（机械设计及理论专业论文）基于三维扫描输入的鞋楦建模和变形技术研究及实现.pdf

浙江大学硕+ 学位论文摘要 摘要 鞋楦是整个制鞋过程中必不可少的模具，优化鞋楦的设计对整个制鞋过程 有着重要意义。为了满足鞋楦设计，本文提出通过对三维扫描鞋楦数据的预处 理，得到数字化三维鞋楦模型，对该模型进行曲面生成和变形等设计，将处理 完成后的鞋楦数据输出到快速成型机生产出鞋楦，从而实现了不同需求的定制。 三维鞋楦模型数字化是实现三维鞋楦建模的第一步。本文第二章描述了鞋 楦数字化模型获取、模型表示及特征识别。通过三维扫描获取点云数据，利用 g e o m a g i c 工具将点云数据转化为三角网格模型，并以指定的文件格式保存。鞋 楦c a d 系统读入扫描鞋楦数据文件，通过特征识别，得到具有正确特征信息 的扫描鞋楦模型。 三维鞋楦模型建构是鞋楦设计的基础。预处理得到的鞋楦模型是以三角网 格形式连接的散乱数据点集，不利于鞋楦变形等处理，需要将其转换为具有规 则网格结构的三维鞋楦模型。论文第三章提出一种基于截面环的三维鞋楦建模 技术，并详细阐述了模型曲面生成的整个过程，包括三维鞋楦模型曲面的分片 生成、曲面拼接、表面光顺处理、表面误差控制等环节。建模后的鞋楦既保持 了原始模型的表面特征，又能够极大地提高鞋楦变形处理的算法效率。 三维鞋楦模型的变形处理是鞋楦设计的关键。第四章论述了基于特征尺寸、 模板和草图三种驱动方式的鞋楦变形技术。基于特征尺寸驱动的鞋楦曲面变形 以提取的特征尺寸驱动模型进行参数化变形。基于模板驱动的鞋楦曲面变形利 用标准模型进行插值而进行变形。基于草图驱动的鞋楦曲面变形是以约束关系 为基础，通过拖动草图上的控制点来驱动鞋楦模型变形。 基于上述研究内容，本文开发了一个鞋楦c a d 系统。论文第五章介绍了 该系统的开发环境、工作流程，同时给出了上述研究工作的实例。 最后，对项目课题研究的发展前景从技术上和应用上作了展望。 关键词：三维扫描、特征识别、鞋楦建模、特征尺寸、模板、草图、驱动、曲 面变形 浙江大学硕t 学位论文 a b s t r a c t ! ：-x 。m|m lmm。 ：- - ! ! 皇 a b s t r a c t s h o e - l a s ti st h ee s s e n t i a lm o l di nt h ee n t i r es h o e - m a k i n gp r o c e s s ，s ot oo p t i m i z e t h ed e s i g no fs h o e - l a s tf o rt h ee n t i r es h o e m a k i n gp r o c e s si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i n o r d e rt om e e tt h en e e d so ft h es h o e l a s td e s i g n ，t h ep a p e rh a sp r o p o s e dt h a t o b t a i n i n gt h ed i g i t i z e d t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo fs h o e l a s tb yt h ep r e p r o c e s s i n gf o r t h r e e d i m e n s i o n a ls c a nd a t ao fs h o e l a s t ，c a r r y i n go nd e s i g n ss u c ha ss u r f a c e s g e n e r a t e da n dd e f o r m a t i o nf o rt h em o d e l ，t h ed a t ao fs h o e - l a s ta f t e rt h ec o m p l e t i o n i se x p o r t e dt ot h er a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n e ，a n dc u s t o m i z a t i o n so ft h es h o e l a s t a c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d sa r er e a l i z e d t h ed i g i t i z a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a ls h o e l a s tm o d e li st h ef i r s ts t e pt oa c h i e v e t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls h o e - l a s tm o d e l i n g i nt h i sp a p e r , t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e s t h ec