一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法技术

本发明专利技术公开了一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，包括从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；对鞋楦模型进行方位标准化，并提取鞋楦的跖围曲线；从楦头数据库中选择楦头款式并导入STL格式的三角网格模型，利用微分网格变形技术使楦头模型变形以与原鞋楦后身匹配；裁剪楦头模型与后身模型的重叠部分网格，重新建立平滑、光顺、过渡自然且拓扑良好的网格，获得更换楦头后的鞋楦网格模型。本发明专利技术能够解决手工更换楦头效率低、精度差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法
本专利技术属(人类生活必需)制鞋领域，涉及鞋楦楦头快速变更设计的方法，尤其是一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更的方法。
技术介绍
鞋楦是鞋的成型模具，鞋楦的舒适性、适脚性对用户足部的健康有着至关重要的影响。随着计算机技术与信息技术的飞速发展，将CAD/CAM技术引入到鞋楦的设计与生产中，大大地提高了鞋楦的设计与生产效率。在鞋楦数字化设计过程中，设计师可以通过对存储在鞋楦数据库中的标准鞋楦数字化模型进行级放、尺寸编辑、纹理贴图等，获得既舒适、合脚，而又美观、时尚的定制鞋楦。为了满足舒适度要求，需要根据用户脚型尺寸与鞋楦尺寸的对应关系确定鞋楦的关键尺寸，主要是楦后身的特征尺寸；而鞋楦的款式、美观主要由楦头决定，鞋楦的款式变化主要是楦头的变化，后身则基本保持不变，如果能够实现快速有效的楦头变更设计，将促进鞋楦生产标准化、装配化的实施，同时有利于提高鞋楦个性化定制的设计效率。国家标准规定的鞋楦后身标准化是指：鞋楦第一、第五跖趾部位后楦体尺寸不变。鞋楦厂中为了节约鞋楦制造的成本，通过手工置换楦头，将原鞋楦的楦头除去，粘接上新楦头并打磨平整，其过程繁琐、耗时而缺乏精度，依赖于制楦师傅的经验；EasyLast、DeclamCRISPIN等鞋楦设计软件中也提供了楦头置换的功能，但需要根据设计者的经验调整新楦头与原鞋楦之间的相对位置。部分学者通过对楦头轮廓线的编辑进行楦头曲面的修改与设计，可以任意修改鞋楦的前跷高、楦头厚度等楦头尺寸，达到重新设计楦头款式的目的，但其设计效率明显低于直接使用楦头数据库中的模型进行楦头置换。综上所述，针对现有楦头置换技术精度不高、楦头与后身匹配标准不明确、设计自动化程度与效率较低等问题，有必要提出一种新的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，可以快速地使用选定款式的楦头模型替换现有鞋楦模型的楦头，无需进行手动调整，导入新楦头后整个过程自动完成，对设计者的经验要求相对较低，大大提高了楦头设计的效率；同时，变形后的新楦头与后身平滑过渡、自然连接，在定位精度、保持后身不变性与特征保持性方面，优于手工置换楦头与现有商业软件中置换楦头的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，具体包括以下几个步骤：步骤1，从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；步骤2，对鞋楦模型进行方位标准化；步骤3，提取鞋楦跖围曲线；步骤4，导入新的楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准；步骤5，基于拉普拉斯网格变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；步骤6，融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格。所述步骤1的具体做法是：从鞋楦数据库中读入一个STL格式的标准鞋楦三角网格模型，建立网格中面片到顶点、面片到边、顶点到面片、边到顶点的拓扑连接信息。所述步骤2的具体做法是：首先通过手工平移和/或旋转等交互操作，使鞋楦的楦头大致朝向x轴的正向，鞋楦高度方向大致和z轴正向一致。构建鞋楦模型顶点的协方差矩阵C，对C进行特征分解，获得三个特征值及其对应的特征向量。将特征值按照从小到大排序，将最大特征值对应的特征向量方向变换到与x轴方向一致，最小特征值对应的特征向量方向变换到与y轴一致。提取鞋楦各坐标轴方向上的极值点，根据标准方位的定义进行逐一校准。步骤2中标准方位的定义是：①鞋楦中轴线在x轴上；②踵心点与x轴相切；③后跟突点位于z轴上,楦跟与z轴相切；④第一跖趾点和第五跖趾点与坐标原点连线的向量与xOz平面夹角相同。所述步骤3的具体做法是：确定围度曲线确定跖围曲线所在平面，围度曲线可由相应的平面与楦型曲面进行截面求交获得。楦型用三角网格曲面表示并按照步骤1构建好其拓扑邻接关系，围线所在平面用点法式表示。截面求交时，首先随机找到一条与平面相交的边，然后利用网格曲面已有的拓扑邻接关系，快速查找该边所在三角形与平面相交的其它边，直至找到全部相交边为止。确定跖围曲线所在平面的方法是：以背中线上距楦底前端点和统口前端点连线距离最远的点近似替代鞋口点，并由鞋口点、第一跖趾部位点和第五跖趾部位点确定跖围所在的平面。所述跖围是由第一跖趾部位点经鞋口点到第五跖趾部位点绕鞋楦的测地曲线定义的，所述鞋口点是跖围曲线与背中线的交点。所述截面求交的具体方法是：①建立围度曲线所在平面的平面方程；②遍历三角网格模型的半边表，逐一判断，直到获取第一条与平面相交的半边，跳出循环并记录第一条相交半边的ID；③令初始半边的伙伴半边为当前半边；④取当前半边的上一条半边和下一条半边判断是否与平面相交，保存交点坐标；⑤判断交点所在半边是否为初始半边，若不是，则令交点所在半边的伙伴半边为当前半边，重复④，若是，则求交结束。