基于单目多视角机器视觉的真人鞋型复制装置和鞋楦制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及单目多视角机器视觉在鞋楦数字化方面的应用，属于鞋样和鞋楦个性 化设计、鞋楦/真人足部一体化处理、鞋楦自动制作等领域，尤其涉及一种基于单目多视角 机器视觉的真人鞋型复制装置和鞋楦制造方法。
【背景技术】
[0002] 人们在购买鞋子的时候常常需要试穿不同型号的鞋子来寻找尽可能适合自己脚 型的鞋，以至于在大部分的情况下，人脚必须被动地适应鞋子固定的尺寸和形状。事实上， 属于同一码长所对应的脚长区间的脚型形状差异是很大的，即使是同一个人的左右脚也并 非是完全镜像对称的，也可能存在长短、胖瘦、足弓高度等不同程度的差异，甚至同一个人 的左右脚不属于同一个鞋子码长所对应的脚长区间的情况也较为常见。
[0003] 为了让人们穿上合脚的鞋，设计生产出符合人体个性化特点的鞋一直是制鞋业厂 商的理想，而实现脚型的快速、自动测量就是实现这个理想的第一步。其第二步就是鞋楦数 字化加工。
[0004] 在制鞋过程中涉及的设计分为三大类：楦体造型设计、帮样设计、底部件和底成型 模具设计。在帮样设计中，无论使用平面设计方法、立体设计方法，还是计算机辅助设计方 法，都必须依据鞋楦的表面尺寸进行。在制鞋过程中，鞋楦是鞋子设计和制造的依托，是根 据人们的脚型和制鞋要求设计加工而成的制鞋模具。因此，鞋楦的设计及其数字化是制鞋 业的关键。
[0005] 国内外许多厂商都致力于先进制鞋设备的研宄，大大推进了制鞋设备的自动化和 个性化定制。纵观当前的鞋楦数字化设备，具有以下特点：（1)采用了先进的开放式数控系 统，以数控系统为底层平台进行鞋楦数字化；(2)以高精度的数字光栅或光电编码器作尺 寸检测传感器；（3)低档系统仍采用接触式测量，高档系统采用激光测量；(4)不再使用母 楦，直接按设计的楦型数据，刻制出所需的楦型；（5)具有配套制鞋专用的CAD/CAM系统；
[6] 鞋制造设备厂商将鞋楦数字化设备与鞋楦加工设备集成为成套的配套设备，如鞋楦高 速数字化扫描机、鞋楦数控加工机、鞋楦数控打样机等。
[0006]利用三维激光扫描法用于个性化制鞋业。已有公司制作出专门的脚型三维扫描 仪，测量时，将待测脚放到扫描仪的指定位置，获取脚的相关三维信息，连接到电脑，运用特 殊的软件对扫描得到的数据进行分析，重建出脚的三维模型。该方法操作快捷，结果精度较 高，缺点是扫描仪价格昂贵，难以得到广泛的应用。目前世界上鞋楦数字化加工设备最先进 的厂家大多集中在意大利，设备价格昂贵，如鞋楦数字化扫描机加上数控加工机，一套价格 为120万?150万人民币。这类技术中国发明专利申请号为01130405. 7公开了一种鞋楦 造型个性化设计方法，该方法首先利用三维扫描仪获取人脚的三维数据并建模，然后将其 与标准鞋楦模型进行比较，并对标准鞋楦进行调整，以生成符合特定顾客脚型的特定鞋楦 模型。
[0007] 后来有些学者利用激光片对脚进行光切，光切后得到的是脚的一层一层的切片的 平面轮廓图，辅助与摄像机拍摄脚的照片，通过对每一层的二维轮廓曲线进行分析，最终将 所有的曲线进行整合，可以得到三维的脚型轮廓。该方法虽然得到的结果较为精确，但操作 较为复杂。
[0008] 对于中国这样一个产鞋大国，对于鞋楦加工的要求是高效、质量过关并且具有低 的成本。目前三维激光扫描仪的成本还较高，一个精度相仿的点式激光扫描头的价格高出 接触式仿形轮的十几倍甚至几十倍，这制约了基于三维激光扫描仪测量鞋楦的技术在我国 的发展。
[0009] 鞋模包括鞋楦和人足，具有以下特点：⑴人足从外形来说基本上为凸包；（2)鞋 楦采用各种材料，如木制、塑胶等；（3)色彩单一、图像灰度变化不大，灰度变化反应了曲面 的法向变化；(4)表面为非规则几何，连续光滑；（5)与工业级三维重构相比，数字化鞋楦精 度要求不高，可以在毫米级。这些特点使得机器视觉能够很好地应用在鞋模数字化方面。
