黃澤杭 謝珩 陳守恒 鄭曉楷 楊哲灃 張樹斌 蔡永巧

摘要：當(dāng)足部受力不平衡時，就會患不同種類的足病，從而導(dǎo)致亞健康狀態(tài)的產(chǎn)生，故足部足型的判別是一個治療足病的依據(jù)。而足型判別對于鞋墊建模有指向意義，鞋墊定制對于亞健康信息研究具有重要作用。因此提出一種足型判別與鞋墊定制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可獲取足部跟腱角的角度和足底接觸面情況判別足型，可通過Kinect傳感器采集足底深度數(shù)據(jù)逆向建模定制鞋墊模型，并可根據(jù)足型情況個性化修改鞋墊模型，緩解人受力不平衡的狀態(tài)，達(dá)到人體健康的目的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確地對足型進(jìn)行判別，并且建模出較為準(zhǔn)確的鞋墊模型，具有可視化、操作簡單、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：足型判別;逆向建模;鞋墊定制

中圖分類號：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0020-03

1背景

足部為人體支撐體重，起力量傳遞的作用，當(dāng)人受力不平衡時，就會患不同種類的足病，從而導(dǎo)致亞健康狀態(tài)的產(chǎn)生，故足部足型的判別對于治療足病的作用顯得非常重要。而足型判別對于鞋墊建模有指向意義，鞋墊定制對于亞健康信息研究具有重要作用。目前，有許多應(yīng)用廣泛的足型判別方法，如根據(jù)鞋底不同位置的磨損程度進(jìn)行判斷足型，采用壓力傳感器根據(jù)壓力分布情況進(jìn)行判斷足型，存在著較難直觀地表現(xiàn)出足型信息的問題。在鞋墊建模方面，如喻偉才等人利用Power-SHAPE進(jìn)行功能鞋墊的建模研究，李鑫等利用Rhino與Del-cam對鞋墊進(jìn)行3D設(shè)計(jì)建模與分析，存在著建模過程煩瑣且效果不佳的問題?；诂F(xiàn)階段的研究方案問題，提出一種足型判別與鞋墊定制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以獲取足部跟腱角的角度和足底接觸面情況判別足型，通過足底數(shù)據(jù)逆向建模定制鞋墊模型，并可根據(jù)足型情況個性化修改鞋墊模型。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

由于該系統(tǒng)是通過測量足底參數(shù)來進(jìn)行判別與建模，因此需具備有以下幾點(diǎn)要求：

1）根據(jù)足部跟腱角的角度判別足部是正常足還是內(nèi)外翻;

2）根據(jù)足底與地面接觸面判別足部是正常足、高弓足還是扁平足;

3）根據(jù)足底數(shù)據(jù)逆向建模定制鞋墊模型。

根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的以及功能要求，自主設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)平臺，加上攝像頭和Kinect傳感器的硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

3基于跟腱角和足底接觸面的足型判別方法研究

為了實(shí)現(xiàn)跟腱角和足底接觸面的足型判別方法，該實(shí)驗(yàn)平臺使用需要機(jī)械部分、硬件部分、軟件部分三部分相結(jié)合，該判別方法的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)平臺采用高透度鋼化玻璃仿真地面，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行足型檢測時，需光腳直立、兩腳掌平行站在鋼化玻璃上，置于腳后方的攝像頭獲取腳后跟、腳踝等部位圖像來確定跟腱角，根據(jù)跟腱角的大小確定實(shí)驗(yàn)對象是否有內(nèi)外翻以及內(nèi)外翻程度;與此同時，腳底與鋼化玻璃的接觸面會實(shí)時被鋼化玻璃下方的攝像頭所獲取，通過接觸面與正常足接觸面的比對，便可知道實(shí)驗(yàn)對象是否有扁平足或高弓足以及它們的程度。

3.1判別是否有內(nèi)外翻

研究對象需要雙腳自然分開直立站在上面，在背后離腳后跟10-20cm處放置一個攝像頭用于觀察跟腱角，當(dāng)跟腱角小于180度時是內(nèi)翻，當(dāng)跟腱角大于180度時是外翻，當(dāng)跟腱角等于180度時是正常足，如圖2所示。

3.2判別是否有高弓足或扁平足

實(shí)驗(yàn)平臺采用側(cè)面打綠光的方式，如圖3所示，光在玻璃內(nèi)部傳播，當(dāng)人站上去之后玻璃與足底接觸面發(fā)生緊密接觸，綠光原來的傳播軌跡被打亂，足底與玻璃的接觸面受玻璃里面?zhèn)鞑ゾG光的影響，足底與玻璃的接觸面與玻璃其他部分相比會呈現(xiàn)出綠色，如圖4所示。通過對綠色部分進(jìn)行觀察與正常足進(jìn)行對比，就可以知道該足型是正常、高弓足還是扁平足。

