數(shù)字化人臺建模研究進展

黃 哲,潘 力,2,*,王 軍,2,姚 彤,2

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院,遼寧 大連116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計與工程國家級實驗教學(xué)示范中心,遼寧 大連116034)

近年來,服裝產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟增長中不可或缺的一部分,在建設(shè)紡織服裝強國目標的推動下,我國服裝行業(yè)正朝著科技化、信息化、可持續(xù)的方向發(fā)展[1]。隨著消費者對服裝舒適性和個性化需求的提升,服裝企業(yè)對私人定制服裝的設(shè)計與生產(chǎn)需求日益增長。立裁人臺是服裝設(shè)計與制作中常用的重要工具[2],但現(xiàn)有的立裁人臺規(guī)格已較難滿足服裝個性化設(shè)計的需要,且人臺的制作目前主要是采用傳統(tǒng)的手工方法,特定規(guī)格人臺的再制作會大大降低服裝設(shè)計與加工的效率。因此,建立能夠滿足個性化服裝設(shè)計與人臺快速制作等需求的數(shù)字化人臺模型愈發(fā)重要。

本文基于國內(nèi)外人臺建模的研究進展,分析了人臺建模與人體建模的差異,總結(jié)了人臺建模方法的特點及優(yōu)缺點,并對人臺建模研究未來發(fā)展前景進行了探討。

1 人臺建模與人體建模的區(qū)別

1.1 人體建模

三維人體建模技術(shù)融合了計算機視覺、計算機圖形學(xué)、人體工程學(xué)等多門學(xué)科,是利用計算機來模擬真實人體,并以三維立體的形式真實展示人體模型的數(shù)字化建模技術(shù)[3]。作為計算機人體仿真的一部分,三維人體建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用在影視人物制作、游戲角色建模、人機工程、醫(yī)學(xué)研究以及服裝行業(yè)中三維立體縫合、三維服裝展示、虛擬試衣等方面[4-5],其建模過程中主要是尋求整體的比例關(guān)系,通過確定人體特征部位來建立特征圍度間的比例關(guān)系進行建模。

1.2 人臺建模

人臺能夠反映人體的體型特點,是對人體體型的再現(xiàn),但其并不等于人體,人臺只是根據(jù)號型規(guī)格劃分的一類人體體型特征的代表,經(jīng)過修正美化后得到的人體軀干模型[6],故而二者在建模方法的運用上是存在差異的。常見的服裝設(shè)計用立裁人臺有上、下半身人臺及全身人臺等,如圖1所示。

圖1 常見的服裝設(shè)計用立裁人臺

隨著企業(yè)生產(chǎn)對服裝舒適性和個性化要求的提升,三維人體建模在單量單裁結(jié)構(gòu)設(shè)計和個性化人臺生產(chǎn)等方面缺乏實用性,因此在三維人體建模技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步考慮將人體特征部位對應(yīng)到人臺上,形成在整體比例關(guān)系下可對特征部位單獨再調(diào)整的、能夠滿足服裝立體裁剪設(shè)計要求的三維人臺模型,三維人臺建模技術(shù)便由此產(chǎn)生。三維人臺建模更加符合企業(yè)生產(chǎn)的特定需求并隨著方法和功能的更新,成為當前服裝行業(yè)中研究的熱點問題[7]。人臺建模與人體建模的主要區(qū)別見表1。

表1 人臺建模與人體建模的區(qū)別

2 人臺建模的方法

建模方法主要分為幾何建模與物理建模兩種。人臺建模的實現(xiàn)主要運用幾何建模中的線框建模、實體建模、曲面建模和新發(fā)展起來的圖像建模。

2.1 線框建模

線框建模是采用點、直線、圓弧、樣條曲線等構(gòu)造三維物體的圖形表示技術(shù),是CAD幾何造型技術(shù)發(fā)展過程中最早應(yīng)用的建模方法[8]。線框建模在早期的建模研究中被廣泛使用,Sun Mi Park等[9]利用獲取的三維人體點云數(shù)據(jù)進行多功能人臺的研究,根據(jù)線框建模的原理,通過自由變形建立基于平均線框的虛擬模型,在標準人臺上加放不同服裝類型的最小松量得到松量人臺模型,根據(jù)松量人臺模型與標準人臺模型的差值,得到松量模型外殼,將外殼由三維轉(zhuǎn)變成二維紙樣,最終可獲得不同服裝類型的松量外殼,并制作成多用途人臺。楊陽[10]以Sun Mi Par k等的研究方法為基礎(chǔ),將獲取的不同特征圍度層截面點云連成曲線,再將曲線封閉建立截面,最后采用Sketch up曲面放樣工具,完成由特征截面到實體模型建模,進而建立外套用松量人臺系列模型。董會元[11]通過對女性腰臀部的形態(tài)特征進行分析,結(jié)合三維掃描數(shù)據(jù),提取反映腰臀特征的特征參數(shù),選定特征曲線及特征點,利用三次樣條曲線對過特征點的特征曲線進行擬合,構(gòu)建人體線框模型,再利用UG軟件二次開發(fā)功能,實現(xiàn)腰臀部參數(shù)化人臺模型的建立。

