本發(fā)明屬(人類生活必需)制鞋領(lǐng)域，涉及鞋楦楦頭快速變更設(shè)計(jì)的方法，尤其是一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的鞋楦楦頭變更的方法。

背景技術(shù)：

鞋楦是鞋的成型模具，鞋楦的舒適性、適腳性對用戶足部的健康有著至關(guān)重要的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，將cad/cam技術(shù)引入到鞋楦的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，大大地提高了鞋楦的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率。在鞋楦數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師可以通過對存儲在鞋楦數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)鞋楦數(shù)字化模型進(jìn)行級放、尺寸編輯、紋理貼圖等，獲得既舒適、合腳，而又美觀、時(shí)尚的定制鞋楦。為了滿足舒適度要求，需要根據(jù)用戶腳型尺寸與鞋楦尺寸的對應(yīng)關(guān)系確定鞋楦的關(guān)鍵尺寸，主要是楦后身的特征尺寸；而鞋楦的款式、美觀主要由楦頭決定，鞋楦的款式變化主要是楦頭的變化，后身則基本保持不變，如果能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的楦頭變更設(shè)計(jì)，將促進(jìn)鞋楦生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的實(shí)施，同時(shí)有利于提高鞋楦個(gè)性化定制的設(shè)計(jì)效率。

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鞋楦后身標(biāo)準(zhǔn)化是指：鞋楦第一、第五跖趾部位后楦體尺寸不變。鞋楦廠中為了節(jié)約鞋楦制造的成本，通過手工置換楦頭，將原鞋楦的楦頭除去，粘接上新楦頭并打磨平整，其過程繁瑣、耗時(shí)而缺乏精度，依賴于制楦師傅的經(jīng)驗(yàn)；easylast、declamcrispin等鞋楦設(shè)計(jì)軟件中也提供了楦頭置換的功能，但需要根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整新楦頭與原鞋楦之間的相對位置。部分學(xué)者通過對楦頭輪廓線的編輯進(jìn)行楦頭曲面的修改與設(shè)計(jì)，可以任意修改鞋楦的前蹺高、楦頭厚度等楦頭尺寸，達(dá)到重新設(shè)計(jì)楦頭款式的目的，但其設(shè)計(jì)效率明顯低于直接使用楦頭數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行楦頭置換。

綜上所述，針對現(xiàn)有楦頭置換技術(shù)精度不高、楦頭與后身匹配標(biāo)準(zhǔn)不明確、設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度與效率較低等問題，有必要提出一種新的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的鞋楦楦頭變更方法，可以快速地使用選定款式的楦頭模型替換現(xiàn)有鞋楦模型的楦頭，無需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，導(dǎo)入新楦頭后整個(gè)過程自動(dòng)完成，對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)要求相對較低，大大提高了楦頭設(shè)計(jì)的效率；同時(shí)，變形后的新楦頭與后身平滑過渡、自然連接，在定位精度、保持后身不變性與特征保持性方面，優(yōu)于手工置換楦頭與現(xiàn)有商業(yè)軟件中置換楦頭的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的鞋楦楦頭變更方法，具體包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1，從鞋楦數(shù)據(jù)庫讀入stl格式的三角網(wǎng)格鞋楦模型，建立stl模型內(nèi)三角面片、邊與頂點(diǎn)的完整拓?fù)湫畔ⅲ?/p>

步驟2，對鞋楦模型進(jìn)行方位標(biāo)準(zhǔn)化；

步驟3，提取鞋楦跖圍曲線；

步驟4，導(dǎo)入新的楦頭三角網(wǎng)格模型，完成新楦頭與原鞋楦后身之間的相對位置校準(zhǔn)；

步驟5，基于拉普拉斯網(wǎng)格變形的方法，完成新楦頭與原鞋楦后身的匹配；

步驟6，融合變形后的楦頭網(wǎng)格與切割后的原鞋楦后身網(wǎng)格。

所述步驟1的具體做法是：

從鞋楦數(shù)據(jù)庫中讀入一個(gè)stl格式的標(biāo)準(zhǔn)鞋楦三角網(wǎng)格模型，建立網(wǎng)格中面片到頂點(diǎn)、面片到邊、頂點(diǎn)到面片、邊到頂點(diǎn)的拓?fù)溥B接信息。

