CN114451636B - 一种基于旋转式3d脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法，涉及适形鞋垫生成技术领域，包括：被测者裸脚踩到胶泥上，旋转扫描摄像头对被测者脚背进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚背加底座数据；被测者将裸脚从胶泥上移开，旋转扫描摄像头对胶泥进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚底加底座数据；将脚背加底座数据及脚底加底座数据转化为点云数据，并分别合并生成完整的脚背加底座点云数据及完整的脚底加底座点云数据；提取脚背点云数据和脚底点云数据，合并得到完整的脚模点云数据；根据脚模点云数据生成Mesh模型，基于Mesh模型计算适形鞋垫模型。本发明实现了采集被测者脚型完整数据，并根据脚型数据计算生成适形鞋垫的功能。

Description

一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法
技术领域
本发明涉及适形鞋垫生成技术领域，尤其是涉及一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法。
背景技术
足部运动舒适度与足底压力分布密切相关，舒适的鞋垫需要根据人体足部特点设计合理的压力分布。已有鞋垫生产方法主要基于人体足型信息分类，生产各类群体代表性足型的鞋垫，对个体足底信息的适应度有限。在特定领域，比如提高运动员的运动成绩，需要根据每个人设计适型鞋垫，以最大限度的满足运动力学和舒适度要求，不具有个体针对性的运动鞋垫无法满足此类要求。
适形鞋垫的制作，首先需要获得完整准确的足部三维信息。获取足部三维数据，主要基于两种方式：一是基于二维图像的数据转换，二是基于3D扫描仪扫描获取。基于二维图像数据获取三维足部信息，采集数据较为简单、时间复杂度低，但图像转换为三维数据存在遮挡、重叠、噪点多等困难，还原脚型的效果比较弱。
基于3D扫描仪获取三维格式的脚型数据，直观高效，脚型还原效果较好。
已有的三维足部信息扫描，存在如下缺点：
(1)手持旋转360度的扫描仪，需要在脚部做标记，以用于后期点云数据配准。对人体足部做标记点，一是耗时长且效率低，二是会引起被测者的不适或反感。
(2)架空足部的扫描仪，扫描获得的是自然状态下的三维脚型信息，舒适度不够好。在自然状态下和踩踏受力状态下的脚型三维信息不同，舒适的鞋垫应是适应受力状态的脚型。
(3)扫描的点云数据生成脚的模型和鞋垫的过程，需要手动的拼接和降噪。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法，基于旋转式3D脚型扫描仪实现对被测者三维脚型数据的自动多角度环绕采集，同时利用胶泥解决了脚底数据的采集问题，根据三维点云数据运用算法进行拼接、计算及降噪，进而得到完整脚模数据，生成适形鞋垫，满足特殊人群的需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法，包括：
被测者裸脚踩到放置于底座上的胶泥上，通过旋转扫描摄像头对被测者脚背进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚背加底座数据；
被测者将裸脚从胶泥上移开，通过旋转扫描摄像头对留有脚印的胶泥进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚底加底座数据；
将所述脚背加底座数据及所述脚底加底座数据转化为点云数据，并分别合并生成完整的脚背加底座点云数据及完整的脚底加底座点云数据；
提取脚背点云数据和脚底点云数据，并将所述脚背点云数据和脚底点云数据合并，得到完整的脚模点云数据；
