基于人體特征點的女性上體曲面展平技術

楊 敏，楊慧芳，王朝暉

(1.鄭州理工職業學院 藝術傳媒系，河南 鄭州 450000； 2.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051)

數字化個性服裝樣板生成技術是服裝研究的重要方向之一，其技術的實現對服裝個性化定制技術的發展和服裝產業數字化、自動化、智能化方向的發展具有重要的促進意義。數字化服裝樣板自動生成技術主要分為二類[1]，一是基于一維人體數據的樣板實現技術(包括傳統放碼樣板修改法、參數化設計自動打板技術、人工智能樣板設計法)；二是三維人體或服裝模型的二維展平技術。

傳統放碼樣板修改法目前應用較為廣泛，但存在很多問題：構建放碼點的編號規則需要消耗大量的時間，目前尚無相關標準[2-3]。基于參數化設計自動打板技術[4-5]以計算機系統為基礎，確定服裝紙樣結構參數的約束關系，但由于服裝紙樣的圖形規律性較差，對制板技術人員要求較高，因此該方法難以滿足流行趨勢影響下版型多樣化的設計需求。人工智能樣板設計法[6-7]對服裝流行市場的反應速度較遲緩，所以目前該技術仍然停留在實驗階段，可行性不高。

基于一維人體數據的3種樣板實現技術對人體尺寸信息考慮均不夠全面，難以滿足由流行趨勢中服裝款式變化引起的個性化服裝制板技術的變化。隨著三維掃描技術和曲面展平技術的發展，三維模型的曲面展平技術成為服裝行業研究的熱點和趨勢。三維模型的曲面展平技術能充分考慮人體各個部位的尺寸數據，更準確地解讀人體。

目前已有相關研究[8-10]證明了以三維測量數據為基礎的服裝樣板自動生成技術的可行性。但現有的三維人體模型曲面展平技術生成的“樣板”在實用性上存在不足，與實際服裝樣板相比存在一定差距，需要進一步改進。

本文在對人體進行三維掃描的基礎上，運用曲面重構技術構建三維人體模型，借助曲面展平技術[11]生成女性上體的二維矢量樣板圖，為個性化定制系統提供有利參考。

1 基于三維測量數據的三維人體模型重構

1.1 三維人體模型數據的采集

本文用非接觸式三維掃描測量方法采集三維人體模型的點云數據。非接觸式測量方法能快速準確地獲取人體表面形狀特征數據，避免測量過程中因姿勢、外在力等因素對測量精度的影響[12-13]。

非接觸式三維掃描測量采用NX-16 3D Body Scanner三維人體掃描儀(美國[TC]2公司)。實驗對象為隨機選取的一名165/86A女性，以保證完全有效地表達實驗方法。

三維人體掃描儀獲取受試者右腿、左腿、軀干、左臂、右臂、左手、右手和頭部等部分的點云數據。每個部分由二類數據構成：①三維坐標(x，y，z)逐行排列構成的順序列表矩陣;②由構成三維網絡小平面的坐標序列號索引構成的矩陣。

1.2 三維人體模型的重構

以點云數據為基礎進行曲面造型的方法被稱為曲面重構[14]。點云數據的處理是構建三維人體模型的基礎和關鍵技術之一，而構建三維人體模型是進行人體特征提取和分析的基礎和前提。本文采用逆向工程軟件Rapidform XOR3處理點云數據。點云數據的處理包括：點云數據的降噪、點云數據精簡、點云數據合并、補洞和光滑處理。

①點云數據的降噪。在掃描過程中，由于掃描設備輕微震動、掃描校準不精確、身體部位晃動以及測量系統本身影響等因素，測量數據會存在系統誤差和隨機誤差，導致測量結果重構的曲線和曲面不平滑[15]。因此降噪是保證后續準確建模的必須步驟。

②點云數據合并。合并了三維人體掃描儀輸出的頭部、左腿、右腿和軀干的點云數據，其在融合時，重疊的區域被有效地刪除，相鄰的邊界被縫合在一起。

③點云數據精簡。非接觸測量往往會得到相當大的數據量，但過多的點云數據易影響計算機處理效率。為保證計算機的處理效率，對點云數據間互相連接形成的聚面數進行精簡，在各個部位表面的平滑位置保留足夠數量的點云數據，在高曲率變化位置則保留足以保證其細部特征的點云數據數量。

