（机械设计及理论专业论文）三维服装柔性参数化设计方法及技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 服装c a d ( g a r m e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n , 简称g c a d ) 领域近年来得到极大关注。 传统g c a d 基于二维裁片操作，称之为二维g c a d ，目前二维g c a d 已比较成熟。随着三 维设计技术的发展，三维g c a d 也成为热点，并已经成为主流技术，但三维g c a d 仍存在 诸多难点。 本文在分析参数化研究历史和存在问题的基础上，首次提出柔性参数化方法的概念。柔 性参数化是以自由曲线曲面为基础元素，以满足基础元素之间的约束为目标，以灵活多样的 约束柔性求解方法为手段，最终得到尺寸非精确表达模型的一种参数化方法。柔性参数化在 三个方面有别于传统的参数化，即元素和模型表示的柔性化、约束的柔性化、求解的柔性化。 基于柔性参数化方法的概念，提出服装柔性参数化方法。服装柔性参数化是对服装参数 化模型实施多种驱动和联动操作的服装三维设计方法，内容包括模型建构、模型驱动与模型 联动。将服装模型分为坯基层、款式层、衣片层、裁片层四个层次，坯基层和裁片层是服装 柔性参数化设计的重点。服装模型建构利用特征信息，分层次建构服装模型，得到具有非精 确表达的服装几何参数化模型。服装模型驱动利用混合维度信息输入，对服装多层次几何模 型进行多因素驱动。服装模型联动基于混合维产品信息，对服装模型进行多层次联动和混合 维度联动并最终得到系列化产品。服装模型构建为基础，模型驱动为核心，模型联动为特色， 多层次性、多维度性、非精确性三个特性贯穿于服装柔性参数化设计的整个流程。 提出基于混合维特征元素构建服装部件模型的技术。参数化人体模型为服装柔性参数化 设计提供丰富的混合维特征语义信息。利用人体特征点得到服装特征点，构建服装特征点的 拓扑关系，形成粗三角网格模型，通过曲面细分得到服装细分曲面模型。利用人体特征线信 息得到服装特征曲线网络，对特征曲线网络施加约束，形成服装特征线框架模型，而后通过 三维曲线和混合维曲线插值即可得到服装插值曲面模型。利用人体特征面生成服装特征基曲 面，通过对服装基曲面的一系列操作，直接得到服装曲面模型。通过规范化处理，由这三种 方法生成的服装模型可以统一为参数化服装模型表示。这三种方法各有优缺点，可以单独使 用，也可集成使用。通过对服装曲面模型的后处理和多层次集成建模，从而完成服装模型的 构建。 提出服装模型的多因素驱动参数化技术。服装模型有尺寸驱动、草图交互驱动、人体驱 动三种方式，而人体驱动又可以分为人体整体驱动和人体局部驱动。在尺寸驱动中，尺寸直 接驱动相关特征曲线变形；在草图交互驱动中，将二维输入的草图交互信息转化为相关曲线 的尺寸值或约束后，才能进一步驱动目标元素变形；在人体驱动方式中，人体整体驱动是利 用曲线约束编解码方法，将某一样式的服装特征框架相对于人体模型编码，再相对于其它人 体模型解码，然后通过变动人体尺寸来驱动服装模型；人体局部驱动则是利用碰撞检测技术 来局部调整服装曲面网格顶点。服装模型驱动分为两个层次：特征框架驱动和曲面驱动。尺 浙江大学博j ：学位论文 摘要 寸驱动、草图交互驱动、人体整体驱动都是直接作用于服装特征框架的，特征框架的约束有 效性必须得到维护。利用图论方法，构建服装约束图的约束权值矩阵并经过相关处理，获得 约束求解路径，进而完成服装模型的柔性驱动。人体局部驱动则利用细分碰撞满足服装交互 设计的精度要求，分片分区碰撞检测满足服装设计的速度要求。 提出服装模型联动参数化技术。利用展开技术构建服装混合维映射关系，利用裁片映射 技术构建裁片和人体映射关系，同时结合服装模型构建流程，从而形成服装模型正向和逆向 混合维多层次联动设计技术。基于服装联动设计技术，以裁片放码为例，提出基于混合维度 的裁片放码技术。利用裁片边角特性，结合裁片的直角坐标和局部标架两种表达法，构建两 种方式的目标函数，通过对这两种目标函数求解，从而达到数值求解的稳定性。 以本文的研究成果为技术核心，开发出服装柔性参数化设计原型系统，并集成于三维服 装设计系统l o o k s t a i l o r x 。l o o k s t a i l o r x 系统包含人体建模、三维服装设计、裁片展开和处 理、裁片缝合和放码四个功能模块。利用该系统，本文给出了人体参数化变形、服装典型部 件建模、多因素驱动和多维度参数化联动技术的实例。 关键词：柔性参数化、三维服装设计、服装柔性参数化、特征建模、约束求解、模型驱动、 模型联动 浙江大学博十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g c a d ( g a r m e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) f i e l dh a sa t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s t i n gi nr e c e n ty e a r s t r a d i t i o n a lg c a dw a sb a s e do n2 dp a t t e mo p e r a t i o