掌所在的子区进行边缘检测并滤波。与足尖位置检测的过程相类似，对脚宽处的边缘所在区域利用Sobel算子纵向模板进行纵向边缘检测，并用形态学闭运算滤波；

[0103] ②确定第一蹠骨的横坐标位置。在A4纸子图上、对应从足跟到足尖的69.5%位置处的纵坐标，用1×16窗口从右向左搜索，将窗口右左对折，在原灰度图上统计对折窗口内对应位置的灰度差，灰度差的均值大于25的位置就是第一蹠骨位置，将该点处的横坐标记为xinner。

[0104] ③确定第五蹠骨的横坐标位置。与步骤②相类似，在足跟到足尖的62.5%位置处，用1×16窗口从左向右搜索，第一个满足窗口左右对折灰度差平均值大于25的位置就是第五蹠骨的位置，将该点处的横坐标记为xouter。

[0105] （3）脚长和脚宽的计算

[0106] A4纸子图像的大小为M×N，其实际的尺寸是210毫米×297毫米。足尖坐标为(x,y)，则脚的实际长度为297×y/M毫米，脚的实际宽度为210×(xinner-xouter)/N毫米。

[0107] 步骤4：侧面脚的目标提取与测量；

[0108] 假设侧面照中足后跟在图像的左侧、足尖在右侧，则脚面关键部位的检测和高度测量方法如下：

[0109] （1）检测足跟和足尖

[0110] 在图像从底部到高度的1/2区间内，检测图像中纵向的边缘，即可定位到足跟和足尖的位置。具体过程如下：

[0111] ①采用垂直方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出足尖和足跟处的纵向边缘。所采用模板如下：

[0112]

[0113] ②足跟和足尖的边缘在图像中所占面积比例为0.1，用该面积比例作为阈值对图像二值化，得到边缘二值图；

[0114] ③用5×8的窗口从左向右按列搜索，假设窗口中目标点个数为n，则第一个满足n/(5×8)>25的窗口所在位置就是足后跟的位置粗略位置(x'0,y'0)。以(x'0,y'0)为中心的20×20窗口内细搜索，确定足跟的精确位置(x0,y0)。

[0115] ④同样过程，当从图像右侧开始向左按列搜索时，定位到足尖的精确位置(x1,y1)。

[0116] （2）检测足底

[0117] 以前脚掌的底部位置作为足底位置来检测。前脚掌一般是脚长的1/3，其横坐标位于(x0-(x1-x0)×2/3,x1)，则该位置的足底检测过程为：

[0118] ①用水平方向的梯度模板对图像进行边缘检测，突出横向边缘，模板为；

[0119]

[0120] ②在横向边缘图像上，横坐标为(x0-(x1-x0)×2/3,x1)、纵坐标为(0,min(y0,y1))的区间内，计算水平方向的灰度积分投影，积分值最大的行所在的纵坐标即是足底的纵坐标，记为y2。

[0121] （3）脚面关键部位的检测

[0122] 从足跟到足尖的2/5、1/2、3/4位置处的脚面高度是脚的关键数据。此处以从足后跟到足尖的1/2处为例，介绍脚面关键部位的检测。

[0123] 1/2处脚面的横坐标为(x0+x1)/2、纵坐标大约为y2+(x1-x0)/3。截取1/2处脚面所在的子区窗口，采用区域生长法对该窗口区域进行分割，区域内被分成目标和背景两部分。脚面是目标和背景的分界线，则横坐标为(x0+x1)/2处的分界点就是人脚1/2处脚面位置，用y3表示。

[0124] 同样过程，我们可以提取出2/5处和3/4处的脚面位置。其中，2/5处的脚面高度以后脚掌底部作为足底计算。

[0125] （4）脚面关键部位的实际高度计算

[0126] 根据脚长和脚高之间的比例关系，可以得出1/2处脚面的实际高度为同样方式我们可以计算出3/4和3/5处的脚面高度。

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