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3D 服装 CAD 文献综述摘要随着 3D 设计技术的发展,3D GCAD 也成为热点,但 3D GCAD 仍存在诸多难点。3D服装 CAD 系统是建立在 3D 人体模型上的尺寸信息提取、服装设计、虚拟试衣、动画模拟及基于互联网的定制、销售和展示等技术的集成。根据对其特征以及技术实现的总结,分析得出 3D 人体测量技术、3D 服装人体建模技术、虚拟服装展示和 3D 服装展成 2D 衣片是 3D 服装 CAD 关键技术研究的热点,通过比较每种技术总结了 3D 服装 CAD 技术的发展趋势。关键词:3D 人体测量,服装人体建模,虚拟服装展示,3D 2D 转化第一部分计算机服装辅助设计(Garment Computer Aided Design,GCAD) 技术在中国已经发展了30 多年,使服装加工的生产效率和产品质量得到了大幅度的提高。而国内外纺织服装工业计算机辅助设计技术逐渐成熟,并趋商品化发展。目前,较有影响力的服装 CAD 系统有:GERBER(美国)、JUKI( 日本) 、PAD(加拿大)、LECTRA(法国)、ALXA(瑞士) 、ASSYST(德国) 等,还有中国的 Arisa(航天 710 研究所)、 “爱科”( 杭州 )、BILL(北京轻工业学院)等服装CAD 系统以及浙江大学 “智能服装 CAD 设计及面料设计系统 ”等。目前 2D 服装 CAD 技术已经相当成熟,但 3D 服装 CAD 技术尚未完全成熟,其研究的热点主要集中在 3D 人体测量技术、3D 服装人体的建模技术、虚拟服装展示和 3D 服装展成 2D 衣片等方面。1.3D 人体测量技术从 70 年代中期起,美国、英国、德国和日本等服装业发达国家开始三维人体自动测量技术的研究,提出了许多新的测量原理和方法。三维人体自动测量方法主要有光学图样法和基于图像传感器的光电法。具体的测量方法有:立体摄影测量方法、激光测量法、莫尔条纹测量法、TC2 分层轮廓测量法、投影条纹相位测量法等。投入商业应用的测量系统(人体扫描系统)有 Cyberware、LDu 对 Ibomu 曲、Hamamatsu、hnageTwln 等系统。由于计算机视觉技术的不断发展,人体测量技术由手工向自动,接触式向非接触式方向的发展。传统 2D 测量方法很难快速、准确、大批量测量,且不能充分反映人体的三维体型特征及 3D CAD 建模数据的采集。接触式 3D 测量仪测量时间较长,会使被测者感到疲劳和不适,不利于人体的建模处理。非接触式 3D 自动测量应运而生,该方法是在测量人体时把图像当作检验和传递信息的手段或载体加以利用,主要包括激光测量法、白光相位法、小样本人体尺寸数据提取法和立体摄影测量等。其中,激光测量法因其成本较高,应用受到了一定的限制;白光测量法中的 TC2 公司推出的系统具有硬件尺寸小,软件处理数据快的特点;小样本人体尺寸数据提取法则适用于大型的企业,若能利用以往测量过的人体数据建立更加准确丰富的人体模型库,有利于大范围人体尺寸参数的精确预测,大幅度提高工作效率。对于立体摄影法,则是目前最热门的研究方法。其利用 CCD 摄像机获取一个 3D 人体的二维图像,提取能完整表述人体的特征参数,得出人体特征 3D 坐标。2006 年 4 月,通过数码相机、三脚架、标杆对苏州老年大学的 120 名中老年女性学员人体体型数据用于人体测量方法的研究,在立体摄影测量的基础上改进为照相测量方法:6-7 一;陈国旗和谭菲分别以男性和女性人体为研究对象,运用照相测量、手工测量及三维人体测量,以肩斜角、体侧角、胸突角和臀突角等 4 个角度为人体体表角度的特征角度,进行人体体型分类。结合计算机图形学知识和人体体型的特征规律,在人体图像边缘上确定特征点,提取出人体相关数据。2.3D 服装人体的建模技术3D 服装 CAD 的基础是 3D 人体模型。人体建模方法划分为线框建模、实体建模、曲面建模、数字人体建模等方法。其中,线框建模是 CADCAM 领域中最早用来表示形体的模型,对其编辑、修改非常快,符合打样的习惯,但由于数据过少,无法精确地描述人体特性,而产生模糊和歧义。此外,由于该方法是点线操作的,所以无法进行横切面的操作。现在的 AUTCIDESK3D STUDIO、MICROSOFT SOFTIMAGE 等所基于的模型就是线框结构几何模型。