（机械设计及理论专业论文）面向服装cad的三维人体建模与变形技术研究及实现.pdf

摘要 随着虚拟现实技术的迅速发展，三维人体建模及变形技术已经被广泛应用于人们的生产、 生活当中其中，三维服装c a d 傲为一种新兴的服装设计模式，是三维虚拟人的重要应用领域 之一本文基于服装c a d 的设计要求，探讨了三维人体建模与变形技术在系统中的实现过程， 为进一步的服装造型、裁片展开等实现过程提供了设计基础。 用于服装设计的各种人体模型及实际人体是本文的研究对象，将这些实际的人体模型转换 为系统可识别的数据模型，是实现三维人体建模的基础。本文第二章分别介绍了研究中所涉及 的几种人体模型，通过三维扫描系统获取这些模型的扫描数据，表示为三角网格模型，并以指 定的文件格式保存。服装c a d 系统读入包含扫描人体数据的文件，经过坐标调整、人体类型判 定、特征识别等数据预处理过程，得到具有正确特征信息的扫描人体模型。 然而此时系统中的扫描人体数据还只是以三角风格形式连接的散乱数据点集，不利于人体 模型的变形及服装造型等操作的实现。因此，本文研究中三维人体建模的目的就是将扫描人体 模型转换为具有规则网格结构的三维人体模型。本文在已有算法的基础上，结合服装c a d 的设 计要求，提出了一种基于截面环求取的三维人体建模技术。论文第三章详细阐述了模型重建的 整个过程，包括基于扫描人体的表面重建、表面光滑处理、特征线的生成及编辑等。重建后的 人体模型保持了原有模型的表面特征，并去除模型表面上的噪音，具有更好的表面质量。与原 始模型相比，能够极大地提高人体变形及服装造型等处理过程的计算效率。 为了拓展服装c a d 的设计功能，提高其完善性，研究还涉及了对三维人体模型的变形处理。 第四章内容在三维人体尺寸提取的基础上，介绍了应用于系统的三种人体模型变形方法。其中 尺寸驱动的变形方法与标准模板驱动的插值变形方法是以改变人体模型特征尺寸为目标的，属 于人体模型的静态变形；而关节点驱动的人体模型变形能够实现人体模型的运动模拟，属于动 态变形方法。文中分别描述了这三种变形方法的算法思想、处理流程等。 基于上述研究工作，论文第五章简要介绍了服装c a d 系统l o o k s t a i l o r x 的系统框架及研 究流程，并展示了上述研究工作在该系统中的应用及结果。 最后，在第六章总结了本文的研究工作，并从技术上和应用上展望了该项目课题研究的发 展前景。 关键词：人体建模、人体变形、服装c a d ，截面环、特征尺寸 a b s t r a c t s i n c et h ea d v e n to fv i r t u a lt e c h n o l o g y , t h e r eh a sb e e nag r e a td e a lo fi n t e r e s t si nt h e a p p l i c a t i o n so ft h a tt e c h n o l o g yo fh u m a nb o d ym o d e l i n ga n dd e f o r m a t i o n g c a d ( g a r m e n t c a d ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fv i r t u a lh u m a n t h et h e s i si m p l e m e n t s h u m a nr e c o n s t r u c t i o na n dd e f o r m a t i o nb a s i n go nt h ed e m a n d so fg c a d o m rr e s e a r c ha i m sa ts t a n d a r dm o d e l su s e df o rg a r m e n td e s i g na n dr e a l - l i f eh u m a nb o d y c o m p e e rr e p r e s e n t a t i o no ft h e s em o d e l si st h eb a s i so fh u m a nr e c o n s t r u c t i o n 1 nc h a p t e r2 。 