【毕业学位论文】基于服装的湖北女大学生人体建模与仿真技术研究

分类号 校代码 10495 677 学 号 0915103003武汉纺织大 学硕 士 学 位 论 文基于服装 的湖北女大学生 人体建模与仿真 技术研究作者姓名 ：张四华张四华张四华张四华指导教师 ：钟安华钟安华钟安华钟安华学科门类 ：工学工学工学工学专 业： 服装设计 与工程研究方向 ： 服装数字 化完成日期 ： 二零一二 年五月E. 声明本人 郑重声 明 ： 所呈 交的学 位论文 ， 是本 人在导 师的指 导下 ， 独立 进行研 究工作 所取得 的成果 。 除文 中已经 注明引 用的内 容外 ， 本论 文不包 含任何 其他个 人或集 体已经 发表或 撰写过 的作品 成果 。 对本 文的研 究作出 重要贡 献的个 人和集 体 ， 均已 在文中 以明确方式 标明。 本人完 全意识 到本声 明的法 律结果 由本人 承担。学位论文 作者签名： 签字日期 ： 年 月 日学位 论文版 权使用 授权书本学 位论文 作者完 全了解 武汉 纺织 大学 有关 保留 、 使用 学位论 文的规 定 。 特授 权武 汉纺 织 大学 可 以将 学位 论文 的全 部或 部分 内容 编入 有关 数据 库进 行检 索， 并采 用影印 、 缩印 或扫描 等复制 手段保 存 、 汇编 以供查 阅和借 阅 。 同意 学校向 国家有 关部门 或机构送 交论文 的复印 件和磁 盘。 （保 密的学 位论文 在解密 后适用 本授权 说明）学位 论文作 者签名 ： 导师 签名：签字 日期： 年 月 日 签字 日期： 年 月 日论文题目： 基于服装的湖北女大学生人体建模与仿真技术研究专业：服装设计与工程硕士生：张四华 指导老师：钟安华摘要： 无论 服装的 网络虚 拟试衣 、 电子 化量身 定制还 是三维 首先 必须解 决的是现有 条件下 快速 、 逼真 地建立 虚拟人 体模型 。 当前 真正实 现三维 人体的 测量与 虚拟营 销的仿 真人体 建模， 是世界 服装研 究的难 题。本 课题 基于 人体数 据采集 的三维 人体建 模 ，包括 计算机 人体建 模技术 ， 数据 采集后 的人体 建模仿 真研究 ， 即首 先通过 手动获 取数据建立 人模， 然后再 扫描人 体达到 模型的 仿真效 果。三维 人体建 模技术 是人体 建模的 基础， 其建模 方法大 致可分 为五类 ：线框 建模 、 实体建 模、曲 面建模 、物理 建模、 混合建 模法， 本课题 采用曲 面建模 方法进 行研究 。手动 获取数 据建立 人模即 利用人 台数据 建立三 维人体 模型 。 采用 铁丝获 取人台 截面图 ， 将截 面拓取 到坐标 纸上 ， 即可 获取人 台截面 数据 。 通过 用圆的 参数方 程对二 维采样截 面 进 行拟 合 ， 然 后基 于 获 得 的三 维 数 据 使用 人 台表 面 重 建 ，从 而 完 成 人台模 型的建 立 ， 最后 利用目 标人台 与参照 人台截 面尺寸 比例进 行参数 化人台 变形 。 本课题之 所以采 用人台 ， 是为 了科学 的建立 人模 ， 用最 少的花 费 ， 建立 仿真度 较高的 人体模型。扫描 人体建 立模型 ，即通 过扫描 人体获 得人体 表面基 本尺寸 ，以及 人体截 面图 。 通过对 扫描所 得数据 进行相 关的分 析与整 理得到 人体各 部位高 度数据 ， 及对 人体截 面图的编 程 可 得到 截 面 数 据。 利 用 所 得到 得 三 维 数据 ， 进 一 步利 用 编 写程 序 ， 快速建 立仿真 的人体 模型， 实现人 模的真 实性。