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(shù)化建模的新思路。詳細(xì)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(shù)的計(jì)算，采用基于服裝特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，用人體的身高、胸圍和腰圍等參數(shù)就可以控制人體軀干的三維形狀，使結(jié)果的變化十分快捷。該建模方法靈活、數(shù)據(jù)量小，適用于精度要求不高與服裝相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：服裝特征；軀干模型；胸部；腰部；仿真

中圖分類號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，一直是人們研究的熱點(diǎn)。三維人體建模技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的不同實(shí)現(xiàn)方法，這些建模方法各有特點(diǎn)，但共同的特點(diǎn)是在獲得人體數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上重建三維人體模型。目前三維人體數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取方法主要是利用激光掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，通過(guò)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(shù)據(jù)。顯然，利用掃描法能重建與實(shí)際人體非常逼真的三維模型，但該方法的實(shí)現(xiàn)依賴于昂貴的設(shè)備，在使用時(shí)需要專業(yè)知識(shí)和特殊的環(huán)境配置，同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)量大，重建速度慢，很難確定與服裝特征相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。從實(shí)用性的角度來(lái)看，這種精細(xì)的測(cè)量技術(shù)所獲得高密度的數(shù)據(jù)點(diǎn)集對(duì)于精度要求不高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種奢侈的浪費(fèi)，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(fèi)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(jiǎn)單情況下的人體模型。然而，這兩種方法都是生成特殊個(gè)體的人體模型。

除此之外還有一種參數(shù)化人體建模技術(shù)，它是基于傳統(tǒng)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(lái)表達(dá)人體模型的形狀特征，以抽象的特征參數(shù)表達(dá)復(fù)雜人體的外部幾何特征，依托于常規(guī)的幾何建模方法，使設(shè)計(jì)人員能夠在更高更抽象的層面進(jìn)行人體設(shè)計(jì)。用形體參數(shù)控制人體尺寸的好處是：操作者只需要修改形體參數(shù)的值，就可以使形體、形狀改變，而不必去修改形體本身。

根據(jù)課題的需要和實(shí)際情況出發(fā)，本文提出并開(kāi)發(fā)了一種基于服裝模型的參數(shù)化人體建模系統(tǒng)。服裝設(shè)計(jì)者可以根據(jù)客戶所提供的身體特征數(shù)據(jù)快速地生成接近于真實(shí)人體的虛擬模型，并用于三維服裝試穿計(jì)算機(jī)模擬的需要。基于服裝特征的參數(shù)化人體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是服裝特征及人體相關(guān)尺寸的變量化描述，其主要思想是完全用變量符號(hào)（或參數(shù)），而不是一組尺寸常數(shù)來(lái)定義影響人體體型的定位尺寸和形狀尺寸[3]。

在參數(shù)化人體建模系統(tǒng)中，首先將人體按自

身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為肩部、軀干、上肢和下肢四個(gè)部分[4]，如圖1所示。在人體的四個(gè)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(guò)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(jié)構(gòu)最復(fù)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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)男女胸部和腰部的仿真建模方法及其計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，當(dāng)修改了決定軀干形狀的關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，就可以得到個(gè)性化的軀干形狀。

1胸部的仿真建模

1.1胸部相關(guān)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)BosomS，由于人體的身高與胸圍數(shù)據(jù)存在一定的比例關(guān)系，所以胸部仿真時(shí)也要采集人體的身高數(shù)據(jù)Height、胸部離地的高度BosomH。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)求出標(biāo)準(zhǔn)男性或標(biāo)準(zhǔn)女性的胸圍(BosomS)、胸高(BosomH)與人體身高(Height)的比例關(guān)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(shù)據(jù)。

1.2胸部仿真形狀的設(shè)計(jì)

胸部是人體主干部位最為復(fù)雜的部分，因?yàn)榍靶睾秃蟊尘哂卸逍裕逯凳遣幌嗟鹊模瑫r(shí)男女的胸部形狀又不相同，如圖1、圖2所示。在實(shí)際的服裝制作或試穿過(guò)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(jì)算機(jī)中對(duì)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(duì)稱的，將這兩部分從中間分開(kāi)后，就變成了兩個(gè)近似的橢圓（圖4）。但

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

圖5中黑點(diǎn)描繪的區(qū)域就構(gòu)成了與圖3相似的形狀。如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：

