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硕士论文数字人台与服装仿真的技术研究 摘要 随着计算机虚拟现实技术的迅猛发展，计算机辅助设计广泛应用于商业、工业、医 疗等各个领域，为产品开发提供了直观、有效地帮助。由于服装穿在人体上是立体的， 而随着计算机软硬件技术的不断进步，必将促使服装c a d 及其相关技术从以二维技术 为核心的服装c a d 系统向着立体化、智能化、网络化、集成化德三维服装c a d 技术方 向发展，这正是最近几年来国内外研究者普遍关注、研究的一项重要课题。 服装c a d 技术，即计算机辅助服装设计技术，融合了设计师的思想、技术经验， 通过计算机强大的计算功能，使服装设计更加科学化、高效化，为服装设计师提供了一 种现代化的工具，是未来服装设计的重要手段。而三维人台与服装仿真则是服装c a d 技术的重要组成部分，是目前服装c a d 领域的发展方向。 本文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 根据人机工程学原理和服装测量规则确立人台模型测量基准线、基准点和常用的 特征尺寸，并结合三维人体建模理论，利用n u r b s 曲面建模技术来绘制三维参数化可 控人台。该人台模型通过简单的图形交互界面输入身高、胸围、臀围等特征尺寸，然后 自动显示修改后的人台模型，并可以通过旋转不同角度来观察不同侧面的效果，通过不 断调整特征尺寸，得到满意的模型效果，为下一步的研究奠定了基础和创造了良好的条 件。 ( 2 ) 本文针对布料建模的效率问题，比较了几种建模方法的优缺点，在分析真实布料 结构和物理机械特性的基础上，采用质点一弹簧模型，将结构弹簧、剪切弹簧、弯曲弹 簧分别与布料的拉压、剪切和弯曲性能对应起来，并对不同的弹簧赋予不同的弹簧强度。 根据牛顿力学理论，对质点的受力情况进行了详尽的分析，并统一建立动力学方程，利 用数值积分方法来求解动力学方程，并对几种常用数值积分方法的求解效率和步长选取 进行分析、比较，实现了布料的三维仿真，有效提高了模拟的真实感效果。 ( 3 ) 在碰撞处理方面，对现有的碰撞检测与响应的各种方法进行了分析和研究，在布 料仿真中针对刚性的碰撞对象，采用了只对位置进行调整的快速的碰撞响应方法，并进 行了初步实现。 关键词：数字人台，n u r b s 曲面，布料仿真，碰撞检测，质点一弹簧模型 硕士论文数字人台与服装仿真的技术研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , c o m p u t e r - a i d e dd e s i g ni s w i d e l yu s e di nc o m m e r c i a l ，i n d u s t r i a l ，m e d i c a la n d o t h e rf i e l d s ，t op r o v i d eap e r c e p t u a la n d e f f e c t i v eh e l pf o rt h ep r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t a n dw i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to f t e c h n o l o g yi nt h ec o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ec l o t h i n gc a ds y s t e ma n dr e l a t e d t e c h n o l o g yi sb o u n dt op r o m o t e f r o mt h et w o d i m e n s i o n a lt e c h n o l o g ya tt h ec o r et o w a r dt h e d i r e c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l ，i n t e l l i g e n t ，n e t w o r k b a s e d ，a n di n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t ，w h i c h i saw i d e s p r e a da c a d e m i cc o n c e ma n dr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r sf o rt h es c h o l a r sh o m ea n d a b r o a d c l o t h i n gc a dt e c h n o l o g y , t h a ti s ，t h ec o m p u t e r - a i d e df a s h i o nd e s i g nt e c h n o l o g y , c o n v e r g e dt h ei d e a sa n d t e c h n i c a le x p e r i e n c eo fd e s i g n e r s ，b yu t i l i z i n gt h es t r o n gc a p a b i l i t yo f t h ec o m p m e rc a l c u l a t i o n , m a k e st h ef a s h i o nd e s i g nm o r es c i e n t i f i ca n de f f i c i e n t ，o f f e r st h e d e s i g n e r am o d e mt o o l s ，i sa ni m p o r t a n tt o o lf o rt h ed e s i g ni nt h ef u t u r e t h e 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 la n df a s h i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h ec l o t h i n gc a d ，i st h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l d t h i ss t u d yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： ( 1 ) t oe s t a b l i s hm o d e lm e a s u r e m e n tb a s e l i n e ，b a s e - p o i n ta n dc o m m o n l yu s e df e a t u r e s i z ei na c c o r d a n c ew i t l lt h ep r i n c i p l eo fe r g o n o m i c sr u l e sa n dc l o t h i n gm e a s u r e m e n t s ，a n db y u t i l i z i n gt h et 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 lt h e o r y , a n dt h eu s eo fn u r b s s u r f a c e m o d e l i n gt e c h n o l o g yt op o r t r a yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e dc o n t r o l l a b l eh u m a nb o d y m o d e l t h et a b l em o d e lo ft h ep e r s o n ，t h r o u g has i m p l eg r a p h i c a li n t e r f a c e ，a f t e ri n p u