三維虛擬試衣系統的相關技術及發展

何宇雯 尚笑梅

摘 要：對三維虛擬試衣系統的應用現狀及國內外發展做了總結，比較了三維虛擬試衣系統與二維虛擬試衣系統的特點，簡要介紹了三維虛擬試衣系統的相關技術構成，包括三維人體測量技術、人體建模技術、三維虛擬試衣操作技術。分析了現階段存在的難點，提出今后系統發展的方向，及對三維虛擬試衣系統的展望。

關鍵詞：三維虛擬試衣;人體測量;人體建模

中圖分類號：TS941.17 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1674-2346（2019）02-0025-05

0 ? ?引言

隨著數字化與計算機交互應用的快速發展，在服裝消費領域，人們越來越青睞于“便捷購物”模式，其中最具代表性的就是“網購”這一消費模式。與在特定商場購物相比，方便快捷、省時省力是服裝網購的最大優點。[1]但足不出戶的消費方式也帶來了新的問題，由于在購買前難以接觸到服裝實物，導致顧客最終的穿著效果與其預期產生較大偏差。差評率高、退貨率高也是服裝網購這一消費模式帶來的最大問題。另外，實體店購買的消費模式也存在選擇困難、試衣繁瑣等問題，為了優化這些因素帶來的購物體驗，三維虛擬試衣系統應運而生。

三維虛擬試衣系統，簡單來說就是根據用戶所測得的人體三維數據，以計算機為輔助工具，建立人體三維模型，[2]并構建相應的服裝衣片模型，使顧客能夠在不接觸服裝實物的情況下，根據自己的喜好，方便快捷地更換不同的服裝，得到相應的著裝立體效果模擬圖。[3]

當下，三維虛擬試衣系統是新興的、服務于電子商務的實時互動平臺，也是為顧客在實體店購買提供兼具娛樂性與便捷性的平臺。一方面，虛擬試衣系統的不斷發展為顧客提供了更多便利，大大減少了顧客在網購時因擔心服裝不合身或達不到預期效果而猶豫是否購買的顧慮;另一方面，在實體購買模式下，虛擬試衣系統不僅為商家減少人工成本，也給顧客提供更加方便精準的服務：顧客只需站立在由三維虛擬試衣技術支持下的試衣鏡前，動動手指就能方便地更換不同款式的服裝，并選擇合適的尺碼，減去反復試衣的繁瑣。

三維虛擬試衣系統在國外的發展更為成熟。應用較為廣泛的三維虛擬試衣系統有瑞士MIRALab實驗室研發的MIRACloth系統，法國力克公司的E-Design系統，以及加拿大PAD公司開發的跨平臺系統等，[4]大大擴展了虛擬試衣的應用范圍，也為消費者帶來便利。

國內對三維虛擬試衣系統的研究尚處于探索階段，大部分還處于二維虛擬試衣階段，具有代表性的試衣網站有face72、和炫試衣等。如東華大學、北京服裝學院等都在積極探索三維虛擬試衣領域。

1 ? ?3D與2D虛擬試衣的比較

在目前市場上，二維虛擬試衣系統的應用相比較于三維虛擬試衣會更加普遍一些。國內外一些發展較為成熟的購物網站都相應推出了二維虛擬試衣系統，通過顧客自己對自身體型的大致描述，由系統自動生成的模特來完成試衣過程。雖比單純的圖片展示直觀，但由于其精確度不夠高、效果不夠逼真、技術不夠成熟等缺陷，容易給顧客帶來呆板的體驗，這也是不能被廣泛應用的主要原因。對整個服裝市場而言，二維虛擬試衣系統帶來的經濟效益并不大。

二維虛擬試衣的種種不足也讓研究者致力于對三維虛擬試衣系統的開發。三維虛擬試衣系統將試衣過程細分為人體數據測量、人體建模、服裝仿真以及展示等幾個部分，每個部分都有相應的技術支持，在擁有二維虛擬試衣優點的基礎上，更是大大提升了精確性與逼真性，擁有高效便捷、娛樂與實用并兼、個性化突出等優點，[5]使其應用更加靈活，市場前景更加廣闊。

