（机械设计及理论专业论文）基于人体特征的服装cad参数化技术研究与应用.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。同时，其中引入参数化设计，对于提高服装业c a d 自动化程 度及其竞争力有重要意义。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，提出一种基于人体特征的三维服装c a d 参数化方法。 基于人体特征的服装c a d 参数化方法，实质是在人体特征信息提取的基础上， 由人体特征信息构建初始化服装，并支持不同需求下的服装参数化修改，论文第二章 面向人体模型进行三维扫描人体模型的简化处理，按人体测量学方法对三维扫描人体 特征点详细定义，针对特征点的分布规律给出一个可变步长的搜索方法，进一步根据 特征点的位置获取扫描人体的特征尺寸，并给出一些应用实例。 人体特征信息与服装密不可分。论文第三章从人体特征信息出发，提出三维服装 几何元素概念，并以样条曲线为几何元素，生成特征环与特征线。以此为基础，利用 分片技术，采用样条曲面直接对服装三维建模，再对其拼接、光顺，从而将参数化方 法向高层次图素如样条曲线、曲面作了推广。 参数化c a d 是计算机辅助设计的一个发展方向，服装c a d 也不例外。论文第 四章从服装的特点出发，归纳出服装的三种约束关系。以约束关系为基础，建立面向 服装的几何约束图，有效地表达服装几何元素及其相互关系。实现了一种基于约束图 的约束求解方法，从而完成对服装的交互参数化修改。 基于上述研究工作，论文第五章介绍“d r e s s i n g s i mr & d ”系统框架，并对系统 开发环境作简要介绍，同时给出部分软件功能应用实例。 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：服装c a d ，参数化设计，人体特征点，几何约束，约束图，约束求解 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 ti sa l li n e v i t a b l et r e n df o rg c a d s y s t e mt oc o n v e r tt o3 df r o m2 db e c a u s eo ft h e 3 dc o m p u t e rt e c h n i q u e s m a t u r i t ya n dt h en e c e s s i t yo fc u s t o m i z e dg a r m e n t a l s oi ti s i m p o r t a n tt oi m p o r tp a r a m e t r i cd e s i g nt og c a d ，s i n c ei tc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e a u t o m a t i o nd e g r e ea n de f f i c i e n c yo fa p p a r e le n t e r p r i s e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fg c a d s t a t u sq u oa n dt h ep r o b l e m sr e m a i n e d ，an e w - g c a dp a r a m e t r i cm e t h o da c c o r d i n gt o h u m a n b o d y sl a n d m a r k si sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s t h ee s s e n t i a lo ft h en e wg c a d p a r a m e t r i cm e t h o di s t og e n e r a t ean e wg a r m e n t t e m p l a t eb a s e do nt h ed e t e c t i o no fh u m a nb o d y sl a n d m a r k sa n dt os u p p o r tp a r a m e t r i c d e s i g n i nc h a p t e r2 ad e f i n i t i o no f h u m a n b o d y sl a n d m a r k sa n di t sd e t e c t i o na l g o r i t h mi s p r e s e n t e d t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m ，b o d ym o d e l sa r es i m p l i f i e df i r s t l y ad e t a i l e dd e f i n i t i o no fl a n d m a r ko nm o d e l si s g i v e nb a s e do na n t h r o p o