三维人体与服装仿真建模技术综述

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1、三维人体与服装仿真建模技术综述摘要：三维人体及服装建模始终是计算机图形学和服装CAD领域的热点和难点1。 三维人体建模作为计算机人体仿真的一个组成部分，一直是人们研究的热点之 一。自交互式计算机图形学诞生之日起,就有学者不断探索计算机人体建模技术 2。在服装CAD、网络虚拟试衣、三维人体动画和游戏等应用领域，都面临着如何 解决真实人体与服装的三维重建问题，即人体与服装的真实感虚拟建模3。随着 计算机技术的发展，以计算机为工具绘制三维效果图和款式图成为主流，极大地 提高了设计效率目前三维动画软件在平面设计产品设计建筑装潢影视动漫等领 域已经开始广泛应用三维数字技术作为设计表现的一种新的手段4,使

2、设计师能 更好地理解和感受产品的功能形态空间色彩人机关系，是体现设计师设计思想和 设计方案的最有力手段；能以最直观的方式向消费者表达设计创意，具有传统设 计方式无法比拟的优势5 ,三维服装设计逐渐成为一个必然的趋势。关键词:三维人体服装建模三维服装人体仿真openglCAD目前绝大多数服装企业服装设计的过程大致是：构思绘制服装效果图（人体和服装）服 装制版（手工或者服装）裁剪缝制样衣模特试衣提出修改方案其中最为耗时的部分就是服 装样衣裁剪缝制和试衣的过程，这个过程也需要消耗一定的人力和物力，是服装设计环节中 成本较高的部分根据三维动画软件的三维仿真功能，我们试图利用三维软件在数字化三维人 体上

3、创建三维数字化服装，通过三维数字化服装的仿真模拟，检验服装设计方案的合理性, 从而取代传统的服装设计过程利用三维动画软件进行服装设计，其工作过程为：构思三维数 字化人体建模三维数字化服装展示提出修改方案显而易见，利用三维模拟进行服装设计工作 过程相对于传统服装设计过程流程短成本低效率高为验证此方案的合理性和可行性，通过试 验重点研究两个方面的内容：一是高效地建立三维数字化人体模型的研究；二是三维数字 化服装的研究建立适合服装设计的数字化，人体模型研究数字化。6人体模型是三维服装设计表现的基础,因此在三维服装设计中首先要解决的是高效的个 性化数字人体建模问题由于服装设计表现允许服装人体具有一定的

4、艺术变形和夸张，所以选 择三维来建立人体的三维数字化模型，是一种简单高效的方法，所获得的人体模型美观艺 术感强，完全能满足服装设计的需要但是用三维人体建模是一项技术难度较高的工作，还要 耗用很多时间，效率较低，不能满足服装设计高效率的要求服装设计学是横跨科学技术和艺术的综合性学科，利用新技术实现设计思 维的表达，提高服装设计效率是服装设计学一个重要的研究方向传统以纸笔为工 具，手绘服装效果图和款图，进行服装设计思维的表达；服装三维建模为服装个 性化定制提供基础基于人体模型7，已有多种三维服装建模方法这些方法如果按 照服装模型表达的方法来分，可以分为：曲面参数化精确表达的建模方法、曲面 网格表达

5、的建模方法、曲面物理表达的建模方法三种8。如果按照服装模型建构 的方法来分，又可以分为特征造型曲面重建、草图交互修改、自由变形等9, 多种方法服装模型的编辑和修改则为服装个性化定制提供手段其方法主要有草 图交互修改自由变形技术和参数化变形技术、参数化技术由于其无可比拟的优 势，已在多个领域的产品设计中得到广泛应用，而将参数化技术引入服装设计领 域最近也得到部分学者的注意10真实感服装设计技术关键在于充分考察影响服装款式造型的外观因素，设计师要对 设计对象具备深刻的理解，如服装面料特性所带来的悬垂感和飘逸感，服装穿着特性所带来 的褶皱和凹凸层次感，光照条件所带来的明暗和色彩的诸多变化等.11传统

6、的织物设计与织 物的应用是分离的，人们无法预见织物的真正着装效果，这给消费者和设计师带来了很大的 局限性计算机技术的飞速发展,使计算机辅助设计成为可能通过具有较好真实感的织物 三维着装仿真系统，可以对不同织物进行服装穿着仿真演示.要生成一个高质量的三维真实 感图形，尤其对于具有复杂形体的人体和服装来说是一项相当复杂的工作.其中的关键技术 包括：几何建模、隐藏面消除、浓淡处理与生成纹理效果等2 三维人体数据库的建立与研究应用三维人体测量系统，从人体扫描图像表面提取测量数据的准确性已经得到了科学验证。 大量的、准确的人体数据是相关产品设计研究的依据和基础，建立基于三维测量的人体数据 库具有重大意义

