（服装设计与工程专业论文）基于通用软件的人体模型构建方法探讨.pdf

ar e s e a r c ho nt h em e t h o do f l n n e q u i n m o d e l i n gb a s e do nu n i v e r s i a ls o f t 後r e a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h em e t h o do fm a n n e q u i nm o d e l i n gu s i n gt h e u n i v e r s a ls o f t w a r e s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e so fm o d e l i n gm e t h o d sa n df u n c t i o n s b e t w e e ns o f tw a r e s ，i tr e a s o n a b l ya r r a n g e st h ea p p l i c a t i o no fe v e r yk i n do fs o f t w a r ei n t h ep r o c e s so fr e c o n s t r u c t i n gt h eb o d ys u r f a c e i tc o n s i d e r st h ed i s t r i b u t i o no ff e a t u r e p o i n t sf r o ma s p e c t so ft h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nb o d y ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb o d ya n dt h ec l o t h i n ga n dm o d e l i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o no ff e a t u r ep o i n t s ，i td i v i d e st h eh u m a nb o d yi n t or e g i o n sa n dc a l c u l a t e s t h en u m b e ro fc r o s s - s e c t i o n sw i t h i ne a c hr e g i o n i td o e sc u r v ef i t t i n ge x p e r i m e n t u s i n gl i n e ss u p p o r t e db ye a c hk i n do fs o f t w a r e ，a n di ts e l e c t st h ec u r v e so fr e l a t i v e g o o df i t t i n gp o s i t i o nb yt h ec o m p a r i s o no ff i t t i n ge r r o r i tc o m p a r e st h ed i f f e r e n c e b e t w e e nul o f ta n du vl o f tb ye x p e r i m e n t i ts e t su pd i f f e r e n tl e v e l so fc r o s ss e c t i o n s a n d a n a l y z e st h eq u a n t i t yo fs u r f a c ef i t t i n ga n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tl e v e l st ot h e q u a n t i t yo fs u r f a c e ，a c c o r d i n gt ot h ed a t ao ff i t t i n ge r r o rf r o mr a p i d f o r mx o va n dt h e v i s u a le f f e c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：p i o n tc u r eo f3 d sm a xi st h eb e s tf i t t i n gc o n d i t i o nw h e n t h e r ea r e6 0p i o n t so fu n i f o r md i s t r i b u t i o no nac r o s ss e c t i o n b e c a u s et h el o n g i t u d e s e c t i o nc u r v e sa s kt ob u i l dm a t c h u p sw i t ht h ep o i n t so nt h ec r o s ss e c t i o