TWI664547B - 鞋墊設計方法及鞋墊設計系統 - Google Patents

Abstract

一種鞋墊設計方法，包括：利用一深度相機拍攝一未受壓之自由足型，並獲取一自由足型三維影像；利用深度相機拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型，並獲取一受壓足型三維影像；將自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行對位；依據對位後之自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行計算並獲得一足掌形變量；以及依據足底投影平面或一特定鞋底三維輪廓以及足掌形變量完成一設計鞋墊。

Description

鞋墊設計方法及鞋墊設計系統

本發明是關於一種設計產品的系統及方法，特別是關於一種鞋墊設計方法及鞋墊設計系統。

傳統設計客製化鞋墊需要足形三維資料與參考足壓資料，在設備方面，除三維掃描器外，還需要足壓機，才能取得此些資料。此外，若依據參考足壓資料來輔助設計鞋墊，還需人工的專業判斷且難以量化需調整的部分，所以對於鞋墊技師可說是費時又耗工。

因此，如何配合足部外形設計出完全符合個人所需之鞋墊，已成為本領域需解決的問題之一。

為了解決上述的問題，本揭露內容之一態樣提供了一種鞋墊設計方法，包括：利用一深度相機拍攝一未受壓之自由足型，並獲取一自由足型三維影像；利用深度相機拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型，並獲取一受壓足型三維影像；將自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行對位；依據對位後之自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行計算並獲得一足掌形變量；以及依據足底投影平面或特定鞋底三維輪廓以及足掌形變量完成一設計鞋墊。

本發明之另一態樣係於提供一種鞋墊設計系統，包括：一深度相機以及一處理器。深度相機用以拍攝一未受壓之自由足型，獲取一自由足型三維影像，並拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型，獲取一受壓足型三維影像。處理器用以將自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行對位，依據對位後之自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行計算並獲得一足掌形變量，並依據足底投影平面或特定鞋底三維輪廓以及足掌形變量完成一設計鞋墊。

本發明所示之鞋墊設計方法及鞋墊設計系統，能夠完整拍攝自由足型三維影像與足部受壓後的受壓足型三維影像，並依此攝自由足型三維影像與受壓足型三維影像做正確對位，計算出兩筆自由足型三維影像與受壓足型三維影像的差異量，即為足底受壓形變量，此足底受壓形變量可配合足部外形，設計出個人化專屬鞋墊。

以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。

必須了解的是，使用於本說明書中的”包含”、”包括”等詞，係用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。

於權利要求中使用如”第一”、"第二"、"第三"等詞係用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先權順序，先行關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。

以下揭示提供許多不同實施例或例證用以實施本發明的不同特徵。特殊例證中的元件及配置在以下討論中被用來簡化本揭示。所討論的任何例證只用來作解說的用途，並不會以任何方式限制本發明或其例證之範圍和意義。此外，本揭示在不同例證中可能重複引用數字符號且/或字母，這些重複皆為了簡化及闡述，其本身並未指定以下討論中不同實施例且/或配置之間的關係。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『耦接』或『連接』還可指二或多個元件元件相互操作或動作。在本文中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述各種元件、組件、區域、層與/或區塊是可以被理解的。但是這些元件、組件、區域、層與/或區塊不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來辨別單一元件、組件、區域、層與/或區塊。因此，在下文中的一第一元件、組件、區域、層與/或區塊也可被稱為第二元件、組件、區域、層與/或區塊，而不脫離本發明的本意。如本文所用，詞彙『與/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

請參照第1~2圖，第1圖係依照本發明一實施例繪示鞋墊設計方法100之流程圖。第2圖係依照本發明一實施例繪示拍攝足形之示意圖。

於步驟110中，深度相機10拍攝一未受壓之自由足型30，並獲取一自由足型三維影像。於一實施例中，未受壓之自由足型30是指沒有受壓力時的足部形狀。

於步驟120中，深度相機10拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型40，並獲取一受壓足型三維影像。於一實施例中，受壓足型40是指受到壓力的足部形狀，例如，當足部站於在透明踩踏板50上時，腳掌會承受到身體或腿部的壓力，而使腳掌形狀產生形變。