7、。随着三维人体扫描仪的开发与应用，20世纪90年代，世界各国纷纷开展 了大规模的三维人体测量项目，建立了具有一定规模的三维人体数据库。如日本的HQL、 美国的Size US、英国的Size UK、韩国的Size KOREA等；CAESAR项目建立了涵盖美国 与欧洲多国的大型三维人体数据库。目前，日本已经开展了第二次大规模三维人体测量项目， 更新已有的人体数据库；欧洲推出了以服装人体数据库更新和服装工业革新为目标的“e - Taylor ”项目。我国在人体数据库方面的研究尚处于起步阶段，建立具有一定规模的三维 人体数据库已成为服装技术与产业数字化快速发展的关键。2006年，由中国标准化研究院 组

8、织的人类工效学国家基础数据及服装号型标准研究子项目完成了我国417岁未 成年人的人体抽样测量工作，样本量达两万余人。东华大学与西安工程大学开展了三维测量 数据库模型、数据表示与交换规范及三维人体数据管理系统等方面的研究工作，推进了我国 三维人体数据库系统的建立与完善。人体体型分析与识别研究人体体型的划分是服装号型标准中一个很重要的问题，体型的划分方法关系到号型覆盖率的 大小和号型标准三维人体测量技术的发展与推广应用，使基于此项技术的数字化服装应用技 术研究发展迅速。本文全面分析了基于三维人体测量的人体数据库建立、服装人体体型分析 识别、三维人体建模、三维服装CAD、服装批量定制等数字化服装相关

9、应用技术研究的现 状与发展13。现行的服装号型标准中，人体体型分类的方法主要有4种：以胸腰差为划分 依据，以胸臀差为划分依据，以标准臀围和臀围差划分，以身高、体重、胸围和年龄划分。 2.2体型分类研究情况完善的三维人体数据库提供了更加准确丰富的样本信息，扩展了体 型细分研究的空间。加拿大基于CAESAR三维人体数据库，开展了三维人体扫描模型修复、 数据自动提取、数据主成分分析、体积分析等方面研究工作，最终实现了成年男子体型的细 分与自动识别。国内研究者针对不同样本群体，在现行服装号型标准基础之上，提出了模糊 C均值聚类、核Fisher自动判别、基于SVM、基于躯干体积指数等体型分类与识别方法。

10、2.3服装档差及原型修订基于三维测量的体型细分研究进一步推进了服装档差、服装原型 等方面的研究工作。辽东学院提出了更适合东北地区1824岁女青年体型特征的新档 差；东华大学重新修正了“东华原型”。14服装三维人体建模三维人体模型的建立是三维服装设计和虚拟服装展示的基础，是复杂形体几何造型、参数化 设计和运动仿真的综合问题。服装三维人体建模主要有曲面建模和基于物理建模两种方法。 服装三维人体测量技术的应用极大地推进了服装三维人体建模技术的发展，国内外研究者在 服装人体建模领域展开了广泛深入的研究150日本三重大学基于三维人体扫描数据和几何建 模技术，通过对扫描人体体表进行标记点、分割线预处理，建

11、立精确的静态人体模型，用于 服装设计；中山大学针对三维服装仿真对多样性人体模型的需求，研究了个性化三维人体 建模方法浙江大学应用神经网络技术，提出了基于截面环求取三维人体模型的建模方法， 实现了由关节点驱动的人体动态建模；西安工程大学基于自制人体扫描系统，采用三角 面片法构建了三维人体表面模型。三维服装CAD技术三维服装CAD系统是建立在三维人体模型上的，它可以集成和综合尺寸信息提取、服装设计、虚拟试衣、动画模拟及基于互联网的订做、销售和 展示等技术。三维服装建模服装模型大体可分基于几何的模型、基于物理的模型 和混合模型等3类17。目前，国内外相关研究主要集中在服装模型自动设计、修改与设计 复

12、用等方面。浙江大学研究了松量服装表面模型建立与模型复用技术，实现了基于草图模 式下的三维服装表面形态的更新与袖子模型的设计复用;武汉科技大学与俄罗斯伊凡诺沃州 立纺织学院开展了女士保暖夹克三维建模、三维服装CAD系统开发等系列研究18；德国马 普信息研究所提出了基于物理的模板相似技术，对着装人体扫描并自动提取服装信息，实现 服装与人体分离，建立了服装动态虚拟模型。利用VC+ +与Op en GL建立三维人体模型OpenGL具有高性能的交互式三维图形建模能力以及跨平台性、简便高效、功能完善 和易于编程开发等优点，是从事三维图形开发工作的必要工具。19由于OpenGL本身并不具 有窗口管理、消息映