a p t u r e ，t h em o d e le x p r e s s i o na n dt h ef e a t u r er e c o g n i t i o no ft h es h o e l a s t d i g i t i z a t i o nm o d e l c l o u dd a t aa r eo b t a i n e db yt h r e e d i m e n s i o n a ls c a n n i n g ，a n dt h e n t h ec l o u dd a t aa r ec o n v e n e di n t ot h et r i a n g l eg d dm o d e lu s i n gt h eg e o m a g i ct o o l ， a n dt h ed a t u ma r ep r e s e r v e di ns o m ef o r m a t s h o e - l a s tc a ds y s t e mg e t st h ed a t a f i l eo fs c a n n i n gs h o e l a s t ，a n do b t a i n st h es c a n n i n gs h o e - l a s tm o d e l ，w h i c hh a st h e c o r r e c tc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ef e a t u r er e c o g n i t i o n t h ec o n s t r u c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rs h o e 1 a s t i st h eb a s i so f d e s i g n i n gs h o e - l a s t t h em o d e lo fs h o e - l a s tb e i n gp r e p r o c e s s e d ，i sm a d eu po f d i s o r d e r e dd a t as e to fp o i n t st h a ta r ec o n n e c t e db yt r i a n g u l a rm e s h ，w h i c hi sn o ti n f a v o ro fp r o c e s s i n gf o rs h o e - l a s ts u c ha sd e f o r m i n ga n ds oo n ，s oi ti sn e c e s s a r yt o t r a n s f o r mi ti n t ot h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs h o e - l a s tt h a ti sm a d eu po fr e g u l a r m e s h i nc h a p t e r3o ft h ep a p e r ，am o d e l i n gt e c h n o l o g yo ft h r e e - d i m e n s i o n a l s h o e l a s tb a s e do nt h es e c t i o nl i n ki sp r e s e n t e d ，a n dt h ee n t i r ep r o c e s so fm o d e l s u r f a c ep r o d u c t i o ni se l a b o r a t e di n d e t a i l ，i n c l u d i n g t h e p r o c e s s e s o ft h e s u b s u r f a c e - g e n e r a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a ls h o e l a s tm o d e l ，s u r f a c es p l i c i n g ， s m o o t h i n gt h es u r f a c e ，c o n t r o l l i n gt h es u r f a c ee r r o r sa n ds oo n a f t e rm o d e l i n go f s h o e l a s t ，n o to n l yt h es u r f a c ef e a t u r e so ft h eo r i g i n a lm o d e lc a nb em a i n t a i n e d ，b u t a l s ot h ea l g o r i t h me f f i c i e n c yo fs h o e l a s td i s t o r t i o np r o c e s s i n gc a nb ee n o r m o u s l y i i 浙江大学硕+ 学位论文a b s t r a c t e