Achtergrond
[Dynamic foot scanning. Prospects and limitations of using synchronized 3D scanners to capture complete human foot shape while walking (Schmeltzpfenning et al, 2010)]
Er heeft een enorme evolutie plaats gevonden in de technische ontwikkeling van voet meetinstrumenten wat geleid heeft tot significante verbeteringen in de objectieve analyse van de menselijke voetvorm. De standaard meetinstrumenten beperken zich echter nog steeds tot statische metingen. Om wijzigingen in de voetvorm te karakteriseren (vb. hoogte voetboog tijdens wandelen en lopen) gebruiken onderzoekers nu voornamelijk drukplaten, 3D bewegingsregistratie systemen and 2D video gebaseerde analyse systemen. Deze technieken hebben echter grote beperkingen met betrekking tot het bepalen van de voet vorm.
Voor het vastleggen van de 3D informatie van een bewegend object met een veranderlijke vorm zoals de voet, zijn er 2 methodes geschikt: de stereo matching methode en de structured light methode.
De stereo matching methode, een passieve techniek zonder projectie, is gebaseerd op driehoeksmeting van meerdere gesynchroniseerde camera's. Het grote nadeel van deze methode is de ingewikkelde bepaling van corresponderende punten vanuit verschillende standpunten.
De structured light methode is een actieve techniek en gebruikt een projector-camera systeem, waarbij gedefinieerde lichtpatronen geprojecteerd worden op het bewegend object (zie onderstaande figuren). Het bepalen van de corresponderende punten tussen de verschillende beelden is eenvoudiger. Bovendien is de diepte informatie nauwkeuriger, vooral door het toepassen van phase-shifting technieken. Ook de ruis wordt sterk gereduceerd in vergelijking met een camera-camera systeem. In dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van de structured light methode dewelke geintegreerd is in het zSnapper systeem van Vialux.
Figuur: Höfling et al. (2004)
Dynamisch 3D scanning resulteert in puntenwolken, wat in feite wiskundige data sets zijn van x, y, z coördinaten van grote hoeveelheden topografische punten. Dankzij de ontwikkeling van software tools en methodes kunnen deze grote data sets automatisch verwerkt en geanalyseerd worden. Karakteristieke parameters voor het ontwerp van onder andere schoenleesten, schoenen, orthopedische hulpmiddelen en voetmodellen kunnen automatisch geëxtraheerd worden.
ViALUX zSnapper Systeem
Het werkingsprincipe van het ViALUX zSnapper 3D scanning systeem is phase encoded photogrammetry, dat een vorm is van full-field triangulation en een technologische verbetering vormt ten op zichte van de welbekende en precieze white-light scanners. Alle ViALUX scanners gebruiken blauw LED licht wat een significante verbetering vormt voor onder andere de onderdrukking van de invloeden van het omgevingslicht. De zSnapper scanner registreert een volledig beeld van het 3D oppervlak in één enkel shot. Een opeenvolging van voorgedefinieerde patronen wordt geprojecteerd op het object en de camera neemt gesynchroniseerde opnames, iedere zSnapper vanuit een verschillende hoek. De 3D reconstructie-software berekent de afzonderlijke (x, y, z) coördinaten voor iedere afzonderlijke camera pixel.
De digitale camera en digitale projector kunnen als eenheid beschouwd worden, en vormen een stereo pair in de phase encoded photogrammetry. Beide zijn gekalibreerd zodanig dat een tweede camera (vaak voorkomend in andere scanner systemen) niet nodig is. 3D meetgegevens kunnen opgemeten worden voor alle punten op het gescande oppervlak die zichtbaar zijn in het camerabeeld en tegelijk belicht worden door de projector.
De ViALUX "zSnapper multiple" configuratie omvat meerdere scan eenheden die gesynchroniseerd en vooraf gekalibreerd zijn als een ensemble. Het systeem levert de 3D meetgegevens in éénzelfde coördinaten systeem (world coordinate system). De zSnapper scanners zijn in staat om 3D scenes op te nemen met vanuit alle standpunten. Op deze manier wordt het mogelijk om de volledige voetvorm op te nemen tijdens het gaan, inclusief hoogte, omtrek, breedte en lengte gegevens van de voet. Tevens kunnen plantaire meetgegevens geregistreerd worden indien een glazen plaat wordt geïntegreerd in het wandelplatform.
In tegenstelling tot andere pattern switching scanner systemen biedt de ViALUX technologie de mogelijkheid om hoge resolutie te combineren met een korte sluitertijd (<1.0 ms) en een korte opname tijd. Dit resulteert in een maximum 3D frame rate van 49 beelden per seconde voor een systeem met 5 scan eenheden.
Meetopstelling
De drie onderzoekspartners beschikken elk over een verschillende meetopstelling, met specifieke kenmerken en mogelijkheden die aansluiten bij de specifieke noden van hun respectievelijke werkpakketten in het project.
Thomas More - MOBILAB
Het 5-delige ViALUX scannersysteem is ingebouwd in het volledig uitgeruste ganglabo van MOBILAB. Dit laat onder andere toe om simultaan andere biomechanische parameters op te meten. Grondreactiekrachten kunnen bijvoorbeeld simultaan met de 3D dynamische meetgegevens opgemeten worden dankzij het glazen krachtenplatform, waaronder een ViALUX scanner vast is ingebouwd. De opbouw van de andere 4 ViALUX scanners bestaat uit een flexibele opstelling, die eenvoudig en snel kan op- en afgebouwd worden.
KU Leuven
In KU Leuven werden in vitro experimenten uitgevoerd. De beweging van kadavervoeten werd opgemeten tijdens gesimuleerde gang. Het voordeel van in vitro metingen is dat invasieve bot pin markers aangebracht kunnen worden om de individuele bot beweging nauwkeurig op te meten. Bovendien werd het voetoppervlak gescand tijdens diezelfde beweging met behulp van de 3D dynamische scanner. De simultane meting van individuele bot bewegingen en van het 3D voetoppervlak biedt een waardevolle dataset die toelaat om de methodologieën ontwikkeld in dit project te valideren.
Sportmedizin Tübingen
Het multi-sensor systeem DynaScan4D is ontstaan in een samenwerking tussen ViALUX en Sportmedizin Tübingen (Schmeltzpfenning, 2009). Het systeem is gemonteerd op een wandelplatform van 4.6m lang en 0.8m hoog. Vijf ViALUX scanner-units zijn geinstalleerd boven (4) en onder (1) een glazen platform en laten toe om statische en dynamische 3D scans op te nemen van de voet. Bovendien is er een drukplaat (EMED, Novel GmbH, Munich) en een snelheidsregistratie systeem geintegreerd. Het DynScan4D systeem kan opgebouwd worden op verschillende locaties, wat toelaat om grote meetcampagnes uit te voeren.