13、射等Windows编程所必备的能力，也不具有菜单、工具条、对话框等 Windows界面必备的标准元素，难以做出美观的界面。Visual C+是Windows环境下功能 最为强大的编程工具，并且可以直接嵌入OpenGL语句，是OpenGL开发的天然工具。因此 本文选用了 Visual C+ 6. 0和OpenGL为软件开发平台，将两者的优势结合起来进行开发. 建立三维人体模型的主要步骤：2。(1) 读入通过非接触测量得到的人体模型的点云数据，存储在点链表中。(2) 依次遍历这些散点对其进行Delaunay三角剖分，通过OpenGL中的glVertex3f()函数来 绘制三角形链表中的小三角形，生

14、成三维人体网格。其主要程序如下：glBegin( GL_TRIANGLES) ; A A / /标志开始绘制三角形for( int j = 1; j = ntri; j+ ) glVertex3f( pointt triangle j . vvO . x, pointt triangle j . vvO . y,A pointt triangle j . vv0 . z) ; A A / /指明三角形的一个顶点的坐标glVertex3f( pointt triangle j . vv1 . x, pointt triangle j . vv1 . y,A pointt triangle j .

15、 vv1 . z);glVertex3f( pointt triangle j . vv2 . x, pointt triangle j . vv2 . y,A pointt triangle j . vv2 . z); A A / /指定三角形的显示模式glPolygonMode( GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE) ; A A / / 线的形式显示，如图 4( a)所 示glPolygonMode( GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL) ; A A / / 面的形式显示，如图 4( b)所示glEnd( ) ; / /标志结束绘制三角形计算各三角形的法

16、向量。法向量是能否得到理想的光照效果 产生逼真图形的关键因素。 它确定物体相对于光源的方位，从而能够计算此点的受光情况。例如一个三角形的三个顶点 为 pointt triangle j . vv0、pointt triangle j .vv1、pointt triangle j . vv2,三角形的法 向量为n,求法向量的主要程序如下：v1. x= pointt triangle j . vv0 . x- pointt trian-gle j . vv1 . x;v1. y=pointt triangle j . vv0 . y- pointt trian-gle j . vv1 . y;v1

17、. z=pointt triangle j . vv0 . z- pointt trian-gle j . vv1 . z;v2. x= pointt triangle j . vv1 . x- pointt trian-gle j . vv2 . x;v2. y=pointt triangle j . vv1 . y- pointt trian-gle j . vv2 . y;v2. z=pointt triangle j . vv1 . z- pointt trian-gle j . vv2 . z;n. x= v1. y*v2. z- v1. z*v2. y;/ /向量叉乘得到法向量n.

18、 y=v1. z* v2. x- v1. x*v2. z;n. z=v1. x*v2. y- v1. y*v2. x;21添加光照和材质等环境相关参数，目的是让人体模型有明显的凹凸感，更接近于人体模型 表面。基于上述建立人体模型的算法，利用VC+与OpenGL完成了整个人体的重建22。服装纹理映射技术的具体实现方法基于OpenGL实现纹理映射技术,OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形软件接口. 在OpenGL里要实现纹理映射，需要执行如下步骤(1) 创建纹理对象并为其指定纹理；(2) 指定如何将纹理应用于每个像素；(3) 启用纹理映射；(4) 使用纹理坐标和几何坐标绘制场景23整体服装纹

19、理映射映射求值函数为：voidglMap2* fd ( GLenumtarget, TYPEul,TYPE u2, Glint ustride, Glint uorder, TYPE vl,TYPEv2, Glint vstride, Glint vorder, TYPEpoints)24在OpenGL中像各个点的映射值由其内部插值完成，如果要把整个图像放在曲面上, 只要4个角的坐标映射到曲面对应的4个角上的点25.纹理贴图是贴图与曲面 对应的, 8685个点将构成许多曲面,把这些曲面贴上相同的纹理就能在整体上显示三维服装的效 果，8685个点的排列顺序为先行后列，自上而下.点从后颈部开始顺时

