（服装设计与工程专业论文）基于vb与matlab的三维人体及服装建模实现研究.pdf

本文的基础上还可以进一步深入开发，如在设计服装时考虑面料性念，三维服装转化 为二维衣片等。建立基于v i t u s 三维人体扫描仪的三维服装c a d 系统，并使之应用 于中小型服装企业，可以极大的提高服装企业的劳动生产率，提高整个服装行业的高 科技含量，增强我国服装产品在国际上的市场竞争力。因此，进行这方面的研究工作 具有巨大的理论及现实意义。 【关键词】人体扫描三维服装c a d 三维人体建模三维服装建模m a t l a b t h er e s e a r c ho n3dh u m a na n dg a r m e n t m o d e l i n gb a s e d o nt h ev ba n dm a t l a b a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec a dt e c h n o l o g yh a sw i d e l ya p p l i e di nm a n u f a c t u r ea n d m a c h i n i n gi n d u s t r y t e x t i l ea n dg a r m e n ti n d u s t r yi so n eo fo u rc o u n t r y sm o s t i m p o r t a n tw a y st oe a r nf o r e i g ne x c h a n g et h r o u g he x p o r t s s oi n t r o d u c t i o no f n e wt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni r r e v e r s i b l et i d e w i t ht h ep e n e t r a t i o no ft h e c a bt e c h n o l o g yi ng a r m e n ti n d u s t r y n o to n l yg a r m e n ti n d u s t r yh a sd e v e l o p e d m o r er a p i d l y ，b u ta l s op i o n e e r e dan e wa r e ai nd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，i ta l s op l a y sag r e a tp a r ti ni m p r o v i n g m a r k e tc o m p e t i t i o nc a p a c i t ya n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e lo fo u rg a r m e n t i n d u s t r y f r o mt h ef i r s tg a r m e n tc a ds y s t e ma p p e a r e da t1 9 7 0 st h r o u g h p r e s e n t ，2 dg a r m e n tc a dt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep e r f e c t ，s u c h a ss t y l ed e s i g n ，p a t t e r nd e s i g n ，m a r k i n ga n df i t t i n ga n ds oo n b u ta si ti s w e l lk n o w n ，g a r m e n td e s i g ni sap r o c e s so f3 dp r o d u c td e s i g n s oi nt h ef u t u r e ， t h et r e n do fg a r m e n tc a d d e v e l o p m e n tw i l l b ei n f o r m a t i o n b a s e d ，t h r e e d i m e n s i o n a l b a s e d ，i n t e l l i g e n c e b a s e d ，i n t e g r a t i o n b a s e d t h er e s e a r c ho ng a r m e n t3 dt e c h n o l o g ym a i n l yf o c u s e so n3 9h u m a nb o d y m e a s u r e m e n t ，3 dh u m a nb o d ym o d e l i n g ，3 dd r e s s i n gm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n , a n d t h et r a n s f o r mb e t w e e nt w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a