2 ? ?三維虛擬試衣系統的技術構成

三維虛擬試衣系統的技術框架，如圖1。

2.1 ? ?三維人體測量技術

三維人體測量是三維虛擬試衣系統的基礎，有了精確的數據支撐，才有了建立人體模型的可能。三維人體測量技術從剛開始的接觸式、二維測量等發展到現在的非接觸式、三維測量等，且還在不斷向著自動測量及計算機分析方向發展。[6]傳統的接觸式手工人體測量法雖然簡單，但耗時太久，而且不穩定因素多，精確度不夠高;非接觸式三維測量方法方便快捷，所得數據更加精準。

目前，在三維人體測量方面，應用較為廣泛的有莫爾條紋法、激光測量法、立體攝影測量法等。[7]

莫爾條紋是指光在通過光柵時發生干涉或衍射得到的條紋。[8]莫爾條紋測量就是指通過對莫爾效應在被測物體表面形成的特殊條紋獲取測量信息的方法。在人體三維測量中，莫爾條紋法就是利用這種軌跡來進行人體測量，通過圖像分布規律推演出人體輪廓數值。這種方法更適用于人體曲面的測量，但存在測量數據精確度不夠高的問題。為了改進這一不足，研究者提出了投影光柵相位測量技術，[9]簡單來說就是向被測者投射一定的光，人體表面對該光進行調制使其發生形變變化，可利用相機記錄變化后的條紋，通過相關規則來確定被測者的三維數據。在人體三維測量技術中，莫爾條紋測量法屬于最早應用的一種，也為后來不斷發展起來的新的測量方法奠定了基礎。

激光測量法是利用激光測距儀來進行人體數據測量的方法，根據激光發射和反射的時間計算出與被測物體之間的距離。激光測量法通過多個激光測距儀來收集數據，在不同位置對被測者進行數據測量。計算機通過測距儀接收到的反射光的時間、位置、角度等，同步計算出被測者人體表面各點的坐標值，進而測得人體表面的所有有效數據。[10]此方法大大提高了數據精確度，但成本較高，而且需要被測者保持較長時間的靜止，容易給被測者帶來心理壓力。

立體攝影測量法是一種利用被測物體的立體像來對模型進行攝影測量的方法。利用2臺攝影機對被測者進行不同方位的攝影，通過計算機分析得到人體表面同一點在不同攝影圖像上的對應關系，并得到該點的具體三維坐標，可分為主動式與被動式2種測量系統。此方法在三維人體測量過程中包括：人體表面圖像的獲取、數字信號轉化與處理、系統定標、完成人體輪廓圖像的采集與處理并進行數據計算。[11]但是這種方法對凹面的測量精度不高，故使用范圍比較有限。

2.2 ? ?三維人體建模技術

通過對三維人體測量得到的有效數據進行計算機處理，模擬出人體3D形態，這是三維虛擬試衣系統的第二大關鍵技術。三維人體建模是一種以圖像為基礎不斷發展起來的人體三維建模方法，由線框建模、實體建模到曲面建模，三維人體建模技術不斷提高。

線框建模法應用相對較早，也是CAD幾何框架模型構建技術中應用最早的建模方法。該方法利用人體表面的一些特征性點、線、弧，構建人體框架模型，所需要的參考數據較少，計算量相對較小，操作過程簡易方便，但隨著三維建模技術的不斷發展，線框建模也漸漸暴露出它的缺點，線框模型多采用直線來勾勒，所涵蓋的信息有限，無法進行剖面處理，對曲面描述不足，在人體建模中所建立的三維人體模型真實感較差。[12]但線框建模作為三維人體建模的基礎，仍不可或缺，此方法比較適用于人體骨骼模型的建立。

