在線虛擬試衣系統

何天蘭， 楊秀菊

(1.泉州信息工程學院 軟件學院，福建 泉州 362000；2.南威軟件股份有限公司，福建 泉州 362000)

使用虛擬試衣平臺，用戶可以選擇商家上傳的衣服進行試穿。通過交互操作后，平臺會將試穿效果反饋給用戶。虛擬試衣系統的出現可以使賣方更客觀地展示服飾優缺點，使雙方更為直觀地了解信息，促成交易，減少不必要的工作量，提高工作效率，滿足用戶需求。虛擬試衣系統可促進線上經濟發展，擁有巨大的應用前景。

虛擬試衣技術網站主要模塊可分為前臺功能服務模塊、后臺管理服務模塊。在前臺功能服務模塊中包含了信息展示和用戶操作，在后臺管理服務模塊中包含了系統登錄、賬號設置、系統設置、用戶管理、管理員管理、服裝分類管理、信息內容管理以及訂單管理等功能[1]。本研究在闡述建立一個基于B/S的試衣技術虛擬網站的同時，介紹了對該網站所使用的設計思想和實現的核心算法，以虛擬試衣技術為中心開發設計。本管理系統經過實際的需求分析，采用了面向對象的設計工具IntelliJ IDEA 作為開發工具，Mysql作為后臺數據庫,開發語言為JAVA EE，設計一個可以體現軟件核心的平臺。

1 虛擬試衣管理系統概念設計

1.1 網站數據庫設計

在概念設計中，通常用4種方法：自頂向下、自底向上、逐步擴張、混合策略，在這些設計方案中挑選合適的方法設計出合適的各局部概念結構[2]。

1.1.1概念結構設計

Mysql是當下最流行的關系型數據庫管理系統。數據庫對象包括:表、查詢、報表、數據訪問頁等，由于開發工作面向對象，所以數據庫也應采用面向對象的設計思想。數據庫的概念設計整體屬性E-R(實體屬性)如圖1所示。

圖1 數據實體圖

1.1.2邏輯結構設計

本系統采用B/S結構(Browser瀏覽器/Server伺服器)和基于網頁兩種模式，是一種適用于網絡環境下的模型結構。如圖2所示。

圖2 三層體系結構圖

1.1.3表結構設計

表結構設計如表1～7。

表1 范圍類別

表2 衣物信息

表3 收藏信息

表4 裝束信息

表5 購物車

表6 購物信息

表7 用戶信息

1.2 系統結構設計

用戶可以操作的功能模塊信息主要有網站首頁、商品信息、在線試衣(見圖3)，用戶進入網站，可以進行查看、分類比較、選擇等操作，如圖4所示。

圖3 用戶功能圖 圖4 網站首頁界面

后臺數據管理模塊是系統授予一定權限的管理員進行網站管理，維護平臺數據的中心[3]。管理員操作系統的結構，管理員可進行功能管理和圖片管理(見圖5)。管理員登錄后進入后臺頁面，可以對功能管理、圖片管理、常用菜單功能模塊進行相應操作(見圖6)。

圖5 管理員后臺界 圖6 管理員后臺界

1.3 系統測試

測試和評估系統質量的方法不局限于系統編碼和過程，應該與軟件設計文檔和歷史需求分析文檔密切相關[4]。軟件測試應遵循的原則如下：

(1)軟件測試要盡快進行，并且測試要分布在軟件開發的各個環節。一旦發現問題，立刻處理，降低開發成本。

(2)在各種測試過程中，提出的計劃、得到的報告等都要妥善保管，方便將來維護。

(3)聚類現象在軟件測試的各個環節中應該引起高度重視。

(4)對軟件的測試者為第三方，保證軟件的測試客觀公正。

2 虛擬試衣系統實現

2.1 虛擬試衣系統介紹

目前存在一些成功實現商業化的虛擬試衣系統。Styku 通過掃描客戶體型、使用選定的參數來提供著裝預測，其形體掃描是基于微軟體感設備，進而生成完整的人體三維模型。同樣的，FaceCake’s Swivel 試衣系統允許顧客實時看到他們穿著衣物與飾品時的樣子。它在顧客的身體上疊加衣物圖片，并且告訴顧客什么樣的首飾符合其穿戴風格，這個系統也是基于微軟的體感設備。另一個增強現實的三維試衣系統Fitnect，也通過微軟的體感設備進行三維建模和渲染，不需要實體穿衣就能提供著裝的預覽圖。

