CN106327570A - 一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，属于三维图形分析处理领域。本发明首先对被测脚部使用三维建模方法获取脚部网格模型，再使脚部网格模型与模板脚模型进行初始对准，之后利用刚体配准算法与模板脚模型进行精确配准得到脚部网格模型准确法向，由准确法向和脚部网格模型中三维点的位置关系信息得到脚底曲面网格，脚底曲面网格在乘以真实脚长和脚部网格模型脚长的比例关系得到真实脚底曲面网格，将其沿脚部网格模型准确法向拉伸得到定制鞋垫模型，本发明还提供了实现上述方法的系统。本发明从脚部网格模型到生成定制鞋垫模型完全由算法实现，操作简单方便，极大的降低研制定制鞋垫的成本。
Description
技术领域
本发明属于三维图形分析处理领域，更具体地，涉及一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法。
背景技术
近年来，随着生活水平的提高，运动健身已经成为人们的共识，定制化的运动用品也越来越受到人们的青睐。在鞋类用品领域，定制鞋垫以其独特的功能受到越来越多的人的喜爱。定制鞋垫能有效帮助足底分压、保护足弓，对跑步运动项目的成绩也有一定的提高作用，更能辅助治疗足弓塌陷等足部疾病。定制鞋垫在欧美发达国家使用较为流行，但国内定制鞋垫的研究较晚，现有的鞋垫定制方法自动化程度不高，在一定程度上限制了定制鞋垫的普及，而另一方面，市场对定制鞋垫供不应求，急需提高定制鞋垫的产量来满足市场的需求。
传统的定制鞋垫主要是通过石膏绷带、泡沫块、石蜡等取得脚部模型，称为脚部石膏阳模，然后利用热塑性材料加热后套在脚部石膏阳模上，进行鞋垫的修整定型。这种定制方法过程繁杂，不够精确，且耗费人力物力，并且整个制作过程耗时较长，只能为极少数人使用。
不同于传统的定制鞋垫方法，近年来，使用三维扫描设备对脚部进行扫描实时重建脚部模型，并使用计算机辅助设计与计算机辅助制造技术对脚部模型进行分析设计，通过将脚部模型数据导入到专业的三维设计软件中，根据不同的特点，进行个性化的定制加工，完成定制鞋垫的制作。数字化的技术能够实时重建脚部模型，鞋垫定制速度快，精度高，可结合3D打印技术快速定制，但是对操作人员要求较高，需要熟练的掌握复杂的三维设计软件建模技术。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其目的在于，由脚部网格模型获取脚部网格模型脚底面，将脚部网格模型脚底面乘以比例因子得到真实脚底面模型，再由真实脚底面沿法向拉伸一定厚度得到定制鞋垫，由此解决现有鞋垫定制方法自动化程度不高，技术复杂的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取脚部网格模型步骤；对被测脚使用三维建模方法得到脚部网格模型；
(2)获取脚部网格模型脚底面法向步骤；先估算出脚底面，再找到脚底面脚尖近似朝向和脚底面近似法向与模板脚模型脚尖朝向和脚底面法向的进行初始对准，再用配准算法使脚部网格模型与模板脚模型进行精确配准，得到脚部网格模型脚底面准确法向；所述模板脚模型是已进行了人工标定脚底面法向以及脚尖朝向的三维脚部网格模型；
(3)获取比例因子步骤；脚部网格模型沿脚底面准确法向进行投影，得到脚部网格模型的二维平面投影，根据二维平面投影的长度和真实脚长比例得到比例因子；
(4)获取定制鞋垫步骤；先去除脚部网格模型侧面三维点，之后对剩下的网格模型进行聚类，得到脚底曲面，对脚底曲面边缘进行平滑操作，在按比例因子缩放得到真实脚底曲面，沿脚底面准确法向方向并拉伸得到定制鞋垫模型。
进一步地，所述步骤(2)包括以下子步骤：
(21)输入脚部网络模型，使用改进随机抽样一致性(RANSAC)算法或三维霍夫变换估算出脚部网格模型脚底面，优选改进随机抽样一致性(RANSAC)算法；
