（机械设计及理论专业论文）基于特征信息的三维鞋楦处理中的若干技术及其应用.pdf

浙扛大学硕士学位论文 摘要 鞋楦在整个制鞋业中占有重要的地位，是制鞋工艺中皮鞋款式的基准。在国 内外箭鞋业c a d c a m 技术快速发展的情况下，鞋楦的数字化处理技术显得尤为 重要。本文针对鞋植数据的量与质的矛盾，对现有数据形式的分析的基础上，提 出了基于特征信息和简化网格的鞋楦数据形式，并发展了相关的配套技术。 鞋楦的特征信息体现了鞋楦的本质。本文第二章首先概述了关于鞋楦特征点 和特征尺寸的国家标准，然后引入了p c a 技术，实现了对扫描获得的鞋楦数据的 自动位置校准。鞋楦的特征点被分为3 类，按每一类特征点的特点，分别提出了 3 类特征点的自动提取方法。根据特征点确定了特征围度，并且自动计算了高度、 长度和围度的特征尺寸。 鞋楦网格的简化是本文的重点。第三章提出和实现了基于特征信息的鞋楦网 格简化技术。采用了经典的h o p p e 方法的思路，改进了h o p p e 的能量函数，保证 了在特征点附近的区域和特征点密集的区域中，鞋楦网格有更小的变形，更好的 保持了鞋楦的特征形状。 基于特征信息和简化网格，第四章首先介绍了单个高度、长度和围度特征尺 寸的编辑技术。结合单个特征尺寸的编辑和有关鞋楦型号的国家标准，提出了鞋 楦级放技术，并对级放鞋檀做了迸步的光顺处理。 在数字化鞋楦进行快速成型之前，需要把简化的鞋楦网格转化成足够细密的 网格。第五章分析和回顾了网格细分方法的发展，比较了各种细分方法的优缺点， 在此基础上选择和实现了插值3 细分算法。 综合这些技术，第六章介绍了“鞋楦库”项目的构架和实现，给出了软件功 能的应用实例。 最后在第七章总结了本文的工作，指出了本文工作进一步开展的方向和数字 化鞋楦处理的发展趋势。 关键词：鞋楦特征信息，网格简化。鞋楦级放，网格细分，鞋楦库 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s t sa f ei m p o r t a n ti nt h es h o e m a k i n gi n d u s t r y , a n da r et h eb e n c h m a r ko fs h o e s t y l ei nt h es h o e m a k i n gt e c h n o l o g y t h el a s td i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sr e q u i r e d w h i l et h ec o m p u t e ra i d e ds h o e m a k i n gt e c h n o l o g yi ss p r e a d i n ga l lo v e rt h ew o r l d p o i n t i n g t ot h ec o n t r a d i c t i o no fq u a l i t ya n da m o u n t & t h el a s td a t a ，a n db a s e do nt h e a n a l y s i so fe x i s t i n gd a t af o r m s ，an e wf o r mt h a tc o n s i s t so f f e a t u r ei n f o r m a t i o na n d s i m p l i f i e dm e s hw a sa d v a n c e d ，a n dc o r r e l a t e dt e c h n o l o g i e sw e r ed e v e l o p e d p c aw a si n t r o d u c e dt oa d j u s tt h el a s tp o s i t i o na u t o m a t i c a l l y t od i s t i l lt h ef e a t u r e i n f o r m a t i o no f l a s t ，f e a t u r ep o i n t sw e r ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec a t e g o r i e sa n dm e t h o d s w e r ed e v i s e df o re a c hc a t e g o r y t h e nf e a t u r es i z e sw e r ec a l c u l a t e d l a s tm e s hs i m p l i f i c a t i o ni st h ek e y s t o n e h o p p e 担e n e r g yf u n c t i o nw a si m p r o v e d t oe n s u r et h a tl a s tm e s hw a sd e f o r m e dl e s sw h e r ei tw a sn e a r e rt ot h ef e a t u r ep o i n t so r t h e r ew e r em o