m e t r i c s t h e na s e a r c h i n gm e t h o dw i t hc o n t r o l l a b l es e a r c h i n gs t e pi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o n l a wo fl a n d m a r k s s o m ed e m o sa r ei n t r o d u c e df i n a l l y t h eg a r m e n ti s t i g h t l ya f f i l i a t e dw i t ht h ec h a r a c t e ro fh u m a nb o d y i nc h a p t e r3 ，a c o n c e p to fg a r m e n tg e o m e t r i ce l e m e n t s i s p u tf o r w a r d t h e ya r ec r e a t e df r o mh u r n a n b o d y sl a n d m a r k s o fw h i c ht h es p l i n ec u r v ei st h eb a s i ce l e m e n t u t i l i z i n gt h ep i e c e w i s e t e c h n i q u e ，t h e3 dg a r m e n ts u r f a c ei sg e n e r a t e do nt h eb a s i se l e m e n ta n db l e n d e d ，f i n e d i t e x t e n d sp a r a m e t r i cm e t h o d st oh i g h l e v e le n t i t i e si n c l u d i n gt h es p l i n ec a r v ea n dm e s h p a r a m e t r i cc a di so n eo f t r e n d s o f c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，s od o e sg c a d i nc h a p t e r 4 ap a r a m e t r i cm e t h o df o r3 dg a r m e n td e s i g ni s p r e s e n t e d b a s e do nt h ef e a t u r e so f g a r m e n t ，t h r e er e l a t i o n sa r ef i r s t l yi n t r o d u c e da st h ec o n s t r a i n t so fg a r m e n tg e o m e t r i c e l e m e n t s t h e nac o n s t r a i n tg r a p hi se s t a b l i s h e d ，w h i c hd e s c r i b e st h er e l a t i o n so f g a r m e n t g e o m e t r i c e l e m e n t s p a r a m e t r i c d e s i g n o f3 dg a r m e n ti sr e a l i z e d b yr e s o l v i n g t h e c o n s t r a i n tr e l a t i o n sa n daa p p l i a n c ee x a m p l ei sg i v e nl a s t l y b a s e do nt h er e s e a r c hw o r ka b o v ea l l ，a “d r e s s i n g s i mr & d s y s t e mi si n t r o d u c e di n c h a p t e r5 ，i n c l u d i n gi t sb u i l d u p ，s t r u c t u r ea n dm a i nf u n c t i o n s ，a l s ow i t hs o m ee x a m p l e s ， 浙江大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t w h i c ht e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t y v a l i d i t y a n da d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g yp r e s e n t e di nt h e t h e s i s f i n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to f3 dg c a d i ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ew o r ki s p u t f o r w a r d k e y w o r d s ：a p p a r e lc a d ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，h u m a nb o d y sl a n d m a r k s ，g e o m e t r i c c o n s t r a i n ，c o n s t r a i n tg r a p h ，c o n s t r a i n ts o l v i n g i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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 随着服装业的发展，服装c a 0 系统的实现与其功能的不断拓宽已成为近年来服 装界、c a d 界研究人员努力追求的目标之一。所谓服装c a d ( c o m p u t e ra i d e d g 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。由于g c a d 的应用可以产生巨大的经济效益，因此引起了世界范围内研究机构 和服装行业的极大兴趣和关注，并结出了丰硕的成果。国际上最早出现的g c a d 系 统是美国于19 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 一鲫公司研制 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m o ，法国l e c t r a 公司町，西班牙i n v e s t r o n i c a 公司一封，日本t o r a y 公司一3 j 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。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 纸样初步设计，到最终设计纸样、 放码、推挡、排料等，其核心技术属平面二维图形与图像处理。 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、纸样设计等几项功能，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、计算机图形学、专家系统、软件工程、计算几何等多 种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 所示。 浙江大掌硕士掌位论文 第一童绪论 设 雏 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。 三维g 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，4 4 j 一唧，其中，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 究热点之一川，也正是本文所要探讨的问题。 1 2 研究现状 在g c a d 系统的服装设计技术中，将针对g c a d 的2 d 纸样设计与3 d 立体设 计、参数化设计等技术加以研究。因此，在此将g c a d 服装设计以及参数化的相关 浙江大掌硕士掌位论文第一蕈绪论 研究作一些简要介绍。 1 2 1 服装设计 根据服装设计的全过程，本文构建了如图2 所示的g c a d 系统服装设计工作流 程图一鄙，图中展现了g c a d 系统服装设计的主要研究内容。并指出了a ，b ，c 三种 服装设计途径，各途径的差别在于得到最终2 d 纸样的过程中所采取的方法不同：a 途径不经过3 d 效果仿真与设计，直接得到最终纸样，属计算机辅助2 d 服装设计： b 、c 途径属3 d 服装设计，其中b 途径由一套初始2 d 纸样，映射到3 d 人体模型 上，再对其“缝合”而得到最终纸样，而c 途径不经2 d 纸样设计，直接进行结构设 计： a j2 d 服装设计 ：2 d 纸洋设计 1 8 i2 d 缝- 台 3 0 r 一一 c 8 回到2 d 修改 图1 2g c a d 系统服装设计流程 1 。计算机辅助2 0 服装设计 计算机辅助2 d 服装设计的内容包括效果图设计、纸样设计、放码和排料，其中 关键技术是纸样设计。无论从研究的角度，还是从应用的角度来看，该领域都已经较 为成熟。 纸样设计有三种方法：一是修改法，即调出纸样库中已有纸样进行修改：二是原 型设计法，即以原型纸样为基础，对其进行移省、加褶、切展等变换和松量分配、撇 胸、腰线对位、边缘处理等工序；三是随意设计法，即利用作图命令进行交互设计， 不受以往设计的约束。因为服装结构千变万化，更含有省道、褶裥等专业因素，所以 纸样设计在8 0 年代曾一度是g c a d 的技术难点。