女性胸部形態與三維建模研究綜述

顧依然,祖瑋琳,孫 紅,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)

胸部形態是體現女性曲線美的重要部分,研究發現胸部形態受BIM值[1]、年齡、哺乳[2]等多重因素影響。在胸部形態研究領域,國內外學者對計算機圖形學、統計學等方法進行多次嘗試,主要通過特征參數、特征截面對胸部形態分類。

隨著互聯網技術的發展,三維建模技術逐漸成為計算機圖形學領域的研究熱點之一,女性胸部建模研究也隨人們對個性化的重視蓬勃發展。虛擬試衣作為未來服裝數字化的發展方向對人體模型的需求日益增多,為滿足大眾對個性化模型的需求,人體的分區建模技術也逐漸成熟。目前國內外研究者在曲面建模、圖形建模、有限元建模和虛擬試衣建模等方面進行大量探索,積累了許多高效建立個性化胸部模型的方法。

文中主要對女性胸部形態與胸部建模方面的研究情況進行分析,重點分析女性胸部形態分類、特征曲線以及胸部三維建模的研究進展與未來發展趨勢。

1 胸部形態研究

胸部研究最早可以追溯到1926年的一家澳大利亞內衣公司,該公司提出以上下胸圍為標準對女性胸部形態進行分類[3]。現代社會中女性選擇文胸時有了更高要求,制作文胸前要全面了解女性胸部特點,找出不同的形態分類標準,滿足女性對更加個性化、合體化文胸的需求。

1.1 胸部形態分類

胸部特征尺寸主要指人體胸部圍度、寬度、深度、角度等測量得到的參數,胸部的衍生參數主要有乳深寬比、胸圍差、乳房角度等計算獲得的參數,均為研究胸部形態分類的重要指標。相關研究指出,胸部的形態通常包括圓盤形、圓錐形、半球形等多種形態,僅用上下胸圍差作為參數描述胸部形態的傳統方法已經不再準確,因此需要提供更加完整、系統的參數作為描述胸部特征的依據[4]。

Rong Zheng選取456名受試者通過K-means聚類方法建立了新的文胸尺寸標準,在8個影響胸部形態的因素中提取了下胸圍和乳深寬比2個變量作為新型文胸分類標準,該研究是早期基于3D裸乳特征提出文胸尺寸系統的案例[5]。

Yu Liu收集275名受試者的原始數據,利用逆向工程軟件Polyworks提取108個測量值,經過主成分分析之后以胸寬值、乳深比值和胸圍值為特征參數制作結構更加合理的文胸,提供了一種效率更高的定制文胸方法[6]。

常麗霞對270名西部地區青年女性胸部形態進行分析,選取了身高、乳高、乳深、胸徑比等11個特征指標通過聚類分析將胸部形態細化為9類[7];之后又測量了257名女性,通過以上11個指標構建描述胸部特征的回歸方程[8]。

趙馨從河南、湖北、湖南3個地區180名青年女性數據中隨機挑選60組數據,以乳深、乳根圍等作為特征參數,將BP點到頸椎點的垂直距離/BP點到腰線的距離、BP點到領窩點的距離/乳間距、乳根圍/乳深作為胸部形態的分類標準[9]。

成恬恬分析了227名18～25歲女大學生的胸部數據,并依據現有文胸號型分類分析了實際影響乳房形態的因素;通過分析兩乳點間距、鎖骨凹處到乳點的距離,將乳房基本形態分為內斂型、中間型、外擴型;又通過乳房夾角將乳房形態分為偏高型、中間型、偏低型[10]。

劉羽對267位18～35歲女性進行三維掃描,提取了19個與乳房角度相關的測量項目,通過乳房深和乳房角將人體胸部分為9類,如圖1所示。該研究將人體側面形態和胸部細部數據進行合理結合,探索了乳房角度與胸部形態之間的關系[11]。

圖1 乳房外緣點、內緣點、乳點、乳房深示意圖

綜上所述,在對胸部形態的相關研究中,形態分類變得更加多元化,表現出胸部形態研究的個性化與多元化趨勢。目前胸部形態分類指標仍以局部參數為主,較少考慮胸部與體型整體之間的相關性。

1.2 文胸作用下胸部形態變化

文胸作為一種基礎內衣對胸部形態有一定的修飾和美化作用,穿著文胸時一些胸部的細節數據會發生變化,這些變化可以更好地探究不同文胸對胸部產生的影響,分析文胸號型、版型的適體性問題,對文胸版型結構優化設計具有重要意義。