nc u r v e s ，i t u s e sul o f ta st h es p e c i f i cw a yo fm a n n e q u i nm o d e l i n g b ya n a l y z i n gt h ee r r o ro ft h e s u r f a c ef i t t i n go fp i o n tc u r v e ，i tf i n d so u tw h e nt h e r ea r e6 0p o i n t sa n dt h e r ea r e6 0 ，7 0 o r8 0c r o s ss e c t i o n s ，t h eq u a n t i t i e so ft h ec u r v ef i t t i n ga r ea l lg o o d ，a n di ta l s o a c c o m p l i s h e st h eg o a lo fr e d u c i n gt h ef i l es i z e c o n s i d e r i n g f r o mt h ea n g l eo f s i m p l i f y i n gt h eo p e r a t i o na n dr e d u c i n gd a t a ，u s i n g6 0l e v e l st or e c o n s t r u c t i n gt h e b o d y m o d e l i n gi st h eo p t i m i z e dc h o i c e k e yw o r d s ：m a n n e q u i n ；c u r v ef i t ；s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ；m o d e l i n g ；f i t t i n ge r r o r n 附图清单 图1 拉伸p 9 图2 旋转p 9 图3 扫描p i o 图4 用曲线簇构造曲面p i o 图5 多边形面片网格建模构造人体模型步骤p l l 图6 研究流程p 1 3 图7 上下截面的对应关系p 1 6 图8 上下截面点的排列的疏密不同p 1 6 图9 上下点排列不对应p 1 6 图1 0 上下点排列对应p 1 6 图1 1 使用g e o m a g i c 差异分析结果( m m ) p 1 8 图1 2 使用p o l y w o r k s 差异分析结果( r a m ) p 1 8 图1 3 使用r a p i d f o r m 差异分析结果( m m ) p 1 8 图1 4 三维扫描仪。v o x e l a n ( r 本浜野工程株式会社) 图1 5 切去上肢p 2 6 图1 6 切去头部p 2 6 图1 7 前颈与下颌的转折点p 2 6 图1 8 切去下肢p 2 7 图1 9 原始模型p 2 7 图2 0 人体躯干p 2 9 图2 1 人台j 下面高斯曲率分析p 2 9 图2 2 人台背面高斯曲率分析p 2 9 图2 3 人体分区图p 3 1 图2 4 受访者从业时间饼图p 3 2 图2 5 各部位分值分布图p 3 7 图2 6 人体区域分类p 3 7 图2 7 文献 1 0 1 经纬线设置p 3 9 图2 8 文献1 2 4 截面线设置p 3 9 v i 图2 9 图3 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 人体区域划分p 4 1 横截面特征射线放置示意图p 4 7 在a u t oc a d 中构建的特征射线p 4 8 截面曲线1 的中心点确定方法p 4 9 线段簇的创建p 5 0 特征射线最终形式p 5 0 测量射线示意图p 5 1 绝对拟合误差示意图p 5 2 m a xc v 在b l 、w l 、h l 的绝对拟合误差箱图p 5 3 m a x 点曲线在b l 、w l 、h l 的拟合误差箱图p 5 3 c a d 样条在在b l 、w l 、h l 的绝对拟合误差箱图p 5 4 c a d 多段线在b l 、w l 、h l 的绝对拟合误差箱图p 5 4 p r o e 样条在 、 的绝对拟合误差箱图 b lw lh lp 5 5 本课题原始数据状态p 5 7 基于r a p i d f o r m 生成的参考模型p 5 8 ul o f t 截面设置p 5 9 u vl o f t 的实验设置p 5 9 人体曲面重构流程p 6 0 参考模型( 灰色) 与重构后模型( 黄色) 渲染结果对比正面p 6 1 参考模型( 灰色) 与重构后模型( 黄色) 渲染结果对比背面p 6 2 参考模型( 灰色) 与重构后模型( 黄色) 渲染结果对比侧面p 6 2 模型重合正面p 6 3 模型重合背面图p 6 3 模型重合侧面p 6 3 层数变化对m i n 值的影响( 5 个实验对象) p 6 6 层数变化对m i a x 值的影响( 5 个实验对象) p 6 6 层数变化对a v g 值的影响( 5 个实验对象) p 6 6 层数变化对s t d d e v 值的影响( 5 个实验对象) p 6 7 层数变化对a v g 值的影响( 