实体建模法提供了人体几乎所有的几何和拓扑信息,因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。但因其构造了人体的外部和内部的所有数据,所以无可避免地出现计算速度慢、效率低、时间长等问题。目前,国内外已推出了的实体建模系统有美国的 PROENGINEER、CV、UGII、INTERGRAPH,法国的EUCLlD、CATlA、英国的 DUCT 与 MEDUSA、日本的 TIPS、德国的 COMPACX 系统;国内清华大学的有 GEM$40、北京航空航天大学的 PANDA、浙江大学的 MESSAGE 以及华中科技大学的 InteSolid 系统 16-17。曲面建模法又称表面建模法,其由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲面,并使这些曲面通过或逼近这些离散点。其中,张瑞云等”8。对服装 CAD 中的人体曲面进行了研究,取得了一定效果,吴剑洁等。 19j 根据人体的特殊性,将人体模型划分为头、上中下部躯干、左右臂、左右手、左右脚等基本的结构特征,每一部分都有自己的数据结构和造型方法。数字人体建模主要包括基于解剖学的数字人体建模、基于重建的数字人体建模、基于图像序列的数字人体建模、参数化数字人体建模等-20-22:。其中,基于解剖学的数字人体建模由于需要太多的人工干预,因此建模效率较低,并且使用者缺乏对该数字人体模型的有效控制;基于重建的数字人体建模能重建与实际人体体型非常逼真的三维模型,但该方法的实现依赖于昂贵的设备,在使用时需要专业知识和特殊的环境配置,同时获取的数据量大,重建速度慢,很难确定与虚拟服装特征相关的数据点;基于图像序列的数字人体建模花费很低,只需要从有限的图像序列中获取人体的几何特征,但缺点是只能重建简单着衣情况下的人体模型,获得的三维人体模型精度和建模速度难以达到平衡。由于面部结构的复杂性,无法重建真实人的面部形状;参数化数字人体建模采用几何约束来表达数字人模型的形状特征,以抽象的特征参数表达真实人复杂的外部几何特征,依托于常规的几何建模方法,使设计人员能够在更高更抽象的层面进行人体设计。El 内瓦大学的 HyewonSeo 等基于现有可控的标准数字人模型基础上,利用一些如脂肪比例、腰臀比等用户个性化参数来修改标准模型,从而获得具有真实感的、便于操作的用户数字模型,但该方法中要求用户提供的参数需要专业人员通过专业的医学设备来获取或计算出来,有一定的应用局限性,有必要对数字人体建模进行深入的研究。3.虚拟服装展示虚拟服装展示技术是三维服装 CAD 中的关键技术。其目的是把顾客服装真实再现于展示平台,以满足虚拟试衣的真实感。为此,必须建立服装模型并对其进行有效的模拟。目前,服装虚拟研究中的建模方法主要有几何建模、物理建模和混合建模三个大类”j。其中,几何建模法只注重模拟布料的外观形态,不能代表特定的服装织物,也不能通过参数控制服装的悬垂及质感,仿真效果较差;物理建模法能较好地模拟真实织物,然而缺点也是很明显的,就是运算的速度过慢,不符合试衣系统中对服务器反应速度的要求。混合建模法吸取了上述几何法和物理法的优点。Kunii 等-孤建立了服装模型并实现了服装褶皱的模拟。模拟的服装既外形准确,又有丰富的悬垂及质感变化;Oshita 和 Makinouchil 提出在稀疏粒子上使用几何方法生成褶皱细节。Cordier 和 MagnenatThaImann 对服装的不同部分采用不同的方法,然而对于漂浮服装如长裙却只能使用传统的方法,漂浮服装的模拟是这一模拟的瓶颈,Kang 和 Choi 对含有大量质点的质点一弹簧模型提出有效的快速模拟方法。斗可。4 3D 服装展成 2D 衣片把 3D 服装转换成可以直接投入服装生产的 2D 衣片,涉及到把复杂的空间曲面展开为平面的转化技术。在 3D 服装转换到 2D 衣片的过程中,要满足面积近似相等、边界线相互对应、长度基本保持相等以及关键点的位置相互对应等条件。其中,有限元法先想象一个粗估平面,该平面与 3D 曲面的顶点数目和三角形数目相同,只是各个对应的三角形的形状和方位不同而已。