CN106971424A - 一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，包括从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；对鞋楦模型进行方位标准化，并提取鞋楦的跖围曲线；从楦头数据库中选择楦头款式并导入STL格式的三角网格模型，利用微分网格变形技术使楦头模型变形以与原鞋楦后身匹配；裁剪楦头模型与后身模型的重叠部分网格，重新建立平滑、光顺、过渡自然且拓扑良好的网格，获得更换楦头后的鞋楦网格模型。本发明能够解决手工更换楦头效率低、精度差的问题。

Description

一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法

技术领域

本发明属(人类生活必需)制鞋领域，涉及鞋楦楦头快速变更设计的方法，尤其是一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更的方法。

背景技术

鞋楦是鞋的成型模具，鞋楦的舒适性、适脚性对用户足部的健康有着至关重要的影响。随着计算机技术与信息技术的飞速发展，将CAD/CAM技术引入到鞋楦的设计与生产中，大大地提高了鞋楦的设计与生产效率。在鞋楦数字化设计过程中，设计师可以通过对存储在鞋楦数据库中的标准鞋楦数字化模型进行级放、尺寸编辑、纹理贴图等，获得既舒适、合脚，而又美观、时尚的定制鞋楦。为了满足舒适度要求，需要根据用户脚型尺寸与鞋楦尺寸的对应关系确定鞋楦的关键尺寸，主要是楦后身的特征尺寸；而鞋楦的款式、美观主要由楦头决定，鞋楦的款式变化主要是楦头的变化，后身则基本保持不变，如果能够实现快速有效的楦头变更设计，将促进鞋楦生产标准化、装配化的实施，同时有利于提高鞋楦个性化定制的设计效率。

国家标准规定的鞋楦后身标准化是指：鞋楦第一、第五跖趾部位后楦体尺寸不变。鞋楦厂中为了节约鞋楦制造的成本，通过手工置换楦头，将原鞋楦的楦头除去，粘接上新楦头并打磨平整，其过程繁琐、耗时而缺乏精度，依赖于制楦师傅的经验；EasyLast、DeclamCRISPIN等鞋楦设计软件中也提供了楦头置换的功能，但需要根据设计者的经验调整新楦头与原鞋楦之间的相对位置。部分学者通过对楦头轮廓线的编辑进行楦头曲面的修改与设计，可以任意修改鞋楦的前跷高、楦头厚度等楦头尺寸，达到重新设计楦头款式的目的，但其设计效率明显低于直接使用楦头数据库中的模型进行楦头置换。

综上所述，针对现有楦头置换技术精度不高、楦头与后身匹配标准不明确、设计自动化程度与效率较低等问题，有必要提出一种新的方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，可以快速地使用选定款式的楦头模型替换现有鞋楦模型的楦头，无需进行手动调整，导入新楦头后整个过程自动完成，对设计者的经验要求相对较低，大大提高了楦头设计的效率；同时，变形后的新楦头与后身平滑过渡、自然连接，在定位精度、保持后身不变性与特征保持性方面，优于手工置换楦头与现有商业软件中置换楦头的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，具体包括以下几个步骤：

步骤1，从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；

步骤2，对鞋楦模型进行方位标准化；

步骤3，提取鞋楦跖围曲线；

步骤4，导入新的楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准；

步骤5，基于拉普拉斯网格变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；

步骤6，融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格。

所述步骤1的具体做法是：

从鞋楦数据库中读入一个STL格式的标准鞋楦三角网格模型，建立网格中面片到顶点、面片到边、顶点到面片、边到顶点的拓扑连接信息。

所述步骤2的具体做法是：

首先通过手工平移和/或旋转等交互操作，使鞋楦的楦头大致朝向x轴的正向，鞋楦高度方向大致和z轴正向一致。构建鞋楦模型顶点的协方差矩阵C，对C进行特征分解，获得三个特征值及其对应的特征向量。将特征值按照从小到大排序，将最大特征值对应的特征向量方向变换到与x轴方向一致，最小特征值对应的特征向量方向变换到与y轴一致。提取鞋楦各坐标轴方向上的极值点，根据标准方位的定义进行逐一校准。

