（机械设计及理论专业论文）基于草图驱动的服装造型和变形技术研究及应用.pdf

浙江大掌硕士掌位论文摘要 摘要 服装c a d 系统自二维向三维转变，是三维计算机技术成熟与服装个性化定制的 一个必然趋势与结果。在整个服装c a d 系统中，服装的初始生成、服装变形、服装 碰撞检测是服装设计的关键技术，对提高服装业c a d 自动化程度及竞争力有重要意 义。本文在分析现有服装c a d 系统的研究现状与存在问题的基础上，提出了基于草 图驱动的服装造型和变形方法，针对服装变形过程中可能存在的三种碰撞情况，提出 了简单有效的碰撞检测算法。 三维人体模型是服装草图提取的基础。论文第二章首先介绍了本文研究中涉及到 的几种三维人体模型，并进而讲述了三维人体模型的数字化方法和原始三维扫描人体 数据预处理过程，包括三维坐标调整、特征识别；重点阐述了如何由激光扫描的原始 人体数据生成规则、光滑人体曲面的全过程，重建后的人体模型保持了原有模型的表 面特征，能够极大地提高服装造型、变形和碰撞检测过程的计算效率。 服装的三维设计是服装c a d 系统的一个重要组成部分。论文第三章按照服装造 型的流程详细阐述了服装草图提取和调整方法，服装的分片方法，服装子曲面的造型 方法，子面片参数化变拓扑无缝缝合方法。除此之外还涉及到初始服装网格曲面的后 处理，包括衣服网格局部均匀化调整，特殊位置基于草图包络的曲面调整。 为了拓展服装c a d 的设计功能，研究还涉及了对初始服装模型的变形处理。论 文第四章根据服装草图的特点，归纳出服装变形过程中的约束关系，从多个角度对约 束进行分类，并给出了约束求解的优先机制。以约束关系为基础，通过具体实例总结 出了服装草图的四种驱动模型，阐述了如何根据服装草图驱动模型实现草图编辑和特 征尺寸驱动的服装曲面变形，针对服装变形过程中存在的三种碰撞情况提出了简单有 效的碰撞检测算法。 基于上述研究工作，论文第五章介绍l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发环境 作简要介绍，同时详细介绍了上述研究工作在该系统中的应用。 最后，在第六章总结本文的工作，并对项目课题研究的发展前景从技术上和应用 上作了展望。 关键词：人体建模、服装草图、服装c a d ，草图驱动模型、变形技术，碰撞检测 浙江大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i t i sa l li n e v i t a b l et r e n df o rg c a ds y s t e mt oc o n v e r tf r o m2 dt o3 dd u et o3 d c o m p u t e rt e c h n o l o g y sm a t u r i t ya n dt h en e c e s s i t yo f c u s t o m i z e dg a r m e n t t oa c h i e v em o r e a u t o m a t i ca n dc o m p e t i t i v eg c a d s y s t e m , i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n d u c tr e s e a r c ho n t h ek e yt e c h n o l o g i e so fi n i t i a lg a r m e n tg e n e r a t i o n ，d e f o r m a t i o na n dc o l i s i o nd e t e c t i o n a n e wg a r m e n tg e n e r a t i o na n dd e f o r m a t i o nm e t h o db a s e do nt h eg a r m e n ts k e t c hi s p u t f o r w a r di nt h i st h e s i sa f t e rt h ea n a l y s i so nt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt h er e m a i n e d p r o b l e m so fe x i s t e dg c a ds y s t e m m e a n t i m e ，s i m p l ea n de f f i c i e n tc o l l i s i o nd e t e c t i o n a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da i m i n ga tt h ee x i s t e d3c o l l i s i o n si nd e f o r m a t i o n 3 db o d ym o d e li st h eb a s i sf o r g a r m e n ts k e t c he x t r a c t i o n h e n c e ，i nc h a p t e r2 ，s e v e r a l t y p e