5 个实验对象) p 6 7 层数变化幕j + a v g 值的影响( 5 个实验对象) p 6 7 i 附表清单 表1 r a p i d f o r m 导出曲线与原曲线的偏差( m m ) p 1 9 表2 各软件支持的测量方式p 2 1 表3 研究对象人群的年龄分类情况表p 2 3 表4 研究对象人群的生长地分类情况表p 2 4 表5 研究对象人群的体形分类分布情况表p 2 4 表6 研究对象人群的身高分布情况表p 2 5 表7 分区编号及名称p 3 1 表8 各部位被认为需要仿真的频率统p 3 3 表9 排序个数统计p 3 4 表1 0 权重值设置p 3 4 表1 1 各部位加权后分值p 3 5 表1 2 各部位分值大小排序p 3 6 表1 3 文献 2 8 1 得出的控制点数与曲面精度关系p 4 0 表1 4 分割线说明p 4 1 表1 5 拟合曲线与原曲线有无差异的频数统计p 5 6 表一1 6 不同部位上拟合曲线与原曲线有无差异的频数统计p 5 6 表1 7 ul o f t 与u vl o f t 实验结果对比p 5 9 表1 8拟合误差概表( m m ) p 6 4 表1 9不同层数的曲面的拟合误差色彩分布p 6 8 表2 0原始数据与重构后数据文件大小统计p 6 9 v i i i 原创性声明 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，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 召觞 日期：如一7 年 胁月口日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 邵_ i 、 日期：幻7 年 f l ；c ，日 导师签名： 印弦 醐叩7 年啦肘咽 北京服装学院硕士学位论文 1 1 研究意义及目的 第1 章绪论 服装用人台是服装设计、生产、展示、舒适性评价等各个环节中必不可少的 工具，是反映人体体型特征的载体，是连接服装与人体之间的有效媒介体。近年 来，随着三维人体扫描技术的发展和其测量数据的逐步应用，服装三维c a d 技 术的起步、计算机辅助服装评价手段的深化，服装领域已经朝着更科技、更合体、 更满足顾客个性化需求的方向发展。 目前正处于以顾客为导向的消费时代。人们开始追求个性化的服装设计，希 望能够穿着到满足自己体型特征和审美需要、为自己量身定制的服装。因此服装 生产也从过去的大批量、少品种向着小批量、多品种乃至量身定制的方向发展。 目前在欧美的一些国家中，量身定制【l , 2 1 ( m t m ，m a d e t om e a s u r e ) j 艮装已占据市 场份额的2 0 ，并将成为未来服装生产的发展趋势。 由于计算机硬件和网络技术的支持，国外许多国家已经展开了电子化量身定 制服装【3 】( e m t m ，e l e c t r o n i cm a d et om e a s u r e ) 的研究，利用数字化，网络化的 方法实现高效快捷的量身定制服装的生产。 消费者对合体性和个性化的需求不仅带来了量身订制的生产模式，同时也对 生产过程和销售过程中使用的人台提出了新的要求。它需要服装制作领域和销售 领域使用正确反映人体三维形态特征的人台进行生产和销售。而只有研制出正 确反映三维人体形态的虚拟三维模型( v i r t u a lm o d e l ) 其后才可以制作出现实三 维人台( r e a la n t h r o p o m e t r i cm a n n e q u i n ) 。所以如果想有效解决上述服装行业 面临的问题，就必须尽快解决虚拟人体模型。 随着计算机辅助设计的发展，尤其是三维人体扫描技术【4 5 ，6 ，7 1 实现了人体测量 的数字化，出现了数字化的虚拟人台。虚拟人台广泛应用于三维服装设计、三维 立体缝合及虚拟试穿效果展示系统中，对于减少设计成本，减轻设计人员的劳动 强度，促成产品销售，倡导绿色设计理念具有积极意义。 目前构建个性化人台的研究以数学建模为主流，但由于研究者缺乏对人体特 l 第1 章绪论 征及人体与服装之间的关系等角度的考虑，导致大多数研究结果在形态上都存在 形态不够逼真的问题，从而使虚拟人台不能够真正意义上地实现其应具备的意 义，所以逼真地模拟出入体形态的虚拟三维人体模型研制迫在眉睫。 目前的个性化人台建模大多采用广泛应用于计算机动画中的f f d e 8 , 9 ( f r e e f o r md e f o r m a t i o n ) 法，部分通过建立参数化模型 1 0 , 1 1 1 并调整参数来调整人台的整 体形态。这些方法缺乏基础的人体体型变化统计依据，同时也缺少变形后人台与 目标人体原始数据之间的变形率检测实验，使得变形方法缺乏一定的科学依据。 三维建模软件经过多年的发展，具有交互式界面友好、建模方法丰富多样的 优点。利用建模软件进行造型时，可以输入一些参考用的图片或截面等用以对模 型形态加以控制。随着三维扫描技术及逆向工程软件的飞速发展，逆向工程软件 与三维建模软件建立起了良好的数据接口，这为实现在三维建模软件中建立精确 的个性化人体模型提供了可能。 