后来，通过引入2 d 图形学中的曲 线生成、任意多边形分割、图形对称展开等算法，实现了曲线任意变换、加省与移省、 3 浙江大学硕士学位论文 第一蚕绪论 平行加褶与目然褶切晨等设计工艺p 3 ，9 0 年代初，天提出将图形参数化方法应用到 纸咩设计中即以k ：盎的特征尺寸为纸阵星形控制参袭根据纸佯图形各关建点的计 堇当式进哥参数化绘至h ，采用这种万注可以通过歪制特征尺寸，生成大小不同宝勺 砭 ，为看矮的放码连程奠定了基础。2 0 世纪6 0 笔鼍韧美国壹先：碍c a d 技术应习 亍报装加工颈域并取得了良好的效果，园咒在世界各重拥有数千用户的倍棺( g e r b e r ) 尘司占据了强装c a d 技术的首席地位_ ；兰形成新的夏求产业：自7 0 年代起，一些 技术发达国家如法国、英国、日孤、西班矛、瑞士等匡家也纷纷同这一新技术领域进 至取碍丁较好的成效。 2 3 d 服装设计 由于强装的质量写合体己成为强装j 场竞争中举三轻重的砝玛，认而使得服装业 e 计算机辅动3 d 瑕装发计的呼声与昌点碧汁算机二二画的飞速发曩也吏3 d 眼装三勺 置念表现旧形见绌。应孩说明的是，计算机辅助3 d 服装设计与3 d 服装动画( g a r m e n t a n i m a t i o n ) 对于3 d 结构设计的要求是百听差别的：翦者更强凋实再以得到2 d 夏岢为目日：而后者刚更强调真实感显示口要求逼妻地显示服装穿着、行动时的变 形等效票讨服装是否能最终实现没育要求。照两者约某些理论与按术( 曲面造型、 变形等) 是通习的。计算 几辅助3 d 服装设计主要有两由实现途径，如图1 2 中b 、c 途弪所示：其中，2 d 一3 d 转换类似于服装工艺当中的缝合工亭，关键在于指明衣片 二间将要缝合的对应部位及缝合岳对应鸵人体部l 立。通过统一那些将要缝合在一起的 遗和顶点，l 口可得到3 d 服装的拓扑结构，也就是初嚣3 d 款式。3 d - - 2 d 的展产是 - 二述过程的逆过程；纹理映射属于图形掌中纹理映射的范畴，不是g c a d 所特有的 醑究内容，此处不作深入讨论。而3 d 交互设计是g c a d 的发展方同，难度也最兀， j 、3 d g c a d 系统与应用的角度来看，加拿大p a d 系统具有一定的2 d - - 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：加拿大另一个系统 d y n a m i cg r a p h i c s 公司的f a s h i o ns t u d i o 系统可以生较具真实感的3 d 服装，但 其面向服装动画而非强装生产。总之，计算机辅助3 d 服装设计是一个新兴领域存 毫许多问题尊得探讨； bkh i n d s 和j m c c a r t n e y 5 唧提出了一种在人江馍型的基础上定义一系死使 哆曲而片( g e 疆装曲面) 的3 d 设计方法：3 d 交互编辑蒌允许服装设计师在人体上力曲 d 浙江大学硕士掌位论文 第一誊绪论 面片定位。曲面片由边定义，边由距身体表面的位移量来确定，余下的点由插值产生。 曲面片之间保持零阶连续。服装的褶裥通过在参数上附加调和函数( 正弦曲线等) 来产 生。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，直线与褶裥成为主 要因素，此时，该方法不能正确定义服装曲面。而且，该方法没有考虑服装织物的物 理性质，不能真实展现服装的质感和悬垂感。 ho 蛔b e ，h m a o 蛔等l 刁构造了个3 dg c a d 系统。其思路是：用户首先提 供一套初始2 d 纸样，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，使“缝合”一5 j i 吝种拓扑运算可视化；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，然后利用最小化技术( a d a p t i v ec o e f f i c i e n tg r a d i e n t m e t h o d ) ，确定平衡状态下织物的3 d 形状；最后进行3 d 一2 d 的展开，得到准确的 2 d 纸样。服装曲面用三角形网格来模拟，能量方程为 e l 。i 。l = e 二+ e + eh + e 憎+ e z + ep 其中，巨是拉伸能，瓦是剪切能，己是弯曲能，巨。是扭曲能，是势能，e ， 是阻止服装穿透人体的阻力能函数。通过外壳结构的弹性原理，计算上述各项，从而 得到服装上各点的总能量。使每个点朝它们各自能量最小的方向移动，服装便达到一 种平衡状态。该方法没有考虑到服装与人体之间、服装各衣片之间的碰撞问题。 衲a 枷a n n 等研究小组伊四所提出的方法酷似制衣的自然过程：首先在2 d 上交 互设计服装纸样，然后缝合成3 d 形状，最后，模拟表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。模拟采用粒子系统：将服装曲面离散 化为一系列严守时刻的质点，点与点之间的作用力表示为微分方程；时间离散过程从 数值上更新各点的位置和速度( x ，x7 倒) ，从而获取系统的演变。作用力模型来自 牛顿第二定律： f ( r ，r ) = m ( r ) d 2 r m 2 其中，f 是点r 处的合力。求解上式即得到t 时刻各点的速度和位置。碰撞检测 采用层次包围盒技术。由于该模型以时间为参数，随时间变化，3 d 服装效果随之改 变，因而可以表现动态服装，从而满足了3 d 动画的要求。