本课 题通过 建模 ， 得到 了仿真 性较高 的人体 模型 ， 该模 型简单 实用 ， 较适 用于中 小型企 业的产 业化生 产。关键 词： 建模 技术； 人台建 模；扫 描人体 建模； 截面数 据；研究 类型： 理论 研究 H ：it is a a an m of an an m of an It of an m um of It an an m of an e m m an m is m an m m of m of of m an an an m m m of an m of m an It an m K an 录1绪论 . 景及 意义 .国内 外建模 技术研 究现状 .模动 态状况 . 模动 态状况 . 体测 量方法 和发展 趋势 . 工测 量法 . 式测 量法 . 量技 术的发 展趋势 .实验 研究内 容与研 究方法 .容 . 骤与 方法 . 题 的创 新点 .模技 术理论 研究 .线框 建模 .实体 建模 .达法 . 解法 . 模 .面片 造型法 .述法 . 差值 法 . 模 .混合 建模法 .台 截面 数据 建立 人体 模型 .课题 研究对 象 . 体构 造 . 台 建模 . 选 取 .面数 据获取 .廓曲 线拟合 .样 截面 的三 维坐标 值 .人台 模型表 面重建 .理 .型曲 面拟合 .参数 化变形 .人台 建模实 验结果 .体建 立人 体仿 真 模 型 . 描注 意事项 .据测 量获取 .注意 事项 .扫描 数据分 析 . 体数 据 . 据分 析 .面图 重现 .据统 计与整 理 . 面数 据获取 . 维人 体模型 .扫描 实验结 果 . 505总结 .献 . 53致谢 .飞速 发展促 使纺织 服装行 业日新 月异的 改变 。 从最 初的手 工制造 到机器 的使用 ， 现在 人们将 计算机 应用到 服装产 业中 ， 很大 程度上 提高了 生产效 益 。 现今 消费者 对服装 的要求 越来越 高 ， 在要 求服装 合体性 的同时 ， 也要 求服装 具有个 性化 ， 且应 该提供远程 方便快 捷的服 务。此 时将电 子及信 息技术 应用到 服装行 业，变 成课题 研究趋 势 。 即通过 在计算 机中模 拟出人 体模型 ， 并且 给其穿 上服装 ， 根据 在计算 机所显 示的效 果示意图 ， 可直 接在人 模上改 动服装 的造型 ， 达到 令人满 意的效 果 。 这样 既节省 了时间 ， 也减少了 不必要 的生产 费用。 三维 人体建 模是服 装试衣 系统的 重要部 分 ， 本课 题研究 的主要 内容是 基于人 体数据采集 上的三 维人体 建模， 包括计 算机人 体建模 技术， 数据采 集后的 人体建 模仿真 研究 。因为 试穿服 装的前 提条件 是需要 有仿真 的人体 模型， 只有这 有才能 保证试 衣的真 实性 。 题 是 湖 北 省 重 大 产 学 研 项 目 “ 纺 织 面 料 及 服 装 数 字 化 设 计 与 制 造 成 套 技 术 研究 ” 中的 子课题 之一。 大项目 的研究 目标是 研究纺 织、服 装数字 一体化 理论及 技术 ， 开发出 成套可 实现从 虚拟用 户 、 服装 三维 、 面料 设计 、 设备 制造 、 网络 营销数 字化集 成系统 ， 加快 纺织 、 服装 企业产 品更新 速度 ， 提高 消费者 对产品 的满意 度 ， 缩短 产品设 计周期 ， 降低 企业生 产成本 ， 提高 企业生 产效率 ， 适应 市场变 化的需 要 ， 其研 究示意 图如 。 