好的人台建模技术应具备以下特点：1 ) 正确反映人体特征，能适用于不同 体型的人台建模；2 ) 建模速度快捷；3 ) 建模结果文件小，格式具备通用性。 本研究的目的是：以人体特征、人体与服装关系为切入点，研究出在一定程 度上能够快速、有效、正确地反映人体特征的建模方法。 1 2 相关研究现状 目前人台建模主要可以分为数学建模和基于通用软件的建模两大类。以下对 这两大类分别进行详细说明。 1 2 1 数学建模 数学建模法是通过把实际问题抽象成数学语言符号，构建数学模型。通过数 学模型来解决实际问题【1 2 】。建立虚拟人台和虚拟个性化人台是实现服装三维 c a d 中必不可少的关键环节之一【13 1 。应用数学模型构建虚拟人台和虚拟人体模 型有多种方法：采用点、直线、曲线的线框建模；采用体素构造的实体建模；采用点、 曲线、曲面的曲面建模：基于物理的建模方法等【1 4 , 1 5 】。 2 北京服装学院硕士学位论文 数学建模常见的几种方法介绍如下： 1 2 - 1 1 线框建模 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。 它是计算机图形学c a d c m a 领域中最早用来表示形体的模型，并且至今仍在 广泛应用。线框建模只用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单， 符合人们打样的习惯。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后 逐步细化。线框建模的数据存储量少，对其编辑、修改非常快。使用线框建模的 方法对人体建模时，它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，因此该建模方法在对人体建模时存在着如下缺陷： ( 1 ) 有模糊性和歧义性：不能够无二义性地表达三维人体； ( 2 ) 无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示； ( 3 ) 无法进行剖面操作。 杨龙祥等对打点的标准石膏人头像摄取正像、侧像和背像，三幅像由图像捕 获卡数字化为彩色图像，采用人机交互方法获得三维线框模型各个顶点的三维 坐标，按照一定规则把1 8 0 0 个顶点连接成三角片，建立相应的顶点表、线表和 面表数据库，获得了标准人头脸三维线框模型1 6 】。 杨承根等对通过皮肤颜色分割和形态滤波得到复杂背景的视频场景中的候 选人脸，用区域惯量椭圆方向进行调整并用先验人脸模板校验以找出人脸和脸 部特征区域l 根据人脸特征区域所具有的颜色特性和空间分布采用基于特征的 人脸识别算法提取部分重要的脸部特征点，由曲线和活动轮廓模型拟合脸部特 征边缘，从中提取特征点，用来估计头部姿势和作为插值结点的使用径向基函数 插值，可将3 d 人脸线框模型自动调整到特定的人脸上【1 7 】。 1 2 1 2 实体建模 实体模型技术是2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期逐渐发展起来的，典型的 造型方法及造型系统有n u d e s 系统、b u b b l e m a n 模型和l b a a 表示法模型等。 其方法有基本体系引用法、扫描表示法、单元分解法、边界表示法、结构实体几 3 第1 章绪论 何表示法和多面体建模法。实体模型的主要特点是提供了人体的几何和拓扑信 息，克服了线框模型的二义性，具有局部控制效应，并可以实现人体的消隐，进 行真实感图像的生成。但此模型的数据量大，对硬件的要求比较高。 1 2 1 3 基于物理的建模技术 传统的人体建模技术所描述的主要是人体的外部几何特征，而对人体本身所 具有的物理特征和人体所处的外部环境因素( 如重力等) 则缺乏描述【1 8 】。传统的人 体建模方法对静止人体的建模是非常成功的，但对于人体动态建模仍有一定的局 限性。人们尝试将物体的物理特性，尤其是提出“质点弹簧 模型【1 9 1 ，为建造 人体模型提供了新方法。此方法具有以下几个特点： ( 1 ) 在建模过程中引入了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素； ( 2 ) 在建模过程中引入了时间变量，因此，基于物理的建模方法能对人体的动 态过程进行有效地描述； ( 3 ) 在基于物理的建模过程中，通常采用微分方程组的数值求解方法来进行动 态系统的计算，因此，在计算上要复杂得多，但这种方法弥补了传统的几何建模 方法的不足，可以得到更复杂形象的人体模型。 基于物理的建模技术主要应用于服装的展示动画，对计算机硬件要求高，计 算时间长。 1 2 1 4 曲面建模 曲面模型是c a d 和计算机图形学最活跃、最关键的学科分支之一，它主要 研究具有一定光滑程度的曲面外形的数学描述。使用曲面模型的方法对人体建模 时，曲面模型能提供三维人体的表面信息，并进行隐藏线消除和真实感三维人体 模型显示，但曲面模型方法也存在着缺陷，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。 曲面建模生成的模型表面可以是由三角面片也可以是四边形面片。