實體建模是計算機通過對基本體積元素進行集合運算，減少運算難度，并生成相應形體的一種建模技術。實體建模不僅能夠建立框架模型，還能建立物體內部的結構形狀模型，因此比線框建模更能夠完整地表達物體信息，包括物體的點、線、面、體的信息。這種建模方法還能判斷可見邊，進行消隱或顯示操作。常用的實體建模法包括體素法、掃描法以及空間單元表示法等，三者的特點如表1所示。在構建人體模型時，實體建模法相比較于線框建模在真實感方面有了大大提升，且剖切操作方便，但對人體曲面形態擬合性較差。[13]

曲面建模又稱NURBS建模，是專門用于建立曲面物體模型的一種方法。曲面建模通過不同曲線關系構建相應的曲面，將人體表面劃分成多塊曲面，通過拼接的方法構建三維人體模型，具有運算速度快等優點。其中，曲面建模也包括三角曲面法、B樣條曲面法、散亂點插值法等，三者的特點如表2所示。目前，應用較為廣泛的是B樣條曲面法。B樣條曲線是貝塞爾曲線的一種，非常靈活，曲線形狀隨頂點的變化而變化，[14]通過對頂點的控制，可以使B樣條曲線完美刻畫人體不同部位。曲面建模對于建立人體皮膚模型方面有著絕對優勢，相比較于前兩種建模方式，曲面建模得到的人體模型會更加流暢。

2.3 ? ?三維虛擬試衣操作技術

三維虛擬試衣操作技術是整個系統的核心。虛擬試衣操作包括服裝型號的選擇、款式以及面料的選擇、色彩搭配等。[15]三維虛擬試衣操作的關鍵技術包括面料仿真、虛擬縫合以及試穿效果展示3部分。

面料仿真包括服裝質感仿真以及服裝懸垂性仿真。[16]對真實的服裝面料進行計算機數字化操作，掃描達到相應要求。幾十年來，國內外研究者都致力于研究這方面，研究出了許多算法和建模方法，其中包括幾何建模和物理建模2種方法。[17]幾何建模重在對服裝本身外觀的表達，在相關幾何、拓撲信息基礎上建立服裝模型，關鍵及難點就在于服裝外觀造型的表現，包括其褶皺性等;物理建模重在對服裝力學及運動過程的表達，對相關節點、節點與節點間的關系等分別建模。基于質點彈簧模型的物理建模方法也是目前面料建模應用最為廣泛的一種方法。[18]服裝面料不同的原因之一是紗線織造方式的不同，[19]根據面料織物的各向異性特征，將各質點由不同的彈簧連接，中心質點與其周圍的質點建立相關連接，真實地模擬面料，且連接的相鄰質點越多，面料仿真效果越好。未來要不斷加快這些方面的研究才能將三維虛擬試衣系統推向更深入的發展。

面料是服裝的載體。在三維虛擬試衣系統中，將三維人體模型與面料模型結合起來，通過縫合裁片，實現虛擬試衣。虛擬縫合過程包括預先設定縫合信息，即縫合對位關系;衣片初始位置擺放;施加縫合力;質點位置設置;縫合結束以及三維轉化等。[20]在虛擬縫合中，關鍵性操作是將二維衣片進行網格化剖分操作，將包含縫合對位信息的二維衣片進行四邊域劃分，生成具有質子彈簧結構的柔性曲面網格。[21]

虛擬試衣系統的最后一步是對試穿效果進行展示。將設計的虛擬服裝試穿在三維人體模型上，進行靜態與動態的效果展示，[22]能夠讓試穿者更加直觀地感受到服裝面料質感、懸垂性、顏色、圖案等的表現效果，對實體服裝作真實的還原，方便快捷地為顧客提供參考及精準服務。