大 项目 的研 究方 法是 将计 算机 数字 图像 技术 和虚 拟现 实技 术应 用于 纺织 品织造工 艺，与 企业紧 密结合 ，设计 出针织 企业所 需的纺 织面料 及服装 工艺及 控制系 统 ， 实现对 来样制 作工艺 的快捷 设计 ， 可智 能生成 组织结 构图 ， 自动 生成理 想模拟 小样 ， 并自动控 制织机 动作 。 研制 的是纺 织工艺 学 、 计算 机科学 、 控制 理论与 机械动 力学等 多学科知识 的综合 运用 ， 将模 糊数学 ， 人工 智能 ， 计算 机图形 图像 ， 虚拟 现实等 知识具 体应用于纺 织行业 中 。 团队 成员由 纺织学 科 、 服装 学科 、 计算 机学科 、 机械 学科等 多学科 专业科研 人员组 成，每 个成员 既有分 工，又 有合作 ，产学 研结合 ，在研 究过程 中相互 提高 。课题 组成员 的年龄 结构 、 职称 结构和 知识结 构合理 ， 既有 较丰富 研究经 验的高 级职称 研究人 员 ， 又有 具备充 沛研究 精力的 研究生 和年轻 教师 ， 为完 成本项 目的各 项工作 提供了可靠 的人力 保证 。 从已 有研究 基础 、 设备 配置和 良好的 国际合 作环境 表明 ， 进行 该项目的研 究是完 全可行 的。1绪论2图 数字集成一 要完 成的内 容是建 立从纤 维纱线 、 面料 、 服装 三维 、 虚拟 试衣 、 数字 化制造装备 的数字 化集成 系统 。 建立 适合于 虚拟试 穿的织 物三维 仿真模 型及其 表达方 法 ； 开发一套 服装三 维电子 打版系 统 ； 研制 纺织纱 线 、 面料 及服装 数字化 设计及 制造系 统 。 在服装设 计与工 程方面 ， 其研 究内容 是服装 设计数 字化设 计及制 造 ， 主要 是在分 析国内 外女装结 构设计 肩部 、 领口 、 胸省 、 袖山 等部位 技术的 基础上 ， 主要 研究三 维实体 建模计 算 ，独立 自主创 新提出 “ 肩计 算 ” 理念 。 建立 较科学 、 有 3至 5项技 术处于 国际领 先的 “ 女上装 (原型 )结构 设计模 式 ” ， 包含 肩宽 、 胸围 模型 、 胸省 宽 (含其 它省褶 )模型 、 领口 配置模 型、衣 身 袖山 比例模 型等技 术方案 ，为企 业服装 生产、 服装 技术提 升等提 供基础 理论及 其技术 支持， 进一步 开发服 装打版 体系及 其数字 化系统 。 一方 面，随 着纺织 服装业 在服装 设计、 生成流 程、营 销管理 等多方 面有效 的改进 ，纺织 制造业 与服装 设计行 业为了 满足国 际化大 环境要 求 。 服装 企业要 适应国 际化服 装市场需 求 ， 即生 产周期 短 、 外形 新颖 、 款式 种类多 等市场 需求 。 以较 低的生 产成本 、 很短的生 产周期 和运输 流程向 服装市 场提供 良好的 产品与 服务 。 此时 应采用 先进的 计算机 技术， 将其运 用到和 高纺织 服装领 域中， 以便快 速的提 升传统 纺织产 业。另一 方面 ， 从使 用者的 角度思 考 ， 随着 经济水 平的不 断前进 ， 人们 物质的 丰富与 精神需 求都有 很大的 提高 。 人们 对服装 的要求 已经从 最原始 的保持 身体温 度与防 止外界 的伤害 ， 到现 今的以 表现自 我人生 价值 ， 体现 个人魅 力与自 信的要 求 。 人们 通过服 装的选择 ， 来实 现自我 个性表 达 ， 对于 大批量 的生产 服装已 经不再 适应服 装市场 了 。 