李白等【2 0 】 在基于三维点云数据构建人台时，提取关键点后，用到了简化的d e l a u n a y 三角平 面划分算法，再将关键点生成三角平面，由小面片构成了人台曲面。 4 北京服装学院硕士学位论文 目前在自由型曲线和曲面设计中比较成功并获得广泛应用的方法有b e z i e r 方 法、b 样条方法和n u r b s 方法等【2 。 b e z i e r 曲面 b e z i e r 曲面是一种通过控制多边形和网格顶点定义的曲面，其优点是移动控 制顶点就可以方便的修改整个曲面的整体形状，但这也造就了缺乏局部修改性的 缺点，另一方面控制多边形的顶点数目决定了曲面的阶数【2 2 1 。因此在复杂的人体 曲面设计过程中，采用b e z i e r 曲面不具有局部控制的特点，存在着拼接方面的困 难。 b 样条曲面 为解决b e z i e r 方法局部修改的问题，1 9 7 2 年，德布尔( d eb o o r ) 提出了b 样 条曲线和曲面的算法。b 样条曲线曲面与b e z i e r 曲面不同之处在于b 样条函数 取代了b e n s t e i n 基函数，其优越点在于： 1 ) 具有局部控制性质； 2 ) 可以表示比贝塞尔曲面复杂得多的曲面，控制多面体的顶点数量不受限制； 3 ) 多个b 样条曲面片的连接不需要考虑连接条件。 但是，传统的b 样条技术只能精确的表示抛物线、抛物面，对其它的二次曲 线、曲面，只能近似表示。因此，在一个造型系统内，无法用一种统一的形式表 示曲面，因而使得系统的开发复杂化。非均匀有理b 样条正是在这样的需求背 景下发展成熟起来的。 非均匀有理b 样条( n u r b s ) 曲面 非均匀有理b 样条( u n r b s ) i h 面建模技术是一种能将曲面实体溶为一体的 表示方法，n u r b s 造型总是由曲线和曲面来定义的，是专门做曲面物体的一种 造型方法n u r b s 用一组控制点阵列来表示一个曲面，也就是说只要确定一组控 制点就可以描述出一个曲面，用n u r b s 建立的模型，只要改变其控制点的参数 值，就能轻易的改变它的外型。n u r b s 造型只需要几条物体剖面的线段或是封 闭曲线，即可建立复杂的模型，比如在做人脸、动物造型时就十分方便；此外， 因其很容易返回到建立曲面的次物体层级：如建立曲面的曲线层级，对造型进行 5 第1 章绪论 修改，所以n u r b s 也逐渐成为工业设计的主流。 由于n u r b s 方法具有的突出优点，国际标准化组织( i s o ) 颁布的关于工业产 品几何定义的s t e p 国际标准，把n u r b s 方法作为定义产品形状的唯一数学方 法。 建模时，主要采用以下两种具体的建模方法。 1 2 1 4 1 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。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 面上进行【1 6 】。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。除了上述所讲的曲面 设计方法外，还有扫描( s w e e p ) 生成法，散乱点插值方法等，这些方法从不同角 度丰富了曲面建模技术。 目前参数化的曲面建模研究非常多，吴龙等在对三维人体测量结果统计分析 的基础上，提出了参数化人台设计技术路线在v c + + n e t 单文档视图模式下调 用o p e n g l 通过多边形曲面造型方法实现了可用按钮和键盘来控制的参数化人 台设计【1 0 2 3 2 4 ，2 5 1 。 夏平【1 0 1 ，张天睿【2 4 1 ，孟儿娟【2 5 】在各自的著作里针对参数化曲面建模进行了 方法上的探索。但是这些方法缺乏基础的人体体型变化统计依据，且没做变形后 的人台与目标人体的比对实验，使得变形方法缺乏说服力。 1 2 1 4 2 特征化的曲面建模 根据人体的整体结构，将人体模型划分为几个基本的结构特征。再根据不同 结构特征和不同的几何特征，选择具体部位不同的建模方法。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 6 北京服装学院硕上学位论文 方便地改进人体模型建模方法。 武剑洁等研究了基于特征的服装人体模型参数化建模方法就是用特征化的 曲面建模2 6 1 。 1 2 1 5 数学建模获取特征点的方法 以上的数学建模多是基于三维扫描得到的点云数据获取特征点的。获取特征 点的方法多是在垂直方向上每隔一段距离设置横截面，在每个横截面上建立坐 标，根据指定的公式或误差值来选择点。选择特征点时没有有基于人体与服装的 关系考虑，而且也没有验证模型与原点云数据的误差范围，模型精度缺乏说服力。 数学算法多采用v ch 和o p e ng l 实现，但其模型建立与控制过程较复杂，所 需要学习研究的时间也较长对于不是计算机或者数学出身的人，掌握起来有难 度。还有一些采用在m a t l a b 中运用网格小平面法建立人体模型2 7 1 ，但坐标和人台 的特征部位难以提取和确定，对于解决实际问题为主的设计人员来说存在一定的 困难。 1 2 2 通用软件建模方法 本文提到的通用软件是指开发基本完备，技术成熟，应用广泛，易于上手， 不需要对其功能模块进行过多修改的建模软件。 