Lehrstuhl für angewandte Mathematik
insbesondere Informatik
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aach

Methoden der Vermessung und Auswertung
von Fußprofilen zur optimalen
Erstellung und Anpassung von Fußbekleidung

Diplomarbeit
Studienrichtung Informatik

von

Erdogan Altekin

Aachen, den 07. Feb. 1997

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 3

2 Grundlagen der Füße und Fußbekleidungen ... 5
2.1 Anatomie und Physiologie des Fußes ... 6
2.2 Fußdeformationen ... 9
2.2.1 Normalfuß ... 9
2.2.2 Spreizfuß ... 9
2.2.3 Knick-Senkfuß ... 10
2.2.4 Senkfuß ... 10
2.2.5 Plattfuß ... 10
2.2.6 Hohlfuß ... 11
2.3 Dokumentierbarkeit der Untersuchung des Fußes ... 12
2.4 Fußmessung ... 14
2.4.1 Eindimensionale Fußmessung ... 14
2.4.2 Zweidimensionale Fußmessung ... 14
2.4.3 Dreidimensionale Fußmessung ... 15
2.5 Der Aufbau der Fußbekleidung ... 16
2.6 Die richtige Fußbekleidung ... 18
2.7 Schuhgrößen ... 19
2.7.1 Das metrische Längenmaß ... 19
2.7.2 Das französische Längenmaß (deutsche Größen) ... 20
2.7.3 Das englische Längenmaß ... 20
2.7.4 Das amerikanische Längenmaß ... 20
2.7.5 Umrechnung der Kennzeichnungssysteme ... 20
2.7.6 Schuhweite ... 21

3 Methoden der Vermessung ... 22
3.1 Überblick ... 22
3.2 Mechanische Koordinatenmeßsysteme ... 24
3.3 Messung mit der Laserlinie ... 25
3.4 Messung mit dem codierten Lichtansatz ... 26
3.5 Flachbettscanner ... 27

4 Segmentierung und Merkmalsextraktion ... 29
4.1 Überblick ... 29
4.2 Bildanalyse ... 32
4.3 Bildsegmentierung ... 33
4.4 Das Verfahren von Otsu ... 35
4.5 Anwendung der Segmentierung ... 37
4.6 Merkmalsextraktion ... 39
4.7 Polares Abstandsmaß ... 41
4.8 Hauptachsen durch orthogonale Regression ... 42
4.9 Splinekurven ... 44

5 Durchführung der Fußtyperkennung und Vermessung ... 46
5.1 Überblick ... 46
5.2 Ablauf der Fußtyperkennung ... 48
5.3 Vermessung von Fußprofilen ... 51
5.4 Vermessung von Fußbekleidung ... 56
5.5 Anpassung des Fußes in eine Fußbekleidung ... 58

6 Implementation ... 60
6.1 Überblick ... 60
6.2 Verwaltung der Fußbekleidungen und Füße ... 61
6.3 Hauptprogramm ... 65

7 Praxisorientierte Anwendungen ... 68
7.1 Interaktives Vermessungs- und Anpassungssystem ... 68
7.2 Automatisches Vermessungs- und Anpassungssystem ... 71

8 Zusammenfassung und Ausblick ... 73

Literaturverzeichnis ... 75

Kapitel 1
Einleitung
Faszinierend ist das Gebilde unserer Füße und Beine. Unsere Füße sind die robustesten, aber oft mißhandelten und vernachlässigsten Körperteile, die jeden von uns jährlich um rund 2 Millionen Schritte vorwärts bringen. Glaubt man den medizinischen Statistiken, so haben 70 von 100 Menschen ständig oder zeitweise Fußbeschwerden [Tho90].

Es ist eigentlich unverständlich, daß Menschen sich im Zuge der Schuhmode ihre Füße verdrücken, verbilden, ja zu Millionen regelrecht verkrüppeln. Es ist so, als ob beispielsweise Vögel ihre Flügel mutwillig beschädigen würden. Auch unsere Städte mit ihren Asphalt- und Betonwegen und unsere Häuser mit ihren starren Fußböden sind für unsere Füße nicht geeignet. Durch den ständigen Aufprall auf harten Boden vergrößert sich unsere Fußfläche, um dadurch den Druck unseres Körpergewichts sowie den Gegendruck des Bodens besser verteilen zu können.