该3 dg c a d 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，需回到2 d 交互状态修改2 d 纸样，然后再次进行3 d 动画模拟，不能直接 5 浙江大掌硕士掌位论文 第一童绪论 在3 d 上进行交互。另外，碰撞检测算法的效率取决于障碍物多边形的数目，时间效 率较低。 第1 种方法基于几何技术，它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。后两种方法基于物理造型技术，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，这两 种方法中所考虑的因素都很多，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。 综上所述，3 dg c a d 系统尚处于研究阶段，缺乏有效的服装曲面造型手段和3 d 交互工具，以及碰撞检测的优化算法，是3 dg c a d 面临的主要困难。 1 2 2 参数化技术 企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短其上市周期。因此产品 设计应有充分的柔性，同时又能迅速地重构，使产品的设计信息可以重用。产品设计 大多都是改进型产品设计，约7 0 原来产品的设计信息在新产品的设计时被重新利 用，在这样的背景下，参数化设计技术应运而生。 参数化方法的本质是基于约束的产品描述方法。设计师可以根据自己的意图很方 便地勾出设计草图，系统同时自动建立设计对象内部各种元素之间的约束关系，以便 设计者更新革图时，系统通过推理机能自动更新校正草图的几何形状并获得几何特征 点的正确位置分布。此时，产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约 束评估的约束求精过程。 参数化研究工作最早可追溯到6 0 年代早期，s u f h e 柏n d 在他开发的s k e t c h p a d 系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来l i g h t 、 g o s s a 一 叫2 j 进一步发展了这一思想，并使其实用化。在这种方法中，约束集用一组 非线性方程组来表示，然后用n e 、t o n 迭代方法整体求解以确定所有的参数值。但用 这种方法求解约束方程组存在一个广为人知的缺陷，即方程组迭代的收敛性问题，它 袄赖于迭代初始值的选取。 为克服此问题，s 肖a s d a r b u c h a n a n 利用方程的符号计算技术提出符号法，俐， av e 肿“s 提出应用人工智能思想的方法几何推理法，m 。这种方法把约束集及所 6 浙江大学硕士掌位论文 第一章绪论 约束的几何元素用图论的方法表示出来，然后对约束图进行几何推理以确定各几何元 素的参数值。符号法的计算量很大，在实用中受到很大的限制。几何推理法简洁、计 算量小，但在几何推理过程中会遇到循环约束问题f 引即某些子约束网内部的诸几何元 素之间没有一种必然的前后次序关系。 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术，以一种全新的思维和方式来进行产 品的创新和修改设计。它用约束来表达产品模型的形状特征，定义组参数以控制设 计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建系列在形状或功 能上相似的设计方案。在设计过程中，参数化草图输入大大提高了图形输入和几何造 型的效率。产品模型的修改通过尺寸驱动或参数驱动实现。给定几组参数值便可实现 系列零件或部件的自动生成，约束的修改使对设计目标依赖关系的描述成为可能。基 于约束的参数化变量化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件族的生成、 多方案比较等提供了强有力的手段，在工程绘图、实体造型、装配、公差分析与综合、 机构仿真、优化设计、数控加工( n c ) 等领域发挥着越来越大的作用3 7 。 1 3 研究思路 尽管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3 d 造型手段 2 0g 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。只有个别的服装c a d 公司推出的一些单一功能模块可 以运作，如：美国c d i 公司的时装设计功能，加拿大p a d 公司的三维样板设计与管 理功能等。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 要课题一弘矧。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，不是用简单的几何状态就可以取代的。 面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。它要考虑人体与服 浙江大掌硕士掌位论文 第一章绪论 装之间的关系、空隙量变化等诸多因素。 