（机械设计及理论专业论文）鞋楦cad中定制鞋楦造型和修改技术研究及应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 开发鞋楦c a d 系统对提高制檀乃至制鞋业的生产水平和效率具有重要意义。本 文主要提出了两类定制鞋楦造型方法：基于脚部特征尺寸和基于脚部扫描模型的造 型方法，并在此基础上完成了一个统一的鞋楦模型描述，实现了鞋楦模型尺寸的修 改和基于控制点的交互式局部修改算法。 第一章，介绍了课题的研究背景和意义；对鞋楦c a d 系统相关技术的研究进行 了分析；指出了目前系统中存在的一些问题和不足；阐述了本文的研究内容与总体 结构。 第二毒，定义鞋楦模型尺寸信息：在不具备扫描设备的情况下，根据输入的脚 部特征尺寸的信息确定相应鞋楦模型的尺寸，从而完成对鞋楦面初始模型的构造； 通过对鞋楦初始模型的进一步修改，实现了设计人员对鞋楦的设计过程。 第三章，通过扫描脚部模型，建立脚部特征模型；确定与脚部特征模型对应的 鞋楦特征模板，也就是曲面细分的初始网格；完成输入的鞋楦轮廓和特征模板的结 合：利用初始网格和鞋楦轮廓，通过带有边界条件的曲面细分方法，实现了符合扫 描脚部模型的定制鞋檀造型。 第四章，对生成或导入的鞋楦模型给出一个统一描述，包括曲面和特征两个方 面的信息；其次，完成了通过改变尺寸数据进行鞋楦曲面扩缩的方法；最后，为方 便设计人员调整部分曲面形状，还给出一个采用控制点调整的鞋楦面局部变形算 法。 第五章，描述了所开发的定制鞋楦曲面造型系统的构架，并对系统的开发环境 和用户界面进行了介绍；最后给出了部分软件功能应用实例。 最后，对本文的研究工作进行总结与展望。 关键词：鞋楦c a d ，鞋楦定制，脚部模型，脚部扫描，模型描述，模型修改 浙江犬学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p i n gt h ec a ds y s t e mo fs h o e l a s tc a ng r e a t l yi m p r o v et h em a n a g e m e n ta n d e f f i c i e n c y o fs h o e m a k i n gi n d u s t r y t h i st h e s i s p r e s e n t s t w ok i n d so fc u s t o ms h o e l a s t m o d e l i n gm e t h o d s t h e s em e t h o d sa r eb a s e do nt h ef e a m r es i z eo fh u m a n f o o ta n df o o t r a n g es c a n n e dd a t a ，r e s p e c t i v e l y t h e n ，au n i f o r md e f i n i t i o no f s h o e - l a s ti si m p l i e do nt h e s h o e l a s tm o d e l a tl a s t ，t w oa l g o r i t h m so fs h o e l a s ts u r f a c ea r ep r e s e n t e d c h a p t e r ii n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fr e l a t i v et e c h n o l o g y a n a l y s e st h ep r o b l e m s a n ds h o r t c o m i n ge x i s t i n gi ns h o e l a s ts y s t e m ，d e s c r i b e st h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dm a i n f r a n l e w o r ko ft h i st h e s i s c h a p t e r i i g i v e s ad e f i n i t i o no fs h o e l a s ts i z ei n f o r m a t i o n ，f i r s t l y w i t h t h i s i n f o r m a t i o nf r o mu s e r sf o o ts i z e ，t h es y s t e mc o n s t r u c t st h ei n i t i a ls u r f a c em e s h f i n a l l y a s h o e l a s td e s i g np r o c e s si sc o m p l e t e dt h o u g ht h es h o e l a s t sm o d i f i c a t i o n c h a p t e r i i ia c c o r d i n gt ot h ei n p u ti n f o r m a t i o no fu s