CN101388118A

CN101388118A - 基于扫描输入的三维鞋楦重建方法

Info

Publication number: CN101388118A
Application number: CNA2008101217640A
Authority: CN
Inventors: 王进; 陆国栋; 张海宁; 黄志华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: CN101388118B

Abstract

本发明公开了一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法。利用三维扫描仪对母楦扫描，通过计算机数据处理生成点云数据模型；对点云数据模型进行预处理，获得初始鞋楦模型；进行自动特征识别，利用表面分片技术生成鞋楦所有子面片，缝合所有子面片生成整个鞋楦表面，得到重建后的鞋楦模型。本发明将鞋楦数据进行点云处理后转化为网格模型。通过自动特征识别技术，自动得到鞋楦的各个特征点和特征线，免去了原特征信息文件的丢失或损坏带来的问题。在鞋楦的曲面生成过程中，表面曲率变化较大的部位是进行曲面生成时的难点，采用分片技术可以降低曲面构件的难度，对不同区域的子面片采用合适的曲面重建方法，保证了鞋楦模型表面的精确度。

Description

基于扫描输入的三维鞋楦重建方法

技术领域

本发明涉及一套鞋楦模型建模的方法，尤其是涉及一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法。

背景技术

鞋楦设计生产在制鞋过程中占有显著地位，鞋楦CAD技术制约了整个制鞋CAD系统的发展过程，是制鞋CAD技术应用的瓶颈技术。目前制鞋CAD技术发展现状主要是针对通用鞋楦设计的研究，个性化鞋楦方面研究较少。现有的三维鞋楦设计中主要是通过脚型的特征线和特征线来构造曲面形状，从而制作出鞋楦。这种通过曲面构造而来的鞋楦，和脚型存在一定的差异，不能达到非常满意的效果，因而需要更加适合的拟合脚型的鞋楦模型建模方法。

发明内容

为了实现鞋楦有楦设计中鞋楦模型的建模问题，本发明的目的在于提供一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，能够提取出特征线和轮廓线便于后续的模型修改。由于采用扫描输入、经过预处理的鞋楦模型其拓扑结构为不规则的网格模型，不能实现模型的精度要求和后续的修改变形，因而需要将其转化为规则的网格模型。本发明即提供了一种有效的转化方法，将初始不规则的网格模型利用分片技术重建为规则的网格模型，从而支持对于鞋楦模型后续的修改变形。

本发明采用的技术方案是：

一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：利用三维扫描仪对母楦扫描获取数据，通过计算机数据处理生成母楦的点云数据模型；对点云数据模进行预处理，获得初始鞋楦模型；进行自动特征识别，利用表面分片技术生成鞋楦所有子面片，缝合所有子面片生成整个鞋楦表面，得到重建后的鞋楦模型。

所述利用三维扫描仪对母楦扫描获取数据，通过对母楦不同侧面的扫描获得各个侧面的数据，通过自动拼接的计算机数据处理方式生成母楦的点云数据模型。

所述进行自动特征识别时，鞋楦表面定义若干特征点用中心特征线和跖围特征线，采用截面法进行识别。

所述两条特征线的定义分别为：中心特征线为经过统口前点、统口后点以及鞋楦最前点的表面曲线；跖围特征线为鞋的楦头中最宽的表面曲线。

所述利用表面分片技术生成鞋楦所有子面片，将鞋楦表面分为脚尖部分、楦头部分、楦体部分、楦后跟部分和统口部分，每部分的子面片采用不同的曲面结构进行重建。

所述每部分的子面片采用不同的曲面结构进行重建，分别为拓扑为四边形的曲面结构、拓扑为三角形的曲面结构或拓扑为筒形的曲面结构。

本发明为了解决鞋楦建模的技术问题，对三维扫描输入的数据模型通过截面法实现对鞋楦特征点和特征线的识别；为了能有效的重建三维扫描输入后的数据模型，采用对三维鞋楦模型表面进行区域划分的分片建模技术，将模型表面的子面片分为三种类型曲面进行重建。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

利用三维扫描技术获取鞋楦模型数据，将鞋楦数据进行点云处理后转化为网格模型，具有精度高，速度快，数据量大的优点。

通过鞋楦模型的自动特征识别技术，可以自动得到鞋楦的各个特征点和特征线，免去了原特征信息文件的丢失或损坏带来的诸多问题，对提高系统的完善性有十分重要的作用。

在鞋楦的曲面生成过程中，表面曲率变化较大的部位如脚尖、脚后跟等部位是进行曲面生成时的难点，采用分片技术可以降低曲面构件的难度，对不同区域的面片采用合适的曲面重建方法，保证了鞋楦模型表面的精确度。同时曲面划分后的轮廓线也为后续基于草图驱动变形的鞋楦曲面修改变形提供了便利。

附图说明

图1是基于扫描输入鞋楦处理的技术路线图。

图2是鞋楦特征点和特征线定义示意图。

图3是三维鞋楦模型表面的区域划分示意图。

图4是鞋楦模型网格拓扑结构示意图。

图5是重建后的鞋楦模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明通过与用户的交互式处理，实现基于三维扫描的鞋楦建模和变形，

其技术路线如图1所示，具体包括以下实施步骤：

1、利用非接触式的三维光学扫描仪，采用自动拼接方式扫描数据，即对脚或者鞋楦进行不同侧面的多次(一般为四次)扫描，然后把多次扫描结果通过点云自动拼接构成整个点云数据模型。