从本质上讲，各种建模软件的建模原理都是基于数学模型的，但是软件建模 提供了友好的操作界面，具有过程直观，修改方便的优点。 根据建模方式不同，建模软件可分为逆向工程软件和三维软件两种。以下对 这两种建模软件详细地说明。 1 2 2 1 逆向工程软件 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由 此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的技术。逆向工程与一般的设计 制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。 目前，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及 7 第1 章绪论 测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物 模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。逆向工程软件部分品牌主要 有i m a g e w a r e 、g e o m a g i cs t u d i o 、r a p i d f o r m 等，这些软件都提供了输x 输出其 他格式文件的数据接口。 一般扫描一个人的点数在l o 万个左右，文件大小约l o 兆，占用空间大，且 有漏洞和噪点，不能直接生成人台。逆向工程软件经除噪可直接由点生成面，可 快速生成较接近被扫描模型的三角面片模型，但是文件一般也在1 0 兆左右，而 且三角面片模型上的点数太多，不利于对模型的后续操作。 如果要在被扫描模型的基础上进行新的设计，把面片模型转换为曲面模型， 一般遵循点曲线曲面原则，其流程如下： ( 1 ) 点过程 读入点阵数据对点阵进行判断，去除噪音点( f l p 澳o 量误差) 通过可视化点 阵观察和判断，规划如何创建曲面根据需要创建点的网格或点的分段。 ( 2 ) 曲线创建过程 判断和决定生成哪种类型的曲线创建曲线诊断和修改曲线。 ( 3 ) 曲面创建过程 判断和决定生成哪种类型的曲面创建曲面一诊断和修改曲面。 但是人体是光滑的自由曲面，很难判断人体的边界线( 对应曲线创建过程) ， 因此在逆向工程软件中实现人体曲面模型是很困难的，需要人工干预获取特征曲 线。基于逆向工程的建模方法研究集中在可以用规则几何模型描述的工业产品方 面。 有的研究者从逆向工程技术入手，介绍一种快速建立虚拟个性化人台的方法 通过接收来自测量设备的人体或人台数据，进行一系列的补洞，提取特征线，建立 人体自由曲面并对人台关键部位进行变形等编辑操作，得到人台曲面模型，并通过 标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有c a d c a m 系统中，在这些系统中 完成最终的造型。 北京服装学院碗学位论文 12 22 三维软件 三维软件有3 d sm a x 、p r o e 、a u t o c a d 、m a y a 、犀牛等。这些软件广泛 应用于产品设计动画设计，空间展示设计等领域中。目前有许多非服装领域的 软件操作者用这些软件进行人体建模。加入渲染效果后，可以形成逼真生动的模 型。这些软件一般都有接受其他格式数据的接口比如i g 牯，d w g ，w l 、o b j 、s t l 等。这使得三维建模软件接受人体特征数据成为了可能。 通常用到的建模方法厦其原理如下： i 谪单几何体的构造 能建立球、圆柱、圆台、圆锥、长方体、圆环体。建立几何体模型要先选定 几何体的类型，找一个点或平面作为基准，然后输入几何体特征参数即可生成。 2 ) 拉伸旋转，扫描建模 各个软件中的名称不同，但是此类建模有一个共同特征：用同一个剖面生成 模型。拉伸、旋转、扫描的不同之处在于剖面所走的路径不同。剖面沿着它的法 线方走称为拉伸有的软件叫做挤出( 图1 ) ：剖面以一条直线为轴绕一圈( 或 指定的度数) 叫旋转( 图2 ) ；剖面沿着指定的线偏移，并在移动过程中保持与 指定线的垂直关系叫做扫描( 图3 ) 。 图l 拉伸 “自# m # # 圈2 旋转 二二 第l 章绪论 函 群雾攀 仝伊i 田3 扫描 3 ) 多边形，面片，网格建模 通常需要一个几何体。通过单击几何体顶点生成边，就像创建曲线一样。两 个或两个以上的边创建一个面，面包含面法线和顶点法线。多边形建模需要增加 节点提高模型表面的光滑度，通过调整节点的位置进行造型操作。 4 1 曲线簇生成曲面 此种方法需要一簇曲线或两簇曲线生成曲面( 图4 ) 。在不同的软件中具体 名称不同，名称有：放样( 1 0 n ) 、混合、从边界线创建曲面。曲线有控制点可 以控制曲线曲率、方向、长短。通常用于建造复杂曲面。 、 图4 用曲线簇构造曲面 北京崖装学院t 学位培女 用三维软件构造人体模型通常用多边形面片，网格建模具体做法是：将表 示设计意图的设计图或图片导入软件中作为背景；构建一个与胸腔脖子类似的几 何体( 图5 a ) ：在几何体上增加节点移动节点位置拉出下巴；选中模型最上 面的面向上挤出，做出头部( 图5 b ) ：增加节点，移动节点位置塑造胸腔形态 ( 图5 c ) ：增加节点塑造胳膊形态，挤出面片，拉出手臂( 图5 d ) ；增加节点 颦造腰臀形态，挤出面片拉出下肢( 图5e 、le ) 。