一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法

摘要

本发明提供一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，包括：S1、获取赤足足迹图像，对赤足足迹图像进行预处理；S2、基于预处理后的赤足足迹图像，进行赤足左右脚的判别；S3、基于9阶多项式，对左跖前缘线进行表征；S4、基于9阶多项式，对右跖前缘线进行表征；S5、基于直角滤波器，对脚趾轮廓进行提取；S6、提取赤足足迹外轮廓；S7、对赤足轮廓进行表征。本发明采用直角滤波器去寻找脚趾与脚趾之间的沟壑，即凹凸点，通过脚趾之间的凹凸点来分离各个脚趾；本发明考虑到脚趾中心之间的距离关系，若出现分离错误的脚趾，可以通过求各个连通域的中心，若有两个连通域中心点之间的距离太近，则将这两个连通域膨胀为一个连通域。

说明书

技术领域

本发明涉及脚趾分离技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法。

背景技术

在脚趾分离算法中有基于区域生长的方法，将一幅足底图像作为输入，通过snake算法迭代后，得到足底区域的外轮廓形状，寻找外轮廓形状的尖锐点，以尖锐点作为种子点，通过区域生长的方式，得到各个脚趾的分界区域；然后通过分界区域拟合出跖前缘线，选取各个分界区域中间的点作为种子点，再通过区域生长的方式，得到各个脚趾的轮廓，就可以把各个脚趾分离出来。

目前使用区域生长的方法已经取得一定的成果，但该方法适用于足底图像，当赤足足迹图像作为输入时，种子点的选取将很困难，进而将无法提取跖前缘线和分离各个脚趾。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法。本发明适用于赤足足迹图像，使用直角滤波器对赤足足迹图像进行处理，能够将相互粘连的脚趾分离出来。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，包括如下步骤：

S1、获取赤足足迹图像，对赤足足迹图像进行预处理；

S2、基于预处理后的赤足足迹图像，进行赤足左右脚的判别；

S3、基于9阶多项式，对左跖前缘线进行表征；

S4、基于9阶多项式，对右跖前缘线进行表征；

S5、基于直角滤波器，对脚趾轮廓进行提取；

S6、提取赤足足迹外轮廓；

S7、对赤足轮廓进行表征。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、输入一张嫌疑人的赤足足迹图像，将赤足足迹图像进行灰度化，并进行滤波去噪处理，采用局部自适应图像阈值方法对去噪后的赤足足迹图像进行二值化；

S12、对二值化后的赤足足迹图像进行两次形态学开操作，去掉面积太小的连通域；

S13、基于PCA算法提取主方向，并对提取的主方向进行方向矫正；

S14、计算赤足足迹的最小外接矩形，将高度记为H，宽度记为W。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、提取赤足足迹的足跖区与足趾；

将二值化后的赤足足迹图像按照1:2的高度比例进行切割，上部分为足跖区与足趾区的二值图像，将高度记为h，宽度记为w；其中，足趾区指脚趾部分的区域，足跖区指前脚掌去掉脚趾后的区域；

S22、判断左右脚；

将二值化后的赤足足迹图像按照1:1的高度比例进行切割，对上部分进行形态学腐蚀，对腐蚀后的图像进行列投影，获取最大值的中位数索引，记为m，令m＝0，若m＞w/2，则该脚印为左脚脚印，令m＝1，若m≤w/2，则该脚印为右脚脚印。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