步骤2中标准方位的定义是：

①鞋楦中轴线在x轴上；

②踵心点与x轴相切；

③后跟突点位于z轴上,楦跟与z轴相切；

④第一跖趾点和第五跖趾点与坐标原点连线的向量与xOz平面夹角相同。

所述步骤3的具体做法是：

确定围度曲线确定跖围曲线所在平面，围度曲线可由相应的平面与楦型曲面进行截面求交获得。楦型用三角网格曲面表示并按照步骤1构建好其拓扑邻接关系，围线所在平面用点法式表示。截面求交时，首先随机找到一条与平面相交的边，然后利用网格曲面已有的拓扑邻接关系，快速查找该边所在三角形与平面相交的其它边，直至找到全部相交边为止。

确定跖围曲线所在平面的方法是：

以背中线上距楦底前端点和统口前端点连线距离最远的点近似替代鞋口点，并由鞋口点、第一跖趾部位点和第五跖趾部位点确定跖围所在的平面。所述跖围是由第一跖趾部位点经鞋口点到第五跖趾部位点绕鞋楦的测地曲线定义的，所述鞋口点是跖围曲线与背中线的交点。

所述截面求交的具体方法是：

①建立围度曲线所在平面的平面方程；

②遍历三角网格模型的半边表，逐一判断，直到获取第一条与平面相交的半边，跳出循环并记录第一条相交半边的ID；

③令初始半边的伙伴半边为当前半边；

④取当前半边的上一条半边和下一条半边判断是否与平面相交，保存交点坐标；

⑤判断交点所在半边是否为初始半边，若不是，则令交点所在半边的伙伴半边为当前半边，重复④，若是，则求交结束。

由以上查找方法得到有序的离散点集，将它们首尾相接地依次连接就可以得到所求围度曲线。

所述步骤4的具体做法是：

首先，导入新楦头，按照步骤2进行方位标准化，确保新楦头的楦底中轴线与原鞋楦的楦底中轴线重合，即与x轴重合。提取第一跖趾部位点、第五跖趾部位点、鞋口点等特征点与背中线、跖围曲线等特征曲线。然后，分别判断原鞋楦与新楦头为左脚还是右脚对应模型，若不为同侧脚，则对新楦头进行关于x轴的翻转操作。最后，由于新楦头跖围曲线所在的平面与原鞋楦跖围所在平面不一定平行，本发明以两跖围曲线离散点集的质心点在y轴方向上的距离衡量新楦头与原鞋楦后身的相对位置关系，平移新楦头至两离散点击质心点y坐标相等。

鞋楦为左脚还是右脚对应模型的判断方法是：

提取模型上y坐标最大和最小的点v_{y_max}、v_{y_min}，若|v_{y_max}|>|v_{y_min}|则v_{y_min}为第一跖趾部位点，v_{y_max}为第五跖趾部位点，模型为右脚对应的鞋楦；若|v_{y_max}|<|v_{y_min}|则v_{y_max}为第一跖趾部位点，v_{y_min}为第五跖趾部位点，模型为左脚对应的鞋楦。

所述步骤5的具体做法是：

提取新楦头上跖围两侧宽度为w的点云带，映射到原鞋楦网格上，以映射点为拉普拉斯变形的约束点，对导入的楦头进行拉普拉斯网格变形。点云带宽度w值如果过小，约束点个数较少，变形后的楦头与楦后身的拼接不够自然，w值过大，又会过多地改变新楦头的特征，经过试验取w＝2mm。

所述拉普拉斯网格变形的定义是：

对于具有n个顶点的鞋楦三角网格模型M＝(V,E,F)，其中V为顶点集，E为边集，F为三角面片集。设v₀,v₁,…,v_n为顶点集V中的点，用N(i)＝{j|(i,j)∈E}，表示第i点的1-ring邻域顶点构成的集合，定义v_i处的拉普拉斯坐标为：

其中，δ_i为顶点v_i的拉普拉斯坐标，L(·)为网格模型的拉普拉斯算子，ω_ij为v_j点相对于v_i点的权值，且∑ω_ij＝1，ω_ij由余切权值法计算得到：

