автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.05, диссертация на тему:Автоматизированная система бесконтактного обмера и обработки данных поверхности стопы

На правах рукописи

Лаптев Александр Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАНАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОВЕРХОСТИ СТОПЫ

Специальность 05.19.05

«Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных

изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 М \р 2012

005012959

На правах рукописи

Лаптев Александр Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАНАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОВЕРХОСТИ СТОПЫ

Специальность 05.19.05

«Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных

изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии» (МГУДТ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Родэ Сергей Витальевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Карабапов Петр Степанович

Новосибирский технологический институт (филиал) МГУДТ

кандидат технических наук Деткина Дарья Николаевна

ООО "Эхо-21", главный модельер

Ведущая организация ФГБОУ ВПО "Костромской

государственный технологический университет"

Защита состоится «18» апреля 2012г. в 12:00часов на заседании диссертационного совета Д212.144.01в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 117997, г. Москва, ул. Садовническая, 33 стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии.

Автореферат разослан «15»марта 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Лунина Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Современный рынок обуви характеризуется принципиальным изменением запросов потребителей к качеству предлагаемых товаров.

Процесс создания конструкции обуви базируется на определении исходных данных о размерных характеристиках стопы человека Наличие достаточного объема корректной исходной информации о форме поверхности стопы обеспечивает качественное построение конструкции будущего изделия. При этом получаемые конструктивные решения изделий основаны на аккумуляции субъективного опыта конструктора и формализации информации в виде расчетных формул, учитывающие данные о размерных признаках объекта, закономерности пространственных линий и параметров конструкции.

На современном этапе развития обувной промышленности автоматизация процесса проектирования и изготовления обуви построена на использовании различных методик конструирования.

Современные САПР, позволяющие получать трехмерные модели стоп, характеризуются высоким уровнем визуализации и реалистичностью. Однако, достоверность соответствия трехмерного визуального образа изделия фактической внешней форме, полученных проектных решений техническому эскизу и антропометрическим параметрам стоп потребителей, вызывают определенные нарекания.

Таким образом, создание бесконтактного комплекса, метода обработки и получения 3-х мерной модели поверхности стопы является

актуальной задачей.

В качестве 0£Ъ£ЛТЛисследования выбран процесс проектирования обувных колодок. ПРЕДМЕТОМ исследования являются стопа и обувная колодка.

Цель и задача работы.

Целью диссертационной работы является совершенствование процесса обмера колодок на основе разработки комплекса бесконтактного обмера стоп, обработки полученных дан-ных,автоматизированного воспроизведения поверхности обувной колодки.

Для достижения поставленной цели в диссертации:

> проведен анализ бесконтактных методов получения антропометрических данных отечественными и зарубежными исследователями, выявлены основные направления их развития;

> реализован разработанныйусовершенствованный бесконтактный метод получения антропометрических параметров стоп;

> разработаны:

- мобильная компактная установка для бесконтактного обмера стоп;

- метод воспроизведения трехмерной модели колодки и стопы;

- метод определения периметров и площадей как стандартных, так и произвольных сечений стопы и колодки;

Методы исследования.

В работе использованыбазовые положения системно-структурного и объектно-ориентированного подхода; методы математической интерполяции и аппроксимации линий поверхностей, начертательной и аналитической геометрии. На отдельных этапах исследования в работе использованы основные положения, разработки САПР, методы проектирования систем визуальной информации, теоретические положения конструирования изделий из кожи.

Научную новизну диссертации составляют разработанные:

> метод бесконтактного обмера;

> комплекс бесконтактного обмера стоп;

> алгоритм воспроизведения трехмерной поверхности по фотографической информации;

> метод определения периметров и площадей стандартных и произвольных сечений.

Практическую значимость работы представляют:

> установкадля бесконтактного обмера стопы;

> надежная, компактная и транспортабельная конструкция для бесконтактного обмера стопы;

> алгоритм последовательного воспроизведения трехмерной модели колодки и стопы;

> алгоритм определения периметров и площадей стандартных и произвольных сечений стопы и колодки.

Апробация и внедрение результатов работы.Основные положения и результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на заседаниях кафедры художественного моделирования, конструирования и технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии, на 58,60,61,62 и 63 научных конференциях студентов и аспирантов МГУДТ «Молодые ученые - XXI веку» (г. Москва, 2006 - 2011 гг.), Пмеждународной научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности», посвященной 80-летию МГУДТ (г. Москва, 2010 г.).