n sa n ds oc a l l e d2 dg c a d 2 dg c a di s g r o w i n gi n t oa u t u m n a l o n gw i t h3 dd e s i g nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , 3 dg c a dt u r n si n t o h o t s p o ta n dm a i n s t r e a m b u ti tf a c e sm a n yd i 币c u l t i e s b a s e do na n a l y s i so ft h eh i s t o r ya n dp r o b l e m so fp a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o d ，t h i st h e s i sp u t s f o r w a r df p m ( f l e x i b l ep a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o d ) ，ai n n o v a t i v ec o n c e p tw h i c hi sn e v e ra d v a n c e d b yo t h e r s f p mi sam e t h o dw h i c hi sb a s e do nf r e ec u r v ea n ds u r f a c ea sb a s i ce l e m e n t a i m st o s a t i s f yc o n s t m i n t sb e t w e e nb a s i ce l e m e n t s 。u t i l i z e sa l lk i n d so fc o n s t r a i n ts o l v i n gm e t h o d s ，t h e n g a i n sao b j e c tm o d e le x p r e s s e db yn o n - a c c u r a t es i z e s f p mi sd i f f e r e n tw i t ht r a d i t i o n a l p a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o di nt h r e ea s p e c t si n c l u d i n ge x p r e s s i o nf l e x i b i l i t y , c o n s t r a i n tf l e x i b i l i t ya n d s o l v i n gf l e x i b i l i t y b a s e do nf p m ，t h et h e s i sp r e s e n t sg f p d m ( g a r m e n tf l e x i b l ep a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d ) g f p d mi sap a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o df o rg a r m e n tp a r a m e t e r i z e dm o d e lb ya l lk i n d so fd r i v ea n d u n i t e dd e f o r m a t i o no p e r a t i o n s g f p d mi n c l u d e sc o n s t r u c t i o n d r i v ea n du n i t e dd e f o r m a t i o nf o r g a r m e n tm o d e l g a r m e n tm o d e lc a nb ed i v i d e di n t of o u rl a y e r sw h i c hi n c l u d eb a s i cg e o m e t r i c l a y e r , s t y l el a y e r , p a t c hl a y e ra n dp a t t e ml a y e r t h ep a r a m e t e r i z a t i o ne m p h a s i si sp u to nt h eb a s i c g e o m e t r i ci a y e ra n dp a t t e r nl a y e r g a r m e n tm o d e li sc o n s t r u c t e da sal a y e r e dm o d e lw h i c hi s e x p r e s s e db yn o n a c c u r a t ed i m e n s i o n su s i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o n g a r m e n tm o d e ld r i v ec