2、采用Geomagic软件对点云数据模型进行如下步骤的预处理：

采用自动和手工相结合的方式去噪：对于比较明显的歧点，通过自动方式能快速准确地完成去噪；对于拼接后产生重合的歧点及空洞附近的歧点，采用手工方式祛除。

采用人工方式对点云上较大的洞进行修复：根据空洞的大小，均匀地分区域进行修补。整个鞋楦点云容易产生空洞的地方是后跟部位，一般分3～4个区域进行修补。

去除平直面上的冗余点，进行点云的简化。

将简化后的点云数据通过三角网格的形式连接成曲面，得到初始鞋楦模型。这时的鞋楦模型还是杂乱的网格模型，如图2所示的初始鞋楦模型

3、进行模型坐标调整，根据下式计算出数据模型的几何中心点坐标：

V_{center} = \frac{Σ_{i = 0}^{n} V_{i}}{n}

其中Vi为网格顶点，n为网格顶点总数，求得中心点到坐标原点的平移变换矩阵M_m；以x，y，z方向的最大宽度，求得旋转变换矩阵M_r，使得y方向具有最大宽度；根据仿射变换矩阵M＝M_m×M_r，计算所有网格顶点V_i＝V_i×M(i＝0，1，...，n)，得到坐标调整后的鞋楦模型。

4、进行自动特征识别，首先根据鞋楦结构定义若干特征点和两条特征线：A-统口后点、B-统口前点、C-后跟凸点、D-楦底后端点、E-后撑地点、F-前撑着地点、G-鞋楦最前点和H-跖围水平最大(最小)点等特征点，以及α-中心特征线和β-跖围特征线(如图2所示)。做若干模型切面与鞋楦模型相交得到对应的截面环，根据对特征点和特征线的定义分别获得特征点和特征线信息。

5、根据我国的国家标准及鞋楦的形状把鞋楦分为三部分：楦头，楦体、楦后跟，根据鞋楦的这三部分以及特征识别过程得到的鞋楦特征点，如图3中所示(图3(a)为鞋楦外踝面投影图，图3(b)为鞋楦底面投影图，图3(c)为鞋楦内踝面投影图)，可以将鞋楦表面分为以下几个区域：脚尖部分1、2、楦头部分3、楦体部分4、5、6、7、楦后跟部分9、10、11、统口部分8；根据这些曲面片的形状，将其分成为三类：第一类为筒状结构或者类似筒状结构曲面片(如图3所示中的3、8)，第二类为空间四边形曲面片(如图3中的4-7、9-10)，第三类为展平后形状类似于三角形的曲面片(如图3所示中1、2、11)。

6、采用基于切面的表面建模方法生成鞋楦子面片，通过四个步骤完成：

首先根据表面来确定切面的法向量及切点，根据表面的曲率变化确定切面间距或旋转角度。

按照切面间距或旋转角度和切点进行切片，获得与切片轮廓相交的点集，生成截面轮廓线。

等距离散截面轮廓线，生成所需的网格点。

按照三角网格连接方法连接所有网格点组成网格拓扑结构，即重建的鞋楦子面片。为了拼接时能够删除拼接边界重复的顶点和边，对于子面片上边界点进行标记；将鞋楦曲面片依曲面片的形状归类的三种类型，对应不同的网格拓扑关系建立方法重建鞋楦子面片。第一类曲面片采用的网格拓扑关系建立方法如图4(a)所示，第二类曲面片采用的网格拓扑关系建立方法如图4(b)所示，第一类曲面片采用的网格拓扑关系建立方法如图4(c)所示。

7、将按上述建模过程得到的所有鞋楦子面片按照正确的顺序，依次将所有这些子面片的点、边、面信息合并，并删除由于相邻子面片合并后出现的重合顶点和重合边，即在子面片的连接过程中标记出每一子面片上的边界点，遍历所有边界点，如果存在另一边界点与当前点间的直线距离小于某一域值，则视为两边界点重合，删除另一边界点，并且更新已删除点所在的子面片信息。对于合并后的曲面局部不光滑的情形进行光顺处理，由此得到重建的三维模型；将特征线、子面片的轮廓线及其插补控制曲线提取出来，通过其控制顶点即可进行后续的曲面修改变形操作(如图5所示)。

Claims

1、一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：利用三维扫描仪对母楦扫描获取数据，通过计算机数据处理生成母楦的点云数据模型；对点云数据模进行预处理，获得初始鞋楦模型；进行自动特征识别，利用表面分片技术生成鞋楦所有子面片，缝合所有子面片生成整个鞋楦表面，得到重建后的鞋楦模型。

2、根据权利要求1所述的一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：所述利用三维扫描仪对母楦扫描获取数据，通过对母楦不同侧面的扫描获得各个侧面的数据，通过自动拼接的计算机数据处理方式生成母楦的点云数据模型。

3、根据权利要求1所述的一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：所述进行自动特征识别时，鞋楦表面定义若干特征点用中心特征线和跖围特征线，采用截面法进行识别。

4、根据权利要求3所述的一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：所述两条特征线的定义分别为：中心特征线为经过统口前点、统口后点以及鞋楦最前点的表面曲线；跖围特征线为鞋的楦头中最宽的表面曲线。

5、根据权利要求1所述的一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：所述利用表面分片技术生成鞋楦所有子面片，将鞋楦表面分为脚尖部分、楦头部分、楦体部分、楦后跟部分和统口部分，每部分的子面片采用不同的曲面结构进行重建。

6、根据权利要求5所述的一种基于扫描输入的三维鞋楦重建方法，其特征在于：所述每部分的子面片采用不同的曲面结构进行重建，分别为拓扑为四边形的曲面结构、拓扑为三角形的曲面结构或拓扑为筒形的曲面结构。