所述步驟2的具體做法是：

首先通過手工平移和/或旋轉(zhuǎn)等交互操作，使鞋楦的楦頭大致朝向x軸的正向，鞋楦高度方向大致和z軸正向一致。構(gòu)建鞋楦模型頂點(diǎn)的協(xié)方差矩陣c，對c進(jìn)行特征分解，獲得三個(gè)特征值及其對應(yīng)的特征向量。將特征值按照從小到大排序，將最大特征值對應(yīng)的特征向量方向變換到與x軸方向一致，最小特征值對應(yīng)的特征向量方向變換到與y軸一致。提取鞋楦各坐標(biāo)軸方向上的極值點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方位的定義進(jìn)行逐一校準(zhǔn)。

步驟2中標(biāo)準(zhǔn)方位的定義是：

①鞋楦中軸線在x軸上；

②踵心點(diǎn)與x軸相切；

③后跟突點(diǎn)位于z軸上,楦跟與z軸相切；

④第一跖趾點(diǎn)和第五跖趾點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的向量與xoz平面夾角相同。

所述步驟3的具體做法是：

確定圍度曲線確定跖圍曲線所在平面，圍度曲線可由相應(yīng)的平面與楦型曲面進(jìn)行截面求交獲得。楦型用三角網(wǎng)格曲面表示并按照步驟1構(gòu)建好其拓?fù)溧徑雨P(guān)系，圍線所在平面用點(diǎn)法式表示。截面求交時(shí)，首先隨機(jī)找到一條與平面相交的邊，然后利用網(wǎng)格曲面已有的拓?fù)溧徑雨P(guān)系，快速查找該邊所在三角形與平面相交的其它邊，直至找到全部相交邊為止。

確定跖圍曲線所在平面的方法是：

以背中線上距楦底前端點(diǎn)和統(tǒng)口前端點(diǎn)連線距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)近似替代鞋口點(diǎn)，并由鞋口點(diǎn)、第一跖趾部位點(diǎn)和第五跖趾部位點(diǎn)確定跖圍所在的平面。所述跖圍是由第一跖趾部位點(diǎn)經(jīng)鞋口點(diǎn)到第五跖趾部位點(diǎn)繞鞋楦的測地曲線定義的，所述鞋口點(diǎn)是跖圍曲線與背中線的交點(diǎn)。

所述截面求交的具體方法是：

①建立圍度曲線所在平面的平面方程；

②遍歷三角網(wǎng)格模型的半邊表，逐一判斷，直到獲取第一條與平面相交的半邊，跳出循環(huán)并記錄第一條相交半邊的id；

③令初始半邊的伙伴半邊為當(dāng)前半邊；

④取當(dāng)前半邊的上一條半邊和下一條半邊判斷是否與平面相交，保存交點(diǎn)坐標(biāo)；

⑤判斷交點(diǎn)所在半邊是否為初始半邊，若不是，則令交點(diǎn)所在半邊的伙伴半邊為當(dāng)前半邊，重復(fù)④，若是，則求交結(jié)束。

由以上查找方法得到有序的離散點(diǎn)集，將它們首尾相接地依次連接就可以得到所求圍度曲線。

所述步驟4的具體做法是：

首先，導(dǎo)入新楦頭，按照步驟2進(jìn)行方位標(biāo)準(zhǔn)化，確保新楦頭的楦底中軸線與原鞋楦的楦底中軸線重合，即與x軸重合。提取第一跖趾部位點(diǎn)、第五跖趾部位點(diǎn)、鞋口點(diǎn)等特征點(diǎn)與背中線、跖圍曲線等特征曲線。然后，分別判斷原鞋楦與新楦頭為左腳還是右腳對應(yīng)模型，若不為同側(cè)腳，則對新楦頭進(jìn)行關(guān)于x軸的翻轉(zhuǎn)操作。最后，由于新楦頭跖圍曲線所在的平面與原鞋楦跖圍所在平面不一定平行，本發(fā)明以兩跖圍曲線離散點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)在y軸方向上的距離衡量新楦頭與原鞋楦后身的相對位置關(guān)系，平移新楦頭至兩離散點(diǎn)擊質(zhì)心點(diǎn)y坐標(biāo)相等。