根据所述脚模点云数据生成Mesh模型，并基于所述Mesh模型计算适形鞋垫模型。
作为本发明的进一步改进，所述扫描摄像头顺时针旋转，每间隔70°对被测者脚背进行一次数据采集，共采集5次。
作为本发明的进一步改进，所述扫描摄像头逆时针旋转，每间隔140°对留有脚印的胶泥进行一次数据采集，共采集3次。
作为本发明的进一步改进，采用ASC格式文件保存点云数据，具体包括：
将每个角度采集的所述脚背和底座数据或所述脚底和底座数据分别转化为点云数据，并分别保存为一个ASC文件；
对多个ASC文件中的点云数据进行数据抽稀；
合并多个保存脚背和底座点云数据的ASC文件，得到完整的脚背和底座的点云数据的ASC文件；
合并多个保存脚底和底座点云数据的ASC文件，得到完整的脚底和底座的点云数据的ASC文件。
作为本发明的进一步改进，提取脚背点云数据和脚底点云数据，并将所述脚背点云数据和脚底点云数据合并，得到完整的脚模点云数据；包括：
将完整的所述脚背加底座点云数据和完整的所述脚底加底座点云数据进行比对，识别出共同的底座点云数据；
将完整的所述脚背加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚背点云数据；
将完整的所述脚底加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚底点云数据；
将所述脚背点云数据与所述脚底点云数据合并，得到完整的所述脚模点云数据。
作为本发明的进一步改进，对合并得到的所述脚模点云数据进行点云降噪和位置校准。
作为本发明的进一步改进，所述点云降噪包括：通过聚类降噪算法将所述脚模点云数据中无法聚簇的离群点去除；
采取基于半径的离群点移除法去除所述脚模点云数据中的噪点。
作为本发明的进一步改进，所述脚模点云数据包括X、Y、Z坐标数据；
将所述脚模点云数据的X、Y、Z坐标数据对照世界三维坐标系进行旋转、平移。
作为本发明的进一步改进，所述根据所述脚模点云数据生成Mesh模型，并基于所述Mesh模型计算适形鞋垫模型；包括：
采用Open3D开源库根据所述脚模点云数据生成带有足底信息的脚模三维Mesh模型文件；
在开源的鞋垫软件Gensole中导入所述脚模三维Mesh模型文件，根据所述三维Mesh模型计算足部压力，运算生成鞋垫模型；
通过Cura软件将所述鞋垫模型切片为3D打印机可识别的G-code文件；
利用打印机根据所述G-code文件生成运动指令控制打印鞋垫模型。
作为本发明的进一步改进，所述鞋垫模型生成过程中，在所述鞋垫软件Gensole中输入被测者的脚底压力数据，完善鞋垫力学结构，得到所述鞋垫模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于旋转式3D脚型扫描仪实现对被测者三维脚型数据的多角度环绕采集，同时利用胶泥解决了脚底数据的采集问题，进而得到完整脚模数据，生成适形鞋垫，满足特殊人群的需求；本发明提供了提取模型数据、打印模型、生成适形鞋垫的一整套完整的、切实有效的生成方法。
本发明通过脚背加底座的扫描和脚底加底座的扫描，既获取了脚背和脚底的数据同时可以通过两种数据实现底座数据的摘除，并将脚背和脚底数据进行合成，更便捷的获取到脚模完整数据。
本发明对脚底和脚背数据合成后并进行修复，保证了足部模型的真实性，是生成与人体足部高匹配的鞋垫设计方案的前提。3D打印模型给足部模型和鞋垫成品的展示提供了便捷方案。该发明具有定制性，处理便捷，流程适配性高，方便上门服务等特点。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法流程图；
图2为本发明一种实施例公开的多线结构光扫描原理图；
图3为本发明一种实施例公开的3D脚型扫描仪扫描后直接生成的脚背加底座点云数据示意图；
图4为本发明一种实施例公开的合并后完整的脚背加底座数据的模型示意图；
