面向服装设计的人体建模及人体参数化

2)特征识别 人体特征信息包括特征点 、特征线 、特征面 。这些特征信 息是根据人体测量学来定义的 。人体特征信息不仅是人体参 数化的重要元素 ,而且也是服装参数化的重要参考元素 。下面 给出一些定义 : 特征点 ———用于标志测量位置的界点 ,也称为测点 ,如喉 结节点 、肩峰点等 。 特征线 ———用于标志测量截面的位置 ,如腰部特征线 、胸 部截面线等 。 特征面 ———用于标志人体表面的曲面特征 ,如女性乳房特 征面 、臀部特征面 、肩部特征面 ,这三个部位可以对应乳罩 、内 裤 、垫肩三种服装饰件 ,这些部位是不能单单用特征点或者特 征线来标志的 。 这三种特征信息是按照点 、线 、面层次逐步精细表达人体 曲面特征 。人体特征识别就是要从点云数据中提取这三种特 征信息 。人体特征点获取可以有两种方法 ,手工指定或者自动 提取 。两种方法各有利弊 ,可以结合使用 。随后 ,特征线根据 特征点和相关截面得到 ,特征面信息则是利用人体切片的曲面 重建技术得到 。 人体切片技术是特征识别的关键技术 。对人体从头到脚 做不同方向的切面 [9 ] ,切面的设置参见图 4 ( b) 。如图所示 ,所 有的切面都平行于 XO Y平面 。截面的疏密可以根据変步长技 术来设定 [10 ] ,结合特征点所处位置与人体高度的大致比例 ,在 没有进入特征点区域时采用大步长搜索 ,在接近特征点区域时 减小搜索步长 。 在得到一系列人体切面环后 ,首先找到特征点所在的切面 环 ,然后在切面环上搜索特征点 。一般地 ,特征点所在的切面 环的特征比较明显 ,如腰部的封闭环尺寸比其邻近切面环的尺 寸都要小 ,人体的胯部特征点是位于人体对称平面上 。也有特 征点不用搜索切面环即可直接得到 ,如乳头点等 。类似地 ,其 他切面环都依据一定规则搜索 [9 ] 。图 4 ( c)给出了全身人体模
第 26卷第 8期 2009年 8月
计算机应用研究 App lication Research of Computers
Vol. 26 No. 8 Aug. 2009
面向服装设计的人体建模及人体参数化 3
陈 龙 1 , 吴恩启 1 , 陆国栋 2
(1. 上海理工大学 机械工程学院 , 上海 200093; 2. 浙江大学 CAD&CG国家重点实验室 , 杭州 310027)
Abstract: This paper acquired human body surface model by surface reconstruction method and then parameterized and de2 formed. D ivided reconstruction p rocess into two step s including p retreatment and surface generation. U sed the technologies in2 cluding human body cut loop and surface smoothing to get body surface and parameterized model. App lying interpolation and sizes deformation onto the parameterized model, acquired custom ized o r serialized human body model, and then these models would support 3D garment design very well. Key words: body modeling; body parameterization; feature recognition; surface reconstruction
人体模型的表达与建构经历了线框模型 、实体模型 、曲面 模型 、物理模型 [1 ]多个阶段 。曲面建模是目前最常用的一种 人体建模方法 [2 ] ,物理模型则为满足动画和仿真效果的要求 而提出 [3, 4 ] 。三维人体模型是三维服装 CAD 系统的基础 。服 装人体建模是一个复杂曲面的几何造型 、参数化设计和运动仿 真的综合问题 。当前 ,服装人体建模有多种分类方法 。如果按 照表达方法分 ,主要有人体特征建模 、人体参数化建模 、人体多 面体建模 、人体表面建模 [5, 6 ]四种 ;如果按照建模方式分 ,又可 分为创建法和重构法 [7 ]两类 。
型的几个主要特征点 。 在特征线得到以后 ,连接相关的特征点 ,就可以得到特征
线 ,如图 4 ( d)所示 。
1 三维人体模型构建 1)三维人体模型表面切片与分区 首先通过切片得到人体模型重建的网格点 。这里的切片
不同于特征点搜索中的切片 。切片的密度决定人体表面精度 , 但不能太密 ,否则会影响速度 。由此在人体表面变化较大的部 分采用较大的密度进行切片 ,其余的部分采用较小的密度进行 切片 ,如图 5 ( a) 所示 ; 同时必须保证切面环要 经 过 某 些 特 征点 。
a)将模型对齐坐标系 。前视图中人体模型的正面正对用 户 ,模型的高度方向与 Y轴平行 , 模型宽度方向与 X 轴平行 , 模型厚度方向与 Z轴平行 。