(22)脚部网格模型沿脚底面的近似法向进行投影，得到二维平面投影，二维平面投影的最小外接矩形的长边方向即脚部方向；找出最小外接矩形长边两个端点邻域内的脚部网格模型三维点，计算其沿脚底面近似法向的高度值，其中高度值大的端点为脚后跟所在端，高度值小的端点为脚尖所在端，由脚尖和脚部方向得到脚尖近似朝向；
(23)脚部网格模型利用脚底面近似法向和脚尖近似朝向进行旋转平移变换，使脚底面近似法向和脚尖近似朝向分别与模板脚模型的脚底面法向和脚尖朝向一致；
(24)采用一致性点漂移(CPD)刚体配准算法，使脚部网格模型朝模板脚模型配准，配准后模板脚模型的脚底面法向即为脚部网格模型脚底面准确法向。
进一步地，所述步骤(3)中比例因子
b＝L/l，
其中L为真实脚长，l为二维平面投影外接最小矩形长边长度。
进一步地，所述步骤(4)包括以下子步骤：
(41)计算脚部网格模型中所有三维点局部邻域内各点沿脚底面准确法向高度值，得出最大高度差，剔除掉最大高度差大于极差阈值的三维点，得到去除了脚部侧面的脚部网格模型，所述极差阈值为
C＝jl/500，
其中，1＜j＜5.5；
(42)对去除脚部侧面的脚部网格模型进行聚类，则脚底曲面的网格被聚为一类，剔除归为其他类和噪声点的网格；
(43)对脚底曲面网格进行平滑处理，使脚底曲面边缘部分更加光滑；
(44)脚底曲面网格按比例因子缩放得到真实脚底曲面网格；
(45)对脚底曲面网格沿脚底面准确法向进行拉伸得到定制鞋垫。
进一步地，所述改进随机抽样一致性(RANSAC)算法具体为找出在脚部网格模型中包含三维点数量最多的平面，并且该平面两侧三维点的数量的差值必须大于差值阈值，所述差值阈值为
DT＝kN,
其中，N为当前脚部网格模型的三维点数，5％＜k＜30％；这样的平面即为脚部网格模型脚底面。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成系统，该系统包括以下模块：
获取脚部网格模型模块，用于对被测脚使用三维建模方法得到脚部网格模型；
获取脚部网格模型脚底面法向模块，用于先估算出脚底面，再找到脚底面脚尖近似朝向和脚底面近似法向与模板脚模型脚尖朝向和脚底面法向的进行初始对准，再用配准算法使脚部网格模型与模板脚模型进行精确配准，得到脚部网格模型脚底面的准确法向；所述模板脚模型是已进行了人工标定脚底面法向以及脚尖朝向的三维脚部网格模型；
获取比例因子模块，用于脚部网格模型沿脚底面准确法向进行投影，得到脚部网格模型的二维平面投影，根据二维平面投影的长度和真实脚长比例得到比例因子；
获取定制鞋垫模块，用于先去除脚部网格模型侧面三维点，之后对剩下的网格模型进行聚类，得到脚底曲面，对脚底曲面边缘进行平滑操作，在按比例因子缩放得到真实脚底曲面，沿脚底面准确法向方向并拉伸得到定制鞋垫模型。
进一步地，获取脚部网格模型脚底面法向模块又分为以下子模块：
获取脚底面子模块，输入脚部网络模型，使用改进随机抽样一致性(RANSAC)算法或三维霍夫变换估算出脚部网格模型脚底面，优选改进随机抽样一致性(RANSAC)算法；
获取脚尖近似朝向子模块，脚部网格模型沿脚底面的近似法向进行投影，得到二维平面投影，二维平面投影的最小外接矩形的长边方向即脚部方向；找出最小外接矩形长边两个端点邻域内的脚部网格模型三维点，计算其沿脚底面近似法向的高度值，其中高度值大的端点为脚后跟所在端，高度值小的端点为脚尖所在端，由脚尖和脚部方向得到脚尖近似朝向；
初始对准子模块，脚部网格模型利用脚底面近似法向和脚尖近似朝向进行旋转平移变换，使脚底面近似法向和脚尖近似朝向分别与模板脚模型的脚底面法向和脚尖朝向一致；
获取脚底面准确法向子模块，采用一致性点漂移(CPD)刚体配准算法，使脚部网格模型朝模板脚模型配准，配准后模板脚模型的脚底面法向即为脚部网格模型脚底面准确法向。
进一步地，所述获取比例因子模块中比例因子
b＝L/l，