r ef e a t u r ep o i n t sa r o u n d u s i n gt h ef e a t u r ei n f o r m a t i o n ，f e a t u r es i z e sc o u l db ee d i t e do nt h es i m p l i f i e d m e s h c o m b i n i n go f h e i g h t , w i d t ha n dg i r t he d i t i n g ，a n dr e f e r r i n gt ot h en a t i o n a l s t a n d a r do fl a s ts i z e ，t h el a s tw a sg r a d e da n dt h e ns m o o t h e d b e f o r em a n u f a c t u r i n g ，t h el a s tm o d e lm u s tb es u b d i v i d e dt od e n s em e s h b a s e d o nt h er e s e a r c ho f v a r i o u ss u b d i v i s i o ns c h e m e s ，i n t e r p o l a t e d 3s u b d i v i s i o nw a s a p p l i e d t h er e s u l t e dl a s tm u s tb ev e r i f i e db y t h ef e a t u r es i z e s i n t e g r a t i n ga l lt h e s et e c h n o l o g i e s ，al a s tb a s es y s t e mw a sb u i l ta n ds o m eo fi t s a p p l i c a t i o n sa r es h o w n f i n a l l yt h ew o r k si nt h et h e s i sw e r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r e w o r kw a sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：l a s tf e a t u r e s ，m e s hs i m p l i f i c a t i o n ，l a s tg r a d i n g ，s u b d i v i s i o n ，s h o el a s tb a s e i i 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。据我所知，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，也不包含为获得逝主三盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：力蟛钥强 签字日期：新年3 月歹臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥江态茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘芏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，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) 学位论文作者签名： 融锄祆 签字日期：跏，年3 月勺e l 导师躲习彬 签字日期：御1 年弓月号 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：旭上电子( 上海) 有限公司 电话：0 2 1 5 3 5 6 0 0 5 6 通讯地址：上海市北京东路6 6 8 号上海科技京城g 座6 楼邮编： 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 制鞋业是我国重要的出口行业，全国2 0 0 1 年共生产6 0 亿双鞋，其中3 9 6 亿 双鞋出口，出口值为9 6 8 亿美元。在制鞋业蓬勃发展的形势下，技术含量的欠缺 越来越成为其发展的桎梏。在浙江，光温州、台州、青田的主要制鞋企业有近万 家，但大部分是从事为台湾、香港及南韩公司代工的这种低附加值的生产模式。 随着中国加入w t o ，为了参与国际市场的竞争，创造我们自己的世界名牌，整 个制鞋行业的现行制鞋工艺必须进行全面的现代化改造。现在我国正处于制鞋业 从劳动密集型向技术密集型转化的一个关键时期，只有迎接挑战、抓住机遇，迅 速而成功的利用现代化技术对这一具有广阔市场前景的传统产业进行改造，中国 才能真正成为实力上的制鞋大国，而不仅仅是数量上的制鞋大国。 鞋楦的数字化处理技术( 鞋楦表面数字化、鞋楦c a d 、鞋楦数字化建库、鞋 楦c a m ) 正是现代化技术改造传统制鞋业的一个典型例子，它代表着世界制鞋 研究的最新发展水平，和制鞋发达国家相比，我国在这个方面还有很大的差距。 