so fr e a l l i f em o d e la r ei n t r o d u c e d t h e s em o d e l sw i l lb es c a n n e db ya3 ds c a n n i n g s y s t e m ，a n dd e s c r i b e db yt r i a n g u l a rm e s h e si nt h es y s t e m ，t h es c a n n e dd a t as h o u l db e p r e p r o c e s s e db e f o r eh u m a nm o d e l i n g ，i n c l u d i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，r e c o g n i t i o no f f e a t u r ep o i n t s h u m a nr e c o n s t r u c t i o ni st h ee m p h a s i so ft h i s c h a p t e r a ne a s yw a yt o c o n s t r u c tp e r s o n a l i z e dm a n i k i nw i t hu n i f o r ms i z e sa n dr e g u l a rt o p o l o g yf r o ms c a n n e d b o d yd a t ai sp r e s e n t e d a f t e rr e c o n s t r u c t i o n t h ee f f i c i e n c yc a nb eg r e a t l yi m p r o v e di nt h e p r o c e s so f g a r m e n tg e n e r a t i o n , d e f o r m a t i o na n dc o l l i s i o nd e t e c t i o n i n i t i a lg a r m e n tg e n e r a t i o nt e c h n i q u ea c t s 髂ap r i n c i p a l p a r ti ng c a ds y s t e m t h e r ei s ad e t a i l e de x p l a n a t i o no nt h em e t h o do f g a r m e n ts k e t c he x t r a c t i o na n d a d j u s t m e n t ，g a r m e n t p i e c e w i s et e c h n i q u e ，g a r m e n ts u b m e s h e sm o d e l i n g ，a s s e m b l i n gs u b m e s h e sw h i l e p a r a m e t r i cc h a n g i n gt o p o l o g yi nc h a p t e r3 i na d d i t i o nt h i sc h a p t e ra l s oi n v o l v e st h ep o s t p r o c e s s i n g o ft h ei n i t i a l g a r m e n tm e s h ，i n c l u d i n gg a r m e n tp a r t i a lm e s hu n i f o r m a d j u s t m e n t ，g a r m e n tm e s hs p e c i a lt r e a t m e n tb a s e do ns k e t c he n v e l o p ec u r v e r e s e a r c ho fg a r m e n td e f o r m a t i o ni sa l s ot h ek e y p o i n to ft h i st h e s i s i nc h a p t e r4 ， a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fg a r m e n ts k e t c h ，ac o n s t r a i n ts o l u t i o ni n c l u d i n gc o n s t r a i n t d e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o na n ds o l v i n gr u l e si sg i v e n b a s e do nt h ec o n s t r a i ns o l u t i o n ，f o u r s k e t c h - d r i v e nm o d e l sa l es u m m e du pt h r o u g hs p e c i f i ce x a m p l e s o nt h eb