公式(1)写成矩阵形式为

LV＝Δ (3)

式中Δ＝(δ₁,δ₂,…,δ_n)，V为各顶点坐标，L为拉普拉斯矩阵，矩阵的秩为n-k，其中k是M连通子集的个数，给定L、Δ及k个网格顶点的位置约束作为初始条件，就可以唯一地重建模型。

所述步骤6的具体做法是：

①裁剪鞋楦后身和变形后新楦头的重叠区域，留下一定的缓冲距离重建过渡曲面，保证网格的光顺连接与拓扑良好；

②分别提取楦头和后身的边界环，将边界环参数化到二维的四边形区域内，采用限定的Delaunay三角剖分算法对该区域进行三角化，得到网格的连通关系；

③通过求解最小二乘网格得到过渡区域的网格，求解得到的顶点以一种光顺的方式均匀分布在网格曲面上。

提取边界环及将边界环参数化的具体方法是：

①随机查找到鞋楦后身模型上的一条边界边，根据边与边之间的邻接关系依次查找下一条边界边直到连接成完整的边界环；

②使用与①中相同的方法提取新楦头模型的边界环；

③将①中提取的边界环映射为四边形的一条边，并将②中提取的边界环映射为其对边，映射时相邻两点之间的距离为三角网格模型上两点间的边长。

④为确保重建的网格不发生扭曲，将参数区域按照新楦头与楦后身跖围平面内极值点的一一对应关系划分成四个部分。

所述Delaunay三角剖分的剖分准则是：

(1)Delaunay三角网格中任意三角形的外接圆范围内没有其它顶点存在；

(2)在散点集可能形成的三角剖分中，Delaunay三角剖分形成的三角形的最小角最大。

所述最小二乘网格的定义是：

最小二乘网格模型又称为全局的拉普拉斯光顺网格，通过把网格模型的拉普拉斯坐标设置为0，然后求解拉普拉斯方程LV＝Δ，其中权重w_ij为：

本发明与现有相关技术相比，具有如下有益效果：

(1)选择楦头款式导入后无需进行手动调整，包括定位、楦头变形、楦头与后身连接在内的整个过程快速自动完成，对设计者的经验要求相对较低，大大提高了楦头设计的效率；

(2)楦头变形时采用拉普拉斯微分变形的方法，在与原鞋楦后身自然过渡、光顺连接的基础上，最大程度地保持了新楦头的款式不变；

(3)融合楦后身与楦头网格时采用了构造最小二乘网格的方法，最小二乘网格的构造仅涉及到顶点的网格连接关系图和边界顶点的几何信息，构造的最小二乘网格的形状仅依赖于填补区域的顶点数、该区域的网格质量以及约束点权值；同时，由于将过渡区域网格构建问题转化成为一个线性稀疏系统的求解问题，具有很高的计算效率。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施实例STL格式的鞋楦模型；

图3是方位标准化图2所示模型后获得的鞋楦模型；

图4是提取图3所示鞋楦模型的跖围曲线；

图5是本发明实施实例STL格式的新楦头模型；

图6是在图2鞋楦模型中导入图5楦头模型相对位置调整后获得的模型；

图7是图6所示楦头模型拉普拉斯变形与图2所示鞋楦模型匹配后获得的模型；

图8是图7所示模型裁剪鞋楦后身和变形后的新楦头重叠区域，留下一定缓冲距离的模型；

图9是图8所示模型边界环的参数化示意图；

图10是图8所示模型对楦头部分与后身部分进行网格融合后的模型。

具体实施方式

如图1所示，一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，具体包括以下几个步骤：

步骤1，从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息。

具体的，从鞋楦数据库中读入一个STL格式的标准鞋楦三角网格模型(如图2所示)，建立网格中面片到顶点、面片到边、顶点到面片、边到顶点的拓扑连接信息。

步骤2，对鞋楦模型进行方位标准化。

具体的，通过PCA算法与手工平移和/或旋转等交互操作，完成鞋楦方位的粗校准，使鞋楦的楦头朝向x轴的正向，鞋楦高度方向和z轴正向一致。然后提取鞋楦各坐标轴方向上的极值点，根据标准方位的要求进行逐一校准。