1 2 发展鞋楦c a d c a m 技术的意义和现状 1 2 1 鞋楦在制鞋工业中的作用 皮鞋楦是鞋楦的主要组成部分，也是本文主要的研究对象，如无特别说明， 以下提到的鞋楦都是指皮鞋楦。 鞋楦是皮鞋设计和制造的依托，它是在制鞋过程中根据人们的脚型和制鞋工 艺的要求设计加工而成的制鞋模具，是制鞋的基础。皮鞋款式的变化在很大程度 上依赖于鞋楦的造型设计，并且鞋植的质量直接影响鞋的质量。在制鞋工业中， 鞋楦主要有以下功能【1 ，2 】： 1 鞋檀是皮鞋帮样设计的依据。设计人员在设计皮鞋帮样时，无论采用平 面设计方法、立体设计方法、还是计算机辅助设计方法都是依据鞋楦 浙江大学硬士学位论文 的具体造型进行设计的。 2 鞋楦是皮鞋底部件和鞋的成型模具设计的依据。皮鞋底部件包括内底、 半内底、外底、鞋跟、主根和内包头等。皮鞋成型模具包括模压皮鞋模 具、硫化皮鞋模具、注塑皮鞋模具、胶粘皮鞋模其、内底压型模具、主 跟压型模具和鞋跟注塑模具等。它们的设计都是依据楦体的具体造型数 据而进行的。 3 鞋楦是制作皮鞋和固定皮鞋造型的依据。在皮鞋的生产过程中，无论是 手工绷楦还是机器绷楦，皮鞋都必须经过一段时间的干燥，才能出楦。 在皮鞋的干燥过程中，由于有了鞋檀在鞋腔内的支撑，皮鞋的造型才能 稳定下来。 在整个制鞋设计与生产中，首先，鞋植体的造型决定了鞋的式样和型号，并 且，根据现代制鞋工业生产技术的要求，不论鞋的种类和式样，在加工过程中都 必需使用鞋楦成型。如果楦型设计不合理或者定型加工不正确，就会破坏鞋的原 始式样，还会给鞋的加工造成困难。如果人们长期穿着不合理的鞋楦制成的鞋， 甚至还会损害脚部的健康。可见，鞋楦造型设计和生产是制鞋业的关键工艺，因 此，要实现制鞋业的现代化必需改进鞋楦的设计和生产方式。 1 2 2 传统制楦方法的不足 无论是仿制鞋样还是设计新样式皮鞋，首先要亥制母楦( 标样楦) 2 - 5 j ，它体 现了人脚的特点和设计者的设计意图，是鞋楦的样本。按照传统的制楦方法，母 楦一直是由有相当经验的老师傅手工刻制的，这种方法存在很多问题： 1 在设计和仿制中，必须先由工人以倒石膏模或凭经验斧砍手锉等方法制 作母楦，送到鞋厂试绷合格后才可以投入批量生产。鞋楦是由复杂的曲 面构成的，手工制作对工人的技术经验有很大的依赖性，生产实践中往 往凭“眼看手摸尺子量”来实现设计意图，精度很难保证，生产效率非 常低。 浙江大学硕士学位论文 2 鞋楦的形状不能用初等解析办法描述，目前只能靠离散点和围度等尺寸 来描述。国家标准给出的数据中，多为根据生理分析、统计结果或经验 给出的，且大多数是楦底样投影于平面后的平面尺寸。然而靴鞋本身是 美感的承载实体，款式设计也同样需要定义大量的点以满足靴鞋作为工 业产品进行生产时美感传递的要求。目前鞋楦制作中尚缺乏将美量化的 途径，在客观上难以实现理想中的设计要求。 3 鞋楦的设计必须符合解剖学和运动生理学理论的要求，因而需要对脚型 进行大量的统计和分类，形成一套鞋楦设计的理论和几何描述及设计方 法。但是传统的鞋楦的设计和制作方法以人工为主，很多知识只是作为 经验口耳相传，缺乏系统的分析记录，难以满足优化设计的要求。 4 由于模具的设计制作周期比较长，市场应变能力较差，难以提高经济效 益。 1 2 3 鞋楦设计制造工艺的改造 从关键工艺入手，采用先进的计算机技术武装我国的制鞋业，在提高设计生 产质量和速度，缩短产品的更新换代周期等诸多方面都有十分重要的现实意义。 c a d c a m ( 计算机辅助设计与制造) 技术在制鞋业中的应用，开创了制鞋 业发展的新局面。c a d c a m 技术出现于六十年代。这一技术将计算机高速而精 确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力与人的逻辑判断、综合分析能力以 及创造性思维有机的结合起来，从而产生了巨大的威力，应用范围广阔，经济效 益显著，得到了突飞猛进的发展豫。采用c a d c a m 技术可以显著的缩短设计周 期，提高设计质量，减少错误，降低成本，提高劳动生产效率。因此，c a d c a m 技术也是加速产品更新换代换代的有效手段，改造传统生产过程的必由之路，是 衡量一个国家工业水平的重要标志。 鞋业c a d c a m 系统的目标是实现制鞋工业的设计无纸化、数据科学化和生 产数字化【5 j ： 1 设计无纸化在计算机终端上显示鞋样设计效果图和鞋楦效果图，生成 浙江大学硕士学位论支 楦体图、效果图、帮样展平图等，在计算机上实时完成修改设计、动态 观察等工作，并实现基于计算机网络的数据传递，这将使得设计者无须 绘制图纸、制作实体模型或样品就能完成设计的全过程，实现设计的无 纸化。 2 数据科学化以鞋楦测量结果作为鞋楦造型的几何描述数据，以解剖 学、运动生理学、人机工程学等学科的理论分析与实测数据作为鞋类设 计的数据库、专家库基础，使经验规律和测试结果量化。再进一步结合 材料、有限元、计算机图形学等相关学科的技术，在计算机上实现鞋的 静态与运动仿真模拟，使所设计的每一种鞋都尽可能符合生理、运动等 多方面的要求，并具有设计者理想中的美感，真正从经验设计转变为咀 大量科学合理的数据和科学的分析方法为基础的优化设计，实现制鞋经 验和制鞋技术的量化存储与传承。 