一種足型判別與鞋墊定制的系統(tǒng)設(shè)計

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，該系統(tǒng)設(shè)計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)，達到人體健康的目的。該系統(tǒng)設(shè)計可以準(zhǔn)確地對足型進行判別，并且建模出較為準(zhǔn)確的鞋墊模型，具有可視化、操作簡單、適用性強等優(yōu)點。

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行判斷足型，采用壓力傳感器根據(jù)壓力分布情況進行判斷足型，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進行功能鞋墊的建模研究，李鑫等利用Rhino與Del-cam對鞋墊進行3D設(shè)計建模與分析，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，該系統(tǒng)設(shè)計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)計方案

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

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)計的目的以及功能要求，自主設(shè)計了一款實驗平臺，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

為了實現(xiàn)跟腱角和足底接觸面的足型判別方法，該實驗平臺使用需要機械部分、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。

實驗平臺采用高透度鋼化玻璃仿真地面，當(dāng)實驗對象進行足型檢測時，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驗對象是否有內(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，便可知道實驗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

實驗平臺采用側(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。通過對綠色部分進行觀察與正常足進行對比，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)的實驗基于Win7系統(tǒng)開發(fā)的，實驗中使用的是Ki-nect二代設(shè)備，Kinect驅(qū)動程序為Kincct 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，達到了實時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。實驗平臺的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點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

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

1）“點”→“選擇”→“非連接項”

2）“點”→“選擇”→“體外孤點”

3）“點”→“減少噪聲”

4）“點”→“封裝”

由于所掃描的足底深度信息為鏡像信息，故先進行反鏡像處理獲得正確的足底深度信息;為了修復(fù)點云網(wǎng)格化過程出現(xiàn)的網(wǎng)格錯誤，使用軟件工具對其進行修補;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行填充。

1）“多邊形”→“修補”→“網(wǎng)格醫(yī)生”

2）“多邊形”→“修補”→“去除特征”

3）“多邊形”→“修補”→“裁剪”

4）“多邊形”→“修填孔”→“自動填充”

為了模擬人體實際的尺寸大小故對足底深度信息進行縮放處理，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，然后向足底平面進行投影得到鞋墊輪廓圖。接著沿足底平面的法線方向進行拉伸，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打印機實現(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)計了足型判別與鞋墊定制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用實驗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，通過實驗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)，達到人體健康的目的。經(jīng)過初步的實驗研究，得出結(jié)論：該系統(tǒng)設(shè)計具有一定的可行性，設(shè)計思路合理，基本達到預(yù)期的要求。通過設(shè)計結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計可以準(zhǔn)確地對足型進行判別，并且建模出較為準(zhǔn)確的鞋墊模型，具有可視化、操作簡單、適用性強等優(yōu)點。