s e v e r a lt 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 d s c a n n i n gs 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 hi nt h es y s t e m t h es c a n n e dd a t as h o u l d b ep 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 sa n dm a n n e q u i nt y p e h o w e v e r , t h es c a n n e dd a t ei si n c o n v e n i e n tf o rh u m a nd e f o r m a t i o na n dg a r m e n td e s i g n c o n v e n i n gs c a n n e db o d yw h o s ec l o u dp o i n t sa r ec o n n e c t e db yk i a n g l a rm e s ht on e wm o d e l w i t hr e g u l a rt o p o l o g yj st h et a r g e to fh u m a nr e c o n s t r u c o n i nc h a p t e r3 ，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 n e q u i n 行o ms c a n n e db o d yd a t ai sp r e s e n t e d b a s e do nf ；e a t u r e p o i n t s o f t h e m o d e l ，c u t t i n g p l a n e s a r e a l l o c a t e d t o g e t s e c t j o r l c o n t o u r s o f s c a n n e db o d y , a n d r e g e n e r a t et h et r i a n g l em e s ho fm a n n e q u i nw j 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 y m a n n e q u i ns k i nw i l lb es m o o t h e da f t e rs u r f a c er e c o n s t r u c t i o n f e a t u r el i n e sa n dp o i n t sw i l l a l s ob ec r e a t e do nn e ws u r f a c e r e s e a r c ho fh u m a nd e f o r m a t i o na n da n i m a t i o ni sa l s ot h ek e yp o i n to ft h i s t h e s i s a n t h m e t j co fs i z i n gd e f o r m a t i o na n dh u m a na n i m a t i o nw i l lb ed e m o n s t r a t e ds e p a r a t e l yi n c h a p t e r4 t h e r ea r et w od i f f e r e n tm e t h o d sf o rs i z i n gd e f o r m a t i o n s e l e c ts u i t a b l eo n ef o r d i f f e r e n tt y p eo fh u m a nm o d e l o nt h eo t h e rh a n d ，j o i n t so ft h eb o d ys k e l e t o na r ee x t r a c t e dt o r e a l i z es i m p l i f i e da n i m a t i o no fh u m a nb o d y 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 e 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 r s t e ma n dd e t a i l e dd e s c d p u o no n a p p l i c a t i o no ft h ea b o v er 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 da sw 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 wo ft h ea u t h o r s r 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 y f r o m t h e p e r s p e c t i v e s o f t e c h n o l o g y a n da p p l i c a t i o n o f t h i s p r o j e c l k e y w o r d s ：h u m a nr e c o n s b u c t i o n ，h u m a nd e f o r m a t i o n g c a d c r o s sc o n t o u r , f e a t u 略 学号2 1 2 9 碰z 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，也不包含为获得堑望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： 王媚 签字日期： 。