專利名稱：應(yīng)用莫阿干涉條紋分析測量腳形的腳形測量設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人的腳形測量裝置。具體地說，本發(fā)明涉及測量腳形的裝置，該裝置通過產(chǎn)生承受重量的腳掌的莫阿干涉條紋圖形，然后對該圖形進(jìn)行分析以確定腳形而測量腳形。
過去的測量腳形的器械，一般使用兩種不同操作法之一。
第一種方法涉及通過用腳側(cè)與一個探頭實(shí)際的接觸，對腳形作機(jī)械測量。例如，多數(shù)鞋店中使用的一般腳碼測量工具，一般有兩個塊體，一個固定，一個沿兩塊體之間的距離標(biāo)尺滑動。將腳跟接觸固定塊，推動滑塊，使之與腳趾接觸，然后可從標(biāo)尺讀出腳的長度。但是使用與腳實(shí)際的接觸的器械時，即使量同一只腳，而由于腳組織的可壓縮性，并且難以測定精確的接觸時間，往往產(chǎn)生不同的測量結(jié)果。
第二個方法涉及將待測量的腳放在一個對有光或無光敏感的探測器陣列上。然后從上方對腳照明，通過對探測器進(jìn)行掃描，以確定該腳的輪廓。這類器械的一個實(shí)例，可見于頒發(fā)給加德納(Gardner)的美國專利第4，538，353號及與之相關(guān)的頒發(fā)給加德納等人的美國專利第4，604，807號中。
這方法為上述第一方法的改進(jìn)，其改進(jìn)在于它產(chǎn)生一個完整的腳部輪廓，而不是僅為一個寬度或長度的單一直線量度。并且還不需要與腳側(cè)實(shí)際的接觸，此方法提高測量的可重復(fù)性。但是此方法有若干本身的不正確性。人腳沒有正方形的側(cè)邊及與之垂直的腳掌。恰恰相反，人腳則為弧形，從腳掌與支撐平面接觸的部分則為平直。在腳底弓范圍中，從腳邊向里的一段相當(dāng)大的距離中，腳掌不能與支撐平面接觸。
腳部的這種三維量度性質(zhì)，可使光泄漏到腳緣下方，激勵檢測器，檢測出的腳部輪廓比實(shí)際的腳要小很多?？s小的程度取決于受測量的腳。有的腳可能周緣與支撐平面緊密接觸，或者只有很小或甚至沒有腳底弓，從而比其他的腳覆蓋較多的檢測器。假如測量時沒有用正常的體重加載，則也可能發(fā)生尺寸縮小現(xiàn)象。
這第二種方法又因?yàn)殡y于從腳的上方直接提供準(zhǔn)直照明，而有投射腳和腿的陰影的問題。
這種先有技藝領(lǐng)域的測量器械，已普遍用于腳部測量，決定鞋的尺碼和寬度。但很多時間，人們需測量腳部，以制作矯形墊用以平衡腳部至一個跖行姿態(tài)。
過去制作這種鞋墊通過模仿腳的輪廓壓印在永久變形材料以制造模具。然后直接用該模具制造鞋墊，或用從第一模具制造的正塑型上取得的第二模具來制造。然而腳部在變形介質(zhì)中的插入角度上的微小變化，便可導(dǎo)致模具不正確，也導(dǎo)致鞋墊的形狀不正確。如果使用本發(fā)明的腳形測量設(shè)備測量腳只，便不存在這些問題。
因此，本發(fā)明的一個目的是提出一種腳形測量器，該測量器可在有正常立姿的腳的載荷下，在高于支撐平面的高度上，測量腳的尺寸。
本發(fā)明的第二目的是提出一種腳形測量器，該測量器可測量腳的周緣內(nèi)的腳底弓及腳的其他特點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的是提出一種腳形測量器，該測量器可將腳的圖象記錄以備以后查閱與分析。
本發(fā)明的又一目的，是提出一種腳形測量器，該測量器可產(chǎn)生腳部的測得量度或腳上一個位置的“特征”，將該特征和以前測得的腳的一個數(shù)據(jù)庫比較以選擇形狀適當(dāng)?shù)男驂|。
上述及其他的目的對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是容易理解的，也可為本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出的一種腳形測量器，包含一個用以產(chǎn)生表示待分析的腳掌的形貌的莫阿干涉條紋圖形。配設(shè)以一個圖象收集裝置以將莫阿干涉條紋圖形收集并存儲入一個圖象存儲緩沖器中。然后將收集的圖象提供給一個圖象分析裝置，該裝置對莫阿干涉條紋圖形的圖象作分析，以便至少確定腳上兩個有關(guān)點(diǎn)的位置。然后用一個計算裝置對諸如相當(dāng)于兩點(diǎn)之間距離的腳長度或?qū)挾然蜻m當(dāng)?shù)男a及鞋墊等信息進(jìn)行計算。
在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，首先用一個圖象處理裝置處理已收集的圖象，增強(qiáng)已收集的圖象的邊緣。圖象處理可用索貝爾對合技術(shù)或其他象邊增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行。
首先用已處理的圖象識別有關(guān)點(diǎn)的約略位置，然后僅在粗略確定位置的附近檢查未處理圖象，尋找其準(zhǔn)確位置，這樣便可更準(zhǔn)確地確定有關(guān)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。