④補洞。受人體站立姿勢、三維人體掃描儀感應裝置放置位置等因素影響，封裝后的多邊形三維人體模型上常會出現部位盲區，即出現不同程度的點云數據缺失等問題。因此在缺口處需以“補洞”形式構建盡可能和周圍曲面連續光滑或曲率相似的曲面，以此建造平滑的面。

⑤光滑處理。由于光學遮擋等原因，在三維人體模型上，人體大腿部、會陰部、肩部等處的表面存在局部尖銳性的突出，影響數據的精確性。所以需要對局部和整體的多面型曲面進行光滑處理，得到較順滑的重建模型,即獲得可以用于擬合與曲面展平的三維人體模型。

2 三維人體模型的擬合

2.1 人體特征點

由于人體體表曲面是具有復雜特征的自由曲面，因此三維人體模型的擬合需要對其體表曲面的頸部、肩部、腋部、胸部、腰部和臀部等部位進行定位。

人體體表特征由一定數量的特征線構成，特征線則是由人體特征點組成。特征點是指位于特征曲面之間的公共邊界處具有特殊曲率特性的數據點[16]。通常情況下，特征點的檢測依據點云數據的內在特性，比如曲率、法矢等的變化，即可找到點云數據的突出特征。

根據GB/T 16160—2008《服裝用人體測量的部位與方法》、GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般研究》以及實際條件，選取47個人體特征點，定位人體復雜曲面。該方法區域劃分合理，保證了相鄰曲面之間的內置連續性，因此能夠得到整體性能良好的曲面模型。

為了充分滿足服裝制板的需要，本文選取的47個人體特征點所在部位為：頭部、頸部、肩部、臂根部、胸部、腰部、臀部、大腿、膝蓋、小腿和手臂。此處各部位數據為三維人體掃描儀得到人體各部分點云數據的細化。47個人體特征點分布見表1。

表1 47個人體特征點分布

在嚴格遵守人體特征點定義的前提下，借助逆向工程軟件Rapidform XOR3，分別在三維人體模型上標記上述47個人體特征點，得到各人體特征點的三維坐標(x,y,z)。

2.2 三維人體模型數據與人體特征點數據的轉換

由于Rapidform XOR3中的三維坐標系與后續三維人體模型擬合軟件中的三維坐標系不同，因此需對47個人體特征點的坐標進行轉換。設Rapidform XOR3產生三維人體模型數據的坐標為(x,y,z)，轉換結果坐標設為(u,r,w)，其數學轉換關系式：

得出：

依照上述關系式轉換坐標，得到擬合所需人體特征點的坐標數據。人體體表曲面較復雜，難以通過直接展平得到可用的服裝樣板。本文基于三維人體模型，重構具有人體特征的虛擬服裝人臺，將該人臺曲面展平得到可用作服裝樣板的圖形。

Creacompo II Torso軟件(日本東麗(ACS)公司)內置可自由調節尺寸的Kjiya系列和ACS系列數字人臺。該人臺是由減少了控制點和精簡ISO后的NURBS曲面構成，為手工擬合數字人臺和三維人體模型的曲面提供便利。因此本文采用Creacompo II Torso軟件，調整數字人臺的NURBS曲面并實施曲面擬合操作。

2.3 三維人體模型的擬合

將三維人體模型轉換數據導入Creacompo II Torso軟件后，形成初始虛擬人臺。初始虛擬人臺與軟件內人臺朝向和位置大致相同。由于該軟件內數字人臺型號有限，擬合時應選取身高、胸圍、腰圍、臀圍尺寸與三維掃描得到的人體數據尺寸最相近的數字人臺。基于以上標準，選取Creacompo II Torso軟件中的kjiya_Newkypris_9AR數字人臺進行后續的擬合。該人臺尺寸信息分別是：身高160 cm，胸圍83 cm，腰圍64 cm，臀圍89 cm。

人體體型的多樣性和人臺體型的單一性，導致人體和人臺同一部位的局部形態并不相同，因此三維人體模型曲面和數字人臺曲面并不十分吻合。為得到逼近三維人體模型曲面的虛擬服裝人臺，需要在已知處理好的三維人體模型的位置，將數字人臺的曲面調整到通過或貼近三維人體模型表面的過程即為擬合過程。