此方法虽然可以获得比较精确的结果,但是其展平计算要花费较多的时间;曲面的测地曲率展开法在展开计算中把几何外形作为展开计算的唯一依据,不考虑织物材料的特性,而对于较复杂的曲面,它的展开图形是不封闭的,会产生较多的裂纹和较大的累积误差;而复杂曲面的展开法先将 3D 服装曲面分割成若干条状区域,每个区域用一个直纹面逼近,再将这些直纹面进行三角网格分割展开成 2D 平面。对于可展曲面展成平面时要满足两个条件:2D 展开面的面积与 3D 曲面的面积相等;2D 展开面的每边边长与对应的 3D 曲面边长相等,即展开变化是等距的。对于难以展开的直纹面,可以用逼近法求得展开,但是相关研究较少她一。杨继新等将服装曲面进行可展和不可展区的划分;肖正扬等提出应用单参数平面族的包络实现可展面的方法,形成服装原型曲面不同区域的分割;李鹤双等将服装原型曲面划分若干可展曲面区域。5 3D 服装 CAD 技术的发展趋势尽管三维服装 CAD 技术还不成熟,要达到实用阶段还有许多问题需解决,但其在直观性、合理性、真实感等方面的优势足以表明三维服装 CAD 技术的确是服装 CAD 技术的主要发展方向 i3a-36 一。其未来发展趋势主要有以下几方面: (1)信息和网络技术的应用 3D服装 CAD 技术与信息数据化、网络化,以及远程交流技术结合与应用,将是服装企业发展的方向。(2) 自动量体和试衣系统的应用随着服装生产方式从大批量向小批量、多品种、单件生产的方向发展,服装的供销方式也发生改变,快速响应顾客的个性化需求已成为服装企业的竞争焦点;计算机技术的迅猛发展和网络的普及,也使得网络购衣成为热潮。由此,基于互联网的自动量体和试衣系统也逐渐应用到服装销售终端。自动量体即不经接触测量出顾客人体的外形数据,相对于传统的手工测量,不仅精度高速度快,而且测量数据全面。虚拟试衣系统可以根据自动量体数据生成与顾客体型一致的三维人体模型,然后将融入了面料物理性能的服装穿到人体身上,展示真实地试穿效果,从而让消费者足不出户便享受真实的购物体验,但是现有的虚拟试衣系统在画面细腻度,模型变化的灵活程度,及面料物理性能模拟上都存在一定缺陷,所以其技术还有待进一步研究提高。(3)3D 动态的发展近几年来,3D 动态技术是各大 CAD 公司研究开发的一大方向。但其研究难度较大。从平面设计到立体设计,应用交互式计算机图形学和计算机几何中的最新技术成果,建立3D 动态的服装模型,解决服装设计中 2D 到 3D、3D 到 n 维的转换,是服装 CAD 研究的重要课题之一。若这一技术能真正突破,将会给服装产业及相关领域带来一场重大革命。(4)智能化的发展目前,作为辅助设计的服装 CAD 系统,其设计的指导原则是采取交互式工作方式,为设计师提供灵活而有效的设计工具。随着人工智能(AI)技术的发展,知识工程、专家系统将逐渐渗透到服装 CAD 系统。智能化服装 CAD 系统是使 CAD 系统能够在某种程度上具有设计师般的职能和思维方法,而不只是一个重演过程。利用 AI 技术可以帮助设计师启发设计灵感,激发创造力和想象力,进行新颖的服装款式设计。具有自主学习能力的服装CAD 技术,将是服装 CAD 系统的发展方向之一。(5)集成化的发展国际服装业趋向于更新、更快、小批量、多款式、时尚化以及高品质的发展方向造就了服装生产全面自动化的产业发展趋势。这就需要一个能综合多学科的新领域,在信息技术、计算机技术、自动化技术的现代管理科学的基础上,将设计、制造、管理、工厂经营活动所需的各种自动化系统,通过新的生产管理模式,工厂理论和计算机网络有机地集成起来的计算机制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,简称 CIMS),它能根据竞争多变的市场要求,使产品从设计、加工、管理到投放市场所需的工作量降到最低限度。(6)简捷化的发展软件设计思路的逻辑关系、操作平台的舒适性、界面的人机交互性等,都会对软件运用过程产生很大的影响。从今后发展趋势看,应用系统更多的面向非设计专业的操作人员。因此,系统应具有易学、易懂和操作方便的用户界面。开发先进的、友好的、适合多媒体的用户管理界面(User Interface ManagementSystem,简称 UIMS)是服装 CAD 软件的发展方向之一。第二部分第三部分第四部分参考文献:1.陈国旗 基于数字图像的青年男体二维非接触式测量系统研究 20112.谭菲 基于数字图像的青年女性体型及非接触式二维测量系统研究 20103.