3 生产数字化建立几何体的数学模型就可以相应的得到曲面上的点和 其他几何信息，将这些信息传递给后置的数控编程等模块，可以进行干 涉校验、生产规划并编制出相应的数控加工程序，从而实现鞋楦加工、 帮样展平和裁减的数字化。 1 2 4 国内外鞋楦c a d c a m 现状 6 0 年代以来，国外许多厂商都致力于制鞋先进设备的研究，将计算机用于皮 鞋设计、加工和生产管理的技术( c a d c a m ) ，以及用于皮鞋内腔、脚型的测试 技术( c a t ) 皆已逐渐成熟和实用 7 - 1 1 。 以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋楦 c a d c a m 方面做了许多研究，以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资规 模大，设备先进，主要在鞋楦测量、帮样扩缩、色彩、帮样加工自动化控制和数 控刻楦等方面发挥优势。如：加拿大c i m t e e h 公司推出的d c s c o m 系统、美国的 g e r b e r c a m s c a 公司、英国的c r i s p i n 系统、德国大陆公司的下样机、意大利的 p r e s t i g e 扩缩样c a d c a m 系统、英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统 等。此外，近年来，美、德、意等国也开发了专用的鞋棺c a d 系统，如英国的 浙江大学硕士学位论文 u s m 、丹麦的3 ds h a p e s 1 2 、德国的g c o 、捷克的z d a 、美国的c a m s c o 、意 大利的n e w l a s t 公司f 1 们、英国达尔康( d e l c a m ) 公司口4 】、加拿大的v o r u m 1 5 1 系统等相继开发了交互式的计算机辅助鞋楦设计系统和相应的辅助加工系统。 国外制鞋c a d c a m 系统一般非常昂贵，超出了我国的消费水平，在世晁开 发和应用潮流冲击下，我国c a d c a m 工作者和制鞋研究人员咀及厂家纷纷转向 自己的开发研制工作。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 一1 ” 微机辅助优化设计系统，主要有楦体展平、帮样扩缩等功能【“。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 - - 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 6 1 。成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手工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级放和修改工作【4 1 。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，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 1 6 1 。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”，该研究项目的些研究成果在四 川鸟尔康制楦厂、重庆弟娃鞋楦厂得到了应用 旧。浙江大学c a d & c g 国家重点 实验室和浙江大学人工智能研究所，联合温州市鹿艺鞋材有限公司、温州市飞翔 鞋业等共同研制开发了“基于人脚动力学原理的个性化皮鞋c a d 软件系统” 1 s l o 浙江大学化工机械研究所尝试基于通用的c a d c a m 软件，如g e o m a g i c 、u g 、 p r o e 、m a s t e r c a m 等，解决鞋楦的c a d c a m 问题 1 9 - 2 3 。浙江大学工程及计算机 图学所也有一些研究致力于鞋样和鞋楦的个性化设计 2 4 , 2 5 1 。 1 2 5 鞋楦c a d c j 蝴系统概述 一般鞋植c a d c a m 系统由五个子系统组成，包括鞋楦表面数字化系统、鞋 楦库系统、计算机辅助鞋楦设计系统、鞋楦数控程序生成系统和数控刻楦机，如 图l 。1 所示。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 鞋擅c a d c a m 系统框架 鞋楦表面数字化系统的作用有两点：第一，根据鞋楦的特点获取鞋楦模型的 特征信息和表面数据；第二，针对鞋楦的特殊加工方式生成快速成型用的鞋楦模 型表面。计算机辅助鞋楦设计系统根据上面得到的鞋楦数据，进行分析、综合、 处理，构造计算机的鞋楦模型，以便于把不同款式、不同型号的鞋楦数据存入到 鞋楦库中，并通过人机交互的方式，根据相关的模型优化算法，得到需要加工的 鞋楦模型。鞋植库把标准鞋楦模型、扫描输入的鞋楦模型、计算机辅助设计生成 的鞋楦模型和直接用于加工的鞋楦表面数据都作为企业的知识资源进行统一的存 储管理。在鞋楦c a d c a m 系统之外，计算机辅助鞋楦设计系统得到的鞋楦模型 还能用作制鞋业其它应用的基础，如经过鞋檀面展平的帮样设计、鞋底设计、排 料优化设计等。