图5为本发明一种实施例公开的合并后完整的脚底加底座数据的模型示意图；
图6为本发明点云计算欧式距离摘除底座算法示意图；
图7为本发明一种实施例公开的提取出的底座数据的模型示意图；
图8为本发明一种实施例公开的提取出的脚背数据的模型示意图；
图9为本发明一种实施例公开的提取出的脚底数据的模型示意图；
图10为本发明一种实施例公开的合成后未经降噪的完整脚型数据的模型示意图；
图11为本发明一种实施例公开的降噪后的完整脚型数据的模型示意图；
图12为本发明一种实施例公开的生成的Mesh脚型模型图；
图13为本发明一种实施例公开的根据Mesh脚型模型生成的鞋垫图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供的一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法，包括：
S1、被测者裸脚踩到放置于底座上的胶泥上，通过旋转扫描摄像头对被测者脚背进行多角度的多线结构光数据采集(多线结构光数据采集原理图如图2所示)，获得脚背加底座数据；
其中，
本发明还提供了一种3D脚型扫描仪，主要构件包括：旋转臂、摄像头、承重底座、胶泥、标定板及三维模型处理方法；旋转臂下端连接承重底座，上端连接摄像头，摄像头位于称重底座上方正对承重底座上的胶泥，标定板用于3D脚型扫描仪的校准，三维模型处理方法用于将扫描数据保存为ASC文件；数据采集过程还涉及投影仪；
打开投影仪和3D脚型扫描仪，被测者裸脚或着浅色袜子踩到承重底座的胶泥上(胶泥由保鲜膜包裹)，投影仪投影在被测者脚背上，电机驱动旋转臂进行转动，旋转臂带动摄像头顺时针旋转，每间隔70°对被测者脚背进行一次数据采集，共采集5次。
S2、被测者将裸脚从胶泥上移开，通过旋转扫描摄像头对留有脚印的胶泥进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚底加底座数据；
其中，
投影仪投影在留有脚印的胶泥上，旋转臂带动摄像头逆时针旋转，每间隔140°对留有脚印的胶泥进行一次数据采集，共采集3次。
S3、将所述脚背加底座数据及所述脚底加底座数据转化为点云数据，并分别合并生成完整的脚背加底座点云数据及完整的脚底加底座点云数据；
其中，
扫描完成后，将每次采集的脚背加底座数据保存为一个ASC文件，即点云数据(包含各扫描点的X、Y、Z坐标)，一共获得5个脚背加底座ASC点云文件；将每次采集的脚底加底座数据保存为一个ASC文件，即点云数据，一共获得3个脚底加底座ASC点云文件；
对数据进行降采样，即对多个ASC点云文件中的点云数据进行20％数据抽稀，以提高运算效率；
分组合并数据，按照数据特点，将第1到第5个ASC点云文件、第6到第8个ASC点云文件分别进行合并，生成2个ASC点云文件，分别包含了完整的脚背加底座点云数据(如图4)和完整的脚底加底座点云数据(如图5)。
S4、提取脚背点云数据和脚底点云数据，并将所述脚背点云数据和脚底点云数据合并，得到完整的脚模点云数据，通过计算点云两点的欧式距离摘除底座算法示意如图6；
其中，
由于完整的脚背加底座点云数据和完整的脚底加底座点云数据中，都包含了底座数据，所以将完整的所述脚背加底座点云数据和完整的所述脚底加底座点云数据进行比对，识别出共同的底座点云数据(如图7)；
将完整的所述脚背加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚背点云数据(如图8)；
将完整的所述脚底加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚底点云数据(如图9)；
将所述脚背点云数据与所述脚底点云数据合并，得到完整的所述脚模点云数据(如图10)。
另外，