Публикации.Основные положения проведенных исследований изложены в 11-ти публикациях, 4 из которых напечатаны в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертацни.Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и работе в целом, списка литературы, приложения. Диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста, в том числе 6 таблиц, 62 рисунка. Список литературы включает НОбиблиографических и электронных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены бесконтактные методы получения антропометрических данных, описаны достоинства и недостатки каждого из рассмотренных методов, особенности применения аппаратных и программных средств для получения и обработки полученной информации. Приведены примеры ряда компаний предоставляющих полный комплекс оборудования совместно работающего в автоматической режиме, от трехмерных сканеров различной модификации до фрезерных станков с ЧПУ.

На сегодняшний день существует много способов и аппаратуры для бесконтактного обмера формы и размеров стоп. Бесконтактные методы можно разделить на дифференциальные (дающие набор сечений) - метод с использованием эффекта муара, метод световых сечений, и интегральные (фиксирующие одновременно характеристики целого участка поверхности). При дифференциальном способе в случае, когда исследуются отдельно участки стопы, можно получить информацию как непрерыв-

ную аналоговую, так и в цифровом виде по отдельным анатомическим точкам (дискретная). Создаются новые способы и приборы, совершенствуются созданные ранее.

Анализ существующих методов показал, что для получения антропометрической информации со стопы целесообразно использовать бесконтактные методы обмера основанные на фотографическом методе.

В последние годы бесконтактные методы совершенствуются и все более широко используют развитие информационной и цифровой технологий как в России, так и за рубежом. В России интенсивно совершенствуется бесконтактный метод «световых сечений» с использованием ЭВМ, обеспечивающий автоматический обмер формы и размеры стопы, за рубежом также развивается метод обмера стоп на основе использования лазерного трехмерного сканирования.

В результате проведенного анализав рамках настоящей диссертации нами предложены метод и алгоритмы, которые благодаря своим преимуществам позволяют получать достаточную информацию о стопедля дальнейшего проектирования колодки. Их отличают быстрота измерения и высокая точность результатов,как при снятии замеров,так и при автоматизированном проектировании технологической оснастки обувного производства.

Во второй главе рассмотрены способы представления поверхностей. Как объекты инженерного исследования они могут быть заданы различным образом: как поверхность технической формы, как геометрическое место точек, как результат перемещения какой-либо линии в пространстве или уравнением. Основными способами задания поверхностей являются: аналитический, каркасный и кинематический.

Получение трехмерной каркасной моделистопьг рекомендовано осуществлять в определенной последовательности: ввод исходной информации, аппроксимация сечений, восстановление поверхности в целом.

В работе использованы методы математической интерполяции и аппроксимации линий поверхностей, начертательной и аналитической геометрии.Выбор метода аппроксимации производится для каждого конкретного случая в зависимости от заданной точности и наличия исходной информации.

Нами создан лазерный планшет и комплекс для бесконтактного обмера тел со сложной формой поверхности.В качестве тела со сложной формой поверхности выбрана обувная колодка. Для проверки разработанного метода, на первом этапе работы, воспроизведение тела со сложной формой поверхности по разработанному алгоритму производили вручную, без использования программного обеспечения.

а) б)

Рис. 1 Планшет. а)- вид спереди, б)-вид сзади

Основным элементом комплекса является лазерная установка (рис.1), позволяющая для бесконтактного обмера использовать 100 источников лазерного излучения. Конструкция установки допускаетизменение

геометрии лучей (плоская, цилиндрическая, сферическая). Планшет установлен на подставку с регулируемым углом наклона в вертикальной плоскости и последующей жесткой фиксацией.

Рис. 2 Подставка под колодку

Установка питается от источника постоянного тока МР8-3005ЬК-1. Для отработки техники и методики обмера нами разработана специальная подставка под колодку (рис. 2). Конструкция подставки позволяет с точностью до 10 устанавливать угол поворота колодки вокруг её продольной оси. Подставка меняет угол поворота, как в горизонтальной, так и в вертикальнойплоскостях. С её помощью легко фиксируются колодки разных типов и размеров.

Фотографирование объекта производят с помощью фотокамеры Бо-пуОБС-Ш.Для получения более качественных фотографий и устранение разного рода шумов и нежелательного смазывания используется штатив.

На рисунке 3 представлен общий алгоритм действий до воспроизведения трехмерной модели. Перед включением установки, колодку закреп-ляютв подставку и выставляют её под нужным ракурсом и на необходи-

мом расстоянии от плоскости расположения источников (~2м), при угле падения лучей равном 45° Расстояние выбирается таким образом, чтобы на исследуемой поверхности можно было наблюдать максимальное количество световых пятен (рис. 4).

Рис.ЗАлгоритм

Зафиксировав колодку в подставку, производят 4 фотоснимка с разных сторон колодки с шагом поворота вокруг её продольной оси равно-му90°, с помощью цифровой фотокамеры, установленной на штативе на расстоянии 1-4 ,5 от подставки с колодкой.

