专利名称：面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法
技术领域：
本发明涉及三维脚型数据的快速测量方法，尤其是一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法。
背景技术：
就脚型数据的获取而言，目前的主流技术途径是基于光学系统，包括1)基于激光的三角测量技术。是目前十分流行的三维数据获取方式，精度高，适用范围广，但设备的价格昂贵。主要部件有高速摄像头，激光发射器，信号处理器，高精度步进电机等。
2)基于结构光的测量技术。主要部件有专用投影仪，摄像头等。精度中等，价格也中等。
3)基于计算机视觉的测量技术。主要的设备是摄像头，其核心是立体视觉系统。
这些测量技术主要通过测量出所有的稠密的散乱点(上万个)，来获得被测量物体的三维模型，而后完成对模型的测量。这种方法对没有生命力的完全静止的物体十分有效。但对于有生命物体的测量，由于在测量过程中，有生命的物体会产生细微运动。这种运动噪声的直接影响，使得用户就需要花费大量的后处理时间，显得特别耗时耗力。我们只需要稀疏的网格点(一般不超过1千个，可以在瞬间得到，把运动噪声降到最低)，然后通过曲面细分的手段，就可以快速地获得人体的三维脚型模型。并在计算机上完成对其各项参数的测量和计算工作。
曲面细分方法是数字几何处理的常见方法之一，其基本的算法框架为1)初始化，读入要进行细分的完整稀疏网格模型，设定相关迭代参数。如设置细分迭代的阈值，即细分的终止条件。
2)细分运算，根据具体变换结果要求，在原有模型中插入新的顶点。
3)光滑处理，如采用对新生成的模型进行光滑滤波等方法，使生成的模型达到应用要求。
4)终止条件检查，判断当前网格模型的是否达到了边，点，面等数量要求，若达到，则终止并输出所需的三维模型，否则再从第2)步开始执行。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法。
方法的步骤如下1)读入稀疏网格三维脚模型，设定细分迭代参数，其中迭代参数包括目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值；2)对稀疏网格三维脚模型进行细分，即采用面分裂方法插入新顶点，对大于最大边长值的边，采用边裂分的方法插入新顶点；3)对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理；4)对判断步骤3)处理后的模型进行终止条件检查，看是否已经达到步骤1)中设定的细分所要求达到的目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值，如果达到则保存三维特征脚模型并进入步骤5)，否则从步骤2)继续迭代；5)对步骤4)生成的三维特征脚模型进行二维投影，即向XOY平面投影，获得三维特征脚模型的二维轮廓；6)对步骤5)生成的三维特征脚模型的二维轮廓进行特征点圈选；7)对步骤4)生成的三维特征脚模型采用截面求交法获取脚型的围长参数——脚跗围，脚跖围；8)输出三维特征脚型参数。
本发明三维测量的目标是获得待测量物体的稠密的三维数据模型并获取其相关参数。针对传统的测量方法在对于有生命力的物体(如人体)的测量过程中，耗费的时间比较长，一般在10分钟以上。由于有生命的物体会产生细微运动，形成运动噪声，使得用户就需要花费大量的后处理时间，特别地耗时耗力。我们所采取的方法是，利用目前的测量技术，瞬间(小于1秒)得到待测量物体的稀疏网格，从而把运动噪声降到最低。然后采用细分的手段，就可以快速地获得人体的三维脚型模型。本发明方法对于脚型没有特殊限制，在能够很快处理大部分人脚的同时，还可以处理各种特殊的脚型，如畸形脚，残疾脚等。同时在测量方面，本发明解决了如今制鞋厂商只有得到鞋楦实物后才能进行相应的脚型数据的测量工作，有效的为制鞋产业节约了人力和财力。
图1是稀疏网格脚模型；图2是由图1稀疏网格脚模型细分后得到的三维特征脚模型；图3a是面分裂细分前的网格局部；
图3b是面分裂细分后的网格局部；图4是本发明总体工作步骤流程图；图5是本发明由稀疏网格脚模型获取三维特征脚模型的步骤流程图；图6本发明实施例子中输入的稀疏网格脚模型；图7本发明实施例子中得到的稀疏网格脚模型和结果三维特征脚模型的对比图；图8本发明实施例子中细分得到的三维特征脚模型的XOY平面投影轮廓图；图9本发明实施例子中脚型特征点选择的示意图；图10本发明实施例子中跖围选取截图；图11本发明实施例子中跗围选取截图；图12本发明实施例子的参数输出截图；图13a点的一阶邻域示意图；图13b点的二阶邻域示意图。
具体实施例方式
三维脚型的稀疏网格的获取方法，参见申请公开号CN1544883A的发明内容。在获得三维脚型的稀疏网格后，对稀疏网格脚模型进行细分，得到可以进行测量的三维特征脚模型。然后对其进行参数的测量计算和输出。
面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法的步骤如下(见图4)1)读入稀疏网格三维脚模型(见图1)，设定细分迭代参数，其中迭代参数包括，目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值。这些参数将被用来作为细分迭代的终止条件；2)对稀疏网格三维脚模型进行细分，即采用面分裂方法插入新顶点(见图3)，同时采用边裂分的方法在较长边上插入新顶点；3)对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理，在这一步中我们要除去模型中存在的棱角，以保证脚型参数测量的准确性；4)对判断步骤3)处理后的模型进行终止条件检查，看是否已经达到1)中设定的细分所要求达到的目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值，如果达到则保存三维特征脚模型(见图2)并进入步骤5)，否则从2)继续迭代；(见图5)5)对步骤4)生成的三维特征脚模型进行二维投影，即向XOY平面投影，获得三维特征脚模型的二维轮廓，该轮廓是根据实际用户的脚型尺寸和屏幕显示的比例进行缩放显示；6)对步骤5)生成的三维特征脚模型的二维轮廓进行特征点圈选(具体的圈选方法见实施例部分)，所选的特征点包括脚拇趾端点，脚拇趾外突点，脚小趾外突点，第一跖趾外突点，第五跖趾外突点，后跟突点，第五趾骨粗隆点。根据实际的调研发现，只要得到这些点的位置坐标，其他的脚型参数是可以通过计算来得到的；7)对步骤4)生成的三维特征脚模型采用截面求交法获取脚型的围长参数——脚跗围长，脚跖围长；8)计算并输出三维特征脚型参数。