Um so hoffnungsvoller sind die Zeichen der letzten Jahre, welche eine Trendwende im Verhalten der Menschen erkennen lassen. Sie haben erkannt, daß gesunde Füße und Beine die Basis für Mobilität und Wohlbefinden sind. Natur- und funktionsgerechte Fußbekleidung ist dadurch in den letzten Jahren immer mehr gefragt. Jedoch trifft der Konsument auf der Suche nach einem idealen Schuh auf eine unüberblickbare Auswahl an Modellen und immer agressivere Werbung. Die mehrfach negativen Erfahrungen der Konsumenten mit einem aus den gängigen Sortimenten ausgewählten Artikel hat gerade unter den vorsichtigen und gesundheitsbewußten Konsumenten dazu geführt, daß jeder neue Schuh zunehmend kritisch betrachtet wird.

Um den Konsumenten und das Verkaufspersonal bei der Entscheidung der optimalen Fußbekleidung objektiv zu unterstützen, wurde das FootPrint System von mir mitentwickelt und programmiert. Dabei wird der Fußumriß auf einem Digitalisiertablett aufgezeichnet und anhand weiterer Kriterien die passenden Schuhe aus einer Datenbank mit gängigen Schuhmodellen ausgewählt.

Das System FootPrint wird bundesweit in mehreren Intersport-Filialen erfolgreich eingesetzt. Nach meinem bisherigen Kenntnisstand befinden sich keine vergleichbaren Systeme im Umlauf.

Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Weiterentwicklung des bestehenden Systems, um die Möglichkeit der automatischen Vermessung der Füße und Bestimmung des Fußtyps. Der Einsatz eines Flachbettscanner ermöglicht ein Bild in digitaler Form von der Fußunterseite. Durch Segmentierung der Bilddaten und weiterer Verfahren der Bildverarbeitung werden der Fußumriß und der Fußtyp bestimmt. Die Resultate aus der Fußumriß- und der Fußtypanalyse fließen in die Minimierung der Probleme bei der Schuhauswahl.

Die Arbeit gliedert sich nun wie folgt: Kapitel 2 beinhaltet neben einer Einführung in die Anatomie und Physiologie des Fußes ein Überblick über die Fußdeformationen und Fußvermessung. Außerdem wird der Aufbau einer Fußbekleidung erklärt und die internationalen Kennzeichnungssysteme vorgestellt. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die verschiedenen Methoden der Vermessung. In Kapitel 4 werden die verwendeten Verfahren der Bildverarbeitung vorgestellt. Kapitel 5 behandelt die Fußtyperkennung, Vermessung und Anpassung von Füßen in Fußbekleidungen auf Basis der in Kapitel 4 erzielten Resultate. Einige Aspekte der Implementierung werden in Kapitel 6 beschrieben. In Kapitel 7 werden praxisorientierte Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Abschließend werden die Ergebnisse der verwendeten Verfahren in einer Zusammenfassung beschrieben.

Kapitel 2
Grundlagen der Füße und Fußbekleidungen
Obwohl die Füße ein scheinbar unbedeutender Teil unseres Körpers sind, können sie, wenn sie gesund sind, Basis für Mobilität und Wohlbefinden sein. Die Füße sind Schwerarbeiter, tragen unser Körpergewicht, sind Fortbewegungsmittel auf Stein, Asphalt und Beton und werden Opfer der Schuhmode [Ar89].

Um paßgerechte Schuhe herzustellen, die den Durchschnittsmaßen des normalen menschlichen Fußes entsprechen, erfordert die Gestaltung und Konstruktion solcher Schuhe Verständnis über den Aufbau und Funktionen des menschlichen Fußes. Gleiches gilt auch für einen Schuhverkäufer, soweit er seine Kunden einwandfrei bedienen und sachverständig beraten möchte.

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