4基于Kinect設(shè)備的逆向建模定制鞋墊模型方法研究

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基于Win7系統(tǒng)開發(fā)的，實(shí)驗(yàn)中使用的是Ki-nect二代設(shè)備，Kinect驅(qū)動程序?yàn)镵incct for Windows SDK。用Kincct設(shè)備采集足底深度信息，通過Geomagic studio軟件和Matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次處理與建模完成鞋墊定制，流程圖如圖5所示。

4.1 Kinect設(shè)備的介紹與工作原理

Kinect傳感器系統(tǒng)的基礎(chǔ)是PrimeSense公司開發(fā)的光編碼技術(shù)，其核心部件則是Ps1080系統(tǒng)級芯片。光編碼技術(shù)是以結(jié)構(gòu)光技術(shù)為基礎(chǔ)的，利用具有三維縱深的編碼對空間進(jìn)行編碼的技術(shù)。Kinect的CMOS紅外傳感器，是其區(qū)別與普通攝像頭的關(guān)鍵裝置。傳感器以30幀/s的速度生成景深圖，達(dá)到了實(shí)時3D的再現(xiàn)效果。

4.2采集足底深度信息

由于Kincct與被測物體之間的距離小于0.5m時，會出現(xiàn)被測物體失真等情況，故Kincct需要較大的掃描距離。實(shí)驗(yàn)平臺的Kincct通過鏡子折射，將鏡像中心與紅外發(fā)射器調(diào)整至同一水平面上，獲取人體足底的深度信息，并導(dǎo)出足底深度信息的PLY文件，如圖6所示。

4.3 3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

因?yàn)镵incct設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都有大量冗余數(shù)據(jù)并且存在噪音點(diǎn)，通過將足底深度信息的PLY文件導(dǎo)人Geo-magic studio軟件，把不必要的點(diǎn)清理掉，通過封裝得到高質(zhì)量的多邊形對象。運(yùn)用的主要命令：

1）“點(diǎn)”→“選擇”→“非連接項(xiàng)”

2）“點(diǎn)”→“選擇”→“體外孤點(diǎn)”

3）“點(diǎn)”→“減少噪聲”

4）“點(diǎn)”→“封裝”

由于所掃描的足底深度信息為鏡像信息，故先進(jìn)行反鏡像處理獲得正確的足底深度信息;為了修復(fù)點(diǎn)云網(wǎng)格化過程出現(xiàn)的網(wǎng)格錯誤，使用軟件工具對其進(jìn)行修補(bǔ);由于鞋墊數(shù)字化建模只需獲取足底深度信息，故對足底以外的深度信息進(jìn)行裁剪處理;為了鞋墊數(shù)字化建模的便利以及整體的效果，故對裁剪處理留下的缺口進(jìn)行填充。

1）“多邊形”→“修補(bǔ)”→“網(wǎng)格醫(yī)生”

2）“多邊形”→“修補(bǔ)”→“去除特征”

3）“多邊形”→“修補(bǔ)”→“裁剪”

4）“多邊形”→“修填孔”→“自動填充”

為了模擬人體實(shí)際的尺寸大小故對足底深度信息進(jìn)行縮放處理，導(dǎo)出足底深度信息的PLY文件，為鞋墊數(shù)字化建模做好準(zhǔn)備，如圖7所示。

4.4 Matlab數(shù)字化建模

將預(yù)處理的足底深度信息的PLY文件導(dǎo)人Matlab軟件進(jìn)行建模，首先讀取PLY文件數(shù)據(jù)，再通過一維插值算法得到足底輪廓，然后向足底平面進(jìn)行投影得到鞋墊輪廓圖。接著沿足底平面的法線方向進(jìn)行拉伸，從而得到擬合足底曲面的鞋墊輪廓體，完成初步鞋墊的建模，如圖8所示，再寫人為鞋墊深度信息的PLY文件，為最終鞋墊生成做好準(zhǔn)備。

4.5鞋墊模型進(jìn)一步修正

將足底深度信息的PLY文件導(dǎo)人Geomagic studio軟件對初步鞋墊進(jìn)行封裝、填充和減小噪聲處理，得到定制鞋墊模型，并可定制鞋墊模型進(jìn)行軟變形處理改變足弓托等鞋墊信息參數(shù)，以滿足不同情況的要求。隨著3D打印技術(shù)的成熟發(fā)展，可將鞋墊模型通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)鞋墊制作與加工，亦有較好的效果。

5結(jié)束語

該論文設(shè)計(jì)了足型判別與鞋墊定制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用實(shí)驗(yàn)平臺的攝像頭獲取足部跟腱角的角度和足底接觸面情況判別足型，通過實(shí)驗(yàn)平臺的傳感器獲取足底深度數(shù)據(jù)逆向建模定制鞋墊模型，并可根據(jù)足型情況個性化修改鞋墊模型，緩解人受力不平衡的狀態(tài)，達(dá)到人體健康的目的。經(jīng)過初步的實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的可行性，設(shè)計(jì)思路合理，基本達(dá)到預(yù)期的要求。通過設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確地對足型進(jìn)行判別，并且建模出較為準(zhǔn)確的鞋墊模型，具有可視化、操作簡單、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。