CN108597024B - 一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法，包括步骤1：获取脚型的点云模型，再将点云构成相互连接的格网得到格网模型；步骤2：基于格网模型构建脚型的X‑Y‑Z局部坐标系；步骤3：在预设特征断面线上设置搜索窗口来获取待测参数相对应的特征点，再计算出待测参数；待测参数为脚长或脚宽时，计算待测参数的特征点之间的欧式距离；待测参数为跖围或跗围或兜围时，基于X‑Y‑Z局部坐标系将待测参数相对应的特征点所在平面作为切割平面，切割格网模型得到跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线，再计算出跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线的轮廓长度。本发明通过上述方法可以实现脚型参数的高精度自动提取。

Description

一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法

技术领域

本发明属于脚型参数测量技术领域，具体涉及一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法。

背景技术

双脚是人身体的重要部位，随着生活水平的不断提高，人们对鞋子的舒适度要求越来越高，个性化制鞋成为趋势。而作为制鞋的前提是需要获取到脚部的各类参数。传统量测方式是让有经验的专业人员利用软皮尺进行量测记录。其缺点如下：(1)效率不高，需要人工量测；(2)数据的精度依赖于专业人员的经验，数据重现性不好；(3)量测方式不灵活，需要专业人员和工具辅助。

随着各种类型的三维扫描仪的普及立体视觉方法的应用，获取到人体脚型的三维点云数据变得越来越容易。利用计算机辅助的数字化量测软件可以对脚型参数进行量测和估计，但是仍然需要人工交互的方式来确定精确的参数，因此，急需一种可以自动获取精确的脚型参数的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法，可以以较高的精度、自动化地提取出脚型参数。

本发明提供的一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法，包括如下步骤：

步骤1：获取脚型的点云模型，以索引的方式将离散的点云构成相互连接的格网得到格网模型；

步骤2：基于步骤1中格网模型构建脚型的X-Y-Z局部坐标系；

其中，按照步骤A-步骤C构建所述X-Y-Z局部坐标系：

步骤A：设定水平面并以水平面为基准生成序列平面，再将序列平面作为切割平面对格网模型进行切割生成断面线，并选择水平位置最低的闭合断面线所在的平面为基准Z平面；

步骤B：获取所述基准Z平面的断面线上转动惯量值最小的轴并作为X轴，以及获取所述基准Z平面上闭合断面线的质心并作为原点O；

步骤C：基于步骤A中的基准Z平面和步骤B中的X轴采用右手原则确定Y轴；

步骤3：在预设特征断面线上设置搜索窗口来获取待测参数相对应的特征点，再依据所述相对应的特征点计算出所述待测参数；

a：所述待测参数为脚长或脚宽时，计算所述待测参数的相对应特征点之间的欧式距离，所述欧式距离为相对应的待测参数的值；

b：所述待测参数为跖围或跗围或兜围时，基于所述X-Y-Z局部坐标系将所述待测参数相对应的特征点所在平面作为切割平面，再利用切割平面切割所述格网模型得到跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线，再计算出所述跖围断面线或跗围断面线或兜围断面

线的轮廓长度，所述轮廓长度为相对应的待测参数的值；

其中，所述待测参数为脚长或脚宽或跖围或跗围时，选择步骤A中基准Z平面的断面线作为预设特征断面线；

所述待测参数为兜围时，选择以O-XZ平面作为切割平面对步骤1中格网模型进行切割生成的断面线以及所述基准Z平面的断面线作为预设特征断面线。

本发明将人体脚型的点云数据进行构网处理得到格网模型，再利用断面线生成技术以及对断面线进行区域分析提取X轴，进而构建出X-Y-Z局部坐标系，再基于X-Y-Z局部坐标系和断面线生成技术在格网上对脚型参数进行自动提取。一方面，本发明完全不依赖人工测量的手段，全自动化地实现脚型参数提取；另一方面，本发明是巧妙地将断面线和格网模型结合进行参数提取，极大地提高了参数的可靠度以及精确度。且本发明所构建的X-Y-Z局部坐标系是基于人体脚型构建的，与常规的全局坐标系不同，常规的全局坐标系是外部采集或测量设备所在坐标，而非脚型所在坐标，其与脚型自身坐标之间存在转换关系，故直接依托于全局坐标系中的数据来提取脚型参数时，其过程必然容易出现误差。例如，所得到的人体脚型的点云数据也是基于常规的全局坐标系的数据。而本发明直接建立基于脚型的局部坐标系，再基于局部坐标系进行脚型参数提取，其相较于直接由全局坐标系中的数据提取出的脚型参数的精确度更高，可以有效地降低坐标转换中可能存在的误差。

