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虚拟服装试穿演示系统研究 摘要 本文利用服装设计、计算机图形学等方面的技术，从研究三维 人体模型出发，来实现不同光照、材质下具有真实感的三维着装形 态仿真。同时开发了软件，用以实现人体建模和三维着装的模拟， 从而能够多角度的观察各种款式服装着装后的效果，为下一步织物 的悬垂模拟和人体运动时服装与人体的碰撞检测及服装动态变形理 论的研究打下了坚实的基础，是三维服装c a d 走向实用化的前提。 在国内外相关文献的基础上，借鉴已有的一些虚拟设计系统的技 术，针对服装制造业，实现了服装虚拟产品实时演示系统。具体研 究内容如下： ( 1 ) 根据服装试穿的应用特点，基于模型重用的思想，以符合 h a n i m 标准的标准模特为基础，提出了适用于试衣系统的个性化人 体模型调节方法，通过对15 个人体测量学参数进行交互式修改，生 成个性化的人体模型。并对个性化调节中可能存在的局部异常变形 情况，提出一种比例差异边界查找法和改良的中值滤波法来加以解 决，达到了较好的滤波效果。 ( 2 ) 在重建三维人体的基础上，利用偏离值作用于人体曲面顶 点法矢方向的方法来生成服装的造型点，然后使用经过改进的 d e l a u n a y 三角化算法，得到了符合人体表面且具有一定空隙度的三 维衣片。随后为了增强虚拟服装的真实感，采用整体光照模型理论 来改变服装的材质，研究了2 d 到3 d 的纹理映射方法，并用两步法 椭圆柱面纹理方法，解决了三角面片组成的服装纹理映射问题，得 到了较为真实的纹理映射效果， ( 3 ) 采用j 2 e e 系统框架，集成主流开发技术，通过计算机编程 建立虚拟服装实时演示系统，主要功能有：按客户身形生成个性化 人体模特、更换服装款式、改变光照和材质、模型的多角度展示、 加载场景以及着装舒适性评测。实验结果表明，本系统可以较真实 地反映三维着装效果。 本文从实际需求出发，对面向服装制造业的虚拟产品设计技术进 行了研究，给出了一个虚拟服装展示原型系统。该系统为基于虚拟 现实环境下的服装产品设计提供了一种新的方法和途径。 关键词：h - a n i m 三维人体建模，d e l a u n a y 三角剖分，光照模型，两步 法纹理映射技术，虚拟试穿 s t u d yo nr e a l t i m ev i r t u a lg a r m e n t t r y - o nd e m o n s t r 订i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t h t h et e c h n i c a l s u p p o r t o fg a r m e n td e s i g na n dc o m p u t e r g r a p h i c s ，t h i sp a p e rw a sa i m e dt or e a l i z er e a l i s t i cs i m u l a t i o no fh u m a n d r e s s i n gu n d e rs p e c i f i c l i g h t i n ga n dt e x t u r ec o n s i d e r a t i o n s f r o mt h e s t u d yo f3 dh u m a nb o d ym o d e l i n g a tt h e s a m et i m et h i sp a p e r d e v e l o p e ds o f t w a r e f o rt h er e a l i z a t i o no fh u m a nm o d e l i n ga n d3 d d r e s s i n gs i m u l a t i o ns oa st os t u d yd r e s s i n ge f f e c t so fd i f f e r e n ts t y l e s f r o md i f f e r e n ta n g l e s t h er e s e a r c hw a sg e n e r a l l yr e g a r d e da se s s e n t i a l s t e p sf o rf u r t h e rs t u d yo f t e x t i l ed r a p es i m u l a t i o n ，m a d eas o l i db a s i sf o r t h ec o l l i s i o n sd e t e c t i o nb e t w e e nb o d ya n dc l o t h e si nm o v i n gm o t i o n s a n dt h et e x t i l ed y n a m i c a ld e f o r m a t i o nt h e o r y a n di tw a sa l s ot h e p r e m i s eo fp r a c t i c a l3 dg a r m e n tc a d w i t ht h eh e