鞋楦為左腳還是右腳對應(yīng)模型的判斷方法是：

提取模型上y坐標(biāo)最大和最小的點(diǎn)vy_max、vy_min，若|vy_max|>|vy_min|則vy_min為第一跖趾部位點(diǎn)，vy_max為第五跖趾部位點(diǎn)，模型為右腳對應(yīng)的鞋楦；若|vy_max|<|vy_min|則vy_max為第一跖趾部位點(diǎn)，vy_min為第五跖趾部位點(diǎn)，模型為左腳對應(yīng)的鞋楦。

所述步驟5的具體做法是：

提取新楦頭上跖圍兩側(cè)寬度為w的點(diǎn)云帶，映射到原鞋楦網(wǎng)格上，以映射點(diǎn)為拉普拉斯變形的約束點(diǎn)，對導(dǎo)入的楦頭進(jìn)行拉普拉斯網(wǎng)格變形。點(diǎn)云帶寬度w值如果過小，約束點(diǎn)個(gè)數(shù)較少，變形后的楦頭與楦后身的拼接不夠自然，w值過大，又會(huì)過多地改變新楦頭的特征，經(jīng)過試驗(yàn)取w＝2mm。

所述拉普拉斯網(wǎng)格變形的定義是：

對于具有n個(gè)頂點(diǎn)的鞋楦三角網(wǎng)格模型m＝(v,e,f)，其中v為頂點(diǎn)集，e為邊集，f為三角面片集。設(shè)v0,v1,…,vn為頂點(diǎn)集v中的點(diǎn)，用n(i)＝{j|(i,j)∈e}，表示第i點(diǎn)的1-ring鄰域頂點(diǎn)構(gòu)成的集合，定義vi處的拉普拉斯坐標(biāo)為：

其中，δi為頂點(diǎn)vi的拉普拉斯坐標(biāo)，l(·)為網(wǎng)格模型的拉普拉斯算子，ωij為vj點(diǎn)相對于vi點(diǎn)的權(quán)值，且∑ωij＝1，ωij由余切權(quán)值法計(jì)算得到：

公式(1)寫成矩陣形式為

lv＝δ(3)

式中δ＝(δ1,δ2,…,δn)，v為各頂點(diǎn)坐標(biāo)，l為拉普拉斯矩陣，矩陣的秩為n-k，其中k是m連通子集的個(gè)數(shù)，給定l、δ及k個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置約束作為初始條件，就可以唯一地重建模型。

所述步驟6的具體做法是：

①裁剪鞋楦后身和變形后新楦頭的重疊區(qū)域，留下一定的緩沖距離重建過渡曲面，保證網(wǎng)格的光順連接與拓?fù)淞己茫?/p>

②分別提取楦頭和后身的邊界環(huán)，將邊界環(huán)參數(shù)化到二維的四邊形區(qū)域內(nèi)，采用限定的delaunay三角剖分算法對該區(qū)域進(jìn)行三角化，得到網(wǎng)格的連通關(guān)系；

③通過求解最小二乘網(wǎng)格得到過渡區(qū)域的網(wǎng)格，求解得到的頂點(diǎn)以一種光順的方式均勻分布在網(wǎng)格曲面上。

提取邊界環(huán)及將邊界環(huán)參數(shù)化的具體方法是：

①隨機(jī)查找到鞋楦后身模型上的一條邊界邊，根據(jù)邊與邊之間的鄰接關(guān)系依次查找下一條邊界邊直到連接成完整的邊界環(huán)；

②使用與①中相同的方法提取新楦頭模型的邊界環(huán)；

③將①中提取的邊界環(huán)映射為四邊形的一條邊，并將②中提取的邊界環(huán)映射為其對邊，映射時(shí)相鄰兩點(diǎn)之間的距離為三角網(wǎng)格模型上兩點(diǎn)間的邊長。

④為確保重建的網(wǎng)格不發(fā)生扭曲，將參數(shù)區(qū)域按照新楦頭與楦后身跖圍平面內(nèi)極值點(diǎn)的一一對應(yīng)關(guān)系劃分成四個(gè)部分。

所述delaunay三角剖分的剖分準(zhǔn)則是：

(1)delaunay三角網(wǎng)格中任意三角形的外接圓范圍內(nèi)沒有其它頂點(diǎn)存在；

(2)在散點(diǎn)集可能形成的三角剖分中，delaunay三角剖分形成的三角形的最小角最大。

所述最小二乘網(wǎng)格的定義是：

最小二乘網(wǎng)格模型又稱為全局的拉普拉斯光順網(wǎng)格，通過把網(wǎng)格模型的拉普拉斯坐標(biāo)設(shè)置為0，然后求解拉普拉斯方程lv＝δ，其中權(quán)重wij為：