陳敏之測量了203名20～35歲的江浙地區女性的凈體胸部和穿著常規薄款文胸的數據來研究文胸對胸部產生的變化,選擇測量19項對胸部形態影響較大的項目,將凈體與穿著文胸數據的差值與0之間做顯著性檢驗,通過降維篩選出截面變化因子、挺度變化因子、豐滿度變化因子和聚胸變化因子為影響胸部形態的4個主要因子[12]。

Jie Pei通過多元線性回歸建立凈體胸部與穿著文胸之間的聯系,將一種通過顏色反應變化程度的熱圖作為反映胸部細節數據變化劇烈程度的圖像,其中紅色橙色與原有相比數值增大,主要集中在乳房上部和兩乳房中間部位,藍色灰色部分與原有相比數值變小,主要集中在乳房下部,如圖2、3所示。試驗發現,穿著文胸后部分試驗者胸部會變得圓潤、上挺和聚攏,結構文胸的效果明顯優于柔軟文胸[13]。

圖2 穿著結構型文胸后胸部熱值圖

圖3 穿著柔軟文胸后胸部熱值圖

李婧通過研究文胸對圓盤形、圓球形和紡錘形3種不同胸部形態的塑形效果和壓力舒適性建立一種文胸推薦系統。該系統通過分析消費者胸型,從客觀角度為消費者提供適合的文胸版型款式,對女性選擇正確的文胸有一定的指導意義[14]。

余越云通過測量乳房運動前后的位置變化探究7款運動文胸對乳房振幅的影響,由于不同款式的運動文胸對胸部的防護效果不同,選取乳頭點、乳房內側、乳房外側、乳房下側、乳房上側作為測量對象,得到胸部各個方向的相對位移結果,對比不同種類運動文胸對胸部起到的保護作用[15]。

綜上,穿著文胸會使女性的胸部形態更加美觀,一定程度改善胸部的下垂情況。分析穿著文胸與凈體時女性胸部形態變化,為研究文胸對胸部產生的壓力、優化文胸版型等問題提供研究基礎。在運動時文胸可以保護胸部防止運動時振幅過大給女性帶來負擔,為研究胸部在運動中發生的位移、改善運動文胸的舒適性和合體性等問題提供數據支撐。

2 胸部特征曲線研究

胸部特征曲線是指描述胸部特點的輔助線和胸部截面曲線,分析特征曲線可對胸部細節開展更好的研究。輔助線將胸部進行分區分塊,通過細節反應胸部形態。胸部截面呈現了胸部不同位置平面的特點,更加直觀展現了胸部特征。

2.1 胸部輪廓曲線

胸部輪廓特征曲線主要為乳底截面曲線,該曲線為研究胸部邊界形態、測量乳房體積提供了研究參考,與內部的輔助線結合可以更好地研究胸部細節形態,建立胸部內部數據之間的聯系。

Hyun-Young Lee等借助三維人體測量儀對37位女性的乳房進行測量,通過研究女性胸部的形態確定使用折線法擬合乳房輪廓曲線,并以此為基礎提出了一種新的乳底輪廓形狀評判參數,該參數在判斷乳底輪廓的同時也優化了測量乳房體積的邊界,使測量的體積更接近人體情況[16]。

馬靜測量了235名18～25歲華東地區女性的35個胸部指標,通過15個輔助線和輔助點將人體進行精確劃分,如圖4所示。經過分析,胸部大小受橫奶杯弧線長、縱奶杯弧線長和胸圍差3個胸部特征參數的影響最大[17]。

Abbey Peterson使用三維軟件沿胸部輪廓將乳房基底分成12個三角形和4個扇區,如圖5所示,通過區域劃分與不規則乳房底部結合創建虛擬胸壁,分離乳房半球,計算乳房體積[18]。

圖4 分界線與坐標點示意圖

2.2 胸部截面曲線

截面曲線是平行或垂直于女性胸圍線的橫截和縱截平面,截面形態曲線與其他研究形式相比呈現的結果更加直觀,便于研究胸部特點。

侯魏通過對456名20～39歲之間女性的胸部數據進行分析,得到胸部整體形態、乳房豐滿度、乳房橫截面內側形態、乳房橫截面外側形態、乳房縱截面形態、乳房方向6個描述乳房形態的因子。分析得出胸部整體形態、乳房豐滿度為最主要的2個因子,提出以下胸圍為號、乳房豐滿度為型建立新的文胸號型標準[19]。