鞋楦数控程序生成系统根据鞋楦库中的鞋楦表面数据，或者计算 机辅助鞋檀设计系统中建立的鞋楦模型生成鞋楦数控加工程序。鞋楦快速成型系 统接收鞋楦数控程序生成系统生成的数控程序对毛坯楦进行切削加工，得到最终 的成品楦f 2 3 】。 1 3 本文技术路线 1 3 1 数据处理框架 鞋檀数字化是鞋楦c a d 等技术的基础。但是通过扫描仪获取的鞋楦模型的 数据量是非常大的，如图6 5 中的鞋楦，原始点云经去噪、光顺等处理后，仍然 6 浙江丈掌顿士学位论文 有1 1 3 ，2 6 8 个顶点、2 2 6 ，5 3 2 个面和3 3 9 ，8 0 0 条边。这么大的数据量显然不适合直 接进行存储，并且在目前微机的处理能力下，也不能对鞋植进行实时的变形和级 放等操作。所以在处理之前要对模型进行适当的简化。 模型簏化的目标有两个：对于鞋楦的存储来说，需要在存储的时简化结果的 数据尽可能的少，在出库时应尽可能的恢复原始鞋楦的形状；对于鞋楦的变形和 放码来说，要求简化结果尽可能多的保持原始鞋楦的特征，并且简化结果中的所 有信息对进一步的编辑具有适应性，也就是说数据经过编辑处理，还能保持原有 的特征信息。 如果侧重于考虑网格的简化率和恢复能力，主要有两种具有较高简化率和较 好恢复能力的方法：子分小波多分辨率和渐进网格。 上謇上上 “”m 圈1 2 l o u n s b e r y 于分小渡 图】- 2 中是子分小波多分辨率 2 6 , 2 7 的主要思想：图1 2 f b ) 中的顶点都是由图 l 一2 ( a ) 中的顶点加权平均计算出来的，种加权平均本质上实现了一个低通滤波器 a 。细节部分对应于图l - 2 ( a ) 中顶点的加权差值，被称为小波系数。这个加权求 差构成了一个高通滤波器b 。这个分析过程可以继续下去，最后原始多面体可以 表示为最租层次的表示( 图1 - 20 ) ) 加上所有层次的细节。合成是分析的逆过程， 从最粗层次多面体开始，通过为引入每条边的中点把每个三角形细化为4 个三角 形( 细化滤波器p ) ，然后根据小波系数扰动所有的顶点( 扰动滤波器q ) ，重复 这个过程，最后可以恢复原始网格。因此原始网格可以被简化为一个极简单的网 格和一系列小波系数。 7 浙江大学硕士学位论文 图1o 渐进网格的边折叠和顶点分裂 h o p p e 在1 9 9 6 年提出了渐进嘲格的概念f 2 8 - 3 0 l ，并给出了一种基子边缘折叠的 渐进网格构造方法。边折叠网格简化算法的基本思想是根据一个误差评价函数， 让原始网格中的某些边退化为顶点。对于个原始网格模型，执行一次边折叠操 作就得到一个简化模型，把与这个边折叠操作有关的信息记录下来。可以执行边 折叠的的逆操作顶点分裂来恢复执行边折叠操作前的网格，如图1 - 3 所 示。原始网格模型就被简化成了最简网格模型和顶点分裂操作信息序列。 由以上分析可以看出，这两种算法具有很高的网格简化率和恢复性能，并且 简化结果都包括两个部分：一部分是最简网格模型，另一部分是附属信息( 小波 多分辨率法中的小波系数和渐进网格法中的边折叠操作信息) 。但是这两种方法也 有不足，在鞋楦网格经过变形和级放处理后，不能用原有的附属信息来恢复原始 模型，而且在变形和级放处理中没有对应的修改附属信息的算法。同样的，即使 不做变形和放码处理，在鞋植存储和鞋楦处理之间的结合中也存在着同样的问题。 问题的根本在于构成简化结果的这两部分信息是相互独立的，改变其中之一都会 破坏整体包含的内容，因此其表达的内容只能是静态的，或称为不可编辑的。 本文提出了基于特征信息和简化网格的简化结果表达方式。对原始数据进行 特征提取和简化处理，得到特征信息和简化阿格，这两者是相互作用的，特征信 息是简化网格的强制约束，保存了网格最重要的一些信息；简化网格是特征信息 的具体表现，对简化网格的编辑同样会影响特征信息。当然对于鞋楦这个特定的 对象来说，如果是码型鞋楦( 相对于非码型鞋楦而言) ，国家标准有一些特征点位 置和特征尺寸大小的规定，在确定鞋楦的尺码以后，这一部分也可作为特征信息。 这就形成了本文数据获取、数据存储和数据恢复的一个框架，如图1 - 4 。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 论文框架 圈1 - 4 数据处理框架 根据本文提出的鞋楦数据处理框架，所涉及的关键投术有咀下几点： 1 对于输入的样品楦进行鞋楦表面数字化。通过扫描仪获得样品楦的数据 以后，需要对其位置进行校正，以便于提取鞋楦的特征信息，特征信息 不仅仅是鞋楦的形状数据，还是鞋楦的功能数据，是项目中的核心数据。 2 鞋楦网格的简化和鞋楦特征尺寸盼编辑。在得至鞋楦特征尺寸的基础上， 就可以对鞋楦网格进行进一步处理。对鞋楦网格的简化可以大大减少存 储空间和加快鞋檀处理系统的处理速度。对鞋楦特征尺寸的编辑可以生 成级放鞋植。 3 将鞋楦的简化网格和特征信息转化成满足侠速成型要求的鞋楦表面。鞋 楦数据的存储和变形过程都根据自己的需要对鞋檀数据进行了处理，所 以在进行快速成型之前要将它转化成满足快速成型要求的数据。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 5 论文框架 针对这些技术，本文分别进行了论述，与图i 5 相对应，本文正文各章节的 内容分别是：第二章主要介绍了鞋植位置校正和特征信息提取的过程；第三章主 要是在前一章的基础上对鞋檀网格进行简化，便于鞋楦的存储和鞋楦编辑技术的 运用；第四章主要介绍鞋楦特征尺寸编辑技术，也就是根据既有鞋楦、国家标准 和制楦经验生成级放鞋楦的技术；第五章介绍的网格细分技术，主要是用于生成 满足快速成型要求的细密网格数据。