e rf o o ts c a n n e dm o d e l ，p r o v i d e sa f o o tf e a t u r et e m p l a t e ；a f t e ri n t e r a c t e dw i t hu s e r ，al a s tf e a t u r et e m p l a t ei se d u c e d ，w h i c hi s t h ei n i t i a lc o a r s em e s ho fs u b d i v i s i o n ；b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fl a s tf e a t u r et e m p l a t e a n dl a s t p r o f i l e s ，av a r i a t i o n a l s u b d i v i s i o ns c h e m ei si n t r o d u c e dt oc o n s t r u c ts h o e l a s t s u r f a c em e s h c h a p t e r i v p r e s e n t s au n i f o r md e f i n i t i o no fs h o e l a s t ，w h i c hi n c l u d e ss u r f a c e i n f o r m a t i o na n dl a s tf e a t u r ei n f o r m a t i o n t h e nw ed i s c u s st h em e t h o do f 1 a s tm o d i f i c a t i o n b a s e do nt h i su n i f o r md e f i n i t i o n ：ag l o b a ls c a l ea n dal o c a ld e f o r m a t i o no fs u r f a c ea r e d e s c r i b e d ，r e s p e c t i v e l y c h a p t e r vd e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r eo fc u s t o ms h o e - l a s t s y s t e m ，i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n du s e ri n t e r f a c e a t t h ee n do ft h i st h e s i s ，w ep r o v i d et h e e x a m p l eo f a p p l i c a t i o n t h er e m a i n d e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ka n dg i v e st h ef u t u r e w o r k so ft h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：s h o e - l a s tc a ds y s t e m ，c u s t o ms h o e l a s t ，h u m a nf o o tm o d e l ，f o o tr a n g e s c a n n e dd a t a m o d e ld e f i n i t i o n ，m o d e ld e f o r m a t i o n u 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章摘要】介绍了课题的研究背景和意义；对鞋楦c a d 系统相关技术的 研究进行了论述；指出了目前系统中存在的一些问题和不足；阐述了本文的研 究内容与总体结构。 1 1 引言 c a d c a m 技术出现于6 0 年代，在近几十年得到了迅猛发展。现已被广泛地应 用于航空、汽车、船舶、建筑等许多行业，并在这些领域中产生着不可估量的经济 效益。这些行业现在如果脱离了c a d c a m 技术，几乎是难以想象的。 随着c a d c a m 技术的日益成熟，目前在国外的一些发达国家已经形成了关于 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 设计，使传统的制鞋业发生了深刻的变化。 制鞋c a d 是相对于传统的鞋产品设计和制造方法，结合现代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，使皮鞋更适合顾客自身的脚型；也可根据设计师的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。皮鞋 样式的变化直接依赖于鞋楦的造型设计，并且鞋楦的质量直接影响鞋的质量。在整 个制鞋业中鞋楦的主要功能一般如下：它是鞋样设计的依据；是鞋底部件和鞋底成 型模具设计的依据；是制造皮鞋和固定皮鞋造型的依据。