S31、提取左跖前缘线；

利用Sobel算子计算赤足足跖区与足趾区面积最大的连通域的轮廓，记为C

S32、拟合左跖前缘线；

遍历轮廓C

选定门限值k，k值为点集L

遍历轮廓C

将以上步骤提取的左跖前缘线的点集，记为L

进一步地，所述步骤S4具体包括：

S41、提取右跖前缘线；

利用Sobel算子求出赤足足跖区与足趾区面积最大的连通域的轮廓，记为C

S42、拟合右跖前缘线；

遍历轮廓C

遍历轮廓C

选定门限值k，k值为点集L

将以上步骤提取的右跖前缘线的点集，记为L

进一步地，所述步骤S5具体包括：

S51、提取足趾区；

在赤足灰度图上，利用提取的左、右跖前缘线将足趾区与足跖区分开，得到足趾区灰度图，利用MSER方法提取足趾区的各个连通域，将各个连通域置1，得到足趾区的二值图；对足趾区二值图进行一次形态学腐蚀和形态学开操作；

利用Sobel算子计算足趾区二值图的轮廓图，记为D，将D分成上轮廓D

S52、分离脚趾；

确定上轮廓及下轮廓中的凹凸点：

设定4个61×61大小的直角滤波器，记为一号滤波器、二号滤波器、三号滤波器和四号滤波器；

采用一号滤波器和二号滤波器分别对上轮廓D

采用三号滤波器和四号滤波器分别对下轮廓D

凹点与凸点的匹配及分割脚趾：

寻找凹点与凸点之间距离最近的点，即在凹点(x

将切割后的足趾区二值图进行一次腐蚀操作，计算每个连通域的中心坐标；在中心坐标中，找到距离最小且距离小于120的两个中心点坐标，获取对应的两个连通域，将这两个连通域进行形态学膨胀，膨胀为一个连通域；

计算足趾区二值图中连通域的个数，若连通域个数大于5个，去掉面积最小的连通域，得到各个脚趾分离后的二值图，利用Sobel算子计算各个脚趾的轮廓图，记为E。

进一步地，所述步骤S6具体包括：

S61、提取赤足足迹各语义区域；

选择足趾区脚趾：

计算足趾区二值图中连通域的个数，若连通域个数大于3个，计算每个脚趾中心的坐标，若m＝0，依据该脚趾横坐标的大小对中心坐标进行由大到小的排序，保留前三个中心坐标，找到中心坐标对应的三个脚趾，若m＝1，依据该脚趾横坐标的大小对中心坐标进行由小到大的排序，保留前三个中心坐标，找到中心坐标对应的三个脚趾；

提取足跖区：

在足跖区与足趾区的二值图像中，通过跖前缘将足趾区与足跖区分开，得到足跖区二值图像，将像素值为1的横坐标由小到大进行排序，若m＝0，最小的横坐标值记为x

提取足弓区：

在赤足灰度图上，将灰度图按高度H等分为三份，中间部分为足弓区灰度图，设定一个小的阈值，将足弓区灰度图进行二值化；在足弓区二值图中，提取出像素值为1的像素点，若m＝0，将横坐标值小于x

提取足跟区：

在赤足二值图上，将二值图按高度H等分为三份，最下面部分为足跟区二值图；

S62、基于傅里叶描述子的轮廓平滑；

足跖区与足弓区的轮廓平滑：

将足跖区与足弓区二值图相加，对其进行一次形态学膨胀，用Sobel算子计算该二值图中连通域的轮廓，利用傅里叶描述子对轮廓进行平滑，把轮廓的坐标点按顺时针的方向进行存储，将坐标转化为复数，横坐标作为实部，纵坐标作为虚部；进行一维傅里叶变换和中心化，中间部分的值不变，两边的值置零；再进行一维傅里叶反变换，得到平滑后的轮廓；将轮廓内的像素点置1，得到轮廓平滑后的足跖区与足弓区二值图，记为P；