Фотографирование производили с разрешением 5 трх! Получают снимки с выходным размером 2784x1856 пикселей. Для сохранения ори-ганальных размеров осуществляют перерасчет путем умножения исход-

ных размеров на выведенный коэффициент, полученный экспериментальным путем.

ипт МТЬ-ЗООИК-!

Фотокамера на штативе

Рис. 4 Схема расположения оборудования

Построение объёмной модели исследуемого объекта начинают с распечатывания четырёх изображений. Затем производили процесс определения координат точек на изображении с занесением их в таблицы.

Рис. 5С.хема падения и отражения лучей на поверхности

Для расчёта глубины предложена формула (1). Проиллюстрируем расположение падающих и отраженных на поверхность лучей (рис.5)

По полученной формуле

с1 -сое ср-а

рассчитываем "глубину", где к- глубина точки (координата X), а-расстояние между падающими лучами на поверхности объекта, (I расстояние между точками на плоскости, <р - угол между направлением освещения и направлением наблюдения. Если величина А принимает отрицательные значения - точка находится дальше точки, относительно которой мы измеряем, то есть поверхность убегающая, а при положительных значениях к поверхность набегающая.

0)

ът<р

Рис. 6 Объёмная модель колодки

Ручной процесс восстановления осуществляли на миллиметро-войбумаге, на которой производили поэтапное воспроизведение моде-ликолодки, начиная с плантарной поверхности. После построения че-

тырех поверхностей соединяли гладкими линиями соответствующие сечения. В результате нами была получена объемная модель колодки (рис. 6).

В третьей главеописан метод воспроизведения сложной формы поверхностиБ качестве эталонного тела выбрана обувная колодка на низком каблуке.

Для альтернативного решения предложен метод автоматизированного моделирования в пакетеЗБ Software Object Modeller по фотографической информации,выявлены достоинства и недостатки предложенного метода.

Рис. 7 Алгоритм обработки и воспроизведения трехмерной модели

Проведена работа по устранению выявленных погрешностей.

Для восстановления 3-х мерной модели колодки по фотографической информации реализован разработанный нами алгоритм (рис. 7) с применением встроенных функций программного обеспечения компании АСКОН.

Воспроизведение трехмерной модели начинали с обработки одной из фотографий. Создавали программный фрагмент, в который производили загрузку одной из ранее полученых и масштабно-преобразованных фотографии. На изображении регистрируют световые пятна, соединяют с помощью сплайнов в единую плоскость, производят определение координат с автоматическим занесением данных в текстовый файл для последующей обработки. Данный вид операции осуществляется для каждого снимка

На основании выведенной формулы написан алгоритм определения третьей координаты. Текстовый файл с координатами загружали в программу, производили вычисление третьей координаты, сохраняли полученный результат. Новые координаты загружали в программный продукт, производили перестроение плоскости с учетом новых данных. Такую операцию осуществляли для четырех изображений.

Последовательно обработав каждый из четырех фотоснимков, производили склейку построенных плоскостей в единую модель. Объединение можно производить двумя способами. Первый способ подразумевает под собой склейку по выбранным точкам соседних построенных поверхностей. Слияние поверхностей происходит по общим точкам с выбором соответствующих вершин.

В том случае, если область модели плохо проработана, что подразумевает под собой наличие малой информации об участке колодки

(в частности носочная часть), склейку с автоматической достройкой точек производим с помощью построения сплайна через известные точки поверхностей расположенных по направлению световых линии.

В результате склейки поверхностей по контрольным точкам, построения сплайнов с добавлением промежуточных точек, а также триангуляции сечений в поверхность удалось получить трехмерную модель колодки (рис. 8).

Достоинствами данного метода является простота построения, малое количество времени для восстановления поверхности, наличие возможности экспорта модели в САО/САМсистемы, достаточно хорошее соответствие оригинальному объекту, малое количество исходной информации, быстрая обучаемость пользователей.

Рис. 8. Модель колодки В качестве альтернативного решения рассмотрено программное обеспечение позволяющее построить 3-х мерную модель колодки. Основой для модели является набор фотографий (количество снимков, как правило, не меньше пятнадцати). Процесс создания модели можно разделить на два этапа: непосредственно фотосъёмка объекта и генерация модели.В качестве считывающего устройства можно использовать бюджетную фотокамеру установленную на штатив. Съёмка объекта для модели представляет собой очень трудоёмкий и крайне ответственный

процесс, так как от её результатов напрямую зависит качество готовой модели. В процессе фотографирования камера не должна менять своего положения, объект должен находиться строго в фокусе фотокамеры.