本發(fā)明與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)選擇楦頭款式導(dǎo)入后無需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，包括定位、楦頭變形、楦頭與后身連接在內(nèi)的整個(gè)過程快速自動(dòng)完成，對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)要求相對較低，大大提高了楦頭設(shè)計(jì)的效率；

(2)楦頭變形時(shí)采用拉普拉斯微分變形的方法，在與原鞋楦后身自然過渡、光順連接的基礎(chǔ)上，最大程度地保持了新楦頭的款式不變；

(3)融合楦后身與楦頭網(wǎng)格時(shí)采用了構(gòu)造最小二乘網(wǎng)格的方法，最小二乘網(wǎng)格的構(gòu)造僅涉及到頂點(diǎn)的網(wǎng)格連接關(guān)系圖和邊界頂點(diǎn)的幾何信息，構(gòu)造的最小二乘網(wǎng)格的形狀僅依賴于填補(bǔ)區(qū)域的頂點(diǎn)數(shù)、該區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量以及約束點(diǎn)權(quán)值；同時(shí)，由于將過渡區(qū)域網(wǎng)格構(gòu)建問題轉(zhuǎn)化成為一個(gè)線性稀疏系統(tǒng)的求解問題，具有很高的計(jì)算效率。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的鞋楦楦頭變更方法不局限于實(shí)施例。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例stl格式的鞋楦模型；

圖3是方位標(biāo)準(zhǔn)化圖2所示模型后獲得的鞋楦模型；

圖4是提取圖3所示鞋楦模型的跖圍曲線；

圖5是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例stl格式的新楦頭模型；

圖6是在圖2鞋楦模型中導(dǎo)入圖5楦頭模型相對位置調(diào)整后獲得的模型；

圖7是圖6所示楦頭模型拉普拉斯變形與圖2所示鞋楦模型匹配后獲得的模型；

圖8是圖7所示模型裁剪鞋楦后身和變形后的新楦頭重疊區(qū)域，留下一定緩沖距離的模型；

圖9是圖8所示模型邊界環(huán)的參數(shù)化示意圖；

圖10是圖8所示模型對楦頭部分與后身部分進(jìn)行網(wǎng)格融合后的模型。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的鞋楦楦頭變更方法，具體包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1，從鞋楦數(shù)據(jù)庫讀入stl格式的三角網(wǎng)格鞋楦模型，建立stl模型內(nèi)三角面片、邊與頂點(diǎn)的完整拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

具體的，從鞋楦數(shù)據(jù)庫中讀入一個(gè)stl格式的標(biāo)準(zhǔn)鞋楦三角網(wǎng)格模型(如圖2所示)，建立網(wǎng)格中面片到頂點(diǎn)、面片到邊、頂點(diǎn)到面片、邊到頂點(diǎn)的拓?fù)溥B接信息。

步驟2，對鞋楦模型進(jìn)行方位標(biāo)準(zhǔn)化。

具體的，通過pca算法與手工平移和/或旋轉(zhuǎn)等交互操作，完成鞋楦方位的粗校準(zhǔn)，使鞋楦的楦頭朝向x軸的正向，鞋楦高度方向和z軸正向一致。然后提取鞋楦各坐標(biāo)軸方向上的極值點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方位的要求進(jìn)行逐一校準(zhǔn)。

如圖3所示為經(jīng)過方位標(biāo)準(zhǔn)化后的鞋楦：①鞋楦中軸線在x軸上；②踵心點(diǎn)與x軸相切；③后跟突點(diǎn)位于z軸上,楦跟與z軸相切；④第一跖趾點(diǎn)和第五跖趾點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的向量與xoz平面夾角相同。

步驟3，提取鞋楦跖圍曲線，如圖4所示為提取圖3所示鞋楦模型的跖圍曲線圖。

具體的，確定跖圍曲線所在平面，圍度曲線由相應(yīng)的平面與楦型曲面進(jìn)行截面求交獲得。楦型用三角網(wǎng)格曲面表示并按照步驟1構(gòu)建好其點(diǎn)、面片、邊三者間的拓?fù)溧徑雨P(guān)系，圍線所在平面用點(diǎn)法式表示。截面求交時(shí)，首先隨機(jī)找到一條與平面相交的邊，然后利用網(wǎng)格曲面已有的拓?fù)溧徑雨P(guān)系，快速查找該邊所在三角形與平面相交的其它邊，直至找到全部相交邊為止。將交點(diǎn)依次存儲在動(dòng)態(tài)數(shù)組中，連接相鄰的離散點(diǎn)得到如圖3所示的跖圍曲線。