其中，本发明设定的水平面指人体脚型模型数据扫描时设定地面或脚底接触的面。

进一步优选，以切割平面对格网模型进行切割生成断面线的过程如下：

步骤D：获取切割平面与格网模型的交点；

步骤E：根据方向一致性准则和距离大小确定各个所述交点之间的邻接关系，再依据所述邻接关系将获取的交点依次连接为断面线；

其中，满足所述方向一致性准则的前提下选择距离最近的两个交点作为邻接交点；

所述方向一致性准则为：

v1·v2＞＝0

向量v1是从A到B的两个邻接交点确定的当前方向向量，向量v2是交点B到下一邻接交点C的方向向量。

进一步优选，断面线的长度按照如下公式计算：

其中，L为单条断面线的长度，V_i，V_i+1表示断面线上邻接的两个点，n为单条断面线上离散交点的个数。

进一步优选，步骤D的执行过程如下：

首先，按照公式1或公式2判断格网模型的每个三角形的每条边是否与切割平面均无交点；若不是，则依据计算出三角形与切割平面的交点坐标；

其中，公式1和公式2表示三角形任意一边AB与切割平面无交点；

公式1：

a(x_A-x_B)+b(y_A-y_B)+c(z_A-z_B)＝0

公式2：

ax+by+cz+d＝0

(x-x_A,y-y_A,z-z_A)＝k(x-x_B,y-y_B,z-z_B)

x≠x_A,y≠y_A,z≠z_A

x≠x_B,y≠y_B,z≠z_B

k＞0,k≠1

式中，(x,y,z)表示三角形的AB延长边与切割平面的交点在全局坐标系xyz的坐标；

其中，三角形与切割平面之间存在一个交点，则按照如下公式3计算出交点坐标；

公式3：

a·x_B+b·y_B+c·z_B+d≠0

式中，(x,y,z)表示三角形的AB边与切割平面一个交点在全局坐标系xyz的坐标；

三角形与切割平面之间存在两个交点，则按照如下公式4计算出交点坐标；

公式4：

a·x_B+b·y_B+c·z_B+d＝0

x₁＝x_B,y₁＝y_B,z₁＝z_B

x₂＝x_C,y₂＝y_C,z₂＝z_C

式中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)表示三角形与切割平面的两个交点在全局坐标系xyz的坐标；

其中，切割平面如下所示：

P_i:ax+by+cz+d±i·k＝0,0≤i＜N，N≥1

式中，P_i表示第i层切割平面，N表示切割平面的层数，k表示相邻一层的切割平面之间的间隔，a、b、c、d表示切割平面的平面参数，三角形的三个顶点分别为A(x_A,y_A,z_A)，B(x_B,y_B,z_B)和C(x_C,y_C,z_C)。

本方案中全局坐标系xyz是承载脚模型图像的A4纸确定的，坐标原点为A4纸的某个角点，x,y轴沿着A4纸的长边和短边，z轴垂直于A4纸。

上述公式中是以三角形的一条边AB为例，但是应当理解，三角形的其他边也是类似相同的计算。且切割平面可以是单独一个切割面，此时N为1，i为0；切割平面还可以是序列平面，相邻平面之间间隔k。

进一步优选，所述待测参数与特征点的对应关系如下：

待测参数为脚长，相对应的特征点为脚尖前端点和脚跟后端点；

待测参数为脚宽或跖围，相对应的特征点为脚掌内外侧端点；

待测参数为跗围，相对应的特征点为脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点；

待测参数为兜围，相对应的特征点为脚跟后端点和脚背最凹点。

进一步优选，所述待测参数包括脚长、脚宽、跖围、跗围以及兜围时，步骤3依次提取出脚型的脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围；

c：提取脚型的脚长的过程为：

在基准Z平面的断面线上，沿着X轴在脚跟、脚尖的预设临近区域分别设置矩形搜索窗口搜索脚尖前端点和脚跟后端点；再计算脚尖前端点和脚跟后端点之间的欧式距离；

其中，将脚跟处的矩形搜索窗口沿着X轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最小的点确定为脚跟后端点；

将脚尖处的矩形搜索窗口沿着X轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最大的点确定为脚尖前端点；

X轴的正方向为脚跟指向脚趾头的方向；

d：提取脚型的脚宽的过程为：

在基准Z平面的断面线上，利用脚内外侧的矩形搜索窗口在距离脚前端[0，10]cm范围内搜索脚掌内外侧端点，再计算脚掌内外侧端点之间的欧式距离；

其中，将脚内侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最大点为脚掌内侧端点；

将脚外侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最小点为脚掌外侧端点；

e：提取脚型的跖围的过程为：

以过脚掌内外侧端点以及垂直X轴的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跖围断面线，再计算所述跖围断面线的长度；

f：提取脚型的跗围的过程为：

在基准Z平面的断面线上，沿着Y轴在脚中部内侧设置矩形搜索窗口，并在距离脚掌中部10cm范围以内的搜索脚掌中部最凹点，再以过脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点以及垂直于O-XY的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跗围断面线，再计算所述跗围断面线的长度；