n h a n c e d d e f o r m a t i o no ft h r e e - - d i m e n s i o n a ls h o e - l a s tm o d e li sc r u c i a lt ot h ed e s i g no f s h o e l a s t t h ef o u r t h c h a p t e re l a b o r a t e s t h r e ek i n d so f d r i v i n gd e f o r m a t i o n t e c h n o l o g yf o rs h o e l a s tt h a ta r es e p a r a t e l yb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs i z e ，t h e t e m p l a t e ，a n dt h es k e t c h t h ed e f o r m a t i o no fs u r f a c ef o rs h o e l a s tb a s e do nf e a t u r e s i z ed r i v i n gi sam e t h o dt h a tc a r r i e so nt h ep a r a m e t e r i z a t i o n so ft h em o d e l - d r i v e n d e f o r m a t i o nb yt h ee x t r a c t e df e a t u r es i z e t h es h o e - l a s td e f o r m a t i o no fs u r f a c e w h i c hi sb a s e do nt h et e m p l a t e - d r i v e nc a r r i e so nd e f o r m a t i o n b yu s i n g t h e i n t e r p o l a t i o no ft h es t a n d a r dm o d e l s d e f o r m a t i o no ft h es h o e l a s ts u r f a c eb a s e do n t h ed r a f t - d r i v ei sb a s e do nt h ec o n s t r a i ns o l u t i o n ，a n da c t u a t e st h em o d e l d e f o r m a t i o no fs h o e - l a s tt h r o u g hd r a g g i n gt h ec o n t r o lp o i n t b a s e do nt h er e s e a r c hc o n t e n ta b o v e ，w eh a v ed e v e l o p e das h o e l a s tc a d s y s t e m c h a p t e r5o ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h e w o r kf l o wo ft h i ss y s t e m t h ee x a m p l eo ft h er e s e a r c hw o r ka b o v ei s g i v e n s i m u l t a n e o u s l y f i n a l l y , t h ep r o s p e c to ft h ep r o j e c tr e s e a r c hi sf o r e c a s tf r o mt h ea s p e c t so f t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：3 ds c a n n i n g ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，s h o e l a s tr e c o n s t r u c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s i z e ，t e m p l a t e ，s k e t c h ，d r i v e ，s u r f a c ed e f o r m a t i o n 。i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：孵年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 日 浙江大学硕十学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 【摘要】首先阐述了传统的鞋产品设计方法，以及其中存在的不足，然后介绍了论文 的研究背景和概述，并指出鞋楦c a d 的发展方向，最后描述了论文的研究思路和总体结 构。 