鉴于此，制鞋c a d 系统中 往往将鞋楦c a d 作为其前期模块，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。 浙江大学硕士学位论文 1 2 鞋楦c a d 技术研究和应用现状 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 技术应用的关键技术。多年来，国内外大量开 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 国外现状 从6 0 年代开始，国外许多厂商都致力于制鞋楦先进设备的研究，这大大推进 了制鞋楦设备的机械化和自动化程度。随着计算机性能的提高和软件技术的发展， 将微机用于皮鞋设计、加工及生成管理技术，以及用于皮鞋内腔、脚形的测试技术 ( c a t ) i i 皆己逐渐成熟和实用。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【3 i 。 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，都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 c h 公司推出的d e 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 系统及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等 3 1 1 4 。自1 9 7 6 年欧美第一台制鞋c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋厂 采用，而到1 9 8 6 年竟达五十多家采用c a d 系统，其普及率达到4 0 ，到2 0 0 0 年 普及率几乎已经达到1 0 0 。 此外，近年来，美、德、意等国也开发了专用的鞋楦c a d 系统，如英国的 u s m 、丹麦的3 ds h a p e so 酬，德国的g c o ，捷克的z d a 以及美国的c a m s c o 等鞋 业部门相继开发了交互式的计算机辅助鞋楦系统和相应的辅助加工系统l7 1 。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 卫国内现状 在国内，有很多高校及科研单位都在研究c a d c a m 在制鞋业中的应用。但 是，这些研究局限于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少，而且c a d 和 c a m 技术往往式各自封闭孤立的，各个系统之间不能实现数据传递和通讯，妨碍了 其应用和推广。 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8 i 。 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，但仅解决 了鞋楦的数据测量问题，还不是一个c a d 系统， 成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手q - 钡t j 量的方法获得鞋楦特征部分的 三维数据，用双三7 欠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。但构造的曲西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 工作川。 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，但仍缺少鞋檀c a d 系统。 重庆大学承担了国家“八五”攻关项尽“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 2 j 。 1 3 发展方向和要求 随着经济的发展，人民生活水平以及审美观的提高，对穿着服饰提出了越来越 高的要求。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。在对 鞋子的要求上也同样如此，可以预见个性化的定制是经济发展和人民生活水平提高 的必然结果。 3 浙江大学硕士学位论文 下列一组数据来自欧洲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f j 。 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。 图1 - 1 皮鞋个性化定制的需求 这些事实对皮鞋的设计提出了进一步的要求，即要在尽可能短的时间内设计生 产出一款合乎客户具体情况和要求的鞋子。而传统的设计工具或者2 d 的计算机辅 助设计软件则不能很好的满足这样的设计要求。 另外，在传统的制鞋c a d 系统中，对鞋楦的设计往往通过样品楦模型进行设计 和制造。这种手段虽然满足大规模鞋楦和皮鞋加工的需要，但在一定程度上丧失了 满足客户的各种特定需要的能力。