所以 建立三维 人体模 型 ， 可以 在其上 试穿服 装 ， 通过 计算机 快速的 模拟其 效果 ， 可以 达到节 省时市场 （ 用户 ） 设计工艺 虚拟用户纱线 图案 面料 款式 三维效果分色制作成品 数字设备 设计制造织造喷印制版 、 排料针织 梭织锈花。 。 。 。三维测试 试衣网络信息网络营销1绪论3间与 生产 成本 。因此 本课题 在此基 础上， 从服装 的角度 来建立 人模。本课 题是大 项目中 的一个 子课题 ， 其研 究内容 是创建 三维人 体模型 ， 可试 穿后期 制作的 服装。 维人 体建模 技术 ， 国内 外都有 其一定 的研究 ， 建模 方法有 很多种 ， 充分 的了解已 有的建 模技术 ， 可为 后期研 究提供 了很大 的帮助 。 下面 对国内 外建模 进行简 单的分析与 探讨。 算机 的快速 发展 ， 为三 维人体 建模技 术提供 了良好 的创新 条件 。 三维 人体建模技 术最初 是在国 外发展 起来的 ， 且很 多国家 在建模 方面取 得了优 秀的成 绩 ， 特别 是美国、 日本、 日内瓦 等，在 服装业 发达的 国家进 行人体 建模的 较多 1。因 此了解 国际三 维人体 建模技 术很重 要，对 国际人 体建模 动态发 展有以 下几点 阐述。(1)et 在 “ 人体 分层表 示法 ” 3的基 础上 ， 提出 了基于 解剖学 的分层 建模法 这概念 。 即将 人体解 剖学加 入到三 维人体 建模中 ， 利用 解剖学 分层建 模法来 达到三维 人 模 的 建 立 与 仿 真 效 果 。 解 剖 学 分 层 建 模 法 结 合 人 体 生 理 学 和 物 理 学 这 两 方 面 的 信息， 使建立 的人体 模型更 加逼真 与生动 4。(2)近 几年 在 人体 建 模方 面 ，已 由 静态 的 人体 建 模发 展 到动 态 的人 体 建模 。 相比 于静态 的人体 模型 ， 动态 的模型 有其明 显优势 ， 如它 的逼真 性较强 ， 且模 拟人体 运动状 态效 果好 ， 因此 其 应用 范 围广 。 在 1996年 由美 国 宾夕 法 尼亚 大 学计 算 机与 信 息科 学 系 的所带 领的团 队 ， 开发 模系 统 。 模软 件在人 体模型 仿真效 果与工 效评估 方面 6的应 用，是 一个目 前较成 功的人 体建模 软件。(3)法 国 达 索公 司开 发 了 软 件， 该三 维建 模软 件提 供了 与设 计背 景相 对应的人 体工程 模型 ， 不但 能够设 计和分 析三维 人体模 型 ， 还可 以快速 模拟三 维人模 动态过程， 解析其 步骤。(4)韩国 首尔国 立大学 8认为 在人体 的某一 截面 ， 截面向上 、 向下 移动都 是按一 定的比 例变化 ， 通过 计算某 一截面 关系式 ， 即可 得知邻 近部分的截 面变化 。采用 滑动量 规 9方法 获得一 系列的 人体横 截面图 像，根 据某一 截面是 按一定的 比例变 化这一 要素， 建立可 视人体 模型。(5)瑞士 日内瓦 大学的 10，利 用扫描 仪器测 量人体 ，从而获取 被检测 者的三 维尺寸 ， 并创 建了可 任意改 动人体 体表模 型与骨 架结构 模型 。 该团 队选择 人体身 体比较 关键的 几个截 面分析 ，得到 该截面 的相关 表达式 。如人 体腰围 部分 ，1绪论4通过 扫描仪 获得人 体腰围 数据与 效果图 ， 分析 数据得 到相关 的数学 公式 ， 人体 其它部 位同理 。 利用 所得到 的关系 式可微 调人体 模型 ， 使人 模趋向 完美和 逼真 ， 同时 也避免 了人模出 现畸形 。 (6)1等 人 利 用 人 体 扫 描 仪 获 取 人 体 基 本 数 据 ， 采 用 基 于 模 型 方法 12建立 人模。 模型方 法是指 将物体 作为一 个整体 来思考 ，得出 物体的 基本构 造要素 ，将繁 琐的事 物看成 是由简 单元素 构成。算机 的发展 与运用 ， 虚拟 的服装 与人模 技术应 用日益 广泛 ， 虚拟 试衣系 统被开发 出来 。 国内 在开发 虚拟的 服装与 人模方 面也有 相关研 究 。 以下 对国内 的三维 人体建模技 术发展 动态进 行说明 。 (1)选 用 模 拟 仿 真 立 体 人 型 。 它 是 由 美 国 的 参 数 技 术 公 司 (简 称13开发 ，在当 前 的 建模 软件 领域中 占 有 重要 位置 。首先 利用扫 描仪获 取人体 数据 ，对所 测得人 体数据 进行精 确的确 认与矫 正 ， 其次 依据人 体工程 学对人 体各关 节的运 动参数进 行处理 ，使其 运算简 化，再 利用该 软件设 计人体 模型， 获得较 为精准 的人体 模型 ，同时 也为设 计动态 模型打 下基础 。最后 根据人 体测量 学 14、人 体 工效学 等原 理，模 拟合理的 动态人 体模型 与仿真 。 (2)采 用 m 件 建立 人 模 ， 首先 利 用 扫 描仪 测 得 三 维人 体 尺 寸 ，对 所 获 得 的人体数 据进行 分类处 理 。 选取 m 的 数学函 数关系 ， 将二 维数据 换算成 建模所 需要的三 维数 据 15。 最后 利 用 m 写程 序 ，即 可 创建 三 维人 模 。因 m 有图 像 显示功能 ，所以 可编程 的同时 查看所 得图形 ，对程 序的修 改也提 供了方 便。 (3) 6公 司 开 发的 一款 三 维 设 计软 件， 该软 件配 有大 量的 人体模 型 ， 可进 行人体 动态演 示 ， 同时 对人模 的修改 很方便 ， 并且 可根据 需要选 择相应 的模型 进行设 计 。 同时 该软件 设计了 与人模 相配套 的服装 、 道具 、 背景 ， 动物 ， 能随 意的设计 与创造 视图 。 建模 中起到 获取人 体尺寸 数据的 作用 ， 利用 已 有的 人模 ，调 取该 人模 的三 维数 据， 将该 数据 以 式保 存。 因 式的 文件 不被建 模软件 认可， 所以要 对 式 文件进 行有效 处理。 再采用 +软件 处理 文件， 通过分 析整理 后的数 据，包 括了建 模所需 的必要 信息。 最后利 用 建立三 维仿真 人模 17。(4)西安 工程大 学主要 致力于 三维人 体截面 的拟合 。 西安 工程大 学采用 三维扫 描仪获取人 体尺寸 ， 并拷 贝扫描 仪所模 拟的人 模截面 图 ， 再利 用特定 软件对 某一人 体截面 图进行分 析 ， 根据 该人体 截面图 形特点 ， 取截 面上一 些关键 点 ， 通过 这些关 键点 ， 对截 面进行拟 合，模 拟出人 体截面 图 18。1绪论5(5)所谓 人机 工程学 指由 多 门 学科 所组 成 ， 其 研究 的 领域 是在 不同 的 工作 条件下 ， 人 、仪器 以及 环境 之 间的 相互 关系 。 研究 的目的 是 应用 各类 学科 知识 ， 来指 导 人 、 仪器 与环境之 间的协 调性 ， 能有 效的提 高工作 效率 ， 保障 施工者 的人身 安全 19。 将人 体假设 为一台机 器 ， 该机 器结构 复杂 ， 但是 具有良 好的灵 活性 。 