l po ft h ee x i s t i n gv i r t u a ld e s i g ns y s t e m st e c h n o l o g ya n d r e l a t e dl i t e r a t u r eo fd o m e s t i ca n da b r o a d ，a i m e da tg a r m e n ti n d u s t r y ， t h i sp a p e rs t u d i e dar e a l t i m ev i r t u a lg a r m e n tp r o d u c td e m o n s t r a t i o n s y s t e m s p e c i f i cs t u d i e sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea p p l i e dc h a r a c t e r i s t i co ff i t t i n gc l o t h i n g ， r e u s a b l em o d e l b a s e dt h i n k i n g ，t a k i n gt h es t a n d a r dh u m a nb o d ym o d e l a saf o u n d a t i o n ，t h i s p a p e rp r o p o s e da d j u s t m e n tm e t h o do fh u m a n m o d e lf o rt r y o ns y s t e ma n dg a i n e dp e r s o n a l i z e d3 dh u m a nm o d e lb y c h a n g i n gt h e15a n t h r o p o m e t r i cp a r a m e t e r s a st ot h es a l t a t i v en o i s ea n d t h ep a r t i a la b n o r m a ld i s t o r t i o ni nt h ea d j u s tp r o c e d u r e ，e x p l o i t e dan e w b o r d e r l i n e - l o o k i n gm e t h o db a s e do nr a t i od i f f e r e n c e i ta l s oa d o p t e dt h e i m p r o v e dm e d i a nf i l t e r i n gt os m o o t ht h e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t p r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h i sa r i t h m e t i ca n ds m o o t h i n gp r o c e s s ( 2 ) o nt h eb a s i so fh u m a nb o d ym o d e l i n gr e c o n s t r u c t i o n ，t h i s p a p e ru s e dn o r m a lv e c t o rm e t h o df o rb i a se r e c t so nv e r t e xo fh u m a n b o d ym o d e lt og e n e r a l i z ed r e s ss h a p i n gp o i n t a n dt h e n ，p o i n t s a r e h l t r i a n g u l a t e db yi m p r o v e dd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na l g o r i t h mt oo b t a i nt h e g a r m e n tt r i a n g u l a rs u r f a c ew h i c hc o n s i s t e n tw i t hac e r t a i nb o d ys u r f a c e a n da l s oh a sc e r t a i ng a p s u b s e q u e n t l y ，i no r d e rt oe n h a n c et h et r u e n e s s s e n s e ，w ea p p l i e do v e r a l li l l u m i n a t i o nm e t h o d o l o g yt oc h a n g eg a r m e n t t e x t u r e ，m a d eas t u d yo n2 dt o3dt e x t u r em a p p i n gt e c h i n i q u e s ，a p p l i e d ak i n do ft w o - s t e pe l l i p s ec y l i n d e rt e x t u r em a p p i n gt e c h n o l o g y ，a n d a c h i e v e dw o n d e r f u le f f e c t ( 3 ) f i n a l l y ，w eb u i l tt h er e a l t i m ev i r t u a lt r y o ns y s t e mb y a p p l i e d j 2 e ef r a m e w o r ka n di n t e g r a t e dm a i n s t r e a md e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y t h em a i nf o u n c t i o n sa r e ：g e n e r a t i n gi n d i v i d u a lm o d e lw h i c hs h a r e dt h e s a m eb o d ys h a p ew i t ht h ec l i e n t ，r e p l a c ec l o t h i n gs t y l e ，p r o v i d i n g o p t i o n so ft e x t u r ea n di l l u m i n a t i o n ，p e r f o r m i n gm u l t i a n g l es h o w i n g ， l o a d i n gs t a g e ，a n dp r o v i d i n gc o m f o r te v a l u a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h i ss y s t e mc a nr e f l e c tt h er e a le f f e c ti n3 dd r e s s i n gf i e l d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ln e e d s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ea p p a r e l m a n u f a c t u r i n g - o r i e n t e d v i r t u a lp r o d u c t d e s i g nt e c h n o l o g y a n dp u t f o r w a r dav i r t u a lc l o t h i n gd i s p l a yp r o t o t y p es y s t e m t h es y s t e mo f f e r sa n e ww a y sa n dm e a n sf o rg a r m e n td e s i g ni nv i r t u a lr e a l i t ye n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lh u m a nb o d ym o d e l i n go nh a n i m ， d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n o fs c a t t e r e dd a t a ，l i g h t i n gm o d e l ，t w o s t e p t e x t u r em a p p i n g ，v i r t u a lt r y o n i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 师签名 5 虚拟服装试穿演示系统研究 1 绪论 随着全球市场竞争的加剧，企业面临着越来越大的压力。如何在尽可能短 的时间内，用尽可能低的成本，生产出质量尽可能高的产品，已成为左右企业 生存和发展的关键问题。虚拟产品设计技术建立在利用计算机完成产品开发过 程构想的基础上，它以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形 学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，在 虚拟的环境下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析：从而提高产品在 时间、质量、成本、服务环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性 开发成功的目的【2 l 。它的显著特点之一是利用虚拟产品来代替实物模型进行仿 真、分析，在产品物理实现之前，就能预测或感受未来产品的形态、行为和性 能，从而可以做出前瞻性的决策和优化方案，与市场构成良好的快速反应机制， 提高产品的获利程度。简言之，这是一种在计算机中实现产品设计和制造的技 术，它从根本上改变了设计、试制、修改设计、再试制、规模生产的循环反复 的传统设计与生产模式。 