在一種最優(yōu)先選擇的設(shè)計中，圖象處理裝置僅處理收集的圖象的窗口部分。窗口部分主要限制于包含腳形的圖象部分，因而減少處理時間。在作兩足分析時，包含第二只腳的圖象第二窗口部分在處理前可以是左右顛倒的倒鏡象，使得可用相同的處理程序處理左右部分的圖象。


圖1為本發(fā)明的腳形測量器裝置的透視圖。
圖2為本發(fā)明的側(cè)面剖視圖，示出本發(fā)明的主要物理及光學(xué)元件。
圖3為防止外部光線進(jìn)入本發(fā)明裝置的遮光罩細(xì)節(jié)圖。
圖4a-4d示出一只腳圖象處理過程的各種狀態(tài)。
圖5示出腳部上的若干主要點(diǎn)及測得的量度。
圖6a-6c為表示圖象處理結(jié)果的曲線圖。
圖7示出索貝爾對合圖象處理法的3×3索貝爾象核。
圖1示出本發(fā)明腳形測量器的透視圖，以標(biāo)號10表示其整體。
主要的電氣元件及光學(xué)元件放在主殼12中，其一部分突出形成一個踏級14。踏級14的上表面由透明支撐板16(圖2中較清晰可見)覆蓋，主殼中的光學(xué)元件可透過該透明支撐板觀察腳掌。踏級部分的兩側(cè)各有一個扶攔18，使待檢查腳部的患者可舒適地站在支撐板上。
一個不透明遮光罩20(其細(xì)節(jié)示于圖3)圈圍患者腳部，以防從下面可以看到患者的腿及足踝。遮光罩的設(shè)計可防外部光進(jìn)入殼體。它包含兩個供放入患者腿部的孔的不透明織物。隙縫21使遮光罩20可圍包患者的腳部，見圖1。鎖扣23可用尼龍搭扣形成，以將遮光罩緊扣在其位上。
放在主殼體上的一個監(jiān)測器22，用以顯示患者腳部的各種圖象。在主殼上部部分中的監(jiān)測器下方安裝一臺計算機(jī)24，其中有傳統(tǒng)的可更換媒體磁盤驅(qū)動器26。
如下文所詳細(xì)敘述，所用的計算機(jī)必須有足夠大的容量以承擔(dān)圖象處理的任務(wù)。使用INTERL80286微處理器的IBMAT計算機(jī)或類似機(jī)型很適合作這種用途，尤其在時鐘速度超過8兆赫運(yùn)轉(zhuǎn)時更加適用。
可更換媒體磁盤驅(qū)動裝置26，最好能存儲1兆字節(jié)信息。然后可將關(guān)于患者腳部的測量數(shù)據(jù)以及腳部的圖象作為患者的病歷記錄存儲在磁盤中。
現(xiàn)參看圖2，可以看到主要電氣元件及光學(xué)元件。一個光源28可調(diào)節(jié)地安裝在光源臺30上，將一束部分準(zhǔn)直照明光線通過一個光闌32向下照射。
光闌32內(nèi)包括一個矩形孔33，將光束35約束成一個矩形光束，防止外來光線通過攝影機(jī)臺34的下方。
然后用定形光束35照射照明鏡36，光束向上反射，沿圖中箭頭38表示的光路照明腳部。此光線傳播所沿的光路的方向在本文中以下稱為“第一方向”。將照明鏡36在可調(diào)安裝架40上移動，便可改變第一方向38，安裝架40可將照明鏡36的一端升降，以改變?nèi)肷浣羌胺瓷浣恰?br> 腳掌用通過透明支撐板16的定形光束38均勻地照明。支撐板16表面上形成一個線性光柵41。光柵用圖2中支撐板16上的致密間隔的垂直陰影線一般表示。但應(yīng)理解線性光柵41，實(shí)際為一組在支撐板16表面上的致密間隔的精細(xì)平行不透明線。光柵線沿與圖2切割平面垂直的方向上橫過該表面，也就是從圖1中所示的患者的右方伸向左方，與支撐板16的前、后緣平行。
在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，將這些不透明光柵線直接刻劃在支撐板16的表面上，該支撐板用具有足夠強(qiáng)度的鋼化玻璃制作可輕易地支持患者的體重?？虅澗€間的中對中距離最好是0.7mm，線條寬度0.3至0.4mm，但是，線性光柵只要能如下文所述產(chǎn)生表示腳掌形貌的莫阿干涉條紋圖形即可，也可改變上述的量度。
也可以用一組細(xì)的平行金屬絲掛在支撐板16下面的框架上?；蛴猛该髂て谄渖厦嬗脭z影方法復(fù)印不透明線以制作適當(dāng)?shù)墓鈻拧?br> 光束38通過不透明光柵線條時，形成一組投射到腳掌上的陰影線。凡是腳掌與支撐板16接觸或平行的部分上，這些陰影線均呈直線，而凡是腳掌離開支持板的部分上，陰影線則沿腳的等高線彎曲。陰影線的位置及其對直線的偏離，攜帶著腳掌離開支撐板的高度的信息，該信息通過下述程序取得。
光接觸到腳掌后，通過光柵41反射到直接放在腳下的攝影鏡42，再反射到第二攝影鏡44上，射入攝影機(jī)46中。在優(yōu)先選擇的實(shí)施側(cè)中，攝影機(jī)46配置成直接指向下而對著第二攝影鏡44，該第二攝影鏡44設(shè)定成傾斜45°的角。攝影鏡42也設(shè)定成傾斜45°的角度，于是攝影機(jī)可以看到沿箭頭48所示方向上的腳部圖象，在本文中該方向稱為“第二方向”。應(yīng)注意到第二方向48定義成與在這點(diǎn)上光線傳播的方向相反。