其中L为真实脚长，l为二维平面投影外接最小矩形长边长度。
进一步地，所述获取定制鞋垫模块包括以下子模块：
剔除子模块，计算脚部网格模型中所有三维点局部邻域内各点沿脚底面准确法向高度值，得出最大高度差，剔除掉最大高度差大于极差阈值的三维点，得到去除了脚部侧面的脚部网格模型，所述极差阈值为
C＝jl/500，
其中，1＜j＜5.5；
聚类子模块，对去除脚部侧面的脚部网格模型进行聚类，则脚底曲面的网格被聚为一类，剔除归为其他类和噪声点的网格；
平滑子模块，对脚底曲面网格进行平滑处理，使脚底曲面边缘部分更加光滑；
缩放子模块，脚底曲面网格按比例因子缩放得到真实脚底曲面网格；
定制鞋垫子模块，对脚底曲面网格沿脚底面准确法向进行拉伸得到定制鞋垫模型。
进一步地，所述改进随机抽样一致性(RANSAC)算法具体为找出在脚部网格模型中包含三维点数量最多的平面，并且该平面两侧三维点的数量的差值必须大于差值阈值，所述差值阈值为
DT＝kN,
其中，N为当前脚部网格模型的三维点数，5％＜k＜30％；这样的平面即为脚部网格模型脚底面。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
本发明从脚部网格模型到生成定制鞋垫模型完全由算法实现，无须人工干预，操作简单方便，极大的降低了人力的投入及研制定制鞋垫的成本。
附图说明
图1是本发明的整体步骤流程图；
图2是本发明获取脚部网格模型脚底面法向步骤流程图；
图3是本发明中已知脚底面法向和脚尖朝向的脚部网格示意图；
图4是本发明获取定制鞋垫步骤流程图；
图5是本发明脚底曲面网格示意图；
图6是本发明定制鞋垫示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
(1)获取脚部网格模型步骤；对被测脚部使用三维建模方法得到脚部网格模型；
(2)获取脚部网格模型脚底面法向步骤；先估算出脚底面，再找到脚底面脚尖近似朝向和脚底面近似法向与模板脚模型脚尖朝向和脚底面法向的进行初始对准，再用配准算法使脚部网格模型与模板脚模型进行精确配准，得到脚部网格模型脚底面准确法向；所述模板脚模型是已进行了人工标定脚底面法向以及脚尖朝向的三维脚部网格模型；
(3)获取比例因子步骤；脚部网格模型沿脚底面准确法向进行投影，得到脚部网格模型的二维平面投影，比例因子为
b＝L/l，
其中，L为真实脚长，l为二维平面投影最小外接矩形长边的长度；
(4)获取定制鞋垫步骤；先去除脚部网格模型侧面三维点，之后对剩下的网格模型进行聚类，得到脚底曲面，对脚底曲面边缘进行平滑操作，在按比例因子缩放得到真实脚底曲面，沿脚底面准确法向方向并拉伸得到定制鞋垫模型。
如图2所示，本发明步骤(2)包括以下子步骤：
(21)输入脚部网络模型，使用改进的随机抽样一致性(RANSAC)算法估算出脚部网格模型脚底面，找出在脚部网格模型中包含三维点数量最多的平面，并且该平面两侧三维点的数量的差值必须大于差值阈值，所述差值阈值为
DT＝20％N,
其中N为当前脚部网格模型的三维点数；
(22)脚部网格模型沿脚底面的近似法向进行投影，得到二维平面投影，二维平面投影的最小外接矩形的长边方向即脚部方向；找出最小外接矩形长边两个端点邻域内的脚部网格模型三维点，计算其沿脚底面近似法向的高度值，其中高度值大的端点为脚后跟所在端，高度值小的端点为脚尖所在端，由脚尖和脚部方向得到脚尖近似朝向；
(23)脚部网格模型利用脚底面近似法向和脚尖近似朝向进行旋转平移变换，使脚底面近似法向和脚尖近似朝向分别与模板脚模型的脚底面法向和脚尖朝向一致；
(24)采用一致性点漂移(CPD)刚体配准算法，使脚部网格模型朝模板脚模型配准，配准后模板脚模型的脚底面法向即为脚部网格模型脚底面准确法向。如图3所示为本实施列中得到脚底面法向和脚尖朝向的脚部网格模型示意图。
如图4所示，本发明步骤(4)包括以下子步骤：