1 1 引言 制鞋业是我国重要的制造及出口行业，截至2 0 0 4 年末，在全球制鞋业1 3 0 亿双鞋中的产量中，中国生产了7 0 亿双，其中4 0 亿双出口，出口值为9 6 8 亿 美元，这使它位居世界第一，领先于印度。随着中国加入w t o ，中国出口到 国外的鞋子数量不断增加，如果中国要发展自主品牌的鞋子，必须加强产品设 计能力，提高制造能力。 传统的鞋产品设计方法是：设计师根据市场预测，酝酿某一设计目标，针 对这一设计目标，设计师可能会收集若干个有参考价值的实物、照片、草图等。 首先在纸上勾画出草图；然后再根据草图做出样品鞋实物，对不满意之处进行 修改；最后决定是否以此作为正式投入生产的依据。不难想象，传统鞋产品设 计过程，只有经过做出样品鞋实物这一环节，才能最终看到设计效果，这是传 统设计根本点。由于受制作的原材料、工具等条件的限制，样品实物与设计师 大脑中的想象或多或少存在一定的差距，修改这个差距往往非常困难，这是其 一；其二，制作的样品鞋实物，由于设计方面的原因，不一定能够进入正式投 产阶段；一般的比例是4 ：1 ，即设计四双样品鞋，只有一双能够投入生产；其 三，制作样品鞋实物，成本高周期长，影响新产品进入市场流通，进而影响企 业的经济和社会效益1 1 。 c a d c a m 技术始于十九世纪6 0 年代，在近几十年的时间内得到了迅猛发 展。现已被广发地应用于航空、汽车、船舶、建筑等许多行业，并在这些领域 中产生了不可估量的经济效益。如果这些行业脱离了c a d c a m 技术，效率和 经济效益等是难以想象的。 随着c a d c a m 技术的日益成熟，目自订在国内外已经形成了关于制鞋c a d 技术的研究、开发、制造、销售以及咨询服务的新产业。一些先进国家采用计 算机辅助设计系统，总结传统的制鞋经验、方法和工艺，进行鞋楦型、帮样等 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 设计，使传统的制鞋业发生了深刻的变化。 制鞋c a d 是相对与传统的鞋产品设计和制造方法，结合现代的c a d c a m 技术而提出的计算机辅助设计鞋产品方法。其实质就是将c a d 领域中的理论 和技术应用到鞋产品的设计、生产、产品发展、经营管理等各个环节，从而极 大地改善了产品的整个生产效率与质量。这种设计方法既可针对不同顾客的脚 型，设计相应的鞋型，使鞋子更适合顾客自身的脚型；也可以根据设计的设计 理念来设计独具风格的鞋产品。另一方面，在制鞋工业中，鞋楦是工艺中鞋款 式的基准，是制鞋的基础。鞋楦的造型决定了鞋的样式和型号，鞋新产品开发 也是基于鞋楦来设计的，并且鞋楦的质量直接影响鞋的质量。因此，鞋楦在整 个制鞋业中具有非常重要的作用，设计好的鞋楦为好的鞋产品打了良好的基础。 鉴于此，制鞋c a d 系统中往往将鞋楦c a d 作为前期模块，鞋楦c a d 的好坏 将严重影响整个制鞋c a d 系统的功能【2 1 。 1 2 研究背景及概述 由于鞋楦设计生产在制鞋过程中的显著地位，鞋楦c a d 技术制约了整个 制鞋c a d 系统的发展过程，是制鞋c a d 技术应用的瓶颈技术。多年来，国内 外广泛开展了对鞋楦c a d 技术的研究，同时也取得了相应的成果。 1 2 1 国外鞋楦c a d 发展现状 早在1 9 8 5 年3 月，在美国马萨诸塞州就召开了第一届国际制鞋业 c a d c a m 技术研讨会。英国是最早将c a d c a m 系统应用在制鞋业的国家， 英国c l a r k s 公司有了c a d c a m 来辅助鞋类生产的构想，后来欧洲在制鞋 工人不足的情况下，再加上计算机的问世，使得c a d c a m 来辅助制鞋业开发 成为事实。 随着计算机。0 工4 - 白日匕g 的提高和软件技术的发展，将微机用于鞋楦设计、加工及 生成管理技术，以及用于鞋内腔、脚形的测试技术( c a t ) 1 3 1 1 4 | 皆已逐渐成熟 和实用。将这些高新技术用于制鞋业即组成所谓的“集成制鞋系统”，如近年由 法国的克雷奥公司推出的“定做皮鞋系统”，从在商店里进行脚形测量开始到工 厂定做出一双皮鞋需要三天的时间。可以认为这种集成制鞋系统集中代表了目 前国内外制鞋工业的水平和发展方向。 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 经过二十多年的研究发展，国外已经形成了成熟的鞋业c a d c a m 系统， 并应用于制鞋生产的各个流程，从鞋楦的测量、设计、制造，到鞋帮样的设计、 造型、装配，都有相应的产品，实现了制鞋的自动化、高效化、标准化。比较 成熟的产品有英国的c r i s p i n 、s h o e m a s t e r 、d e l c a m ，意大利的n e w l a s t ，奥地利 的p r o c a m 和加拿大的v o r u m 。如今这些产品己经成为制鞋厂家不可或缺的生 产设备了。不过这些产品应用的侧重点不同，有的以3 d 鞋面设计和二维放样 为主，如c r i s p i n ，p r o c a m 等，有的以鞋楦的测量、三维设计和数控加工为主， 如n e w l a s t 和v o r u m 。 加拿大的v o r u m 系统【5 】能够进行鞋楦或脚型的自动测量、设计与制造及鞋 的造型。