z 年弓月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏盘堂有关保留、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 权逝望盘鲎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： 王媚 导师签名 悼阁如 、 签字日期：炒；年弓月吕签字日期：印6 年弓月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】介绍三维人体建模及人体变形技术的经典算法及研究现状，并结合服装c a d 的设 计要求，分析已有算法在这方面应用的利弊，提出本文研究的必要性、基本思路及研究内容。 1 1 引言 近年来，随着网络及虚拟现实技术的迅速发展，三维人体建模及动画模拟已经成为计算机图 形学研究的热点方向之一。具有高度真实感的虚拟人体被广泛应用于电影及游戏的动画制作、场 景模拟、服装c a d 、e - c o m m e r c e 等各种领域。 所谓服装c a d ( c o m p u t e ra i d e dg a r m e n td e s i g n ，简称g c a d ) 就是将c a d 领域中的理论 和技术应用到服装设计、生产、产品发展、经营管理等各个环节，从而极大地改善了产品的整个 生产效率与质量p 7 1 传统的g c a d 系统以二维计算机图形学为基础，主要涉及对服装二维裁片 的操作，所起的作用十分有限。随着三维扫描与三维重建技术的发展，对服装c a d 的研究逐渐 转向三维g c a d 1 s l ，实现了在三维人体模型上直接生成三维服装模型的方法，提高了服装设计的 精确度及效率。 三维人体模型是整个三维服装c a d 系统的设计基础，决定了系统的设计质量与运行效率 因而，对三维人体模型建模及变形方法的研究是三维服装c a d 系统的研究基础。尽管关于三维 人体建模与变形技术的研究已经比较成熟，目前也存在许多这方面的经典算法，然而，如何将三 维人体建模与三维服装c a d 这一新兴领域的研究很好地结合起来，仍然存在很大的研究空间。 本文结合三维服装c a d 系统的设计要求，对应用于g c a d 系统的三维人体建模与变形技术 做了进一步的研究，提出了一种基于截面环求取的三维人体建模技术，并在此基础上实现了简单 且高效的三维人体模型的尺寸变形及运动模拟。这种建模方法描述简单，易于实现，且建模结果 能够很好地满足服装设计的精确度要求。将本文的研究应用于三维服装c a d 系统l o o k s t a i l o r x 中，取得了良好的效果。 1 2 研究背景概述 关于三维人体建模技术的研究始于2 0 世纪中期，发展至今，出现了许多经典的建模方洼， 然而随着三维动画技术的发展及广泛应用，人体的动态特征成为建模过程中需要考虑的重要因素 之一本节总结已有人体建模p 目及变形技术的经典算法，并结合服装c a d 的具体要求描述服装 浙江大学硕士学位论文 c a d 中常用的几种人体建模方法。 1 2 1 人体建模技术 三维线框模型被最早用来表示虚拟的三维人体模型。三维线框模型由若干点、直线，圆弧以 及各种参数化曲线的组合模拟三维人体形状，虽然结构简单，操作方便，但由于缺乏人体表面及 实体的数据信息，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 针对线框模型的二义性缺陷，2 0 世纪7 0 年代末实体模型逐渐发展起来，其中实体几何表示 法( c s g ) 最常见并最适合用于三维人体建模。实体几何表示法将人体分解为几种三维体素，用 c s g 树表示人体，通过并、交、差的集合运算生成复杂的人体模型实体模型提供了人体的几 何和拓扑信息，可以实现人体的消隐，进行真实感图像的生成，从而克服了线框模型存在的二义 性缺陷。实体模型结构复杂，但是在表示人体复杂曲面时仍然受到一定的限制。 曲面建模又成为表面建模，是目前最常用的一种人体建模方法，主要适用于表面具有一定光 滑度且不能由简单数学模型描述的复杂物体表面。曲面建模通过拟和表面上部分离散数据点得到 光滑过渡的曲面，从而实现对原始表面的重建。根据拟和曲面的表示方法不同，曲面建模有多边 形描述、参数化曲面描述、碎片描述等几种实现方法。 1 ) 多边形描述 即由一系列有序的凸多边形来描述拟和曲面，每个多边形由它的顶点来定义，通常以三角形 和四边形作为基本单元。使用多边形集合可以构成大多数的任意曲面。