a s i so ft h e i i 浙江大掣明炙士掌位论文 a b s t i 矾c t s k e t c h - d r i v e nm o d e l s ，g a r m e n td e f o r m a t i o nc a nb ea c h i e v e di nt w ow a y s ，s k e t c he d i t i n g a n df e a t u r es i z ed r i v i n gt e c h n i q u e d u r i n gg a r m e n td e f o r m a t i o n , e f f e c t i v ec o l l i s i o n d e t e c t i o nt e c h n i q u ei sap o w e r f u ls u s t e n t a t i o nf o rd e f o r m a t i o nt e c h n i q u e s i m p l ea n d e f f i c i e n tc o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da i m i n ga tt h ee x i s t e d3c o l l i s i o n si n g a r m e n td e f o r m a t i o n ， b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h , l o o k s t a i l o r xs y s t e mf r a m ei si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 b r i e fi n t r o d u c t i o no nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h i ss y s t e ma n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no n a p p l i c a t i o no f t h ea b o v e r e s e a r c hi nl o o k s t a i l o r xs y s t e ma r ep r o v i d e d 够w e l l f i n a l l y , c h a p t e r6i n c l u d e sas u m m a r yo ft h ea u t h o r sr e s e a r c ha n dt h ep r o s p e c t s ， s e p a r a t e l yf r o mt h ep e r s p e c t i v e so f t e c h n i q u ea n da p p l i c a t i o n ，o f t h i sp r o j e c t k e y w o r d s ：h u m a nr e c o n s t r u c t i o n ，g a r m e n ts k e t c h ，g c a d ，s k e t c h d r i v e nm o d e l ， d e f o r m i n gt e c h n i q u e ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n i i i 学号兰皇暨墅! 士! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：蒿跤罕签字日期：弘。7 年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盘姿盘茔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，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、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： 蓍i 莪嚣 导师签名：| 3 胡渺 u 签字日期：w 口7 年 5 月| 日签字日期：哆年月 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大掌硕士掌位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 【摘要】介绍论文的研究背景和意义；对服装c a d 系统相关技术的研究现状进行介绍；指 出服装c a d 中存在的一些问题和不足；阐述本文的研究思路与总体结构。 1 1 引言 随着生活水平的不断提高，人们对服装的要求趋于多样化、个性化，希望服装的 设计与加工能够快速响应需求，这一切伴随着服装c a d 的不断发展正在逐步成为可 能。服装c a d 正在影响并改变着传统的服装设计方法，推动服装设计方法由传统的 手工设计向计算机辅助设计发展、由二维设计向三维设计发展，进一步推动服装加工 技术的数字化和自动化。 