於一實施例中，步驟110、120的次序可對調。於一實施例中，可應用全視角720度的三維掃描器，例如是多個深度相機10，或搭配不同規格的多個深度相機10以拍攝各種位置的足部，將足形的資訊建構出來。

於一實施例中，深度照相機10可透過通訊連結LK與處理器20以無線或有線方式通訊，將深度照相機10拍攝到的影像傳送到處理器20。

於步驟130中，處理器20將自由足型三維影像與受壓足型三維影像進行對位。

請參閱第3A~3B及4圖，第3A圖係依照本發明一實施例繪示拍攝足掌形變量之示意圖。第3B圖係依照本發明一實施例繪示產生定位後之自由足型三維影像之示意圖。第4圖係依照本發明一實施例繪示定義受壓足形三維影像410之示意圖。

於一實施例中，如第3A圖所示，處理器20選取受壓足型三維影像中受壓處的非共線之三點A~C(此非共線之三點A~C構成一平面)，處理器20將此非共線之三點A~C經由旋轉或平移至一Z軸為零的平面上。

如第3B圖所示，處理器20更將自由足型三維影像310旋轉或移動至一Z軸為零(Z=0)的平面上(自由足型三維影像310樣貌並未更動，僅是自由足型三維影像310被旋轉或平移)，以產生定位後之自由足型三維影像320。

藉此，可將自由擺放的自由足型三維影像310的腳掌定義到Z軸為零的平面上，產生定位後之自由足形三維影像320，以利於後續跟踩踏在平面上的受壓足形三維影像410進行對位。

於一實施例中，處理器20將受壓足型三維影像410之足背區域與定位後的自由足形三維影像320之足背區域進行對位。

於一實施例中，處理器20將利用自由足型三維影像320之足背區域與定位後的受壓足形三維影像410之足背區域進行對位之步驟係可利用剛性或非剛性對位法(rigid or non-rigid registration)進行對位，比如疊代最近點(Iterative Closest Point)、強健點匹配(Robust Point Match),内核關聯(Kernel Correlation)、相關點漂移(Coherent Point Drift)、排序對應空間(Sorting the Correspondence Space)等演算法來獲得最佳解。

於一實施例中，當足部踩踏於透明踩踏板50上時，腳掌會承受到身體或腿部的壓力，而使腳掌形狀產生形變，但腳背部分之形變量並不顯著。因此，定位後之自由足形三維影像320(第3B圖)及受壓足形三維影像410(第4圖)兩者的腳背部分是相同或極其相似的，而腳掌部分會有所不同。據此，處理器20將可透過將此兩者腳背的部分進行對位(將兩者三維影像對齊或對準)，以得知自由足形三維影像320(第3B圖)及受壓足形三維影像410(第4圖)兩者之間足底形狀的不同之處。

更具體而言，如第4圖所示，受壓足形三維影像410的外表輪廓上的各部位三維資料之三角網格之法向量，與其對位之平面(Z = 0；法向量為(0,0,1))可以透過各三角網格法向量與對位之平面法向量(0,0,1)之內積(即兩向量夾角之餘弦(cosine))的正負號來定義腳掌和足背。足形各部位之三角網格之法向量與對位之平面(Z = 0；法向量為(0,0,1))的內積可以得知各部位的角度，定義其角度之餘弦值大於0的為腳背；餘弦值小於0的為腳掌，因此如第4圖所示，角度之餘弦值大於0的部分以虛線箭號表示，定義為腳背，角度之餘弦值小於0的部分以實線箭號表示，定義為腳掌。同樣地，定位後之自由足形三維影像320亦可以相同的方式定義腳背及腳掌部位 。

藉此，可將定位後之自由足形三維影像320 (第3B圖)及受壓足形三維影像410 (第4圖)兩者的腳背部分進行對位(將兩者三維影像對齊或對準)，以得到兩者足底形狀變異。