其主要的不足有两点：1 多数系统采用有楦设 计，即利用样品楦进行设计，这从楦体外形上就不能满足客户特定的脚形；2 目前 的鞋楦c a d 系统尚不能对鞋楦外形进行随心的修改，大多数仅仅是对楦头进行式样 的转换，这也不能满足客户多样化的需要。 如上所述，随着市场和客户需求的发展，皮鞋的定制尤其是鞋楦定制给制鞋 c a d 系统包括鞋楦c a d 系统带来了新的课题和挑战，因此，如何从关键工艺和技 术入手，用先进的c a d c a m 技术来改造我国传统的制鞋业，提高鞋产品设计、 生产的质量、数量和速度，缩小产品的更新换代周期，从根本上满足市场的要求和 4 浙江大学硕士学位论文 客户的需求，从而使我国制鞋业对内加快传统产业改造，适应国内市场的变化要 求，对外参与国际竞争，增强产品的出口创汇能力等诸多方面都具有十分重要的现 实和战略意义。 1 3 本文的主要研究内容和系统结构 作为整个制鞋系统的一个模块，目前的鞋檀c a d 系统主要通过光学或者手工的 办法取得标准鞋楦实体模型的三维点云数据，并对其进行网格化和一些简单的网格 处理，使得鞋楦数据满足数控加工和部分的设计需要。因此，在鞋楦设计方法上来 说，多数系统都是有楦设计方法，即在已有的实体楦模型基础上进行设计。由于是 采用有楦设计，往往不能对鞋楦模型外形进行彻底的修改，在很大程度上妨碍了设 计人员的设计思路，限制了对鞋楦定制的弹性。本文主要从定制鞋楦入手，按照无 楦设计的方法对鞋楦进行造型和修改，提出了两类定制鞋楦的造型方法和修改方 法，试图从定制鞋楦的造型方面研究皮鞋个性化定制对传统鞋楦c a d 系统提出的要 求。 1 3 1 主要研究内容 本文工作是浙江大学工程及计算机图形学研究所项目“e g i s h o e c a d 制鞋系 统”研究项目的部分内容。该系统从个性化皮鞋定制的角度出发，力图实现一个满 足客户要求的皮鞋快速设计过程，整个系统包括模型扫描输入、鞋楦造型和鞋样造 型三大部分。本文则是其中鞋楦造型部分的研究工作。 系统中一个鞋样的设计流程如下：设计师根据客户提供的脚型主要尺寸或通过 扫描得到客户的脚型数据以及鞋底与鞋跟的尺寸数据，进行一定的修正后建立合乎 客户脚型的鞋楦模型，然后直接在鞋楦模型上进行鞋面设计；或根据客户提供的脚 型尺寸按参数化的方法直接修改标准鞋型，在鞋型设计完毕之后，可对鞋面添加相 应的纹理与材料属性，使之具有真实化效果，并可对鞋面进行三维n - - 维的展开从 而确定相应的鞋面用料。整个设计过程可以直接在计算机上对鞋的三维模型进行操 作，更加直观地体现设计师的思想和客户的要求，从而可以有效地提高设计的效率 与精度，减少设计的成本与周期。 5 浙江大学硕士学位论文 就本文的工作而言，所涉及的关键技术有以下几点： 1 鞋楦模型的建立：通过三维扫描获取顾客脚部的离散数据，对脚模型进行网 格化和平滑化的同时根据鞋楦轮廓信息获得相应的鞋楦模型；或者根据顾客 提供脚部关键尺寸，对鞋楦模型曲面进行构建，得到符合顾客脚型的鞋楦模 型。 2 鞋植模型的描述：建立一个包括鞋楦曲面和特征模型的统一鞋楦模型描述， 将鞋楦造型和修改任务进行了功能上的隔离。 3 鞋植模型的修改：实现能满足设计人员设计思路和对鞋楦具体尺寸进行控制 的修改方案，同时应该保证其修改后模型的拓扑不变性。从修改方法上，具 体包括一个全局的缩放和局部的修改方法。 1 3 2 系统结构 本文的系统框架图如下： 一一一一一一一_ _ - - - 。一一一一一一一一一一一。一一。- 一一一一一一一一一一 j第4 章统一的鞋檀模型描述和修改! 图1 2 论文系统框架 6 浙江大学硕士学位论文 根据上述系统框架，正文部分主要包括三章：第二章、第三章和第四章，其主 要内容如下： 第二章主要介绍了根据脚部特征尺寸鞋楦设计过程，描述了鞋楦特征框架和楦 面的构建过程。 第三章主要介绍了另一种鞋楦造型方法：提出了利用客户脚部扫描模型，建立 脚部和鞋楦特征模板，通过曲面细分方法建立鞋楦的过程。 第四章主要介绍了两种鞋楦修改手段。此外，在修改模块和造型模块之间添加 了一个鞋楦描述的中间层，给出了一个鞋楦描述方法。 最后，在第五章介绍了系统实现及相关的一些实例，并在第六章做了全文的总 结和归纳，提出了未来在所要解决的问题以及相应的思路。 1 4 本章小结 本章首先介绍了制鞋c a d 系统的重要性及其应用现状，主要针对其中鞋楦系统 的开发和研究现状进行了分析，讨论了系统开发及相关技术的研究；指出当前市场 和客户对该类系统的需要以及目前应用中存在的一些问题；最后，在实现的一个参 数化制鞋系统的背景下，从定制鞋楦的角度出发，给出了本文的主要研究内容和体 系结构。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章基于脚部关键尺寸的鞋楦造型技术 【本章摘要】定义了鞋楦模型尺寸信息；在不具备扫描设备的情况下，根 据输入的脚部特征尺寸信息确定相应的鞋檀模型尺寸，从而完成了对初始鞋楦 面的构造；通过进一步修改工作，实现了设计人员对鞋檀的设计过程。 2 1 引言 随着计算机技术和硬件成本的快速降低，制鞋工业也已经普遍应用了 c a d c a m 技术，从而大大提高了整个工业的设计和生产效率。纵观当前鞋类的 c a d 产品，多数产品都是以鞋楦数据的处理为中心，进一步展开到鞋样设计和制造 中。这也是由制鞋工业中鞋楦的主体地位所决定的。