h a n g e s m o d e lw i t hm u l t i f a c t o rb yu s i n gh y b r i dd i m e n s i o ni n p u ti n f o r m a t i o na n dn o n a c c u r a t ec o n s t r a i n t s o l v i n g g a r m e n tm o d e lu n i t e dd e f o r m a t i o ng e t sas e r i e so fp r o d u c tb a s e do nh y b r i dd i m e n s i o n p r o d u c ti n f o r m a t i o nb yd e f o r m i n gm u l t i l a y e rf u n c t i o n a lm o d e lb a s e do nm u l t il a y e ra n dh y b r i d d i m e n s i o n m o d e l i n ga sb a s i s 。m o d e id r i v ea sk e m e la n dm o d e lu n i t e dd e f o r m a t i o na st r a i t 。 f e a t u r e si n c l u d i n gm u l t i l a y e r , h y b r i dd i m e n s i o n ，n o n - a c c u r a t e n e s sr u nt h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s s o fg a r m e n td e s i g n a d v a n c e sg a r m e n tc o m p o n e n tm o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nh y b r i dd i m e n s i o nf e a t u r ee l e m e n t s p a r a m e t e r i z e dh u m a nb o d ym o d e lp r o v i d e sr i c hs e m a n t i ci n f o r m a t i o no fh y b r i dd i m e n s i o nf e a t u r e f o rg a r m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n a c q u i r eg a r m e n tf e a t u r ep o i n t sf r o mb o d yf e a t u r ep o i n t sa n d c o n s t r u c tt o p o l o g yf o rt h eg a r m e n tf e a t u r ep o i n t s ，t h e nac o a r s et r i a n g l em e s hw i l lt u r nu p ，w h i c h w i l lt u r ni n t og a r m e n tm e s ht h r o u g hs u r f a c es u b d i v i s i o n u t i l i z eh u m a nf e a t u r el i n ei n f o r m a t i o n t og e tt h eg a r m e n tf e a t u r ec u r v en e t w o r k ，e x e r tc o n s t r a i n t so nt h ef e a t u r ec u r v en e t w o r k ，t h e nt h e g a r m e n tf e a t u r ec u r v ef r a m ew i l lb ef o r m e d ，a n dt h e ng a r m e n ts u r f a c ew i l lb eg o tb ys u r f a c e i n t e r p o l a t i o nt h r o u g h3 dc u r v e sa n dh y b r i dd i m e n s i o nc u r v e sa ss u r f a c eb o u n d a r yc u r v e s g a r m e n ts u r f a c em o d e lc a nb ep r o d u c e dd i r e c t l yb yas e r i e so fo p e r a t i o no ng a r m e n tb a s i cs u r f a c e w h i c hi sg e n e r a t e df r o mb o d yf e a t u r es u r f a c e t h e s et h r e ek i n d so fm e t h o d se a c hh a v ep l u s e sa n d m