Построение выполняют не полностью в автоматическом режиме, нередко требуется подключение пользователя, которому необходимо принять участие в том или ином этапе моделирования: в маскировании и удалении фона, формировании каркаса модели и ее тексту-рировании.

Проведя серию экспериментов, нам удалось воспроизвести сеточную модель колодки (рис.9)

Рис. 9 Сеточная модель колодки

Недостатками данного метода является сложность создания условий для обмера, отсутствие возможности внесения изменений в процесс генерации и в готовую модель, нет возможности произвести обмер полученной модели и невозможности экспорта модели в САО/САМпрограммы.

Работу над выявлением и устранение погрешностей мы производили на эталонной модели, в качестве которой был выбран кубдлина ребра которого составляет 100 мм.

Набор лазерных излучателей даёт систему лучей сферической симметрии, центр схождения которых располагается на расстоянии более 7 метров от лазерной установки. Зная это, мы пренебрегаем изменением расстояния между падающими лучами на передней и задних плоскостях объекта

Мы производили серию фотоснимков с разными углами наклона кубикаотносительно падающих лучей. Для одного из фотоснимков кубик устанавливали так, чтобы на ребро одновременно попадало несколько лучей, то есть они являлись общими для двух плоскостей. На другом старались запечатлеть одновременно несколько гаюско-стей.Фотографирование проводили таким образом, чтобы на полученных изображениях можно было наблюдать наибольшее количество световых пятен.

Работу по нахождению и устранению погрешности мы производили в программе МаЛлЬу.6.5.0. Был написан алгоритм, с помощью которого строили плоскость и определяли положение исследуемой точки относительно этой плоскости.Если точка не попадала на плоскость, проводили корректировку координат с учётом всей области светового пятна. Данный вид операции проводили для всех лазерных пятен.

Полученные корректировки координат связанные с размытостью светового пятна учитывали при дальнейшем воспроизведении модели тела со сложной формой поверхности. В результате удалось избежать погрешностей, связанных с размытостью светового пятна.

В четвертой главепредставлена работа по бесконтактному обмеру и воспроизведению трехмерной модели стопы. Рассмотрен созданный стенд для проведения бесконтактного обмера стопы, описаны особенности настройки и подготовки оборудования к съёмке.

Проведена работа по определению геометрических параметров не только стандартных, но и произвольнозаданных сечений тела со сложной формой поверхности.

. При разработке стенда учитывали ряд специальных требований. Так, для определения истинных размеров стопы по их фотоснимкам в фотографируемом пространстве должны располагаться метки с точными пространственными координатами. В платформе, используемой в данной работе, роль таких меток выполняют строго отвесные линейки. На поверхности платформы для точной установки стопы была нанесена разметка с шагом 90°, позволяющая точно производить фотосъёмку в различных положениях.

Оборудование выставляли таким образом, чтобы оптическая ось фо-токамерыбыла направлена по перпендикуляру к плоскости расположения объекта.

Фотографирование стопы, обработку и подготовку фотографий для моделирования производили по вышеописанному алгоритму (рис.3)

Рис. 10 Трехмерная модель стопы

В результате удалось получить трехмерную модель стопы (рис.10). Полученная модель достаточно точно соответствует ориги-налуи весьма полно отражает все её особенности и структуру.

Работу по определению геометрических параметров сечения тел со сложной формой поверхности производили с помощью предложенного нами алгоритма. Этот алгоритм дает возможность определить длину контура сечения и его площадь, причем сечение можно выбрать не только продольно-горизонтальное и поперечно-вертикальное но и любое произвольное.

Рис. 11 Выбор сечения смещенной плоскостью Выбор сечения для определения геометрических параметров можно произвести несколькими способами: по сечениям, по смещенным плоскостям с заданным шагом (рис. 11) и произвольным углом наклона в выбранном направлении.

Определение геометрических параметров происходит в динамической режиме.Площади и периметры сечений модели представлены в удобном формате. При многопользовательском выборе данные сум-мируются.Кроме того есть возможность сохранения полученных данных в текстовом формате.

В результате нами найден способ определения геометрических параметров сечений тела со сложной формой поверхности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано что оборудование для бесконтактного обмера является технологически сложным продуктом, которое требует бережного отношения, долгой настройки и подготовки оборудования перед процессом обмера стопы и колодки.

2. Создан компактный, мобильный, надежный комплекс для проведения бесконтактного обмера тел со сложной формой поверхно-сти.Произведены настройки оборудования.

3. Разработана структура расположения оборудования в активном состоянии. Проведены серии обмеров обувных колодок разных типов и размеров.

4. Предложен способ предварительной обработки фотографий для последующего программного воспроизведения моделистопы и колодки.