2 参数化只能处理简单图形，仍停留在低层次图素上 参数化能处理的图形比较简单，难以处理复杂的三维图形，多解问题与拓扑变异 没有很好地解决；对带有循环约束的约束图有向化与求解还缺乏有效的解决办法；对 二维图形的参数化研究仍停留在低层次简单图素如点、线、圆、圆弧上f 3 8 j 。 3 缺乏有效的3 d 交互工具 构成服装的悬垂织物是一种非刚性材料，对其进行计算机造型一直是图形学界广 泛研究的问题之一。该问题最大的难点在于，如何将织物的各项特性( 刚性、弹性、 组织结构、纤维含量等) 综合到一个数学模型当中。而且，如果该模型过于复杂，考 虑的因素过多，是难于集成到一个交互系统中去的。因此，前述所讨论的两个基于物 理造型的g c a d 系统均未能实现3 d 交互。 针对这些问题，本文从以下几个方面进行解决； 1 以三维人体模型特征为参数直接对服装进行款式的3 d 设计 直接根据三维入体模型数据，对其进行特征点搜索，在考虑人体与服装的空隙度 基础上，建立起服装各个特征点与人体特征点的关系，从而可以得到一个以人体模型 为参数的三维服装模板。 2 将参数化方法向高层次图素如样条曲线、曲面作推广，以其为几何元素对服 装三维建模 从人体及服装的特点出发，提出三维服装几何元素的概念，并采用样条曲线作为 基本几何元素构建起三维服装。把传统针对点、线、圆、圆弧的二维图形参数化技术 推广到由高层次图素如样条曲线、曲面构成的二维或三维几何图形上去，这既是参数 化发展的一个必然结果，也是一个令人感兴趣的崭新课题，是和目前广泛应用的造型 系统发展趋势相适应的。 3 以基于约束图的约束求解方法有效支持对三维服装的交互参数化设计 将服装c a d 技术与参数化技术结合起来，在采用样条曲线作为三维服装几何元 素的基础上，归纳出服装的三种约束关系。建立起面向服装的几何约束图，并实现了 一种基于约束图的约束求解方法，该方法有效地支持对服装的交互参数化修改与设 计。 8 浙江大掌硕士掌位论文第一章绪论 1 4 研究内容 图1 3 表示本文对g c a d 系统研究的技术路线。 图1 33 d g 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五个章节，第二章至第六章的内容说 明如下： 第二章介绍在人体模型的前处理基础上对人体模型特征点进行详细定义，并给出 了一个可变步长的搜索方法，兼顾搜索速度与搜索结果精度。进一步根据特征点的位 置获得扫描人体的特征尺寸。最后，给出了基于特征点的人体骨骼生成、基于特征点 的服装模板生成等应用实例。 第三章介绍如何根据人体模型及其特征信息，采用样条曲线为几何元素，生成特 征环与特征线，进而由样条曲面直接分片对服装进行三维建模，再对所生成的服装进 行拼接与光顺处理，从而将参数化方法向高层次图素如样条曲线、曲面作了推广。 第四章从人体及服装的特点出发，归纳出服装的三种约束关系，以约束关系为基 础，在三维服装中建立约束图。通过约束图支持对三维服装的参数化设计，给出一个 j 翌用实例。 第五章为系统实现及实例的一些介绍，如系统框架、开发环境、系统实现的一些 9 浙江大掌硕士掌位论文 第一章绪论 实例等，并给出部分软件功能应用实例。 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 浙江大掌硕士掌位论文第二章人体扫描模型的特征提取 第2 章人体扫描模型的特征提取 【摘要】在人体模型前处理的基础上，按照人体测量学的方法对三维扫描人体的 特征点详细定义。针对特征点的分布规律给出一个可变步长的搜索方法，兼顾搜索速 度与搜索结果精度，进一步根据特征点的位置获得扫描人体的特征尺寸。最后，给出 基于特征点的人体骨骼生成、服装模板生成等应用实例。 2 1 引言 人体测量是服装设计的第一步。传统上是以卷尺、卡尺等为测量工具，测量人体 有关部位的长度、宽度、围度等2 d 数据，以此为参数进行服装设计。服装工业生产 中所广泛使用的号型分布、体型分类，也是根据在大范围内用传统测量工具，进行不 同年龄、不同性别的人体测量，然后用统计学的方法分析得出。可以看出，上述方法 有如下缺点：( 1 ) 测得的2 d 人体数据无法反映人体的3 d 体态特征：( 2 ) 人体尺寸呈连 续变化状态，而号型分布人为地将人体划分归类，不可避免地导致了信息丢失，并影 响服装的合体度；( 3 ) 不能为3 d 服装设计提供人体模型。随着传感器技术和多媒体技 术的迅速发展，计算机己能直接或间接地进行3 d 人体测量来获取三维人体数据，这 种技术则能够克服上述缺点，并为自动量体裁衣问题的研究创造了条件。 3 d 人体测量技术分为两类：一类是基于激光的扫描技术( 1 a s e r b a s e d ) ，另一类 是基于莫尔波纹的投影技术( m o i r 6 一b a s e d ) 门鄙。基于激光的技术原理是采用激光扫描 三角形剖分方法来获得3 d 图像。基于波纹的技术采用白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。前者的代表 性产品为美国的c y b e rw a r e 系统和l a s e rd e s i g n 系统，后者为美国t c 2 公司的p m p 系统。它们均可获取除被姿势隐藏的部位以外的人体各处3 d 数据以及人体模型。