i n u s e s ap a r a m e t e r i cg a r m e n tm o d e lc a nb eg o tf r o mt h em o d e l sm o d e l l e db yt h et h r e ew a y s t h r o u g hs t a n d a r d i z e dt r e a t m e n t t h em o d e l i n gw a yb a s e df e a t u r el i n e sc a ng e tp a r a m e t e r i z e d g a r m e n td i r e c t l y , b u tm o d e l i n gw a y sb a s e do nf e a t u r ep o i n t sa n df e a t u r es u r f a c e sn e e df u r t h e r t r e a t m e n t t h e yc a nb eu s e da l o n eo rc a nb ei n t e g r a t e dt ou s e a t i e ra f l e r t r e a t m e n tt ot h eg a r m e n t 浙江人学博七学位论文 a b s t r a c t s u r f a c em o d e la n dm u l t i l a y e r e di n t e g r a t i o nm o d e l i n g ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h eg a r m e n tm o d e lw i l l f i n i s h a d v a n c e sm u l t i f a c t o rd r i v ep a r a m e t e r i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rg a r m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n t h e g a r m e n tm o d e lh a st h r e ek i n d so fd r i v ew a y si n c l u d i n gs i z ed r i v e ，s k e t c hd r i v ea n dh u m a nb o d y d r i v e t h eh u m a nb o a yd r i v ea l s oc a nb ed i v i d e di n t oh u m a nb o d y sw h o l ed r i v ea n dh u m a n b o d y sp a r t i a ld r i v e i nt h ew a yo ft h es i z ed r i v e s i z ev a l u eu r g e st h er e l e v a n tf e a t u r ec u r v e st o d e f o r md i r e c t l y i nt h ew a yo ft h es k e t c hd r i v e ，a f t e rt u r n i n gt h e2 dm u t u a ls k e t c hi n p u t i n f o r m a t i o ni n t ot h es i z ev a l u ea n dc o n s t r a i n t so ft h er e l e v a n tc u r v e s ，t h eg o a le l e m e n t sc a nb e d e f o r m e df u a h e r i nt h ew a yo fh u m a nb o d yd r i v e ，h u m a nb o d y 。sw h o l ed r i v eu t i l i z e sc o n s t r a i n t s c o d eo fc u r v e s ，w h i c he n c o d e sg a r m e n tf e a t u r ef r a m ee l e m e n t sr e f e r r e dt oah u m a nb o d ya n d d e c o d e st h eg a r m e n tf e a t u r ee l e m e n t sr e f e r r e dt oa n o t h e rh u m a nb o d y h u m a nb o d y sp a r t i a l d r i v eu t i l i z e sc o l l i s i o nd e t e c t i o nt oa d j u s tl o c a lp a r to fg a r m e n tm e s h t of a c ew i t hm o d e ld i r v e t h eg a r m e n tm o d e li sa l s od i v i d e di n t ot w ol e v e l s ：t h ef e a t u r ef r a m ea n ds u r f a c e s i z ed r i v e ， s k e t c hd r i v ea n dh u m a nb o d y sw h o l ed r i v ea l la c to ng a r m e n tf e a t u r ef r a m ed i r e c t l y , s ot h e c o n s t r a i n tv a l i d i t yo ft h e g a r m e n tf e a t u r ef r a m em u s tb em a i n t a i n e d u t i l i z eg r a p ht h e o r y , c o n s t r u c tw e i g h ts c a l em a t r i xf o rt h eg a r m e n tc o n s t r a i n tg r a p h ，a f t e rs o m er e l a t i v et r e a t m e n to n t h em a t r i x , as o l v i n gr o u t ew i l lb eg a i n e d ，a n df l e x i b l ed r i v eo ft h eg a r m e n tm o d e lw i l la l s of i n i s h c o n t i n u o u s l y h u m a nb o d y s p a r t i a ld r i v eu t i l i z e sc o l l i s i o nd e t e c t i o nw i t hs u r f a c es u b d i v i s i o nt o m e e tt h ep r e c i s i o nr e q u e s tf o rg a r m e n ti n t e r a c t i v ed e s i g na n dt e c h n o l o g yo fd i s p a r ta n dd i v i s i o n a l c o l l i s i o nd e t e c t i o nm e e t st h es p e e dr e q u e s tf o rg a r m e n ti n t e r a c t i v ed e s i g n a d v a n c e sm o d e lu n i t e dd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf o rg a r m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n a d v a n c e sm o d e l u n i t e dd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf o rg a r m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n u t i l i z em e s hd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yt oc o n s t r u c tm a pr e l a t i o no nh y b r i dd i m e n s i o nb e t w e e np a t c ha n dp a t t e r n ，u s ep a t t e r n m a p p i n gt e c h n o l o g yt ob u i l dm a pr e l a t i o nb e t w e e np a t t e r na n db o d y , t h e nl i n k sw i t hg a r m e n t d e s i g nm o d e l i n gp r o c e s s ，t h ed e s i g nt e c h n o l o g yn a m e du n i t e dd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt oc h a n g e g a r m e n tm o d e lf o r w a r d l ya n dc o n v e r s e l yi sf o r m e d b a s e do nt h i st e c h n o l o g y , an e wg r a d i n g m e t h o db a s e do nh y b r i dd i m e n s i o ni sp u tf o r w a r d m a k i n gu s eo fi n f o r m a t i o no fe d g ea n da n g l e o fp a t t e r np o l y g o n ，t w oo b j e c tf u n c t i o n sa r em a d eo u ta l o n gw i t ht w ow a y