虚拟产品设计技术的出现，对制造业产生了巨大的影响。比较成功的例子 是在波音7 7 7 和欧洲空中客车制造中的应用，其开发周期分别从原来所需韵8 年 和4 年降至如今的5 年和2 5 年。因此虚拟产品设计技术越来越受到企业广泛的 重视，并成为当前制造业的研究热点。 人说“领里袖外皆乾坤”，这足以说明，当今时代服装已从最基本的保暖御 寒工具，发展为一项多层次的，具有浓厚时尚气息的第三产业。人们在选择服 装时，更注重个人品味。服装工业出现小批量定做，因而原料的浪费以及传统 试制所需的时间成为人们日益关注的问题。虽然c a d c a m 系统已应用于服装工 业，但仅仅限于二维设计，三维服装的展示和设计仍是一个难题。而中国服装 工业仍是一个传统的、现代化程度不高的行业，绝大部分的服装设计至今还停 留在以手工设计为主的阶段，与国外的先进服装企业相比，在设计能力、名牌 效应等方面都有较大的差距。在数字化的今天，用“信息化带动工业化”，将 虚拟产品设计技术应用于服装工业的相关研究一直是服装界和信息界研究的 热点。 网上虚拟试衣系统是社会经济不断发展和电子商务不断普及的产物，一方 面人们开始追求个性化的服装设计，希望能够为自己量身定制服装，另一方面 网络已经通用，足不出户就能满足自己对个性化服装的需求，已成为一种时尚。 陕西科技大学硕士学位论文 目前的此类系统大多是以文字和二维图片为主，仅仅能提供平面的效果，与实 物有一定的差距，能提供给客户的信息有限，并且缺乏人机间的交互、可视性效 果差，不利于电子商务的应用和发展。因此我们认为有必要结合虚拟现实技术， 进行网上交互式服装展示定制。本课题的研究目的就是要建立一套较完善的虚 拟试衣系统。 1 1 虚拟现实技术概述 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，简称v r t ) 的出现实际是计算 机图形学、人机接口技术、传感器技术及人工智能技术等交叉与综合的结果【，l 。 以虚拟现实技术为代表的新型人机交互技术旨在探索自然和谐的人机关系， 使人机界面从以视觉感知为主发展到包括视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉和动 觉等多种感觉通道感知；从以手动输入为主发展到包括语音、手势、姿势和视 线等多种效应通道输入。 可以做出如下定义：“虚拟现实”就是一种可以创建和体验虚拟世界的计 算机系统。这种系统生成的各种虚拟环境，作用于用户的视觉、听觉、触觉，使 用户产生身临其境的感觉，沉浸其中。而所谓虚拟世界则是虚拟环境或给定仿 真对象的集合。 计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，而且因此导致了许多解决 问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此。就虚拟现实本 身的技术而言，它主要涉及到3 个研究领域： 通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果： 建立对虚拟世界的观察界面； 使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。 当前国际上，虚拟现实技术的研究大致可以分为三类：第一类是研究虚拟 人机交互界面，这一类人员大多是由研究图形学、行为学或是心理学的专家组 成；第二类是研究虚拟现实系统的构造技术，主要研究内容包括实时生成有真 实感图形画面的算法和硬件体系结构，较有代表性的研究机构是北卡大学 ( u n i v e r s i t yo f n o r t hc a r o l i n a ) ：第三类着重于研究虚拟现实的应用。在这一研 究人员中，人工智能界显示出了高度的热情。有许多的人工智能理论专家和机 器人专家参与研究。较有代表性的研究机构有美国的卡内基梅隆大学1 4 。 在虚拟现实中强调的是人的主导作用。虚拟现实技术不仅实现了从“计算 机为主体到“人为主体 的转变，而且实现了“适计算机化的单维信息空间 到“适人化的多维信息空间刀的转变。在传统的单维信息空间内，信息处理的 2 虚拟服装试穿演示系统研究 工具或环境是计算机，人通过键盘、二维鼠标和显示屏幕等与计算机发生联系， 人类以往的经验是以数字化形式存储在数据库内的。虚拟现实不仅是一门综合 的技术，而且是一门艺术。有时在应用中艺术的成份往往会超过技术成分，给人 一种艺术享受，如交互式虚拟音乐会、虚拟演播室等。类似于其它艺术作品，虚 拟现实能够进行教育或传授知识技能，而且可以超越时空、生命本身的限制。 白发老者可以重温年轻时参加足球赛的经历；获得危险情况下的经验却不必冒 险，如飞行仿真虚拟现实系统，飞行员可在安全的虚拟环境中获得飞行经验。 虚拟现实技术在具有艺术魅力的同时，也具有一定的情感魅力。由于虚拟 现实技术本身的三“i 特征，人机之间交互的不仅仅限于单维数字信息，而是 沉浸其中，融视觉、听觉、触觉等于一体的交互方式。因此情感的韵味大大增 加。尤其在虚拟现实技术与通信技术相结合时，其情感魅力表现的更为明显，如 临场感通信。