基于服裝特征的三維人體軀干建模

摘要：提出了一種基于服裝特征的三維人體軀干參數化建模的新思路。詳細介紹了胸部和腰部仿真模型的截面曲線形狀的仿真方法及其特征參數的計算，采用基于服裝特征的參數化設計思想，用人體的身高、胸圍和腰圍等參數就可以控制人體軀干的三維形狀，使結果的變化十分快捷。該建模方法靈活、數據量小，適用于精度要求不高與服裝相關的應用場合。

關鍵詞：服裝特征；軀干模型；胸部；腰部；仿真

中圖分類號：TP18文獻標志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0315—03

0引言

三維人體仿真模型作為虛擬著裝系統的一個重要組成部分，一直是人們研究的熱點。三維人體建模技術發展到現在，已經出現了大量的不同實現方法，這些建模方法各有特點，但共同的特點是在獲得人體數據點的基礎上重建三維人體模型。目前三維人體數據點的獲取方法主要是利用激光掃描來實現[1]，通過三維掃描工具掃描人體模型，然后保存到文件。這些文件就是人體模型重建的數據。顯然，利用掃描法能重建與實際人體非常逼真的三維模型，但該方法的實現依賴于昂貴的設備，在使用時需要專業知識和特殊的環境配置，同時獲取的數據量大，重建速度慢，很難確定與服裝特征相關的數據點。從實用性的角度來看，這種精細的測量技術所獲得高密度的數據點集對于精度要求不高的應用來說是一種奢侈的浪費，是完全不必要的。

另外也可以從圖像序列中重建三維人體模型[2]。這種方法的花費很低，只需要從有限的圖形序列中獲取人體的幾何特征，重建穿著簡單情況下的人體模型。然而，這兩種方法都是生成特殊個體的人體模型。

除此之外還有一種參數化人體建模技術，它是基于傳統幾何建模方法上的一種更為抽象化的建模方法。采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征，以抽象的特征參數表達復雜人體的外部幾何特征，依托于常規的幾何建模方法，使設計人員能夠在更高更抽象的層面進行人體設計。用形體參數控制人體尺寸的好處是：操作者只需要修改形體參數的值，就可以使形體、形狀改變，而不必去修改形體本身。

根據課題的需要和實際情況出發，本文提出并開發了一種基于服裝模型的參數化人體建模系統。服裝設計者可以根據客戶所提供的身體特征數據快速地生成接近于真實人體的虛擬模型，并用于三維服裝試穿計算機模擬的需要。基于服裝特征的參數化人體設計的關鍵是服裝特征及人體相關尺寸的變量化描述，其主要思想是完全用變量符號（或參數），而不是一組尺寸常數來定義影響人體體型的定位尺寸和形狀尺寸[3]。

在參數化人體建模系統中，首先將人體按自

身結構特點分為肩部、軀干、上肢和下肢四個部分[4]，如圖1所示。在人體的四個部分中，軀干是決定人體形狀最重要的部分，它由腰部和胸部組成，通過胸部的形狀可以決定人的性別、年齡等特征，而腰部的形狀多樣，它決定了人的體型，所以軀干的結構最復雜，仿真難度是比較大的。因此本文主要討論了與服裝特征有關的標準男女胸部和腰部的仿真建模方法及其計算機實現技術，當修改了決定軀干形狀的關鍵數據后，就可以得到個性化的軀干形狀。

1胸部的仿真建模

1.1胸部相關的數據采集

在仿真胸部形狀之前，先采集不同性別、不同年齡段群體的基本胸圍數據BosomS，由于人體的身高與胸圍數據存在一定的比例關系，所以胸部仿真時也要采集人體的身高數據Height、胸部離地的高度BosomH。根據采集到的數據求出標準男性或標準女性的胸圍(BosomS)、胸高(BosomH)與人體身高(Height)的比例關系R1、R2。表1是采集的部分不同身高的男性和女性的胸圍BosomS、胸高BosomH的數據。

1.2胸部仿真形狀的設計

胸部是人體主干部位最為復雜的部分，因為前胸和后背具有二峰性，但峰值是不相等的，同時男女的胸部形狀又不相同，如圖1、圖2所示。在實際的服裝制作或試穿過程中，常常更多考慮的是胸部圍度的大小，所以可以用圖3的形狀作為在計算機中對胸部的仿真形狀。