得到的脚模点云数据仍然被噪点干扰，如图10，因此将脚模数据进行降噪平滑处理，得到更为干净的脚模点云，并将其进行旋转和平移操作，得到可直接进行互动展示、符合可视化需要的文件。如图11。
具体的，
对合并得到的所述脚模点云数据进行点云降噪，包括：通过聚类降噪算法和基于半径的离群点移除法去除所述脚模点云数据中的噪点。
将所述脚模点云数据的X、Y、Z坐标数据对照世界三维坐标系进行进行旋转、平移。
S5、根据所述脚模点云数据生成Mesh模型，并基于所述Mesh模型计算适形鞋垫模型。
其中，包括：
采用Open3D开源库根据所述脚模点云数据生成带有足底信息的脚模三维Mesh模型文件；
在开源的鞋垫软件Gensole中导入所述脚模三维Mesh模型文件，输入被测者的脚底压力数据，完善鞋垫力学结构，运算生成鞋垫模型；
通过Cura软件将所述鞋垫模型切片为3D打印机可识别的G-code文件；
打印机根据所述G-code文件生成运动指令知道打印鞋垫模型。
进一步的，
在开源的鞋垫软件Gensole中，预设鞋垫的初始轮廓尺寸，然后Gensole软件根据脚模三维Mesh模型及脚底压力数据进行匹配运算，生成鞋垫模型。
Cura软件将STL格式的鞋垫模型切片为3D打印机可识别的G-code文件。
实施例：
步骤1、安装校准扫描仪器。
当机器发生较大范围的移动，或扫描精度出现不准确时，可以对扫描仪进行标定校准。打开软件，使用“自动”菜单—“转一角度”功能将镜头与投影转到距离白色定点标记90度的位置，放上标定板，点击软件中的“设置”菜单—“拍标定图”。点击标定计算，点击计算RT。检查点数是否在合理范围内(400-441)。若不在合理范围内，需排查周围是否有反光物体干扰，标定板摆放是否正确，角度是否正确等因素，调整后重新标定。确认无误后，退出软件，重新打开，使标定结果生效。然后进行轴标定，点击“自动”菜单—“自动标定”。确认点数5个点数都在合理范围内后，完成校准，可开始扫描。
步骤2、准备胶泥。
为了保证胶泥的软硬度适中，便于采集脚底数据，新拆封的胶泥需要包裹在保鲜膜中放置至少10个小时才能使用。
步骤3、检查环境。
扫描仪放置在深色不反光的地面上，确认周边没有反光的浅色物体，确认室内灯光情况，避免产生反光。
步骤4、打开扫描仪电源，打开投影仪，调到HDMI连接。
打开软件，确认摄像头与投影仪是否位于起始位置(白色标记左侧约40度)。若未在此位置，可使用“自动”菜单中的“转一角度”按钮将转台调整到起始点附近，再通过“转台复位”按钮进行复位。
步骤5、脚型信息扫描。
将胶泥包裹保鲜膜，铺在踏板上，被测者着浅色袜子踩在胶泥上，然后抬起脚，等待几秒钟，再将脚自然放在刚刚踩好的脚印上。点击扫描软件“自动”菜单中的“自动扫描”，摄像头每隔70度光栅扫描一次，共扫描5次，等待脚背扫描完成；脚背扫描完成后，把脚移开，等脚完全离开扫描范围后，操作软件，旋转臂自动扫描胶泥上的足底信息，摄像头每隔140度光栅扫描一次，共扫描3次。
步骤6、扫描完成，软件生成脚型数据。
以ASC格式保存脚模数据，共获得8个ASC点云文件，包含脚型点云(各扫描点的X、Y、Z坐标)数据，如图3。其中第1至5个ASC点云文件对应脚背和底座模型数据，第6至8个ASC点云文件对应脚底和底座模型数据。
对数据进行降采样，对8个ASC点云文件进行20％的数据抽稀，以提高运算效率。
分组合并数据。按照数据特点，将第1到第5个ASC点云文件、第6到第8个ASC点云文件分别进行合并，生成2个ASC点云文件，分别包含了“脚背+底座数据”(如图4)和“脚底+底座数据”(如图5)。