n m t h a l m a n n 和 d t h a l m a n n ( 1 9 8 7 ) 最早使用多边形表面生成虚拟人m a r i l y nm o n m e ，之后又提出j l d 算符 ( t h a l m a n ne ta 1 1 9 8 8 ，t h a l m a n na n dt h a l m a n n1 9 9 0 ) 用于对人体表面的变形【1 l 。 2 ) 参数化曲面描述 由参数化曲面拟和离散数据点，包括b e z i e r 曲面、b 样条曲面、非均匀b 样条( n u r b s ) 曲面。f o r s e y ( 1 9 9 1 ) 将分层b 样条技术用于三维人体建模闭d o u r o se ta 1 ( 1 9 9 9 ) 使用b 样条 曲面重构三维扫描人体模型同。 3 ) 碎片描述 应用许多小片的曲面光滑地连在一起，以构成复杂物体的弯曲表面的方法。构成小碎片的曲 面由4 条三维的边界曲线定义，因而生成的空间四边形是扭曲的小曲面，适合用来表示复杂的弯 曲表面。 尽管传统的建模方法已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系，但对于人体动态建模 仍具有一定的局限性。随着科技的发展，人体建模的研究对于动画和仿真效果的要求不断提高， 一些传统的建模方法逐渐暴露出其不足和局限性，需要进一步完善和发展。 为使三维人体动画仿真效果更佳a h b a r r ( 1 9 8 7 ) 提出了基于物理特性的建模 ( p h y s i c a l l y - b a s e dm o d e i n g ) 思想川，将人体的物理特性加入到其几何模型中，通过数值计算对 2 浙江大学硕士学位论文 其进行仿真，人体的行为则在仿真过程中自动确定这种方法建立在传统建模方法之上，弥补了 几何建模的不足，可以获得更复杂更真实的人体建模效果。 然而人体生理结构不仅具有关节运动及皮肤纹理等物理特性，还具有层次性为了达到不同 层次的逼真性要求，c h a d w i c ke ta 1 ( 1 9 8 9 ) 提出了。人体分层表示法”的概念阿。在这样一种分 层表示模型中，一个虚拟人体模型由基本骨架、肌肉层和皮肤层组成。其中的基本骨架由关节 确定其状态，决定人体的基本姿态，肌肉层确定了人体各部位的变形，皮肤变形受肌肉层的影响， 最后由皮肤层确定人体的显示外观通过这种方法建立的人体模型从生理学和物理学角度都能实 现更加逼真的效果在此基础上，t h a l m a n ne ta 1 ( 1 9 9 6 ) 提出一种更加高效的基于解剖学的分层 建模算法来实现人体的建模与仿真 1 2 2 人体变形技术 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阿 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 吖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 ) 1 7 l 。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 ) 嘲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 ) 网 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 ) p o 的应用，l a m o u s i n 等研究了基于n u r b $ 的自由型变形【1 1 】。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【2 。 三维人体的运动模拟及表面变形是自由变形算法在计算机图形学应用的研究热点，通常采用 两种方法：其一为形状插值，即在具有不同形状的表面模型间插值得到新的模型【1 1 ；另一种也是 目前应用最广的一种变形算法，s k e l e t o nd r i v e nd e f o r m a t i o n ( s d d ) 算法，又称为s u b - s p a c e d d e f o r m a t i o n ( s s d ) 算法。在该算法中，人体模型由骨架与皮肤两层构成，人体动画首先表现为 底层骨架运动，然后骨架按特定的规律驱动皮肤的变形1 1 心，如图1 1 所示 为了实现实时且逼真的人体模型运动模拟， k a l r a 等人提出了交叉截面皮肤变形方法 【14 】【15 】【1 日。该方法按交叉截面轮廓而非针对单独的顶点执行变形计算，有效地提高了变形过程的计 算效率并取得了良好的变形结果，对于逼真性要求不高的实时应用场合来说，可以很好的满足系 统的需要。然而，交叉截面方法要求人体模型表面网格按照交叉截面轮廓的方式组织，这就需要 对原始人体表面按交叉截面的方式重新采样。