於步驟140中，處理器20依據對位後之自由足型三維影像320與受壓足型三維影像410進行計算並獲得一足掌形變量。

請參照第5圖，第5圖係依照本發明一實施例繪示足掌受壓形變之示意圖。為了方便說明，第5圖僅繪示自由足型三維影像320與受壓足型三維影像410的足掌之側視線條的部分。其中，自由足型三維影像320的足掌部分為線條L2，受壓足型三維影像410的的足掌部分為線條L1，線條L1、L2兩者之間差異(或稱變異)部分為形變量，例如為足掌形變量d。

於一實施例中，請參照第5圖及第6圖，第6圖係依照本發明一實施例繪示形變量計算方法之示意圖。形變量指的是一個點，例如為足掌形變量d。更具體而言，自由足型三維影像320與受壓足型三維影像410各自是由很多小型三角網格建構起來的，透過每個三角網格比對自由足型三維影像320與受壓足型三維影像410中對應之特定點P2~P6(例如為線條L1上的特定點P1與線條L2上的特定點P2)的垂直距離，垂直距離算法例如是指在面A1中特定三角網格中心特定點P1，並沿著給定踩踏平面F之法向量NV(0,0,1)與面A2上所有三角網格計算是否有交集，並找到唯一特定點P2交集於其中一三角網格內，使得特定點P1與特定點P2距離是基於踩踏平面F之法向量NV的解，即為特定點P1到面A2之垂直距離；舉例而言，如第6圖所示平面F(XY平面)之法向量NV(0,0,1) 與特定點P1能構成一參數式去面A2裡各個三角網格尋找參數式之解，但只有唯一三角網格能使該參數式之解(特定點P2)能落在該三角網格內部，該參數式解(特定點P2)即視為特定點P1到面A2之垂直距離，故將此法向量V2之長度視為足掌形變量d；藉此可以算出每個三角網格比對自由足型三維影像320與受壓足型三維影像410中對應之特定點的形變量(即Z軸方向的垂直變化量)。

於一實施例中，處理器20可依據足掌形變量以調整鞋墊設計之一材質。於一實施例中，在設計鞋墊時，依據足掌形變量，即足底每個位置所對應之鞋墊每個位置的硬度表現，可以設計鞋墊(此部分亦可做為鞋墊中的相對底層)上每個位置的結構或材質不同。

於一實施例中，足底受壓形變是指足掌整體的形變。在設計鞋墊時，鞋墊中可以包含緩衝層。於一實施例中，緩衝層可放置於鞋墊中的最上層，或相對較上層。參照足底受壓形變較大的地方，可以將緩衝層的結構設計軟一點，使得穿鞋者的踩踏舒適一些。於一實施例中，處理器20可依據足底受壓形變以調整緩衝層之一厚度，緩衝層亦可等比例或整體加一固定值產生不同的三維形變，或是進行厚度調整，例如整體加1公厘到2公厘以調整軟硬度。

於一實施例中，當足掌某部分承受的壓力較大時，將使形變量大，可以採用較厚的緩衝層，或是在鞋墊中的相對底層採用較低硬度的鞋墊底部(或鞋墊中的任一層)，以達到減壓效果，並藉此重新分部足底壓力。

於步驟150中，處理器20依據自由足型三維影像取得一足底投影平面。

於步驟160中，處理器20依據足底投影平面以及足掌形變量完成一設計鞋墊。

請參閱第7圖，第7圖係依照本發明一實施例繪示設計鞋墊的三維模型之示意圖。於第7圖的例子中，由於實際足掌皮膚的法向量會是往下(如第4圖所示)，但在建置鞋墊的三維模型檔案時，三維模型的鞋墊頂部要能與實際足掌契合，因此，在此例中，需要將自由足型三維影像610的法向量直接變號，使得原先往下或偏下的法向量都直接變號為往上或偏上，其整體形狀未變；換言之，法向量的變號可理解為類似翻模的概念，由於建立三維模型檔案時，需要定義何者為建模的表面，故藉此方式可在三維模型檔案中定義並區分出實際足部與三維鞋墊模型的表面。