如图3所示为经过方位标准化后的鞋楦：①鞋楦中轴线在x轴上；②踵心点与x轴相切；③后跟突点位于z轴上,楦跟与z轴相切；④第一跖趾点和第五跖趾点与坐标原点连线的向量与xOz平面夹角相同。

步骤3，提取鞋楦跖围曲线，如图4所示为提取图3所示鞋楦模型的跖围曲线图。

具体的，确定跖围曲线所在平面，围度曲线由相应的平面与楦型曲面进行截面求交获得。楦型用三角网格曲面表示并按照步骤1构建好其点、面片、边三者间的拓扑邻接关系，围线所在平面用点法式表示。截面求交时，首先随机找到一条与平面相交的边，然后利用网格曲面已有的拓扑邻接关系，快速查找该边所在三角形与平面相交的其它边，直至找到全部相交边为止。将交点依次存储在动态数组中，连接相邻的离散点得到如图3所示的跖围曲线。

步骤4、导入新楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准。

其中，导入的新楦头是由图5(a)中的鞋楦模型切割得到，切割时需要预留一定的缓冲区域，将跖围平面向x轴负方向平移一段距离，切割得到的楦头模型如图5(b)所示。

分别计算原鞋楦跖围与新楦头跖围的质心点，平移新楦头至两质心y坐标相同，相对位置校准后的模型如图6(a)和6(b)所示，其中6(a)和6(b)分别为鞋楦模型的主视图与俯视图。

步骤5、基于拉普拉斯微分变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；

提取新楦头上跖围两侧宽度为w＝2mm的点云带，映射到原鞋楦网格上，以映射点为拉普拉斯变形的约束点，对导入的楦头进行拉普拉斯变形。楦头变形前新楦头上的点云带与其在原鞋楦模型上的映射点如图6(a)和6(b)所示，经过拉普拉斯网格变形后，两条点云带融合为一条，新楦头在点云带区域内与原鞋楦后身光顺连接，分别如图7(a)和7(b)所示，其中7(a)和7(b)分别为鞋楦模型的主视图与俯视图。

步骤6、融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格；

①裁剪鞋楦后身和变形后新楦头的重叠区域，留下一定的缓冲距离重建过渡曲面，保证网格的光顺连接与拓扑良好，裁剪后的模型如图8(a)和8(b)所示，其中8(a)和8(b)分别为鞋楦模型的主视图与俯视图；

②分别提取楦头和后身的边界环，将边界环参数化到二维的四边形区域内，参数化时为防止重建曲面扭曲，预先将参数区域按照新楦头与楦后身跖围平面内极值点的一一对应关系划分成四个部分，如图9(a)和9(b)所示，其中图9(a)为边界环曲线，图9(b)为其在参数区域预先划分的结果。然后采用限定的Delaunay三角剖分算法对该区域进行三角化，得到网格的连通关系；

③通过求解最小二乘网格得到过渡区域的网格，求解得到的顶点以一种光顺的方式均匀分布在网格曲面上，重建过渡区域网格后的模型如图10所示。

图2、图6、图10为本发明实施实例：图2为原鞋楦模型，该STL模型共包含10863个顶点和21722个三角面片；图5(b)为新楦头模型，该STL模型共包含个23757顶点和47192个三角面片；实施本发明的鞋楦楦头变更设计方法后，得到的新鞋楦模型如图10所示，包含25910个顶点和51816个三角面片，从导入新楦头至楦头置换完成的整个过程自动完成，耗时2.968s。