该系统通过激光立体扫描，即对脚( 楦) 体的全长、底宽、拓围、后 跟曲线等脚( 楦) 体的轮廓线、基线的扫描，再经数据传输，与系统数据库存 储的参数进行对比修正，定制出被测量对象的楦型加工参数，得到鞋楦c a d 模型，可以用于后续的造型与加工。整个过程，用了不到1 0 分钟的时间，非常 便捷。该测量系统还特别适用于鞋类造型、鞋楦设计与制造，以及鞋类专卖店 对顾客的脚型测量，以便快捷地为顾客量“足”定鞋和选定购鞋的尺码，对那 些特型脚的顾客无疑更是一个福音。该系统为制鞋企业快速开发流行新产品， 掌握制胜先机提供了更加先进的装备和手段。 英国达尔康( d e l c a m ) 公司t 6 j 是集成系统的专业供应商，在c a d c a m 三 维系统研究上很有造诣，其产品在通用行业和专业行业上都有普遍应用。该系 统在鞋类行业上主要是鞋楦、鞋底三维c a d c a m 的应用。该系统软件有以下 主要特点：中文w i n d o w s 平台，易于安装，储有任意造型的花纹库等。在对鞋 底形状设计时，可根据不同的鞋尖、鞋跟的组合设计出新的鞋楦，再以该楦体 的数据作为基本数据，配以系统任意造型的花纹库，可对鞋底的底纹、徽标进 行设计。而其自动放码并不是简单缩放，可以确保鞋底的徽标或标志不被扩缩。 该系统是开放的，并支持快速原样成型，因此设计出的鞋底参数实用性强，花 纹美观，徽标清晰。 英国的c r i s p i n 系统【7 】是目前在市面上使用最多的一套c a d c a m 系统，属 于工作站级。其中以放版为中心。在3 d 方面它是着重在鞋面上的设计，将来 也会往楦头方面再发展。这是一套用于鞋楦、底部和后跟的模具设计和制造的 浙江大学硕十学位论文 第1 章绪论 c a d c a m 系统。 英国的s h o e m a s t e r 系统【8 】是英国c l a r k s 公司的作品，其重心是在楦头， 传统的制鞋流程将许多的时间花费在楦头制作与打样上，并可在计算机上做楦 型的修改，设计师也可以在计算机上预先看到打样结果；如有不同材质的设计， s h o e m a s t e r 则提供了上色与材质套用的强大功能。s h o e m a s t e r 的鞋样设计可分 为2 d 及3 d 。3 d 的鞋样设计在贴好美纹胶带的楦头或塑胶真空成型模上，设 计师划出心目中想要的造型线，再由点楦机输入，造型线将同时显示在电脑屏 幕上，输入完成后，设计师可以再在3 d 或2 d 上修改到满意为止。2 d 的鞋样 设计就是在半面版上设计，可以先利用已分好之内外腰的半面版做草图的构想， 再利用数位版输入造型线，同样地，输入之后设计师也可以再做设计修改。 意大利n e w l a s t 公司【9 】己经实现了鞋楦测量、计算机辅助设计与数控加工 的一体化。在专用的鞋楦测量机上对样楦进行测量，获得的样楦数据，可以直 接驱动数控刻楦机实行靠模加工；也可以直接通过鞋楦三维设计系统，进行楦 头、楦跟设计、放样操作，并通过数控编程，得到鞋楦数控程序，控制数控刻 楦机实现自动化加工。该公司开发了一整套完整的软硬件系统，机器包括母楦 制作机n l m o d1f 、n l m o dir f ，粗加工数控刻楦机n l s g i 、n l s g 2 ， 精加工数控刻楦机n l s f 4 、n l s f 6 等；软件产品包括e a s y l a s t 3 d c a d c a m 、e a s y c u t 2 dc a d c a m 、e a s y h e e l 3 dc a d c a m 等；测量设 备包括n l 1 d g t 、n l d i g i s c a n 等。其中三维设计系统具有以下功能【lo 】：( 1 ) 输入输出数字化文件的功能；( 2 ) 将一个楦头连接到不同的鞋楦模型；( 3 ) 选 取裁剪剖面并可进行最完美的连接；( 4 ) 修改鞋楦侧面外形的相应长度，能使 侧面图形的数字参数可以通过使用扫描仪读取，写入剪贴板；每个模型都可做 到最完备的测量，测量所得的数据贮存于一个精确的技术文件中；( 5 ) 根据鞋 楦外形提供一个数字化模型反之亦然；( 6 ) 修改鞋楦以制作一个新的楦头，可 由一个扫描仪输入输出鞋楦侧面三个方向的截面；( 7 ) 输入楦外形及模板，输 入楦跟、楦底、楦头等，模板使用扫描仪或剪贴板；( 8 ) 楦跟编辑器，修改楦 跟的外形，提供使用扫描仪或文件的模板；( 9 ) 楦底曲线编辑器，可根据不同 的楦侧面及楦底来计算、修改、裁剪楦底的周边曲线；( 1 0 ) 增加或移除楦底曲 线，当必要时可以进行连串修改；( 1 1 ) 局部编辑器，在一个精确定义且封闭 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 的区域内，可进行或大或小的修改。 除以上介绍的成熟鞋楦系统外，还有德国的t i b i s 系统【i l 】、法国的w o r k - n c 2 系统【12 1 、日本的c l i c k s 系统【1 3 】和韩国的z m a s t e r 系统【1 4 】等。 1 2 2 国内鞋楦c a d 发展现状 在国内，从2 0 世纪8 0 年代开始，有很多高校及科研单位和鞋楦或鞋业厂 家合作，开始了鞋楦和鞋业c a d c a m 技术的研究，比较有代表性的有： 1 9 8 6 年上海大学与福州皮革工业研究所研制的“p f s l ”微机辅助优化设 计系统，主要有楦体展平、帮样扩缩等功能【”】。 