當kjiya_Newkypris_9AR數字人臺與初始虛擬人臺的胸圍線(BL)、腰圍線(WL)、臀圍線(HL)分別均不在同一水平線時，需要調整初始虛擬人臺的準確位置，使其BL、WL和HL盡量靠近數字人臺的BL、WL和HL位置。在保證人體中心軸與人臺中心軸位置相同的前提下，以0.1 cm的精度上下移動初始虛擬人臺，使其中心軸與數字人臺中心軸完全相同、其三圍線與數字人臺BL、WL和HL高度對應大致相同。這樣的調整為后續擬合奠定了基礎。人體特征點導入Creacompo II Torso軟件中并調整其三維坐標，如圖1所示。

圖1 人體特征點導入Creacompo II Torso軟件中并調整其三維坐標

從圖1可以看出，調節數字人臺上每個人體特征點和空間點的三維坐標，可以達到局部擬合的狀態。上述的人體特征點和空間點(即擬合點)共計249個，擬合點有2種，第1種為2條及2條以上非均勻有理B樣條曲線(Non-Uniform Rational B-Splines，以下簡稱NURBS)[17]的交點，第2種為只在一條NURBS曲線上的點。其中NURBS常用于車輛的外形設計、人體體型模擬等領域，能夠在復雜的自由曲面設計中得到各種曲面造型的特殊效果。初始虛擬人臺與kjiya_Newkypris_9AR數字人臺擬合的目的是生成高度符合三維人體模型特征的新的人臺模型。

由于在第三方軟件Rapidform XOR3中預先處理過初始虛擬人臺表面，因此導入到Creacompo II Torso軟件中時，初始虛擬人臺表面為不可更改狀態。這種狀態為擬合過程提供良好的基底模板。擬合形成的網格曲面顯示部分為使用者提供了可調節的虛擬人臺。

基于專家建議和經驗，此初始虛擬人臺提供了：緯向線12條(前片6條，后片6條)，經向線12條(前片6條，后片6條)，維向線5條(頸部1條，臂根部1條，BL1條，WL1條，HL1條)。這29條NURBS曲線分別對應服裝用人體特征的曲線，其所組成的曲面能準確反映服裝用人體特征曲面。165/86A初始虛擬人臺擬合后的NURBS曲面如圖2所示。

圖2 165/86A初始虛擬人臺擬合后的NURBS曲面

在擬合過程中，臀圍線以上的擬合標準是NURBS曲面盡可能在或者貼近三維人體模型表面，以滿足女上裝制板對人體形狀和尺寸的需求。本文研究女上裝，對臀圍以下部位的具體需求較小，因此臀圍以下部位的前中心線以腹凸點為基準豎直向下，后中心線以臀凸點為基準豎直向下，側面位置擬合人體表面，側面到后中心線、側面到前中心線的區域保持平滑狀態即可。擬合得到的虛擬服裝人臺，保留擬合時的經向線和緯向線。165/86A虛擬服裝人臺見圖3。

圖3 165/86A虛擬服裝人臺

為驗證虛擬服裝人臺的有效性，選取虛擬服裝人臺的21項指標尺寸與人體數據進行對比。這些尺寸分別涵蓋了體表實長、高度和寬度等。165/86A人體與虛擬服裝人臺尺寸對比見表2。

表2 165/86A人體與虛擬服裝人臺尺寸對比

人體數據和虛擬服裝人臺數據的對比結果表明，絕對誤差在0.6 cm以內，相對誤差值在2.11%以內。根據服裝設計余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[18]，可知此虛擬服裝人臺的構建能夠良好的反映人體的特征。

3 三維人體模型的展平

3.1 虛擬服裝人臺的曲面展平

人體表面的復雜曲面從三維到二維的轉換，應該滿足以下要求：①展平前后，三維曲面與二維衣片的面積近似相等；②展平前后，三維曲面與二維衣片的邊界曲線長度應該一致；③展平前后，三維曲面與二維衣片的關鍵點位置互相對應。

滿足以上要求，合理的曲面展平方式能有效提高曲面的展平效果和效率。在曲面造型過程中，當曲面兩兩相交時，一般以曲面間的交線為分割邊界實施切割。這類技術在均勻變化的幾何形態明顯的曲面交互造型擁有廣泛的應用。