因此，在鞋类c a d 中鞋楦造型 系统应该占据一个十分重要的地位。 鞋楦的外型设计不同于艺术设计。它要在人的脚型尺寸、脚型规律的基础上， 在动与静和各种环境中的生理、心理需求中，予以美化设计。传统的鞋楦造型一般 来说都是按相应的国家标准来进行的j 。但是随着客户需要的增多，个性化定制越 来越成为企业竞争的制高点。因此按照顾客脚型进行鞋楦设计有着越来越多的迫切 需要。目前国内的鞋楦c a d 产品多是采用标准楦进行鞋楦造型设计，具体的过程就 是通过对标准楦体或者样品楦进行数据采样或整体的三维扫描建立鞋楦曲面，通过 对曲面的局部调整，从而设计符合要求的鞋楦1 j 。这种设计方法的主要特点是造型 快捷方便，但是涉及到鞋楦的整体修改往往需要导入一个新的实体楦再进行设计， 同时也要求具有使用三维扫描设备的条件。因此为了降低这类扫描成本，实现无实 体楦的鞋楦设计，本文提出了一种基于脚部特征尺寸的交互式鞋楦造型方法。这种 方法和三维扫描模型输入技术一样都是作为鞋楦曲面设计的前端工作，但是更具有 一定的现实意义。 本文提出的鞋楦造型方法主要过程如下 8 浙江大学硕士学位论文 图2 1 根据脚部关键尺寸的鞋檀造型流程 2 _ 2 鞋楦特征尺寸确定 如同鞋基本形状取决于鞋楦一样，鞋檀的基本几何特征亦由脚的特征尺寸所决 定。符合人体工程学的要求是鞋楦设计的基础，一双不合脚的鞋是不能满足人们最 起码的穿着要求的。 本小节主要描述鞋楦基本尺寸的确定 的过程中，这些尺寸是不能做较大变化的 终产品的功能因素。 这是鞋楦的主体尺寸。在修改鞋楦外形 否则将会妨碍鞋子的穿着效果，影响最 鞋楦尺寸主要包括三类基本尺寸，即，底样、侧轮廓和围长。一旦确定了这些 尺寸，就可以大抵确定鞋楦的整体形状。表2 1 2 4 分别列出了具体的尺寸名称。 9 浙江大学硕士学位论文 h l h 2 前跷高 h 4 后身凸度高 后跟高 h 5 拇趾高 后身侧面高 1 0 浙江大学硕士学位论文 通过对人体脚部进行测量和经验裕量的计算，就可以获得上表中的各类数据。 这些数据将是下一步构造曲线框架的基础，也是制作出符合人们穿着需求的基本条 件。 对人体脚型进行测量，有机械法、电动投影法和三维的激光测量等各种方法。 但是，在我国目前对此设备尚不多见的情况下，通过仔细的“简易测量”法也可以 获得脚部的各个基本尺寸。所谓“简单测量”法就是利用皮尺、直尺等简单工具， 对脚部各个尺寸进行测量的方法 】。对于脚型测量方法以及脚型数据到鞋楦数据的 换算，涉及到制楦和制鞋工业中的生产经验，具体方法和详细资料请参考文献i h 。 2 3 鞋楦曲线框架的建立 通过确定鞋植的关键尺寸，可以生成大致的轮廓线，称之为鞋檀曲线框架。该 框架是生成鞋楦曲面的约束条件，保证了最终的产品符合设计者的需求。为了便于 对线框模型进行修改，我们使用样条曲线对曲线进行描述。考虑到鞋楦造型的要 求，建立了两条轮廓线，并将其组合成最终的曲线框架。这两条轮廓线分别是：楦 底样轮廓和楦侧轮廓。 2 3 1 楦底样轮廓和侧轮廓 植底样轮廓为一条封闭的曲线，由表2 1 和表2 2 ，就可以确定曲线的基本控制 点。楦底样轮廓是一条2 d 益线，其确定方法如下： 首先，绘制中心线，并以后跟点0 为基准。按照表2 1 数据可以确定中心线上 的投影点，如图2 2 中l 1 至l 8 点。然后根据宽度沿垂直方向向外伸展，就可以得 到基本控制点了，即图2 2 中黑色正方形点。由图2 2 可以看到，基本控制点构成 了楦底样的骨架。但是，如果仅用这些控制点控制，底样是很粗糙的，不能满足需 要。因此，需要在此基础上添加其他的轮廓控制点。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 2 楦底样轮廓基本控制点 由于楦底样外形是构成楦款式的一个主要因素，因此，轮廓控制点反映了设计 者主要设计意图。它和基本控制点所起的作用是同样重要的。通过建立不同头型标 准楦底样的知识库，同时按照所选择的楦型，在基本控制点构成的原始轮廓上进行 进一步的控制点插补，就可以得到一个比较理想的底样轮廓。图2 3 即为生成的最 终底样轮廓，曲线上的小圆点就是插补的控制点。由两图的对比可以看到，插补控 制点后的底样在总体尺寸不变的前提下实现了所需要的形状。 图2 - 3 楦底榫轮廓 对于楦侧轮廓，使用4 条曲线进行拟合。这4 条曲线首尾相连，就构成了楦的 侧轮廓。其方法近似于楦底样的生成：从表2 3 和表2 - 4 的数据出发，就可以获得 这4 条曲线的基本控制点。在此基础上按照需要进行其他控制点的插补，就可以生 成侧面轮廓了，虽终结果如图2 - 4 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文 t 2 t 1 1 。”。 h 1 图2 4 檀侧轮廓 2 _ 3 2 鞋楦整体曲线框架的建立 为了建立鞋楦的整体曲线框架，需要将底样轮廓和楦侧轮廓结合起来。上面建 立的楦底样轮廓是一条2 d 曲线，因此必须将其控制点坐标进行变换，使之变为满 足侧轮廓中曲线a b 所需要的3 d 曲线。 从图2 - 5 可以看到，对楦底样轮廓的变换，就是使得变换后的楦底面轮廓的中 ，1 5 , 线u 0 ；a 。与曲线v 。v 。