四川大学光学系研制的“l m a 一1 0 0 鞋楦三维面形自动测量系统”应用光 电技术【1 6 】，以激光作为基准进行鞋楦三维测量，可获得高精度楦体三维数据， 但仅解决了鞋楦的数据测量问题，还不是一个完整的c a d 系统。 成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手测量的方法获得鞋楦特征部 分的三维数据，用双三次b 样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展 平、曲跷处理，但构造的曲面与实际楦面有相当大的差距，而且不能对鞋楦进 行缩放和修改工作17 1 。 重庆皮鞋工业研究所与重庆大学光电信息系、轻工业部制鞋研究所相继研 制的三维s c a d 一1 0 0 鞋帮c a d 系统，在技术上实现了鞋帮三维曲面展平处理 和采用无接触方式对鞋楦进行测量等功能，但仍缺少鞋楦c a d 系统【1 7 】【1 8 1 。 相对比较好的制鞋c a d 系统是重庆大学承担了国家“八五”攻关项目“实 用型鞋帮鞋楦c a d c a m 系统”，该研究项目的一些研究成果在四川乌尔康制 楦厂、重庆弟娃鞋楦厂得到了应用1 9 1 。 另外，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室也对个性化鞋楦c a d 进行了研 究，并申请了专利：综合三维脚型全局参数和局部横截面调整的个性化鞋楦模 型生成方法【2 0 1 。方法的步骤如下：( 1 ) 读入三维标准鞋楦模型和用户的脚型模 型；( 2 ) 对读入的脚型模型测量脚型参数，通过脚型参数得到楦型参数，用楦 型参数驱动鞋楦模型变形，得到基于用户三维脚型参数生成的新的鞋楦模型； ( 3 ) 对生成的鞋楦模型和步骤( 1 ) 中读入的脚型模型分别获得鞋楦模型和脚 型模型位置控制点；( 4 ) 对获得的脚型模型和鞋楦模型对应位置处的位置控制 点进行匹配，从而对脚型的位置进行调整，使脚型模型和鞋楦模型的位置对齐， 浙江大学硕十学位论文第1 苹绪论 再对脚型模型进行变形使脚底匹配到楦底，进一步对齐鞋楦模型和脚型模型； ( 5 ) 对生成的对齐后的脚型模型和鞋楦模型通过横切的方式得到鞋楦模型和脚 型模型的关键位置横截面；( 6 ) 基于横截面参数对鞋楦模型变形，即通过对基 于脚型模型和鞋楦模型横截面匹配程度进行舒适度分析，检查横截面所在部位 的脚型模型和鞋楦模型的高度，宽度，围长参数，并且对鞋楦模型在横截面处 的参数进行改变以调整鞋楦模型的形状；( 7 ) 输出设计好的三维鞋楦模型。 除了科研院所，从事鞋业和鞋楦设计和技术服务的公司也做着相关产品的 研究和开发，比较有代表性的有：河北廊坊新奥博为技术有限公司正在研制激 光鞋楦扫描仪【2 1 】；湖南奥斯曼有鞋博士三维鞋楦设计系统【2 2 】，是基于国际上先 进的三维平台开发而成的优秀产品，是国内第一套实用的鞋楦三维设计软件。 主要体现在强大的曲跷处理功能和交互式设计功能方面。软件通过三维测量设 备输入母楦样品，建立丰富的楦形库，然后通过软件中提供的数百项编辑功能， 进行楦形的参数化自由改型设计。设计师可以控制楦形的围度、底样长、楦全 长等数十项参数，可以把楦头部分割进行处理，可以对楦形进行三维扩缩。 1 2 3 鞋楦c a d 发展方向 ( 一) 鞋楦良好的重要性 脚是人体的一个重要器官，担负着运动身体的功能。脚像平台一样支撑人 的躯体，但是它远不止一块平板那样简单。脚有多种结构组成的复杂的系统， 包括二十六块骨头、关节、韧带、肌肉、神经及血管。脚是依靠足弓的结构和 附着的韧带而产生弹性。在行走过程中，脚内部盼各个构件必须协同运作，否 则脚部就会疼痛并有可能产生畸形。据统计，当前美国有4 0 人的脚部问题与 行走时某个环节功能失调有关。因此，如何更有效的保护脚、改善脚的功能成 为脚医学界一个十分迫切的任列2 3 j 。 鞋是从属于脚的，并为脚服务的。穿鞋站立时，鞋非常合脚的状态称为“适 合性 ，就是说鞋的形状和尺寸和穿鞋的脚的形状和尺寸相一致。但因鞋是人们 穿用的商品，不能说合脚就可以。当步行时，脚的各种形状和尺寸会发成扩展、 弯f h j 、伸长、蝮缩等各种各样的变化所以鞋还必须适应脚的这种变化将鞋 的结构是否和脚的运动相适应这一点称作为“适应性”。对脚来讲，要在运动状 态下，在鞋内感到舒适，合脚，不易有明显的疲劳感，行走轻快。此外，鞋还 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 有一个“卫生性能 的问题，由于寒暑等季节和气候的变化，脚会出汗、发臭 并有温度、湿度的升降，对这种脚的生理现象，鞋的材料、形状、做工等应该 很好地适应。 鞋的适合性、适应性和卫生性极差的时候，不仅会出现疲劳，而且会使脚 磨伤或生鸡眼，更严重可能造成脚气病和脚畸形病等。如果人们长期穿着用不 合理的鞋，会使脚逐渐变成畸形，最终造成脚疾。因此，一双合适性、适应性、 卫生性【2 4 1 的鞋在一定程度上可以缓解或更大程度上去除脚畸形病。 