为了 避免大 量而繁 琐的运 算 ， 和确定模 型能在 相应的 时间点 有对应 的动态 ， 在进 行模型 设计时 ， 必须 将人体 机器进 行简化才能 保证模 型的精 准性 。 采用 多刚体 系统 20的方 法对人 体机器 进行分 段处理 ， 将人 体肌肉等 部分按 照物理 学原理 ， 处理 为刚体 间作用 力和力 矩 21。 采用 该法创 建的三 维人体 模型， 具有参 数化建 模的优 点，既 利于模 型的表 现，也 利于精 确的力 学运算 。(6)利用 2创建 人体三 位模型 。它的 适用范 围是动 画制作 、网络 游戏、 机械构造 设计等 。应用 物体 可随意 的改变 其色泽 与光线 ，可以 改变物 体背景音乐 与氛围 ， 从而 达到设 计者期 望值 。 此时 采用 软件 建立人 模 。因 里 包 含有 大 量的 人 模， 取 其中 一 人模 并 且将 其 人体 数 据导 出 ，以 式存储 。 件 里带有 设计模 型所需 的外轮 廓顶点 数据 23， 可以 将其数 据导入 到 即可通 过该软 件建立 人体模 型，并 且进行 环境的 渲染与 人体动 作的模 拟。小结 ： 该部 分就国 内外建 模动态 发展做 了简单 的介绍 与说明 。 通过 大量的 查阅资 料 ，就国 际人体 建模与 国内人 体建模 方法有 了一定 的简述 ， 并且 了解到 建模的 途径是 多种多样的 ，建立 的人模 也有也 各自的 优缺点 ，因此 不断的 完善建 模技术 也是趋 势所需 。体建 模关键 性的一 步是如 何获取 建模所 需要的 人体三 维数据 ， 此时 ， 出现 了各种 不同的 测量方 法 。 对测 量的方 法予以 归类整 理 ， 可把 人体测 量可以 分为两 类 ： 1传统手 工测量 法； 2 非接 触式测 量法。工测 量法指 采用常 规人台 测量仪 对人体 进行尺 寸测量 ， 常规 测量仪 主要包 括有 ： 软尺 、 测高 计 、 滑动 计 、 直尺 、 角度 尺 、 丁字 尺等 ， 可以 测量人 体的高 度 、 周长 (如腰围 )、 斜度 (如肩 斜度 )等 ， 人工 记录所 测得的 数据 ， 再利 用计算 机统计 、 分析 与整理 。该测 量法的 优点是 ： 简单 直观 ， 直接 测量所 需的人 体尺寸 ， 避免 处理大 量且无 用的数 据 。但该 法存在 的缺点 很明显 ， 即测 量误差 大 ， 有人 为因素 如 ： 测量 员不仔 细或者 被测者 稍微移 动 。 也有 环境因 素如 ： 温度 变化 ， 无论 是温度 升高还 是降低 ， 人体 曲面都 有所改 变 ，以便 适应温 度变化 引起的 不适反 应 。 还有 地域要 素的影 响 ， 因为 我国地 大物博 ， 存在 不同区 域不同 的种族 ，人体 的骨架 大小也 有很大 的变化 ，如南 方人群 身型较 北方人 娇小 。并且 传统手 工测量 法针对 的单个 人测量 ， 用于 群体测 量则费 时 ， 所收 集到的 人体数 据也1绪论6很有 限。 0年代 ，一些 发达国 家已提 出非接 触式三 维人体 测量法 ，如英 国、美 国和日本 24等 。 非接 触式三 维人体 测量法 指利用 扫描仪 器来测 量人体 尺寸 ， 即被 测者站 立在仪 器内 ，双 手微 抬与 身体 成大 约 15度 的倾 斜角 ，两 腿张 开且 保持 直线 状态 ，人 体维 持该造 型几秒 ，人体 扫描即 可完成 。通过 该设备 ，可获 得人体 三维图 形，人 体身体 尺寸 ，人体 截面图 形 。 测量 过程中 ， 所涉 及到的 知识有 ： 光学 、 数理 统计学 、 计算