3D acquisition system for the human foot
Système d'acquisition 3D pour le pied humain
Abstract
This project was done with the laboratory IRCOM-SIC of Poitiers and the company GABILLY located in Limoges. This company manufactures orthopedic shoes thanks to foot measurements hand-made by a podo-orthesist. The precision is about +/- 4 mm. This company wishes to develop a system of foot metrology in order to obtain an accuracy of 1 mm. The information provided by the system must also give indications of foot pressure. This system depends on the constraints imposed by the measurement, by the dif-ficulty in scanning and modelling the object and by the choice of the acquisition system and modelling. The system developed must be as simple as possible, automatic, the least expensive and must be managed by a standard PC computer. It must provide a cloud of points which is a representation of the human foot. The project was done in a vision axis using color cameras. A specific technique of calibration with a simple plane pattern was done in order to facilitate the use of the system. The detection of the pattern is obtained by the Hough transform. The acquisition system for the human foot is a based on a passive vision technique. The methods developed must work for any type of skin, color, geometry or texture. First, a study on the human skin was done with the view to choose a color space representation and a particular color for the system background. The foot images are segmented by a specific method in order to eliminate all the pixels which do not belong to the foot representation. The segmentation is done in the Hue-Saturation-Intensity color space and thanks to an operation of geodesic dilatation. The points of pressure are obtained by a specific treatment of the image histogram of the segmented Hue. Then, several methods of 3D reconstruction were developed in order to extract a cloud of points. The first one is a technique of reconstruction by projection and the second one is based on the stereovision where the points matching is made by correlation. The modelling or surface reconstruction of the cloud of points obtained is not the first objective but it allows to validate the methods of extraction of clouds of points, several methods of surfaces reconstruction were experimented on organized and non organized cloud of points. Finally, two acquisition systems were developed : 2D and 3D. The 2D system is included in the 3D system and it allows the make the orthopedic soles which represent fifty of the encountered cases. Extracted information is the contour of the foot bottom, the metrology and the points of pressure.
Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE avec le laboratoire IRCOM-SIC à Poitiers et l'entreprise GABILLY située à Limoges. Cette société fabrique des chaussures orthopédiques grâce aux mesures sur le pied effectuées manuellement par un podo-orthésiste. La précision est de +/- 4 mm. Cette société souhaite développer un système de métrologie du pied pour obtenir une précision de 1 mm. Les informations fournies par un tel système doivent aussi donner des indications de pression du pied. Ce système dépend des contraintes imposées par la prise de mesure sur le patient, par la difficulté de numériser et modéliser l'objet entier, par le choix du système d'acquisition et de la modélisation. Le système à développer doit être le plus simple possible, entièrement automatique, le moins cher possible et doit être géré par un ordinateur PC standard. Il doit permettre d'extraire à partir du pied humain un nuage de points. Le projet a été envisagé sous un axe vision à l'aide de caméras couleur. Une technique d'étalonnage particulière avec une simple mire plane a été mise en place pour faciliter la prise en main du système. La détection de la mire est effectuée par la transformée de Hough. Le système d'acquisition en trois dimensions pour le pied humain est un système de vision passive. Les méthodes mises en oeuvre doivent permettre de traiter n'importe quel type de pied donc de peau, quelque soit la couleur, la forme ou la texture. Dans un premier temps, une étude sur la peau humaine a permis de choisir un espace de représentation de la couleur et une couleur particulière pour le fond du système. Les images du pied sont segmentées par une méthode spécifique afin d'éliminer tous les pixels n'appartenant pas au pied. La segmentation est effectuée dans l'espace Teinte-Luminance-Saturation et par une opération de dilatation géodésique. Les points de pression sont obtenus par un traitement spécifique de l'histogramme de l'image de la Teinte segmentée. Ensuite, plu-sieurs méthodes de reconstruction 3D ont été mises en place pour extraire un nuage de points 3D appartenant à la surface du pied. La première méthode est une technique de reconstruction par projection et la deuxième est basée sur la stéréovision dont la mise en correspondance des points est faite par corrélation. La modélisation ou reconstruction de surface du nuage de points obtenu n'est pas le premier objectif mais elle permet de valider les méthodes d'extraction de nuages de points, plusieurs méthodes de reconstruction de surfaces ont été expérimentées sur des nuages de points organisés et non organisés. Finalement, deux systèmes d'acquisition ont été développés : 2D et 3D. Le système 2D est inclus dans le système 3D et il permet la fabrication des semelles orthopédiques qui représentent cinquante des cas rencontrés. Les informations extraites sont les contours de la plante du pied, la métrologie et les points de pression. Les fichiers de nuage de points obtenus sont directement exploitables par les logiciels de conception assistée par ordinateur.