而鞋楦作为鞋之母体，是鞋设计的依据，必须以脚型为基础，它不仅决定 着鞋的造型和式样，更重要的是决定着鞋能否穿着舒适。楦长和脚长，楦围与 脚围，楦宽与脚宽，楦高与脚高，楦跷度与脚跷度之间是一个辨证统一的关系。 不同人种，不同地区的人脚型特点和规律很不一样，如我国与欧洲人的脚型， 前者多短粗，后者多细长。 在整个制鞋设计与生产中，鞋楦体的造型决定了鞋的式样与型号，鞋的花 色品种和款式的翻新也是基于鞋楦来设计的。而鞋楦的结构和造型设计与加工 的正确与否，会直接影响鞋的定型及穿着的舒适与美观。如果楦形设计不合理 或定型加工不正确，就会破会鞋的原始式样，甚至还会给鞋的加工造成困难。 因此鞋楦在制鞋过程中起到非常关键的作用，良好的鞋楦对人脚有着很重要的 意义。 ( 二) 发展方向 随着社会的快速发展和进步，生活水平的不断提高，人们在选购鞋的时候 越来越讲究，开始对鞋的品质、款式等方面提出更多的新要求，同时更注重鞋 的穿着舒适和外观造型的美观新颖。并且少量多样已成为人民在日常穿着打扮 中的一个越来越普遍的要求。所以鞋子定制是经济发展和人民生活水平提高的 必然结果。 图1 1 中的数据来自欧洲e u r o s h o e 项目中c l a u d i ak i e s e r l i n g 的调查统计结 果【2 1 。从中可以看到有7 1 的男人和7 8 女人都对量身定做的鞋有兴趣。 h o wi n t e r e s t e dv , o u l dy o ub el nb e i n ga b l et o p u r c h a s es h o e st h a tw e r em a d et oy o u ro w n p c r s o n a ls i z es p e c i f i ca i i o n s 7 o f r e s p o n d e n t s v c r vf a i r l y s o m e w h a ln o t a t a l 】 m e n1 61 4 2 31 8m e ” w 。i 1 e n2 2l52 51 6w o m e n 图】l 皮鞋个性化定制的需求 从调查结果的分析可以知道，鞋定制的需求足相当大。5 5 ，1 ，山于生活水 平的提高人们越束越关注自身的健康，也包括脚在内。而脚畸形等脚病的病牢 增长，给人造成了一定的心里恐慌。适合性、适衄性、卫生陛的鞋可以预防脚 疾病或抒减缓脚疾病，这从另外个角度| 兑了个性化定制的发展方向。 全世界有着儿t 亿的人u ，仅仪巾国就有十几亿的人口，几乎占世界的1 4 。 从生物学的角度人与人之a j 有着性，也有着异性，这共性和异性不仅仪体现 在牛理也在形状卜。h 样，每个人脚的形状也有着差异，即便同个人i 。右脚 也不是完全的对称，所以小h 人脚的形状不同。 由于鞋子的形状取决于鞋楦的形状而鞋楦的形状取决与脚的形状。在制 鞋c a d 中，鞋棺建模 要是通过测量脚的一些关键部位，总结出共性，有雎 性束构造曲哥形状，其中包括鞋楦底部，然后生成出鞋楦。然而通过此鞋楦制 作出来的鞋子并不能对脚有很好的适合性、适应性、卫生性。 如果要使每个人的脚有很好的适合性、适应性、卫生性，则需要制作出具 浙江大学硕卜学位论文第1 章绪论 有个性化的鞋子，而个性化的鞋子需要通过有个性化的鞋楦来完成，个性化鞋 楦的制作需要得到需要制作鞋子的人的脚型。这就必须通过三维扫描仪来获取 需要制作鞋子的人的脚型数据。因此，鞋楦设计必须以脚型为基础，但又不能 与脚型一样，因为脚在静止和运动状态下，其形状、尺寸、应力等都有变化， 加上鞋的品种、式样、加工工艺，原辅材料性能，穿着环境和条件也不同，鞋 楦的造型和各部位尺寸不可能与脚型完全一样。 通过上面的分析，个性化鞋楦是当前发展的一个方向。综观国内外的鞋楦 c a d 技术发展现状，大多数是针对通用鞋楦设计的研究，包含楦底、帮样等方 面。在个性化鞋楦方面的研究还是相对较少，其中有加拿大的v o r u m 系统是关 于这方面的研究，它是通过激光立体扫描获取数据再与系统数据库中存储的参 数进行对比而进行鞋楦曲面造型的。尽管个性化鞋楦已经发展了一段时间，但 是还不成熟，还需要深入研究。而本文就是关于个性化鞋楦的深入研究。 1 3 研究思路 随着计算机技术的迅猛发展，c a d c a m 技术也相应发展迅速，同样经过 科研人员的不懈努力，制鞋c a d 技术也有很大的发展，取得了巨大的成果。 但是从现在制鞋c a d 技术的实际应用情况来看，还没有达到人们所期盼的效 果。其中，主要还存在以下几个问题： 1 缺乏有效的三维鞋楦建模 现在2 d 的鞋楦c a d 技术相当的成熟，3 d 的鞋楦c a d 技术也有很大的发 展。在三维的鞋楦设计中，主要是通过脚型的特征线和特征线来构造曲面形状， 从而制作出鞋楦。这种通过曲面构造而来的鞋楦，和脚型存在一定的差异，从 而不能达到非常满意的效果。这其中也和相关的技术有一定的关联。 2 缺乏有效的鞋楦曲面变形 鞋楦设计不仅仅是一种工艺，也是一门艺术，设计者不能一开始就很好确 定最终的形状，提高鞋楦变形过程的简洁性和可交互性对鞋楦设计的效果和效 率有着很重要的意义。目前的鞋楦变形过程在简洁性和可交互性上，尚需进作 一步的研究。 