长期以来，服装设计师主要是依靠想象与构思来实现服装的款式设计，绘制服装 款式效果图，然后根据款式图以及人体相关的尺寸信息，利用经验公式设计出服装裁 片的结构图。这通常被称为服装平面设计，即平面裁剪。二维服装c a d 便是基于这 种裁剪方法而研制开发的，它利用计算机绘图技术和图像处理手段，帮助服装设计师 在屏幕上修改已有图形或重新勾画出服装的线条，填充色彩和图案，并产生褶皱、阴 影等效果，最后生成服装效果图；而后根据输入的人体特征参数、尺寸等按照服装平 面裁剪的原理，用直线、曲线绘制出服装衣片的结构图；再经过放码模块，按一定规 则对基础裁片进行放大和缩小，派生出不同规格型号的服装裁片；后经排料模块，在 给定布幅宽度的布料上优化设计所有裁片的排料图，在满足纹理要求的前提下使面料 利用率最高，以供裁剪之用。但二维平面设计与三维立体效果的想象往往很难达到一 致，而对于缺乏想象力的计算机来说更是难以胜任。款式设计与裁片设计之间的脱节 反映了服装的平面裁剪与二维服装c a d 系统的局限性。 三维立体服装设计的思路与方法在直观性、合体性、真实感等诸多方面显现出明 显的优势，必将成为服装设计的发展方向之一。随着计算机科学与技术的迅猛发展和 服装业的不断革新，g c a d 系统的含义正在从以计算机二维图形学为基础的放码、排 料、款式设计、裁片设计等几项功能，升华扩展到以三维图形图像数据为信息中心、 综合应用多媒体信息存储和交换、计算机网络、知识工程、计算机视觉、计算机图形 l 浙江大掌硕士掌位论文第1 蕈绪论 学、专家系统、软件工程、计算几何等多学科领域的知识和技术，具有几十项模块功 能、智能化、集成化的计算机应用系统。理想的g c a d 系统应包括的功能模块如图 1 1 所示。 图1 1g c a d 系统的功能与结构 总之，随着三维计算机技术的成熟和个性化服装定制的需要，g c a d 系统向三维 的转变是服装业和计算机技术发展的一个必然趋势和结果。 3 dg c a d 系统包括三维人体测量与人体模型建立、三维服装设计、服装真实感 模拟与动画演示、三维裁剪与展开等技术【1 】【2 】，三维服装设计是系统的核心组成部分。 但是3 d 服装设计一直以来都是计算机图形学界一个最为困难的研究课题之一柔 性自由曲面生成，尤其是涉及到交互设计问题时更是如此。因此，如何利用计算机图 形学最新技术，建立三维服装模型并支持对其交互设计，已成为当前的研究热点之一 3 】，也正是本文所要探讨的问题。 2 浙江大掣瞻甄士掌位论文 第1 章绪论 1 2 研究现状 1 2 1 服装设计 从服装款式设计到样衣制造的流程，是服装c a d 产品最能发挥作用的环节。这 个环节中，c a d 软件功能的技术设计方式基本上可有这样几种模式： 1 二维设计 主要功能一般包括效果图设计、原始衣样片输入、对原始样片进行局部修改与调 整、对衣片进行放码( 或称推档) 以得到不同号型衣片、对衣片进行优化排版( 又称 排料) 以及绘制排版图。无论是从研究角度还是从应用角度来看，该领域都已经趋于 完善。 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 一4 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。在随后短短数十年内，约有十几个国家几十套系统问世。其中的佼佼者有： 加拿大p a d 系统【5 】 法国l e c t r a 公司【6 】，西班牙i n v e s t r o n i c a 公司 7 】日本t o r a y 公司 8 】等。国内虽起步较晚，但从8 0 年代中期开始，至今也己开发出不少g c a d 系 统，如：杭州“爱科”、浙江大学“智能服装c a d 设计及面料设计系统”等等。这 些系统虽各具特色，但在功能上大多只覆盖了2 d 辅助服装设计，即基本流程从由 2 d 裁片初步设计，到最终设计裁片、放码、推挡、排料等，其核心技术属平面二维 图形与图像处理。 2 二维到三维的过渡设计 由于空间维数的限制，二维c a d 技术所起的作用比较有限。设计结果只有等衣 片缝制并在模特身上试穿后才能体现其设计效果，视着装的效果好坏，往往需对设计 结果进行多次修改。因而二维设计在设计的效率与效果上都存在着一定的缺陷。为此， 利用二维衣片建立三维服装模型，对人体模型的三维着装效果进行仿真以及交互设计 成为图形学界的研究热点之一。由于这种设计方法需建立在二维设计基础之上，因而 它是一种二维到三维的过渡设计。 从3 dg c a d 系统与应用的角度来看，加拿大的p a d 系统具有一定的2 d 一 3 d 转换和3 d 服装造型方面的功能，但其生成的3 d 服装缺乏真实感。加拿大 浙江大国明页士掌位论文第1 章绪论 d y n a m i cg m p h i c s 公司的f a s h i o ns t u d i o 系统可以产生较具真实感的3 d 服装， 但其面向服装动画而非服装生产。日本的ho k a b e 、hi m a o k a 【9 】等构造了一个3 d g c a d 系统。其思路是：用户首先提供一套初始2 d 裁片，将其映射到3 d 人体模 型上，形成粗略符合人体模型的3 d 结构。