盡管微軟公司的體感設備可以提供逼真的人體模型，但是其設備在中國并不普及。另一方面，家用電腦攝像頭可以提供類似的應用，但是到目前為止絕大部分的攝像頭都缺乏有效的模型數據處理功能。在本研究中，將討論通過使用普通的攝像頭代替體感設備，來實現虛擬試衣系統的功能。

2.2 用戶圖像獲取數據

本虛擬試衣系統使用安裝在筆記本電腦中的攝像頭來獲取用戶圖像，攝像頭首先獲取到背景中不動的用戶，等待一段時間后客戶可以移動，通過前背景分離技術將用戶從視頻背景中分割出來[5]，如圖8所示，客戶呈T型姿勢。

圖7 網上試穿衣 圖8 T型客戶圖像 圖9 前景圖層

對于錄像中的第t張畫面，可以表示為：

ft(x,y)=ht(x,y)=nt(x,y)

(1)

這里ft(x,y)表示觀察到的圖像，ht(x,y)表示原始圖像，nt(x,y)表示噪音干擾。可以通過使用濾波器降低噪音方差的方法，來幫助提高分割圖像前景與背景的精確度。如公式2所示，對第t張畫面：

ht(x,y)=αht-1(x,y)+(1-α)ft(x,y)

(2)

這里α范圍是 0<α<1，它規定了現在與之前結果的相對比重。

在室內的情況下，移動物體可直接從連續圖片的差值中提取出來。在戶外情況下則可以使用高斯混合模型來進行計算。假設背景像素是靜態的，前景(用戶)像素是動態的，那么圖像的差異就可以被提取出來，并通過對比閾值轉換成二進制圖像，可以表達為：

FD(x,y)res=|frame(x,y)n-frame(x,y)n-1|

(3)

公式3中，frame(x,y)n代表第n幅圖。在所得結果中，FD(x,y)res大于閾值的像素點被賦予1，小于閾值的像素點被賦予0,這樣就能獲得二進制差異圖。

假設前景圖像不是靜態的，因此需要通過攝像頭錄制一段客戶的視頻。經過公式(3)的運算，長時間擁有同樣值的像素點會被當作背景處理。可以構建一個與圖片有同樣大小的矩陣，矩陣的第(i,j)項的值代表著這個位置的像素點在多少幅圖片中是靜止的。如果這個值超過某個數字，那么這個像素點會被當作背景處理。通過這樣的方法可以區分背景和移動的前景物體。在最終結果如圖10所示，圖中背景是黑色的，移動的前景物體是白色的。

圖10 前景背景分離

找到移動物體的位置后，物體的輪廓會用一個矩形包括起來，如圖11所示。可以在其中計算出移動物體的質心，用戶身體的方向角度等參數。

圖11 前景輪廓線與關鍵點

根據參考文獻[6]，通過尋找最小慣性矩，使用公式(4)和(5)可計算身體方向角度Φ[6]:

(4)

其中μp,q是階數為(p,q)的輪廓中心矩：

(5)

(6)

這些點到質心的距離函數可以用以下公式進行過濾，來去除掉噪音：

(7)

這里整數n表示平局圓滑的級數。

為了找到用戶的頭、手和腳，需要在輪廓上找到局部最大值(高曲率點)。曲率可以通過計算輪廓線上點沿x方向的梯度來找到。局部最大值朝左有負曲率，朝右有正曲率。高曲率點(xc,yc)的曲率可以表示為：

(8)

u·v表示第i點u,v矢量的點積。矢量u,v可以估算為：

u(xf,yf)=(xc+k,yc+k)-(xc,yc)

(9)

v(xf,yf)=(xc-k,yc-k)-(xc,yc)

(10)

這里(xc+k,yc+k)表示輪廓線上的點，它們的坐標與高曲率點相差k，k為任意正整數。0<θi≤π。

2.3 人體姿態估算

除了曲率角，輪廓上的第i點可以計算其相對于質心的方向角Φi，其定義與圖11中身體方向角一樣，是點和質心連線相對于水平方向沿逆時針的夾角。對于身體不同部位的點，方向角有不同的限制條件。

