林麗紅 周文強 羅冠泰 張陳濤＊

1 福建（泉州）哈工大工程技術(shù)研究院 （福建 泉州 362000）

2 泉州市中醫(yī)院 （福建 泉州 362000）

內(nèi)容提要：采用足底壓力測量板采集足底壓力數(shù)據(jù)，運用雙線性插值的方法對圖像上采樣，以提高圖像分辨率并平滑圖像。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的噪聲特點提出了加權(quán)的中值濾波方法，與傳統(tǒng)中值濾波方法相比，既濾除了圖像的噪聲信息，也保留圖像的細節(jié)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)足底各區(qū)域的比例關(guān)系，實現(xiàn)足底區(qū)域分割。

足底是人體站立時與支撐表面相互接觸作用的唯一部位，足底壓力分析研究對人體站立和行走有著重要的意義[1]。足底壓力檢測可幫助醫(yī)師診斷足部疾病如足跟痛、筋膜炎、足跟骨刺增生等或有不良習慣等導致的潛在風險。足底壓力測量技術(shù)發(fā)展過程經(jīng)歷了直接足印法、足底壓力掃描、測力板、測力臺、壓力板、壓力鞋及鞋墊[2,3]。

本文采用足底壓力測量板采集足底壓力數(shù)據(jù)，對圖像數(shù)據(jù)進行去噪、平滑等預(yù)處理，再提取足底圖像區(qū)域并識別方位，以此進行足底的區(qū)域分割，可輔助醫(yī)師判斷足部是否存在問題或者用于個性化鞋墊定制。

1.足底壓力測量設(shè)備

足底壓力測量板主要由柔性陣列式壓力傳感器組成，傳感器采用PET薄膜作為基材制作的電子元器件，工作時隨著施加在傳感器表面壓力的增加對應(yīng)的電阻值變小。本文采用的傳感器陣列排布為52×44，一共2288個傳感器單元，如圖1所示，正面和背面分別按照列和行分布引線。當人站在測量板表面時，傳感器受到表面壓力產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，通過高速運放和AD轉(zhuǎn)換芯片將壓力傳感器產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當對全部傳感單元進行一次有效采樣后，控制器對采樣數(shù)據(jù)進行打包，采用USB通信方式向上位機輸出采樣的數(shù)據(jù)[4]。

圖1. 壓力傳感器（注：1a.正面；1b.背面）

上位機獲得的采樣數(shù)據(jù)并不是實際的足底壓力值，該采樣數(shù)據(jù)與實際值呈線性比例關(guān)系，由前期標定可獲得該比例系數(shù)，由此可得到足底壓力分布矩陣。

2.足底壓力圖像采集及預(yù)處理

上位機獲得足底壓力測量板輸出的壓力分布矩陣，矩陣的行列數(shù)與傳感器的力敏點的行列數(shù)量一致。為了反應(yīng)足底的不同區(qū)域在整個走步過程中的壓力分布情況，本文以平均足底壓力圖像特征作為分析數(shù)據(jù)，平均足底壓力圖像即每個像素點的值為整個時間周期上該像素點壓力的平均值[5]。采集的足底壓力灰度圖像如圖2所示。

圖2. 足底壓力灰度圖

原始的壓力圖像分辨率比較低，為了更清晰地觀察壓力分布情況，對圖像進行放大處理，本文采用的上采樣算法為雙線性插值法，內(nèi)插的像素值由相鄰的四個像素值決定[6]。如公式（1）所示。

經(jīng)上采樣后的圖像顯得更加平滑和清晰，為了更直觀觀察壓力分布情況，再把圖像轉(zhuǎn)換成RGB云圖，如圖3所示。

圖3. 足底壓力RGB圖

3.圖像去噪及分割

采集圖像過程中傳感器會受到干擾，容易引入噪聲，進行圖像分析前需對圖像進行去噪處理。采集的足底圖像噪聲多數(shù)為椒鹽噪點和片狀噪聲，如圖4所示。使用中值濾波可以有效去除椒鹽噪點[7]。如圖5為經(jīng)過中值濾波后的圖像，算法可濾除噪聲信息，但同時使得邊界信息模糊，尤其腳趾區(qū)域得細節(jié)信息被濾除。

圖4. 帶噪聲的壓力圖

圖5. 中值濾波去噪后的圖像

根據(jù)圖像的噪點像素值一般較小，分布比較離散，梯度較小且與足部主體區(qū)域距離較大的特點，本文提出了加權(quán)中值濾波算法，如公式（2）表示。

注：g(x)—去噪處理后的數(shù)據(jù)；f(x)—原始數(shù)據(jù)；wi—鄰域內(nèi)像素的權(quán)重值；▽fi—當前像素點到各鄰域點的梯度值；d(x,y)—當前像素點到足部主體的距離。

采用以上算法可去除足部區(qū)域外的噪聲信息，為避免足部中間區(qū)域的模糊，以過濾后的足部區(qū)域作為模板，獲取原始圖像的足部感興趣區(qū)域，如圖6所示，圖像濾除了噪聲信息，同時保留了腳趾部分的有效數(shù)據(jù)。

圖6. 本文算法去噪后的壓力圖

圖7. 足底分割圖

4.小結(jié)

本文采用了足底壓力測量板獲取足底壓力數(shù)據(jù)，為更好地研究足部壓力分布狀況，需先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，文中用雙線性插值法進行圖像放大，提高圖像的分辨率且使圖像顯得平滑。根據(jù)采集圖像的噪聲特點，文中提出了一種加權(quán)的中值濾波算法，與傳統(tǒng)中值濾波算法相比，不僅有效濾除噪聲信息，且保留了足底圖像的細節(jié)信息，尤其是腳趾區(qū)域的數(shù)據(jù)。文章最后還對足底進行分割，以根據(jù)各個區(qū)域的壓力分布情況輔助醫(yī)師做診斷或者進行個性化鞋墊定制。