为了加入真实织物的悬垂效果，系统将织 物的力学特性公式化为能量方程，然后利用自适应系数梯度法( a d a p t i v ec o e f f i c i e n t g r a d i e n tm e t h o d ) ，确定平衡状态下织物的形状，而后利用三角剖分进行3 d 到2 d 的展开，得到最终的2 d 裁片。该方法没有考虑到服装与人体之间、服装各裁片之间 的碰撞问题。 瑞士的t h a l m a n n 等领导的m i r a l a b 10 1 研究小组所提出的方法酷似制衣的自然 过程。首先进行2 d 服装裁片的交互设计，然后缝合成3 d 形状，最后，模拟体现人 体与服装之间的相互作用( 碰撞检测与反应) ，形成3 d 服装的自然效果。该系统已 经应用于动画设计中，并进一步尝试在v r 环境中应用。在该系统中，如对3 d 服 装款式不满意，需要回到2 d 交互状态修改2 d 裁片，然后再次进行3 d 动画模拟， 不能直接进行3 d 交互设计。另外，碰撞检验算法的效率较低。 在服装的2 d 一3 d 交互映射方面，还有学者做了许多工作。o k a b e 等人【9 】提出 了一种服装裁片二维，三维映射算法，在他们的算法中，裁片二维到三维的映射被当 作纯几何问题处理。w u 和y u a n ”】提出了一种用于服装设计的2 d 一3 d 的映射算 法，该算法根据二维服装裁片与三维服装曲面之间的几何对应关系来确定。c a r i g n a n 等人【1 2 】提出了一种通用的服装裁片二维到三维映射算法。该算法应用了牛顿运动定 律，在缝合力的作用下，放置在初始位置的二维裁片自动变形，并最终缝合在人体模 型上。在他们的算法中，服装裁片的二维到三维映射被作为服装穿着效果仿真过程的 一部分，而服装裁片三维到二维的展开问题没有被考虑。z h a o 等人 13 】提出了一种基 于有限元方法的服装穿着效果仿真算法，该算法考虑了服装裁片的二维，三维映射问 题，为了保证裁片的面积不变，有限元单元边长被作为几何约束作用于每一个单元， 但文献没有给出任何运算实例。r o b e r t s o n 14 l 【1 5 】首先将服装二维三维映射问题转化为 一系列的球面与二次曲面求交问题来解决，基于这一思想，不少研究者对这一问题进 行了深入的研究，并提出了许多不同的算法【虹1 8 】。作为这类算法的核心部分，自由 曲面的求交过程被频繁使用，但自由衄面的求交过程是一个费时而不稳定的过程，这 无疑将影响这类算法的效率和稳定性。 4 浙江大等明页士学位论文 第1 章绪论 3 三维设计 随着三维扫描技术与三维重建技术的发展，三维计算机服装辅助设计引起越来越 多的学者的兴趣，并成为一种趋势。三维设计是一种造型与结构设计相结合的设计方 法，即首先对服装作初始造型，在此基础上通过服装的立体裁剪得到三维衣片，对三 维衣片进行二维展开得到相应的二维裁片。通常三维服装初始模型建立在三维人体模 型基础之上，因而这种设计方法可以得到很合身的设计结果，为个性人体的服装定制 提供了技术支持。相应的服装造型、服装变形和碰撞检测技术成为设计领域的关键技 术。 三维服装的几何造型是三维服装设计的核心，英国的bkh i n d s 和j m c c a r t n e y 19 l 【2 0 】提出了一种在人体模型基础上，定义一系列位移曲面片( 即服装曲面) 的3 d 设计方法。3 d 交互逻辑器允许服装设计师在人体上对曲面片定位。曲面片由 边界定义，边界由距身体表面的位移量来确定，曲面内余下的点由插值产生。曲面片 之间保持零阶连续。这种方法仅适用于合体服装的3 d 设计，当设计宽松服装时，它 不能正确定义曲面。基于扫描人体数据，k j m 2 1 1 用“立体视觉”的算法将服装模型分 成前后左右四片，并构建其相应的曲面，但其构成衣服曲面片的网格是预先在人体模 型上画好后扫描进来的，效率低下。w a n g 2 2 】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，但是该方法对于造贴身的紧身衣服非常困难。w a n g ”1 将人体的扫描数据分成胸部以上包括头部部位、躯干、左臂、右臂、左腿、右腿六个 部分，对各个部位作水平切面，通过缝合各截面轮廓线来构建人体模型，对人体曲面 进行偏移来生成三围服装，这种方法简单易行，但在肩膀与胳膊等曲率较大部位会造 成较大的形状误差。上述基于几何的服装造型方法没有考虑织物的物理性质，仅集中 于外观的表现，不能准确地表现局部结构；而且，它需要具有相当专业知识的用户参 与，可以认为这种方法是一种高级绘图工具形式。 另外，基于物理的造型方法也被广泛地用于对服装曲面的造型与仿真当中。 t e 亿o p o u i o s 【2 4 1 提出了一种通用的弹性变形模型，该模型能有效地仿真物体的弹性变 形过程，因而被广泛地用于服装穿着效果的仿真当中口5 1 2 6 1 。b r e e n 等人2 7 i 2 8 1 提出了 一种基于粒子模型的布料变形仿真算法，该算法能够将布料的材料性能参数运用到布 料变形的仿真过程中，因而能针对不同的布料给出不同的仿真效果。e b e r h a r d t 等人 【2 9 1 提出了一种基于粒子模型的布料仿真算法，在该算法中由于采用了快速的微分方程 浙江大曹瞻页士掌位论文 第1 章绪论 的数值解法，因而提高了算法的效率。