本文借助Creacompo II Torso軟件，在曲面不同部位繪制分割線，構成的分割線網能夠有效地進行曲面展平。

女裝原型普遍以右半身原型形式展示，且除個別特殊情況外人體左、右半身基本保持對稱狀態。為方便研究，本文以在構成面上的網格線為切開位置，展平虛擬服裝人臺的右半身曲面，得到右半身的二維矢量樣板圖。

制定分割線位置具體如下，緯向6條分割線分別為：頸圍線、肩線、胸圍線、腰圍線、臀圍線和大腿中央線(經過特征點中大腿中央點的水平線)；經向7條分割線分別為：前中心線、經過BP點的分割線、經過胸寬點胯骨突出點的分割線、體側線、經過背寬點的分割線、經過肩胛骨突出點的分割線和后中心線。165/86A虛擬服裝人臺的展平分割線位置見圖4。

圖4 165/86A虛擬服裝人臺的展平分割線位置

根據曲面展平分割線，虛擬服裝人臺的前半身分為6個部分，上下各3部分；后半身分為6個部分，上下各3部分，共計12部分。從前中心線至側縫位置，從圖4可以看出，前半身腰圍線以上部分依次為第1、2、3部分，腰圍線以下部分依次為第7、8、9部分；從后中心線至側縫位置，后半身腰圍線以上部分依次為第4、5、6部分，后半身腰圍線以下部分依次為第10、11、12部分。

由此虛擬服裝人臺右半部分被劃分為12個部分，且每個部分分別可展開。基于對每個部分在保持表面邊長不變、面積不變的前提下，進行三維到二維的轉換。每個部分以上述展平分割線為切開展平的位置，將虛擬服裝人臺曲面展平，生成不規則多邊形矢量圖形。這些不規則多邊形矢量圖形即組成二維矢量樣板圖。165/86A人體的二維矢量樣板圖見圖5。

BL—胸圍線；HL—臀圍線；CBL—后中心線；CFL—前中心線。圖5 165/86A人體的二維矢量樣板圖

3.2 160/84A人臺曲面展平

本文選擇160/84A人臺，并對人臺曲面進行展平，用于標準樣板生成規則的開發。

160/84A人臺只有軀干部分，無手臂和下肢，由于掃描儀器的需要，需要將人臺裝上假肢(用白色全開紙制作)。對于掃描得到的人臺數據，首先對其進行降噪、合并、精簡、補洞和光滑，再提取人體特征點的坐標，最后擬合得到虛擬服裝人臺。160/84A人臺的虛擬服裝人臺見圖6。

圖6 160/84A人臺的虛擬服裝人臺

根據測量得知，160/84A人臺數據與其虛擬服裝人臺數據的絕對誤差值控制在0.5 cm以內，相對誤差控制在2.36%以內，根據服裝設計余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[19]，可知此虛擬人臺的構建能夠良好的反應人體的特征。

將160/84A人臺的虛擬服裝人臺進行曲面展平，得到展平矢量圖。160/84A人臺的二維矢量樣板圖見圖7。

圖7 160/84A人臺的二維矢量樣板圖

4 結束語

本文用三維掃描技術進行人體掃描，將得到的三維人體數據在Rapidform XOR3軟件中進行降噪、合并、數據精簡、補洞和光滑處理等操作，建立了光滑的三維人體模型，重構了人體表面。基于GB/T 16160—2008、GB/T 23698—2009，挑選并提取47個人體特征點的三維坐標，實現了對三維人體模型進行特征部位的定位。通過NURBS曲面逼近三維人體模型表面的方法進行三維人體模型的擬合，獲得了符合個體特征的虛擬服裝人臺。最后，對虛擬服裝人臺模型設置緯向6條、經向7條的切割線，把虛擬服裝人臺表面按照分割線的位置進行曲面展平，得到12片二維矢量樣板圖。本文得到的二維矢量樣板圖是構建個性化服裝原型的重要依據，對實現從矢量樣板圖到服裝原型的研究奠定了基礎。后續研究可從矢量樣板圖到款式個性化版型的實現入手，針對研究現狀及行業未來發展方向，實現從三維數據到三維服裝的個性化定制。