lc l o t h t h isp a p e r u s e sv i t u s ，at h r e e d i m e n s i o n a lh u m a nb o d yl a s e rs c a n n e r ，w h i c hc a nc o l l a c t r e a l3 dh u m a nb o d yd a t aa n dt r a n s f o r mh u n d r e d so fh u m a ns u r f a c ed a t ai n t oa m a t r i x ，w h i c hc a nb ef u r t h e rp r o c e s s e db ym a t u m b a s e do nt h e s eu s e f u ld a t a ， t h i sp a p e ra p p l i e ss m a l lf a c e tm e t h o dt om o d e l3 dh u m a nb o d y ，w h i c hm a k e s3 d h u m a nb o d yc a nb ed i s p l a y e do np cw i t h o u tt h es u p p o r to fv i t u s f u r t h e r m o r e ， b e c a u s eo ft h el a r g eq u a lit yo fh u m a nb o d yd a t a ，p r o c e s s i n gs p e e di sv e r ys l o w s ot h i sp a p e rm a n a g e st or e d u c et h en u m b e ro ft r i a n g u l a rm e s h ，o p t i m i z e st h e t r i a n g u l a rm e s h ，：r e d u c e st h en u m b e ro fh u m a nb o d ys u r f a c em e s h 【t o2 0 o ft h e o r i g i n a ln u m b e r a f t e rs u c hp r o c e s s i n g ，t h ed i s p l a ye f f e c to fh u m a nb o d yi s s t i l ls m o o t h , b u t ，t h ep r o c e s s i n gs p e e dh a sa nl m p r e s s i v ep r o m o t i o n b a s e do n t h e3 dh u m a nb o d yn e w l yf i n i s h e d ，w ec a ne x t r a c tt h et h r e e - d i m e n s i o n a l c o o r d i n a t e so fs o m ek e yp o i n t sw h i c hd o m i n a t et h eg a r m e n ts t y l e ，a n dc o n s t r u c t ， t h e3 dg a r m e n tm o d e lb a s e do nb i c u b i eb - s p l i n em e t h o d a sf o rp r o g r a m m i n g m e t h o d ，t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h ep o w e r f u l3 dg r a p h i cp r o c e s s i n ga b i l i t y o fm a t l a b6 5t oo u t p u t3 dh u m a nb o d y c o m p a r e dw i t ho t h e rh i g h l e v e l l a n g u a g e s ，a l t h o u g ht h ea d v a n t a g e so fi t sm a t r i xo p e r a t i o n sa n d3 df i g u r e d i s p l a ya r eo u t s t a n d i n g ，m a t l a bi sn o tg o o da tm a k eg u i a ni m p o r t a n tf a c t o r t oe s t i m a t ea p p l i c a t i o n ss o f t w a r e s ot h i sp a p e ra d o p t sv b 6 0t od e s i g ns y s t e m g u i ，w h i c hl a r g e l ye n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dm a k e i tp o s s i b l et oc h a n g et h ec o l o ro fc l o t