最后，在第六章介绍了鞋楦库项目的实现及 相关的一些实例，并在第七章做了全文的总结和归纳，提出了未来所要解决的问 题以及相应的思路。 1 4 本章小结 本章首先介绍了鞋楦是鞋样设计和造型的依据在制鞋工业中具有举足轻重 的作用，实现鞋楦的现代化设计和制造是整个制鞋业实现现代化的基础；但是传 统的制楦工艺主要是依赖经验的手工制作，生产效率低，经济效益差；引入 c a d c a m 技术是解决这一问题的有力工具，并且鞋楦c a d c a m 技术在国内外 都已经有了很大的发展：分析了鞋楦存储昶处理对数据的要求，提出了基于特征 信息和简化网格的鞋楦数据形式；最后给出了本文的技术路线、本文的框架和各 章节的简要内容。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章鞋楦特征信息的提取 鞋植的特征信息包括特征点和特征尺寸，在获得鞋楦的扫描数据之后，要先 提取鞋楦的特征信息，才能进入后续的模块进行处理。因为鞋楦的特征信息不仅 仅描述了鞋楦的形状，还是鞋檀功能的描述，如果鞋楦的特征信息遭到破坏( 例 如特征尺寸被改变，或者特征点被移动) ，那么这些鞋楦数据就不能表达被扫描的 鞋楦。所以，鞋楦特征信息是鞋楦存储系统的基础和核心数据，必须在获得扫描 数据之后立即提取特征信息，并保存下来，作为后续各处理模块的基础，并且在 各种处理之后，仍要对特征信息进行校验，防止失真。 2 2 鞋楦特征信息定义 2 2 1 鞋楦基本结构 围2 - 1 鞋楦关键点和主要尺寸描述 根据国家标准，鞋楦的特征信息主要有两组：一组为沿鞋楦底样长度尺寸， 称为号；另一组为沿底样长纵剖面面积或周长( 围度) ，标示鞋楦的肥瘦，称为型。 如图2 一i 是鞋楦关键点和主要尺寸的示意图，其中：a 檀体前端点，b 脚趾端点， 浙江大学硕士学位论文 c 前掌着地点，d 一楦体后端点，e 后跟凸点，f 统口后点，g 统口前点：i 一楦斜 长，2 。檀底样长，3 一后容差，4 一楦底长，5 楦头厚，6 一统口长，7 - 后身高，8 后跷 高，9 靖f 跷高，1 0 后容差，】l - 放余量。 沿鞋楦全长纵剖，还有三个围度，如图2 - 2 ，其中：1 跖围，2 - 跗围，3 一兜围。 2 2 2 鞋楦部位点的标定 囤2 - 2 鞋楦的围度 檀体的设计与造型是按照脚的特征、生理结构、运动情况和工艺要求进行的， 所以在传统设计方法中，会在鞋楦上标定这些部位点【5 ，”1 ，在后面的处理中，这 些部位点也是需要考虑的一个重要方面。 楦体上各个部位点的计算公式为： 某部位的长度= 脚长x 该部位脚型规律- 后容差 ( 2 ，1 ) 公式中脚长一般指中等脚长，即成年男子是2 5 0 m m ，成年女子是2 3 0 m m 。 根据文献的说明，中等鞋号的鞋楦，不论样式和楦底样的长度怎样变化，只要同 属一类，后容差的数据不变，那么它们各个对应部位的数据是相同的。成年男女 及儿童的脚型规律见表格2 - i ，因此这些部位特征点都可以在获得脚长以后通过 直接的计算获得。 表格2 1 全国成年男女疑儿童脚型规律表( 部分) 成年男、女大、中、小童 脚趾端点部位1 0 0 g 长1 0 0 脚长 浙江大学硕士学位论文 拇趾外凸点部位9 0 脚长9 0 脚长 小趾端点部位 8 2 5 脚长8 2 5 脚长 前掌凸度部位6 8 8 脚长6 8 ，8 脚长 第五跖趾部位6 3 5 脚长6 3 5 脚长 跗骨部位5 5 3 脚长5 5 3 脚长 腰窝部位4 1 脚长4 1 脚长 中心部位 2 2 5 脚长2 2 5 脚长 踵心部位1 8 脚长1 8 脚长 外刻骨高度2 0 1 4 脚长2 0 1 4 脚长 后跟高上端点高度2 1 6 6 脚长2 1 ，6 6 脚长 脚腕高度5 2 1 9 脚长4 9 4 1 脚长 2 2 3 鞋楦型号国家标准 人脚是因人而异的，显然不可能每个人都制作同一双鞋檀，根据大量统计、 分析、归类，归纳了关于人脚的统计规律，由此制定了统一的鞋号国家标准3 2 l ， 有如下规定： 1 鞋及楦中的“号”与“型”：“号”表示鞋的长度，以脚长为基础制定， 反映的是鞋的大小；“型”表示鞋的肥瘦，以跖围为基础制定。 2 中间号标准楦样：各档鞋号中，居中鞋号的鞋楦称为中间号标准楦样。 如男鞋的中间号楦样号码为2 5 号。 3 鞋楦尺寸系列及等差规定： a ) 鞋楦尺寸系列：以中间号标准楦样为中心，按规定号型等差进行扩缩 的成套鞋楦尺寸称为鞋植尺寸系列； ”长度号差：号差为l o m m ，半号差为5 m m ； c ) 跖围号差：号差为7 r a m ，半号差为3 5 m m ； d ) 型差：型差为7 r a m ，半型差为3 。5 m m 。 新江大学硕士学位论文 4 ，后身统部位的规定：对于同类、同品种和同后跷高的楦体，不论头势 如何变化，其第五跖趾部位以后的楦体造型与尺寸应保持不变。 5 后跷高及其有关规定：后跷离指植底前掌凸点在水平面上，后端点跷起 的高度。各种中间号后跷高的高度等差为5 m m ，称为后跷高高度等差规 定，其范围如表格2 2 所示。 