当人们的交流方式从书信( 手迹) 、电话( 声音) 、可视电话( 声 音、容颜) 到临场感通信( 音容笑貌、言谈举止) ，逐步变化时，人们的感受越 来越真切，情感魅力越来越大【5 】 1 2 三维人体建模研究背景 人体模型的最早应用是在1 9 6 7 年，波音公司把由它自己发展的线架式“第 二号人 用于驾驶舱的设计中，取得了良好的效果和经济效益。其后，应用于 不同场合的人体模型应运而生。对于不同的应用场合，其建模方法也不同，主 要有以下几种人体建模l s 】方法： 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 a m 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严重的缺陷： ( 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； 3 陕西科技大学硕士学位论文 实体建模 实体建模的概念尽管早在2 0 世纪6 0 年代就已提出，但到2 0 世纪7 0 年代 才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统。到2 0 世纪7 0 年代后期，实体 建模技术在理论、算法和应用方面才比较成熟。使用实体建模的方法对人体建 模时，由于它增加了三维人体的实心部分表达，使其信息更加完备，从而使得 三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何和 拓扑信息，因此它可以支持人体的消隐、真实感图形的显示。目前，实体建模 系统中对人体的表达方式主要有3 种： ( 1 ) 基于体素分解的表达方法 体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解，并将其逼近表示成为一簇基 本体素的集合，分解后的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行，但对 人体的表达是近似，因而很难反映出人体的宏观几何特征，并且由于体素间的 集合运算涉及大量面与面之间的交贯运算，难免出现奇异的情况，有时计算精 度有限带来的几何数据误差，还会造成体素之间拓扑关系的紊乱，从而使运算 不能进行下去。因此在实际应用中会受到很大的限制。 ( 2 ) 构造实体几何 构造实体几何方法是通过简单形体( 如圆柱体、椭球体、球体等) 的交、并、 差集合运算来表达复杂人体外形，该表达方法可以用一棵二叉树描述。构造几 何表达方法的特点如下： a ) 可以清晰地表达复杂人体的构造过程； b ) 直观地描述人体的宏观几何特点。 但是该表达方法存在着多种构造人体的表达方案，表示的人体模型也不够 逼真，很难表示人体的动态特性。同样，由于存在集合运算，因此其计算量大， 计算稳定性差。 ( 3 ) 多面体建模 多面体建模【，】是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点 进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体( 即基本立体 ，然后通 过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。 它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体 建模可以灵活地进行人体形状设计。多面体人体建模的步骤如下： a ) 首先产生一个由直线和平面所组成的基本立体，作为人体形状的原型； b ) 由基本立体产生曲线模型； c ) 在曲线模型的基础上，用参数曲面进行拟合。 4 虚拟服装试穿演示系统研究 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i l 。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，曲面建模方法不能进行剖面操作。目前，曲面模型的研究【l ，1 d o 】，h i l l 主要分为两个方面：一是曲线曲面的表示、设计、建模显示等；二是与曲面设 计方法相关的算法研究，如求交、等距、过渡、拼接、光顺以及局部操作等。 围绕着曲面的表示方法，许多研究者做了大量的研究。1 9 7 1 年法国r e n a u t 汽车公司的b e zie r 正式发表了一种由控制多边形定义曲线的方法，这种方法 使设计人员只需移动控制顶点就可以方便地修改曲线的形状，而且形状的变化 完全在预料之中，因而得到广泛的应用，最初的的三维人体模型就采用了 b e z i e r 曲面模型，但是b e z i e r 方法不具有局部特性，在设计复杂的人体曲面 的过程中，存在着拼接方面的困难。为解决b e z ie r 方法局部修改的问题，g o r d o n 和r i e s e n f e l d 对b e z i e r 方法进行了改进，用b 样条函数代替b e r n s t e in 基函 数，b 样条方法不但继承了b e z i e r 方法的优点，而且还具有独特的局部特性， 使得设计者能方便地对b 样条曲线曲面进行局部修改。在实际使用b 样条曲线 曲面人体建模时，主要又采用特征化曲面建模和参数化曲面建模两种方法。 