ha n db a c k g r o u n d ，m a g n i f yo rr e d u c e f i g u r e ，r o t a t ef i g u r ea r o u n dx - a x i s ，y - a x i so rz - a x i s ，d i s p l a y3 dh u m a nf r a m e b o d ya n ds u r f a c eb o d ya n ds oo n t h i sp a p e rd r a w3 dh u m a nb o d yd a t af r o mv i t u sl a s e rs c a n n e r b a s e do nt h e p r o c e s s i n go fh u m a nd a t a ，w ec o m p r e s st h ep r i m a r yt r i a n g u l a rm e s h e sa n d f u l f i l lt h er e a l i s t i cd i s p l a yo f3 dh u m a nb o d y w h a ti sm o r e ，w ea l s oa p p l y b i c u b i cb - s p l i n et e c h n o l o g yt oc o n s t r u c t3 dg a r m e n tm o d e l t h i sp a p e rh a s f i n i s h e dal o to fw o r ki n3 dg a r m e n tc a da r e a b u tw ec a na l s od 0s o m ef u r t h e r r e s e a r c h e ss u c ha sp h y s i c a lm o d e li n g , t w oa n dt h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s f e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 dg a r m e n tc a ds y s t e ma n di t sw i d e l y u s e di ng a r m e n t f a c t o r y ，o u rp r o d u c t i v i t ya n dh i g ht e c h n o l o g yc o n t e n to ft h ew h o l eg a r m e n t e n t e r p r i s e sw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d a sar e s u l t ，o u rc o m p e t i t i v ea b i l i t y i ni n t e r n a t i o n a lg a r m e n tm a r k e tw i l lb ei m p r o v e dt o o t h a ti st os a y ，r e s e a r c h o ng a r m e n tc a ds y s t e mh a se n o r m o u sa c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a u t h o r ：z h a n gz h a o h u a d i r e c t e db yp r o f e s s o rx uj u n k e yw o r d s ：h u m a nb o d ys c a n ，3 dg a r m e n tc a d ，3 dh u m a nm o d e li n g ，3 dg a r m e n t m o d e l i n g m a t l a b ! 缝途 1绪论 1 1 服装c a d 技术概论 1 1 1 国内外服装c a d 技术的发展现状 服装c a d 技术诞生于6 0 年代初，是随着计算机图形学、计算机图像学的应用而 发展起来的。1 9 7 2 年。美国率先研制出了m a r c o n 系统，在此基础上，美国g e r b e r 公司研制出一系列服装c a d 产品推向国际市场，使服装c a d 技术得以迅速推广，并在 服装c a d 技术不断成熟的基础上，开发了服装自动裁剪系统。在此启发和影响下，欧 亚发达国家相继推出了自己的服装c a d 系统，形成了世界范围内的服装c a d c 埘这一 新兴高科技产业。其中的佼佼者有法国l e c t r a 公司的力克系统“1 。西班牙 i n v e s t r o n i c 公司的艾维系统，日本j u k i 公司的系统，瑞士h l x s 公司的系统，加拿 大的p a d 系统以及德国的a s s y s t 公司的艾斯特系统等。这些系统的主要功能特点如 下： a 美国g e r b e r 系统：采用工作站形式实现从样板、放码、排料一体化，软件采用 x - w i n d o w 加强式菜单驱控界面，具备u n i x 多用户、多任务能力，兼备同步作业，具 有强大的联网能力。