经上述操作生成了由面片 构成的人体模型，表面有棱角；还需要增加节点，添加细节；细节完备之后用光 滑命令增加面片个数，使其光滑。 图5 多边形面片网格建模构造人体模型步骤 可以看到用多边形面片网格建模构造人体模型操作繁复，做一个细节完各 的角色。通常需要1 3 天。对于模型形态的把握，除了正面、侧面的轮廓线可吼 参考背景图片外，其他部分完全依靠建模人员的感觉。 随着逆向工程软件的发展，实现了三维建模软件与逆向工程软件的数据变 换，对于快速准确地获取人体特征点位黄信息有重要意义。通过合理的数据格式， 将从逆向工程软件获取的特征信息导入到三维建模软件，在三维建模软件中拾取 特征点，山特征点构建人台模型是建造个性化人台的新途径。 一鲞墨鼹 誊，誊 第1 章绪论 1 3 研究内容及方法 1 3 1 研究内容 目前有许多研究者使用数学方法构建虚拟人台，以实现人台的快速构建。大 多数研究侧重于特征点的自动获取、模型的快速构建程序，但由于在特征的提取 过程中缺乏对人体特征、人体与服装关系等问题的考虑，缺乏一定的实用价值。 个性化人台建模大多采用广泛应用于计算机动画中的f f d ( f r e ef o r m d e f o r m a t i o n ) 法，部分通过建立参数化模型并调整参数来调整人台的整体形态。 这些方法缺乏基础的人体体型变化统计依据，同时也缺少变形后人台与目标人体 原始数据之间的变形率检测实验，使得变形方法缺乏一定的科学依据。 通用建模软件具有应用广泛、界面友好、易于上手的特点，而且建模过程直 观、模型修改容易、格式转换方便，非常适合构建人台这种具有复杂曲面的模型。 本课题主要研究的内容是以人体特征以及人体与服装关系为切入点，研究在 通用软件中快速、有效、正确地提取人体特征，构建人台的建模方法，同时还要 解决模型数据占用存储空间过大的问题。 具体研究内容如下： 1 ) 人体形态特征提取方法的探讨； 2 ) 通用软件中优化功能的探讨； 3 ) 虚拟人台建模方法的确定； 4 ) 虚拟人台建模结果的有效性检验。 1 3 2 研究方法 本研究通过如下几个步骤进行： 1 ) 在比较各软件特点的基础上筛选有效的软件； 2 ) 比较各建模方式的优劣进而确定建模方式； 1 2 北京服装学院硕+ 学位论文 3 ) 根据人体曲面特征和人体与服装的关系确定特征点； 4 ) 分析选定建模方式的特点，安排特征点的排列； 5 ) 比较横截面曲线拟合误差，筛选可用曲线； 6 ) 比较横截面个数对曲面拟合质量的影响，并确定横截面个数的最优选择。 本研究的具体步骤及流程如图6 所示。 图6 研究流程 第2 章建模方法的确定及通用软件的选取 第2 章建模方法的确定及通用软件的选取 2 1 建模方法的确定 1 2 2 介绍了三维建模软件的建模方法及原理，分为简单几何体的构造、拉伸 旋转扫描建模、多边形面片网格建模、曲线簇生成曲面。 各建模方法的特点以及操作手法比较如下所示： 1 ) 几何体难以表现人体的复杂曲面，而且用几何体构建人体模型时存在着 不同部位拼接光顺的问题，因此几何体不适合人体建模； 2 ) 拉伸旋转扫描建模受到单一剖面的限制。由于人体在不同部位的剖面形 状不同，因此此种方法不适合构建人体模型； 3 ) 多边形面片网格建模需要添加顶点，输入每个顶点的坐标值并把其移动 到指定位置，操作较繁琐。且顶点与顶点间的连接为直线，模型表面棱角明显， 应用在人体建模上显得光滑度不足。 4 ) 曲线簇生成曲面能够建造非常复杂的自由曲面。只需要构建曲线簇即可 生成面，生成面的过程不需要调整每一个点，因此建模效率较高。但是要求同一 方向相邻的曲线上的点具有对应关系，否则会产生意外扭曲现象。 为了能够准确快速地构建人体模型，本课题采用曲线簇生成曲面的方法。曲 线簇生成曲面的建模方法在不同的软件中名称有所不同，如：放样( 1 0 r ) 、混 合、从边界线创建曲面。 无论使用哪个三维建模软件，曲线簇生成曲面都遵循点线曲面程序。 1 ) 点过程 点过程涉及到采集哪些点的问题。根据人体几何特征、人体与服装的关系确 定需要采集的点，以及点的疏密程度以及排列方式。 点的采集过程如下：首先找到人体特征点，在逆向工程软件中获取过特征点 的曲线；然后把这些曲线导入三维建模软件中，利用某种方式确定曲线上哪些点 可以用末重构人曲线。 1 4 北京服装学院硕十学位论文 2 ) 线过程 线过程是点与点之间用指定的线型连接成线的过程。本课题要考察各软件支 持的曲线类型，比较各种线型的拟合误差。确定线的个数以及在各个区域的分布 状况。 3 ) 曲面过程 曲面过程是用曲线按照一定的顺序生成面的过程。本课题要比较使用一个方 向的曲线簇构建曲面与使用两个方向的曲线簇构建曲面的差异；通过拟合误差分 析不同曲线个数对拟合质量的影响。 用曲线簇构建曲面的建模方式对于点和线有特殊的要求，建模时需要注意以 下问题： 1 ) 起始点封闭曲线的方向问题 无论在哪个软件中，用曲线簇生成曲面都需要设置每条曲线的起始点。如果 曲线是封闭的，还涉及到从起始点往哪个方向得到第二个点的问题。相邻截面的 起始点需要有对应关系；封闭曲线的方向必须一致；否则曲面会交叉或扭曲。 