圖5 乳房基底分區分型

Susan P.Ashdown提取了478名美國和歐洲女性的66個胸部原始數據,構建了寬度比、維度比等特征參數對胸部進行描述。通過對胸部側面形態的研究弱化胸圍差胸部形態對描述的影響,經過分析,使用上下乳房直線長度比、上乳房直線與乳底夾角和上下乳房直線夾角作為分類標準,如圖6所示,為研究乳房側面形態提供了新思路,豐富了胸部形態的研究方法[20]。

圖6 胸部側面形態分類標準示意圖

Jie Pei提出了一種觀察胸部截面到底部距離的新方法,以胸高點頂點做垂直于乳底的直線,再沿平行于乳底的方向截取若干平面,根據距乳底的距離結合地理學知識繪制胸部等高線地圖,如圖7所示;使用網格地圖作為等高線地圖的縮略版,可以更加清晰捕捉胸部形狀的細微變化,如圖8所示[21]。

綜上所述,目前胸部特征曲線的研究成果主要應用在胸部截面形態研究和體積測量等相關領域。研究發現胸部的截面形態更多作為一種研究的輔助方法與其他方法結合使用,測量乳房體積更多使用輔助線確定胸部底面積和外輪廓的方法。

3 胸部建模方法研究

目前人體建模有線框建模、實體建模、曲面建模、混合建模等建模方法,線框建模通過人體關節點和骨骼建立基礎的拓撲關系;實體建模通過幾何體對人體進行擬合;曲面建模通過數學公式及曲線對表面進行模擬;混合型建模是對以上幾種建模方法的混合應用。由于胸部為人體曲率變化較大的部位,因此胸部建模與人體建模相比需要更多的細節數據,建模過程也有較大的難度。

圖7 胸部等高線地圖

圖8 胸部網格地圖

3.1 曲面建模

曲面建模是基于MAYA、3DMAX、Geomagic等軟件對模型進行參數化修改,在原有的多邊形建模的基礎上加入Bezier曲面、NURBS曲面等擬合曲面,可以有效解決多邊形模型的不平滑性[22]。

白玉從乳房的立體形態、豐滿程度和聚攏高聳程度三方面對胸型進行劃分,研究人體體型和胸型分類,分析胸部與周圍部位形態的關系,并在UG/Open軟件中通過NURBS曲線擬合建立參數可調節的文胸人臺[23]。

高曉曉和馬靜通過三維掃描獲得人體點云數據,應用探測曲率、構造曲面片、構建格柵、擬合曲面修正NURBS曲線模型的方法建立胸部模型[24]。

徐瑤瑤通過逆向建模直接掃描文胸模杯獲取模杯結構線,利用曲線的拐點、峰值點等調整模杯的形態,控制模杯結構[25]。

曲面建模的操作過程較為簡單,需要的點云數據相對較少,是建立模型的首選方法。目前曲面建模中NURBS曲面使用最廣泛,可以快速準確地建立人臺和胸部模型,但由于曲面函數關系的靈活性較差,在建立特殊體型的模型時較受限。

3.2 圖形建模

圖形建模主要利用點、線、面三者之間的拓撲關系,修改優化網格幾何形面片進行建模。分塊優化法可以準確且全面反映人體外形特征,結合線性回歸分析獲得人體外形主成分權重,建立含有映射關系的人體模型[26]。圖形建模可以更加自由地控制模型,在曲面建模的基礎上對細節部分進行修改,便于建立個性化的三維人體模型。

王建萍首先通過B樣條構建胸部模型,后使用Dirichlet圖形的自由變形技術在女性胸部的細節部位進行更改,實現早期的交互式個性化女性胸型數據庫的建立[27]。

修毅使用雙變形軸將復雜胸圍圍線分為若干個簡單曲線,利用迭代初始軸和角度加權平均原理分別對不同位置的簡單曲線進行變形處理[28],再將若干簡單曲線段組合為復雜的胸圍圍線,完成女體胸部模型的曲面變形[29]。

Michael W.Gopper將統計形狀模型(SSM模型)應用在女性乳房切除和重建手術中,提取逆向建模生成的胸部數據,結合主成分分析的方法將缺失的乳房形狀和體積精準還原。與原有的容積法相比,基于SSM建模的乳房邊緣和形狀更加接近病人的乳房形態[30]。

圖形建模在曲面的變化上顯得更為靈活,建立的模型更符合真實人體情況。但該方法需要龐大的點云數據作為變形依據,也需要更多的數學計算做到精準控制模型變化,故該方法效率較低,難度較大。

3.3 有限元建模

有限元模型早期在工業實踐中廣泛使用,近期作為一種新型方法在人體建模中出現,該方法與傳統建模不同的地方在于融入了材料、約束等條件,使模型具有動態變化的特征。使用有限元方法進行胸部建模時將女性胸部視為彈性體,改變彈性體的材料和受力情況以便于觀察、模擬更多的胸部動作。