特征化曲面建模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，选择具体不同的建模方法。此方法可以不必拘泥于某 一种曲面表达方式，较方便地改进了人体模型建模方法。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进行人体设 计。还有一种在三维人体建模中比较简单常用的方法就是利用三角小面片逼近 曲面来重构人体的曲面。此一方法能有效解决构型复杂、形状和边界不规则的 人体几何造型问题。 本文正是基于h - a n i m 标准采用特征化曲面建模方法，对个性化人体建模 进行了试验。 基于物理的建模技术 1 2 l 传统的人体建模技术经历了从线框建模，曲面建模到实体建模的发展历 程，其对人体的几何信息和拓扑信息的描述己相当完备。但它们所描述的主要 多 陕西科技大学硕士学位论文 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。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却相当乏力。正是针对这一问题，人们尝试将人 体的物理属性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中，形成 了全新的基于物理的建模方法。与传统的建模方法相比，基于物理的建模方法 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，因此，基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果； ( 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 ) 人体的动态运动规律多采用微分方程组的形式表达，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， 与传统的建模方法相比，基于物理的建模方法在计算上要复杂得多。 由于基于物理的建模方法弥补了传统的几何建模方法的不足，自产生以来 便得到了迅速的发展。 混合型建模 混合型建模就是在建模的不同阶段或实体的不同部位有选择地使用以上 的建模方法。使用混合型建模的方法可以发挥上述几种建模方法的长处，而弥 补某单一建模方法的不足，因而构建出更加完美的实体模型。通常先用几何方 法获得大致的轮廓，再用物理约束对局部结构进行细化。 每一种建模方法，都有其自身的优缺点。所以，我们应根据人体模型的具 体应用场合，选择相对简单有效的建模方法来建立人体模型。 1 3 虚拟服装发展史 就虚拟服装的发展过程而言，2 0 世纪8 0 年代的工作集中予虚拟服装的二 维展示 1 3 l ，即先用照相机拍摄穿着服装的模特，再放到网上供客户选择，还可 利用图片处理技术将不同款式的服装组合在一起，包括对图片进行轮廓提取、 剪切等，因而纯粹是二维着装效果。 进入2 0 世纪9 0 年代，许多专家和机构开始研究虚拟服装的三维展示 1 4 1 。 与虚拟服装的二维演示相比，三维演示相对较复杂，其最终所要达到的目标是 服装三维建模，这包括服装的几何建模与物理建模，然后将服装虚拟悬垂到人 体模型上，观察它的动态悬垂效果，并能与顾客进行一定程度的交互。 6 虚拟服装试穿演示系统研究 首先开展虚拟服装二维模拟的是b l a f l e u r 等人】，开始用简单的圆锥曲面 代表一条裙子，并穿着在一个虚拟模特上，以人体周围生成的排斥力场来模拟 碰撞检测。h i n d s 和m c c a r t n e y 【1 6 】的工作是在系统中用三维数字化仪取得人体 模型( 人台) 上的三维空间点，然后用双3 次b 样条曲面拟合得到数字化的人体 模型，服装衣片被设计成围绕人体模型的曲面，然后将之展开到二维，这些服 装衣片是通过几何建模得到的。下续的研究主要集中于三维服装的物理建模， w e i l t , 7 1 首先提出了基于曲面变形的服装物理模型，h a u m a n n 和p a r e n t - s 1 实现了 旗子的飘动和窗帘的摆动，k u n i i 和g o d o t a t l 9 1 使用几何与物理的混合模型实现 了对服装皱褶的模拟，a o n o t z o 使用一种弹性模型的方法模拟手帕上皱褶的动态 形成，t e r z o p o u l o s 等人【2 l l 建立了一种通用的弹性模型并将它应用到服装的悬垂 模拟，他使用r a l e i g h 的放荡函数以精确模拟服装的摆动，并实现一种碰撞检 测来模拟非弹性表面的接触。有限元方法也被应用到了服装的物理建模，还有 属于非连续的粒子系统方法 2 2 1 。同时有关的碰撞检测算法1 2 3 也已开发出来，碰 撞检测用于防止服装在悬垂过程中穿透人体模型，许多基于不同服装建模方法 的碰撞算法非常耗时，这严重影响了服装的实时动态悬垂的演示，因而开发出 快捷的碰撞算法也是当前的研究重点。 当前另外一个研究重点是“衣片缝合 系统，即首先通过二维衣片设计系 统得到二维衣片，然后在计算机环境中利用缝合力将二维衣片缝合成服装，并 穿着在虚拟人体上，随后观察它的悬垂效果。这不失为一种可行的方式，因为 在实际的服装工业中，二维衣片设计系统已经是非常成熟的应用软件，而且在 实际服装工业中也是通过设计二维衣片来生产服装的。