徐军;何娟梅 三维服装 CAD 中关键技术的特征和方法 2007(05)4.肖正扬;陶恒学;杨继新 基于数字化立体裁剪的人体非接触式测量技术 2001(11)5.王祺明 服装业 3D 人体测量技术的方法和现状分析 2002(04)6.葛彦;刘国联 用于服装业的照相人体测量方法研究 2007(10)7.陈亮 基于图像处理的三维人体尺寸提取技术研究与实现 20108.Meadows D M Generation of Surface Contours by Moire Patterns 1990(09)9.李惠敏 面向电子化量身定制服装 met 维人体测量数据库的研究与实现 200510.YuWM;Harlock S C;Yechnique KW Contour Measurements of Moulded Brassiere Cups Using a Shadow Moire Technique 199511.Meadows D M;JOHNSON W O;WLLEN J B Generation of surface contours by Moire Patterns 1970(04)12.YUW M;Yeung K W;Lam Y L Assessment of Garment Fit 199813.HWANG Sujeong;B S,M S Three Dimensional Body Scanning Systems with Potensional for Use in the Apparel Industry200114.付国定;陈桦;刘红 数字图像处理技术在纺织服装领域的研究进展 2011(12)15.黄珍珍;王晓云;张鸿志 通过小样本人体尺寸做人体参数测量的预测 2010(02)16.Sharp G;Lee S;Wehe D ICP registration using invariant features 2002(01)17.陈君 基于 Java 3D 的三维人体静态建模技术研究 201018.张瑞云;李汝勤 服装 CAD 中三维人体数据处理与曲面拟合 2002(02)19.武剑洁;王启付;樊劲 基于特征的服装人体模型参数化建模方法 2000(01)20.陈利珍 三维服装建模技术的研究与实现 201321.劳越明;王祺明 服装 CAD 推广及应用问题的分析 200522.孙守迁;徐爱国 三维服装仿真中的参数化人体建模技术 2007(12)23.KUNII T L Modeling and animation of garment wrinkle formation processes 199024.D.Baraff;A.Witkin;M.Kass Untangling cloth 2003(03)25.刘红艳 基于物理建模的三维扫描服装重用技术 201126.Choi K.J;Ko H.S Stable but responsive cloth 2002(03)27.Choi K.J;Ko H.S Extending the immediate buckling model to triangular meshes for simulating complex clothes 200328.Etzmuss O;Gross J;Strasser W Deriving a particle system from continuum mechanics for the animation of deformableobjects 2003(04)29.聂卉;罗笑南 3D 虚拟服装缝合技术研究 2002(11)30.刘健;肖正扬;杨继新 基于 3D 服装 CAD 的可展面实现方法 2002(03)31.李鹤双 三维服装 CAD 中服装原型曲面的展开及省道设计 200332.