由以上查找方法得到有序的离散点集，将它们首尾相接地依次连接就可以得到所求围度曲线。所述步骤4的具体做法是：首先，导入新楦头，按照步骤2进行方位标准化，确保新楦头的楦底中轴线与原鞋楦的楦底中轴线重合，即与x轴重合。提取第一跖趾部位点、第五跖趾部位点、鞋口点等特征点与背中线、跖围曲线等特征曲线。然后，分别判断原鞋楦与新楦头为左脚还是右脚对应模型，若不为同侧脚，则对新楦头进行关于x轴的翻转操作。最后，由于新楦头跖围曲线所在的平面与原鞋楦跖围所在平面不一定平行，本专利技术以两跖围曲线离散点集的质心点在y轴方向上的距离衡量新楦头与原鞋楦后身的相对位置关系，平移新楦头至两离散点击质心点y坐标相等。鞋楦为左脚还是右脚对应模型的判断方法是：提取模型上y坐标最大和最小的点vy_max、vy_min，若|vy_max|>|vy_min|则vy_min为第一跖趾部位点，vy_max为第五跖趾部位点，模型为右脚对应的鞋楦；若|vy_max|<|vy_min|则vy_max为第一跖趾部位点，vy_min为第五跖趾部位点，模型为左脚对应的鞋楦。所述步骤5的具体做法是：提取新楦头上跖围两侧宽度为w的点云带，映射到原鞋楦网格上，以映射点为拉普拉斯变形的约束点，对导入的楦头进行拉普拉斯网格变形。点云带宽度w值如果过小，约束点个数较少，变形后的楦头与楦后身的拼接不够自然，w值过大，又会过多地改变新楦头的特征，经过试验取w＝2mm。所述拉普拉斯网格变形的定义是：对于具有n个顶点的鞋楦三角网格模型M＝(V,E,F)，其中V为顶点集，E为边集，F为三角面片集。设v0,v1,…,vn为顶点集V中的点，用N(i)＝{j|(i,j)∈E}，表示第i点的1-ring邻域顶点构成的集合，定义vi处的拉普拉斯坐标为：其中，δi为顶点vi的拉普拉斯坐标，L(·)为网格模型的拉普拉斯算子，ωij为vj点相对于vi点的权值，且∑ωij＝1，ωij由余切权值法计算得到：公式(1)写成矩阵形式为LV＝Δ(3)式中Δ＝(δ1,δ2,…,δn)，V为各顶点坐标，L为拉普拉斯矩阵，矩阵的秩为n-k，其中k是M连通子集的个数，给定L、Δ及k个网格顶点的位置约束作为初始条件，就可以唯一地重建模型。所述步骤6的具体做法是：①裁剪鞋楦后身和变形后新楦头的重叠区域，留下一定的缓冲距离重建过渡曲面，保证网格的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于包括以下几个步骤：步骤1、从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；步骤2、对鞋楦模型进行方位标准化；步骤3、提取鞋楦跖围曲线；步骤4、导入新的楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准；步骤5、基于拉普拉斯网格变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；步骤6、融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格。

【技术特征摘要】
1.一种基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于包括以下几个步骤：步骤1、从鞋楦数据库读入STL格式的三角网格鞋楦模型，建立STL模型内三角面片、边与顶点的完整拓扑信息；步骤2、对鞋楦模型进行方位标准化；步骤3、提取鞋楦跖围曲线；步骤4、导入新的楦头三角网格模型，完成新楦头与原鞋楦后身之间的相对位置校准；步骤5、基于拉普拉斯网格变形的方法，完成新楦头与原鞋楦后身的匹配；步骤6、融合变形后的楦头网格与切割后的原鞋楦后身网格。2.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤1包括：从鞋楦数据库中读入一个STL格式的标准鞋楦三角网格模型，建立网格中面片到顶点、面片到边、顶点到面片、边到顶点的拓扑连接信息。3.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤2包括：通过手工平移和/或旋转的交互操作，使鞋楦的楦头朝向x轴的正向，鞋楦高度方向和z轴正向一致；构建鞋楦模型顶点的协方差矩阵C，对C进行特征分解，获得三个特征值及其对应的特征向量；将所述特征值按照从小到大排序，将最大特征值对应的特征向量方向变换到与x轴方向一致，最小特征值对应的特征向量方向变换到与y轴一致；提取鞋楦各坐标轴方向上的极值点，根据标准方位的定义进行逐一校准。4.根据权利要求3所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述标准方位的定义为：鞋楦中轴线在x轴上；踵心点与x轴相切；后跟突点位于z轴上,楦跟与z轴相切；第一跖趾点和第五跖趾点与坐标原点连线的向量与xOz平面夹角相同。5.根据权利要求1所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，所述步骤3的具体做法是：确定跖围曲线所在平面，由跖围曲线所在平面与楦型曲面进行截面求交获得围度曲线；所述楦型用三角网格曲面表示并按照步骤1构建好其拓扑邻接关系，围线所在平面用点法式表示；截面求交时，首先随机找到一条与平面相交的边，然后利用网格曲面已有的拓扑邻接关系，快速查找该边所在三角形与平面相交的其它边，直至找到全部相交边为止。6.根据权利要求5所述的基于网格变形技术的鞋楦楦头变更方法，其特征在于，确定跖围曲线所在平面的方法为：以背中线上距楦底前端点和统口前端点连线距离最远的点近似替代鞋口点，并由鞋口点、第一跖趾部位点和第五跖趾部位点确定跖围所在的平面；所述跖围是由第一跖趾部位点经鞋口点到第五跖趾部位点绕鞋...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，何恕预，黄常标，江开勇，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35