更进一步的是，已有科 研人员开始研究穿着几层服装的情况下服装的悬垂模拟，这种模拟与单层服装 模拟相比较而言复杂得多，在这种情况下单件服装应被看作一个独立的对象， 而不是依附于人体衣片的组合，新的碰撞检测应包括服装与服装之间、服装与 人体之间的状况，这就对碰撞检测的要求非常高。目前，国内对于虚拟服装的 研究还停留在虚拟服装的二维展示以及三维服装的几何建模阶段，相应的有关 织物悬垂模拟的研究也在逐步展开 2 4 1 。 1 4 虚拟试穿技术现状 当前，许多大学和研究机构在开展与虚拟服装相关的研究工作，下面介绍 一下他们的研究项目。 7 陕西科技大学硕士学位论文 英国伦敦技术学院的虚拟服装项目 该项目d 3 是“c e n t e rf o r3 de l e c t r o n i cc o m m e r c e 项目的一部分，其目标 是建立网上虚拟服装店，通过它顾客可以从网上购买服装，并将服装图片与顾 客的图片结合起来看到服装的穿着效果，同时将服装的尺寸信息传递给生产 商。该项目的短期目标是将服装的图片添加到顾客人体图上，以看到穿着效果； 长期目标是对服装进行物理建模，这样就可以看到服装的模拟的穿着效果，这 一目标分为静态悬垂和动态悬垂两阶段。他们开发的服装模拟系统具有如下特 征： ( 1 ) 基于o p e n g l 图形库，采用有限元的方法建立服装的物理模型； ( 2 ) 加入了顶点碰撞功能，采用了基于事件相应的动态语言( e m l ) ； ( 3 ) 支持动态捕捉功能，输出m p e g 4 文件。 瑞士日内瓦大学的m i r a l a b 实验室 就目前而言，瑞士日内瓦大学的m i r a l a b 实验室【2 5 l 在虚拟服装的研究方 面处于领先地位，其创始人是n a d i at h a l m a n n 。从1 9 8 9 年建立m i r a l a b 实 验室开始，他们己经成功完成了3 2 项研究，并且当前有1 2 项研究项目正在进 行当中，他们的研究范围集中于虚拟人体的模拟和虚拟世界的开发，虚拟服装 的研究仅是他们一方面的工作。m i r a c i o t h t 2 t j 是他们开发的一个系统，用于在 虚拟人体上生成虚拟服装，并使它们动起来，从而观察到虚拟服装的动态悬垂 效果，其生成虚拟服装的思路是先通过二维衣片系统生成服装的二维衣片，然 后将二维衣片放置到虚拟人体周围，随后将它们虚拟缝合成服装，因为他们建 立的虚拟人体是可以运动的，因此可以看到缝合后的虚拟服装的动态悬垂效 果，就像现实生活中服装穿着在运动的人体上一样。e t a i l e r f 2 j 是m i r a l a b 参与的一项研究项目，该项目的目标是将三维人体测量技术、c a d 技术与电 子商务技术集成起来构建一个电子商务平台，用于网上服装的出售，该项目年 限是2 0 0 0 2 到2 0 0 3 2 ，具体来讲： ( 1 ) 构建一套服装分级标准，以解决服装尺寸规格的一致性； ( 2 ) 构建一套服装设计系统，通过它可以以合理的价格生成符合客户体型的 服装( 包括智能衣片改变系统) ； ( 3 ) 构建一个虚拟服装店的平台，通过它顾客可以实时观看到所购买服装的 穿着效果： ( 4 ) 通过研究欧洲人体测量数据库建立参数化人体模型和标准； ( 5 ) 将当前三维人体扫描仪、m t mc a d 、虚拟服装店集成起来，构建一个 大的交互式的平台。 8 虚拟服装试穿演示系统研究 m i r a l a b 实验室主要在其中参与虚拟服装模拟软件和基于网络的虚拟试 衣问的开发研究。 英国n o t t i n g h a mt r e n tu n i v e r s i t y 参与的“v i r t u o s i 一项目 v i r t u o s i 【f 2 sj 2 9 1 ，f ，o 】项目的目标是建立分布式的虚拟现实系统，研究如何将虚 拟现实技术用于多个用户的异地合作，其中一部分工作是由英国n o t t i n g h a m t r e n tu n i v e r s i t y 承担的，目的是给设计者提供一组计算机工具使得设计者能在 虚拟现实环境中生成和展示服装，它包括生成精确的有关节连接的人体和测量 工具、各种织物类型的表达、衣片裁剪工具的模拟以及能在其中演示和讨论服 装的虚拟现实环境的生成，然后将数据直接传给生产商。 法国力克( l e e t r a ) 公司的“e d e s i g n 项目 该项目 3 1 1 1 3 ：】【，l 3 4 1 1 的目标就是使设计者在虚拟环境中设计虚拟服装( 目前主 要是服装原型) 、内衣、手提袋和沙发，应用该软件，用户可利用二维样版， 靠虚拟布料和虚拟三维模特儿，创作三维服装。根据用户所有选定的参数：布 料、颜色和配件创建一个三维模型，用户可将其用于企业对企业企业对消费 者的网站上。 1 5 本课题的研究内容及主要贡献 本文主要从个性化人体建模，虚拟服装制作，集成网上三维试衣系统三个 方面依次展开研究，最终建立了一个较完善的网络虚拟试衣系统。本文研究成 果为解决服装电子商务瓶颈问题提供了一个有效途径，对服装c a d 技术及虚拟 现实其它领域将有重要参考意义。 ( 1 ) 个性化人体建模 个性化人体建模是实现网上虚拟试衣系统的前提和基础，本文对其进行了 深入研究，基于模型重用的思想，提出了一种基于h - a n i m 标准的个性化人体 建模方法。该建模方法简单快速，建立的模型具有个性化特征并可用于未来的 动作驱动，满足网上虚拟试衣系统的需要。 ( 2 ) 虚拟服装建模 对虚拟服装的各种建模方法进行研究比对，最终利用偏离值法生成服装造 型点，并进一步三角化后，加入光照模型和纹理映射得到比较形象，真实感很 强的虚拟服装。 ( 3 ) 网上虚拟试衣系统 在完成了人体建模和服装建模的基础上，整合了j 2 e e 解决方案，初步实 9 陕西科技大学硕士学位论文 现了一个网上虚拟试衣系统。该系统以顾客轮廓特征为输入参数，建立个性化 人体模型，将顾客所选的时装，进行试穿，展示虚拟着装效果。 l o 虚拟服装试穿演示系统研究 2 基于h a n i m 的个性化三维人体建模 在虚拟试穿系统中，人体的身形复杂且相互之间差异较大，能否用一种简 单而有效的方法获得个性化三维人体模型就成了试衣系统的技术关键。目前， 主要有两种途径：( 1 ) 依据人体外形特征，利用通用建模软件m a y a ，3 d m a x 等直 接绘制人体的三维模型( 2 ) 利用三维扫描仪自动获得真实人体表面的几何数 据1 3 5 这两种方法获得的模型美观、精确，但对于前者，其需要专业的三维建 模师难度大；而对于后者，其速度慢，成本高，提取出来的数据量大、散乱、 难以处理，不可能直接用于驱动人体动画。因此，这两种方法都不适合用来建 立大量个性化的三维人体模型。 为了满足对大量个性化三维人体模型的需求，研究人员开始尝试模型重用 的思路，即利用传统方法获得单个或多个三维人体模型，通过对这些模型进行 变形、编辑等操作，获得大量其他体型的人体模型较有代表性的是，s e o 等提 出的利用b 6 z ie r 曲线和b 一样条曲线对人体进行局部编辑的方法【3 6 l 。后来，他 们又提出了一种基于人体测量参数的个性化人体模型生成方法，根据8 个人体 测量参数的输入值，对多个由三维扫描仪得到的人体皮肤表面模型进行插值， 生成个性化的人体皮肤表面模型【，】。他们的方法，能够重用已有的三维人体模 型，通过简单地调整人体测量参数的输入值，即可实时获得相应体型的人体表 面模型，快速、简便，而且生成的人体模型具有个性化、逼真等优点；但是， 他们的方法，通过对表面模型和骨架模型的绑定达到调节骨架模型的目的，只 能应对类似于伸长之类的简单的骨骼变换。而在实际的调解过程中，并不是只 有伸长才会引发骨骼变换。国内的毛天露等提出了一种比较简单的人体模型定 制方法 3 8 1 ，通过所获得的2 1 个人体测量学参数，对相应部位的人体表面模型 和骨架模型，分别迸行x 轴，y 轴，z 轴的缩放，能够快速的生成细致、丰富、 广泛的人体模型。但是，在出现局部变形情况时采用插值算法处理，比较粗糙。 三维人体模型的数据量很大，如果数据毫无规律，插值方法很难应用，如果数 据规律分布，则插值的处理效果没有b 6 zie r 曲线的效果好。 沿用前人的模型重用思想，本文提出了适用于试衣系统的人体模型个性化 调节方法，通过对1 5 个人体测量学参数进行交互式修改，生成个性化的人体 模型。与前人的路线不同，本文采用了先调节表面模型，然后计算节点偏移量， 再调节骨架模型的路线。这样，在只需要调节局部特征的时候，就不用对整体 陕西科技大学硕士学位论文 骨架进行重新计算，增强了个性化调节的灵活性，节省了运算时间。在表面模 型编辑过程中获得新的骨架模型，时刻保持骨架和表面模型之间的匹配关系， 使得生成的新人体模型可以直接在虚拟环境中驱动起来。另外，本文对个性化 调节中可能存在的局部异常变形情况，提出种比例差异边界查找法和改良的 中值滤波法来加以解决，该方法具有计算快速、简单等优点。实验证明，应用 该算法能达到较好滤波效果。 2 1h a n i m 人体建模标准 目前有许多三维虚拟人建模标准。如v r m i 2 0 中的h a n i t a 标准，c v h b 标准【拍i ，m p f g 4 中也有一些相关规定。本文基于以下两个方面的原因选择 h a n i t a 标准。 ( 1 ) h a n i m 标准【o 啸4 订了在v r m l 9 7 x 3 d 中使用人性化的方法，定义了 非常拟人化的人体节点模型，包括了大部分的人体关键关节，并且这个标准允 许使用创作工具人性化地建立从一个矢量到另一个矢量的动画。其非常符合虚 拟试衣的要求。 ( 2 ) h a n i m 标准具有较好的通用性，扩充性。由于其是v r m l 及其后续 x 3 d 虚拟现实标准的一个子集；且很方便与外部的w e b 层接口，有利于虚拟 试衣应用系统开发。 h a n i t a ( 人体动画标准) 是v r m l x 3 d 虚拟现实建模语言的一个子集， 其语法结构完全遵守v r m l x 3 d 标准。它给网络三维图形环境及多媒体环境 下人体特征及人的行为表现提供一个系统描述方案。 h a n i t a 标准通过j o i n t 节点将整个实体组织成一个分层的结构。实体由 一定数量的段( s e g m e n t s ) 构成的，比如前臂、手或脚，这些段是由关节( j o i n t s ) 连