对于具有复杂表面的人体模型来说，该方法无法表 示出人体表面的细节信息，因此很难取得非常逼真的模拟效果，并且容易出现表面自相交等问题 3 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 三维服装人体建模技术 三维服装c a d 系统是建立在三维人体模型上的三维人体测量、尺寸信息提取，服装设计、 虚拟试衣、动画模拟及基于互联网的订做、销售和展示等技术的集成与综合，其中三维人体模型 的建立是系统建立的基础。 服装人体建模是一个复杂形体的几何造型、参数化设计和运动仿真的综合问题。当前在服装 人体建模中主要使用的方法有以下四种：基于特征的服装人体曲面建模、参数化的曲面建模、多 面体建模、以网格边界线为连续条件的三维人体建模侧 1 ) 多面体人体建模 多面体建模是一种根据设计者的构思进行局部处理并生成人体模型的方法。该方法从构造多 面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改，从而得到一个与实体外形相似的 基本立体。通过对基本立体的磨光处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。 用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计 2 ) 基于特征的人体建模 根据人体的特征分布，将人体模型划分为几个基本结构，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。 3 ) 参数化人体建模 参数亿曲面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已知人体几 何特征参数，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、辅造型特征间的关联结构，修改相关的辅助造型特征。对所得造型特征进行曲 面建模，得到用户所需的人体模型。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，在许多大型逶用的系统中都体现了参数化建模的思想。 4 ) 以网格边界线为连续条件的人体建模 该方法以表面造型法作为人体造型的主要框架，通过构造横向和纵向的8 样条曲线，形成三 维的空同样条体系由两个轴向的b 样条曲线离散出构造三维人体曲面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。 1 3 研究思路 ， 本文的研究是基于3 d 服装c a d 系统l o o k s t a i l o r x 的设计开发进行的。该系统利用虚拟的 三维人体模型创造一个交互性的虚拟服装设计环境，用户在该环境下迸行服装设计、二维裁片展 4 浙江文学硕士学位论文 开、三维缝合模拟等操作，轻松实现在实际服装设计过程中繁琐并且投入消耗巨大的一系列过程 在这样一个交互设计环境中。三维人体模型是整个设计过程的基础。为了保证服装的合体性， 首先采用三维扫描技术得到原始人体表面的采样点集，称之为扫描人体数据。基于扫描人体数据 进行三维模型重建，这样得到的人体模型可以真实的反映原始人体的表面特征。然而，仅限于特 定的某个人体模型对于服装设计师来说是远远不够的。应用l o o k s t a i l o r x 系统的人体建模功能， 我们可以得到一系列标准人体模型的数据，而对于其他具有任意尺寸约束的人体模型，只能通过 对已有人体模型尺寸变形后得到。另外，服装设计过程中还需要考虑到人体的动态特性，因此， 完成简单的人体运动模拟也是必要的。 综上所述，l o o k s t e i l o r x 系统中需要完成的人体建模必须同时考虑到新建模型的精确度及快 速的动态效果处理，如何将两者有效地结合起来，已有算法并没有给出很好的解决方案，这也正 是本文的研究重点。针对以上问题，本文总结已有算法的优缺点，提出一种基于截面环求取的三 维人体表面建模技术，具体研究思路如下： 1 ) 对扫描人体进行特征识别后，将人体划分为头、躯干、四肢等几部分。分别对于不同的 部位，由若干截面与人体求交，等距离散截面环得到均匀分布的网格顶点，从而重建三维人体表 面。 2 ) 对重建后的三维人体表面，求取特征点并生成人体模型特征线，作为人体特征标识及服 装造型设计的关键参考线。根据特征线提取三维人体模型尺寸，并通过对特征线的编辑过程实现 对三维人体模型特征尺寸的个性化定义。 3 ) 通过交互改变人体模型几个关键特征尺寸值，实现对人体模型的尺寸变形：以截面环为 单位，改变截面环的顶点分布及截面环间距，生成具有新的尺寸约束的人体模型。 4 ) 将特征位置截面环的中心点定义为人体关节点，人体各部位的运动都可以体现为关节点 及相对位置的改变。将人体表面各顶点表示为相邻关节点的线性组合，从而实现由关节点驱动的 人体运动模拟 t 4 本文章节安排 图1 1 为服装c a d 中三维人体建模及变形技术的研究流程。 浙江文学硕士学位论文 图1 1服装c a d 中三维人体建模技术的研究流程 根据上述研究流程，本文可分为六个章节，第二章至第六章的内容说明如下： 第二章介绍本文研究中用到的几种三维人体模型，对其原型及在计算机系统中的三角同格模 型表示方法进行描述。