三維人體建模方法研究與應用

顧佳雯,周曉琪,王 軍,2,*

(1.大連工業大學 服裝學院,遼寧 大連116034;2.大連工業大學 服裝設計與工程國家級實驗教學示范中心,遼寧 大連116034)

近幾年三維人體建模的應用領域愈發廣泛,例如虛擬試衣、服裝個性化設計、服裝樣板自動生成、服裝教學、影視游戲制作、醫療醫學等方面。隨著數字化服裝的發展,建立三維人體模型也有了更多的方法,選擇恰當的工具和方式可以更高效得到具有針對性的人體模型,一個項目也可綜合使用多種建模方式來實現。但三維人體模型的建立仍存在著困難點,例如,人體表面形態復雜,并且很難滿足體表無遮擋條件;人體體表形態的呈現會隨著站姿、呼吸深度和肌肉緊張程度等不斷變化;運用在服裝方面的人體模型對身體姿態會有不同的要求等。

介紹了3種人體建模的方式,分別是基于建模軟件、三維掃描設備和二維圖像,從三者的技術特點、拓展應用和適用領域等方面進行梳理,以期為三維人體建模技術在服裝領域的應用提供一定的幫助。

1 基于軟件的三維人體建模

軟件制作的三維人體模型多運用于游戲動畫等對模型精度要求不是特別高的領域,目前市場上使用較多的建模軟件有3DMax、Maya、ZBrush等。利用建模軟件建立人體模型要求操作人員熟悉人體結構,特別關注人體身形比例和整體布線。普通人體的比例是七個頭到七點五個頭之間;人體的整體布線要均勻,疏密均勻,主要根據肌肉的走向,同時要控制模型面數,為后續切面調整做好充分的準備[1]。以Maya軟件為例建立三維人體背部、手臂和腿部的肌腱,如圖1所示。

圖1 Maya軟件三維人體部分肌腱建模示例

建模軟件常用的建模方法是多邊形建模和面片建模,不同的建模方式適用于不同的模型,以此提高工作效率和靈活性。在制作模型過程中要注意從各個方位觀察整體模型是否符合人體架構框架。

1.1 基于軟件人體建模的研究與應用

勞秀霞[2]針對被建模物體的結構特征將建模方法分為兩種:堆砌建模法和細分建模法。外形比較規則的物體,例如螺絲等零件,選擇堆砌建模法;外形不規則的物體,例如鞋子等物體,選擇細分建模法。建模時可根據建模對象結合使用堆砌建模法和細分建模法。以人體模型為例,先對整體使用堆砌建模法提升建模效率,然后對局部使用細分建模法增加模型精細度。

楊春子[3]為分析建模技術在醫學領域的應用,利用建模軟件Maya建立了一個標準男性頭骨模型。建立頭骨模型需要了解并掌握頭骨的構造,也可通過男性頭骨正、側兩張圖片輔助建模。在視野中建立的正方體上進行線段分割,調整大致輪廓,完善細節。以上步驟能制作出大致的頭骨模型,利用Shade等渲染工具能讓模型顯示更為逼真,部分操作過程及渲染后效果如圖2所示。

圖2 Maya構建標準男性頭骨模型部分過程圖及渲染后效果圖

呂珍[4]對現有技術進行改進,通過讀取3DS文件并結合OpenGL構建三維人體模型及服裝試穿。首先利用3DMax獲得三維人體及服裝模型,通過Delphi編程語言從3DS文件中提取有效的人體曲面信息,然后根據得到的數據進行人體和服裝的擬合,最終得到需要的人體和服裝模型。通過OpenGL的模型視圖變換函數可使人體模型隨意旋轉,并且利用紋理映射技術模擬不同服裝材質,方便服裝設計者多角度觀察不同面料的著裝效果。

1.2 基于軟件人體建模的技術特點

軟件建模的設計過程直觀明了,在軟件中可對模型進行編輯,提升了模型的復用率。基于建模軟件建立人體模型在很大程度上依賴于操作人員的技術,操作人員必須熟悉人體的各種形態和結構。

單純使用建模軟件很難做到完美還原人體真實數據,所以在服裝行業使用的人體模型很少直接由建模軟件建立;在軟件中修改人體數據較為方便,因此建模軟件常與其他技術結合使用來制作出更好的模型效果。

2 基于三維掃描設備的人體建模

基于三維掃描儀的人體建模是通過掃描設備對人體進行掃描,獲取人體表面的數據信息,再通過對掃描數據進一步處理重建三維人體模型。三維掃描技術在過去的幾十年里得到了顯著的改進,目前市場上已有不少3D掃描儀,例如FastScan掃描人體頭部的效果,如圖3所示[5]。

圖3 FastScan掃描人體頭部效果

根據不同的掃描儀工作原理,三維掃描儀獲取人體點云信息的方法多種多樣,例如紅外線測量法、激光掃描法、白光相位法、莫爾條紋法等,其中結合激光掃描法和白光相位法來獲取三維點云數據的方法最為廣泛,該方法具有速度快、穩定性強和準確度高的優點[6]。

基于三維掃描技術與基于建模軟件技術建立的模型存在顯著差異,前者掃描得到的模型表面是三角面片,拓撲結構也不整齊,后者是便于編輯的四邊形面片。三維掃描重建人體模型通常需要與建模軟件相配合,目前逆向建模常用的軟件有Geomagic Design X,Creo,UG以及國產軟件中望3D等[7]。