足跟区的轮廓平滑：

采用Sobel算子计算足跟区二值图中连通域的轮廓，利用傅里叶描述子对轮廓进行平滑，得到平滑后的轮廓，将轮廓内的像素点置1，得到轮廓平滑后的足跟区二值图；

S63、基于5阶多项式的分段拟合；

遍历二值图P，寻找每行像素值为1的像素点，分别提取每行的第一个像素点和最后一个像素点，分别记为点集A

足跖区、足弓区与足跟区的左边缘线记为A

将足趾区的三个脚趾、二值图P和足跟区二值图相加，得到整个赤足图像的二值图；依据拟合出来的两个5次多项式曲线上的坐标值，在赤足图像二值图中对应的位置置1；

S64、基于梯度矢量流的赤足足迹外轮廓拟合；

给定一个初始轮廓，对赤足足迹的外轮廓进行拟合，得到整个赤足图像的外轮廓，记为B。

进一步地，所述步骤S7具体包括：

基于上述步骤得到的左跖前缘线L

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，采用直角滤波器去寻找脚趾与脚趾之间的沟壑，即凹凸点，通过脚趾之间的凹凸点来分离各个脚趾。

2、本发明提供的基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，考虑到脚趾中心之间的距离关系，若出现分离错误的脚趾，可以通过求各个连通域的中心，若有两个连通域中心点之间的距离太近，则将这两个连通域膨胀为一个连通域。

3、本发明提供的基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，提取出来的轮廓信息为以后的脚印识别提供帮助。

基于上述理由本发明可在脚趾分离等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例提供的滤波器示意图。

图3为本发明实施例提供的跖前缘、外轮廓和脚趾轮廓示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种基于多项式拟合与直角滤波相结合的脚印几何形状表征方法，包括如下步骤：

S1、获取赤足足迹图像，对赤足足迹图像进行预处理；

S2、基于预处理后的赤足足迹图像，进行赤足左右脚的判别；

S3、基于9阶多项式，对左跖前缘线进行表征；

S4、基于9阶多项式，对右跖前缘线进行表征；

S5、基于直角滤波器，对脚趾轮廓进行提取；

S6、提取赤足足迹外轮廓；

S7、对赤足轮廓进行表征。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1具体包括：

S11、输入一张嫌疑人的赤足足迹图像，将赤足足迹图像进行灰度化，并进行滤波去噪处理，采用局部自适应图像阈值方法对去噪后的赤足足迹图像进行二值化；

S12、对二值化后的赤足足迹图像进行两次形态学开操作，去掉面积太小的连通域；

S13、基于PCA算法提取主方向，并对提取的主方向进行方向矫正；

S14、计算赤足足迹的最小外接矩形，将高度记为H，宽度记为W。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2具体包括：

S21、提取赤足足迹的足跖区与足趾；

将二值化后的赤足足迹图像按照1:2的高度比例进行切割，上部分为足跖区与足趾区的二值图像，将高度记为h，宽度记为w；其中，足趾区指脚趾部分的区域，足跖区指前脚掌去掉脚趾后的区域；

S22、判断左右脚；

将二值化后的赤足足迹图像按照1:1的高度比例进行切割，对上部分进行形态学腐蚀，对腐蚀后的图像进行列投影，获取最大值的中位数索引，记为m，令m＝0，若m＞w/2，则该脚印为左脚脚印，令m＝1，若m≤w/2，则该脚印为右脚脚印。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3具体包括：

S31、提取左跖前缘线；

利用Sobel算子计算赤足足跖区与足趾区面积最大的连通域的轮廓，记为C

S32、拟合左跖前缘线；

遍历轮廓C

选定门限值k，k值为点集L

遍历轮廓C

将以上步骤提取的左跖前缘线的点集，记为L

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4具体包括：

S41、提取右跖前缘线；

利用Sobel算子求出赤足足跖区与足趾区面积最大的连通域的轮廓，记为C

S42、拟合右跖前缘线；

遍历轮廓C

遍历轮廓C

选定门限值k，k值为点集L

将以上步骤提取的右跖前缘线的点集，记为L

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S5具体包括：

S51、提取足趾区；

在赤足灰度图上，利用提取的左、右跖前缘线将足趾区与足跖区分开，得到足趾区灰度图，利用MSER方法提取足趾区的各个连通域，将各个连通域置1，得到足趾区的二值图；对足趾区二值图进行一次形态学腐蚀和形态学开操作；