表格2 - 2 后跷高高度等差范围 平 2 0 m m 以下 男 由 2 5 3 5 m m 高4 0 - 5 0 m m 平2 5 r a m 以下 女中 3 m 巧0 n - a n 高5 5 - 8 0 m m 2 3 鞋楦位置的校正 团2 - 3 扫描得到的原始鞋楦数据 由于扫描的时候鞋楦摆放的位置是任意的，扫描仪的位置和方向也都不能确 定，因此扫描得到的鞋楦数据的位置也是任意的，如图2 3 。对于任意位置的鞋 楦，提取特征点、网格简化、特征尺寸缩放都是很困难的，必须在处理之前校正 其位置，使得鞋楦的长、宽、高各方向分别与坐标轴对齐。本文主要采用基于p c a 方法的鞋檀位置自动校正技术，同时也提供给用户手工微调的工具，和辅助的鞋 楦位置测量工具。 浙江大学硕士学位论文 2 3 1p c a 方法原理 p c a ( p r i n c i p l ec o m p o n e n t a n a l y s i s ，主成分分析) 是一种有效的主成分提取、 空间降维技术，在图像处理、数据压缩、图像处理、数字可视化、实验结果数据 分析以及时间序列预测等方面都有广泛的应用胁3 ”。本小节先介绍一些p c a 的基 本原理f 3 6 1 。 设有p 个属性_ ，嘞，x 。，这p 个属性反映了客观对象的各个特性令 x = ( ，x 2 ，k ) 为p 维向量。记；e 0 ) ，= d ( x ) 为向量x 的均值和方差。考 虑它的线性变换： 可以得到： y j = = l z l + + l y p = l 。p = l i + + l p p g ( 2 2 ) y a r ( y , ) ：c d 矿( m ，乃) = l , x 6 ，= 1 ，p ( 2 3 ) 如果希望用m 来代替原来的p 个变量五，x 2 ，这就要求m 尽可能的反殃 p 个变量的信息。m 的信息量一般用咒的方差来表示，砌，拐) 越大，表示m 包含 的信息越多。并且，必须对有某种限制，否则可以使砌r ( m ) - - ) , c o ，常用的限制 是： = 1 ，i = 】，p ( 2 4 ) 如果在约束( 2 4 ) 下找到， 蛹v a r ( y i ) 达到最大，这时儿被称为第一主成分。 如果一个主成分不足以代表原来的p 个变量，则增加采用儿，为了最有效的代表 原变量的信息，m 已有的信息就无需出现在儿中，即要求 浙江大学硕士学位论文 c o v ( y l ，y d = 0 ( 2 5 ) 于是求儿就是在约束( 2 4 ) 和( 2 5 ) t 求g ，使v a r ( y 2 ) 达到极大，所求的乃称为 定理 设x 为p 维随机向量，且= d ( x ) 存在，则x 的第f 个主成分弘= t l x ， i = l ，2 ，p ，其中为对应丑的单位特征向量，这时v a r ( y , ) = ，i = l ，2 ，p 。 a = r 乃 ，= 编，y = ，一，以，。 0p 2 = 靠，其中= ( ) l = ii i 3 主成分n 与原变量蕾的相关系数p ( 旃，薯) 称作因子负荷量，表示为 p ( y k ，x _ ；瓜t 。t ? 、 瓦，k ，i i 、，p 来代替，因为若x ( 叩，) ，是的极大似然估计，的特征值为v l v 2 ， 相应单位特征向量为f 。，f ：，i p ；而的特征值、特征向量为 五乃和 ，f ：，0 ，则可以得到h v 2 v ，是 五乃的极大似然估计，i i , f 2 ，是 ，岛，的极大似然估计。 2 3 2 基于p c a 的位置校正 本文的系统中，要求是把鞋楦的位置校准到坐标轴的方向，显然不能把网格 上的点( p2 纯月) 作为变量进行p c a 处理，而是要把网辖中所有的点作为 一个样本，用p c a 分析这个三个维度的样本。算法的具体步骤如下： 浙江大学硕士学位论文 1 计算样本的平均值( p 。0 ，y ，z ) ) 2 把样本减去平均值( 归零化) ； 3 计算新的样本的协方差阵 ( c o n ( x ，x ) c o n ( x ，y ) c o n ( x ，z ) c = lc o n ( y ，z ) c o n 0 ，y ) c o n ，= ) f ( c o n ( z ，x ) c o n ( z ，) c o n ( z ，：) 4 提取协方差阵的特征值和特征向量，三个特征向量即为相互垂直的三个 主成分，其对应的特征值就是主成分的相关度； 5 以p 为坐标系的原点、三个主成分为新的坐标轴方向，利用坐标变换， 把鞋楦数据变换的新的坐标轴系统中： 6 鞋楦制作中以脚的中心面作为鞋楦的中心面，并不一定和几何的中心面 重合，统口的中一t l , 面能很好的反映脚的中心面，所以用统口的中心面对 鞋楦中心面做一次校正。 如图2 - 4 就是图2 - 3 中左边的鞋楦经过p c a 处理并做坐标变换以后的俯视 图和左视图。 图2 - 4p g a 处理过后的鞋楦数据 2 3 3 鞋楦位置手工校正 自动校正的位置有可能在某些细节的地方不能满足用户的要求，所以系统提 供了手工位置调整的辅助工具，为了避免手工调节在精度方面的缺陷，系统同时 提供了鞋檀位置测量工具，用户可以很方便的获得鞋楦当前的位置信息。通过这 浙江大学硕士学位论文 些工具，用户可以在自动调节的基础上对鞋楦的位置进行微调，充分的把手工调 整的精确性和自动调整的快捷高效结合了起来。 