步驟4、導(dǎo)入新楦頭三角網(wǎng)格模型，完成新楦頭與原鞋楦后身之間的相對位置校準(zhǔn)。

其中，導(dǎo)入的新楦頭是由圖5(a)中的鞋楦模型切割得到，切割時(shí)需要預(yù)留一定的緩沖區(qū)域，將跖圍平面向x軸負(fù)方向平移一段距離，切割得到的楦頭模型如圖5(b)所示。

分別計(jì)算原鞋楦跖圍與新楦頭跖圍的質(zhì)心點(diǎn)，平移新楦頭至兩質(zhì)心y坐標(biāo)相同，相對位置校準(zhǔn)后的模型如圖6(a)和6(b)所示，其中6(a)和6(b)分別為鞋楦模型的主視圖與俯視圖。

步驟5、基于拉普拉斯微分變形的方法，完成新楦頭與原鞋楦后身的匹配；

提取新楦頭上跖圍兩側(cè)寬度為w＝2mm的點(diǎn)云帶，映射到原鞋楦網(wǎng)格上，以映射點(diǎn)為拉普拉斯變形的約束點(diǎn)，對導(dǎo)入的楦頭進(jìn)行拉普拉斯變形。楦頭變形前新楦頭上的點(diǎn)云帶與其在原鞋楦模型上的映射點(diǎn)如圖6(a)和6(b)所示，經(jīng)過拉普拉斯網(wǎng)格變形后，兩條點(diǎn)云帶融合為一條，新楦頭在點(diǎn)云帶區(qū)域內(nèi)與原鞋楦后身光順連接，分別如圖7(a)和7(b)所示，其中7(a)和7(b)分別為鞋楦模型的主視圖與俯視圖。

步驟6、融合變形后的楦頭網(wǎng)格與切割后的原鞋楦后身網(wǎng)格；

①裁剪鞋楦后身和變形后新楦頭的重疊區(qū)域，留下一定的緩沖距離重建過渡曲面，保證網(wǎng)格的光順連接與拓?fù)淞己?，裁剪后的模型如圖8(a)和8(b)所示，其中8(a)和8(b)分別為鞋楦模型的主視圖與俯視圖；

②分別提取楦頭和后身的邊界環(huán)，將邊界環(huán)參數(shù)化到二維的四邊形區(qū)域內(nèi)，參數(shù)化時(shí)為防止重建曲面扭曲，預(yù)先將參數(shù)區(qū)域按照新楦頭與楦后身跖圍平面內(nèi)極值點(diǎn)的一一對應(yīng)關(guān)系劃分成四個(gè)部分，如圖9(a)和9(b)所示，其中圖9(a)為邊界環(huán)曲線，圖9(b)為其在參數(shù)區(qū)域預(yù)先劃分的結(jié)果。然后采用限定的delaunay三角剖分算法對該區(qū)域進(jìn)行三角化，得到網(wǎng)格的連通關(guān)系；

③通過求解最小二乘網(wǎng)格得到過渡區(qū)域的網(wǎng)格，求解得到的頂點(diǎn)以一種光順的方式均勻分布在網(wǎng)格曲面上，重建過渡區(qū)域網(wǎng)格后的模型如圖10所示。

圖2、圖6、圖10為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例：圖2為原鞋楦模型，該stl模型共包含10863個(gè)頂點(diǎn)和21722個(gè)三角面片；圖5(b)為新楦頭模型，該stl模型共包含個(gè)23757頂點(diǎn)和47192個(gè)三角面片；實(shí)施本發(fā)明的鞋楦楦頭變更設(shè)計(jì)方法后，得到的新鞋楦模型如圖10所示，包含25910個(gè)頂點(diǎn)和51816個(gè)三角面片，從導(dǎo)入新楦頭至楦頭置換完成的整個(gè)過程自動(dòng)完成，耗時(shí)2.968s。

以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，故不能依此限定本發(fā)明的技術(shù)范圍，故凡依本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，均應(yīng)屬本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。