核心算法概述。由于数据之间具有“存在高度重复部分”的特点，故运用暴力(Brute Force)算法，对空间内的任意两点计算欧式距离，并适当设定阈值，将两点欧式距离与阈值进行比较，若两点欧氏距离小于阈值，则认为两点近似于重叠，通过此方法将点云数据之间的共同部分识别出来。算法示意如图6，在XYZ坐标系中，设阈值为θ，A点为“脚背+底座数据”部分中底座上的点，B点为“脚底+底座数据”部分中脚底上的点，C点为“脚底+底座数据”部分中底座上的点，下面在此假设下对核心算法思想举例说明。算法的目的是通过欧氏距离的计算并且和阈值进行比较，识别出与A点近似重叠的C点，并删除C点；识别出与A点距离较远的B点，并保留B点。在算法的具体流程中，首先分别对于A点和B点、A点和C点进行欧氏距离计算，得到A、B两点间欧式距离为dist(A,B)，A、C两点间欧式距离为dist(A,C)；然后将两点欧氏距离与阈值进行比较，因为dist(A,B)>θ，故保留B点，因为dist(A,C)<θ，故删除C点；完成了从“脚底+底座数据”中剔除底座数据的核心任务，本例中选择的θ2＝10。
提取底座部分。由于“脚背+底座数据”ASC点云文件和“脚底+底座数据”ASC点云文件中，都包含了承重底座模型，所以运用上述核心算法，将它们的共同部分识别出来，即将底座识别出来，如图7。
提取脚背部分。运用核心算法将识别出的底座部分和“脚背+底座数据”ASC点云文件进行对比，提取出脚背部分，如图8。
提取脚底部分。运用核心算法将识别出的底座部分和“脚底+底座数据”ASC点云文件进行对比，提取出脚底部分，如图9。
将脚背部分和脚底部分合并，得到完整独立但仍然被噪点干扰的脚模，如图10。
将脚模数据进行降噪平滑处理，得到更为干净的脚模点云，并将其进行旋转和平移操作，得到可直接进行互动展示、符合可视化需要的文件。如图11。
步骤7、根据点云文件生成脚模Mesh模型，即具有纹理信息的文件。如图12。
步骤8、使用Gensole开源软件，预设鞋垫的初始轮廓尺寸用以适配鞋子整体效果，导入之前生成的脚部三维模型，并通过solemorph功能对鞋垫的上表面与脚部扫描数据进行自动匹配，让鞋垫的上表面贴合到脚部模型的足底面，隐藏脚部模型后显示的就是鞋垫针对当前脚部数据的适应性设计模型。输入脚底压力数据对鞋垫进一步力学结构设计，帮助运动员缓解足底压力或者提供功能性的额外足底力学支撑(根据运动项目需求)，得到鞋垫模型，如图13。
步骤9、使用Cura软件将STL格式的Mesh模型切片为3D打印机可识别的G-code格式，打印鞋垫模型。
本发明的优点：
(1)基于旋转式3D脚型扫描仪实现对被测者三维脚型数据的多角度环绕采集，同时利用胶泥解决了脚底数据的采集问题，进而得到完整脚模数据，生成适形鞋垫，满足特殊人群的需求；本发明提供了提取模型数据、打印模型、生成适形鞋垫的一整套完整的、切实有效的生成方法。
(2)通过脚背加底座的扫描和脚底加底座的扫描，既获取了脚背和脚底的数据同时可以通过两种数据实现底座数据的摘除，并将脚背和脚底数据进行合成，更便捷的获取到脚模完整数据。
(3)对脚底和脚背数据合成后并进行修复，保证了足部模型的真实性，是生成与人体足部高匹配的鞋垫设计方案的前提。3D打印模型给足部模型和鞋垫成品的展示提供了便捷方案。该发明具有定制性，处理便捷，流程适配性高，方便上门服务的特点。
(4)扫描仪自动旋转，扫描时足部不动，无需在人体足部做用于配准的标记点。
(5)胶泥的使用和两次扫描，一次扫描脚面，一次扫描胶泥上的足底信息，被测者踩踏一次胶泥，可以同时获得人体脚面的三维信息和足底的三维信息，扫描速度更快。
(6)胶泥的使用，获取的是踩踏受力状态下的脚型三维信息，生成的鞋垫更舒适。
(7)生成的多个三维点云数据，由算法完成计算、拼接、降噪，获取脚面脚底的完整脚型信息，替代手工处理点云数据，数据处理自动高效。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于旋转式3D脚型扫描仪的适形鞋垫生成方法，其特征在于，包括：
旋转式3D脚型扫描仪包括旋转臂、扫描摄像头、底座，设置所述旋转臂下端连接所述底座，上端连接所述扫描摄像头，所述扫描摄像头位于所述底座上方正对所述底座上的胶泥；