另外，说明对由三维扫描系统获取的扫描人体模型的数据预处理过程。 第三章详细阐述基于扫描人体数据的三维人体模型表面重建过程。根据已识别的特征点将人 体表面定义为几个区域组成，分别对每个区域进行表面重建，最后将各区域面片缝合并作光滑等 后续处理完成人体表面重建。用于服装c a d 的人体模型，人体特征线作为设计过程的辅助工具 是必不可少的。最后一节介绍人体特征线的生成及编辑方法。 第四章就人体变形技术作深一步的研究，具体将人体的变形技术分为尺寸变形和人体运动模 拟。通过尺寸驱动与模板驱动的两种变形方法介绍人体尺寸变形的处理过程。对于由关节点驱动 的人体运动模拟，除介绍人体关节点的定义及提取技术外，将详细描述人体网格顶点的关节点表 示，进而实现由关节点驱动的人体变形。 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。 6 浙江文学硕士学位论文 第二章三维人体模型数据获取及预处理 【摘要】介绍本文研究中用到的几种三维人体模型，对其原型及在计算机系统中的三角网格 模型表示方法进行描述，说明了三角网格模型的定义、拓扑及数据结构等。另外，对由三维扫描 系统获取的扫描人体模型进行数据预处理过程，包括三维坐标调整、人体类型判别、特征识别等， 分别说明其处理方法。 2 。1 三维人体模型的原型描述 在服装设计过程中，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。本节简单介绍课题研究中用到的几种人体模型 及主要尺寸参考： 1 ) 标准人台模型 这是服装设计中最常见的一种人体模型，如图2 1 所示。该模型主要用于上衣的造型及设计。 因此只描述人体上半身的表面特征，将人体手臂及底线以下的部分截去。整个人台模型以支柱与 底座支撑，支柱高度可以手动调整以方便服装的设计操作。 人台模型的分类方法有多种。按放松量来分，可分为成衣人台和裸体人台；按性别年龄来分， 可分为女体人台、男体人台和童体人台；按国别来分，可分为法式人台、荚式人台和日式人台等， 而且同一国别不同民族人体特点不同，又可有各类人台 由于女体比男体整体特征起伏大，研究女性人台更具有代表性。此外，我国的人台研制起步 较晚，与服装工业发达国家相比，人台制作水平有一定的差距，教考虐使用与中国人体型相近的 日本人台。本课题选用日本d f l 公司定制的标准人台模型系列作为计算机造型的原型( 图2 1 中模型( b ) ) ，并取名为t o r s o 模型。该系列模型的主要尺寸参考见表2 1 。与( b ) 所示人台模型相比， 图2 1 中模型( a ) 更利于袖子的造型，用户可以根据实际需要选取不同的人台模型。 表2 1日本女装标准人台尺寸系列( 单位：c m ) 7 a9 a”a3 a 胸围8 48 79 09 3 腰围 6 06 36 66 9 臀围 9 19 39 59 9 颈围 3 33 3 7 3 4 4 3 5 肩宽3 4 23 4 23 4 23 4 ，2 7 浙江大学硕士学位论文 ( 曲 ( b ) 图2 1 标准人台模型实例 2 ) 裤子模型、 该模型主要用于裤子的造型及设计，只保留全身人体上腰部与膝盖之间的部分，模型可以通 过连接底部的支柱调整其高度。同样选取由1 3 本d f l 公司定制的标准裤子模型系列作为计算机 造型的原型，并取名为s l a x 模型。s l a x 模型的原型如图2 2 中所示，表2 2 给出了s l a x 模型系 列的主要尺寸。 函图 圈2 2s l “标准模型 袭2 2s l a x 模型尺寸系列( 单位 c m ) 8 a1 0 a 腰围5 76 0 臀围8 7 9 0 3 ) 其他模型 n u d e 模型为d f l 公司定制的一种人体模型系列，可以用于上衣，裤子、裙子，泳装等多种 服装类型的造型。n u d e 模型的原型如图2 3 ( a ) 所示。与n u d e 模型类似的另一种人体模型为t y p e c 模型，该模型保留了n u d e 模型腿部截去的部分，原型如图2 3 ( b ) 所示表2 3 给出了n u d e 系列 中各标准模型的主要尺寸值。 8 浙江文学硕士学位论文 密窗 图2 3 n u 出及t 辨c 标准模型 7 a 9 a 1 1 a 胸围8 2 58 5 5 8 8 5 腰围 5 5 55 7 55 9 5 臀围 8 5 58 89 0 5 另外，为了满足服装设计的个性化定制要求，以实际人体为模型的服装造型也是必不可少的。 因此，除了上面几种标准人体模型外，本文的研究还涉及到实际的人体模特 2 2 三维人体模型数字化 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系统可识别的数据模型h q ，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。本节简单介绍由三维扫描系 统获取三维人体模型数据的过程旧，并阐述作为人体模型表示方法的三角网格模型的定义，拓扑 及数据结构。 