從圖3可以看出，人體胸部形狀的左右兩半部分是對稱的，將這兩部分從中間分開后，就變成了兩個近似的橢圓（圖4）。但

僅僅用圖4所示的兩個橢圓來仿真胸部的形狀是不夠的。為了提高胸部仿真的逼真度，達到與圖3相似的效果，可以再用兩個橢圓分別沿著中心軸方向在上下位置與圖4中的兩個橢圓相切，這四個橢圓所在的區域分別命名為A、B、C、D，如圖5所示。

圖5中黑點描繪的區域就構成了與圖3相似的形狀。如此設計的優點是：

①可以調整A、B、D的橫軸來改變胸前乳溝的深度；

②可以調整A、B、C的橫軸來改變胸背的平滑度；

③可以調整A、B的橫軸來改變胸的寬度；

④可以調整A、B的縱軸來改變胸的厚度。

1.3胸部仿真參數的計算

胸圍BosomS的計算不僅僅是求仿真形狀的周長，因為在實際生活中測量胸圍時不會包含到凹進去的那部分，對凹進去的那部分應使用圖5中的虛線部分。剛好這兩條線段是凸出點的連線，值為4R，其他部分直接利用梯形求積法[5]求弧長。

在計算橢圓C與橢圓A、B的切點和橢圓D與橢圓A、B的切點后，就可以分別求出橢圓C的中心點到原點的距離CHY和橢圓D的中心點到原點的距離DHY，切點與水平線的夾角CAL和DAL。

在程序中實現胸部仿真曲線時必須選取16個數據點并在仿真的曲線上合理分配這些點，除了A、B、C、D四個橢圓相切時產生的12個凸出點、凹進點和切點外，還要加入4個輔助點使得在連接各點時使仿真曲線盡量光滑。最終仿真胸部曲線的16個點的分布如圖5中所示的黑色點和叉點。其中叉點為附加點，每個附加點與水平線的夾角AL為45°角。用于仿真胸部曲線的16個點可以分為三類，對每一類點坐標的計算公式各不相同。

2腰部的仿真建模

2．1腰部相關的數據采集

同胸部仿真類似，在仿真腰部時也要先采集不同性別、不同年齡段群體的基本腰圍數據WaistS。同時，人體的身高與腰圍數據也存在一定的比例關系，所以仿真腰部時也要采集人體的身高數據Height、腰部離地的高度WaistH。根據采集到的數據求出標準男性或標準女性的腰圍(WaistS)、腰高(WaistH)與人體身高(Height)的比例關系R1、R2。表2是采集的部分不同身高的男性和女性的腰圍WaistS、腰高WaistH的數據。

2．2腰部仿真形狀的設計

與胸部形狀相比，腰部形狀簡單，可以用超橢圓表示[6]，如圖6所示。

從圖6中可知，超橢圓的前后兩部分是不同的，所以設計為前后兩超橢圓的合并。超橢圓的計算公式如下：

2．3腰部仿真參數的計算

腰圍WaistS可以直接利用梯形求積法[5]求得。與胸部仿真相似，仿真腰部曲線時是在超橢圓上選取16個連接點，這些點的位置是根據胸部曲線上對應的16個點與中心點的夾角來確定的。

其中，W是超橢圓的橫軸半長，H是超橢圓的縱軸半長，WR是超橢圓的橫軸加權系數，FHR是前部分超橢圓的縱軸加權系數，BHR是后部分超橢圓的縱軸加權系數。

3結束語

按照胸部和腰部曲線仿真相似的方法對上胸至腰間的每個截面求出其仿真曲線，可以在VC++平臺中用OpenGL的圖形繪制技術將這些曲線上的特征點依次連接起來，就可以仿真不同性別、不同年齡段的人體軀干的三維形狀。圖7和圖8分別是標準青年男性(Height=170cm，BosomS=91.188cm，WaistS=72.93cm)和標準青年女性(Height=160cm，Bosom-S=87.68cm，WaistS=56.8cm)軀干的三維計算機仿真三角網格曲面圖。

在系統中調整參數Height、BosomS和WaistS就可以快速地修改人體軀干部分的三維形狀。實驗結果表明，利用參數化人體建模技術，所需數據量小，重建個性化人體各部分形狀的速度快、靈活性大，在一些精度要求不高的與服裝相關的應用場合是非常實用的。

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