被测者裸脚踩到放置于底座上的胶泥上，投影仪投影在被测者脚背上，所述旋转臂带动所述扫描摄像头旋转，所述扫描摄像头对被测者脚背进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚背加底座数据；其中，所述旋转臂带动所述扫描摄像头顺时针旋转，每间隔70°对被测者脚背进行一次数据采集，共采集5次；
被测者将裸脚从胶泥上移开，所述旋转臂带动所述扫描摄像头旋转，所述扫描摄像头对留有脚印的胶泥进行多角度的多线结构光数据采集，获得脚底加底座数据；其中，所述旋转臂带动所述扫描摄像头逆时针旋转，每间隔140°对留有脚印的胶泥进行一次数据采集，共采集3次；
将所述脚背加底座数据及所述脚底加底座数据转化为点云数据，并分别合并生成完整的脚背加底座点云数据及完整的脚底加底座点云数据；
提取脚背点云数据和脚底点云数据，并将所述脚背点云数据和脚底点云数据合并，得到完整的脚模点云数据；包括：将完整的所述脚背加底座点云数据和完整的所述脚底加底座点云数据进行比对，识别出共同的底座点云数据；将完整的所述脚背加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚背点云数据；将完整的所述脚底加底座点云数据与所述底座点云数据进行比对，提取出脚底点云数据；将所述脚背点云数据与所述脚底点云数据合并，得到完整的所述脚模点云数据；
根据所述脚模点云数据生成Mesh模型，并基于所述Mesh模型计算适形鞋垫模型。
2.根据权利要求1所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：采用ASC格式文件保存点云数据，具体包括：
将每个角度采集的所述脚背和底座数据或所述脚底和底座数据分别转化为点云数据，并分别保存为一个ASC文件；
对多个ASC文件中的点云数据进行数据抽稀；
合并多个保存脚背和底座点云数据的ASC文件，得到完整的脚背和底座的点云数据的ASC文件；
合并多个保存脚底和底座点云数据的ASC文件，得到完整的脚底和底座的点云数据的ASC文件。
3.根据权利要求1所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：对合并得到的所述脚模点云数据进行点云降噪和位置校准。
4.根据权利要求3所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：所述点云降噪，包括：
通过聚类降噪算法将所述脚模点云数据中无法聚簇的离群点去除；
采取基于半径的离群点移除法去除所述脚模点云数据中的噪点。
5.根据权利要求3所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：所述脚模点云数据包括X、Y、Z坐标数据；
将所述脚模点云数据的X、Y、Z坐标数据对照世界三维坐标系进行旋转、平移。
6.根据权利要求1所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：根据所述脚模点云数据生成Mesh模型，并基于所述Mesh模型计算适形鞋垫模型；包括：
采用Open3D开源库根据所述脚模点云数据生成带有足底信息的脚模三维Mesh模型文件；
在开源的鞋垫软件Gensole中导入所述脚模三维Mesh模型文件，根据所述三维Mesh模型计算足部压力，运算生成鞋垫模型；
通过Cura软件将所述鞋垫模型切片为3D打印机可识别的G-code文件；
利用打印机根据所述G-code文件生成运动指令控制打印鞋垫模型。
7.根据权利要求6所述的适形鞋垫生成方法，其特征在于：所述鞋垫模型生成过程中，在所述鞋垫软件Gensole中输入被测者的脚底压力数据，完善鞋垫力学结构，得到所述鞋垫模型。
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