si n c l u d i n gd e s c a r t e s c o o r d i n a t ea n dl o c a lf r a m et oe x p r e s sp o l y g o n t h r o u g hs o l v i n gt w ow a y so fo b j e c tf u n c t i o n s ， n u m e r i c a ls o l v i n gr o b u s t n e s sc a nb eg o t a3 dg a r m e n tp a r a m e t e r i z e dd e s i g ns o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e db ye x p l o i t i n gt h ea l g o r i t h m s p r e s e n t e d i nt h i st h e s i sa n dh a sb e e ni n t e g r a t e di n t oag a r m e n td e s i g n s y s t e m n a m e d l o o k s t a i l o r x ( l s x ) l s xi n c l u d e sf o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，w h i c hi n c l u d e sm a n n e q u i nm o d u l e ， g a r m e n tm o d u l e ，p a t t e r nm o d u l e ，s e w i n ga n dg r a d i n gm o d u l e u s i n gt h el s x ，m a n ye x a m p l e s i n c l u d i n gt h et e c h n o l o g i e sf o rb o d yp a r a m e t e r i z e dd e f o r m a t i o n ，m o d e l i n g ，m u l t i f a c t o rd r i v ea n d g a r m e n tm u l t id i m e n s i o nu n i t e dd e f o r m a t i o nf o rr e p r e s e n t a t i v eg a r m e n tc o m p o n e n t k e y w o r d s ：f l e x i b l e p a r a m e t e r i z a t i o n , 3 dg a r m e n td e s i g n ，g a r m e n tf l e x i b l ep a r a m e t e r i z a t i o n ， f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ，m o d e ld r i v e ，m o d e lu n i t e dd e f o r m a t i o n ，c o n s t r a i n ts o l v i n g 浙江大学博十学位论文第1 章绪论 第一章绪论 1 1 引言 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术的应用极其广 泛，已经渗透到几乎所有行业。机械领域是c a d 技术首先也是最成功应用的领域。 机械c a d 已经从最初的辅助绘图技术发展到包括c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 在内的 c a x 技术以及将信息化孤岛有机连接的c i m s 系统，与此同时涌现了一些新的设 计理念，如集成制造、敏捷制造、智能制造、绿色制造等。在服装设计与加工领 域，对产品优质、廉价地制造并对市场做出快速反应，这将是2 1 世纪服装市场 竞争的关键。为了适应服装生产模式“多品种、小批量、高质量、快交货”的发 展趋势，服装c a d ( g a r m e n tc o m p u t e ra i d e dd e si g n ，简称g c a d ) 技术应运而 生并迅速发展且已发挥巨大作用。国际上最早出现的g c a d 系统是美国于1 9 7 2 年 研制的m a r c o n 系统。在此基础上，美国g e r b e r m n 0 0 7 1 公司研制出一系列g c a d 产品推向国际市场，成为这类系统的先驱。g c a d 技术最近二十年来得到很大的 发展，在随后短短数十年内，约有十几个国家几十套系统问世。 与机械c a d 一样，g c a d 也是首先从二维开始发展的。服装设计最关键的两 个环节是结构设计与款式设计。依据服装平面裁剪方法开发的二维g c a d 实际就 是一个提供二维裁片各种操作的工具，由于款式设计与结构设计脱节，因此服装 二维g c a d 系统具有较大的局限性。立体裁剪完全基于人体或人体模型，且款式 设计与结构设计相互衔接。依据计算机辅助服装立体裁剪开发的三维g c a d 具有 显著优越性。