以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于包括以下几个步骤：

步骤1、从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；

步骤2、对鞋楦模型进行方位标准化；

步骤3、提取鞋楦跖围曲线；

步骤4、导入新的楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准；

步骤5、基于拉普拉斯网格变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；

步骤6、融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格。

2.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤1包括：

从鞋楦数据库中读入一个STL格式的标准鞋楦三角网格模型，建立网格中面片到顶点、面片到边、顶点到面片、边到顶点的拓扑连接信息。

3.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤2包括：

通过手工平移和/或旋转的交互操作，使鞋楦的楦头朝向x轴的正向，鞋楦高度方向和z轴正向一致；

构建鞋楦模型顶点的协方差矩阵C，对C进行特征分解，获得三个特征值及其对应的特征向量；

将所述特征值按照从小到大排序，将最大特征值对应的特征向量方向变换到与x轴方向一致，最小特征值对应的特征向量方向变换到与y轴一致；

提取鞋楦各坐标轴方向上的极值点，根据标准方位的定义进行逐一校准。

4.根据权利要求3所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述标准方位的定义为：

鞋楦中轴线在x轴上；踵心点与x轴相切；后跟突点位于z轴上,楦跟与z轴相切；第一跖趾点和第五跖趾点与坐标原点连线的向量与xOz平面夹角相同。

5.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤3的具体做法是：

确定跖围曲线所在平面，由跖围曲线所在平面与楦型曲面进行截面求交获得围度曲线；

所述楦型用三角网格曲面表示并按照步骤1构建好其拓扑邻接关系，围线所在平面用点法式表示；截面求交时，首先随机找到一条与平面相交的边，然后利用网格曲面已有的拓扑邻接关系，快速查找该边所在三角形与平面相交的其它边，直至找到全部相交边为止。

6.根据权利要求5所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，确定跖围曲线所在平面的方法为：

以背中线上距楦底前端点和统口前端点连线距离最远的点近似替代鞋口点，并由鞋口点、第一跖趾部位点和第五跖趾部位点确定跖围所在的平面；所述跖围是由第一跖趾部位点经鞋口点到第五跖趾部位点绕鞋楦的测地曲线定义的，所述鞋口点是跖围曲线与背中线的交点。

7.根据权利要求3所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤4包括：

①导入新楦头，按照步骤2进行方位标准化，确保新楦头的楦底中轴线与原鞋楦的楦底中轴线重合，即与x轴重合；

②提取第一跖趾部位点、第五跖趾部位点、鞋口点的特征点与背中线、跖围曲线等特征曲线；

③分别判断原鞋楦与新楦头为左脚还是右脚对应模型，若不为同侧脚，则对新楦头进行关于x轴的翻转操作；

以两跖围曲线离散点集的质心点在y轴方向上的距离衡量新楦头与原鞋楦后身的相对位置关系，平移新楦头至两离散点击质心点y坐标相等。

8.根据权利要求7所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，楦头为左脚还是右脚对应模型的判断方法为：

提取模型上y坐标最大和最小的点v_{y_max}、v_{y_min}，若|v_{y_max}|>|v_{y_min}|，则v_{y_min}为第一跖趾部位点，v_{y_max}为第五跖趾部位点，判断模型为右脚对应的鞋楦；若|v_{y_max}|<|v_{y_min}|，则v_{y_max}为第一跖趾部位点，v_{y_min}为第五跖趾部位点，判断模型为左脚对应的鞋楦。

9.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤5包括：

提取新楦头上跖围两侧宽度为w的点云带，映射到原鞋楦网格上，以映射点为拉普拉斯变形的约束点，对导入的楦头进行拉普拉斯网格变形。

10.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤6包括：

①裁剪鞋楦后身和变形后新楦头的重叠区域，预留一定的缓冲距离重建过渡曲面，保证网格的光顺连接与拓扑良好；

②分别提取楦头和后身的边界环，将边界环参数化到二维的四边形区域内，采用限定的Delaunay三角剖分算法对该区域进行三角化，得到网格的连通关系；

③通过求解最小二乘网格得到过渡区域的网格，求解得到的顶点以一种光顺的方式均匀分布在网格曲面上。

11.根据权利要求10所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，提取边界环及将边界环参数化的方法包括：

①随机查找到鞋楦后身模型上的一条边界边，根据边与边之间的邻接关系依次查找下一条边界边直到连接成完整的边界环；

②使用与①中相同的方法提取新楦头模型的边界环；

将①中提取的边界环映射为四边形的一条边，并将②中提取的边界环映射为其对边，映射时相邻两点之间的距离为三角网格模型上两点间的边长。