但 是，一方面，这些系统所获取的数据远远超出g c a d 的需求，在实际应用中应适量减 少，以节省存储空间，加快处理速度：另一方面，从扫描得到的人体数据中提取服装 设计所需要的特征尺寸，也是一个尚需完善的领域。 目前的三维扫描设备可以提供高质量的人体模型，但是多数测量设备提供的仅仅 浙江大学硕士学位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 是没柯特征信息的多边形( 丰要是i 伯形) 删格f f i 面，其包含的信息往往h 是i 维的 拓扑结构，如顶点个数、顶点坐标、而的顶点索引等等。同时，各科r 基于 、体模型的 应用如创建人体骨骼动画、3 d 服装c a i ) 等往往需要更多的特征信息，7 争们。冈此，为 了便r 模型的后续应j = j ，扫拙工作结束后的首要工作就是识别人体的各个特征点及特 征尺寸。 对标准人体特征点的提取，幽内外学者进 o ：了很多相天的研究。p a 但a s 尺p 等 f 7 唧最早对十分片的人体 l 描数据进行了特征点的自动提取，丌发了相麻的人体尺寸测 量软件，并提出了一种用户自定义特征的方法，但是由丁其尺寸提取拭丁粗略选取的 人体特征，因此其误差是很明最的。u 鹏，9 ，按照人体的功能埘人体进行分段，通过 对不同截而形状和位冒的分析，求出其功能区域，而其毗邻处即为特征位置，由于陔 方法需要求取大晕：的人体横截面，冈此丌销很大。d e k k e r 等f 2 。j 改进了l 脂的算法， 薛主要致力丁对关键位营的特征点进行丁精确的定位。吴中海等f 2 ，采片j 多边形逼近求 取人体横截面的凸包，然后利用凸包的特征获得了i 围部f 讧所在的人体横截面，最后 按照凸色的周长计算三围特征值，但是仪针对胸围、腰围和臀幽进i j ：分析，没有计算 人体其他尺寸，略显不足。 基于此，本章提出特征点搜索算法，其摹本思路是从降低求交次数着手来提高截 面多边形的提取速度，同时对可疑区i 瑚减少搜索步长束提高提敬精度。碱取的断面轮 廓采用k e l k m a n 凸包算法皿习作为人体的截而多边形，在提取的截而多边形序列分析 的基础卜计算特征点坐标，最后求人体的箨类特征尺寸。这罩，为减少求交次数采 崩了两种措施：第一，对人体模型进行网格简化，采用了g a 哟n d 算法f 2 3 1 作为人体 模型的基本简化算法，减少了一次截面过群中的求交次数；第二，按照搜索的高度值 进fj ：步长的渊节，从而减少了求截而的次数，进步降低了求变次数。通过这叫种做 法很大程度卜减少了求截时问，提高了效率。 _ 奉章的研究工作是徉已从第二三方那儿扶得了若f 组三维人休模型数据的皋础上 丌婚的。众所周知，服装设计师所需要的辛要参数是人体的i 围特征值和其他的一些 人体特征。本章旨在从给定的三维人体模型数掘中快速定位并计算出这些特征值，其 汁算过程如图2 1t i i 的虚线柯毛内所示。 1 2 讨 江大掌硕士掌位论文 第二蕈人体扫描模型的特征提取 f 习 l ，- - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 图2 - 人体特征点提取过程 需要指出的是，这里所指的人体模型通常是标准立姿的人体模型，而对于人体特 征点的识别也仅限于标准立姿的形态。标准立姿定义为人体目光正视，两臂伸展于大 腿外侧的站立姿势。如图2 2 中所示的人体姿态，对人体直立姿势的详细定义请参阅 文献胆钾。 2 2 人体模型前处理 在对模型进行特征搜索之前，为便于后期处理和提高搜索速度，我们首先需要对 人体模型进行必要的前处理。这个工作主要包括两方面：即人体正中矢状面与身高的 求取和人体模型的简化。 2 2 1 人体正中矢状面与身高求取 所谓正中矢状面是指过铅垂轴和纵轴，且通过人体正中线的平面。正中矢状面把 人体分成左右对称的两个部分。这里，定义铅垂轴为y 轴，纵轴为z 轴。因此，正 中矢状面即为平行于y - z 面的平面，如图2 - 2 中的v o 面。 1 3 浙江大掌硕士掌位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 图2 2 立姿人体及各个平面 由人体测量学可知，很多特征点都是位于人体的正中矢状面上，如腰围前点，喉结点 等等。为了求取这类特征点，首先必须计算正中矢状面。 通过对人体模型的顶点坐标进行空间变换，定位人体的高度方向是y 轴，宽度方 向是x 轴，厚度方向是z 轴，脚平面为y = o 。因此求取正中矢状面即为求取人体对 称中心的x 坐标。这里计算了人体躯干和头部的几个截面多边形的工中心位置，取其 均值就得到了近似的人体中心x 坐标，即正中矢状面x = x c 。为便于计算，进一步 对人体模型的顶点进行平移变换，使其正中矢状面x = o 。 为了确定步长比例，首先需要知道人体的总高作为基数。我们以x = o 平面对人 体求截面，可以认为该截面的最高点即为头顶点，同时由于脚平面定为y = 口，因此 头顶点的y 坐标即为身高日丑曲。 2 2 2 人体模型的简化 在对人体进行特征点搜索的过程中，需对人体模型做大量的求取截面的操作，因 此搜索算法的时间多数消耗在对模型的求交过程中。同时，未经处理的人体扫描数据 往往包含大量冗余的顶点和三焦面片。因此，在进行特征搜索之前，先对模型进行简 化，从而可以大大减少求交运算的资源消耗。 当然，在简化模型上求出的只是相比不甚精确的特征点坐标。