有效地利用三维个性化的人体信息，构建贴合于人体的个性化三维 服装模型是开展服装立体裁剪技术研究的基础和关键。同时，为了应对当前产品 设计与加工能够快速响应市场需求的要求，还要实现服装设计的批量化、自动化。 参数化技术能很好满足以上两个要求，因而受到青睐，并在机械领域取得巨大成 功。如何将参数化技术充分融入到服装设计的各个阶段，是本文研究的意义。国 内外涌现了一大批服装设计的文献，综观现有的文献，可以按照服装模型表达与 建模、服装设计维度、服装设计理念三类来对现有服装设计方法与技术进行综述。 1 2 服装模型表达与建构 浙江大学博十学位论文第1 章绪论 1 2 1 服装模型表达 服装设计是一项包括款式设计、结构设计和工艺设计的综合工程，是一门从 造型艺术角度去研究与探讨人体身材与服装款式关系的学科。在服装设计中，造 型设计、结构设计与工艺设计三者是有机联系、不可分离的。亦即服装设计是艺 术与技术的统一，是选用一定材料，依照预想的造型结构，通过特定的工艺制作 手段来完成的艺术与技术相结合的创造性活动。在g c a d 中，服装曲面造型是服 装造型设计的基础和关键。 服装曲面是复杂的自由曲面，如何表示服装模型是服装辅助设计的一个基本 问题。服装模型不外乎几何模型和物理模型。服装几何模型将服装看作自由曲面， 而曲面通常分参数曲面与网格曲面两种，参数曲面在裁剪以及后续的曲面二维展 开上有着较大的技术难度，通常将参数曲面转化为网格曲面再进行进一步的处 理。服装物理模型则大多将服装看作粒子弹簧系统，然后根据物理规律进行处理。 1 基于曲面精确表达的服装几何模型 三维的服装曲面以人体模型为基础，即服装的外形需反映人体的形体特征。 b k h i n d s 和j m c c a rt h e y 肌h “”9 0 心“n ”删提出了一种在人体模型的基础上定义 一系列位移曲面片来生成3 d 服装曲面的造型方法。a u 用分片的b e z i e r 曲面来 拟合人体模特曲面队”9 1 ，为服装设计提供了必要的人体模型，同时这种特征分 片的方法为服装模型的构建提供了有益的借鉴。x u 用c o o n s 曲面拟合人体扫描 数据给出了一种适合服装大规模定制的服装曲面构建方法旺羽。 2 基于曲面网格表达的服装模型 对基于人体模型的服装网格曲面生成的研究尚处于起步阶段，生成的服装大 多也只是形状相对简单的类似于盔甲的筒状曲面。w a n g 基于人体特征，通过对 特征网格的曲面细分建立了三维服装网格模型雌2 仰拍1 。k i m 用“立体视觉”的算 法将服装模型分成前后左右四片眦2 伽1 ，通过对扫描离散点的曲面重建，构建其 相应的曲面。 3 基于曲面物理表达的服装模型 服装曲面的生成大多采用几何的方法，为提高真实感，需结合物理造型技术 进行服装造型。t e r z o p o u l o s 从连续介质力学角度考虑物体变形，提出的基于物 理的弹性变形模型，为织物的模拟提供了理论依据m 唧1 0 。在该模型中，织物 变形遵循牛顿力学和经典弹性力学原理，物体上各点的空间几何位置通过求解一 2 浙江火学博l 学位论文第1 章绪论 个微分方程得到。在此基础上，m i r a l a b 实验室晒“叫1 钉h 哪! 9 9 2 m h 0 1 ”司岫 ” m h 州岫 羽分别提出的粒子系统技术，c e l n i k e r h 北“1 和e i s c h e n 哪。湘1 9 9 1 分 别提出的有限元方法以及p r o v o t p ”j 9 9 5 1 、h o w l e t t 油 k 1 ”鲫和f a n 胁9 9 利用弹簧 一质点模型的来模拟服装物理属性。基于物理表达的服装模型大多是面向服装模 拟的建模，因此并不适合服装的交互设计。 1 2 2 服装模型建构 对现有的简单物体模型进行变形或交互修改得到复杂物体模型，是一种重 要的方法呱”1 9 孛2 仰曲1 。目前在服装造型主要用到三类方法：特征造型、草图交 互、自由形体变形( f f d ) 。尽管目前曲面重建在服装造型中的应用较少，但是可 以作为服装造型的一种方法来尝试，且该方法在人体造型中已经得到广泛的应 用。由于人体模型和服装模型类似，很多用于人体模型的构建方法也可以用于服 装，因此，关于人体造型方面的内容也做了一些介绍。 1 特征造型 在机械c a d 中，几何造型技术已经发展到以特征作为几何和工程信息载体的 特征造型啡啪r u2 们。通过特征造型构建的产品不仅具备几何描述能力，还着眼于 工艺、制造信息，使设计工作在更高的层次上进行，操作人员的操作对象不再是 低层的线条和体素，而是产品的功能要素嘣2 0 0 4 1 哺1 9 9 8 1 。 但是目前的特征造型系统通常只支持规则形状的特征造型，而现在产品在功 能、外观、上的高要求，通常包含大量的自由曲面，构造曲面特征就成为迫切需 要。虽然目前一些著名的特征造型系统能有效处理部分曲面问题，但用户还不能， 方便地使用具有特定功能语义的曲面特征h 0 0 2 托礓“2 0 0 3 1 。相对于规则形状特征， 曲面特征可以被定义为由复杂曲面构成的、具有一定工程语义的几何形状，曲面 特征比规则形状的特征具有更多的自由度，几何元素更复杂。曲面特征造型主要 围绕以下问题展开。 曲面特征表示有曲面特征参数化和曲面特征约束关系表示两个问题需要解 决。第一个问题难点主要在于特征参数的确定和表示。曲面特征参数化需要建立 特征参数与低层元素和特征工程语义的关系姬k 血“9 9 引。