20、针转一圈，然后到 下一行考虑到服装产生的顺序，本文在贴纹理坐标时就按这样的顺序:(1, 1) , ( 0, 1) , ( 1, 0), (0, 0)，从而保证贴图的正确显示26。多重服装纹理映射每个曲面都贴上同样的纹理过于单调，在服装的不同位置分别映射两种不同的纹理， 使服装显出更多风格的变化本文实现了类似服装商标的效果，用一种图案作为商标贴于服 装的左胸处.实现该效果的方法是使用glGenTextures()产生两个纹理27,首先以一种纹理作 为全局的纹理进行映射；然后在需要改变原先纹理的部分调用新的纹绑定函数 glBindTexture(),并调用新的纹理求值函数glMap(),计算纹理映

21、射.全局纹理的一个贴图 只对应一个曲面.第2个商标纹理则覆盖了 65个Bezier曲面，每个曲面映射了原来图片 的1/3028.曲面的定位并不困难，只要知道对应点的位置即可问题的关键是如何映射才能 使30个曲面拼成一个图.基于OpenGL的纹理映射技术开创性地实现了复杂的服装着装效果.使用两种不同纹 理产生的特殊服装显示效果，表明在三维服装模型上应用各种可视化渲染效果的可行性，为 以后实现更为复杂的服装纹理打下了基础.本文主要实现上身服装的映射效果，这与上身模 型数据获取与建模相对容易有关.以后的工作可在此基础上构建完整人台模型，实现其他款 式服装如衣领、袖子、裤子等的渲染效果29.辅助设计与

22、虚拟展示在计算机辅助服装设计与虚拟展示方面，研究工作主要集中在设计效果虚拟与三维试衣虚拟 两个方向。法国格勒诺布尔大学与美国布朗大学共同研究了基于草图界面的服装设计虚拟技 术，系统可自动实现设计师二维草图的三维服装效果虚拟30；香港理工大学研究开发了“树 型用户行为模型认知”服装设计系统，该系统基于设计师平面绘图过程，实现了快速准确的 人机交互服装设计，同时可虚拟服装衣片缝合，展示服装设计效果；浙江科技大学与美国加 利福尼亚大学共同研究开发了基于几何算法的快速结语基于三维人体测量的数字化服装技术已经成为服装工业快速发展的重要高新技术和科技前 沿。基于三维人体测量的数字化服装应用技术研究具有较大

23、空间，很多关键技术还有待深入 研究。参考文献：i W. Diffie, P. C. VanOorscho t, andM. J. Wiener,AuthenticationandAuthenticated KeyExchanges, Designs, Codes andCryp to graphy, v. 2, 1992.2林存瑞;面向个性化服装定制的三维人体重建研究D;东华大学;2010年3陈永强彭利华三维人体与服装建模技术综述 纺织导报2008.064张昭华;吴如山；三维服装的计算机模拟技术研究J;针织工业;2006年03期6李勇,胡敏,付小莉;三维人体建模方法的研究J;纺织学报;2002

24、年05期7常丽霞，张欣；非接触三维人体测量技术在服装工业中的应用J;国际纺织导 报;2004年04期8吴红，黄志青，朱骥明三维服装仿真效果在服装设计上的应用国外丝绸9刘雁，耿兆丰，万登峰;Matlab在三维人体及服装建模上的应用J;微型机与 应用；2003年09期10陈龙，仲梁维，朱文博支持人体模型驱动的三维服装参数化设计上海理工 大学 2010.10ii郝金勇，冯毅力，李汝勤.织物三维着装系统中几何建模和纹理映射技术的 研究J.中国纺织大学学报，2000, 26(4): 11-13.12邢琦，张欣，李毅虚拟服装表演研究南通纺织职业技术学院学报(综合版)13谷林，张欣.基于聚类人体体型分类法的

25、体型反算方法研究J.西安工 程大学学报，2010(1)： 31 - 35 .14邓卫燕，陆国栋，耿玉磊，王进等.基于神经网络的三维人体建模方法J. 上海交通大学学报，2008 (10 )： 1632 - 1634.15黄海峤，莫碧贤，郭绮莲，等.从三维人体扫描生成服装样板J.纺织学 报，2009 (9)： 132 - 13616林德静，孙晓东；基于三维扫描的人体尺寸提取技术J；北京服装学院学 报;2005年03期17刍邹平，吴世刚.东北地区女青年体型及档差的修订J.纺织学报，2009(11 )： 115 - 11918 Yue Li ，VE Kuzmichev, Xiaogang Wang.

26、An a utomati c sys tem t o recons true t and repair Telmat scanning modelA. 2009 Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application Workshops 2009： 356- 359.19韩旭.计算机辅助服装设计的发展和应用J.吉林粮食高等专科学校学报， 2005，20(4): 15-19.20 SCHNEIDERPJ, EBERLYDH.计算机图形学几何工具算法详解M.周长发，译. 北京：电子工业出版社，2

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