p r o v o t 3 0 利用弹簧质点系统成功地对布料的变 形过程进行了仿真，在算法中，布料被简化成由弹簧连接的质点系，质点的运动规律 由基本运动决定。在p r o v o t 工作的基础上，l o u c h e t 3 1 增人利用弹簧质点系统对纺 织材料的非线性变形过程进行了仿真。上述基于物理的技术，服装曲面均由大量微小 元素构成，需要求解巨型稀疏线性系统或微分方程，计算极其耗时。而且，这种方法 中所考虑的因素相当多，以织物的物理性质为例，由于缺乏有效的测量手段，参数值 的确定成为困难之一。 1 2 2 服装变形技术 服装设计本身是一种艺术的创造，是设计者把设计思想和创作灵感相结合的产 物，所以设计者一般很难一开始就确定最终的服装外形，提高服装变形过程的简洁性 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。 为了便于直观、有效地构造和编辑三维形体，b a r r 率先将变形的思想引入到几何 造型领域【3 2 】。应用b a r r 的方法可生成许多类型的三维几何形状，但由于该方法只能 用于特定的几何形体，一般称其为非自由变形。1 9 8 6 年s e d e r b e r g 和p a r r y 提出了一 种崭新的变形算法，称为自由变形( f r e e f o r md e f o r m a t i o n ，简称f f d ) 3 3 o 为使 f f d 方法效果更好、效率更高以及操作和控制更方便，人们进行了更深入的研究。其 中，扩展自由变形( e x t e n d e df r e e f o r md e f o r m a t i o n ，简称e f f d ) 口4 】和直接控制自由 变形( d i r e c tm a n i p u l a t i o no ff r e e f o r md e f o r m a t i o n ，简称d f f d ) ”1 是两项重要的成 果。此外，k a l r a 等探论了有理自由变形( r a t i o n a lf r e e f o r md e f o r m a t i o n ，简称r f f d ) 的应用，l a m o u s i n 等研究了基于n u r b s 的自由型变形 3 7 】。另外，m a c c r a c k e n 等 采用任意拓扑网格框架并进行c a t m u l l c l a r k 细分的方法实现任意变形3 8 】。这些变形 技术都不是直接针对基于草图驱动的服装变形，在变形过程的简洁性与可交互性上， 尚需要作进一步的研究。 1 2 3 碰撞检测技术 在服装设计过程中，服装与人体的碰撞频繁发生，服装模型和人体模型都是用三 角面片表示，人体模型是静态部分，服装模型是动态部分，服装模型和人体模型不仅 6 浙江大掌硕士掌位论文 第1 章绪论 要求进行精确的碰撞检测，而且还有很高的实时交互要求，不仅要检测是否有碰撞发 生，还要检测碰撞发生的位置，进行碰撞规避。在人体一服装这种高度离散化的模型 中，碰撞问题是影响系统性能的瓶颈。 碰撞检测的方法很多。其中典型的算法有g j k ( g i l b e r t ，j o h n s o na n dk e e r t h i ) 、 v c l i p 、ic o l l i d e 、c o l d e r 、s m f t 斗+ 、v o l i n o 、b e n o i t 等比较成熟的碰撞检测算法1 3 川。 大体上，对两个物体之间快速的精确碰撞检测方法主要有两类：实体包围盒层次法和 距离跟踪法。包围盒层次法就是采用更紧密的包围盒来包围物体及物体的子部分直至 几何元( 如三角片) ，将物体及其子部分的包围盒组织成层次结构，其典型是 a a b b ( a x i s - a l i g n e db o u n d i n gb o x ) 、o b b t r e e ( o r i e n t e db o u n d i n gb o xt r e e ) 、k d r o p ( d i s c r e t eo r i e n t a t i o np o l y t o p e s ) ：算、法【4 0 1 ；单步检测法利用物体运动的时间连续性和 几何连续性，计算物体之间的最近距离，当物体的运动速度不是非常快时，相邻帧间 运动物体之间的距离变化不大，可以利用前一帧的计算结果来加快当前帧的计算，其 典型是l i n c n n y 和e n h a n c e dg j k 算法。 基于草图驱动的服装设计是新兴技术，目前文献提出的技术大多是应用于服装模 拟动态碰撞检澳l j l 4 1 - - 4 3 ，较少涉及服装草图交互编辑碰撞检测。服装编辑中的碰撞检 测技术要满足服装参数化约束系统求解的有效性、交互设计服装曲面的精确性、交互 操作的实时性，不能直接套用上述碰撞检测算法。 1 3 研究思路 经过服装业与计算机业研究人员多年的不懈努力，使得g c a d 技术与参数化技 术由最初的萌芽逐步发展起来，并取得了相当的成果，但是从g c a d 技术的实际 应用状况来看，还远未达到人们所期望的效果。