2 ) 截面上点的个数问题 p r o e 的混合工具要求每个截面上点的个数相同。也有的软件不要求点的个 数相同，建模时软件将所有截面自动调整到点数相同。在构建人台模型时，一定 要保证每个截面上点的个数是相同的。否则软件自动调整对曲线重构，重构后曲 线的可能不经过特征点，那么选择特征点就失去了意义，人台造型将缺乏可控性。 3 ) 相邻截面上点的对应关系 曲线簇生成曲面的过程如下：第一个截面上从起始点至第二点间的曲线拉向 第二个截面上从起始点至第二点间的曲线。如图7 所示，不同颜色交界处是特 征点位置，建模时上截面的曲线段拉向下截面相同颜色的曲线段。如果上下截面 的点疏密排列不同，如图8 ，建立的人台模型表面会有波浪。图9 和图1 0 显示 了同一个人截面上的点排列上下不对应与上下对应两种建模结果。 第2 章建模方往的确定厦通用软件的选取 纩强3 t 一矽一 二二二， 圈7 上下截面的对应关系 圈1 0 上下点捧列对应 同 一b 一乃 北京服装学院硕十学位论文 2 2 通用软件的选取 为实现本课题的最终目标要即“基于通用软件构建人体模型”，首先对通用 软件进行了选取。为了确保建模工作的顺利进行，逆向工程软件与三维建模软件 之间应有共同数据接口。 2 2 1 逆向工程软件的选取 本课题的目的是基于三维人体扫描点云数据重构虚拟人台。相对方便、快捷、 准确地提取人体特征数据是本课题前期工作地重要环节。逆向工程软件是本课题 获取人体特征数据的主要平台。常用的逆向工程软件有i m a g e w a r e 、g e o m a g ic s t u d i o 、r a p i d f o r m 等。 1 ) i m a g e w a r e i m a g e w a r e 由美国e d s 公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应 用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域，拥 有包括b m w 在内的广大的用户群。 2 ) g e o m a g i cs t u d i o 由美国r a i n d r o p ( 雨滴) 公司出品的逆向工程和三维检测软件g e o m a g i c s t u d i o 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自 动转换为n u r b s 曲面。该软件也是除了i m a g e w a r e 以外应用最为广泛的逆向 工程软件。 3 ) r a p i d f o r m r a p i d f o r m 是韩国1 n u s 公司出品的全球四大逆向工程软件之一。该软件提 供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为 三维扫描数据后处理的最佳化接口。 r a p i d f o r m 支持彩色3 d 扫描仪，可以生成最佳化的多边形，并将颜色信息 映像在多边形模型中。在曲面设计过程中，颜色信息将完整保存，也可以运用r p 成型机制作出有颜色信息的模型。r a p i d f o r m 也提供上色功能，通过实时上色编 辑工具，使用者可以直接对模型编辑自己喜欢的颜色。r a p i d f o r m 的这一特性为 1 7 第2 $ 建摸方法的碲定通用软件的选取 提取人体特征点提供了方便。 为了避免点云数据切换到不同软件数据发生变形，选择了几种通用的逆向 工程软件进行了数据变形实验。 实验方法如下：用各逆向工程软件打开点云数据，在各软件中把点云三角化 导出三角面片模型。在r a p i d f o r m 中比较三角面与原始点云数据的差异。结果如 下 i 一 t 委一：曩 毒霉。盼咔_ _ _ 誊 _ 蓦舞姑、。琏。 _ ， 。i 断一。，。， 图l l 使用g e 蛐a g i c 差异分析结果( 皿) 圉1 3 使用r a p i d f o r m 差异分析结果( 衄) 可以看到点云数据经备逆向t 程操作后，r a p i d f o r m 的平均变形最小。 r a p i d f o r m 的平均变形为0 0 0 0 2 r n m ，可咀认为经r a p i d f o r m 二角化处理后的模型 无变形。考虑到r a p i d f o r m 能够显示色彩信息，而色彩信息对与特征点的捕捉有 重要意义，斟此桕j 步选定r a p i d f o r m 作为原始数据获取来源。 北京服装学院碰t 学位论文 后续研究需要从r a p i d f o r m 采集原始曲线应用到其他软件，曲线格式发生变 化。r a p i d f o r m 可以输出的数据格式有：i g e s 、d x f s t e p 等。上述数据格式可以 被通用软件接收。为了检验r a p i d f o r m 导出的曲线是否会变形，设计了以下实验。 实验对象；2 3 个样本( 抽样方法见2 4 1 ) 的胸、腰、臀3 个围度的曲线。 实验方法：在r a p i d f o r m 中提取每个样本的3 个围度曲线后导出不同格式， 再重新导入r a p i d f o r m 中与原曲线进行对比。