利用Sobel算子计算足趾区二值图的轮廓图，记为D，将D分成上轮廓D

S52、分离脚趾；

确定上轮廓及下轮廓中的凹凸点：

如图2所示，设定4个61×61大小的直角滤波器，记为一号滤波器、二号滤波器、三号滤波器和四号滤波器；

采用一号滤波器和二号滤波器分别对上轮廓D

采用三号滤波器和四号滤波器分别对下轮廓D

凹点与凸点的匹配及分割脚趾：

寻找凹点与凸点之间距离最近的点，即在凹点(x

将切割后的足趾区二值图进行一次腐蚀操作，计算每个连通域的中心坐标；在中心坐标中，找到距离最小且距离小于120的两个中心点坐标，获取对应的两个连通域，将这两个连通域进行形态学膨胀，膨胀为一个连通域；

计算足趾区二值图中连通域的个数，若连通域个数大于5个，去掉面积最小的连通域，得到各个脚趾分离后的二值图，利用Sobel算子计算各个脚趾的轮廓图，记为E。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S6具体包括：

S61、提取赤足足迹各语义区域；

选择足趾区脚趾：

计算足趾区二值图中连通域的个数，若连通域个数大于3个，计算每个脚趾中心的坐标，若m＝0，依据该脚趾横坐标的大小对中心坐标进行由大到小的排序，保留前三个中心坐标，找到中心坐标对应的三个脚趾，若m＝1，依据该脚趾横坐标的大小对中心坐标进行由小到大的排序，保留前三个中心坐标，找到中心坐标对应的三个脚趾；

提取足跖区：

在足跖区与足趾区的二值图像中，通过跖前缘将足趾区与足跖区分开，得到足跖区二值图像，将像素值为1的横坐标由小到大进行排序，若m＝0，最小的横坐标值记为x

提取足弓区：

在赤足灰度图上，将灰度图按高度H等分为三份，中间部分为足弓区灰度图，设定一个小的阈值，将足弓区灰度图进行二值化；在足弓区二值图中，提取出像素值为1的像素点，若m＝0，将横坐标值小于x

提取足跟区：

在赤足二值图上，将二值图按高度H等分为三份，最下面部分为足跟区二值图；

S62、基于傅里叶描述子的轮廓平滑；

足跖区与足弓区的轮廓平滑：

将足跖区与足弓区二值图相加，对其进行一次形态学膨胀，用Sobel算子计算该二值图中连通域的轮廓，利用傅里叶描述子对轮廓进行平滑，把轮廓的坐标点按顺时针的方向进行存储，将坐标转化为复数，横坐标作为实部，纵坐标作为虚部；进行一维傅里叶变换和中心化，中间部分的值不变，两边的值置零；再进行一维傅里叶反变换，得到平滑后的轮廓；将轮廓内的像素点置1，得到轮廓平滑后的足跖区与足弓区二值图，记为P；

足跟区的轮廓平滑：

采用Sobel算子计算足跟区二值图中连通域的轮廓，利用傅里叶描述子对轮廓进行平滑，得到平滑后的轮廓，将轮廓内的像素点置1，得到轮廓平滑后的足跟区二值图；

S63、基于5阶多项式的分段拟合；

遍历二值图P，寻找每行像素值为1的像素点，分别提取每行的第一个像素点和最后一个像素点，分别记为点集A

足跖区、足弓区与足跟区的左边缘线记为A

将足趾区的三个脚趾、二值图P和足跟区二值图相加，得到整个赤足图像的二值图；依据拟合出来的两个5次多项式曲线上的坐标值，在赤足图像二值图中对应的位置置1；

S64、基于梯度矢量流的赤足足迹外轮廓拟合；

给定一个初始轮廓，对赤足足迹的外轮廓进行拟合，得到整个赤足图像的外轮廓，记为B。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S7具体包括：

基于上述步骤得到的左跖前缘线L

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。