其中，所述脚掌中部最凹点为在距离脚掌中部10cm范围以内的搜索区域中搜索的Y值最小点；

g：提取脚型的兜围的过程为：

以O-XZ平面作为切割平面切割所述格网模型得到反映脚背形状的断面线，并在反映脚背形状的断面线上对应距离脚后端[0,10]cm范围内利用矩形搜索窗口搜索脚背最凹点，再以过脚跟后端点和脚背最凹点以及垂直于O-YZ的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到兜围断面线，再计算所述兜围断面线的长度；

其中，所述脚背最凹点为距离脚后端[0,10]cm范围内的搜索区域中搜索的X值最小点。

脚型参数的提取是基于多方向的断面线进行的。

进一步优选，步骤B中获取X轴和原点O的过程为：

首先，将所述基准Z平面的断面线轮廓的灰度函数f(x,y)作为质量，获取过所述断面线轮廓质心(c₁，c₂)的任意一条直线的转动惯量I；

式中，α为相较于全局坐标系xyz中x轴的直线倾角，D是灰度函数变量x,y的范围，其中D的取值是由断面线轮廓而定；

然后，获取转动惯量I最小时的主轴参数；

其中，主轴参数包括所述断面线轮廓质心(c₁，c₂)和直线倾角α；

其中，m₁₀、m₀₀、m₀₁表示为原点矩m_ij，μ₁₁、μ₀₂、μ₀₂表示为相对于质心(c₁，c₂)的中心矩μ_ij；

原点矩m_ij与中心矩μ_ij的计算公式如下：

本发明所构建的X-Y-Z局部坐标系是基于人体脚型构建的，与常规的全局坐标系不同，常规的全局坐标系是基于设备或方法构建的，所得到的人体脚型的点云数据也是基于常规的全局坐标系。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点有：

1、本发明将人体脚型的点云数据进行构网处理得到格网模型，再利用断面线生成技术以及对断面线进行区域分析提取主轴，进而构建出X-Y-Z局部坐标系，再基于X-Y-Z局部坐标系和断面线生成技术在格网上对脚型参数进行自动提取，其过程完全不依赖人工测量的手段，全自动化地实现脚型参数提取，可以在1-2分钟内完成对人体脚型的参数提取，可以较大程度的提高测量效率。

2、本发明基于断面线生成技术，构建出基于人体脚型的X-Y-Z局部坐标系，可以更加准确地反应脚型情况，进而本方案基于人体脚型的生理特点进行参数提取，能够降低误差，尤其是基于断面线生成技术和X-Y-Z局部坐标系以及人体脚型的生理特点可以精确地得到复杂围长，如跖围、跗围以及兜围，而跖围、跗围以及兜围是现有技术中常依靠人工进行测量得出或者是自动化测量精度不高；

3、本方案是以点云数据为基础，构造出格网模型，其中，格网模型相较于点云模型可以更加贴合脚型的真实情况，故本方案利用格网模型进行参数提取，可以提高参数的可靠度。

附图说明

图1是三角网格网模型表现形式的示意图；

图2是断面线示意图；

图3是三角形与平面相交情况，其中(a)图为三角形与平面平行的示意图，(b)图为三角形与平面不平行但无交点的示意图，(c)图为三角形与平面不平行，存在两个交点的示意图，(d)图为三角形与平面不平行，存在一个交点的示意图；

图4是离散点交点的拟合的示意图；

图5是离散点交点的连接关系的示意图，其中(a)图为连接错误的示意图，(b)图为连接正确的示意图；

图6是离散点交点跟踪流程图；

图7是本发明一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法的流程图；

图8是人体脚型的三维模型，其中(a)图表示点云模型，(b)图表示格网模型；

图9是人体脚型模型的局部坐标系；

图10是基准Z平面的计算过程示意图，其中(a)图为切割过程示意图，(b)图为得到完整断面线的示意图，(c)图为基准Z平面与颜色点云叠加示意图；

图11是利用惯量主轴计算X轴的示意图；

图12是三维空间中的人体脚型局部坐标系的示意图；

图13是脚长参数提取原理的示意图；

图14是脚宽参数提取原理的示意图；

图15是跖围参数提取原理，其中，(a)图为跖围切割平面示意图，(b)图为跖围断面线示意图；

图16跗围平面关键点计算过程的示意图；

图17跗围参数提取原理，其中，(a)图为跗围切割平面示意图，(b)图为跗围断面线示意图；

图18脚背平面最凹点计算，其中，(a)图为脚背切割平面示意图，(b)图为脚背最凹点示意图；

图19兜围参数提取原理，其中，(a)图为兜围切割平面示意图，(b)图为兜围断面线示意图；

图20某志愿者脚型参数自动量测效果图，其中(a)图脚长脚宽示意图，(b)图为跗围、跖围、兜围示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明对人体脚型的点云数据首先进行构网处理得到格网模型，利用基准Z平面对格网模型进行切割得到位于该平面上的由离散点组成的断面线，对该断面线进行区域分析提取出断面线的主轴，基于该主轴建立格网模型的局部坐标系。由于格网模型表达的是人体脚型的表面形状，因此只要模型精度够高，是可以在格网上对五个关键参数进行自动的提取。其中如图1所示，格网模型是以德洛内(Delaunay)三角网表示拓扑关系。