硬件配置方面具有高快、兼容、高解析度的特点，界面友好、亲 和。 b 法国力克( l e c t r a ) 系统：虽然比美国的g e r b e r 系统晚几年进入中国市场，却在 中国服装c a d 市场上占据领先地位。该系统采用o p e n c a d t m 电脑辅助设计工作站，特 点是采用中文软件不分工作站等级，具有高度亲和性，菜单目录为交谈式设计，附有 象形符号小键盘，开放式系统可与各个品牌系统兼容，实现产品信息的沟通。 c 西班牙i n v e s t r o n i c 系统：i n v e s s t u d i o 是在视窗内使用的用户图象接口， 界面美观，可以创作和草拟单件服装和整季服装的设计图稿。i n v e s m a r k 是一套全新 的电脑排料、放码系统，具备快速估料、简便入样、自动入码、电脑起头样、自动排 料、交互式排料、成本预算及排料分配、量身打板等功齄，实现网络化共享资料。 d 德国艾斯特( a s s y s t ) 设计系统：德国9 0 的服装生产商和3 0 9 6 的欧洲最大的服装 生产商都是a s s y s t 的用户，包括e s c a d e ，b o s s 等，它在1 9 9 8 年下半年进入中国市场， 采用惠普小型工作站，操作系统是u n i x 。其采用国际通用p a n - t o n e 纺织品色片、流 行色卡，从根本上消除了色差；可提供时装系列工艺单、加工细节工艺单、制板工艺 等3 0 多款典型工艺单。打板、描板、修板模块中有4 0 0 多种功能可供选择；款式管理 采用智能型数据库，可自动归类样板，任意组合款式。每个a s s y s t 系统都配有一个 m o d e m ，用户不但可以迅速得到热线帮助，而且可以通过网络传输数据。 e 瑞士a l e x j s 系统：有d e s i g n 款式设计，p g m 打板放码排料，c o m e t 成本合算三 大模块。管理系统的裁剪、定货、计划系统能确定最节省且最合适的定货。成本合算 一 ! 堑迨 系统与排料系统相连，自动显示和打印材料清单、裁床效率等。货易系统能进行打单 和库存处理。 f 日本重机d u k i 系统：采用个体电子计算机( i b m p c a t ) 基本信息的分散处理形 式，每个个体电子计算机都具有独立功能，亦可以组成网络。最大可将2 5 6 个工作站 编入网络系统，系统中装有远程通讯工程，可以将排料站、绘图站设在不同的场所， 任惫调用，推动工厂的f m o 高性能生产系统化。 8 0 年代初，我国服装业才开始引进国步 先进技术和设备，虽然起步较晚，但发展 速度很快，短短的十几年，基本上站稳了国内市场，目前较为成熟的有杭州爱柯系统； 航天部7 1 0 所的a r i s a 系统；北京四通集团公司g c a d 系统，除包括国内外同类系统的 常见功能外，还根据我国服装生产企业的特点开发了许多专用功能；北京轻工业学院 的b i l i 系统是为服装厂家批量生产服装而研制的从款式设计、衣片设计、放码到排料 的系统，由彩色款式设计、衣片设计、衣片输入、放码、排料、衣片和排料图输出、 数据库和图象采集等子系统组成，既可单独使用，也可成套使用；北京太阳电脑公司 的s l 系统，该公司至今已推出s l 一1 型至s l 一4 型四种不同配置的服装放码、排料系统， 以及s l 型款式设计系统，s l _ m 型管理信息系统；西安电子科技大学的x f - 1 型服装 c a d 系统：上海纺织科技发展中心的t g c 一1 型系统；浙江大学“智能服装c a d 设计及 面料设计系统”；京华自动有限公司a d s 一1 0 0 0 系统；北京丹灵电子科技有限公司的 c a d 系统；中国电子技术应用公司的天衣c a p 系统，主要型号有t y 9 0 0 - f x ，t y 9 0 0 一f d 放码排料系统等等。 目前，服装c a d 在我国的应用现状已经有了长足的进步2 ，但同发达国家相比仍 有一定的差距。例如：服装c a d 软件在美国的普及率超过4 5 ，日本的普及率超过8 0 ，而在我国的普及率还不及5 。根据“九五”计划目标，到2 0 0 5 年我国服装行业 c a d c 埘的使用普及率要达到3 0 ；到2 0 1 5 年，c a d c a m 使用普及率争取达到8 0 ，赶 上现在的发达国家。而据中国纺织工业协会产业部最近对对全国1 0 0 余家纺织服装企 业普查和对全2 0 家重点企业调查情况分析，在“十五”期间，纺织服装企业信息技术 应用增长最大的领域是管理软件m i s e r p 和c a d c a m 系统，约为4 0 亿人民币。 从上面的介绍可知，我们现在所说的服装c a d 技术都是指已经成熟了的二维服装 c a d 技术，它为服装工业的飞速发展做出了巨大的贡献，可实现放码、排料、款式设 计、纸样设计等几项功能。但随着人们追求服装个性化的呼声日益高涨，以及 n t e r n e t 技术的极大普及，二维c a d 在服装设计领域及电子商务中的应用已经越来越显得力不 从心，市场对三维服装c a i ) 的需求日益紧迫。与二维c a d 系统相比，三维服装c a d 的 大部分功能目前仍没有很好的实现嘲，只有个别服装c a d 公司推出一些单一功能模块 可用，例如，美国c d i 公司的时装设计功能，加拿大p a d 的样板设计与管理功能等。 