曲面特征约束关系建立 需要构建曲面特征内部约束和外部曲面表示队删。 曲面特征的获取有特征识别、特征创建、特征转换三种方法。这其中曲面特 征识别和创建得到一定的研究，而特征转换还有待研究。曲面特征识别已有较多 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 文献，已有的方法可以分为四类皿n “9 9 8 u2 0 0 帕旧2 3 1 。曲面特征创建则是基于曲面 造型构建基本曲面特征，并对基本曲面特征按照多种设计过程进行各种高级操作 v a n1 9 9 $ a u2 0 0 0 保持曲面特征语义信息有效性是一个重要的问题。b i d a r r a m m 2 们伽和陈正 呜咻2 0 0 2 叼在这方面作出了研究。f o n t a n a 则在曲面特征的分类方面提出咿呲。刚9 9 叼构 建统一的特征库是不可行的，只能针对具体应用构建特征库。 在曲面特征应用方面，尤其是在人体造型方面，也出现了一些曲面特征造型 的成果。人体模型具有非常丰富的特征语义，依据人体的特征语义进行人体造型 是一种重要的方法_ ”蚰仰5 “。人体特征元素包括特征点、特征线、特征面，这些特 征是从真实人体扫描得到的人体点云数据通过特征识别或者人工交互得到的。其 中，特征点标志人体重要部位，特征线标志人体重要尺寸，特征面标志人体重要 曲面。在文献叭略2 3 d 中，w a n g 详细介绍了从无组织的人体点云数据中提取人体 特征点的方法，并在特征点的语义基础上构建人体网格曲面。w a n g 则从照片中 提取出特征点和轮廓线，然后利用变形技术和参考轮廓线得到人体模型m “2 0 0 3 d j 。 w a n g 在文献中m 略2 靶1 利用从人体提取的特征点和特征线，并结合草图，构建服 装模型。在文献m 州5 。1 中，w a n g 更进一步提出基于特征点、特征线、特征面三 种特征元素构建特征人体，再对特征人体施行基于实例的参数化。该方法首先利 用特征提取技术得到人体特征框架，接着对人体框架插值生成曲面，再对插值曲 面施加逼近化、光顺化、对称化操作，最终得到人体的特征曲面，由此得到人体 的所有特征元素。在参数化阶段，利用特征点标志人体的大致比例，再利用特征 线尺寸比例得到确定比例，最后再利用特征面对人体每个网格顶点实施比例融 合，从而最终得到新的人体。 2 曲面重建 随着激光测距扫描等三维数据获取硬件技术的日趋完善，人们可以得到精度 和密度都越来越高的物体表面三维数据，利用物体表面三维数据来建立真实物体 数字模型也成为一种重要的建模方法，并广泛应用于机械、航空、汽车等领域m 叩 1 9 9 4 | 。曲面重建已经出现了很多算法，武剑洁院2 删给出了很好的综述。三维散乱 数据的曲面重建研究和应用已取得很大进展，但在实际应用中，从测量数据点集 到恢复所测物体表面的整个过程仍需大量人工交互，操作者的经验和素质影响着 重建曲面的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证。 4 浙江人学博上学位论文第1 章绪论 由于真实的服装存在较多褶，使得服装的曲面重建工作难度较大，因此目前 曲面重建用于服装造型较少，用于人体造型较多k “。0 3 1 陬嵋2 0 0 k j 。 3 草图交互修改 服装设计本身是一种艺术，设计者很难一开始就确定最终的服装外形，提高 设计过程的简洁性与可交互性，对提高服装设计的效率和效果都有着重要的意 义。尤其是软件支持基于草图的三维重建技术更是让设计者们的设计思想得以淋 漓尽致的发挥。草图是设计者创作意图的集中体现，草图的简洁性使设计者可以 将更多的时间关注于产品造型中最本质的部分，提高了设计的效率。草图交互修 改一般直接在造型物体表面进行修改操作。草图技术在机械c a d 中的发展已经较 为成熟，而在自由形体模型和自由曲面模型设计方面的发展则刚刚起步，这方面 的最新成果主要体现在玩具设计领域“ “。”9 9 洲u 5 1 1 。2 0 0 6 | 。 在机械设计领域，虽然基于草图的产品参数化设计已有了成功的应用，但在 服装设计领域却鲜有文献报道，草图交互技术应用到服装设计是最近几年才兴起 的。w a n g 提出利用人体中提取的特征信息，再结合服装轮廓草图，从而生成服装 模型m 雌2 3 “。该文提出的草图操作太灵活，并没有很好的和服装参数化技术结合 起来，有时很难实现服装的精确化设计。李基拓提出在三维人体模型上生成基于 草图的三维个性化服装的参数化造型方法津2 5 1 。服装草图的构成元素分为封闭 样条和不封闭样条曲线两类，将服装约束分为四种，从人体特征出发，通过服装 约束生成服装草图。在多个视图中修改服装草图，从而使得服装造型变得简单灵 活。现有的服装草图设计较少与参数化设计结合，大多数是作为一种对服装进行 非精确造型的方法。 4 自由变形技术 自由变形技术( f f d ) 自从1 9 8 6 年提出以后就得到非常大的发展。自由变形 方法突破了传统方法的局限，且容易集成到现有的软件造型系统中，同时又由于 其具有良好的交互性和可控性，已广泛应用于多个领域讯曲如2 0 叫。自由变形方法的 算法步骤基本都遵循四个步骤，由于四个步骤中不同的操作对象及其对应的操 作，因此可以将f f d 方法分为四类。 在基于体的自由变形方法中，构造不同的体变形工具以达到变形目的，主要 有三类。第一类为变形工具为平行六面体诅1 9