其中，如图2所示，断面线是指空间平面与格网模型相交得到的离散点构成的二维折线，能以矢量的形式表现物体的截面轮廓，是一种非常有效的从三维点中进行特征量测的手段。本发明的所采用的断面线生成技术是利用切割平面切割格网模型得到离散点，再将离散点连接处切割平面上的断面线。其中，切割平面切割格网模型时，其实际过程为切割平面与格网模型中各个三角形是否相交，获取交点的过程。

以切割平面对格网模型进行切割生成断面线的过程如下步骤D-步骤E：

步骤D：获取切割平面与格网模型的交点；

步骤E：根据方向一致性准则和距离大小确定各个交点之间的邻接关系，再依据邻接关系将获取的交点依次连接为断面线。

首先，设定切割平面，切割平面如下表示：

P_i:ax+by+cz+d±i·k＝0,0≤i＜N，N≥1

式中，P_i表示第i层切割平面，N表示切割平面的层数，k表示相邻一层的切割平面之间的间隔，a、b、c、d表示切割平面的平面参数。

从上可知，切割平面可以是一个平面，此时N为1；也可以是等间距设置的序列平面，此时N大于1。

关于相交测试。

构成断面线的点是由平面P_i与格网模型相交得到的，格网模型的基本单元为三角形，因此若要得到断面线上的点就需要进行平面与三角网的相交操作，剔除无交点的三角形，保留有交点的三角形并生成交点。平面P_i与三角形的邻接关系有以下四种，如图3所示：

图3中(a)图：三角形与平面平行，此种情况视为无交点的情况；

图3中(b)图：三角形与平面不平行，但是存在位于三角形各边的反向延长线上的交点，此种情况视为无交点的情况；

图3中(c)图：三角形与平面不平行，存在两个交点；

图3中(d)图：三角形与平面不平行，存在一个交点。

针对图3中(a)图中三角形与平面平行，若三角形的三个顶点分别为A(x_A,y_A,z_A)，B(x_B,y_B,z_B)和C(x_C,y_C,z_C)，若三条边均符合下述公式1，则说明三角形与该平面P_i无交点。以AB边为例，三角形任意一边AB与切割平面无交点时，满足下述公式1：

公式1：

a(x_A-x_B)+b(y_A-y_B)+c(z_A-z_B)＝0

针对图3中(b)图中三角形与平面不平行，但是存在位于三角形各边的反向延长线上的交点，也视为无交点的情况。若三条边均符合下述公式2，则说明三角形与该平面P_i无交点。以AB边为例，满足下述公式2：

公式2：

ax+by+cz+d＝0

(x-x_A,y-y_A,z-z_A)＝k(x-x_B,y-y_B,z-z_B)

x≠x_A,y≠y_A,z≠z_A

x≠x_B,y≠y_B,z≠z_B

k＞0,k≠1

式中，(x,y,z)表示在全局坐标系xyz中三角形的AB延长边与切割平面的交点坐标。

若存在以上两种情况中的任一种，则说明当前三角形与平面无交点，剔除该三角形，进行下一个三角形的相交测试。

针对图3中(d)图中三角形与平面不平行，存在一个交点，以AB为例，依据公式3计算出一个交点坐标：

公式3：

若a·x_B+b·y_B+c·z_B+d≠0

式中，(x,y,z)表示在全局坐标系xyz中三角形的AB边与切割平面一个交点坐标；

针对图3中(c)图中三角形与平面不平行，存在两个交点，依据公式4计算出两个交点坐标：

公式4：

若a·x_B+b·y_B+c·z_B+d＝0

x₁＝x_B,y₁＝y_B,z₁＝z_B

x₂＝x_C,y₂＝y_C,z₂＝z_C

式中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)表示在全局坐标系xyz中三角形与切割平面的两个交点坐标。

综上所述，步骤D的执行过程如下：

首先，按照公式1或公式2判断格网模型的每个三角形的每条边是否与切割平面均无交点；若不是，则依据公式3或公式4计算出三角形与切割平面的交点坐标。

需要说明的是，本实施例中优选，当一个三角形与切割平面有两个交点时，进行内插值处理以保证每个三角形于切割平面若有交点，仅有一个。

获取到离散交点后，需要将其依据方向一致性准则和距离大小确定交点之间的邻接关系，再依次连接为断面线。如图4所示，由离散点构成的折线(虚线)。

若仅根据距离最近的原则来决定邻接关系将会出现如图5中(a)图所示的错误，从距离上分，CA的距离比CD的距离小，但点C应该与点D连接而不是与点A连接，因此还需要加入方向一致性准则来共同决定邻接关系，假定有向量v1与向量v2，方向一致性准则包含以下两个方面的内容：

