3D人體建模技術探討

張勇 吳廷軒 何濱珂 董珂 陳洋 楊春蕾

摘要：針對手機端虛擬試衣鏡APP的3D人體建模需求，文章借鑒目前常見的建模方式，從中選擇合適的3D建模技術來構建適合于虛擬試衣鏡APP的人體模型。通過對建模方法進行表格分析得出，應選擇幾何建模與物理建模相結合的方式構建人體模型，以達到人體模型和服裝造型統一的效果。

關鍵詞：3D人體建模;幾何建模;分析;虛擬試衣鏡APP

中圖分類號：TP39

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8228（2020）09-34-03

Discussion on 3D human body modeling technology

Zhang Yong， Wu Tingxuan， He Binke， Dong Ke， Chen Yang， Yang Chunlei

Henan University of Science and Technology， School of Information and Engineering， Luoyang， Henan 471000. China）

Abstract： In view of the 3D human body modeling requirements of the mobile phone virtual fitting mirror APP， this paper refersto the current common used modeling methods， and selects the appropriate 3D modeling technologies to construct the human bodymodel suitable for the virtual fitting mirror APP. Through the table analysis of the modeling methods. it is concluded that themethod combined with geometric modeling and physical modeling should be selected to construct the human bodv model. so as toachieve the unified effect of human body model and clothing modeling.

Key words： 3D human body modeling; geometric modeling; analysis; virtual fitting mirror APP

0引言

隨著人們生活水平的提高以及互聯網的發展，網購用戶不斷增多，占據了現在極大一部分消費市場，而在網購的商品中，服裝是現代年輕人網購商品中的重要一部分。但是在選購服裝時，總會出現各種各樣的問題，如大小不合適、顏色有色差，衣服不合身等等。虛擬試衣APP的出現可以很好的解決試衣的問題。虛擬試衣APP開發中最重要的部分就是人體模型的建立，正如一臺好電腦需要一個好CPU一樣，一個好的試衣APP必須要一個好的建模方式來建立人體模型。由于手機的使用比電腦更加普及、人們的網購絕大部分也是在手機上進行的;因此，手機端的虛擬試衣鏡的需求也更加急切。

13D人體建模技術發展狀況

當今的建模技術發展已經相對成熟，而人體建模技術也已經有了大量的研究成果。下面我們對建模技術的發展與特征進行總結及對比。

伴隨著CAD技術從二維建模發展到三維產品建模，產生了線框建模，曲面建模和實體建模幾種幾何建模方式，而參數化和變量化的設計思想與特征模型的出現，為當前CAD建模技術的發展指明了方向。3D建模技術的產生最開始于線框建模，這是一種基于線框和多邊形的建模方式，之后人們在線框建模的基礎上發展了曲面建模，即在線框建模的基礎上，增加可形成立體面的各種相關數據后構成。這兩種建模方式都屬于表面建模方式，由于表面建模方式只能表達人體的表面信息，難以表達其他特性，于是人們又發展了實體建模技術。實體建模可以使物體的實體特性在計算機中得到定義。它是一個全封閉（實體）的三維形體，具有完整性和無二義性。特征參數化技術和變量化技術的出現，更為3D實體建模技術的發展提供了新的方法與思路[1]。

雖然傳統的建模方法對靜態人體的建模技術十分成功，但是卻不能準確地建立動態人體。針對這個問題，人們嘗試著將人體受到的外部環境引入到傳統的幾何建模方式中，于是出現了基于物理的建模方式，從而彌補了傳統的幾何建模方式的不足之處，得到了廣泛的應用。

2建模技術的特點及對比

2.1線框建模

線框建模是采用點、直線、圓弧以及樣條曲線等來構造三維物體的圖形表示技術。三維物體的形狀全部是由頂點與邊的集合來描述的，所以稱為線框。它只用點和線的信息來表示形體，需要定義的數據量少，定義過程簡單，是圖形學領域中最早用來表示形體的模型[2]，目前仍然在廣泛使用。許多的復雜的形體設計都是用線框建模的方法勾畫出基本的輪廓然后再進行細化，由于線框建模的存儲數據少，因此對其進行編輯修改也是非常便捷的[3]。但是，由于線框建模只用了點與線來表示形體，包含信息有限，所以這種建模方式在對人體建模時有著非常大的缺陷。