[0010] 鞋楦是制鞋的模具。第一代鞋楦生产方式，即传统的鞋楦生产方式，是母楦由刻楦 师根据经验用手工制作而成，鞋楦加工设备是刻楦机，采用靠模的方式拷贝母楦得到成品 楦；第二代鞋楦生产方式，将CAD/CAM技术引入鞋楦的设计制造，在计算机上完成鞋楦的设 计工作，并生成鞋楦数控加工程序，控制数控刻楦机，完成对毛坯楦的高效切削加工得到成 品楦；这一过程将大大改变鞋楦的设计生产进程，极大地适应多变的市场需求；第三代鞋 楦生产方式，将真人足部的3D复制技术与3D打印技术进行融合，用3D打印机直接打印出 各种个性化的鞋楦已经成为可能，这将大大降低个性化鞋楦制作成本和周期。
[0011] 对于第二代鞋楦生产方式，美、德、意等国在鞋楦CAM技术方面进行了大量研宄。 用电脑控制的绷帮、上底等CAM系统己遍及世界各地鞋厂；如英国的USM、德国的GOC，捷克 的DZA以及美国的CMASOC等鞋业部门相继开发了交互式的计算机辅助设计鞋系统和相应 的辅助加工系统，在数控刻楦方面也涌现了大量新的技术和专利。一般，数控刻楦机单机在 20万美元以上，系统在50万美元甚至100万美元以上，国内制鞋厂家一般难以承受。这类 技术中国发明专利申请号为200710068032. 5公开了一种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，该技术属于第二代鞋楦生产方式。
[0012] 关于第三代鞋楦生产方式，将真人足部的3D复制与鞋楦3D打印两种技术进行融 合对接，通过单目多视角机器视觉对真人足部进行3D复制，生成真人足部的三维点云数 据；在鞋楦3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD)读取真人足部的三维点云数据完 成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，3D打印机将连续的薄型层面 堆叠起来，直到一个固态物体成型，最终形成与真人足型形状大小完全一致的鞋楦。对于鞋 楦3D打印采用"熔积成型"的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料（ABS/PLA或者尼龙），然 后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层，目前市售的3D打印机最大打印尺寸已经满足鞋 楦3D打印的实际需求。
[0013] 注意到第三代鞋楦生产方式与第二代鞋楦生产方式的不同点，第二代鞋楦生产方 式中需要对鞋楦模型进行建模，借助脚-楦舒适度映射关系模型，利用推理机制得出标准 鞋楦的变形参量，最后用分段自适应算法对标准鞋楦进行变形得到定制鞋楦，然后利用参 数化曲线进行鞋楦及脚型的CAD建模，计算该定制鞋楦在数控鞋楦机上的加工刀轨，由数 控鞋楦机进行加工。而第三代鞋楦生产方式，通过单目多视角机器视觉对真人足部进行3D 复制，生成真人足部的三维点云数据；不再需要进行鞋楦及脚型的CAD建模，而是直接读取 真人足部的三维点云数据完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上， 3D打印机将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型，最终形成与真人足型形状 大小完全一致的鞋楦。
[0014] 在目前的机器视觉中，由点计算深度信息还不困难，难点在于从不同视角拍摄的 图像中同名点的配准，即特征匹配。由于目前点的配准算法比较复杂，耗时较长，还难以取 得令人满意的结果。大量的文献介绍了点的配准方法，但都不