b)平移模型使得人体几何中心和坐标中心重合 。求取模 型所有顶点坐标平均值即可得到模型的几何中心 ;然后进行平 移变换 ,使得人体几何中心与坐标原点重合 。
对人体切片操作后 ,得到一系列初始切面环或者切面线 段 ,也称为等值环 。对于初始切面环 ,找出切面环的前 、后 、左 、 右四个极限位置 ,把切面环分成四段 ;然后对每一段进行等距 离均值采样 ,使每一小段切面环上点的个数相同 。对于切面线 段 ,直接进行等距离均值采样得到点 。
人体表面曲率变化较大部位若在单一的整个网格曲面上 表示将会为曲面造型和编辑带来大量不便 ,采用分片技术则可 以降低难度 。可以将人体表面分为 16 个区域 ,如图 5 ( b)所 示 。其中 , 10、13、14、15、16这几部分对于服装造型作用不大 , 故被截去 。
Human body modeling and parameterization objecting to garment design
CHEN Long1 , WU En2qi1 , LU Guo2dong2
( 1. U n iversity of S hangha i for S cience & technology, S hanghai 200093, China; 2. S tate Key L ab of CAD &CG, Zhejiang U n iversity, Hangzhou 310027, China)
由于人体模型的切片连续性 ,分片区域边界网格点为两 区域面片共有 ,故这些子面片无须拼接 ,从而得到最终排列规 则 、整齐有序的人体网格模型 ,如图 5 ( c)所示 。
第 8期
陈 龙 ,等 :面向服装设计的人体建模及人体参数化
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2)三维人体模型的表面光顺 为了达到较好的人体外观效果 ,需要对三维人体模型进行 局部光顺处理 。尽管目前有较多的曲面光顺算法 [11 ] ,人体模 型由等值环连接而成 ,对三维人体的局部光顺可以转换为对等 值环的光顺 ,即使得等值环上邻边夹角不小于某阈值 ,如果夹 角小于阈值 ,则调整夹角处的顶点 。 特征尺寸由等值环来表征 。对等值环的修改会改变特征 尺寸 ,由此需要依据特征尺寸变形等值环 。可以由以下步骤来 执行变形过程 : a)计算特征环的中心点 Pcen。 b)计算特征线尺寸与等值环尺寸的比值 β。 c)以 Pcen为基准 ,对等值环上所有顶点沿其径向缩放 β 倍 ,每个顶点的径向方向为当前点和 Pcen的连线方向 。 d)重复步骤 a) ～d) ,直到特征线尺寸与等值环尺寸的误 差小于给定的阈值 。
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计算机应用研究
第 26卷
1 三维人体模型预处理 三维人体模型的预处理分为坐标调整 、人体特征识ห้องสมุดไป่ตู้两个
步骤 。若人体点云数据太多 ,也可在预处理中增加简化步骤 。 1)坐标调整 规范三维人体的坐标表达 ,并为服装设计提供定位基准 ,
如图 3所示 。根据 GCAD 中的习惯 ,可以如下确定 :以屏幕的 左右为 X 方向 ,上下为 Y 方向 , 垂直屏幕向外为 Z 方向 , 坐标 系满足右手法则 ,前视图为 XO Y 投影 , 侧视图为 YO Z 投影 , 俯 视图为 XO Z 投影 ,轴测图为人体模型运动的三维空间视图 。 然后按照以下步骤调整人体模型 :
本文采用重构法 ,从人体扫描点云数据中利用曲面重建技 术 ,通过对人体扫描模型和人体标准模型的点云数据的预处理 和曲面构建过程 ,得到参数化的人体模型 。然后 ,对人体参数 化模型做尺寸变形和模板插值两种参数化变形方法 ,可以得到 系列化的 、个性化的人体 ,从而很好地满足了服装设计的人体 模型需求 。
切片技术得到人体模型所有网格顶点 ,分区技术则将这些 网格顶点分在不同的区域 。接下来的任务就是将这些顶点连 接构成网格曲面片 ,如图 6所示 。分区技术得到的每个区域就 是一块曲面片 ,这些曲面片可以分为三类 :第一类为筒状结构 曲面 ,如图 5 ( b)中的 1 ～3、10、13 ～16 面片 ;第二类曲面片为 四边曲面片 , 如图 5 ( b)中 4～9的曲面片 ;第三种类型的曲面 展平后形状类似三角形 ,称之为三边曲面片 ,图 5 ( b)的 11、12 即为此类曲面片 。各种曲面的拓扑建构方法参见图 5。图中 , 除边界边 ,实线和虚线表示两种拓扑连接 。
人体模型构建
作为人体参数化造型与变形的依据 ,也作为服装造型的依据 。 利用曲面重建技术 ,将人体曲面分片构建 ,从而得到既具有尺 寸信息 ,又具有特征信息的人体模型 。其流程如图 1所示 。
1 三维人体扫描模型 随着激光扫描技术的发展 ,实际人体扫描成为可能 。目前
主要有两种数字化方法 [8 ] 。用于服装造型的人体主要有两 种 ,即标准模型和扫描模型 。标准模型来自于服装行业的石膏 等人体 、人台模型 ;扫描模型则是对实际人体模型进行扫描 。 由于实际人体模型千差万别 ,造成扫描得到的模型差别也非常 大 ,如图 2 所示 。对扫描模型的处理是人体重建法的重点 。