由于第二方向48基本與支撐板16的平面垂直，攝影機(jī)46中看到的圖象在全部圖象面積上有均勻的標(biāo)度。
雖然未在圖中示出，但支撐板16的表面上還標(biāo)上若干基準(zhǔn)點(diǎn)，距離標(biāo)尺和窗口框標(biāo)線，以供(1)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)校并校準(zhǔn)，(2)攝影機(jī)中的圖象(以象素為單位)的距離和支撐板表面上的距離之間的標(biāo)度因子的換算，(3)供患者在支撐板上準(zhǔn)確放置腳部。設(shè)備組裝后，細(xì)心核對標(biāo)度因子以保證整個圖象面積中的標(biāo)度因子基本上統(tǒng)一。
在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，光源28為100瓦光源。在這相當(dāng)?shù)偷耐邤?shù)下，保持產(chǎn)生的熱量最低，如果主殼有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)便不須設(shè)置輔助排氣風(fēng)扇。
鏡36，42及44都必須為高品質(zhì)，但并不要求為表面鍍膜精密光學(xué)精度鏡，使用良好的平板玻璃鏡即可。最好將三面鏡子36，42及44安裝在一個單一的盤50中，該盤可以拆卸以便對鏡子進(jìn)行清潔及調(diào)節(jié)。
如可從圖2中清晰地看到，攝影機(jī)46通過支撐板16上的光柵41觀察腳部。于是有直的光柵線條的無畸變圖象疊加在有彎曲陰影線的腳部圖象上。由于第一方向38與第二方向48不同，于是攜帶有關(guān)腳掌起伏信息的彎曲陰影線與光柵的直線干涉以產(chǎn)生一個干涉條紋圖形。
這種干涉條紋圖形稱為莫阿干涉條紋圖形。干涉條紋沿光柵表面上方的等高線上形成，其間距取決于光柵尺寸，第一方向38與第二方向48間的角差φ，和腳表面的斜率。于是攝影機(jī)46中所見到的圖象具有腳掌的形貌圖的樣子帶有在腳掌離開支撐板表面處出現(xiàn)形貌的干涉條紋線，該形貌的干涉條紋線主要出現(xiàn)于腳底弓和沿腳的周緣處。
圖5示出攝影機(jī)46中觀察的腳部的圖象。在腳的邊緣處腳的表面接近于與支撐板垂直，干涉條紋52集聚在一起，形成陰暗帶，輪廓出腳部的真實(shí)外緣。通過確定沿這陰暗帶的有關(guān)點(diǎn)的位置，便可精確確定腳的外部量度。
攝影機(jī)中觀察到的腳部圖象，實(shí)際上包含兩組線，即直線光柵的線與通過光柵的光投射的彎曲陰影線。莫阿干涉條紋為一種由于發(fā)生于任何兩組線相交處可見性增強(qiáng)而造成的光學(xué)效應(yīng)。然而，與形成干涉條紋的兩組線比較，這種莫阿干涉條紋顯得更寬、更強(qiáng)，在圖象上有較寬的條紋間距。當(dāng)由攝影機(jī)觀看圖象時，攝影機(jī)沒有將狹窄地間隔的光柵線充分分辨，在圖象中看不到，僅能見到輪廓清晰的干涉條紋。
雖然由于其構(gòu)造簡單使用上述的特定裝置以產(chǎn)生莫阿干涉條紋合乎理想，但其他的裝置更為適用。例如可用一個投影器，將光柵的圖象從第一方向投射到腳部上，而攝影機(jī)可從第二方向上通過另一光柵觀察腳部?；蛄硪环N選擇的方法，可以將第二組光柵線用電子裝置附加在攝影機(jī)中觀察到的圖象上。
然而，無論怎樣產(chǎn)生莫阿干涉條紋圖形，最后它的一個圖象將被收集并存儲在一個圖象存儲緩沖器中，在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，攝影機(jī)46在內(nèi)部傳感器的陣列上形成莫阿干涉條紋圖形的圖象，產(chǎn)生規(guī)模為512×512象素的數(shù)字化圖象。計算機(jī)24包含一個圖象收集系統(tǒng)與攝影機(jī)46連接，當(dāng)一個遙控開關(guān)起動時，收集并存儲由攝影機(jī)觀察到的圖象。
初始的未處理圖象包含512×512象素的陣列，每一象素的灰色標(biāo)度值為零至255。這種分辨率已足以供莫阿干涉條紋圖形分析之用，但發(fā)現(xiàn)有其他分辨率的攝影機(jī)也可令人滿意地使用。
到此為止，歸納腳形測量器的動作，患者踏上支撐板16，面向主殼體12，手扶扶攔18。然后用遮光罩20圍繞患者足部以防外來光線進(jìn)入攝影系統(tǒng)而干擾測量。
計算機(jī)系統(tǒng)最好設(shè)計成能在監(jiān)測器22上連續(xù)顯示攝影機(jī)圖象，從而使患者可在操作者的指導(dǎo)下移動腳部，使之與支撐板表面上的基準(zhǔn)點(diǎn)正確對正。
一旦患者將腳放定，操作者啟動開關(guān)或在撳壓鍵盤(未示)上的按鈕以向計算機(jī)發(fā)送信號，使之收集監(jiān)測器上所顯示的圖象。收集到的圖象包含由莫阿干涉條紋所攜帶的腳部形貌測量的編碼的高度及形狀的信息，該信息按下述通過圖象的計算機(jī)化分析確定。