三维服装c a d 系统的研究已是摆在我们面前刻不容缓的问题了，9 0 年代以后，各国都 2 ! 鳖迨 非常重视服装c a d 技术的普及，出现了很多优秀的三维服装c a d 系统“1 ，但由于服装 是一种柔性体，其形态既受款式造型的影响，又受到面料性态的影响，因此，对服装 形态的控制就显得异常困难，目前，国内外对三维服装c a d “”的研究尚处于探索阶段。 1 1 2 服装c a d 的技术展望 当今时代，人类社会正在进入一个高速发展的新时期，计算机科学和信息技术更 是目新月异，多媒体、计算机网络、高速信息公路、神经网络、虚拟现实等给计算机 信息科学带来一次又一次的革命。面对2 1 世纪，服装c a d c a m 必将受到新的技术推动。 服装c a d 与发展迅猛的信息技术、网络通讯技术等结合，使服装c a d 技术向商品化、实 用化、通用化和多元化的方向发展。当前三维服装c a d 技术的研究与开发虽已初见成 效，但要真正达到实用阶段还有很长的路要走，还存在许多急待解决的问题。总结现 有三维服装c a d 技术的发展现状，我们可以预测三维服装c a d 技术将向以下几个方面发 展吁 4 = a 信息化：服装产业本身就是对信息极其敏感的产业，服装的流行趋势，服装 市场的动向，对于服装设计和生产都是至关重要的信息，随着互联网的普及，信息的 获取、传送和反应变得更加快捷，服装信息库、网络信息交换和远程通信技术正受到 服装企业越来越广泛的重视。多媒体技术以其集图、文、声、像于一体的新概念给计 算机领域带来一次新的革命，这新技术在服装设计与加工领域有着广泛的影响和直 接的应用。电子商务的发展使顾客可以通过i n t e r n e t 将自己的尺寸传输给制造商或直 接参与设计自己个性化的服装，全球任何一个位置的服装加工企业均可接收全球任何 一个位置的订单，实现异地量身定做。 b 立体化：迄今为止，实用的商品化服装c a d 系统都是以平面图形学原理为基础 的，无论是款式设计、样品设计还是试衣系统，其基本数学模型都是平面二维模型。 随着对着装合体性、舒适性要求的提高以及服装款式变化的加快，建立三维人体模型， 研究三维服装c a d 技术，已成为服装c a d 技术的重要内容。美国c d i 公司推出的服装设 计系统具有建立三维动态人体模型、直观地表现服装多个侧面的立体效果和产生布料 悬垂立体效果及将立体设计近似地展开为平面衣片图等功能。此外，法国、日本、瑞 士等国家的专家们对人体的三维形体及运动效应进行的严格的理论分析与研究，也已 形成计算机人体工学这一新兴学科。总之，由于在直观性、合体性、真实感等方面的 优势，三维设计是未来服装c a d 技术的发展趋势之一。 c 智能化：至今为止，服装c a d 系统还只是辅助设计系统，其设计指导原则是采 用交互式工作方式。而计算机科学领域中富有智能化的学科和技术，如知识工程、机 器学习、联想启发和推理机制、专家系统等技术尚未被成功地应用到服装c a d 系统中。 智f l c a d 系统的目标就是尽可能地使计算机参与设计过程，利用设计专家的知识、经 验和数据完成产品的方案决策、结构设计、性能设计、图形处理全过程。服装智能化 3 一! 堑迨 就是使服装c a d 系统能够自动生成纸样、自动排料，具有学习、应用专家的经验和知 识的能力。 d 集成化：计算机集成制造技术( c ! m s ) 是工程制造业总的发展趋势，服装行业 作为新兴的加工制造业也不会例外。随着计算机集成制造c l m s 概念的提出，服装c a d 技术将打破相互孤立的状态，使设计、生产走向全面自动化和现代化的方向。无论是 作为世界先驱的美国g e r b e r 公司，还是后起之秀的法国l e c t r a 公司、西班牙 i n v e s t r o n i c a 公司或t o r a y 公司等都把目标对准了g i m s 系统。与服装c a d 技术相关的现 代技术，例如信息处理系统( g i s ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺规程设 计( c a p p ) 、综合管理系统( m i s ) 、柔性加工系统( f m s ) 等都将得到迅速的发展。 因此，未来服装c a d 的发展总的方向将是信息化、立体化、智能化、集成化。 1 2 三维人体建模方法的文献综述 由以上分析可知，近年来，c a d 技术在服装设计与r a n - 领域中的应用取得了巨大 的进步。其中二维服装c a d 技术已经成熟，能够实现服装款式设计、衣片设计、放码、 排料、款式试衣等功能。但是服装设计过程是一个充满创意性的三维产品设计过程， 传统的二维服装c a d 技术无法提供服装的三维形体表达，因此无法满足服装设计的需 要。因此，发展三维服装c a d 技术就成为世界各国普遍关注的目标。三维服装c a d 系 统的研制存在着三大核心课题，即三维人体的测量和绘制技术；三维与二维衣片之间 的转化技术；三维着装形态的仿真技术。其中，如何快速而高效的构建三维人体及服 装是整个研究工作的基础。 1 2 1 三维人体的测量技术 人体测量是服装设计和生产中重要的基础性工作。人体形状为复杂的曲面，要对 其进行较为精确的测量并获得全面细致的人体数据是很困难的。应用三维人体测量仪 可以大大提高测量的精度。