庄梅玲;方建安;张晓枫 三维人体衣身原型曲面研究 2012(31)33.Thomas B.Moeslund;Adrian Hilton;Volker Krger A survey of advances in vision-based human motion capture andanalysis 2006(2-3)34.Li Jituo;Ye Juntao;Wang Yangsheng Fitting 3D garment models onto individual human models 2010(06)35.Meng Yuwei;Mok P.Y;Jin Xiaogang Interactive virtual tryon clothing design systems 2010(04)36.Liu Yongjin;Zhang Dongliang;Yuen M.M A survey on CAD methods in 3D garment design 2010(06)针对三维服装 CAD 技术,近年来不少国家和地区进行了深入的研究,并取得了一定的突破。目前日本开发的 Dressing SIM 系统已可在网站上建立参数化的 3D 人体模型,较真实地展示服装穿着时的效果。加拿大的 PAD System 能从平面纸样显示三维样品,实现快速简易的二维至三维互换。国内的“爱科三维服装 CAD 系统” 。2002 年 8 月被评选为全国三项“中国信息产业重大技术发明”之一。三维服装 CAD 技术研究的重点应该包括:(1)人体测量和人体三维数据处理。(2)三维人体计算机模型的建立。(3)在三维人体模型上进行三维服装款式设计和模拟仿真。(4)服装裁片二维-维映射,三维裁片的平面展开及二维裁片在人体模型相应部位上的“缝合” 。三维人体测量人体测量方法可分为三大类:传统二维手工接触测量、接触式三维测量仪测量和非接触三维自动测量方法。传统的二维手工测量方法过于粗略。它不能充分反映人体的三维体型特征,不能满足三维 CAD 建模的数据要求。接触式三维测量仪测量是利用角度计、测高计、测距计和滑动计等专门的机械式测量仪,依据测量基准对人体进行接触测量的方法。它可以测量出人体表面相关点的三维坐标,获得较细致的三维人体数据。该方法简便、直观。但由于是接触测量,测量时间比较长,会使被测者感到疲劳和窘迫,不利于三维 CAD系统对三维人体数据获取的建模处理。非接触三维人体自动测量作为现代图像测量技术的一个分支,是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的三维测量技术。与传统的测量方法相比较,这种人体测量方法主要特点是快速、准确、效率高。测量时即把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用。从图像中提取有用的信息,就可直接运用于三维服装 CAD 系统,从而实现人体测量和服装设计的一体化。从 70 年代中期起,美国、英国、德国和日本等服装业发达国家开始三维人体自动测量技术的研究,提出了许多新的测量原理和方法。三维人体自动测量方法主要有光学图样法和基于图像传感器的光电法。具体的测量方法有:立体摄影测量方法、激光测量法、莫尔条纹测量法、TC2 分层轮廓测量法、投影条纹相位测量法等。投入商业应用的测量系统(人体扫描系统)有 Cyberware、LDu 对 Ibomu 曲、Hamamatsu、hnageTwln 等系统。目前由于这类人体扫描设备系统价格高昂,国内服装行业的应用还处于起步阶段。因此,国内三维服装 CAD 系统开发应满足输入人体特征数据进行设计的要求,使传统的手工测量继续得到应用。三维人体模型的建立计算机三维人体模型是三维服装 CAD 系统的重要组成部分和基础。三维人体模型的建立方法一般有线框建模、实体建模、曲面建模和物理建模等。21 线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术和建模方法。它只用点、线的信息表示一个形体,数据量少,定义过程简单,对其编辑、修改非常快,符合服装生产中人们打样的习惯。很多复杂的形体设计可先用样条勾画出基本轮廓然后逐步细化。由于它包含的信息有限,因此不能够无二义性地表达三维人体,无法实现自动消隐,真实感差,不能进行剖面操作。但线框建模作为实体建模、曲面建模的基础,至今仍在广泛应用。22 实体建模方法提供了顶点、边界、表面和实体几乎所有的几何和拓扑信息。其技术包括体素的定义描述和体素间的集合运算。它可以支持表达人体的消隐、真实感图形显示。但其结构复杂,计算量大,对硬件要求高,运行速度慢。23 三维人体的曲面建模是通过顶点、边和表面三种几何元素及其相互间的拓扑关系来描述三维人体的建模方法。