2.2曲面建模

曲面建模又稱為NURBS[4]建模，主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的數學描述。曲面建模是通過在線框建模的數據基礎上，增加立體面的相關數據后形成的。曲面建模通過不同曲線之間的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。曲面對于人體進行建模時，有以下幾種不同的具體方法。

2.2.1特征化的曲面建模

特征化的曲面建模[5]是一種基于特征及其相關尺寸的參數化建模方法。根據人體的整體結構，將人體模型劃分為幾個基本的結構特征。再根據不同結構特征和不同的幾何特征，選擇具體不同的建模方法。

2.2.2參數化的曲面建模

參數化建模[6]又稱為變量建模，它采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設計方案。

2.3實體建模[7]

實體建模是利用一些基本的體素，例如長方形、圓柱形、球形或者掃描體等通過集合運算（布爾運算）或基本變形操作生成復雜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。

2.4基于物理的建模[8]

建模技術發展到實體建模時已經將人體的幾何信息描述的基本完備。物理建模重在對人體力學及運動過程中的表達，在建模過程中引入了人體自身的物理信息和人體所處的外部環境因素、時間變量，根據人體動態運動規律，采用微分方程組的形式表達。在基于物理的建模過程中，通常采用微分方程組的數值求解方法來進行動態系統的計算。

3經典建模方法對比

以上是經典建模方式的具體概況，表2對其具體的特點與優缺點進行了總結、對比。

從表1中可以看出，線框建模的方法在對人體骨骼或者大體框架構建方面優勢明顯，適用于初始繪制人體基本構架，例如只是構建人體的基本骨架系統，或者是對人體大小的框架進行限定時使用。曲面建模方法在繪制人體表面信息方面優勢明顯，適用于在對人體表面要求比較高的環境使用，例如需要對人體表面皮膚進行研究時，可以采用這種方式。實體建模方法可以構建人體的內部，不屬于表面建模，可以對模型進行剖面操作，因此適用于某種需要剖面的環境，例如醫學人體實驗時建模。基于物理的建模則是結合了人體自身的物理特性與環境因素，適用于某些運動的人體建模環境。在使用線框建模時一般都要與其他建模技術相結合，在線框建模的基礎上運用其他的建模技術進行改進與完善。

在對人體建模時，一般都會采用基本的線框建模來進行人體的基本構架，之后根據具體的需求與應用環境，同時結合建模技術的特點來選擇合適的建模方式來對基本的骨架或者框架進行擴充。因為不同的建模方式有著不同的特點，所以在選取采用哪種建模技術需要考慮建模環境的特點和要求，并根據建模技術的適應性來改進和調整。

4結論

基于手機端虛擬試衣APP的需求，對于顧客來說是否真正符合自己的實際，是否能在試衣時顯現出最真實的自己是該APP最需要考量的。對于靜態人體模型的建立，主要是應用曲面建模技術中的參數化的建模技術，重點在于描述人體的外表面即人體的外形。為了實現人體模型動態仿真，必須從人體的物理特性并結合基于物理的建模技術來考慮。此外，虛擬試衣不僅要考慮人體模型，還要考慮人體模型與服裝模型之間的碰撞，所以在選取建模方法時，需要結合幾何建模和物理建模方式各自的優點，把最外層設置為服飾層的多層次模型，以達到人體模型和服裝造型統一的效果。

參考文獻（References）：

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[8]崔樹芹.三維虛擬試衣系統中參數化人體建模技術的研究[D].華中科技大學，2006.

收稿日期：2020-02-28

基金項目：國家級SRTP項目“‘身臨其境虛擬試衣鏡APP”（NO.201910464011）

作者簡介：張勇（1998-），男，河南省焦作市人，本科，主要研究方向：3D人體建模技術、圖像分類技術。