①可以調(diào)整A、B、D的橫軸來(lái)改變胸前乳溝的深度；

②可以調(diào)整A、B、C的橫軸來(lái)改變胸背的平滑度；

③可以調(diào)整A、B的橫軸來(lái)改變胸的寬度；

④可以調(diào)整A、B的縱軸來(lái)改變胸的厚度。

1.3胸部仿真參數(shù)的計(jì)算

胸圍BosomS的計(jì)算不僅僅是求仿真形狀的周長(zhǎng)，因?yàn)樵趯?shí)際生活中測(cè)量胸圍時(shí)不會(huì)包含到凹進(jìn)去的那部分，對(duì)凹進(jìn)去的那部分應(yīng)使用圖5中的虛線部分。剛好這兩條線段是凸出點(diǎn)的連線，值為4R，其他部分直接利用梯形求積法[5]求弧長(zhǎng)。

在計(jì)算橢圓C與橢圓A、B的切點(diǎn)和橢圓D與橢圓A、B的切點(diǎn)后，就可以分別求出橢圓C的中心點(diǎn)到原點(diǎn)的距離CHY和橢圓D的中心點(diǎn)到原點(diǎn)的距離DHY，切點(diǎn)與水平線的夾角CAL和DAL。

在程序中實(shí)現(xiàn)胸部仿真曲線時(shí)必須選取16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并在仿真的曲線上合理分配這些點(diǎn)，除了A、B、C、D四個(gè)橢圓相切時(shí)產(chǎn)生的12個(gè)凸出點(diǎn)、凹進(jìn)點(diǎn)和切點(diǎn)外，還要加入4個(gè)輔助點(diǎn)使得在連接各點(diǎn)時(shí)使仿真曲線盡量光滑。最終仿真胸部曲線的16個(gè)點(diǎn)的分布如圖5中所示的黑色點(diǎn)和叉點(diǎn)。其中叉點(diǎn)為附加點(diǎn)，每個(gè)附加點(diǎn)與水平線的夾角AL為45°角。用于仿真胸部曲線的16個(gè)點(diǎn)可以分為三類，對(duì)每一類點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式各不相同。

2腰部的仿真建模

2．1腰部相關(guān)的數(shù)據(jù)采集

同胸部仿真類似，在仿真腰部時(shí)也要先采集不同性別、不同年齡段群體的基本腰圍數(shù)據(jù)WaistS。同時(shí)，人體的身高與腰圍數(shù)據(jù)也存在一定的比例關(guān)系，所以仿真腰部時(shí)也要采集人體的身高數(shù)據(jù)Height、腰部離地的高度WaistH。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)求出標(biāo)準(zhǔn)男性或標(biāo)準(zhǔn)女性的腰圍(WaistS)、腰高(WaistH)與人體身高(Height)的比例關(guān)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(shù)據(jù)。

2．2腰部仿真形狀的設(shè)計(jì)

與胸部形狀相比，腰部形狀簡(jiǎn)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(shè)計(jì)為前后兩超橢圓的合并。超橢圓的計(jì)算公式如下：

2．3腰部仿真參數(shù)的計(jì)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(shí)是在超橢圓上選取16個(gè)連接點(diǎn)，這些點(diǎn)的位置是根據(jù)胸部曲線上對(duì)應(yīng)的16個(gè)點(diǎn)與中心點(diǎn)的夾角來(lái)確定的。

其中，W是超橢圓的橫軸半長(zhǎng)，H是超橢圓的縱軸半長(zhǎng)，WR是超橢圓的橫軸加權(quán)系數(shù)，F(xiàn)HR是前部分超橢圓的縱軸加權(quán)系數(shù)，BHR是后部分超橢圓的縱軸加權(quán)系數(shù)。

3結(jié)束語(yǔ)

按照胸部和腰部曲線仿真相似的方法對(duì)上胸至腰間的每個(gè)截面求出其仿真曲線，可以在VC++平臺(tái)中用OpenGL的圖形繪制技術(shù)將這些曲線上的特征點(diǎn)依次連接起來(lái)，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(biāo)準(zhǔn)青年男性(Height=170cm，BosomS=91.188cm，WaistS=72.93cm)和標(biāo)準(zhǔn)青年女性(Height=160cm，Bosom-S=87.68cm，WaistS=56.8cm)軀干的三維計(jì)算機(jī)仿真三角網(wǎng)格曲面圖。

在系統(tǒng)中調(diào)整參數(shù)Height、BosomS和WaistS就可以快速地修改人體軀干部分的三維形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用參數(shù)化人體建模技術(shù)，所需數(shù)據(jù)量小，重建個(gè)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(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合是非常實(shí)用的。

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