针对现在制鞋c a d 技术中存在的一些问题，本文做出了一些研究，通过如 下的解决方法： 一9 一 浙江大学硕t 学位论文第1 审绪论 1 利用三维扫描来获取数据模型 随着三维扫描技术的发展，立体实物能够很精确的扫描成模型，从而输入 到电脑中进行处理。本文也是利用三维扫描仪对脚进行扫描，来获取脚型。通 过扫描获取的脚型相对于构造的脚型更精确，这样有利于鞋楦的设计。 2 利用原始模型来进行曲面生成 本文针对鞋楦模型的曲面生成，是通过区域划分生成子面片，然后将子面 片进行拼接以及光滑，来完成曲面生成。而这面片的分布很好的为分体式设计、 重用设计打下基础。 3 三维鞋楦的曲面变形 三维鞋楦的曲面变形包括基于特征尺寸驱动的鞋楦曲面变形、基于模板驱 动的鞋楦曲面变形和基于草图驱动的鞋楦曲面变形。其中基于特征尺寸驱动的 鞋楦曲面变形除了尺码的缩放之外还可通过其它特征尺寸的改变驱动模型曲面 变形；模板驱动变形是通过插值原理来对结构固定的鞋楦模型进行驱动变形； 基于草图驱动的鞋楦曲面变形是通过控制线上的控制点拖动来驱动鞋楦曲面变 形，也可以称为局部曲面的变形，特别是针对那些有大脚趾部位的脚型有着很 重要的意义。 1 4 研究内容 图1 2 表示本文对基于扫描输入鞋楦处理的技术路线。 浙江大学硕十学位论文 第1 帝绪论 图1 2 基于扫描输入鞋楦处理的技术路线 根据图1 2 中的技术路线，本论文研究内容可分成六章节，其中第二章到第 六章的内容说明如下： 第二章首先简要的介绍逆向工程的相关知识，然后对三维鞋楦模型进行描 述，以及阐述三位鞋楦数据的获取及进行的数据处理，以及模型的表示方法； 最后鞋楦模型输入到系统中进行预处理显示到主界面上，还有特征点、特征线 的定义，以及自动特征识别。 第三章主要是描述鞋楦曲面的生成过程。首先详细阐述由已经预处理好的 鞋楦模型生成由规则排列的网格顶点组成鞋楦曲面的全过程，在这过程中先进 行了鞋楦模型表面的区域划分，再通过切片的方法获取生成鞋楦网格曲面需要 的所有环或线段，根据切片所得的截面环或截面线段生成鞋楦所有子曲面，缝 合所有子曲面生成整个鞋楦网格，对重建后的鞋楦网格还必须经过光顺处理和 误差控制。 第四章主要介绍鞋楦的曲面变形，其中包含三种变形，即基于特征尺寸驱 动的鞋楦曲面变形、基于模板驱动的鞋楦曲面变形及基于草图驱动的鞋楦曲面 变形。基于特征尺寸驱动的鞋楦曲面变形是从提取三维鞋楦模型的特征尺寸着 手，确定特征尺寸中用于鞋楦模型变形直接驱动的特征尺寸，通过改变特征尺 一l l 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 寸的值实现三维鞋楦模型的曲面变形；基于模板驱动的鞋楦曲面变形是利用插 值原理对结构固定的鞋楦模型进行驱动变形；基于草图驱动的鞋楦曲面变形根 据由生成的控制点和控制线组成的草图编辑来驱动模型变形。这三种变形方法 是从不同角度来使鞋楦进行变形，满足鞋楦设计中的需求。 第五章首先简要介绍三维鞋楦c a d 系统s h o e d e s i g n ( 简称s h d ) 的框 架，然后阐述系统的工作流程，并且详细介绍了上述研究工作在该系统中的应 用，最后简单说明鞋楦的快速成型。 第六章为上述五章的总结和展望，总结本文的研究工作，并从技术行和应 用上对项目课题的前景做出展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了制鞋c a d 系统的发展史，分析了国内外的现状，并指出 了制鞋c a d 的发展方向，然后阐述了本文研究的思路，最后说明本论文研究 的内容。其中主要针对鞋楦系统的开发和研究现状进行了分析，讨论了系统开 发和相关现状的研究；指出当前市场和用户对该类系统的需要和目前应用中存 在的一些问题；最后，在实现的一套制鞋系统的背景下，从个性化鞋楦的角度 出发，给出了本文的主要研究内容和体系结构。 浙江大学硕十学位论文第2 章基于三维手1 描的鞋楦模型数字化 第2 章基于三维扫描的鞋楦模型数字化 【摘要】首先简要的介绍逆向工程的相关知识，然后对三维鞋楦模型进行描述，以及 阐述三位鞋楦数据的获取及进行的数据处理，以及模型的表示方法；最后鞋楦模型输入到 系统中进行预处理显示到主界面上，还有特征点、特征线的定义，以及自动特征识别。 2 1 引言 尽管c a d 技术发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还是无法 满足一些复杂曲面的设计需要。在产品设计和制造过程中，有许多产品最初并 不是由c a d 模型描述的，设计和制造面对的是实物样件。对于这类产品的计 算机辅助技术的应用，兴起了一项新的技术“逆向工程” 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 【2 5 1 也称为反求工程，是针对消化吸收先进 技术的一系列分析方法和应用技术的结合。起源于精密测量和质量检验，它是 设计下游向上游反馈信息的回路。 逆向工程的流程图为：产品样件一数据采集一数据处理c a d c a e c a m 系统一模型重构一制造系统一新产品。其具体的技术路线可以表示为如 图2 1 ： 图2 1 逆向工程具体技术路线 由图1 2 基于扫捕输入鞋棺处珲的技术路线可以知道从三维扫描获取点云 数据到最后输出到快速成型机的设计和制造为一个逆向工程。逆向工程中对于 模型数据的获取是非常关键的一步，准确、快速获取模型数据对