Joanne Yip在網格有限元模型中加入重力條件、阻力條件和部分位移發生的偏差,確定合適的乳房系數,使用Mooney-Rivlin超彈性材料模型建立胸部有限元模型,使用該模型捕捉穿戴文胸時胸部的動態形變[31]。

Yue Sun在建立好的胸部模型基礎上加入非線性乳房材料系數,利用迭代變化來模擬乳房運動產生的變形,又使用超彈性材料開發了乳房動態模型以模擬活動過程中乳房形變,如圖9所示[32]。該方法實現將乳房的靜態和動態有限元模型結合起來,后經過優化模型建立了一種基于數值模擬的新型文胸試穿系統,驗證了有限元模型用于預測變形和接觸壓力的合理性[33]。Ruixin Liang在此研究的基礎上模擬文胸與身體之間接觸的壓力,對比不同文胸靜態接觸壓力驗證模型的合理性,為未來制作文胸提供基礎[34]。

圖9 無重力與有重力的胸部有限元模型

有限元模型因重力、環境、阻尼等外界因素有條件建立更符合實際情況的胸部模型,超彈性材料模擬胸部運動產生的位移是有限元動態建模的關鍵。該研究不僅可以用來研究胸部形態,也為未來研究胸部壓力及文胸的制作提供研究基礎。

3.4 虛擬試衣中三維胸部建模

虛擬試衣是在計算機虛擬的環境下模擬人體模型和服裝試穿情況,主要通過參數化建模、二維圖像生成、三維掃描等方法建立模型。參數化建模相較二維圖像法得到模型的效率和精確度都有提升。基于三維掃描的人體建模是利用掃描設備對人體進行掃描,獲取人體表面的數據信息,之后再經過相應的點云處理重現人體模型[35],該方法具有高穩定性和高精確度的優點。

蘇剛選擇國外比較成熟的網格光滑算法理論對人體模型進行數學幾何處理,建立4個相切的橢圓形,如圖10所示,結合橢圓的凸邊與凹邊模擬胸部截面圖像,初步擬合后加入Sqrt3細分算法對橢圓擬合進行改善,研究發現網格光滑處理提高了虛擬試衣中人體幾何模型的呈現效果[36]。

圖10 橢圓擬合胸部

顧力文對人體模型特征曲面的控制點進行二次開發,使其可以沿法線方向運動,為建立更加符合虛擬試衣需求的人體模型,控制胸圍截面的前中控制點和后中控制點對胸部等位置進行了消除人體部分凹陷結構的處理,該方法在虛擬試衣的參數化建模中滿足了不同模型的需求,提高了工作效率[37]。

Jida Huang使用層次分析法使相鄰部位的參數進行關聯,例如在逆向模型中輸入腰圍數據時胸圍和臀圍會根據腰圍數據進行修正,當維度增加時對應生成的網格面積也隨之增加。這種方法結合了線性回歸和網格細分兩種方法的優點,重現更多的人體信息,在個性化建模和虛擬試衣中建立更真實的模型,解決了部分極端情況帶來的困擾[38]。

綜上所述,目前胸部建模最高效的方法是基于三維掃描的逆向建模,三維掃描法通過收集大量的胸部數據為胸部建模提供大量細節。無論線上線下的購物方式,虛擬試衣技術的出現帶來了極大的便利,不斷完善試衣模型可以使消費者有更加個性化、科技感的購物體驗。

4 結束語

對女性胸部形態、胸部曲線及三維建模等方面的研究進展進行梳理,列舉分析國內外的研究現狀,對相關領域的研究方向和趨勢進行展望。女性胸部形態多變,研究過程中需注意胸部與身體其他部位的協調情況,使建立的胸部模型更貼近實際。目前胸部建模技術以曲面建模和逆向建模為主,有限元建模作為新興技術在胸部建模中有較大的發展空間。

胸部作為女性體表曲率變化最大的部位之一,也是女性最重要的體型特征之一,研究構建胸部模型十分必要。現有的胸部模型大多以人體模型為依托,細節的精確程度較差,后續研究可挖掘影響服裝穿著效果的關鍵部位以及胸部間各細節數據,構建參數化胸部模型。目前大多胸部模型應用在文胸制作、文胸壓力測試、胸部位移等研究中,未來研究將向著定制化、數字化的趨勢發展,建立適用于虛擬試衣的胸部模型,提升消費者線上購物的體驗感。