其可分为接触式和非接触式两种。现简要介绍如下： a 接触式人体测量：传统的测量方法将测量工具与人体直接接触，方法简便直观， 费用低廉，因此在服装业中被长期使用。最常用的接触式人体测量工具是马丁活体测 量仪，它包括多个组件，可根据需要选用。主要包括如下工具： ( 1 ) 测高计：用来测量人体身长、总体高等各种纵向长度直线距离。 ( 2 ) 测距计：用来测量人体两点之间直线距离的工具。 ( 3 ) 杆状游标卡尺：用来测量人体曲面的凹进部位宽度的活动式测量器。 ( 4 ) 触角计：用来测量人体曲面的凸出部位的活动式狈4 量器。 ( 5 ) 滑动计：用于测量手掌等小范围宽度的活动式测量器。 ( 6 ) 角度计：测量肩斜度、背面倾斜度等身体各部位角度的仪器。 4 ! 缱途 b 非接触式人体测量：传统测量方法由于存在效率低下，测量精度低等缺点，不 适应于服装个性化的发展需求。因此世界上的许多国家都开始采用更先进的人体测量 方法。 ( 1 ) 立体摄影法：立体摄影法运用一组摄影机同时对人体摄影，通过人体表面光线 的横切面形状及大小转化的曲线计算人体模型。这种方法符合人的视觉特点，但对凹 下曲面的测量较难，精度也不高，如：英国的l o u g h b o r o u g h 人体影子扫描仪。 ( 2 ) 激光测量法：用多个激光测量仪( 如日本采用6 个) 对站立在测量箱内的被测 者从多个方位进行测量。摄相机接受激光光束射向人体表面的反射光，用计算机算出 人体同一高度若干点的坐标值，从而测得人体表面的全部数据。 ( 3 ) 莫尔条纹干涉法( 也称密栅云纹法) ：应用于光栅的投影和光栅形成的莫尔条 纹来进行人体数据测量。 ( 4 ) 美国 t f f 自光分层轮廓测量法：利用白色光源在物体表面投射正弦曲线，当 物体不规则的形状令投射的光栅变形，产生的图像将可以表示物体表面的轮廓，其系 统构成及扫描过程可参阅文献”。 1 2 2 三维人体及服装建模方法 在三维服装c a d 中比较常用的是几何建模方法、物理建模方法和混合方法。它 们各自的优缺点及特点叙述如下： a 几何建模技术：几何建模技术是通过人机交互的方式，建立现实世界的物体在 计算机中的数据表达，并提供有效的方法对其进行操作的- 1 3 高技术。它为c a d 和 c a m 提供必要的几何信息及其他相关信息，使产品的设计与制造过程能够很好的衔接 起来。常用的几何造型包括线框造型、表面造型( 又称曲面造型) 、实体造型、特征 造型与参数化造型等方法。 ( 1 ) 线框建模【9 】：线框造型是c a d 技术发展过程中应用最早的三维造型法。它是 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，具有很好的交互作 图功能。线框造型法的特点是结构筒单、易于处理、其输入的信息仅为一序列点及它 们之阆的连接关系。使用线框造型法对人体造型时，是将人体轮廓用线框图形和关节 表示，由于包含的信息有限，因此也存在严重的缺陷：它不能实现没有二义性的表达 三维物体，不能反映图形与景物的关系，无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感 人体模型的显示，无法进行剖面分析。 ( 2 ) 实体建模i 加】：直到2 0 世纪7 0 年代才出现了实用意义上的实体建模系统。由 于人体是一个三维实体，故可采用实体造型来建立人体表面的三维几何模型。实体造 型技术是利用体素等基本图元，通过简单形体( 如圆柱、球体等) 的交、并、差集合 运算来表达复杂的几何形体。由于该方法增加了三维人体的实心部分表达，故可对三 维人体实现无二义性描述。实体造型的突出优点是在计算机内真正存储了物体的三维 5 ! 堑迨 几何与拓扑信息，并且使物体能够进行物性计算、隐藏线和消隐面的消除、有限元网 格自动划分、工程图的自动生成和动画模拟等。但是，实体造型有两大缺陷：其一是 构成手段停留在点、线、面或简单体素的拼合上，不能满足设计、制造对构形的需要。 其二是模型必须用确切的数据变量定义，不能实现模型的自动刷新。 目前，实体造型系统中对人体的表达方式主要有3 种： 1 ) 体素分解法：体素分解法【4 l 是将复杂的人体进行层层分解，并将其逼近表示成 一簇基本体素的集合，分解后的复杂人体表示成一颗八叉树，亦称分层树结构。这种 实体表示利用了空间相关性以减少三维物体的存储需要，并提供了存储有关物体内部 信息的便利表示。该方法虽然简单易行，但由于体素间的集合运算涉及大量面面间的 交贯运算，容易使运算发生错误。因此在实际中较少应用。 2 ) 构造实体几何法：其基本原理是将复杂物体看作由若干基本体素经过正则集 合运算后而得到。一个复杂的物体被表示成一个二叉树，它的中间节点是正则集合运 算，而叶结点为基本体素。其特点为：能够清晰的表达复杂人体的构造过程，能直观 地描述人体的宏观几何特点，但该方法表示的人体模型也不太逼真，同时由于存在几 何运算，使得计算效率差，因而耗时。 3 ) 多面体建模：多面体建模【5 】是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱 边、顶点进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体( 即基本立体) ，然 后通过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。