1、方向一致：v1·v2＞＝0

2、方向冲突：v1·v2＜0

如图5(b)所示，假定AB的连接关系及方向已确定，由点A指向点B构成向量AB，并将该向量设置为当前的方向向量，此时点B为起始点，距离B最近的点为A，但是此时方向向量BA与当前的方向向量AB冲突，考虑C点，其方向向量BC与当前的方向向量一致，则将C记为B的邻近点，接着确定C为当前点，向量BC为当前的方向向量，重复以上步骤确定C的邻近点。

由上可知，步骤E的执行过程如图6所示：

1、确定起始点，设定起始标记：

从离散点数据中读入任意一点作为起始点，将该点在数组中的序号设置为起始标记k，一般设k＝0，并初始化搜索次数q为0，转入第二步；

2、距离计算：

计算其他点到起始点的欧式距离，按距离从小到大排序，转入第三步；

3、方向计算：

选取距离最近的点与起始点相减构成起始点的方向向量，转入第四步；

4、确定邻近点序号，更新方向向量：

按照方向一致性的规则检查第三步确定的方向向量是否与标准方向向量一致，若一致，距离最近的点为临近点，并确定其序号m，并将标准方向向量更新为第三步中的方向向量；若不一致，剔除所选的距离最近的点作为当前的临近点，返回第二步；

应当说明，所谓剔除所选的距离最近的点作为当前的临近点，是指将其不再计入当前临近点计算中，但是其计入后续临近点计算中。

5、判断循环条件：

若邻近点的序号m与起始标记k相等或者搜索次数大于或等于离散点数目，则说明邻近搜索结束转入第七步，否则转入第六步；

6、起始点更新：

将起始点更新为第四步中确定的邻近点，转入第二步。

经过步骤D和步骤E构建出断面线后，断面线的长度按照如下公式计算：

其中，L为单条断面线的长度，V_i，V_i+1表示断面线上邻接的两个点，n为单条断面线上离散交点的个数。

如图7所示，本发明实施例提供的一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法分为以下几步：

1：输入人体脚型的点云模型后构网得到格网模型。

2：构建脚型的X-Y-Z局部坐标系。

3：提取待测参数，待测参数为脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围中的任意一个或者他们的任意组合。

关于第一步：点云模型转换为格网模型。

如图8中的(a)图所示，脚型的点云模型是由离散点云点构成的；如图8中的(b)图所示，本发明以索引的方式将离散的点云构成相互连接的格网得到格网模型，构网处理可以过滤粗差点而获取较为平滑的数据，同时还可以作为后面断面线生成的基础数据。其中，本发明中格网模型中选取德洛内(Delaunay)三角网表示拓扑关系，其将空间点连接为三角形，使得所有三角形中最小的角最大的一种技术，三角形相互邻接且互不重叠，在一般情况下，它是最优的拓扑关系模型。格网模型的数据表达形式如下所示：

点坐标(点号X Y Z)：1 X1 Y1 Z1、2 X2 Y2 Z2、3 X3 Y3 Z3...

格网索引(顶点1点号顶点2点号顶点3点号)：0 1 2、1 2 3、2 3 4...

关于第二步：构建脚型的X-Y-Z局部坐标系按照如下步骤A-步骤C执行：

步骤A：设定水平面并以水平面为基准生成序列平面，再将序列平面作为切割平面对格网模型进行切割生成断面线，并选择水平位置最低的闭合断面线所在的平面为基准Z平面。

如图9所示，人体脚型模型的X-Y-Z局部坐标系原点O定义为人体脚型模型的重心，Z轴定义为由脚底向上的方向，X轴定义为脚长方向，正方向由脚跟指向脚趾头，Y轴垂直于X轴，X-Y-Z局部坐标系满足右手定律。本实施例中，水平面为在人体脚型模型数据扫描时设定地面或脚底接触的面，基准Z平面定义为图9中的O-XY平面，是指与脚底接触的空间平面，基于该平面可以量测脚底轮廓和脚长数据。其中，基准Z平面与水平面平行，但还存在一个平移关系。该平移关系如下所示：

Z_base＝Z+D

其中，Z_base表示基准Z平面，Z表示水平面，D表示平移量。

本实施例中以水平面为基准，沿着水平面向正方向生成一系列的平面，即序列平面，再采用断面线生成技术将序列平面与格网模型进行切割生成一系列的断面线，其中，每个序列平面切割格网模型生成一条断面线。本实施中优选从生成的一系列断面线中选择断面线闭合且距离水平面最近的断面线所在的平面为基准Z平面。例如，图10中(a)图所示，利用序列平面(20层)对格网模型进行切割，如图10中(b)图所示，在第14层时获取到了完整的断面线，该断面线所在的平面的偏移量即为所求的平移量D，所在的平面即为基准Z平面，基准Z平面与颜色点云叠加显示如图10中(c)图所示。

步骤B：获取所述基准Z平面的断面线上转动惯量值最小的轴并作为X轴，以及获取所述基准Z平面上闭合断面线的质心并作为原点O。

如图11所示，得到脚底在基准Z平面上的断面线轮廓后，利用该轮廓的惯量主轴来确定脚的主方向，并将该主方向作为人体脚型模型的X轴，并将脚底向脚趾头的方向定为X轴的正方向，以及将基准Z平面的中心位置作为原点位置。其中，获取X轴和原点O的过程简述为：