線框建模采用簡單的圖素構(gòu)建物體的三維模型,所包含的數(shù)據(jù)量少,且模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理算法也相對簡單,易于修改和保存,多用于簡單模型的構(gòu)建與評價。隨著建模技術(shù)的發(fā)展,線框建模常被作為輔助手段,結(jié)合其他建模方法進行改進與完善,可以解決人臺建模研究中出現(xiàn)的模型無法自動消隱、無法進行剖面處理等問題。同時,線框建模作為實體建模與曲面建模技術(shù)的基礎(chǔ)仍是不可忽視的[12-13]。

2.2 實體建模

實體建模是通過定義基本體素,并對這些體素進行集合運算或變形操作從而生成復(fù)雜幾何體的建模方法。實體建模一般包括兩方面:一種是體素,如長方體、球體與圓柱體等的定義與描述;另一種是體素之間的集合運算,通過交集、并集或差集等將簡單的幾何體進行組合得到新的復(fù)雜形體。其表達方式主要有4種:體素分解表達法、構(gòu)造實體幾何法、邊界表達法、多面體建模法[14]。李宋明[15]采用實體建模中的多面體建模法,利用Poser軟件獲取包含能夠生成三維男性人臺數(shù)據(jù)點的OBJ文件,通過動態(tài)數(shù)組技術(shù)處理保留三維坐標值和法向量,最后在VC++環(huán)境下,結(jié)合Open GL建模軟件,使用三角網(wǎng)格平面建立了男性半身人臺模型。

實體建模相比于線框建模增加了模型實心部位的表達,信息更加完善,可以得到無二義性的描述,實體建模還儲存了幾何信息和拓撲信息,可以實現(xiàn)自動消隱,使人臺展示效果更加真實。

2.3 曲面建模

曲面建模是通過頂點、邊和表面3種幾何元素及其相互間的拓撲關(guān)系將復(fù)雜的物體分成不同的曲面,最后通過曲面的拼接得到物體模型的建模方法。常用的曲面建模方法有:三角曲面片造型法、代數(shù)描述法和散亂點插值法[12]。而目前,在三維人臺建模研究中較為成功并獲得廣泛應(yīng)用的方法是代數(shù)描述法中的貝塞爾(Bezier)曲面法、B樣條曲面法和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面法。

近年來,曲面建模法已成為人臺建模研究中主流的建模方法。白玉[16]對女性的胸型進行細分,對文胸的特征點、特征曲線進行分析,并明確與文胸特征對應(yīng)的人體特征點與特征曲線,最后采用網(wǎng)格曲面的建模方法,在UG軟件中通過UG/Open GRIP語言建立不同胸型的參數(shù)化人臺。Rongqi Chen[17]提出了一種基于特征曲線的三維人臺曲面重建方法,應(yīng)用逆向工程技術(shù)掃描人臺模型,通過特征曲面分割提取代表形狀特征的網(wǎng)格點,最后利用B樣條曲面重建三維人臺模型,同時采用了最小能量法來提高所建人臺模型的質(zhì)量。余張君[18]通過掃描穿著旗袍的中老年女性獲取樣本點云數(shù)據(jù),利用SPSS分析旗袍用人臺松量分布規(guī)律,最后采用NURBS曲面建模方法在MATLAB中建模得到旗袍用人臺仿真模型。

曲面建模增加了對模型表面信息的描述,也能實現(xiàn)自動消隱,使人臺模型更加形象、逼真。同時,曲面建模法是構(gòu)建參數(shù)化人臺模型的重要手段,與計算機編程技術(shù)相結(jié)合,可以建立能夠隨輸入的參數(shù)值變化的數(shù)字人臺模型。

2.4 圖像建模

圖像建模是根據(jù)拍攝的樣本正、側(cè)、背等一系列照片,通過圖像差分、二值化和去噪等圖片處理技術(shù)獲取樣本的外形輪廓、截面線、特征尺寸等信息,最后結(jié)合建模軟件構(gòu)建三維人臺模型的建模方法,其過程如圖2所示。圖像建模法應(yīng)用的主要技術(shù)有:基于樣本照片的特征參數(shù)提取,樣本尺寸數(shù)據(jù)的二、三維轉(zhuǎn)換,基于特征尺寸和特征曲線的三維人臺模型構(gòu)建等[19]。

圖2 圖像建模過程

圖像建模是目前國內(nèi)外建模研究中探索的熱點方法之一。蔡劍[20]通過拍攝人體正、側(cè)面照片利用數(shù)字化圖像處理算法提高獲取尺寸數(shù)據(jù)的準確度,并效仿日本DressingSim LookStailor X全數(shù)字化服裝設(shè)計軟件,結(jié)合Open GL軟件,在VC++環(huán)境下,對獲取的標準尺寸人體模型進行編輯和修改,采用層片分割技術(shù),形成標準實驗人臺模型,建立三維服裝人臺參數(shù)化建模系統(tǒng)。陳利珍[21]采用二維非接觸式測量方法,對實體人臺進行180°拍攝,然后根據(jù)立體視覺原理將提取的二維坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標數(shù)據(jù),最后在MATLAB中基于人臺曲面模型建立了個性化三維人體模型。