據此，於處理器20將自由足型三維影像610中的足掌經過法向量變號處理後，產生自由足型三維影像620，此自由足型三維影像620可視為三維鞋墊模型頂部，使三維鞋墊模型頂部配合實際足掌具有高低起伏。

接著，將自由足形影像610的Z軸設為零，即取得腳底的輪廓，亦為腳底對地面的投影，此投影作為三維鞋墊模型底部630。

於一實施例中，若鞋墊需要搭配某雙鞋子，則可在拿到此鞋子的三維檔案後，來以此鞋子的鞋底三維輪廓做為三維鞋墊模型底部630，是故，三維鞋墊模型底部630不限定為平面,亦可為曲面。

於一實施例中，若特定穿鞋者的足部需要矯正，例如腳掌有內旋或外翻，則鞋墊需要作一些角度的調整，經專業人士(如醫生)的評估下，可以微調鞋墊中的部分區塊之偏向度數，以校正穿鞋者在穿鞋時所產生的偏斜現象。更具體而言，在將足掌的法向量進行反向處理時，可以稍為調整法向量的角度，以微調三維鞋墊模型頂部。此外，三維鞋墊模型底部亦可以調整厚度。於一實施例中，微調後的鞋墊模型640，包含微調後的三維鞋墊模型頂部對應至微調後的三維鞋墊模型底部。

於一實施例中，處理器20依據足底投影平面或特定鞋底三維輪廓以及足掌形變量完成一設計鞋墊。於一實施例中，處理器20將自由足形影像620及三維鞋墊模型底部630封起來，以形成設計鞋墊之三維模型650。

於一實施例中，處理器20將微調後的鞋墊模型640，包含微調後的三維鞋墊模型頂部對應至微調後的三維鞋墊模型底部封起來，以形成設計鞋墊之三維模型650。

於一實施例中，設計鞋墊的方法可以多種方式實施，例如採用電腦輔助設計軟體，以上述方法設計鞋墊的形狀、材料及/或結構，以產生鞋墊之三維模型，並藉由三維列印、電腦數值控制工具機(CNC)加工等方式將鞋墊實作出來。

本發明所示之鞋墊設計方法及鞋墊設計系統，能夠完整拍攝自由足型三維影像與足部受壓後的受壓足型三維影像，並依此攝自由足型三維影像與受壓足型三維影像做正確對位，計算出兩筆自由足型三維影像與受壓足型三維影像的差異量，即為足底受壓形變量，此足底受壓形變量可配合足部外形，設計出個人化專屬鞋墊。

100‧‧‧鞋墊設計方法

110~160‧‧‧步驟

10‧‧‧深度相機

20‧‧‧處理器

30‧‧‧自由足型

40‧‧‧受壓足型

50‧‧‧透明踩踏板

LK‧‧‧通訊連結

A~C‧‧‧受壓點

310‧‧‧自由足型三維影像

320‧‧‧定位後之自由足形三維影像

410‧‧‧受壓足形三維影像

P1~P6‧‧‧特定點

L1、L2‧‧‧線條

d‧‧‧足掌形變量

610、620‧‧‧自由足型三維影像

630‧‧‧三維鞋墊模型底部

640‧‧‧微調後的鞋墊模型

650‧‧‧設計鞋墊之三維模型

A1、A2‧‧‧面

V1~V5、NV‧‧‧法向量

F‧‧‧踩踏平面

第1圖係依照本發明一實施例繪示鞋墊設計方法之流程圖。 第2圖係依照本發明一實施例繪示拍攝足形之示意圖。 第3A圖係依照本發明一實施例繪示拍攝足掌形變量之示意圖。 第3B圖係依照本發明一實施例繪示產生定位後之自由足型三維影像之示意圖。 第4圖係依照本發明一實施例繪示定義腳背及腳掌的方法之示意圖。 第5圖係依照本發明一實施例繪示足掌受壓形變之示意圖。 第6圖係依照本發明一實施例繪示形變量計算方法之示意圖。 第7圖係依照本發明一實施例繪示設計鞋墊的三維模型之示意圖。

Claims (16)