在多數(shù)情況下，主要關(guān)心的項(xiàng)目并非腳部在支撐板上方的高度問題，而是在支撐板表面上方的腳上一個有關(guān)的點(diǎn)在支撐板上的投影位置。例如，測定腳的長度時，最長腳趾的尖部一般不和支撐板接觸。這點(diǎn)在支撐板上的準(zhǔn)確高度一般并不重要，計算腳部長度時僅需知道該點(diǎn)在支撐板上的位置。如前所述，莫阿干涉條紋描繪腳的最大周緣，包括最長腳趾頂點(diǎn)和腳跟的端點(diǎn)等。因此，通過確定收集圖象周緣上的各點(diǎn)，并測量各點(diǎn)間的距離，便很容易確定所需要的諸如腳長，踵寬，最大腳寬等的量度。
每當(dāng)需要高度信息的時候，總是可通過對有關(guān)點(diǎn)和附近的與支撐板表面接觸的一點(diǎn)之間的干涉條紋數(shù)進(jìn)行計數(shù)而計算該高度。熟悉莫阿干涉條紋形貌測量分析的人都知道，每比前一條干涉條紋高出一個預(yù)定的高度，便又出現(xiàn)一條新的干涉條紋。高度差由下列關(guān)系式?jīng)Q定h＝ (d)/(tanφ)式中h表示高度差，d為光柵線間距，φ為第一(照明)方向與第二(觀察)方向的夾角。
于是，通過對與支撐板接觸的一點(diǎn)和一個有關(guān)點(diǎn)之間的干涉條紋N進(jìn)行計數(shù)，有關(guān)點(diǎn)的高度H便可用下列關(guān)系式求得H＝Nh＝ (Nd)/(tanφ)在下面的揭示中，敘述如何求出每一個有關(guān)點(diǎn)及每條干涉條紋的位置。
在優(yōu)先選擇的設(shè)計中，將圖象收集系統(tǒng)啟動后，計算機(jī)自動地將圖象處理，識別腳上的各個點(diǎn)，測定這些點(diǎn)間的距離，產(chǎn)生一個相當(dāng)于這些距離的有用信息的輸出。
一般產(chǎn)生的兩個輸出為腳的長度及寬度，可按長度單位或標(biāo)準(zhǔn)鞋碼及鞋寬顯示。
最好還測量腳上的另外若干點(diǎn)，這些點(diǎn)有關(guān)確定腳的形狀的方法，及它如何承受加在其上的重量的方式。通過測量大量的腳只，每一只腳還經(jīng)受過訓(xùn)練的醫(yī)生仔細(xì)診斷，積累成為信息庫。于是可測量待診斷的腳，與這信息庫比較以產(chǎn)生一個輸出量化腳與跖行狀態(tài)的差異程度，從而有助于醫(yī)生對該腳的診斷及治療。
此外，信息庫中可包含對一個標(biāo)準(zhǔn)鞋墊或過去已發(fā)現(xiàn)的平衡一只具有相似測量結(jié)構(gòu)的腳至跖行狀態(tài)的矯正法的對照資料。
因此，測量分析處理的另一輸出可以是一個編碼識別一種過去已經(jīng)制造的鞋或可將腳平衡到無癥狀態(tài)的矯形鞋墊。對于腳的特殊結(jié)構(gòu)問題，在數(shù)據(jù)庫中找不到相應(yīng)于過去已測量及診斷的腳型時，該輸出可能是度腳訂制的矯正鞋墊所需要的量度。
對于每一輸出，出發(fā)點(diǎn)是識別腳上有關(guān)點(diǎn)的位置。例如，圖5示出患者右腳;為從下方觀看的收集的圖象。兩個有關(guān)點(diǎn)A及B分別相當(dāng)于用以測定腳長的腳趾頂部和腳踵底部。周緣干涉條紋通過這兩點(diǎn)，有關(guān)的差別標(biāo)準(zhǔn)是在圖象頂部的干涉條紋上的點(diǎn)(點(diǎn)A)和在圖象底部的干涉條紋上的點(diǎn)(點(diǎn)B)。
廣義地說，全部過程包括(1)收集原始圖象，(2)對圖象進(jìn)行分析，確定有關(guān)點(diǎn)的位置，(3)計算相當(dāng)于點(diǎn)間距離的輸出信息。
圖象的收集及存儲，包括迅速掃描整個512×512象素圖象陣列，將相當(dāng)于該象素照明度的一個8比特數(shù)字存儲?？商峁┻@種功能的傳統(tǒng)圖象收集系統(tǒng)C已廣泛出售。完全收集的圖象有兩只腳的圖象以及某些邊緣區(qū)及支撐板上的基準(zhǔn)點(diǎn)。如下所述，在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中在收集的圖象中的每一象素都是被處理過的。為提高處理速度，僅需存儲包含實(shí)際的腳圖象的圖象部分。一般地對每只腳僅存儲全部圖象的一個窗口分圖象，該窗口分圖象也可減少計算機(jī)24中對儲存器的要求和儲存空間的要求。
在整個圖象中凡有腳出現(xiàn)時，所要求的窗口的規(guī)模和位置都可用計算機(jī)計算以幀一只腳的每一個分圖象。然而，已發(fā)現(xiàn)在支撐板表面上標(biāo)出窗口，并在收集圖象前，由操作者保證患者將腳放入窗口中則更為簡單。在整個512×512象素的圖象中，每一腳只的分象寬約100象素，高約300-400象素。
第二種簡化處理程序是對左腳圖象進(jìn)行左右顛倒的鏡象倒置使之它顯現(xiàn)為右腳圖象。這樣便可將同一高速圖象處理和分析程序用于左右腳的分圖象上。