所述的对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理一步中，对生成的临时三维模型进行光滑滤波我们采用了二阶邻域滤波，通过最小化二阶邻域(见附图13b)中相邻面片的法向差值的平方和，解方程得到新的顶点，用新顶点的值代替原来顶点。用该法对所有的新生成的顶点处理一遍。对于原始稀疏网格的顶点，移动它周围的点，使得周围的点向相反的方向移动，相当于固定点移动到与周围邻域光滑的位置。
实施例首先，载入稀疏网格脚模型，见图6。由于载入的稀疏网格脚模型是不能用于直接测量的，在图中可以看到它有很多的棱角，如果直接对其进行测量，则会产生很大的误差，得到的数据基本无法用于制鞋的使用。所以需要对其进行细分，将这个稀疏网格脚模型变成三维特征脚模型，见附图7。经过这样的变换以后，我们可以看出，稀疏网格脚模型中的棱角已经不见了，这样的数据才是可以用于测量的。下一步，将已经生成的三维脚模型投影到XOY平面上见附图8，得到其脚的轮廓的比例图，经过观察我们发现，只需得到脚型上面七个特征点的部位，就可以计算出用于制鞋的所有的脚型参数。这七个特征点分别为脚拇趾端点，脚拇趾外突点，脚小趾外突点，第一跖趾外突点，第五跖趾外突点，后跟突点，第五趾骨粗隆点。附图9是已经选择完成的特征点示意图，图中矩形框框选住某一特征点的大体范围，本发明应用程序中会自动对所选定的点进行计算。而后是脚型参数中两个重要的围度参数的选择，附图10是跖围选取截图，其中我们通过求黄色平面与脚型曲面交线的周长来得到围度的具体数值，黄色的平面可以根据测量的需要进行调节。附图11是本发明的跗围选取截图。发明系统中初始位置提供跖围平面和跗围平面的参考位置，跖围平面是以一定角度过第一跖趾外突点和第五跖趾外突点的平面，跗围平面也是以一定角度过第五趾骨粗隆点的平面。脚型围度参数确定后就可以进行参数计算并输出了。附图12是这个例子的参数输出截图。
权利要求
1.一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法，其特征在于，方法的步骤如下1)读入稀疏网格三维脚模型，设定细分迭代参数，其中迭代参数包括目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值；2)对稀疏网格三维脚模型进行细分，即采用面分裂方法插入新顶点，对大于最大边长值的边，采用边裂分的方法插入新顶点；3)对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理；4)对判断步骤3)处理后的模型进行终止条件检查，看是否已经达到步骤1)中设定的细分所要求达到的目标模型顶点个数，目标模型面片个数，目标模型中最大边长值，如果达到则保存三维特征脚模型并进入步骤5)，否则从步骤2)继续迭代；5)对步骤4)生成的三维特征脚模型进行二维投影，即向XOY平面投影，获得三维特征脚模型的二维轮廓；6)对步骤5)生成的三维特征脚模型的二维轮廓进行特征点圈选；7)对步骤4)生成的三维特征脚模型采用截面求交法获取脚型的围长参数——脚跗围，脚跖围；8)输出三维特征脚型参数。
2.如权利要求1所述的一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法，其特征在于，所述的对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理对生成的临时三维模型进行光滑滤波。
3.如权利要求2所述的一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法，其特征在于，所述的对生成的临时三维模型进行光滑滤波是采用了二阶邻域滤波，通过最小化二阶邻域中相邻面片的法向差值的平方和，解方程得到新的顶点，用新顶点的值代替原来顶点，用该法对所有的新生成的顶点处理一遍，对于原始稀疏网格的顶点，移动它周围的点，使得周围的点向相反的方向移动，相当于固定点移动到与周围邻域光滑的位置。
4.如权利要求1所述的一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法，其特征在于，所述骤6)的特征点包括脚拇趾端点，脚拇趾外突点，脚小趾外突点，第一跖趾外突点，第五跖趾外突点，后跟突点，第五趾骨粗隆点。
全文摘要
本发明公开了一种面向稀疏网格的基于曲面细分的三维脚型数据测量方法。方法的步骤如下1)读入的稀疏网格三维脚模型，设定细分迭代参数；2)对稀疏网格三维脚模型进行细分；3)对步骤2)生成的三维脚模型进行光滑处理；4)对判断步骤3)处理后的模型进行终止条件检查；5)对步骤4)生成的三维特征脚模型进行二维投影；6)对步骤5)生成的三维特征脚模型的二维轮廓进行特征点圈选；7)对步骤4)生成的三维特征脚模型采用截面求交法获取脚型的围长参数；8)输出三维特征脚型参数。本发明能快速获取脚型三位数据，降低运动噪声，且能处理大部分人脚和特殊脚型。解决了只有得到鞋楦实物后才能进行相应的脚型数据的测量工作，节约了人力和财力。
文档编号G06T1/00GK1895168SQ20051006127
公开日2007年1月17日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者潘云鹤, 耿卫东, 高飞, 徐兴华, 王毅刚 申请人:浙江大学