个性化鞋楦CAD系统设计

2 系统总体设计

本文系统主要由4个模块组成：三维脚模型数据获取模块，三维脚数据优化模块，脚模型建模模块，脚参数提取和鞋楦参数转化模块．考虑到该系统推广时的成本问题，本文采用了成本较低的普通

三维扫描仪作为数据采集设备．这主要是由于三维扫描仪在数据采集方面已取得一系列成功应用，如斯坦福大学实施的数字米开朗基罗计划_】J，它将三维扫描仪应用于大型雕塑作品的数字化，并成功地

开发出一套硬件与软件环境；Zhao等_2 将三维扫描仪用于城市三维模型的重建，他们采用水平方向和竖直方向两个扫描仪进行城市数据采样等．实践表明，直接利用普通三维扫描仪采集的原始数据来生

成鞋楦模型，在精度上仍无法满足人脚舒适化和个性化的要求，因此，需要采用数据优化模块来对原始数据进行过滤校正．此外，为确保鞋楦个性化设计的顺利实施，还需采集50个左右的人脚点参数作为

人脚建模的约束性条件；然后在这50个精确的约束点的控制下对扫描数据进行脚形重构(与Fischer等 给出的重建方法类似)，得到个性化的脚模型；根据标准脚形测量规范，从脚模型中提取出制鞋工

艺中所要求的脚特征参数(如脚长、跖围、跗围、兜围、足弓高度等)．在得到这些脚形参数之后，通过制鞋业的有关标准和规范将其转化为相应的鞋楦参数，最后生成所需要的个性化鞋楦．本文系统采用VC++6．0和OpenGL作为开发平台，其实现流程

3 具体模块设计

3．1 数据获取模块

在利用普通三维扫描仪获取人脚点云数据时，一般可获得3万～4万个散乱点．由于扫描精度的限制以及扫描过程中出现的一些不可避免的干扰和误差，在获得人脚三维点云数据后，必须再精确抽取

一定数量的人脚参数(约50个点，它们分布在人脚的各个关键部位)，然后通过这些点参数来进行人脚曲面的重构，从而得到精确的人脚曲面模型．

3．2 数据优化模块

通常由激光扫描仪获得的数据是三维散乱点，由于采样的不精确性及其他因素的限制．致使数据很不规整，且存在着大量噪声甚至错误数据．所以．这样的数据并不能直接输人到应用系统中．在本文系统中，首先输人三维扫描仪获得的人脚三维点云数据，然后从中提取出各种关键参数，再根据脚的参数对鞋楦曲面进行变形以生成新的个性化鞋楦曲面．因此，剥数据的精度有较高要求．利用三维扫描仪获得的人脚原始数据如图4所示．

3．3 脚模型的建模模块

在得到优化人脚点云数据并抽取约50个较精确的特征点后，人脚模型的建模模块就可将脚的形状重构出来．该模块是本文系统的核心，其输入数据是不很精确的点云数据，再辅以约50个较精确的

特征点．实现该模块主要步骤如下：

Step1．对输入的数据点云进行重构．

Step2．通过特征点对该三角网格模型进行变形．

3．4 脚参数的抽取与转换模块

在手工定制皮鞋时，一般都由经验丰富的皮鞋设计师或刻楦师对客人的脚进行测量，从而获取一些关键参数(如脚长、跖围、跗围、兜围等)；然后根据多年的经验进行手工刻楦；最后再根据该鞋楦制作

个性化皮鞋．事实上，手工刻楦是一个很费时、费力的复杂过程，而且强烈依赖于刻楦师的经验，故很难保证所刻制的鞋楦都能达到预期的目标．脚参数转换模块正是要将这一步骤自动化．

Step1．从上述人脚三角网格模型获得关键参数．

Step2．得到人脚的关键参数之后，在将其转换为鞋楦参数

Step3．关于人脚和鞋楦特征之间的关系，根据人类学标

准化理论，被选为主要特征的那些特征应该彼此问相关性较

小、且每一个主要特征又与一群次要特征紧密相关．事实

上，脚长和跖围的关系正符合这一规律．由于脚长与跖围不

在同一方向上，故相关系数较小；相反，脚长与脚长方向上各

特征部位间、跖围与脚围各特征部位间，以及脚宽与脚宽各

特征部位间的关系非常密切，故其相关系数较大．因此，可用

比例关系来描述脚长与脚长方向上各特征部位、脚宽与脚宽

各特征部位以及跖围与脚围方向上各特征部位之间的关系．

至于脚长与脚宽、跖围的关系，则可用回归方程(本文采用一

元线性回归)来描述．