數(shù)字化服裝三維人體建模方法綜述

張小妞，王 軍，張春媛(， )

企業(yè)對服裝市場快速反應(yīng)，可在短時間內(nèi)按照終端客戶的需求進(jìn)行生產(chǎn)、銷售，提高行業(yè)競爭力，而計(jì)算機(jī)數(shù)字化和信息化技術(shù)是企業(yè)提升快速反應(yīng)能力的手段之一[1]。近年來三維服裝CAD技術(shù)、虛擬服裝設(shè)計(jì)及試衣技術(shù)等數(shù)字化服裝建模技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，這對于服裝企業(yè)的個性化定制服務(wù)、虛擬服裝展示、虛擬試衣系統(tǒng)等都具有重要意義。本文對現(xiàn)有的數(shù)字化服裝三維人體建模研究方法、思路進(jìn)行了歸納總結(jié)，為相關(guān)工作提供一定參考。

1 三維人體掃描技術(shù)

三維人體掃描技術(shù)是以現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，融光學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺和信息傳感等為一體的高科技技術(shù)[2]。三維人體掃描儀系統(tǒng)主要由光源、成像設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)組成。首先光源照射人體，然后通過軟件控制相機(jī)陣列同時拍攝物體的各個角度影像，再將得到的影像導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件，提取人體各部位的尺寸信息建立模型，最后模型數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為主流3D軟件支持的格式[3]，運(yùn)行流程圖如圖1所示。

圖1 三維掃描運(yùn)行流程

1.1 三維人體掃描儀器

三維人體掃描測量技術(shù)主要是利用三維掃描儀對投射到人體表面的光進(jìn)行快速掃描，得到精確完整的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前國際上常用的人體掃描儀[4]主要有基于結(jié)構(gòu)光投影的三維掃描系統(tǒng)和基于激光掃描的三維掃描系統(tǒng)(如表1所示)。三維人體掃描測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比其優(yōu)點(diǎn)在于掃描時間短、精確度高、測量部位多等。如德國的TechMath掃描儀僅20秒就可捕捉人體的80000個數(shù)據(jù)點(diǎn)，獲得人體相關(guān)的85個部位尺寸值，精確度為<±0.2 mm；美國的TC2可迅速獲得人體的80多個數(shù)據(jù)，全面精確地反映人體體型情況[5]。

1.2 三維人體掃描的原理

目前，國內(nèi)外人體掃描系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)基本都為三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備。采用非接觸式高速激光測量獲得人體的幾何圖形數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)，采集的點(diǎn)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)通過后處理軟件進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系中的空間位置或模型，最終得到人體的精確數(shù)據(jù)和人體的三維形態(tài)檔案。控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件必須通過現(xiàn)階段三維人體掃描系統(tǒng)的使用才能發(fā)揮作用。控制軟件通常是操作軟件，可獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理；數(shù)據(jù)處理軟件多為第三方企業(yè)提供的詳細(xì)人體掃描數(shù)據(jù)處理信息，主要用于數(shù)據(jù)處理[6]。

2 三維人體建模技術(shù)

人體表面是一個復(fù)雜的曲面，研究者應(yīng)根據(jù)不同需求選擇合適的方法進(jìn)行人體建模。三維人體建模的基礎(chǔ)是通過三維人體測量獲取人體尺寸數(shù)據(jù)，再對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取和分析。應(yīng)用于虛擬試衣系統(tǒng)的人體建模[7]方法主要有三種：基于軟件的人體建模、基于三維掃描的人體建模和基于人體照片信息的人體建模。

表1 常見的三維掃描儀器

2.1 基于建模軟件的人體建模

首先根據(jù)人體體型特征，利用3Ds Max、Maya、Matlab等建模軟件[8]構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化三維人體模型，也可以對試衣系統(tǒng)自帶的人體模型進(jìn)行修改調(diào)整，獲得與特定人體接近的個性化三維人體模型。為后期調(diào)用方便，可將人體模型根據(jù)應(yīng)用場合的不同存儲成不同格式。