重合，为保证楦底样尺寸不变，按照曲线的长度不变性，可以 采用下式对底样控制点进行坐标变化： v f2 v a ，十；, t i n 谢 ( 2 1 ) 其中： “是以i 一i 的长度在曲线v 。v 。截得。v 。，则是“。，在直线d o 上的投 影，如图2 5 。 图2 - 5 楦底样轮廓2 d 3 d 的变换 1 3 浙江大学硕士学位论文 对底样控制点进行坐标变换完成后，也就完成了植底样轮廓的拟合。这样就得 到了鞋楦的整体曲线框架，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 楦整体曲线框架 由于采用样条曲线建立上述曲线框架，在框架生成以后，设计者仍然可以对框 架曲线进行修改。通过支持拖动曲线控制点的交互式修改方法，可以方便的对框架 进行调整，从而满足其设计思路。但是，为了保证生成的鞋楦满足最终的穿着需 要，系统对关键的控制点( 即上文中提到的基本控制点) 的修改范围进行了一定的 限制。 2 4 鞋楦面生成 一般的制鞋c a d 系统中，鞋楦曲面往往是对一系列切割线进行拟合而生成的。 这些切割线就是一组垂直楦底中轴线的平面和鞋楦求交而形成的相互平行的鞋楦横 截面，其数据往往是通过3 d 扫描或者设计者手工输入的。由于切割线数据较大， 手工输入的工作量亦大。因此，我们首先生成一个近似的鞋楦面然后在此基础上 对楦面进行修改，最后完成一个鞋楦的设计。 由于鞋楦是一个不规则的自由曲面，为了便于曲面描述和修改要求，使用离散 法进行鞋植面的造型。所谓离散法造型就是用大量小平面来近似表达整个曲面，在 小平面满足一定数量的情况下，亦能有较高的精度。同时，用离散法造型也使得计 算机显示和数控加工更为方便。 4 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 分片构造鞋楦面 通过使用基本鞋楦曲线框架，就可以创建一个初始的鞋楦曲面。按照框架益线 的分割，对鞋楦面分块进行构建，主要分为内怀面、外怀面和底面。对于每块曲面 通过给定其四条边界进行表面的构造，而这些边界就是上面生成的框架曲线或者是 部分框架曲线。 这类曲面的建模采用给定四条边界的双线性插值曲面( ”1 ，它的特电是通过边界 点来决定曲面内部点，如图2 7 所示。 - p f o1 ，u 7 ，0 j ( a ) u 向插值油) v 商锤氇t c l 双岛插值 图2 7 分块曲面的构造过程 其构造算法如下 1 ) 曲面上的点仁弘矽可表示为双参数i j 和w 的函数p 似，w p 一，w = b m ，w ，y 似砂，z m 砂】，u ，v e 0 ，1 ( 2 2 ) 2 ) 令v = v o ，则尸m 是曲面上一条以u 为参数的曲线，称为u 向线或u 线， v o 的值由0 变化至1 ，可得到一组u 向线，由此构成整张曲面片，如图2 - 7 ( a ) 所示。 只( “，v ) = ( 1 一u ) p ( o ，v ) + u p ( 1 ，v ) ( 2 - 3 ) 3 ) 类似地，参数u 由0 变化至1 ，可得到一组v 向线，同样构成了整张蓝面 片，如图2 - 7 ( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 6 ( u ，v ) = ( 1 一v ) p ( u ，0 ) 1 - v p ( u ，1 ) 4 ) 曲面片的四条边界线为p 化矽，p m ，d ，户似砂，p “，一，四个角点为p 化缈，户佃，u ，p mu ，p “， ，则插值该四条边界的双线性曲面为 2 4 2 鞋楦面拼接 pp(享o娶pp(“o；三，“，vet。，1，c2-4p(1 0 p ( 11 1 ， ，o ) ，1 ) vl ，“，v i o ，i () ，) ，) | | 一vl 在对鞋楦的分块曲面进行插值生成后，下一步就是根据它们的边界线进行曲面 拼接，从而完成整个鞋楦初始曲面的构建。拼接结果应该满足位置连续的要求。给 定两张双线性曲面j p 1 1 ( “，v ) 和p ( 2 1 ( “，v ) ： 麓1 i 茹il l 蕊 1 1 1 l ( u 1 2 1 捌高1 池s ，p 【2 ，v ) = 一叫2 l 斟2 ，【o ，】 要求两张曲面之间满足位置连续，亦即要求二者具有公共的边界曲线。以v 向 拼接为例，设沿v 向具有公共边界，见图2 _ 8 ，则： p i l l ( 1 ，v ) = p 2 l ( o ，v ) ，v 【0 , 1 】 ( 2 - 6 ) 图2 - 8 沿v 向拼接 两张或多张曲面在满足位置连续性条件基础上，就可采用一定的拼接方法将其 合并为一张完整的曲面。先考虑两张曲面的拼接情况，多张曲面拼接可类似迭代处 理，两张曲面的拼接算法如下： 1 6 力力。啉m _。l 群一雒一 l | vwp 浙江大学硕士学位论文 步骤一搜索两张曲面的公共边界及其公共顶点； 步骤二在考虑公共顶点的基础上，合并两张曲面的所有顶点至一个新曲面 中： 步骤三，根据原有两张曲面的顶点与所属面的关系在新曲面中建立顶点与所属 面的对应关系； 步骤四根据顶点与所属面的对应关系建立顶点与顶点之间连接关系即网格的 边，至此，两张曲面合成至一个新曲面完毕。 在对各个分块曲面进行拼接完成后，由于拼接边界处只保持了位置连续，有着 明显的拼接痕迹。