而在國外學(xué)者的研究中,他們主要將圖像建模法應(yīng)用在人體建模研究方面。Adrian Hilton等[22]早在2000年提出了基于圖像的三維人體建模技術(shù),后來In Yeop Jang等[23]提出了一種二維到三維的轉(zhuǎn)換方案,利用單個深度圖像和多個彩色圖像來生成三維人體模型,并通過去除遮擋區(qū)域中多余的三角形和填充相應(yīng)的空洞解決了單目攝像機拍攝的圖像中的自遮擋問題,提高了三維人體模型的視覺質(zhì)量。

相比于價格高昂的三維人體掃描設(shè)備,圖像建模法基于照片獲取樣本的特征尺寸信息,在一定程度上降低了測量成本,且二維數(shù)據(jù)更易于處理,可以提高建模效率。由于圖像建模法正處于探索階段,因此也存在著一些缺陷,如對照片的拍攝環(huán)境要求嚴格、建立的模型存在較多噪點等[24]。

綜上所述,將人臺建模方法的特點及優(yōu)缺點進行歸納和總結(jié)(表2)。

表2 人臺建模方法對比

從表2中可以看出,線框建模法在人臺模型基本框架構(gòu)建方面具有明顯的優(yōu)勢,適用于繪制人臺特征圍度層曲線,或者對人臺大小的框架進行限定等;實體建模法不屬于表面建模,它可以建立物體內(nèi)部結(jié)構(gòu),并可進行剖面處理,因此更適用于人體建模研究中那些需要剖面實驗的建模;曲面建模法增加了對表面信息的描述,而人臺建模主要是構(gòu)建物體的表面模型,因此采用曲面建模法可以獲得更佳的仿真效果,同時曲面建模法可以應(yīng)用在參數(shù)化建模中,建立可調(diào)節(jié)的參數(shù)化人臺模型;圖像建模法實現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,在一定程度上可替代三維人體掃描設(shè)備進行樣本數(shù)據(jù)的采集,是學(xué)者們研究的熱點建模方法,但目前采用圖像建模法建立的三維模型尚存在噪點、空洞、特征部位匹配誤差等問題,有待改進。

不同的建模方法具有不同的特點,所以在選擇建模方法時需要考慮人臺模型的特點和要求,并根據(jù)建模方法的適應(yīng)性來改進和調(diào)整。

3 人臺建模研究未來的發(fā)展趨勢

3.1 建立人臺模型數(shù)據(jù)庫

前沿的三維人體掃描設(shè)備和圖像建模技術(shù)都能夠快速準確地獲取人體的尺寸數(shù)據(jù)信息,但并未建立完善的人體數(shù)據(jù)體系,未來可以按照年齡、身高等指標對不斷累積的數(shù)據(jù)進行分類并建立人體數(shù)據(jù)庫,這樣無論是人臺建模研究,還是人體建模研究,都擁有了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時,可根據(jù)各類別的平均體模型建立對應(yīng)的人臺模型數(shù)據(jù)庫,在出現(xiàn)相似體型時便可直接調(diào)用和修改,可縮短建模時間,也可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3.2 3D打印人臺

參數(shù)化人臺模型是目前數(shù)字化人臺建模的主要研究方向,但只停留在通過建立人臺模型特征參數(shù)間的整體數(shù)學(xué)關(guān)系實現(xiàn)模型的變化階段,不可進行局部優(yōu)化調(diào)整。未來可以結(jié)合計算機編程技術(shù)建立能夠在特征參數(shù)整體變化關(guān)系下可進行每個特征參數(shù)單獨再調(diào)整的數(shù)字化人臺模型,并利用此方法對人臺內(nèi)膽進行參數(shù)化設(shè)計,使其能夠根據(jù)輸入的參數(shù)進行變化,并可進行局部修改,再結(jié)合3D打印技術(shù)打印人臺內(nèi)膽,最后附上外層材料進行立裁人臺制作。3D打印人臺可以推廣和應(yīng)用到個性化人臺的大規(guī)模生產(chǎn)中,具有良好的市場潛力和發(fā)展前景。

4 結(jié)語

以數(shù)字化人臺建模為中心,分析了人臺建模與人體建模的不同之處,并結(jié)合國內(nèi)外人臺建模研究進展對人臺建模方法進行了歸納和總結(jié),最后闡述了人臺建模研究有待解決的問題和未來發(fā)展趨勢。數(shù)字化人臺建模是多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的融合,其關(guān)鍵在于建模方法的選擇。在選取建模方法時,要綜合考慮各建模方法的特點及優(yōu)缺點,并結(jié)合研究的實際目的與需求,選擇一種或多種方法相結(jié)合的建模方式,達到最佳的人臺建模效果。同時,人臺模型數(shù)據(jù)庫的建立和計算機編程技術(shù)輔助建模,可以使數(shù)字化人臺建模研究的體系更加完善,并有助于服裝加工企業(yè)和人臺制作企業(yè)實現(xiàn)高效生產(chǎn)。