曲面模型提供了三维人体的表面信息,因此能够进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示。但曲面建模方法由于没有明确定义三维人体的实心部分,因此很难进行剖面操作。目前,国内的三维人体建模多采用曲面建模以获得逼真度高的人体模型。常用的有 B样条曲面、Bezier 曲面和 Nurbs 曲面。 ”o 在此基础上,CKAu 和 MMPYuen 采用基于特征的方法进行人体建模。武剑洁、王启付等人采用的基于特征的服装人体模型参数化建模方法,是通过基于图像和机器视觉的技术,实时捕捉着装模特的身体形状和姿态,生成服装设计系列的人体模型,继而分析人体体形特点和方向姿态,提取出能完整描述人体的特征参数进行建模。 【30 这种方法具有较强的应用价值,可以进一步研究发展。目前,随着反求工程、散乱数据处理研究的深入和人体扫描设备的广泛应用,利用扫描人体点云数据反求人体模型的方法取得了较好的进展,并且将成为今后发展的重要方向。24 物理建模是将人体的物理属性和人体所受的外部环境的各方面因素引入到传统的几何建模方法中,形成的一种全新的建模方法。它能获得更加真实的建模效果。但物理建模方法对人体的动态运动规律表达多是采用微分方程组数值求解方法来进行动态系统的计算,与传统的人体建模方法相比,计算上要复杂得多。该方法适用于动画领域面部和肌肉的细致刻画。3 服装的模拟服装作为一种柔性体,较难用简单的模型来描述。即使建立了模型,对普通计算机来说,也很难满足其大运算量的要求。因此,对服装模拟的研究一直是件困难而有意义的工作。目前,服装模拟研究中的建模方法主要有三大类:几何建模方法、物理建模方法和混合建模方法。31 几何建模为满足人在正常状态下活动的需要、着装内层的需要和服装款式造型的需要,人体与服装之间必须要有一定的间隙,使之在任一截面的围长上存在差异(即服装的放松量),径向上也存在差异(即空隙度)。在正常情况下,身体不同部位即不同截面处的空隙度和放松量不同,同一截面上的空隙度也不一定均匀。例如腹部截面上空隙度最小,腰部截面上空隙度较均匀,胸部截面上乳房处的空隙度也很小。几何建模就是在已建立的人体模型上,按一定的规律在人体表面上进行经纬线划分,在任一纬度 Y=Y。上取一截面,得该截面人体表面各造型点的三维数据(,Yo,zo)。根据其服装与人体间的空隙度的大小,可由几何方法求得服装表面。各造型点的数据(z,z)。 “1 根据计算所获得的服装上各造型点的三维数据,利用曲面造型方法即可得到服装模型,达到几何建模的目的。目前常用 B 样条曲面、B 翻 er 曲面和 Nurbs 曲面来进行曲面造型。Mccartney 和 Hinds 最早提出了在人体模型上定义一系列位移曲面片的典型的几何三维服装建模方法。上述几何建模方法不考虑服装面料织物的物理特性,计算速度较快,模拟出的服装具有其形态特点,但不能代表特定的服装织物。32 物理建模几何建模不考虑服装的物理属性,只采用相应的几何造型来模拟服装,仿真效果较差。而物理建模对服装进行三角、网格或粒子划分,进行能量、受力分析,能较真实地模拟柔性物体的特性,不足之处是运算速度较慢。 ”。物理建模与织物的微细结构有关。模拟结果与真实织物的接近程度取决于所用的数学模型和计算方法。由于织物微结构的数学模型各不相同,物理模型可分为连续模型和离散模型两类。计算方法可分为力法和能量法:力法用微分方程表达织物内部微元之间的力,进行数值积分以获取每一时间步长下微元的空间位置,从而得到整个织物在该时间步长下的变形形态。能量法通过方程组计算整片织物的能量,然后移动织物结构内的微元使之达到最小能量状态,从而确定织物的最终变形形态。通常,能量法多用于织物静态悬垂的模拟,而力法用于动态悬垂的模拟。 ”。在各种连续模型中有限元模型是目前发展的一个趋势。它由 Celniker 和 Eischen 先后提出。它将织物看作是由大量微元素相集合的连续体,运用研究连续体的力学方法对织物进行力学分析和研究。通常用变形壳体、弯板、薄片、薄膜单元或变形梁单元代表织物的微元。离散模型中由 Provot 和 Howlett 先后提出的质点一弹簧模型结构简单,容易实现,计算效率较高,因此近年来取得了较好的应用效果。该模型将服装

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