5. Разработан и реализован метод ручного воспроизведения тела со сложной формой поверхности. Предложена формула для расчета "глубины картины".

6. Разработан алгоритм последовательного моделирования трехмерной модели колодки и стопы в программной среде компании «Аскон». Произведена работа по устранению погрешностей обмера.

7. Достоинством полученной модели является возможность её экспорта в другие программные продукты для дальнейшего анализа.

8. Разработанный нами алгоритм дает возможность выбора метода аппроксимации (линейно-кусочная, кубическими сплайнами, полиномами).

9. Программно реализован разработанный алгоритм определения геометрических параметров стандартных и произвольных сечений тел со сложной формой поверхности.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Лаптев А. А. Обмер и воспроизведение поверхности колодки бесконтактным методом [текст]/ Лаптев А. А., Рода С. В., Бояров М. С. Кожевенно-обувная промышленность,]^ 1, 2008.С. 42,43(0,5 м-п.л./лично автором - 0,25 м-п.л.)

2. Лаптев A.A. Обзор современных бесконтактных методов исследования поверхности стопы[гекст] /Лаптев A.A., Родэ C.B. // Дизайн и технологии. 2010. -№17. С. 43-49 (6,5 м-п.л./лично автором - 5 м-п.л.)

3. Лаптев A.A. Сравнительный анализ бесконтактных 3d сканеров [текст]/Лаптев A.A., Родэ C.B. //Дизайн и технологии. 2011,- № 21. С. 63-70 (7,5 м-п.л./лично автором - 5,5 м-п.л.)

4. Лаптев A.A. Переход от оборудования к программному обеспечению при получении 3-х мерной модели объекта [текст] /Лаптев A.A., Родэ C.B.// Дизайн и технологии. 2011. -№ 22. С. 29-33 (4,8 м-п.л./лично автором - 3,5 м-п.л.)

5. Лаптев A.A. Воспроизведение поверхности колод-ки[тезисы]/А.А.Лаптев, С.В.Родэ // Тезисы докладов 58 научной конференции студентов «Молодые ученые - XXI веку». М.: ИИЦ МГУДТ, 2006. -С 98-99(0,8 м-п.л./лично автором - 0,55 м-п.л.)

6. Лаптев A.A., Родэ C.B. Бесконтактный обмер тел со сложной поверхностью и методы её восстановления [тезисы]/А.А.Лаптев, С.В.Родэ // Тезисы докладов 60 научной конференции студентов «Молодые ученые - XXI веку». М.: ИИЦМГУДГ, 2008.-С 167-168 (0,7 мп. л./лично автором - 0,4 м-п.л. ).

7. Лаптев А А. Восстановление поверхности после её бесконтактного обмера [тезисы] /А А Лаптев, С.В.Родэ//Тезисы докладов 61 наг учной конференции студентов посвященной IV московскому фестивалю науки «Мэлодая нгука». М.: ИИЦ МГУДТ, 2009- С 74-75 (02 м-пл./лично автором-0.6 м-пл.).

8. Лаптев А А. Бесконтактный обмер тел со сложной поверхностно и метод ее восстановления [тезисы]/А А.Лаптев, С.В.Родэ// Тезисы докладов межвузовской научно-практической студенческой конференции «Мэлодая наука». М.: ИИЦ МГУДГ, 2009. -С 86-87 (0,75 м-пл./лично автором-0,4 м-пл.).

9. Лаптев А А. Погрешности при восстановлении поверхности сложной формы [тезисы]/А А Лаптев, С.ВРодэ//Тезисы докладов 61 научной нэнференции студентов «Молодыеученые - XXI веку». М.: ИИЦ МГУДГ, 2009.- С 186-187(0/55 м-пл./лично автором - 0,5 м-пл.).

10. Лаптев А А. Сравнительный анализ бесюнтакгаьк методов исследования поверхности стопы [тезисы]/А А Лаптев, С.ВРодэ//Тези-сыдокладов62 научной конференция студентов и аспирантов «Мэло-дые учшые XXI веку» посвящшная 80-летию университета II этап. М.: ИИЦ МГУДГ, 2010.-С 171-172(0^85 м-плУлично автором-6,5 м-пл.).

11. Лаптев А А. Построение ЗБ модели колодки по результатам его бесконтактного обмера [тезисы]/А А Лаптев, С.ВРодэ// Тезисы докладов между неродной ночной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» В.: ВГТУ,2011.-С 112-113(0,7 м-пл./лично автором-0,5 м-пл.).