首先，将所述基准Z平面的断面线轮廓的灰度函数f(x,y)作为质量，获取该断面线轮廓关于过所述断面线轮廓质心(c₁，c₂)的任意一条直线的转动惯量I；然后，获取转动惯量I最小时的主轴参数。

式中，α为相较于全局坐标系xyz中x轴的直线倾角，D是灰度函数变量x,y的范围。上式分别对(c₁，c₂)以及α求导，即可获得当轮廓转动惯量最小时的轴信息。整理得：

其中，m₁₀、m₀₀、m₀₁表示为原点矩m_ij，μ₁₁、μ₀₂、μ₀₂表示为相对于质心(c₁，c₂)的中心矩μ_ij；

原点矩m_ij与中心矩μ_ij的计算公式如下：

m_ij＝∫∫xⁱy^jf(x,y)dxdy

μ_ij＝∫∫(x-a)ⁱ(y-b)^jf(x,y)dxdy

步骤C：基于步骤A中的基准Z平面和步骤B中的X轴采用右手原则确定Y轴。

其中，在得到基准Z平面和X轴后，利用右手原则确定Y轴及其正方向。最终将得到如图8所示的坐标系，如图12所示，将该X-Y-Z局部坐标系表示在三维空间中。

关于第三步：提取待测参数。待测参数为脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围中的任意一个或者他们的任意组合。

脚长是脚尖最前端与脚跟最后端的长度。脚宽是脚掌最宽处的宽度。跖围是脚部第1跖趾关节与第5跖骨粗隆点的围长；在人工测量跖围时，选用带子尺平贴在脚部的皮肤上，松紧适度，绕第1和第5跖趾关节一圈，然后读取交叉位置的数据。跗围是脚前跗骨突点与第5跖骨粗隆点的围长。兜围是舟上弯点与脚后跟的围长。其中，跗围和兜围的人工测量方法类似跖围。

本实施例中以待测参数包括脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围为例进行说明，且其提取顺序为：脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围。

其中如图13所示，c：提取脚型的脚长的过程为：

在基准Z平面的断面线上，沿着X轴在脚跟、脚尖的预设临近区域分别设置矩形搜索窗口搜索脚尖前端点和脚跟后端点；再计算脚尖前端点和脚跟后端点之间的欧式距离。

将脚跟处的矩形搜索窗口沿着X轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最小的点确定为脚跟后端点；将脚尖处的矩形搜索窗口沿着X轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最大的点确定为脚尖前端点。

其中，预设临近区域为距离脚跟、脚尖常规位置的20mm的范围以内，矩形搜索窗口的初始位置是沿着X轴正向设置于断面线外或断面线上。本实施例中脚长的矩形搜索窗口的宽度为30mm，以保证能够搜索到脚跟和脚尖。

d：如图14所示，提取脚型的脚宽的过程为：

在基准Z平面的断面线上，利用脚内、外侧的矩形搜索窗口分别在距离脚前端[0，10]cm范围内搜索脚掌内、外侧端点，再计算脚掌内外侧端点之间的欧式距离。

例如，矩形搜索窗口设置于脚长的1/3处，并在距离脚前端[0，10]cm范围内搜索内外侧端点。

将脚内侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最大点为脚掌内侧端点；将脚外侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最小点为脚掌外侧端点。

其中，本实施例中脚宽的矩形搜索窗口的高度为30mm，以保证能够搜索到脚掌内外侧端点。应当理解，脚掌内外侧端点为脚内外侧找到脚骨的突出点，即最靠外的端点。其中，矩形搜索窗口的初始位置还应是沿着Y轴正向设置于断面线外或断面线上。

e：如图15的(a)图和(b)图所示，提取脚型的跖围的过程为：

以过脚掌内外侧端点以及垂直X轴的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跖围断面线，再计算所述跖围断面线的长度。

其中，利用脚宽得到的脚掌内外侧端点作为特征点。

f：提取脚型的跗围的过程为：

如图16所示，在基准Z平面的断面线上，沿着Y轴在脚中部内侧设置矩形搜索窗口，并在距离脚掌中部10cm范围以内搜索最凹点，再如图17的(a)图和(b)图所示，以过脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点以及垂直于O-XY的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跗围断面线，再计算所述跗围断面线的长度。