其中，主要还存在以下几个问题： 1 缺乏有效的服装曲面造型手段 2 dg c a d 部分已经相当成熟，大部分功能都已实用化，而3 dg c a d 的大部分 功能目前仍没有较好的实现。其中最主要的问题之一，就是三维服装柔软性实体的模 拟和服装款式的立体设计。而这两方面的实现一直是服装c a d 中的重点和难点，也 是学者们研究的主要课题 4 5 1 】。因为三维柔性实体的模拟除了受计算机硬件条件的 限制外，还受到诸如实体所处物理环境和实体自身状态的影响，不能用简单的几何状 态取代。而服装款式的立体设计是将传统的立体裁剪技术用计算机来实现。它要考虑 7 浙江大国暇士掌位论文 第1 章绪论 人体与服装之间的关系、空隙量变化等诸多因素。 2 缺乏有效的服装变形技术 服装设计本身是一种艺术，设计者很难一开始就能确定最终的服装外形，提高服 装变形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。目 前的服装变形技术在变形过程的简洁性与可交互性上，尚需要作进一步的研究。 3 缺乏有效的碰撞检测优化算法 在人体一服装这种高度离散化的模型中，碰撞问题是影响系统性能的瓶颈。在服 装设计过程中，服装与人体的碰撞频繁发生，因此有效的碰撞检测在整个服装模拟过 程中尤为关键。只有很好地解决了碰撞检测问题，才能逼真地完成虚拟穿衣的模拟过 程。虽然目前提出了许多比较成熟的碰撞检测算 法【3 9 4 3 1 ，但这些算法都相当耗时， 很难满足实时交互设计的需要。 针对这些问题，本文将从以下几个方面进行解决： 1 根据服装草图直接生成三维初始服装 从重建后的三维人体表面提取服装草图，根据服装草图把衣服分成若干予面片， 通过c o o n s 曲面双线性插值构建分片曲面，缝合所有分片曲面生成一张完整的衣服初 始曲面，对生成的初始网格作局部调整，调整后的网格经过光顺处理和碰撞检测后生 成初始服装模型。 2 基于草图驱动服装变形 基于草图约束关系构建服装草图驱动模型，包括草图分层驱动模型、单条轮廓线 驱动模型、单条截面线驱动模型、受截面线影响轮廓线驱动模型。在基于三视图的服 装修改平台中，根据服装草图驱动模型来实现草图编辑和参数化尺寸驱动的服装曲面 变形。 3 针对服装变形过程中存在的三种碰撞情况提出了有效的碰撞检测算法 服装变形过程中存在轮廓线、截面线以及服装曲面与人体模型的碰撞。针对服装 变形过程中存在的这三种碰撞情况，本文提出了有效的碰撞检测算法。这些碰撞检测 算法简单、高效且易于实现，有效的保证了服装变形过程的完整性、连续性和可维护 性，并已成功地应用于当前系统中。 浙江大国幽炙士掌位论文 第1 章绪论 1 4 研究内容 图1 2 表示本文对基于草图驱动的g c a d 系统研究的技术路线。 图1 2 基于草图驱动的3 dg c a d 系统技术路线 根据上述技术路线，本论文研究内容可分成六个章节，第二章至第六章的内容说 明如下： 第二章介绍了本文研究中用到的几种三维人体模型的原型，三维人体数据在计算 机系统中的三角网格模型表示方法，原始三维扫描人体数据预处理过程，包括三维坐 标调整、特征识别等。三维扫描人体模型的表面重建是本章的重点，本章详细阐述了 如何由激光扫描的原始人体数据生成规则、光滑人体曲面的全过程，通过切片的方法 获取生成人体网格需要的所有环，对人体曲面进行分片，根据切片所得的环生成人体 所有子曲面，缝合所有子曲面生成整个人体网格，对重建后的人体网格还必须经过光 顺处理和误差控制，以便得到最终用于衣服造型和变形的人体曲面。 9 浙江大掣炙士掌位论文第1 章绪论 第三章简要介绍了l o o k s t a i l o r xc - c a d 系统中现有的衣服造型方法一曲面偏 移法，分析了这种衣服造型方法优缺点，指出了对这一方法进行改进的必要性。本章 的后续部分按照服装造型的流程分别详细阐述了服装草图提取和调整方法，服装的分 片方法，服装子曲面的造型方法，子面片参数化变拓扑无缝缝合方法，除此本章还涉 及到初始服装网格曲面的后处理，包括衣服网格局部均匀化调整，特殊位置基于草图 包络的曲面调整。 第四章对与服装变形相关的若干问题进行阐述，根据服装草图的特点，归纳出服 装变形过程中的八种约束关系：共点、共线、共面、对称、自对称、尺寸、相互定向、 随动约束，从多个角度对约束进行分类，并给出了约束求解的优先机制。以约束关系 为基础，通过具体实例总结出了服装草图的四种驱动模型，说明服装变形的流程，阐 述了如何根据服装草图驱动模型实现草图编辑和特征尺寸驱动的服装曲面变形，针对 服装变形过程中存在的三种碰撞情况提出了简单有效的碰撞检测算法。 第五章介绍l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发环境作简要介绍，同时详细介 绍了上述研究工作在该系统中的应用。 第六章为上述五章的总结及未来展望，总结本文的研究工作，并对项目课题研究 的发展前景从技术上和应用上作了展望。 1 0 浙江大学硕士掌位论文第2 章面向服装草图的三维人体建模 第2 章面向服装草图的三维人体建模 【摘要】在g c a d 中，三维扫描人体模型的获取和数据处理是三维服装造型和变形的基础。 本章将分四节进行阐述。第一节描述了三维人体数据原型，介绍了本文研究中涉及到的几种三维 人体模型的原型，它是三维扫描人体原始数据的直接来源。