(41)计算脚部网格模型中所有三维点局部邻域内各点沿法向高度值，得出最大高度差，剔除掉最大高度差大于极差阈值的三维点，得到去除了脚部侧面的脚部网格模型，所述极差阈值为
C＝2.5l/500，
其中，l为二维平面投影最小外接矩形长边的长度；
(42)对去除脚部侧面的脚部网格模型进行聚类，则脚底曲面的网格被聚为一类，剔除归为其他类和噪声点的网格；
(43)脚底曲面网格进行平滑处理，使脚底曲面边缘部分更加光滑；
(44)如图5所示脚底曲面网格按比例因子缩放得到真实脚底曲面网格；
(45)如图6所示对真实脚底曲面网格沿脚底面法向进行拉伸得到定制鞋垫模型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获取脚部网格模型步骤；对被测脚部进行三维建模得到脚部网格模型；
(2)获取脚部网格模型脚底面法向步骤；先估算出脚底面，再找到脚底面脚尖近似朝向和脚底面近似法向与模板脚模型脚尖朝向和脚底面法向的进行初始对准，再用配准算法使脚部网格模型与模板脚模型进行精确配准，得到脚部网格模型脚底面准确法向；所述模板脚模型是已进行了人工标定脚底面法向以及脚尖朝向的三维脚部网格模型；
(3)获取比例因子步骤；脚部网格模型沿脚底面准确法向进行投影，得到脚部网格模型的二维平面投影，根据二维平面投影的长度和真实脚长比例得到比例因子；
(4)获取定制鞋垫步骤；先去除脚部网格模型侧面三维点，之后对剩下的网格模型进行聚类，得到脚底曲面，对脚底曲面边缘进行平滑操作，在按比例因子缩放得到真实脚底曲面，沿脚底面准确法向方向并拉伸得到定制鞋垫模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下子步骤：
(21)输入脚部网络模型，估算出脚部网格模型脚底面；
(22)脚部网格模型沿脚底面的近似法向进行投影，得到二维平面投影，二维平面投影的最小外接矩形的长边方向即脚部方向；找出最小外接矩形长边两个端点邻域内的脚部网格模型三维点，计算其沿脚底面近似法向的高度值，其中高度值大的端点为脚后跟所在端，高度值小的端点为脚尖所在端，由脚尖和脚部方向得到脚尖近似朝向；
(23)脚部网格模型利用脚底面近似法向和脚尖近似朝向进行旋转平移变换，使脚底面近似法向和脚尖近似朝向分别与模板脚模型的脚底面法向和脚尖朝向一致；
(24)采用一致性点漂移(CPD)刚体配准算法，使脚部网格模型朝模板脚模型配准，配准后模板脚模型的脚底面法向即为脚部网格模型脚底面准确法向。
3.根据权利要求1所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其特征在于，所述步骤(3)中比例因子
b＝L/l，
其中L为真实脚长，l为二维平面投影外接最小矩形长边长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下子步骤：
(41)计算脚部网格模型中所有三维点局部邻域内各点沿脚底面准确法向高度值，得出最大高度差，剔除掉最大高度差大于极差阈值的三维点，得到去除了脚部侧面的脚部网格模型，所述极差阈值为
C＝jl/500，
其中，1＜j＜5.5；
(42)对去除脚部侧面的脚部网格模型进行聚类，则脚底曲面的网格被聚为一类，剔除归为其他类和噪声点的网格；
(43)对脚底曲面网格进行平滑处理，使脚底曲面边缘部分更加光滑；
(44)脚底曲面网格按比例因子缩放得到真实脚底曲面网格；
(45)对脚底曲面网格沿脚底面准确法向进行拉伸得到定制鞋垫。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其特征在于，所述步骤(21)中估算出脚部网格模型脚底面采用改进改进随机抽样一致性(RANSAC)算法，该算法找出在脚部网格模型中包含三维点数量最多的平面，并且该平面两侧三维点的数量的差值必须大于差值阈值，所述差值阈值为
DT＝kN,