2 2 1 三维人体模型扫描 随着传感器与多媒体技术的迅速发展，三维人体测量技术日趋完善，这为三维人体模型的数 字化提供了多种可能目前的研究领域中，三维人体测量技术主要分为两类：一类是基于莫尔波 纹的投影技术( m o i r 每- b a s e d ) ，该技术采用自光源将正弦条纹投影到物体的表面上，通过目标物体 使投影光线发生的相变来描述物体表面轮廓，代表性产品为美国t c 2 公司的p m p 系统；另一类 是基于激光的扫描技术( f a 卜b a s e d ) m ，采用激光扫描的三角形割分方法来获得三维模型表面数 据，最具代表性的产品是美国c y b e r w a r e 公司开发的c y b e n a 睹系统。由于三维激光扫描系统 精度高，速度快，是目前应用最广的一种人体测量技术。 三维扫描系统能够完成三维信息的获取、色彩信息的获取以及三维构型与修改等过程。三维 9 浙江大学硕士学位论文 扫描仪( 3d i m e n s i o n a ls c a n n e r ) 作为三维信息获取的关键设备，是整个系统的核心部分，也是 对实际人体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直 接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。与传统的平砸扫描仪、摄像机、图形采集 卡相比，三维扫描仪有很大不同首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物；其次，通 过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色 彩，；第三，它输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数 字模型文件，可以直接用于c a d 或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。 由三维扫描仪获取的人体模型表面离散采样点的集合，我们称之为。点云”( p o i n tc l o u d ) 系统的三维构型技术将扫描所得的点云数据连接为具有点、边、面等拓扑结构的三角网格模型， 以此来描述人体模型系统还必须支持多种数据格式，将扫描结果按指定的格式输出 图2 4 为c y b e r w a r e 产品系列中一款专门为实际人体而设计的全身人体扫描系统c y b e r w a r e w b 4 的输出结果。该系统由四个分辨率为2 5 0 x 1 0 0 0 的扫描仪同时对全身人体进行扫描，在1 7 秒内即能完成处理过程。输出结果支持2 0 多种数据格式，包括d x f 、s c r 、p l y 、o b j 、a s c i i 、 v r m l 、3 d s 、s t l 等。 图2 aq m m 嘴他w b 4 输出结果 在本文研究中，使用三维扫描系统分别对2 1 中所述几种人体模型进行处理，得到各模型对 应的三角网格模型，我们称之为三维扫描人体。所有模型的三角网格数据均保存为o b j 格式的文 件，服装c a d 系统读入该文件并进行数据预处理过程，以便下一步的应用。 2 2 2 三角网格模型描述 三角网格模型是由一系列有序的三角形来描述目标曲面的一种三维模型。三角网格的描述较 为简单，能够表达任意形状的自由曲面；并且相关基础算法已趋于成熟，是目前表示三维模型最 常用的一种方法 在定义三角网格模型前，先来看以下几组定义闭： 浙江大学硕士学位论文 定义2 1 设v = f v l , ：，坼矗是r “中的m + 1 个点，如果向量组 w - v , v 2 - v o , v = - v o 线 性无关，则称v 为几何无关点集。约定独点组v = 昏， 总是几何无关的 定义2 2 设v = 【v l , ，啊是r n 中的几何无关点集，则所有满足下式 r_l _ + 1 x = 4 v ，j 焉= l ， o ，f = 0 ，l ，r i t 1 1 = o j 的点的集合称为由点，张成的m 维单纯形，记为【v l , ，啊或【s 1 ，m 称为单纯形 的维数，记为d i m s 。 当m = 0 ，1 ，2 时，m - 单纯形分别是r n 中的点、线段、三角形，如图2 5 所示 聊坳 圉2 5m 单纯形( m a ) 定义2 3 谢，喇为一单纯形，记为【s 】，则所有由 i 1 , ，v 卅) 的子集构成的单纯 形称为f s 】的子单纯形。 定义2 4 设k 是欧氏空间r “中有限个单纯形的集合，如果满足下列两个条件，则称k 为单 纯复形： 1 ) 若单纯形【s 】，川k t 则【s 】nt - q 是空集或是它们的公共子单纯形 2 ) 若单纯形【s 】e k ，则所有【s 】的子单纯形也属于k 定义三角网格模型为一个二元组m - - - - ( k ，v ) ，其中v = v 1 , ，啪，v 碚霄表示网格模型 顶点在三维空间中的位置坐标；k 为表征网格拓扑结构的单纯复形，每个单纯复形包含一组单纯 形 嗡，f 咐，f 魄v l , y 者，分别为定义在r 3 上的网格硬点、连接边及三角面片。 