因此，有必要对其外形进行光顺处理。本文采用拉普拉斯法一i 对 整个鞋楦初始曲面进行光顺处理。为描述方便，下面给出几个相关定义： 定义1m 用来描述原始网格模型，它是由三维空间中的三角片通过边和顶点连 接而成的分片线性蓝面，用顶点集合v = “，v ：，v 。) 和三角片集合 f = i ， ，z ) 组成的二元组( 矿，f ) 来表示； 定义2 对于m 中的任意顶点v f ，用n e ( i ) 表示所有和相连点的集合 n f ( i ) 表示所有和v 相连三角片的集合： 定义3m 中的每条边最多只能包含在两个三角片中，用p 。来表示，它是由v 和 v ，两个顶点连接构成的，蚓则代表了边勺的长度； 定义4 网格模型中每个顶点对应的拉普拉斯算子定义为 砌) = 专，瓢_ 训协， 其中， v ，表示所有和v 相邻的顶点， n 是所有相邻点的总数。实际上，拉 普拉斯算子对应的就是网格顶点调整的方向。 计算出每个顶点的拉普拉斯算子之后，就可以对顶点进行如下调整 浙江大学硕士学位论文 i j 。= v ，+ l ( i ) ( 2 - 8 ) 其中，p 是一个正的常数。通常需要上述两式进行多次迭代后，才能得到较为 理想的满足光顺要求并且网格分布均匀的模型。 通过上述的分块曲面的拼接和光顺，完成了对鞋檀初始曲面的构造，如图2 一】0 所示。 图2 1 0 分片构造和拼接后的鞋楦曲面 2 4 3 鞋楦面成型 这里产生的鞋楦模型只是一个初始模型。由于从轮廓框架开始构建曲面，鞋檀 面虽然在整体上满足了框架的约束，但是由于缺少曲面内部信息，构造的这个曲面 是不能满足顾客最终使用和审美要求。因此，必须在这个初始曲面的基础上再进行 修改，方能获得比较理想的鞋楦模型。 由于鞋植面是一个不规则的曲面，对其修改必须在保证特征基本不变的条件下 进行。传统的曲面变形工具不能很好的适用于鞋楦面修改的需要。在保证整体尺寸 并兼顾具体曲面形状修改的情况下，我们实现了两种修改手段。对这两种方法的具 体叙述，将在第四章进行展开表述。 2 5 本章小结 本章首先讨论了传统的鞋楦造型方法和其中存在的一些不足。其次，从定制鞋 楦的角度出发，提出了一种鞋楦造型的方法。该方法可以在仅具备简单条件的情况 下，通过测量顾客脚部各个关键尺寸的基础上，构建基本的鞋楦曲线框架。同时， 1 8 浙江大学硕士学位论文 经过框架曲线外形的调整来满足设计要求。然后，利用鞋楦曲线框架，使用分片曲 面构造和拼接的方法，通过曲面的整体光顺和变形调整，完成对鞋楦面的构造。 1 9 浙江大学硕士学位论文 第三章基于脚部扫描模型的鞋楦造型技术 【本章摘要】通过对脚部进行三维扫描处理，建立脚部特征模型；同时， 利用交互式的方法，确定与脚部特征模型对应的鞋楦特征模板，也就是曲面细 分的初始网格；完成输入的鞋楦轮廓和特征模板的结合；最后，利用初始网格 和鞋楦轮廓，通过带有边界条件曲面细分的方法，实现了一个符合扫描脚部模 型的定制鞋楦造型。 3 1 引言 在第二章中，利用脚部的关键尺寸，实现了一个定制鞋楦的造型。利用这个方 法建立的鞋楦能大体上满足脚部的尺寸要求，并通过后期的修改处理，调整了鞋楦 部分曲面的外形。 但是，由于这些尺寸仅仅包含部分脚部关键信息，通过这种造型方法完成的鞋 楦模型往往不能充分反映人体脚部的一些局部特征。此外，由于尺寸数目的繁多， 也增加了设计人员输入的工作量。另一方面，三维扫描技术和设备的成熟，使得客 户的脚部扫描模型更易获得。 在此前提下，通过利用这些现有的技术条件，本章提出了一种结合脚部三维扫 描模型和轮廓曲线的鞋楦曲面造型方法。使用扫描模型能反映客户脚部的特征信 息，完成鞋楦实用性的功能需求；自定义的轮廓曲线则反映了鞋楦的设计思路，完 成鞋楦审美性的功能需求。通过两种手段的结合，加快了定制鞋檀的设计，也改进 了根据关键尺寸进行鞋楦造型方法中的一些不足之处，从而为后续个性化鞋样的设 计打好了前期基础。 本章首先介绍了这种鞋楦造型方法的基本流程。分3 3 、3 4 、3 5 、3 6 四个小 节，具体描述了设计流程中使用的方法和技术。 2 0 浙江大学硕士学位论文 3 2 系统流程图 鞋楦造型方法的流程图见图3 1 。首先，根据扫描模型建立脚部的特征模型。其 次，建立鞋楦特征模板和脚部特征模型的对应关系。通过这个对应关系，使得鞋楦 特征模板可以很容易的根据不同脚部模型做白适应的调整。这里用个简单的三角 形网格m 来表示鞋楦特征模板。再次，设计人员输入2 d 鞋楦轮廓，并进行2 d 到 3 d 的转换，与鞋楦特征模板相结合，作为鞋檀曲面生成的边界条件。最后，使用曲 面细分造型的方法，实现鞋楦面原型的构造。 图3 - 1 系统流程图 该方法主要包括三个主要工作：1 鞋楦特征模板的构建。2 鞋楦3 d 轮廓的指 定。3 鞋楦表面的生成。这里需要提到的是，本文的鞋楦模型是作为后续鞋样设计 系统的输入模型的。由于鞋样设计仅仅在鞋楦外表面进行设计，并不涉及底面。因 此，在生成鞋楦蓝面时去除了底面，仅仅包括内怀面和外怀面。 2 i 浙江大学硕士学位论文 3 _ 3 脚部扫描模型和鞋楦特征模板 对于一个脚部扫描模型，在进行鞋檀面构造之前，需要定义其相应的鞋楦特征 模板。如前所述，我们用m 7 三角网格来定义特征模板。