頭部的位置一般在B，D 連線之上，在A之下。當用戶使用站姿時，他的頭總是比腳高。在這個區域所找到高曲率點時，可能會發生以下情況：

如果只找到一個高曲率點，那么該點被標記為頭部。

當找到兩個高曲率點，可以比較這些點的方向角度Φi。在本文中認為頭部點的方向角限制范圍在15°<Φi<165°。當頭部方向角度超過這個范圍，認為用戶處于平躺姿勢，這種狀態會使得程序無法分清腳和頭的位置。滿足角度限制的點可以被當作頭部點。如果沒有滿足的，選擇小曲率角度的點作為頭部[7]。

如果在區域內沒有找到對應的點，那么點A就被當作頭部處理。

腳的位置一般在矩形的下半部分，低于BD連線，高于C點。在這個區域所找到高曲率點時，可能會發生以下情況：

同樣的情況，腳的方向角限制范圍在195°<Φi<345°，當找到兩個高曲率點，并且它們的曲率角度滿足限制，那么他們被當作腳的兩個點。

當超過兩個點被找到，距離頭部最遠的兩個點可以當作腳。

剩下沒有被標記的高曲率點，很可能是手。如果它們超過兩個，到質心最遠距離的兩個點被標記為手。如果沒有找到相應的點，B,D會被當作手來處理。

從幾何學的角度，從頭部到B,D連線做一條垂線，垂線從上到下1/3處高度對應頸部所在點。

可以進一步用頸部點估算肘部點。左側肘部標記為EL1,EL2，右側肘部標記為ER1,ER2。它們靠近頸部與手連線的中點ML和MR。如果中間點在輪廓內，一個有一定傾角(約90°)的直線與輪廓相交于兩點。兩點中，曲率低的點被認為是肘部點EL1，ER1。相應的作垂直直線，在與輪廓的交點為另一個肘部點EL2，ER2。

如果中間點在輪廓外，有一定傾角的直線與輪廓相交于兩點。曲率小的點視作肘部EL1，ER1。同樣的方法可獲取另一個肘部點EL2，ER2。

2.4試衣計算

通過使用有向無環圖(DAG)，輪廓線上的點可被用來畫隨時間變化的線圖G(t)=(E(t),V(t))，它的有向邊{ek(t)∈E(t)}代表人體骨架，連接點{vi(t)∈V(t)}表示人體關節。這里隨時間變化并不是指邊隨時間，而是指連接點隨時間產生的改變。

在首先嘗試將衣服疊加在人體模型的實驗中，用戶用一個特定的姿勢站在鏡頭前拍照(用戶的姿勢是T型)。首先，為了將上半身的衣物疊加在用戶身上，擬合了3個長方形，分別是Rect1hand，Rectrhand，Rectbody，對應左手、右手和身體。邊框的方向隨著身體的移動而改變，進而可以準確擬合身體的位置。手部的矩形邊框可以通過計算人體肘部兩點之間的距離來確定。(EL1,EL2對應計算左手矩形，ER1,ER2對應計算右手矩形)。對應身體的矩形長度Rectbody等于脖子到質心的距離，寬度等于輪廓線與穿過質心的水平線的兩個交點間的距離。根據用戶的喜好可以適當調整寬度，得到貼身或寬松等不同的試穿效果。

在實驗中校準了用戶相對位置與衣物大小的關系。在計算獲取外輪廓線后，通過調整其比例來調整人體模型尺寸。使得用戶即使處于不同位置不同姿態，也能在后續計算的圖片中保持統一尺寸。

可以使用公式(11)找到任意時間t時，每條邊的方向θk(t)：

(11)

這里(xelbow,yelbow) 代表手肘中點，(xneck,yneck) 代表頸部上的點。當試衣系用初始化調整完畢，需要將衣物“穿”到用戶身上。在(Rect1hand，Rectrhand，Rectbody) 矩形內或在輪廓上的點視作衣物，矩形外或輪廓外的點將被移除。

2.5 虛擬試衣結果

本虛擬試衣系統使用JAVA來實現。通過普通的電腦攝像頭采集30幀/s，640×480 的影像，圖 13展示了圖像處理后虛擬試穿效果。

圖13 試衣結果

3 結論

綜上所述，虛擬現實技術在當前互聯網經濟體下蓬勃發展，虛擬技術在未來的網絡購物中極具應用前景，并將產生巨大的經濟效益。本研究基于B/S網站以及基于普通攝像頭的虛擬試衣技術，通過改善設計思想和實現的核心算法，開發新的更完善的虛擬技術，將高成本的科技帶入普通百姓人家中，用戶可以足不出戶就享受方便快捷的服務，商家運營效率也會大幅度提升。