本实施例中，脚掌中部最凹点为在距离脚掌中部10cm范围以内的搜索区域中搜索的Y值最小点；跗围的矩形搜索窗口的高度为30mm，以保证能搜索到凹陷部分的最高点，矩形搜索窗口初始位置还应是沿着Y轴正向设置于断面线外或断面线上。如图16所示，在搜索窗口内，沿着Y轴由正向负的方向搜索，在局部断面线里找到的最凹点作为内侧的特征点。

g：如图18和图19所示，提取脚型的兜围的过程为：

如图18中(a)图和(b)图所示，以O-XZ平面作为切割平面切割所述格网模型得到反映脚背形状的断面线，并在反映脚背形状的断面线上对应距离脚后端[0,10]cm范围内利用矩形搜索窗口搜索脚背最凹点；再如图19中(a)图和(b)图所示，以过脚跟后端点和脚背最凹点以及垂直于O-YZ的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到兜围断面线，再计算所述兜围断面线的长度。

本实施例中，兜围的矩形搜索窗口的宽度为30mm，以保证能搜索到脚背最凹点，例如，矩形搜索窗口设置在脚背的2/3处，且矩形搜索窗口的初始位置还应为沿着Z轴正向设置于断面线外或断面线上。如图18的(b)图所示，在搜索窗口内，沿着Z轴由正方向向负方向搜索。

综上所述，第三步提取待测参数的过程可以简述为：在预设特征断面线上设置搜索窗口来获取待测参数相对应的特征点，再依据所述相对应的特征点计算出所述待测参数。

a：待测参数为脚长或脚宽时，计算待测参数的相对应特征点之间的欧式距离，欧式距离为相对应的待测参数的值；

b：待测参数为跖围或跗围或兜围时，基于X-Y-Z局部坐标系将待测参数相对应的特征点所在平面作为切割平面，再利用切割平面切割格网模型得到跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线，再计算出跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线的轮廓长度，轮廓长度为相对应的待测参数的值；

其中，待测参数为脚长或脚宽或跖围或跗围时，选择步骤A中基准Z平面的断面线作为预设特征断面线；

待测参数为兜围时，选择以O-XZ平面作为切割平面对步骤1中格网模型进行切割生成的断面线以及所述基准Z平面的断面线作为预设特征断面线。

待测参数为脚长，相对应的特征点为脚尖前端点和脚跟后端点；待测参数为脚宽或跖围，相对应的特征点为脚掌内外侧端点；待测参数为跗围，相对应的特征点为脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点；待测参数为兜围，相对应的特征点为脚跟后端点和脚背最凹点。

只需要利用人体脚型的点云数据，利用算法能自动的对脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围等进行计算。利用人工量测方式对某志愿者的脚型的五个关键参数进行了量测，同时对该志愿者的脚利用三维扫描设备进行了点云采集，利用本专利的方法进行参数自动提取，将参数显示在渲染后的模型中，如图20的(a)图和(b)图所示，为某志愿者的脚型参数，其中，脚长为234.94mm，脚宽为89.76mm，跖围为181.3mm，跗围位192.7mm，兜围位268.5mm。参数对比结果如表1所示。从该实验中可以看出，同人工量测的参数对比，本发明的数据精度可以控制在1mm左右。

表1

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于格网模型和断面线的脚型参数获取方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：获取脚型的点云模型，以索引的方式将离散的点云构成相互连接的格网得到格网模型；

步骤2：基于步骤1中格网模型构建脚型的X-Y-Z局部坐标系；

其中，按照步骤A-步骤C构建所述X-Y-Z局部坐标系：

步骤A：设定水平面并以水平面为基准生成序列平面，再将序列平面作为切割平面对格网模型进行切割生成断面线，并选择水平位置最低的闭合断面线所在的平面为基准Z平面；

步骤B：获取所述基准Z平面的断面线上转动惯量值最小的轴并作为X轴，以及获取所述基准Z平面上闭合断面线的质心并作为原点O；

步骤C：基于步骤A中的基准Z平面和步骤B中的X轴采用右手原则确定Y轴；

步骤3：在预设特征断面线上设置搜索窗口来获取待测参数相对应的特征点，再依据所述相对应的特征点计算出所述待测参数；

a：所述待测参数为脚长或脚宽时，计算所述待测参数的相对应特征点之间的欧式距离，所述欧式距离为相对应的待测参数的值；

b：所述待测参数为跖围或跗围或兜围时，基于所述X-Y-Z局部坐标系将所述待测参数相对应的特征点所在平面作为切割平面，再利用切割平面切割所述格网模型得到跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线，再计算出所述跖围断面线或跗围断面线或兜围断面线的轮廓长度，所述轮廓长度为相对应的待测参数的值；

其中，所述待测参数为脚长或脚宽或跖围或跗围时，选择步骤A中基准Z平面的断面线作为预设特征断面线；

所述待测参数为兜围时，选择以O-XZ平面作为切割平面对步骤1中格网模型进行切割生成的断面线以及所述基准Z平面的断面线作为预设特征断面线；

e：提取脚型的跖围的过程为：以过脚掌内外侧端点以及垂直X轴的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跖围断面线，再计算所述跖围断面线的长度；

f：提取脚型的跗围的过程为：在基准Z平面的断面线上，沿着Y轴在脚中部内侧设置矩形搜索窗口，并在距离脚掌中部10cm范围以内的搜索脚掌中部最凹点，再以过脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点以及垂直于O-XY的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到跗围断面线，再计算所述跗围断面线的长度；

g：提取脚型的兜围的过程为：以O-XZ平面作为切割平面切割所述格网模型得到反映脚背形状的断面线，并在反映脚背形状的断面线上对应距离脚后端[0,10]cm范围内利用矩形搜索窗口搜索脚背最凹点，再以过脚跟后端点和脚背最凹点以及垂直于O-YZ的平面作为切割平面，切割所述格网模型得到兜围断面线，再计算所述兜围断面线的长度。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：以切割平面对格网模型进行切割生成断面线的过程如下：