3 ? ?技術難點及發展方向

目前三維虛擬試衣技術還存在以下難點，筆者在研究的基礎上提出一些未來三維虛擬試衣系統的發展方向：1）三維人體測量數據的存儲問題。每個個體都有自己獨一無二的人體尺寸數據，這些數據如何保存也是接下來的研究需要解決的一個問題。筆者認為數據存儲不僅可以使顧客避免在以后的試衣過程中再次進行繁瑣的測量過程，另一方面也方便商家或研究者對數據進行統計分析，設計出更符合大眾體型需求的服裝。[23]隨著電子信息的發展，未來計算機配置及內存的不斷提高有望解決這一問題。2）三維人體測量在網購時的智能化應用。隨著“試衣魔鏡”的開發和應用，在服裝實體店，顧客站在試衣鏡前系統就能自動掃描出人體數據;然而在網購過程中，人體數據測量并不方便，如何實現服裝網購的高智能化三維人體測量也是接下來需要完善的一方面。筆者認為顧客可以通過線下平臺進行三維人體測量，將得到的尺寸數據上傳給商家，再進行一系列操作，但此方法較為繁瑣;葛彥等[24]運用照相人體測量法，對拍攝結果進行分析，得到相應長度尺寸，通過相關回歸方程計算得到人體圍度尺寸，并驗證了數據可靠性。隨著網絡技術的發展，提高網購人體測量的便捷性及智能化也可以通過攝像技術來完善：顧客在互聯網一端完成相應的照相要求，商家或第三方平臺通過相關算法及公式計算得到顧客的所有相關人體數據。3）三維人體建模繁瑣。直接建模需要專業性極強的相關人員以及較高成本的設備支持;由于人體表面比較復雜，單一的線性放縮不能滿足建模需求，而模型重建法實時性又比較差。筆者認為可將人體建模拆分成人體骨骼以及皮膚2個方面的建模，各自采用相對簡易的建模方式并進行結合，在構建面料模型時，可多考慮一些外部影響因素（溫度、濕度等），提高模型精確性。4）虛擬服裝仿真性不夠。[25]數字化處理的服裝面料會與實物存在一定差異，無論是質感還是懸垂性都難以達到完全真實的狀態。且為了達到更加逼真的狀態，采用物理建模法對面料進行建模，往往會存在計算量過大以及質點彈簧模型存在超彈性和抖動現象。由于服裝面料的纖維呈非連續狀態，所以可以考慮離散方法進行模型的建立。5）在虛擬縫合中，縫合信息不夠精確，自動化程度偏低。整個虛擬縫合過程需要相關專業的人員和專門的交互軟件設定詳細的縫合信息才能完成，未來研究方向也可致力于相關軟件的開發和應用。

4 ? ?總結與展望

隨著計算機交互科技的發展，三維虛擬試衣系統必將進軍服裝行業，提高服裝銷售的效率，增加電子商務的效益。三維虛擬試衣系統目前還不成熟，有待解決的技術難點與缺陷仍然存在。研究者們仍然需要在已有技術的基礎上探索出更高效的新方法。三維虛擬試衣系統是一個龐大且需要不斷完善的系統，它能將服裝消費的整塊內容整理成一條秩序井然的長鏈，從數據采集、建模、虛擬縫合到最終試穿展示。三維虛擬試衣是時代發展下的產物，也將為未來實現服裝個性化定制奠定基礎。目前，三維虛擬試衣系統還處于探索階段，屬于新興產物，而據調查研究發現，對于新鮮事物，75.2%的人都樂意接受，這就利于三維虛擬試衣系統的推廣，[26]也意味著三維虛擬試衣系統擁有廣闊的市場前景。隨著科技的進步，未來它也將成為服裝實體店及網購中不可或缺的一部分。

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Abstract： This paper summarizes the application status and development of 3D virtual garment fitting system， compares the characteristics of 3D and 2D virtual garment fitting，and briefly introduces the related technical composition of 3D virtual garment fitting system，which includes 3D anthropometric techniques，human body modeling techniques，and 3D virtual fitting operation techniques.The paper analyzes the difficulties at the current stage，puts forward the direction of future development，and looks forward to the prospect of 3D virtual garment fitting system.

Key words： three-dimensional;virtual fitting;anthropometric measurement;human body modeling