它 是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体建模可以 灵活地进行人体形状设计。多面体人体建模的步骤如下：首先它将产生一个由直线和 平面所组成的基本立体，作为人体形状的原型，然后由基本立体产生曲线模型，在曲 线模型的基础上，用参数曲面进行拟合。一般这些曲面是用小三角片逼近的方法绘制 的，从三维人体扫描仪的数据中读取各三角形各个顶点的三维坐标值，将各个三角形 相连接就形成了三维人体网格。 ( 3 ) 曲面建模：曲面建模通过物体的顶点、边、表面三种拓扑元素及其相互问的 拓扑关系描述三维物体的形状，将复杂的对象分成不同的曲面部分，然后进行不同曲 面的拼接处理。人体曲面是一个极不规则，复杂的曲面。人体结构决定了它具有较高 的复杂度，在显示人体时要求很强的逼真性，而曲面建模能够有效地满足形状表示与 几何设计的要求，所产生的模型真实感较强，具有较好的设计效果。同线框建模法相 比，曲面建模中的三维物体的几何和拓拎关系更完备一些。由于曲面建模提供了三维 物体的表面信息，因此，可以进行图形的消隐和真实感显示。但该法也存在着缺陷， 由于没有明确定义三维人体的实心部分，因此曲面建模方法不能进行剖面操作，在人 体曲面的衔接连续性控制上还不成熟，有时达不到理想的要求。常用的曲面造型法 1 2 - 1 3 主要有以下几种： 6 1 ) c o o n s 曲面建模：c o o n s 曲面属于插值方法，它将参数方法与样条函数相结合， 构造复杂的自由曲面。参数方法为自由曲面造型带来了很多的优点，而分片技术则可 将按给定边界约束构造的若干曲面片拼合成一张完整的曲面。c o o n s 方法在自由曲面 造型中是一个里程碑，其理论具有深远的影响。 2 ) b 6 z i e r 曲面建模：1 9 7 1 年法国r e n a u l t 汽车公司的b 6 z i e r 发明了一种由控制多 边形定义曲线的方法，使得设计者只须移动控制顶点就可以方便的修改曲线的形状， b 6 z i e r 方法从设计的要求出发，以逼近为基础模拟曲线曲面的设计过程。b 6 z i e r 曲线 有如下优点：曲线通过首末端点，这使得拼凑曲线段相当容易；b 6 z i e r 曲线完全包容 在由特征多边形形成的凸包内；b 6 z i e r 曲线具有对称性；b 6 z i e r 曲线的形状取决于特 征多边形的顶点，而与坐标系无关；复杂的曲线段可由几个较低次数的b 6 z i e r 曲线 段连接而成，较小线段的连接更有利于控制小区域内曲线的形状。 3 ) b 样条曲面片建模：同b 6 z i e r 曲线相比，b 样条曲线有两个优点：b 样条曲 线的阶数与控制顶点相对独立b 样条曲线可以进行局部控制，这也是b 样条方法 与b 6 z i e r 方法的主要差别所在。在b 一样条方法中，非均匀有理b 样条( m 瓜b s ) 曲 线和曲面最具有一般性。n u r b s 曲线由一组控制顶点唯一确定，改变某个控制点可 局部改变n u r b s 的外部形状，将各个控制点用直线连接即可形成n u r b s 曲线的控 制多边形。n u r b s 曲面是n u r b s 曲线的扩展，它由两条起点相同但不重合的n u r b s 曲线控制，其中一条参数为u 方向，参数为u 。另一条为v 方向，参数为v ，所有u 、 v 方向的等参数线相互交织便构成n u r b s 曲面【h 】。 n u r b s 曲面不仅可以表示标准的解析曲面，还可以表示复杂的自由曲面，它通 过修改临近控制点来局部修改曲面，并且不会影响全局，在线性变换( 缩放、旋转、 平移、剪切、平行与透视投影等下) 是几何不变的。但n u r b s 曲面在求交运算方面 尚有许多障碍，某些基本算法可能导致数值计算的不稳定性；在定义解析曲面时尚需 要额外的存储空间。 “) 基于特征的人体曲面建模：根据人体的整体结构，将人体模型划分为十个基 本的结构特征。即头、上中下部躯干、左右手、左右脚、每部分有各自的数据结构和 造型方法。该方法的优点在于：它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体 模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表 达方式。此外，还可较方便地改进人体模型建模方法。根据人体模型尺寸表，可定义 一系列的特征曲线，曲线豹生成通过相关特征点( 根据人体物理特性定义的点) 和模 型样本点( 根据人体模型曲面造型需要定义的点) 来得到。仅靠特征曲线还不足以表 达人体模型的所有几何形状，需补充定义几何造型曲线，与特征曲线共同构造出一曲 线网络。 ( 5 ) 参数化的曲面建模：参数化建模又称为变量建模，它采用几何约束来表达人 7 ! 缝迨 体模型的形状特征，从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。在建模过程中 应结合人机工程学原理，利用人体各部分固有的比例关系，从人体模型工业标准指定 的众多特殊尺寸中提取出起决定性作用的参数，如身高、上肢长度、肩峰至头顶高度、 后腰高、身高、胸围、腰围、臀围、膝围、踝围和脚掌周长。