但是，可以看到对 于多数的特征点而言，在简化模型上的高度数据往往和原始模型上的数据是大致相等 的。因此在简化模型上求取的特征高度值在原始模型上再次进行一次计算，就可以得 1 4 浙江大掌硕士掌位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 到更为精确的特征点坐标和其相应的围长尺寸及高度尺寸。 图2 - 3 为应用g a r l a n d 简化算法的人体模型网格图，从图中可以看出，在模型顶 点数减少到原始数目的2 0 ( 即c 模型) 的情况下，模型仍然保持了很好的人体特 征，各个特征点位置没有发生很大的变化，因此从2 0 的简化模型上求得的特征点 可以应用的原始模犁卜。 t ) b ) ( c ) d ) ( a ) 初始模型( b ) 5 0 简化模型( c ) 2 0 简化模型( d ) 5 简化模型 顶点：9 9 9 9顶点：4 9 9 9顶点：1 9 9 9顶点；4 9 9 面片：1 9 9 9 4面片：9 9 9 4面片：3 9 9 4面片：9 9 4 图2 3 人体模型的简化 2 3 人体模型特征点定义 2 3 1 人体模型特征点 在人体测量学中，特征点是指用于标识测量位置的界点，也称为测点。它通常为： 1 肌肉下骨骼突出部位； 2 关节连接处： 按照位置和使用目的，每一个特征点都有不同的定义。 与此类似，尽管扫描的人体数据并不能反应骨突和关节部位，但是根据不同的特 征位置也可以定义不同特征点的具体特征。比如头顶点可以定义为人体最高点、腰部 点可以定义为躯干部分周长最小处的最前点等。表2 1 ，2 详细定义了人体的各个特 1 5 浙江大掌硕士学位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 征点。 表2 1 人体特征点的定义 名称真实人体测点定义扫描人体特征点定义 头顶点( v ) 头部以眼耳平面定位，在头顶部 在头顶部正中矢状面上的最高点 正中矢状面上的最高点 喉结节点在正中矢状面上，喉结节向前最颈长中点的周线与正中矢状面的交点 突出的点 肩峰点肩胛骨的肩峰外侧缘上向外最突人体周长最长的截面的左右两点 出的点 乳头点乳头的中心点 取胸围周线与正中矢状面的交点，改其 名为前胸点 桡骨点桡骨小头上缘的最高点臂部周长由长变短再变长过渡处水平截 面的最前点 桡骨突点桡骨茎突的下端点臂部周眭最短的水平截面的最前点 脐点肚脐苣腰围周线与正中矢状面的交点 髂前上棘点髂前上棘向前下方最突出的点按照会阴点高与两腿相切处环的最前点 会阴点左右坐骨结节最下方的连线与正正中矢状面上的最低点 申矢状面的交点 胫骨点 胫骨上端内侧的髁内侧缘上晟高腿部周长由氏变短再变长过渡处水平截 点面的最前点 内踝点 胫骨的下端点褪部周长最短的水平截面的最前点 表2 - 2 附加的人体特征点定义 名称扫描人体特征点定义 胸围前点胸围周线与正中矢状面的交点 腰围前点腰围周线与正中矢状面的交点 臀围前点臀围周线与正中矢状面的交点 浙江大学硕士掌位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 2 3 2 人体模型特征尺寸 人体模型上有些特征点所在截面的尺寸对服装有着极为重要的作用，如胸部特征 点所在截面的周长即为胸围，腰部特征点所在截面的周长即为腰围。另外，特征点与 一。些参考平面、特征点与特征点之间的一些尺寸对服装也起着很重要的作用，这些尺 寸统称为特征尺寸，表2 3 详细定义了人体的各个特征尺寸。 表2 3 人体特征尺寸的定义 名称真实人体尺寸定义扫描人体特征尺寸定义 身高头顶点至地面的垂距头顶点至地面的垂距 肩高从肩峰点至地面的垂距从肩峰点至地面的垂距 会阴高从会阴点至地面的垂距从会阴点至地砸的垂距 胫骨高从胫骨点至地面的垂距从胫骨点至地面的垂距 上臂长从肩峰点至桡骨点的直线距离从肩峰点至桡骨点的直线距离 前臂欧从桡骨点至桡骨突点的直线距离从桡骨点至桡骨突点的直线距离 火腿长从髓前上棘点至胫骨点的直线距从髂前上棘点至胫骨点的直线距离 离 小腿长从胫骨点至内踝点的直线距离从胫骨点至内踝点的直线距离 颈围经喉结节点的颈部水平围长颈长中点处水平截面的丽长 胸围经过乳头点的胸部水平围眨躯干部分周长最长的水平截面的围长 最小腰围在肋弓和髂嵴之间，经腰蜃细部躯干部分周线横向宽度最短的水平截面 位的水平围长的围长 腰围经脐点的腰部水平围长近似取最小腰围 臀围臀部向后最突出部位的水平围欧臀部向后最突出部位的水平围长 由于不能直接定位测量点，因此三维扫描人体的特征识别和真实人体的特征测量 有所不同。从上面三个表的定义可阻看到，对于扫描人体的特征除了头顶点和会阴点， 我们均采用判断截面多边形特征的方法求取特征位雹，从而得到特征点，最后得到特 征尺寸。这与真实人体测量中先选取特征点，然后进行特征测量有很大不同。 1 7 浙江大掌硕士学位论文 第二章人体扫描模型的特征提取 2 4 人体模型特征点搜索 对人体特征点的搜索工作主要包括获取人体的横截面序列和计算特征点坐标两 个部分。按照所定义的坐标系，这里使用y = y 平面对模型进行截切。 2 4 1 人体模型横截面序列的截取 传统的人体特征搜索方法是按照一定的步长对人体模型进行截切，切面与水平面 平行。通过分析相邻截面多边形的形状或者数目获取特征点的位置。