Лаптев Александр Александрович

Автоматизированная системабесконтакшого обмераи обработки

данных поверхности стопы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических пщк

У сл.-печ.1 $ пл. Тираж 80 экз. Заказ № 065-12 Информационно-издательский центр МГУДТ 117997, г. Мо сква, ул. Садовническая, 33 Отпечатано в ИИЦ МГУДГ

61 12-5/2349

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

Лаптев Александр Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОВЕРХНОСТИ СТОПЫ

Специальность 05.19.05 «Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф., д.т.н. Родэ C.B.

Москва 2012

Оглавление

Введение.......................................................................................4

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА ТЕЛ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ

ПОВЕРХНОСТИ..............................................................................8

1.1 Обзор бесконтактных методов обмера.........................................8

1.1 Фотографический метод.................... .................................10

1.2 Метод «световых сечений»................................................15

1.3 Стереофотографический метод.............................................17

1.4 Стробофотографический метод................. ..........................20

1.5 Голографический метод......................................................22

1.6 Метод эффекта муара (растрографический метод)...................27

1.7 Стационарные бесконтактные ЗЭ-сканеры............................30

2. Применение устройств для бесконтактного обмера в составе САБ\САМ

систем..........................................................................................35

Выводы по разделу.........................................................................39

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА ТЕЛ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ ПОВЕРХНОСТИ. СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ......................................................................................40

2.1 Анализ способов задания поверхностей....................................40

2.2 Методы аппроксимации контуров сечении тел со сложной формой поверхности...........................................................................43

2.3 Разработка комплекса для бесконтактного обмера тел со сложной формой поверхности....................................................................53

2.3.1 Процесс подготовки оборудования и бесконтактного............59

2.3.2 Обработка фотографической информации для воспроизведения поверхности......................................................................61

2.3.3 Построения 3-х мерной модели колодки ручным способом.. ..62

Выводы по разделу........................................................................-74

ГЛАВА 3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ

КОЛОДКИ...................................................................................75

3.1 Разработка метода создания виртуальной фигуры с использованием цифровых технологий....................................75

3.2 Получение и обработка цифровой информации о поверхности колодки.............................................................................76

3.3 Воспроизведение трехмерной модели..................................83

3.4 Воспроизведение трехмерной сеточной модели со сложной формой поверхности в среде 3D Software Object Modeller...........................................................................95

3.5 Погрешности при восстановлении поверхности сложной

формы....................................................................................................104

Выводы по разделу...........................................................107

ГЛАВА 4. БЕСКОНТАКТНЫЙ ОБМЕР И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ СТОПЫ..................................................109

4.1 Получение и обработка фотографической информации стопы.........................................................................................109

4.2 Воспроизведение трехмерной модели стопы........................113

4.3 Определение геометрических параметров стопы..................125

Выводы по разделу.............................................................132

Общие выводы по работе................................................................133

Список литературы.......................................................................134

Приложение................................................................................142

Введение

Одним из наиболее важных и перспективных направлений научно-технического прогресса является автоматизация инженерного труда. Бурное развитие технической кибернетики и вычислительной техники позволяют в настоящее время решать вопросы, касающиеся создания системы комплексной автоматизации всех основных этапов производственного процесса включая и этапы инженерного труда.

Существующие механизмы получения антропометрических параметров стопы человека представляют собой трудоемкий и длительный процесс. Большинство существующих методов и аппаратных средств получения антропометрических данных отличаются технической сложностью, громоздкостью устройств, высокой стоимостью и требуют дорогостоящего обучения операторов, применения специального оборудования и программного обеспечения.

Антропометрическую информацию получают различными способами, обеспечивающими достаточную точность и полноту измерений, отличающихся скоростью считывания данных. Точность отображения полученных данных во многом определяется взаимодействием измерительного устройства со стопой. Контактные методы не обеспечивают достаточного быстродействия и с трудом поддаются автоматизации. При бесконтактных способах обмера стопы отображение поверхности исследуемого тела осуществляется без соприкосновения измерительных инструментов, что в конечном результате сказывается на точности полученных геометрических данных. Большинство современных бесконтактных методов обеспечивают возможность экспорта полученных данных в ЭВМ, однако обладают рядом недостатков, к которым относятся: необходимость использования поправочных коэффициентов в традиционной и цифровой фотограмметрии, слож-

ность настройки оборудования и влияние качества используемого оборудования на точность измерений, необходимость использования громоздких математических формул и создание специальных программных продуктов.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является совершенствование процесса обмера колодок на основе разработки комплекса бесконтактного обмера стоп, обработки полученных данных, автоматизированного воспроизведения поверхности обувной колодки.

Для достижения поставленной цели в диссертации:

> проведен анализ бесконтактных методов получения антропометрических данных отечественными и зарубежными исследователями, выявлены основные направления их развития;

> реализован разработанный усовершенствованный бесконтактный метод получения антропометрических параметров стоп;

> разработаны:

- мобильная компактная установка для бесконтактного обмера стоп;

- метод воспроизведения трехмерной модели колодки и стопы;

- метод определения периметров и площадей как стандартных, так и произвольных сечений стопы и колодки;

Методы исследования.