一旦收集初始圖象，抽出分圖象后，便可單獨(dú)傳送到圖象分析器。在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，分析器為諸如IBM-AT或兼容計算機(jī)。這類計算機(jī)有適當(dāng)圖象收集系統(tǒng)的接口，易于購置，在這用途上有足夠速度而價格低廉。
圖象分析機(jī)操作的一種方法是直接法。在這方法中，圖象分析機(jī)通過掃描腳部分圖象的每一行象素，從腳尖開始向下工作，直到發(fā)現(xiàn)有腳周界莫阿干涉條紋的第一行為止來識別腳趾尖部的點(diǎn)A，包含干涉條紋的象素有與背影一個明顯差別的圖象強(qiáng)度級，可通過將每一象素與平均背景強(qiáng)度比較而進(jìn)行識別。
可用一個相似的方法，通過從下向上查找各行以識別在踵部上的點(diǎn)B的行列編號。從左列向右列查找，便可找出設(shè)定腳的寬度的點(diǎn)G的及點(diǎn)H的位置。事實(shí)上，從早先識別腳周界上的點(diǎn)，通過依次逐個象素勾劃出腳周界干涉條紋，從而識別腳周界上的每一個點(diǎn)。
上述直接找點(diǎn)方法雖然可行，但不幸必須極為細(xì)心以避免出現(xiàn)檢測干涉條紋的位置的錯識。圖象的隨機(jī)噪聲，攝影機(jī)或光學(xué)器械的內(nèi)反射等，都可能產(chǎn)圖象中的點(diǎn)的亮度變化，從而錯誤地作為腳周莫阿干涉條紋而加以檢測。
在收集的圖象上采用圖象處理以增強(qiáng)圖象的邊緣從而增強(qiáng)干涉條紋的邊緣與背景的反差，已發(fā)現(xiàn)可實(shí)質(zhì)上提高效果。
雖然已知有許多不同的邊緣增強(qiáng)技術(shù)，包括快速傅里葉變換濾波法，羅伯次對合法等技術(shù)，但本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)使用3×3象核的索貝爾對合依賴著點(diǎn)所在位置以增強(qiáng)垂直或水平邊緣則具有最高的工作效率。
圖7示出一個在圖象處理也用計算機(jī)24執(zhí)行的步驟中所使用的增強(qiáng)垂直邊緣的3×3象核。該3×3象核有九個元素，包括三個行(r1至r3)和三個列(c1至c3)的數(shù)字，形式如井字棋圖形。圖7中的垂直對合象核按以下方法使用以產(chǎn)生有增強(qiáng)垂直邊緣的處理圖象1.在原始收集的圖象中，選擇位在行y，列x位置上的一個亮度大小為p(x，y)的象素。
2.將3×3象核放在所選擇的象素上，使象核中的中心元素r2c2直接地疊置在所選擇的圖象象素p(x，y)上，周圍的八個單元疊置在所選擇的象素周圍的八個象素上。
3.將3×3象核中每一個元素的數(shù)值乘積乘以該元素下面的圖象象素的亮度。
4.將前一步驟中取得的數(shù)字相加以取得一個新的亮度級p′(x，y)，并插入該和數(shù)作為在位置(x，y)上新處理的圖象即垂直索貝爾處理圖象的亮度值。
5.重復(fù)對全部原始象象素p(x，y)的該程序，以產(chǎn)生完全處理的圖象。
具體而言，處理圖象中象素p′(x，y)的值如下p′(x，y)＝r1c1p(x-1，y-1)+r1c2p(x，y-1)+r1c3p(x+1，y-1)+r2c1p(x-1，y)+r2c2p(x，y)+r2c3p(x+1，y)+r3c1p(x-1，y+1)+r3c2p(x，y+1)+r3c3p(x+1，y+1)或?qū)⒋怪?×3象核的實(shí)際元素代入
則p′(x，y)＝p(x+1，y-1)-p(x-1，y-1)+2p(x+1，y)-2p(x-1，y)+p(x+1，y+1)-p(x-1，y+1)圖6a-6c示出這種處理法結(jié)果的簡化二維曲線圖表示法。圖6a表示一只腳的沿一行象素例如沿圖5中G-F線的象素通過未處理分圖象的一個片。垂直標(biāo)度示出在0至255范圍內(nèi)的象素的強(qiáng)度。水平標(biāo)度示出沿G-F線上象素的位置。腳外的背景亮度等于或接近于零，在腳部內(nèi)的亮度達(dá)到最大。腳外緣的點(diǎn)J與K之間，象素亮度逐漸增大。一個實(shí)際的分圖象一般會比圖6a的曲線圖有基本上更大的波動性，因?yàn)樵陉P(guān)于索貝爾處理法的本說明中未考慮干涉條紋及其他噪聲。
再參看圖7，可以看到列1中的元素與列3中的元素相等而符號相反，而列2中的元素全部為零。因此，凡未處理圖象有均勻的不變化的亮度時(在腳的中部及背景區(qū)中)，索貝爾對合值為零。象核右側(cè)的象素的正作用，正好由象核左側(cè)的象素的負(fù)作用抵銷。這種抵銷作用可從圖6b中的點(diǎn)K-L之間，以及點(diǎn)J的左側(cè)與點(diǎn)M的右側(cè)看到。
然而，在象素亮度變化處，如圖6a中的J-K之間與L-M之間，象核對該效果有不相等的作用。在原始圖象的亮度遞增處，如圖6a中的點(diǎn)J與K所示，象核右側(cè)的正作用超過負(fù)作用，形成圖6b中點(diǎn)J與K之間的正“隆峰”。在數(shù)值遞減處，如點(diǎn)L與M之間所示，負(fù)作用超過正作用，形成圖6b中的L-M之間的負(fù)坑。