1. 一種鞋墊設計方法，包括： 利用一深度相機拍攝一未受壓之自由足型，並獲取一自由足型三維影像； 利用該深度相機拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型，並獲取一受壓足型三維影像； 將該自由足型三維影像與該受壓足型三維影像進行對位； 依據對位後之該自由足型三維影像與該受壓足型三維影像進行計算並獲得一足掌形變量；以及 依據該一足底投影平面或一特定鞋底三維輪廓以及該足掌形變量完成一設計鞋墊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鞋墊設計方法，其中將該自由足型三維影像與該受壓足型三維影像進行對位之步驟，更包括： 將該自由足型三維影像旋轉或移動至一Z軸為零的平面上，以產生定位後之該受壓足型三維影像；以及 將該自由足型三維影像之足背區域與定位後的該受壓足形三維影像之足背區域進行對位。
3. 如申請專利範圍第2項所述之鞋墊設計方法，其中將該自由足型三維影像旋轉或移動至一Z軸為零的平面上之步驟，更包括: 選取該自由足型三維影像中受壓處的非共線之三點，將非共線之該三點旋轉或平移至該Z軸為零的平面上。
4. 如申請專利範圍第2項所述之鞋墊設計方法，其中利用該受壓足型三維影像之足背區域與定位後的該自由足形三維影像之足背區域進行對位之步驟係利用剛性或非剛性對位法(rigid or non-rigid registration)進行對位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鞋墊設計方法，其中該設計鞋墊中包含一緩衝層，且其中依據該足底投影平面以及該足掌形變量完成該設計鞋墊之步驟，更包括: 依據一足底受壓形變以調整該緩衝層之一厚度。
6. 如申請專利範圍第1項所述鞋墊設計方法，其中依據該足底投影平面以及該足掌形變量完成該鞋墊設計之步驟包括: 依據該足掌形變量以調整該鞋墊設計之一材質。
7. 如申請專利範圍第1項所述鞋墊設計方法，其中該特定鞋底三維輪廓係對應於一特定鞋子之鞋底三維輪廓。
8. 如申請專利範圍第1項所述鞋墊設計方法，其中該足底投影平面係依據該自由足型三維影像取得。
9. 一種鞋墊設計系統，包括： 一深度相機，用以拍攝一未受壓之自由足型，獲取一自由足型三維影像，並拍攝一踩踏至透明踩踏板之受壓足型，獲取一受壓足型三維影像；以及 一處理器，用以將該自由足型三維影像與該受壓足型三維影像進行對位，依據對位後之該自由足型三維影像與該受壓足型三維影像進行計算並獲得一足掌形變量，並依據該足底投影平面或一特定鞋底三維輪廓以及該足掌形變量完成一設計鞋墊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之鞋墊設計系統，該處理器更用以將該自由足型三維影像旋轉或移動至一Z軸為零的平面上，以產生定位後之該自由足型三維影像；以及將該受壓足型三維影像之足背區域與定位後的該自由足形三維影像之足背區域進行對位。
11. 如申請專利範圍第10項所述之鞋墊設計系統，該處理器更用以選取該受壓足型三維影像中受壓處的非共線之三點，將非共線之該三點旋轉或平移至該Z軸為零的平面上。
12. 如申請專利範圍第10項所述之鞋墊設計系統，該處理器執行剛性或非剛性對位法(rigid or non-rigid registration)以進行對位。
13. 如申請專利範圍第9項所述之鞋墊設計系統，其中該設計鞋墊中包含一緩衝層，且該處理器更用以依據一足底受壓形變以調整該緩衝層之一厚度。
14. 如申請專利範圍第9項所述鞋墊設計系統，其中該處理器在依據該足底投影平面以及該足掌形變量完成該鞋墊設計的過程中，更用以依據該足掌形變量以調整該鞋墊設計之一材質。
15. 如申請專利範圍第9項所述鞋墊設計系統，其中該足底投影平面係依據該自由足型三維影像取得。
16. 如申請專利範圍第9項所述鞋墊設計系統，其中該特定鞋底三維輪廓係依據於一特定鞋子之鞋底三維輪廓取得。