В работе использованы базовые положения системно-структурного и объектно-ориентированного подхода; методы математической интерполяции и аппроксимации линий поверхностей, начер-

тательной и аналитической геометрии. На отдельных этапах исследования в работе использованы основные положения, разработки САПР, методы проектирования систем визуальной информации, теоретические положения конструирования изделий из кожи.

Объектом исследования является стопа человека, а в качестве "эталонного " тела со сложной формой поверхности, на котором отрабатывали методику измерений, была выбрана обувная колодка.

Научную новизну диссертации составляют разработанные:

> метод бесконтактного обмера;

> комплекс бесконтактного обмера стоп;

> алгоритм воспроизведения трехмерной поверхности по фотографической информации;

> метод определения периметров и площадей стандартных и произвольных сечений.

Практическую значимость работы представляют:

> установка для бесконтактного обмера стопы;

> надежная, компактная и транспортабельная конструкция для бесконтактного обмера стопы;

> алгоритм последовательного воспроизведения трехмерной модели колодки и стопы;

> алгоритм определения периметров и площадей стандартных и произвольных сечений стопы и колодки.

Реализация результатов работы. Создан бесконтактный измерительный комплекс на основе лазерных источников излучения. Реализован разработанный алгоритм воспроизведения трехмерной моде-

ли стопы и колодки. Разработан и реализован алгоритм определения геометрических параметров не только стандартных сечений, но под произвольным углом наклона.

Апробация и внедрение результатов работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на заседаниях кафедры художественного моделирования, конструирования и технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии, на 58,60,61,62 и 63 научных конференциях студентов и аспирантов МГУДТ «Молодые ученые - XXI веку» (г. Москва, 2006 - 2011 гг.), Пмеждународной научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности», посвященной 80-летию МГУДТ (г. Москва, 2010 г.).

Публикации. Основные положения проведенных исследований изложены в 11 -ти публикациях, 4 из которых напечатаны в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по каждой главе, выводов по работе, списка литературы, приложения. Объём диссертации составляет 147 страниц текста, 80 рисунков, 6 таблиц. Список использованной литературы содержит 99 наименований, российских и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОБМЕРА ТЕЛ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ

ПОВЕРХНОСТИ

1 Обзор бесконтактных методов обмера

Антропометрическую информацию получают различными способами [1], обеспечивающими достаточную точность и полноту измерений.

Точность отображения данных во многом определяется взаимодействием измерительного устройства со стопой. При бесконтактных способах обмера стопы отображение поверхности исследуемого тела осуществляется без соприкосновения измерительных инструментов, то есть измерение производят косвенным путём с помощью фотограмм, световых и рентгеновских лучей.

Бесконтактные методы можно разделить на дифференциальные (дающие набор сечений) - рентгенография, метод с использованием эффекта муара, метод световых сечений [2,3], и интегральные (фиксирующие одновременно характеристики целого участка поверхности) [4,5]. При дифференциальном способе в случае, когда исследуются отдельно участки стопы, можно получить информацию как непрерывную аналоговую (фотостопомер Фукина В.А. [6], фотоплантография УкпНИИКП [7], фотостопомеры ВНР, ГДР, ПНР, БНР [8], США [9,10], Англии [11,12], Франции [13,14,15]) так и в цифровом виде по отдельным анатомическим точкам (дискретная).

Бесконтактные способы обмера стопы

V4

Трёхмерное

Голография сканирование

Стробография

Статические

Цифровые

Динамические

г

Г^- """сТ I

V,'

Фотографиро-

вание

Фото-вццео съёмка

Видеосъёмка

Рис. 2.1 Классификация бесконаткных способов обмера стопы

Для изучения формы и размеров стопы большое практическое значение имеют бесконтактные способы исследования пространственно-сложных тел, заключающиеся в том, что отображение поверхности исследуемого тела получают с помощью оптических или электронных устройств.

Большинство бесконтактных способов (рис. 1.1) основано на принципах фотограмметрии, сущность которой состоит в том, что форма, размеры и положение исследуемого предмета определяют по его фотоизображению. Это имеет существенное значение, так как сокращается время непосредственного обследования человека, в присутствии которого получают, например, фотографическую, рентгенографическую, стереофотографическую, голографическую или иную модель стопы, в которой закодирована необходимая цифровая информация. Изучение модели - ее расшифровка - происходит в лабораторных условиях вне связи с испытуемым. По полноте информации все бесконтактные способы относятся к аналоговым или интегральным, а по точности отображения размеров превосходят контактные способы.