步骤D：获取切割平面与格网模型的交点；

步骤E：根据方向一致性准则和距离大小确定各个所述交点之间的邻接关系，再依据所述邻接关系将获取的交点依次连接为断面线；

其中，满足所述方向一致性准则的前提下选择距离最近的两个交点作为邻接交点；

所述方向一致性准则为：

v1·v2＞＝0

向量v1是从A到B的两个邻接交点确定的当前方向向量，向量v2是交点B到下一邻接交点C的方向向量。

3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于：断面线的长度按照如下公式计算：

其中，L为单条断面线的长度，V_i，V_i+1表示断面线上邻接的两个点，n为单条断面线上离散交点的个数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤D的执行过程如下：

首先，判断格网模型的每个三角形的每条边是否与切割平面均无交点；若不是，则计算出三角形与切割平面的交点坐标；

其中，三角形与切割平面之间存在一个交点，则按照如下公式3计算出交点坐标；

公式3：

a·x_B+b·y_B+c·z_B+d≠0

式中，(x,y,z)表示在全局坐标系xyz中三角形的AB边与切割平面一个交点坐标；

三角形与切割平面之间存在两个交点，则按照如下公式4计算出交点坐标；

公式4：

a·x_B+b·y_B+c·z_B+d＝0

x₁＝x_B,y₁＝y_B,z₁＝z_B

x₂＝x_C,y₂＝y_C,z₂＝z_C

式中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)表示在全局坐标系xyz中三角形与切割平面的两个交点坐标；

其中，切割平面如下所示：

P_i:ax+by+cz+d±i·k＝0,0≤i＜N，N≥1

式中，P_i表示第i层切割平面，N表示切割平面的层数，k表示相邻一层的切割平面之间的间隔，a、b、c、d表示切割平面的平面参数，三角形的三个顶点分别为A(x_A,y_A,z_A)，B(x_B,y_B,z_B)和C(x_C,y_C,z_C)。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述待测参数与特征点的对应关系如下：

待测参数为脚长，相对应的特征点为脚尖前端点和脚跟后端点；

待测参数为脚宽或跖围，相对应的特征点为脚掌内外侧端点；

待测参数为跗围，相对应的特征点为脚掌外侧端点和脚掌中部最凹点；

待测参数为兜围，相对应的特征点为脚跟后端点和脚背最凹点。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述待测参数包括脚长、脚宽、跖围、跗围以及兜围时，步骤3依次提取出脚型的脚长、脚宽、跖围、跗围、兜围；

c：提取脚型的脚长的过程为：

在基准Z平面的断面线上，沿着X轴在脚跟、脚尖的预设临近区域分别设置矩形搜索窗口搜索脚尖前端点和脚跟后端点；再计算脚尖前端点和脚跟后端点之间的欧式距离；

其中，将脚跟处的矩形搜索窗口沿着X轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最小的点确定为脚跟后端点；将脚尖处的矩形搜索窗口沿着X轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，将矩形窗口内的X值最大的点确定为脚尖前端点；

X轴的正方向为脚跟指向脚趾头的方向；

d：提取脚型的脚宽的过程为：

在基准Z平面的断面线上，利用脚内、外侧的矩形搜索窗口分别在距离脚前端[0，10]cm范围内搜索脚掌内、外侧端点，再计算脚掌内外侧端点之间的欧式距离；

其中，将脚内侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由正向负方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最大点为脚掌内侧端点；

将脚外侧处的矩形搜索窗口在距离脚前端[0,10]cm范围内沿着Y轴由负向正方向搜索基准Z平面的断面线，得到的Y坐标最小点为脚掌外侧端点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中获取X轴和原点O的过程为：

首先，将所述基准Z平面的断面线轮廓的灰度函数f(x,y)作为质量，获取过所述断面线轮廓质心(c₁，c₂)的任意一条直线的转动惯量I；

式中，α为相较于全局坐标系xyz中x轴的直线倾角，D是灰度函数变量x,y的范围；

然后，获取转动惯量I最小时的主轴参数；

其中，主轴参数包括所述断面线轮廓质心(c₁，c₂)和直线倾角α；

其中，m₁₀、m₀₀、m₀₁表示为原点矩m_ij，μ₁₁、μ₀₂、μ₀₂表示为相对于质心(c₁，c₂)的中心矩μ_ij；

原点矩m_ij与中心矩μ_ij的计算公式如下：

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