第二节首先介绍了三维人体数据在计 算机系统中的三角网格模型表示方法，说明了三角网格模型的定义、拓扑、数据结构和三维人体 模型的数字化方法。第三节对原始扫描数据预处理过程，包括三维坐标调整、特征识别等，分别 说明其处理方法。最后一节主要是关于三维扫描人体模型的表面重建，详细阐述了如何由激光扫 描的原始人体数据生成规则、光滑人体曲面的全过程，通过切片的方法获取生成人体网格需要的 所有环，对人体曲面进行分片，根据切片所得的环生成人体所有子曲面，缝合所有子曲面生成整 个人体网格，对重建后的人体网格还必须经过光顺处理和误差控制，以便得到最终用于衣服造型 和变形的人体曲面。 2 1 三维人体模型原型描述 在实际的服装设计过程中，为了保证服装的合体性，通常以各种人体模型或模特 作为设计基准，在此基础上进行服装造型、设计等操作。应用于三维服装c a d 系统 中的虚拟人体模型就是以这些实际模特为原型，经过一系列处理过程后得到的。目前 l o o k s t a i l o r xg c a d 中主要用到二种类型的人体模型，一类为标准或者定制的人体模 型，另一类为以实际人体模特模型。 第一类人体模型又可以分成三种类型，一种为主要用于造上农的标准人台模型， 如d f l 公司的t o r s o 模型( 图2 1 ( a ) ) 。一种为主要用于造裤子和裙子的裤子模型， 如d f l 公司定制s l a x 模型( 图2 1 ( b ) ) 。一种为可以用于上衣、裤子、裙子、泳装、 全身衣服等多种服装类型造型的人体模型，如d f l 公司定制的n u d e 模型( 图2 1 ( c ) ) 。 图2 1 给出了t o r s o 、s l a x 、n u d e 模型的正面视图和透视图。表2 1 给出了以上三种 人体模型的主要特征尺寸。 浙江大掌硕士学位论文第2 章面向服装草图的三维入库建陵 t 模型( b ) s 1 缸模型( c ) n u d e 模型 图2 1 标准和定制的人体模型 表2 i 标准和定制的人体模型主要特征尺寸 模型t o r s os l a x n u d e 型号 7 a9 al l 1 3 a8 al o a7 a9 al l a 胸围 8 48 79 09 35 76 08 2 58 5 58 8 5 腰围6 06 36 66 98 79 0 5 555 7 55 95 臀围 9 l9 39 59 98 5 58 89 0 5 颈围 3 33 3 73 443 53 1 53 23 6 8 肩宽3 4 23 4 23 4 23 4 2 3 3 53 4 53 5 5 ( a ) 女性实际人体模型o 日男性实际人体模型 图2 2 实际人体模型 第二类人体模型即实际人体模型( 图2 2 ) ，主要是考虑现实世界中实际人体体型 的多样性，高矮胖瘦千差万别，标准和定制的少量人体模型不能满足服装定制的个性 化需要，广泛地使用现实世界中较有代表性体型的人体模特作为人体模型，使服装的 个性化定制成为可能。由于实际人体模型是由各不相同的实际人体模特为原型得到 的，所以实际人体模型各个特征尺寸等于实际人体模特的尺寸。图2 2 中给出了女性 和男性两种实际人体模型的正视图和透视图。 1 2 浙江大掌硕士掌位论文 第2 章面向服装草图的三维人体建模 2 2 三维人体模型的数据获取 上面提到的各种人体模型为实际的服装设计过程提供了设计基准，然而要将这些 人体模型应用到服装c a d 系统中，首先需要把它们转化为计算机可识别的数据模型， 以数据模型的形式将三维人体读入到虚拟设计环境中，从而为服装c a d 提供设计基 准。本节简单介绍课题研究中所采用的三维物体表示方法以及l o o k s t a i l o r x 系统用到 的三角网格模型的定义、拓扑关系和数据结构、三维人体模型数据的获取方法。 2 2 1 三维人体模型的表示方法和数据结构 在计算机中，表示三维对象的方法通常有三种：线框模型、表面模型和实体模型。 其中线框模型结构简单，处理容易。但描述三维目标不是十分理想。而实体模型虽能 完整表示物体的所有形体信息，但是数据结构复杂。在服装c a d 系统中，通常对人 体表面几何和拓扑结构要求非常高，而对人体的实体属性要求不高，所以为了简化计 算，提高系统效率本文采用表面模型来表示人体。边界表示法是描述表面模型的一种 简单有效的方法。所谓边界表示法( b r e p b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 就是通过描述物 体的边界来表示一个物体。边界是指物体的内部点与外部点的分界面，定义了物体的 边界，该物体也就被唯一地定义了。边界表示法一个重要的特点是：描述物体的信息 包括几何信息与拓扑信息两个方面。几何信息是指物体在欧氏空间中的位置、形状和 大小；而拓扑信息是指拓扑元素( 顶点、边和表面) 的数量及其相互问的连接关系。 几何信息有面、环、边和点，拓扑信息有模型、区域、外壳、面引用、环引用、边 引用和点引用。 在3 d 计算机图形学中，多边形面片表示法是最经典、最常用的表示三维对象边 界的方法。而多边形面片表示法中，由于三角形的稳定性和法向量的唯一性，三角面 片表示法使用最为普遍。三角网格模型是由若干三角面片所组成的网格来表示目标曲 面的一