圖6c示出圖6b中對合效果的絕對值，該值避免在負(fù)亮度數(shù)值下圖象顯示的困難。
從圖6c中可以見到，絕對對合可增強(qiáng)圖6a中圖象的左、右邊緣的位置，明顯地標(biāo)出其位置。消除在圖象中的隨機(jī)噪聲與波動的方式則更難以看出，然而也因?yàn)椴捎?×3象核而消除了該隨機(jī)噪聲與波動，使之更易在H和I處確定邊緣的位置。
雖然上面已參照關(guān)于垂直索貝爾對合法增強(qiáng)圖象中的垂直邊緣作過敘述，但僅需在使用前將圖7中的3×3象核旋轉(zhuǎn)90度就可取得對水平邊緣的相同效果。假如使用絕對對合時，則旋轉(zhuǎn)方向便不重要。
圖4示出本發(fā)明中的若干實(shí)際的經(jīng)過邊緣增強(qiáng)處理的圖象。圖4a示出絕對水平索貝爾對合。亮度用在每一象素位置上打印的點(diǎn)的尺寸模擬。圖4b與圖4a相同，除了前者已被閾化，即具有處理后亮度在閾值以下的全部象素設(shè)定為零(圖中所示的白色處)。在圖4a及4b中，很容易就看到在例如腳趾和腳踵的端部的水平邊緣已被加重，而垂直邊緣例如沿腳的邊緣幾乎從圖中消失。
與之對比，圖4c示出閾化絕對垂直索貝爾對合。在這圖象中，腳趾和腳踵已幾乎消失，而腳圖象的垂直邊緣深暗并加強(qiáng)。
圖4d示出閾化負(fù)垂直索貝爾對合，類似于倒置的圖4b，在這圖象中沒有記錄對合后的每一圖象亮度的絕對值，而僅完成一個閥化程序。這閾化程序消除全部負(fù)值點(diǎn)，僅使沿腳心或腳內(nèi)邊緣的一個邊緣可見。這種處理法可用以輕易地識別僅沿這特定腳緣上的點(diǎn)。
雖然圖7所示的3×3象核為優(yōu)先選擇的象核，但象核元素也可用其他的數(shù)值，或?qū)⑾蠛藬U(kuò)大為5×5，7×7等等，以提供進(jìn)一步邊緣增強(qiáng)及使邊緣平穩(wěn)的效果，但相當(dāng)大程度上減小圖象處理步驟的速度。
現(xiàn)繼續(xù)對操作作敘述，對收集到的圖象開窗口，分成兩個分圖象，左、右腳各一個分圖象。將一個分圖象的左、右顛倒，形成兩個相似的分圖象，可按同樣的方法分析，使腳心側(cè)永遠(yuǎn)處在圖象的右側(cè)，如圖4及5所示。
在最優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，在將分圖象用索貝爾對合法處理及閾化操作前，先將分圖象“剪取”?！凹羧　迸c閾化相似，因?yàn)槊恳粓D象象素都經(jīng)與一個剪取值比較，該剪取值與閾值相似，被設(shè)定在平均背景亮度級以上及在腳圖象區(qū)的平均亮度級以下。但在剪取操作中，將剪取級以下的每一象素的亮度提高到剪取級，而不同于閾化操作時降低到零。
剪取操作可消除大部分背景噪聲波動而不致引起在剛低于和剛高出剪取級的點(diǎn)之間的亮度級的人為邊緣及跳躍。
雖然任何有關(guān)的點(diǎn)都可識別，但一般要識別的點(diǎn)是圖5中的A到G點(diǎn)。為識別點(diǎn)A，首先將圖象剪取，然后如圖4b所示作為閾化絕對水平索貝爾對合進(jìn)行處理。然后按在直接分析程序所述從上部開始向下分析已處理的分圖象中的每一行象，直到識別了包含增強(qiáng)的邊緣的行為止。
雖然該處理程序可消除原始圖象中的許多噪聲波動，但這種消除也傾向于略為減弱邊緣的清晰度，使確定邊緣的準(zhǔn)確位置更加困難。其結(jié)果，通過設(shè)定一個閾值級及在已查找的有高于閾值的象素行中找出全部象素。便可從處理的象素中極易地挑選出邊緣的近似位置。該處理程序保證這些象素非常接近邊緣的實(shí)際位置，且不會產(chǎn)生嚴(yán)重的位置誤差。然而因?yàn)樘幚頃r，發(fā)生的內(nèi)在的修平性質(zhì)，則實(shí)際邊緣位置更難以準(zhǔn)確確定。因此，在本發(fā)明的優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，在點(diǎn)A近似地設(shè)置在已處理的圖象中的位置后，收集到的原始未處理過的分圖象，僅在先前已識別的點(diǎn)A近似位置的附近用圖象處理器檢驗(yàn)，以便確定點(diǎn)A的準(zhǔn)確位置。
用一種相似的方法，點(diǎn)B的位置是通過從下向上掃描已處理的圖象的每一行進(jìn)行識別的。
準(zhǔn)確確定點(diǎn)A及B的象素座標(biāo)位置后，圖象分析器將向計算裝置提供這信息，該計算裝置的功能最好也由計算機(jī)24執(zhí)行。
然后計算裝置可通過測定包含點(diǎn)A的象素的行和點(diǎn)B的象素的行之間的行編碼之差來計算出腳的長度。然后可應(yīng)用在先前測定的圖象的標(biāo)度因子按所要求的單位計算以求出腳長，然后可換算成鞋碼。
按以上所述可確定腳上每一個有關(guān)點(diǎn)的位置并可計算出腳部的各種尺寸。為便于對本發(fā)明作敘述，已將圖5中的點(diǎn)A至點(diǎn)G定位。這些點(diǎn)的相對位置形成腳的一個“特征”，可以之與其他存儲的腳特征圖形的數(shù)據(jù)庫比較，確定與該腳特征圖形最相似的圖形。