2.1 基于三維掃描人體建模的研究與應用

劉烈金[8]使用自主研發的XTBodyScan三維人體掃描系統獲得三維彩色人體模型。這項技術的關鍵是采用了散斑投射的主動測量,這樣的投射能夠使投射的散斑圖案保持較高的清晰度和均勻的亮度,便于后續特征點的搜索,提高匹配率。該系統掃描在1 s內完成,有效減少人體晃動產生的誤差,大大提升精度,但仍然存在一些不足,例如光線測量不到的部位會造成數據缺失從而形成孔洞。

SU[9]對三維掃描得到的數據進行改變組裝,用于生成個性化的圖案原型。使用SYMCAD全身掃描儀得到青年女性身體數據,研究了頸部、胸部、肩胛骨、腰部等身體特征。建立身體特征和相應元素之間的關系后將數據根據分級改變,最后將每個個性化的元素組合成一個整體,呈現出一個個性化的原型。

固定式掃描儀成本高,難以達到普及性,Kinect深度相機的出現降低了人體建模的成本,實際應用效果較好[10]。Kinect由多陣列麥克風、紅外攝像頭、RGB攝像頭和紅外發射器組成,不受光照和溫度等外界條件的影響。

王歡等[11]針對三維重建中的點云配準問題,提出一種基于點云特征的自動配準算法。首先將Kinect傳感器采集的圖像轉化為三維點云,對原始點云數據進行濾波。然后通過算法進行特征提取和查找對應點集,估計對應點對間的初始轉換矩陣,在初始配準的基礎上運用算法做精細配準。該方法降低了計算復雜度,具有較高的可操作性和魯棒性,具體算法流程如圖4所示。

圖4 基于點云特征的自動配準算法流程圖

袁仁奇[12]為提升人體建模精確度以便后續使用,將Kinect體感設備與軟硬件連接、集成,搭建面向真人的三維人體模型重建系統,系統設計原理如圖5所示。系統采用非線性模板擬合法重建出三維人體網格模型,將重建的模型以通用標準三維人體模型為模板進行姿態、體態擬合,最終得到與實際數據十分接近的人體模型。

圖5 Kinect人體掃描系統的設計原理

2.2 基于三維掃描人體建模的技術特點

基于三維掃描的人體建模技術具有精度高、速度快、非接觸測量等優點,得到的模型更加具有真實性,可適用于3D打印、影視游戲、虛擬現實等領域,尤其在服裝行業中的服裝設計、私人定制和虛擬試衣等方面發揮重要的作用。

影響三維掃描結果的因素很多,例如人體站姿與晃動、設備完成掃描的時間、軟件對特征點的識別等,因此使用三維掃描技術建立人體模型在很長一段時間內仍然離不開人工建模[13]。三維掃描技術與建模軟件相輔相成,三維掃描技術給建模軟件提供相對精確的符合人體真實數據的模型,利用建模軟件對三維掃描的不完整模型進行修補。

3 基于二維圖像的人體建模

基于二維圖像建立三維人體模型包括基于單幅圖像、立體視覺、運動相機以及深度圖像等方法。在二維圖像信息采集中,攝像頭設備采集到的二維人體圖像往往包含豐富的細節,例如衣服褶皺等紋理信息。比較三維圖形和二維圖像建模的技術,三維圖形建模方法的效率較低,使用二維圖像建模方法可以通過對圖像像素去噪濾波等操作提升效率[14]。

3.1 基于二維圖像建模的研究與應用

董鵬輝[15]利用數據驅動和機器學習,將人體圖像信息通過數碼設備錄入系統,再通過濾波、去噪等技術處理得到人體信息,生成較為真實的三維人體模型,探討了圖像建模的整體流程,如圖6所示。

圖6 基于圖像的三維重建流程圖

張廣翩[16]提出一種新型的方法,與傳統通過三維點云重建三維網格模型方法不同,只需輸入單張二維點云圖,通過設計好的一系列網絡得到最終的三維人體模型。這種基于二維點云圖像建立三維人體模型的方法,考慮到人體表面形狀復雜度的同時處理破損的二維點云,該方法對人體姿勢的要求十分嚴格,而且單張圖片獲取到的輪廓信息有限,重建出來的三維人體模型側面信息會有一定誤差。

齊曉屾[17]為展現出照片中人物的體態特征,結合線性混合蒙皮和骨骼動畫算法,在人物體態特征基礎上,建立與運動數據相結合的可驅動三維人體模型,該系統主要用于人體三維模型的重建。在需求分析的基礎上,設計了基于人體健康指數還原人物體態特征的算法,實現了數據解析、數據預處理、通用模型構建、模型調整等功能。

3.2 基于二維圖像建模的技術特點

基于二維圖像建立三維人體模型,通過對圖像像素數據進行去噪濾波、灰度檢測、輪廓檢測等操作得到人體特征信息,生成個性化人體模型,因此具有建模效率較高、成本低、運用場景多、二維數據設計運算較少等優點。該方法還存在著不少挑戰,例如由于人體復雜表面獲得的三維點云雜亂、相機自標定的問題等,會導致重建的模型精度不高,魯棒性差。

4 結語

近年來三維人體模型的應用愈發廣泛,建立三維人體模型逐漸成為研究熱點。介紹了基于建模軟件、三維掃描設備和圖像3種建模方法,分別舉出了3種技術的研究應用、優缺點及適用領域,綜述了相關領域的研究進展與發展趨勢。

現階段建立三維人體模型仍存在一些問題,例如容易受到人體著裝和特殊身形的影響、模型與真實人體數據的差距、點云數據容易缺失等。隨著技術的提升,可通過擴大人體模型庫、完善函數與算法、開發測量設備等方式解決相關問題,三維人體建模技術的成熟將會給服裝、影視等行業帶來更為廣闊的發展前景。