禹素萍[9]探究了基于 Kinect 對人體的不同區(qū)域的測量。第一步推導(dǎo)出合理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化公式對點(diǎn)云進(jìn)行處理；第二步為了實(shí)現(xiàn)分塊點(diǎn)云的拼接和三維人體模型的重建，可以使用三點(diǎn)對齊法和Delaunay三角剖分法達(dá)到重建的效果；第三步使用Matlab 軟件進(jìn)行仿真。這種建模的方法使三維建模變得簡單，能夠準(zhǔn)確獲取人體表面數(shù)據(jù)，同時模型的恢復(fù)效果相對較好；李宋明[10]利用VC++和OpenGL建立了三維人臺仿真模型，效率和精度較高，為服裝造型和著裝仿真的研究提供基礎(chǔ)；陳君[11]結(jié)合建模軟件Poser和Java 3D兩者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了模型的交互控制，建模速度快，人體靜態(tài)模型逼真、交互良好，為靜態(tài)建模技術(shù)的研究提供參考。

基于建模軟件的人體建模方法對操作人員的依賴性極大，效率較低，所以僅適用于小規(guī)模的人體建模。

2.2 基于三維掃描技術(shù)的人體建模

利用三維人體掃描系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)設(shè)備，通過快速掃描人體，可產(chǎn)生幾十萬甚至幾百萬個人體數(shù)據(jù)點(diǎn)，即人體點(diǎn)云。人體點(diǎn)云雖然能表達(dá)人體表面的一些特征，但往往包含大量多余的信息，如噪點(diǎn)、空洞等，因此要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、精簡、孔洞修補(bǔ)、表面重建等以構(gòu)建個性化的三維人體模型。應(yīng)用三維掃描技術(shù)構(gòu)建的三維人體模型具有精確、應(yīng)用場合廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜、建模耗時。近年來很多國家建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，如美國的Size US數(shù)據(jù)庫[12]、日本的HQL數(shù)據(jù)庫等。目前湯立等人[13]以及劉載文等人[14]對基于三維掃描技術(shù)的建模方法進(jìn)行了分類和描述，本文將重建技術(shù)分為人體曲面模型、構(gòu)建實(shí)體模型和基于物理的人體模型。

2.2.1人體曲面模型

三維建模中用的最多的一種方法是曲面建模法。因?yàn)榍婺Ｐ蛯θS人體的表面信息進(jìn)行了描述，所以曲面建模可以對隱藏線進(jìn)行消除處理，且具有真實(shí)感。但曲面建模沒有定義人體實(shí)心部分，與實(shí)體模型相比，無法進(jìn)行剖面處理[15]。曲面模型是用頂點(diǎn)、邊、表面三種拓?fù)潢P(guān)系來表示和建立人體模型，三角曲面片逼近法、參數(shù)曲面建模法等是曲面建模常用的方法。

楊子田[16]為得到標(biāo)準(zhǔn)中間體點(diǎn)云模型，通過研究標(biāo)準(zhǔn)中間體特征部位關(guān)系，建立特征部位與人體身高和胸圍的回歸方程，采用形狀因子方法對點(diǎn)云模型進(jìn)行調(diào)整，并在Matlab環(huán)境下，通過NURBS工具箱準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了曲面建模，最終得到標(biāo)準(zhǔn)中間體模型；鄭曉慧等人[17]采用參數(shù)回歸技術(shù)構(gòu)建三維工效虛擬人的建模方法，以人體尺寸數(shù)據(jù)庫和人體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合綜合參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)性分析結(jié)果，提高了虛擬人模型的總體覆蓋率，使得到的三維虛擬模型有較好的代表性；Xu Jun[18]通過整合兩個能量函數(shù)解決三維服裝人體建模問題，然后利用表面建模技術(shù)模擬人體三維服裝。