由于在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生每一腳特征的腳只，都在過去經(jīng)過仔細(xì)分析而該分析結(jié)果已對每一腳特征作索引，因此計算裝置可用以選出對適應(yīng)的腳特征的分析。假如仔細(xì)選擇該特征點(diǎn)，生成的輸出則可提供準(zhǔn)確的腳形指示。
已發(fā)現(xiàn)點(diǎn)A-G形成用以選擇鞋碼及鞋寬，矯正鞋墊長度，其踵部及前掌下區(qū)域?qū)挾鹊鹊倪m當(dāng)特征。還可增加其他的點(diǎn)，以精選用以提高準(zhǔn)確診斷諸如如平底腳、過前旋等腳構(gòu)造問題的腳特征。
為形成點(diǎn)A-G的特征，首先按上述確定點(diǎn)A及B的位置，并計算出腳的長度。然后通過檢查圖4c中的已閾化絕對垂直索貝爾處理的圖象，確定點(diǎn)C及D之間的腳踵寬度。
最好通過選定待分析象素的一個行，確定點(diǎn)C及D，該C及D點(diǎn)從腳跟點(diǎn)B向上為腳的長度的選定百分比。在上述實(shí)施例中，這選定百分比是腳長的12%，通過經(jīng)驗(yàn)確定，以對該特征給出一個良好的踵寬的指示。然后掃描在12%點(diǎn)上的象素行，首先在已處理的圖象中識別點(diǎn)C及D的近似位置，然后在未處理的圖象中確定最終的準(zhǔn)確位置。
點(diǎn)E位于第一跖骨的頭部。當(dāng)腳正確放置在支撐板上時，點(diǎn)E將是腳周界上最右方的一個點(diǎn)，如在圖5中所示。這點(diǎn)可用與點(diǎn)A及B相同的方法從右側(cè)掃描而不從上部或下部掃描而識別出來。
點(diǎn)F的位置約在點(diǎn)E下2mm處。這點(diǎn)也通過經(jīng)驗(yàn)確定，提供了一個有利于測量腳寬的點(diǎn)。其次，圖象分析器分析沿線F-G的一個行的象素以確定腳的寬度。
從上面的說明可見，計算機(jī)24最好能提供處理圖象的全部功能以增強(qiáng)邊緣，分析圖象以確定有關(guān)點(diǎn)的位置，并計算出系統(tǒng)的輸出。
然后將計算出的輸出在監(jiān)測器上顯示，也可在用打印機(jī)或其他輸出裝置打印。未處理的圖象及輸出信息也可在磁盤驅(qū)動裝置26中的磁盤上寫以存儲入患者病歷記錄中。
于是可見上述所提出的目的，在上面說明中已解說清楚并能有效達(dá)到，由于可將上述結(jié)構(gòu)作某些變化而不脫離本發(fā)明的精神與范圍，全部上述事實(shí)如附圖所示，均應(yīng)認(rèn)為僅作為說明而無限制性的意義。
權(quán)利要求
1.一種腳形測量器，其特征在于包含用以產(chǎn)生表示待分析腳只腳掌形貌的莫阿干涉條紋圖形的裝置；用以將在一個圖象存儲緩沖器中收集并存儲該莫阿干涉條紋的圖象收集裝置；與圖象接收裝置有效連系，用以對莫阿干涉條紋圖形的圖象進(jìn)行分析，確定在腳上至少兩個有關(guān)點(diǎn)的位置的圖象分析裝置；及用以計算相當(dāng)于該兩點(diǎn)間距離的信息的計算裝置。
2.如權(quán)利要求1所述之腳形測量器，其特征在于還包括用以增強(qiáng)收集到的圖象邊緣的圖象處理裝置。
3.如權(quán)利要求2所述之腳形測量器，其特征在于該圖象處理裝置通過索貝爾對合法進(jìn)行邊緣增強(qiáng)處理。
4.如權(quán)利要求3所述之腳形測量器，其特征在于該索貝爾對合法采用3×3象素的象核執(zhí)行圖象處理。
5.如權(quán)利要求2所述之腳形測量器，其特征在于該圖象處理裝置擇優(yōu)地增強(qiáng)基本上與腳只的中線垂直的邊緣。
6.如權(quán)利要求5所述之腳形測量器，其特征在于由圖象處理裝置識別的至少兩個點(diǎn)中之一個點(diǎn)位于腳踵后面，另一個點(diǎn)則位于伸在最前面的腳趾的端部上，該兩點(diǎn)之間的距離用計算裝置計算以測定腳的長度。
7.如權(quán)利要求2所述之腳形測量器，其特征在于該圖象處理裝置擇優(yōu)地增強(qiáng)基本上與腳只的中線平行的邊緣。
8.如權(quán)利要求7所述之腳形測量器，其特征在于該圖象分析裝置識別的至少兩點(diǎn)中之一個點(diǎn)，位于腳的內(nèi)側(cè)緣，另一點(diǎn)位于腳只的外側(cè)緣，計算兩點(diǎn)間距離以測定選定位置上的腳寬。
9.如權(quán)利要求8所述的腳形測量器，其特征在于用計算裝置首先選定測定腳寬用的選定位置，該計算裝置首先計算腳的長度，然后通過選取腳的計算長度的一個預(yù)定百分比，計算出該選定位置。
10.如權(quán)利要求9所述之腳形測量器，其特征在于通過識別約在腳長12%處的腳內(nèi)、外緣上的點(diǎn)，測定腳踵寬度。