按照参考文献，对于l , t j 定义如下： l l , f 7 = ( k ，矿7 ) 这里k7 代表三角网格的连接关系，如顶点、边和面的信息，也即m 的拓扑关 系。矿7 = f 百，i 1 是鞋楦特征模板网格的顶点集合，每一个i 就是鞋楦特征模板 的特征顶点，其对应于脚部扫描模型。因此，只需定义一次鞋植的特征模板，就可 以将其应用到不同的脚部扫描模型中了。 3 3 1 脚部扫描模型及其特征信息 通过线激光的三维扫描方法，可以获得3 d 模型各个顶点的空间位置。使用 三维重建及相应的网格处理技术就实现了对人脚部的造型任务。但是，这样的脚部 模型提供的仅仅是没有特征信息的三角形网格曲面，不能满足鞋楦特征模板中需要 的脚部特征信息。因此，需要在原始模型的基础上添加必要的特征，包括特征线和 顶点等等。 对于人体扫描模型特征的自动提取，人们已经做了很多研究，并取得一定的成 果。但是，由于人体脚部模型是一个自封闭的复杂曲面，而且缺少相应明显的 特征，上述算法不能很好的应用到脚部模型上。基于此，本文用交互式的绘制方法 来确定脚部模型的特征。 通过绘制所需的特征曲线( 如图3 2 中的浅色曲线) 来完成对于脚部模型的特 征信息。每条曲线由一系列依附于脚部模型网格上的直线段所组成。我们给每条曲 线一个编号，因此，对于所属于同一条曲线的所有直线段都包含同样的编号。定义 特征曲线的交点为特征节点，并对节点进行了编号，同时也记录了相交在该点的特 征曲线编号。这里用声。表示特征蓝线，虎表示特征节点，其中f 是它们的编号。 浙江大学硕士学位论文 图3 - 2 脚部扫描模型及特征线 3 3 2 基于脚部扫描模型生成鞋楦特征模板 前面已经提到，鞋楦特征模板就是一个三角网格m 7 。它包含顶点集合和边面 集合。因此，建立鞋楦特征模板就是确定其特征顶点的数值和拓扑关系关系。 a ) 确定鞋楦特征模板的特征顶点 这里提到的特征顶点就是鞋植特征模板网格中的顶点。它是定义在脚部模型基 础上的，用f 来表示，这里。 下面建立特征顶点f 和人体模型上的特征节点彦j 和特征曲线弦j 的关系。 图3 - 3 觑处的一个局部坐标系 特征节点的位置j ( 勿，) 是由两条特征曲线弘，和，c ：相交而成。由于彦，位 于这两条趋线上面，因此厂c 。和弦：在觑上的切矢；( 弦) 和i ( 弦：) 亦容易求得。 2 3 浙江大学硕士学位论文 同样，也可以得到曲面在彦。的法矢另( f p ，) 。三个矢量i ( 加) 、i ( 弦：) 和；( 彦，) g j 成t 屈处的一个局部坐标系，如图3 - 3 所示，当然这三个矢量不一定要相互垂 直。因此对于fe 矿，的位置j ( f ) 可以由下式获得a j ( z ) = ；( 彦。) + ；( 虎) + 屈? ( 弦，) + y ，i ( 弦：) ( 3 1 ) 因此，对于鞋楦特征模板上的特征顶点i 与鞋楦模型上特征节点的编码过程， 就可以简化为获取i 的四个元素( ，d ，属，一) 的过程。 具体编码过程如下： 步骤一：指定鞋檀特征模板对应的脚部特征模型上节点。 步骤二：由图3 - 3 每一个特征脚部节点由两条脚部特征益线相交所得。因此， 在这个脚部特征节点处可以由这两条曲线确定一个局部坐标系。 步骤三：按照式( 3 1 ) 确定鞋楦特征顶点在局部坐标系的位置。 步骤四：完成脚部特征曲线和特征节点对鞋植特征顶点的编码过程。 b ) 鞋楦特征模板拓扑关系 这里定义鞋楦特征模板的拓扑关系，即m 7 = ( 足7 ，v 7 ) 中的7 a 在上面已经计 算了顶点的坐标，即m 7 = ( 足7 ，v 7 ) 中的y 7 。拓扑关系足7 主要保存在两个表中：边 表和面表。不同于一般三角网格的拓扑关系，在边表中记录了鞋楦模板框架中的所 有边，每一条边记录了代表鞋檀轮廓的点集( 鞋檀轮廓在第3 4 节中进行描述) 和 其头尾的特征顶点( 鞋楦模板上) 编号。其数据结构如下； c l a s sc e d g e f i n tn s t a r t n o d e i d ，n e n d n o d e i d ； 2 4 浙江大学硕士学位论文 p o i n t l i s tp l p r o f i l e ；设计的鞋檀轮廓 ) ； v a r r a y v a e d g e t a b l e 7 同样，在面结构中记录了该面是由那几条边组成的以及它们的方向，所有的面 信息都放在面表中。定义+ 1 为逆时针方向，一1 为顺时针方向。 c 1 a s sc f a c e i n t n e d g e 0 i d ，n e d g e l i d ，n e d g e 2 i d ； i n t n e d g e 0 d i r ，n e d g e l d i r ，h e d g e 2 d i r ； ) ； v a r r a y v a f a c e t a b l e ； 通过交互操作，确定填入边表和面表相应的信息，就可以建立起一个鞋楦特征 模板框架m ，如图3 4 所示。由于边表和面表可能有比较大的数据量，手工输入 工作量比较大。同时，考虑到鞋楦与脚部的配合关系，对模板框架的生成进行了一 定的简化。首先，将脚部扫描模型的特征线提取出来，将扫描模型上的特征节点 p ，作为鞋楦模板特征顶点i 的初始值，这样就建立起它们之间的对应关系。其 次，交互的修改所需要的鞋楦模板特征顶点的位置