可见，三角网格模型由几何信息和拓扑信息两部分组成，表达形体的基本拓扑实体包括： 1 ) 项点( v e r t e x ) 顶点的位置用三维( 几何) 点来表示。点是构成三角网格模型最基本的 元素，其他元素都是由点直接或间接构成。 2 ) 边( e d g e ) 。边是两个邻面的交集，边的方向由起始顶点指向终止顶点。 3 ) 环( l o o p ) 。环是有序、有向边组成的封闭边界环中每一条边的起点与前一边的终点重 合，而终点与后一条边的起点重合，构成各边同向的封闭环。环有方向内外之分，内环中各边按 顺时针方向连接。外环中各边按逆时针方向连接。 4 ) 面( f a c e ) 。面是由封闭环围成的三角片区域。面也具有方向性，面的方向由边界环确定， 外环边界包围的面法向量向外，称为正向面；内环边界包围的面法向量向内，称为反向面。在三 角网格模型中，模型表面各面片为正向面，内部面片为反向面， 三角网格模型各拓扑实体问满足下面的关系： 浙江文学硕士学位论文 1 ) 三角片只能在其边上与其它三角片相交 2 ) 每条内部边只能有两个相邻三角片 3 ) 边界边只能有一个相邻三角片 用于描述三角网格模型的数据结构有许多，比较著名的有半边数据结构、翼边数据结构、辐 射边数据结构等。其中翼边数据结构是在1 9 7 2 年，由美国斯坦福大学b a u m g a r t 作为多面体的 表示模式而被提出来的，它是基于边表示的数据结构，如图2 6 所示。它用指针记录了每一边的 两个邻面( 即左外环和右外环) 、两个顶点、两侧各自相邻的两个邻边( 即左上边、左下边、右 上边和右下边) 图2 6 翼边数据结构 本文基于翼边结构，建立三角网格模型的基本元素类，包括三角化曲面类m e s h 、顶点类 v e r t e x 、网格边类e d g e ，三角面类f a c e 。 c l a s sm e s h ，三角化曲面类， v a r r a y m _ v e d ； 所有网格项点集合 v a r r a y m _ e d g e ； 所有网格边集合 v a r r a y r e _ f a c e ； ，所有三角面集合 c l a s s v e r t ，顶点类， v e c 3 m j o o s ； ，顶点位置坐标 c o l o r fmc o l o r ；，顶点颜色属性 c l a s se d g e ，网格边类，( i n t m _ v i d x t 2 ； ，顶点d i n t 吼j i d x 【2 】： ，相邻面片l d c l a s sf a c e ，三角面类， i n t m _ e i d x 3 ； 三角面的边l d i n tm _ 喇：三角面的顶点l d v e c 3 m _ n o n n ； 三角面的法向量 1 浙江文学硕士学位论文 2 2 3 三角网格模型操作 对三角网格模型的操作涉及三角网格模型重构、三角网格模型修补、三角网格模型简化等， 本节主要介绍研究中所用到的关键技术：三角网格模型截面环的求取。 图2 7 中任一平面与三角网格模型相交，则该平面称为三角网格模型的截切面，截切面与三 角网格模型相交所得的轮廓线即为我们所求的截面环。从图中可以看出，截面环由网格边与截切 面的交点连接而成，因此，对当前截面环的求取分为以下几步进行： 1 ) 依次判断三角网格模型各网格边，找到与截切面相交的所有网格边，并将其标识为相交 2 ) 按一定顺序求取截切面与三角两格模型的所有交点 3 ) 依次连接各交点，得到当前截面环 瀑漤 圈2 ，7 三角网格模型截面环求取 根据截切面交点求取方法的不同，截面环的求取又可以分为两种： 1 ) 按网格连接关系求取截面环 这种方法是基于三角网格模型点，边、面的连接关系完成的。首先给定截切面上任一点，在 相交两格边中找到距离该点最近的一条网格边，作为第一条相交边，它与截切面的交点便是截面 环的第一个顶点；找到与第一条相交边邻接的任三角面片，依次判断该面片的组成边，将与截 切面相交的另一网格边作为第二条相交边，与截切面的交点为第二个截面环顶点；找到与第二条 相交边邻接的另一三角面片，并依次判断各组成边，找到第三条相交边及对应截面环顶点依次 类推，直到再次返回第一条相交边或没有可搜索的面为止。 由连接关系求取截面环能够保证截面环各顶点连接顺序的正确性，因此始终能够得到正确的 截面环形状。但是，使用这种方法，一次循环过程只能搜索到距离给定点最近的截面环，如果存 在多个截面环，需要多次重复计算。另外，采用基于连接关系的截面环求取方法，对于当前截面 环不封闭的情况，只能得到部分截面线。 2 ) 按角度排序的截面环求取 首先分别求取所有相交网格边与截切面的交点，为构成截面环的顶点集合。将所得顶点的中 心点作为原点，分别计算每一顶点对应向量相对于水平方向的夹角，将所有顶点按角度值排序并 依次连接得到当前截面环。这种方法实现过程较为简单，对于形状近似圆或椭圆的简单截面环， 能够快速得到正确结果，保证截面环顶点按一