11.如權(quán)利要求8所述之腳形測量器，其特征在于在圖象分析器識別腳上的一個有關(guān)的特定點(diǎn)后，計算裝置選定測定腳寬用的選定位置，計算出該選定位置作為離開有關(guān)特定點(diǎn)的預(yù)定距離。
12.如權(quán)利要求11所述之腳形測量器，其特征在于有關(guān)特定點(diǎn)位于第一跖骨的基部。
13.如權(quán)利要求12所述之腳形測量器，其特征在于腳寬在向著腳跟的方向上離開第一跖骨的頭部約2mm處測量。
14.如權(quán)利要求2所述之腳形測量器，其特征在于該圖象分析裝置首先分析圖象處理裝置的包括增強(qiáng)邊緣的輸出以確定該兩點(diǎn)的近似位置，然后分析近似位置附近的無增強(qiáng)邊緣的圖象，以確定該兩點(diǎn)的最后準(zhǔn)確位置。
15.如權(quán)利要求1所述之腳形測量器，其特征在于用以產(chǎn)生表示腳掌的莫阿干涉條紋邊緣圖形的裝置包含一個適合于支持至少一只腳站在支撐板的人體重量的透明支撐板;一個光柵;一個光源定位在沿第一方向通過光柵對腳部照明之處，使光柵投射的陰影圖形在腳掌上形成;一個攝影機(jī)定位在第二方向上通過光柵觀察腳部之處。
16.如權(quán)利要求15所述之腳形測量器，其特征在于攝影機(jī)定位在觀察腳部的第二方向處，基本與支撐板的平面垂直。
17.如權(quán)利要求15所述之腳形測量器，其特征在于達(dá)到腳只的照明光經(jīng)照明鏡反射后沿第一方向傳播。
18.如權(quán)利要求17所述之腳形測量器，其特征在于照明鏡可調(diào)節(jié)，以將第一方向改變。
19.如權(quán)利要求15所述之腳形測量器，其特征在于至少另有一個攝影鏡，該攝影機(jī)在第二方向上從該鏡中觀察腳只。
20.如權(quán)利要求19所述之腳形測量器，其特征在于還另外包括兩個攝影鏡，該兩攝攝影鏡中之一個鏡設(shè)置在支撐板下面。
21.如權(quán)利要求20所述之腳形測量器，其特征在于該攝影鏡安裝在一個可拆卸的盤中。
22.如權(quán)利要求15所述之腳形測量器，其特征在于還另外包括一個不透明遮光罩覆蓋支撐板及腳部的上表面，有一個可供人腿從其中穿過的孔以防止外來光線進(jìn)入攝影機(jī)中。
23.如權(quán)利要求22所述之腳形測量器，其特征在于該遮光罩的孔套在腳踝下面，以防止攝影機(jī)觀察到腳踝或腿部的圖象。
24.如權(quán)利要求1所述之腳形測量器，其特征在于還另外包括輸出裝置用以向腳形測量器操作者提供已計算的信息。
25.一種腳形測量器，其特征在于包括一個光柵;一個光源用以在第一方向上通過光柵照明腳部;一個攝影機(jī)定位在從第二方向上觀察腳掌處;圖象收集器用以從攝影機(jī)收集并存儲第一圖象;圖象處理裝置用以用邊緣增強(qiáng)計算法處理第一圖象以產(chǎn)生第二影象;圖象分析裝置，該裝置分析腳部的第二圖象以便近似地識別在該腳部上的至少兩個點(diǎn)的位置，然后在近似位置附近分析第一圖象，以識別該兩點(diǎn)的準(zhǔn)確位置;計算裝置用以計算相當(dāng)于該兩點(diǎn)距離信息。
26.如權(quán)利要求25所述之腳形測量器，其特征在于其中第一圖象包雙腳圖象，圖象處理裝置處理第一圖象的第一窗口部分，該窗口部分主要限制于僅包含一只腳圖象的第一圖象的部分。
27.如權(quán)利要求26所述之腳形測量器，其特征在于其中圖象處理裝置處理第一圖象的第二窗口部分，所述第二窗口部分主要限制于僅包含另一只腳圖象的第一圖象的部分，所述第二窗口部分在作處理前，將左右側(cè)倒置。
28.測量腳形的方法，其特征在于包括如下步驟(a)產(chǎn)生待分析的代表腳掌形狀的莫阿干涉條紋圖形。(b)收集和存儲莫阿干涉條紋圖形;(c)處理第一圖象以增強(qiáng)邊緣，從而形成第二圖象;(d)對第二圖象進(jìn)行分析以確定腳上至少兩個有關(guān)點(diǎn)的位置;(e)計算出相當(dāng)于該兩個有關(guān)點(diǎn)距離的信息。
29.如權(quán)利要求28所述之測量腳形的一種方法，其特征在于還包括分析位于第二圖象上的兩個點(diǎn)中最少一個點(diǎn)附近的第一圖象以取得該至少一點(diǎn)的較準(zhǔn)確的位置的步驟。
全文摘要
通過產(chǎn)生代表腳掌莫阿干涉條紋圖形測量腳形的腳形測量器，該莫阿干涉條紋圖形圖象收集和存儲在圖象存儲緩沖器中，分析該圖象以確定腳上至少兩個有關(guān)點(diǎn)的位置，并計算相當(dāng)于該兩點(diǎn)距離的信息。在優(yōu)先選擇的實(shí)施例中，用索貝爾(Sobel)對合法處理收集到的圖象以增強(qiáng)圖象的邊緣。本發(fā)明公開處理程序的裝置及方法。
文檔編號A61B5/107GK1042296SQ8910830
公開日1990年5月23日 申請日期1989年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月31日
發(fā)明者納撒尼爾·古爾德, 邁克爾·方蒂斯, 泰勒·雷德·塞辛 申請人:納撒尼爾古爾德診斷技術(shù)有限公司