1.1 Фотографический метод

Фотографию как метод антропометрических исследований одними из первых применили В.В. Бунак и Л.П. Башкиров, придавая фотоснимкам значение документов, наглядно воспроизводящих особенности морфологической структуры человека и позволяющих получать качественную и количественную оценки путём их описания и измерения [1]. Известно несколько способов использования фотографии для снятия мерок при индивидуальных заказах одежды.

В США, Англии и Франции [9-15] применяют ряд приборов для измерения стоп с целью подбора удобной обуви для покупателей, а так же прибора для установления необходимого размера обуви.

К фотоплантографам можно отнести разработку фирмы «Ыегса» [16], где фотоаппаратура заменена телекамерой, связанной с микропроцессором, что устранило недостаток фотоплантографа - длительность обработки снимков.

К фотографическим способам исследований следует отнести и киносъемку с последующей покадровой расшифровкой формы и размеров стопы в разные фазы ходьбы. Впервые скоростную киносъемку для исследования биомеханики ходьбы в обуви различной жесткости использовали И. X. Бахтиаров и К. М. Платунов. Этот же способ был использован В. 3. Ильченко [17] для исследования изменения формы стопы при ходьбе.

Киносъемка представляет исследователю богатый информационный материал, но вследствие разобщенности фаз движения на кадрах обработка кинограмм осложняется необходимостью их совмещения для фиксации положений стопы и изучения изменения размеров стоп в различные фазы движения.

Недостаток фотограмметрического метода заключается в том, что он позволяет получать только плоское изображение объекта, обеспечивающее линейные проекционные размеры. Это обстоятельство делает этот метод неприемлемым для обмера всей поверхности стопы, да и линейные размеры оказываются не точными.

Процесс получения фотоснимков измеряемых объектов является довольно сложным. Точность воспроизведения исследуемой формы зависит от правильной установки объекта, степени и характера освещенности, диафрагмирования, печати фотоснимков, правильной

установки оптической системы и т. д. Преимущества этого метода заключается в быстроте процесса фиксации контура обследуемой стопы.

Фотографический способ, усовершенствованный с помощью электроники - фотоэлектронный. Преимущество этого метода в том, что он не требует длительной работы, связанной с проявлением и фиксацией снимков, а сразу автоматически выдает результаты обмера. Недостатком является получение ограниченной информации за счет проекционных размеров стопы.

Фотоэлектронный прибор, разработанный в США [18] для измерения стопы с применением телекамеры с матричным фотоприемником, сопряженной с компьютером, позволяет выводить результаты измерений на дисплее. Устройство предназначено для определения размера обуви без измерения объемных параметров, однако возможности его потенциально велики, так как этим прибором измеряют весь контур габарита стопы, который содержит большую информацию о форме стопы. Устройство обеспечивает высокую скорость измерения и не содержит движущих частей благодаря использованию цифровой телекамеры в системе с компьютером, что так же является большим достоинством. Метод используемый в фотоэлектронном приборе [19] заключается в проекции световых лучей вокруг периметра стопы и фотографировании изображения иллюминационной стопы на фотопластинке. Изображения стопы в иллюминационном и в нормальном состоянии оцифровывают, сохраняют и обрабатывают на компьютере, в результате этого быстро и точно определяют такие параметры как длина, ширина стопы, ширина пятки, высота до нижнего края свода и др.

Наиболее совершенной серией приборов такого типа являются приборы с использованием телекамеры в системах с микро ЭВМ,

разработанные в США [20]. В этих приборах стопу помещают на прозрачную опору, а изображение контура стопы фиксируют цифровой телекамерой. По координатам контура процессор рассчитывает параметры стопы и даже параметры деталей обуви. Таким образом, использование средств телевизионной автоматики позволило достичь большей информативности, использовать прибор для снятия мерки с элементами САПР. Известны приборы с использованием лазерной подсветки [21].

Немецкая портативная координатно-измерительная система AICON DPA [22] использует ручную фотокамеру для сбора данных. Система применима как для 3 D-моделирования, так и для проведения анализов изменения объекта, деформации.

Система DPA имеет широкий спектр применений, не требует постоянной стабильности объекта измерения и измерительной системы, так как в данном случае не требуется никакого фиксированного положения средства измерения. Мощное программное обеспечение AICON выдает результат расчета всего через несколько секунд после завершения замера.

Расчет основан на принципе пространственной триангуляции (фотограмметрия) и происходит полностью автоматически. Предварительная калибровка системы не нужна, так как программа использует интегрированную процедуру одновременно с замером калибровки.

Основой измерительной системы является цифровой фотограмметрический анализ (Digital Photogramme