其中N为当前脚部网格模型的三维点数，5％＜k＜30％；这样的平面即为脚部网格模型脚底面。
6.一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成系统，其特征在于，该系统包括以下模块：
获取脚部网格模型模块，用于对被测脚部使用三维建模方法得到脚部网格模型；
获取脚部网格模型脚底面法向模块，用于先估算出脚底面，再找到脚底面脚尖近似朝向和脚底面近似法向与模板脚模型脚尖朝向和脚底面法向的进行初始对准，再使用准算法使脚部网格模型与模板脚模型进行精确配准，得到脚部网格模型脚底面准确法向；所述模板脚模型是已进行了人工标定脚底面法向以及脚尖朝向的三维脚部网格模型；
获取比例因子模块，用于脚部网格模型沿脚底面准确法向进行投影，得到脚部网格模型的二维平面投影，根据二维平面投影的长度和真实脚长比例得到比例因子；
获取定制鞋垫模块，用于先去除脚部网格模型侧面三维点，之后对剩下的网格模型进行聚类，得到脚底曲面，对脚底曲面边缘进行平滑操作，在按比例因子缩放得到真实脚底曲面，沿脚底面准确法向方向并拉伸得到定制鞋垫模型。
7.根据权利要求6所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成系统，其特征在于，获取脚部网格模型脚底面法向模块又分为以下子模块：
获取脚底面子模块，输入脚部网络模型，估算出脚部网格模型脚底面；
获取脚尖近似朝向子模块，脚部网格模型沿脚底面的近似法向进行投影，得到二维平面投影，二维平面投影的最小外接矩形的长边方向即脚部方向；找出最小外接矩形长边两个端点邻域内的脚部网格模型三维点，计算其沿脚底面近似法向的高度值，其中高度值大的端点为脚后跟所在端，高度值小的端点为脚尖所在端，由脚尖和脚部方向得到脚尖近似朝向；
初始对准子模块，脚部网格模型利用脚底面近似法向和脚尖近似朝向进行旋转平移变换，使脚底面近似法向和脚尖近似朝向分别与模板脚模型的脚底面法向和脚尖朝向一致；
获取脚底面准确法向子模块，采用一致性点漂移(CPD)刚体配准算法，使脚部网格模型朝模板脚模型配准，配准后模板脚模型的脚底面法向即为脚部网格模型脚底面准确法向。
8.根据权利要求6所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成方法，其特征在于，所述获取比例因子模块中比例因子
b＝L/l，
其中L为真实脚长，l为二维平面投影外接最小矩形长边长度。
9.根据权利要求6所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成系统，其特征在于，所述获取定制鞋垫模块包括以下子模块：
剔除子模块，计算脚部网格模型中所有三维点局部邻域内各点沿脚底面准确法向高度值，得出最大高度差，剔除掉最大高度差大于极差阈值的三维点，得到去除了脚部侧面的脚部网格模型，所述极差阈值为
C＝jl/500，
其中，1＜j＜5.5；
聚类子模块，对去除脚部侧面的脚部网格模型进行聚类，则脚底曲面的网格被聚为一类，剔除归为其他类和噪声点的网格；
平滑子模块，对脚底曲面网格进行平滑处理，使脚底曲面边缘部分更加光滑；
缩放子模块，脚底曲面网格按比例因子缩放得到真实脚底曲面网格；
定制鞋垫子模块，对脚底曲面网格沿脚底面准确法向进行拉伸得到定制鞋垫模型。
10.根据权利要求6或7所述的一种基于脚部三维模型的定制鞋垫模型生成系统，其特征在于，所述获取脚底面子模块估算出脚部网格模型脚底面采用改进随机抽样一致性(RANSAC)算法，该算法具体为找出在脚部网格模型中包含三维点数量最多的平面，并且该平面两侧三维点的数量的差值必须大于差值阈值，所述差值阈值为
DT＝kN,
其中N为当前脚部网格模型的三维点数，5％＜k＜30％；这样的平面即为脚部网格模型脚底面。
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