2.2.2實(shí)體模型

目前實(shí)體建模技術(shù)增加了三維人體模型實(shí)心部分的表達(dá)，這種技術(shù)的增加使信息更加完備，同時也可以得到無二義性的人體描述。實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)是提供了人體的幾何和拓?fù)湫畔ⅲ哂芯植靠刂菩?yīng)，可以實(shí)現(xiàn)人體的消隱、真實(shí)感人體模型的顯示等[19]。缺點(diǎn)是此模型的數(shù)據(jù)量大、計(jì)算耗時、硬件要求高。實(shí)體建模方法中對人體的表達(dá)主要有3種方式：基于體素分解的方式、構(gòu)造實(shí)體幾何和多面體建模。楊紅莊等人[20]提出了利用深度圖像的紋理貼圖算法和自動補(bǔ)洞算法可在較短時間自動地獲得完整的人像幾何模型和進(jìn)行紋理重建。

2.2.3物理模型

對于人體表面外部幾何特征的表述，主要通過線框模型、曲面模型和實(shí)體模型，而缺乏對人體本身所具有的物理特征以及人體所處的外部環(huán)境因素的表述。為了彌補(bǔ)線框模型、曲面模型和實(shí)體模型三種建模方法的不足，在建模過程中引入了物理模型。物理模型通過人體自身的物理信息和人體所處的外部環(huán)境因素及時間變量，來獲得更加真實(shí)的建模效果，并對人體的動態(tài)過程進(jìn)行有效的描述[21]。但是在該建模過程中，物理模型多采用微分方程組的形式表達(dá)，計(jì)算較為復(fù)雜。

2.3 基于人體照片信息的人體建模

該方法利用數(shù)碼設(shè)備拍攝人體正、背、側(cè)面的二維圖像，軟件系統(tǒng)采用一定的算法進(jìn)行圖像處理，通過提取人體輪廓線、截面線、特征尺寸等，快速生成個性化三維人體模型。該方法涉及的主要技術(shù)有：針對人體照片信息的人體特征元素提取方法、人體二維尺寸信息與三維尺寸信息的轉(zhuǎn)換、基于人體特征尺寸和特征曲線的三維人體模型構(gòu)建等。目前這種基于圖像的人體尺寸自動獲取還僅局限于對尺寸數(shù)量要求不多的服裝設(shè)計(jì)與加工，但隨著二維信息推算三維信息技術(shù)的進(jìn)一步成熟和完善，有可能成為一種非常便捷的非接觸式測量方法。

李基拓等人[22]基于正、側(cè)、背面4幅正交人體圖像，以截面環(huán)為基本幾何元素，得出了模板人體模型的生成和變形方法，變形模板人體模型后得到帶服飾紋理的個性化虛擬人，建立了截面環(huán)和三維人體骨架之間的內(nèi)在聯(lián)系，自動提取圖像上的人體特征。該方法建立在基于特征的參數(shù)化框架基礎(chǔ)上，使變形更可控，并消除了三維模型和二維圖像之間對應(yīng)的不確定性，避免了人體變形中的自交現(xiàn)象，效率高、真實(shí)感好。

3 三維人體建模在虛擬試衣中的應(yīng)用

三維人體測量和人體建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬試衣技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，通過三維人體掃描系統(tǒng)快速獲取人體表面數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行人體表面重建，建立標(biāo)準(zhǔn)化的人臺模型或者個性化人體模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維服裝展示。目前虛擬試衣技術(shù)已可對著裝人體進(jìn)行動態(tài)模擬，而虛擬模特走臺、虛擬時裝發(fā)布會等還需進(jìn)一步開發(fā)。

4 結(jié)語

本文對三維掃描系統(tǒng)的常用系統(tǒng)和原理進(jìn)行分析介紹，對現(xiàn)有建模技術(shù)進(jìn)行闡述，總結(jié)了現(xiàn)有建模技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，同時介紹了三維人體建模軟件在虛擬試衣中的應(yīng)用及研究方向。三維人體建模可提高設(shè)計(jì)效率、提升生產(chǎn)效益、簡化服裝定制流程等，應(yīng)用前景較好。

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