囱2 - 5 鞋楦位置调整工具 图2 5 中是系统的鞋楦位置调整工具，允许用户把鞋楦绕x 、y 、x 轴转动 一定的角度，或者沿x 、y 、x 轴平移一定的位移，另外还提供“中心x ，z 归零” 和“最低点y 值归零”两个便捷操作。 围2 - 6 鞋檀相对于各坐标平面角度的刹量工具 图2 - 6 中是鞋楦相对于各坐标平面角度的测量工具的工作状态，用户在测得 鞋楦和某个坐标平面的角度之后，就可以使用位置调整工具，使鞋楦绕相应的坐 标轴旋转一定的角度，为位置的校正提供了很大的方便性和精确性。因为系统坐 标平面上的网格表示的是指定的单位长度，所以没有必要提供长度方向的测量工 浙江大学硕士学位论文 具。 2 4 特征信息的提取 考虑到特征信息的重要性和实现的精确性，以及为后续的简化、变形和细化 提供足够的且不过量的约束。本文中自动提取的特征信息主要有九个特征点和六 个特征长度：楦体前端点，前掌着地点，楦体后端点，后跟凸点，统口后点，统 1 3 前点，第五跖趾部点，拇趾外凸点以及脚底凹点；楦全长，楦底样长，统口长， 后身长，跖围，前跷高。 获取鞋檀的特征信息的一般方法是手工在鞋楦上做标记点，在完成鞋楦扫描 的同时就可以从采样数据中获得特征点的数据f 1 8 】，这种方法允许用户指定任意数 量的特征点，但操作比较麻烦。本文参考了前人在人体特征信息提取方面的成果 3 7 - 4 0 ，实现了鞋楦特征点的自动提取。如果用户对系统获取的特征点不满意，还 可以通过系统提供的特征点微调工具对特征点进行调整。 2 4 1 鞋楦特征信息自动提取技术 通过鞋楦的位置校正，可以获得鞋植的中心平面，这也是特征信息的一个重 要部分，为特征点的提取提供了一个重要的基础。把需要提取的特征点分为两类： 一类是根据表格2 - 1 可以直接计算得到的，称为i 类特征点：另一类是需要根据 鞋楦形状分析得到的，称为i i 类特征点；还有一类需要结合计算和鞋楦形状分析 才能得到，称为类特征点。 楦体前端点、前掌着地点、楦体后端点、后跟凸点都可以根据袭格2 1 直接 计算得到，属于i 类特征点，这一类点可以最先求得，并且可以提供鞋檀形状的 基本信息。脚底凹点、统口后点、统口前点要分析鞋楦的形状才能得到，属于i i 类特征点，这一类点可以在已经获得的i 类特征点的基础上，进行形状分析求得。 第五跖趾部点和拇趾外凸点比较复杂，根据表格2 - 1 只能得到大致的位置，具体 是鞋楦上的哪个点，还要对鞋植的形状进行分析，属于i 类特征点。下面详细分 析求取类特征点和i i i 类特征点的方法。 新扛大学硕士学位论文 图2 - 7 鞋檀中心面的截面 对于i i 类特征点( 脚底凹点、统口后点、统口前点) ，可以认为它们是在已校 准好的中心平面上，由于i 类特征点已经求得，楦体前端点、前掌着地点、楦体 后端点、后跟凸点都可以映射到中心平面的截面上( 一般楦体后端点、后跟凸点 也都是在中心平面上的) ，这四个点将截面分成四段曲线，如图2 7 。脚底凹点必 定在曲线段3 上，而且脚底凹点是曲线段最上面的点，由简单的微积分知识可 知，曲线段上斜率为0 的一点即为脚底凹点。但是曲线段3 并不是连续的曲线， 也不存在解析表达式，并不能求得每一个点的斜率。本文采用一种替代方法，求 取曲线段3 上所有相邻两点所在直线的斜率，如图2 - 8 ，若刚好有斜率为0 ，即 取这两点的中点为脚底凹点；若所有的斜率都不为0 ，则必有一个点和它前一临 近点所在直线的斜率于它和后临近点所在直线的斜率异号，取这一点为脚底凹 点。 p i 1 p i + 1 图2 - 8 离毂曲线的斜率和曲率 2 0 浙扛大学硕士学位论文 统口后点和统口前点必定在曲线段l 上，并且显然，这两点是l 上曲率最大 的两个点。但是也存在着同样的问题，曲线段l 也是离散的，也不能直接求得曲 率，也只能寻求替代的方法。对于离散点均匀分布的曲线段而言，若一点只和与 其相邻的两点弓_ 1 、只。之闻的夹角a ，( 如图2 - 8 ) 最小，那么可以近似认为e 的 曲率是最小的。如果离散点很密集的话，各点对应的夹角很接近并不能反映曲线 的真实形状，因此在系统中设置了一个阀值口，若所有夹角的差的最大值小于 d ，则放弃这步的结果。隔点选取原离散点，形成一个新的离散点集，对它 重复上面的夹角分析，如果还不符合要求，再重复这个步骤，直到获得满意的结 果。 囝2 9 拇趾外凸点处截面 对于i 类特征点( 第五跖趾部点和拇趾外凸点) ，通过表格2 1 的计算，只 能得到该点在鞋楦长度方向的某个部位，仍采用截面法，在该处截取一个和鞋楦 长度方向垂直的横截面，如图2 - 9 是拇趾外凸点处的横截面。根据既有的经验， 一般拇趾外凸点在脚最内侧，第五跖趾部点在脚最外侧，也就是说，拇趾外凸点 是脚内侧斜率为a 。的点，第五跖趾部点是脚外侧斜率为m 的点。要计算。o 的斜率 比较困难，可以直接比较相邻两个点的z 值，如果在一定范围内，即可认为其斜 率为。当然，与i i 类特征点求取方法中求曲率相类似，也存在着离散点过密的 问题，可能会有很多组相邻点都有比较接近的：值，这时可以考虑先对截面作等 分，再逐次加密选取的点，直到获得满意的结果。 长度和高度的特征尺寸可以根据特征点方便的直接求得。但是计算围度的时 候，由于是用三角面片逼近曲面，所以需