一但几何特征参数确定 下来，系统将根据人机工程学原理，修改相应的主要造型特征，使其满足新的尺寸要 求。同时，利用人体模型主、辅造型特征问的关联结构，修改相关的辅助造型特征， 获得新的人体模型造型特征，对新的人体模型造型特征进行曲面造型，最终得到用户 所需的人体模型。参数化建模是基于传统的几何建模方法上的一种更为抽象化的建模 方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，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。目前，参数化作为一种新的 几何建模发展方向，受到越来越多的重视，在许多大型通用的系统中都体现了参数化 建模的思想。 ( 6 ) 以网格边界线为连续条件的三维人体建模：用表面造型法作为人体造型的主 要框架，结合样条曲线和三角面片的拼接实现以网格边界线为连续条件的三维人体重 构。通过构造横向和纵向的b 样条曲线，形成三维的空间样条体系，由两个轴向的b 样条曲线离散化出构造三维人体曲面造型的三角面片基元的各个顶点。通过这些顶点 利用具有法向量的三角面片重构出三维人体，在此基础上进行人体的显示和后续处 理。 b 物理建模技术：可以分为2 大类：能量法与力学法。基于能量的造型方法( 简 称能量法) 从一系列方程计算出整个织物的能量，并通过移动网格顶点使其达到最小 能量状态的方法来确定织物的形状；基于作用力的造型方法( 简称力学法) 把顶点之问 所受的作用力用微分方程加以描述，并进行一系列的积分，从而获得顶点的位置。一 般说来，能量法用于进行静态模拟，而力学法用于动态模拟。物理建模技术是计算机 图形学中一个重要研究领域，它用基于物理模型的方法对变形曲面进行仿真或构造光 顺曲面。传统的人体建模方法很少考虑人体本身所具有的物理特征及人体所处的外部 环境，因此对于人体的动态建模就显得无能为力了，基于物理的建模方法运用物体问 的相互作用力来描述人体及服装的非刚性行为，将时间变量引入了建模过程，因此可 以对人体的动态过程进行有效的描述，能够精确再现人体复杂的力学行为，使仿真效 果更接近于真实状态。 。 c 混合技术：虽然利用物理方法对服装之类的柔性物体进行造型可能会获得逼 真的效果，但是，物理造型方法存在着局限：首先，柔性物体通常由许多小元素来表 征，用来求解微分方程以及进行迭代处理以寻找能量最小值的时间较长；其次，要找 到用于表征柔性物体的微分方程的合适参数往往不容易。同时，几何造型方法也存在 着局限，难于把动态约束整合到模型中，也难于精确地表达织物的局部结构。所以， 8 混合建模方法应运而生，它充分利用几何建模和物理建模的优点进行织物模拟。研究 人员通常利用几何方法来确定所要模拟的织物的大致形状，然后再利用物理方法对所 得到的结构进行细化处理。 1 3 本课题的研究目的 由上文中的分析可以得知，未来服装c a d 的发展趋势将主要集中在三维服装 c a d 系统的研制开发上。二维服装c a d 已相当成熟，有些功能己实用化，而三维服 装c a d 的大部分功能目前仍没有较好的实现商业化，其关键问题就在于三维人体模 型的快速构造问题。本课题利用v i t u s 三维人体扫描仪所得到的人体数据，通过曲面 建模的方法可生成较逼真的三维人体及服装模型。为进行个性化的量身订制提供了基 本的人体及服装模型，也为进一步研究三维服装c a d 奠定了基础。在建模方法上， 以往的三维人体及服装建模多采用v c + + 和o p e n g l 实现，模型建立与控制过程复杂， 编程语言的学习和熟练过程长。这对于很多以解决实际应用问题为主的工程人员而 言，无疑设置了很多障碍，需要耗费很多精力。而m a t l a b 语言广泛应用于工程控制 计算，具有强大的三维图形显示和处理功能，利用m a t l a b 实现三维人体和服装建模， 具有很多优越性，如编程语言容易掌握、建模效率高、三维模型可控性强等。为进一 步开发服装c a d 系统提供了许多便利。然而m a n a b 本身虽然提供了g u i 设计功能， 但同其他高级语言，如v b 、d e l p h i 、v c 等强大的图形界面设计能力相比，还有很大 的差距。因此本课题采用了v b6 0 和m a t l a b6 5 混合编程的方法。利用v b 强大的 g u i 图形界面设计能力构建操作界面，并结合m a t l a b 在图形处理方面的优势显示 三维人体及服装模型，结果是令人满意的。用这种方法，建模的效率优于传统的v c 和o p e n g l 方法。 9 2 系统开发环境 2 系统开发环境 2 1 系统的硬件配置 三维c a d 系统普遍对硬件要求很高，三维图形的生成过程及真实感显示涉及大量 的浮点运算，如三维图形的旋转、平移、缩放、光照、材质、消隐等都需要有强大的 c p i j 运算能力支持，但是即使目前最快的p c 机c p u 也无法满足实时显示三维图形的 要求。当前的微机图形显示予系统都集成了三维图形的硬件加速功能，以分担c p u 的运算负荷。但专业级的图形显示子系统价格极为昂贵，由于经费所限，考虑到硬件 的性能、价格、兼容性等因素，把系统的硬件配置如下： c p u 选用目前的主流，i n t e lp e n i n m 4 系列，具有强大的浮点运算能力和对 w i n d o w s 系统最好的兼容性，为流畅运行w i n d