t t i n g s u c hf e a t u r es i z e sa sh e i g h t , c h e s t ，h i p ，w i l la u t o m a t i c a l l yd i s p l a yt h er e v i s e dm o d e l ，a n dt h e e f f e c to fd i f f e r e n ta s p e c t sc a nb eo b s e r v e dt h r o u g hd i f f e r e n ta n g l e sb yr o t a t i n g ，a n db y c o n s t a n ta d j u s t m e n tw ec a ng e tt h es a t i s f y i n gr e s u l t so ft h em o d e l ，w h i c hw i l ll a yag o o d f o u n d a t i o na n dc r e a t ef a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rt h en e x tp h a s eo fr e s e a r c h ( 2 ) i nt h i sp a p e r , f o rt h ee f f i c i e n c y o fc l o t hm o d e l i n g ，t h ea u t h o rc o m p a r e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm o d e l i n gm e t h o d s w 1 t ht h ea n a l y s i so ft h e r e a l s t r u c t u r ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ff a b r i c s ，a n dt h eu s eo fm a s sp o i n t - s p r i n gm o d e l ，t h e a u t h o rm a t c h e st h ep r o p e r t i e so ft h es t r u c t u r e s h e a f i n ga n db e n d i n gs p r i n gw i mt h a to ft h e f a b r i c ，e n d o w st h es p r i n g s 谢t hc o r r e s p o n d i n gs t r e n g t h w i t l lt h eg u i d a n c eo ft h en e w t o n s m e c h a n i c st h e o r y , t h ea u t h o rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef o r c ei ne v e r ym a s sp o i n ta n d e s t a b l i s h e sau n i f i e dd y n a m i ce q u a t i o n b yt h eu s eo fn u m e r i c a li n t e g r a t i o nm e t h o d si n i i i a b s t r a c t 硕士论文 s o l v i n gt h ek i n e t i ce q u a t i o n ，t h ea u t h o ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ee f f i c i e n c ya n ds t e pi n d e x o p t i o n o fs e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e t h o d so fn u m e r i c a li n t e g r a t i o nt oa c h i e v et h e t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h ef a b r i c ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e st h er e a l i s mo ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ( 3 ) i nt h et r e a t m e n to fc o l l i s i o n s ，t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ha n ds u m m a r i z a t i o no nt h e v a r i o u se x i s t i n gm e t h o d so fc o l l i s i o nd e t e c t i o na n di t sr e s p o n s e a sf o rt h er i g i dc o l l i d i n g o b j e c t s ，t h ep a p e r , b yu s i n gt h em e t h o do fq u i c kc o l l i s i o nr e s p o n d 嘶t ho n l yt h ea d j u s t m e n to f l o c a t i o n ，g i v e saw o r k i n gh y p o t h e s i sa n das p e c i f i cp l a nt oa c h i e v er e s u l t s k e yw o r d s ：d i g i t a lh u m a n ，n u r b ss u r f a c e s ，c l o t hs i m u l a t i o n ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n ， m a s s s p r i n gm o d e l i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他入已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕上论文 数字人台与服装仿真的技术研究 1 绪论 我国的纺织服装历史悠久，早在周朝就有“天子共耕，皇后亲蚕，随后又经历隋 唐时期“丝绸之路”的发展，到如今的纺织服装出口大国，提倡农耕与纺织一直是我国 的优良传统。2 1 世纪以来，世界服装行业竞争越来越激烈，中国作为服装产量第一的大 国，要想提高产品竞争力，首先要在经营管理、工艺技术、产品设计方面不断提高，其 次要因时制宜，考察国内外市场和顾客的需求，设计符合现代人们要求的服装设计系统， 满足人们的量身定做以及虚拟试衣等方面的要求。 服装c a d 【l 儿2 j 1 3 1 ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术，即计算机辅助服装设计技术，是利用 计算机及其图形设备帮助设计人员对服装新产品、服装工艺过程，按照服装设计的基本 要求，进行输入、设计及输出等的一项专门技术，是一项综合性的，集计算机图形学、 数据库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体的高新技术，用以实现产品技术开发 和工程设计。它被人们称为艺术和计算机科学交叉的边缘学科，是以尖端科学为基础的 不同于以往任何一门艺术的全新的艺术流派。 1 1 研究背景 从人类文明历程的发展来看，服装的需求从开始的单纯取暖、身体保护转变为如今 的体现社会时尚、张扬个性。伴随着计算机网络与信息技术的迅速发展，传统服装产业 也迈进了计算机信息化、数字化的历程。消费者购买、选择服装的从以前的区域性转变 为现在的全球性，服装需求从过去满足基本生活、物美价廉转变为个性化、多样化；其 次消费者购买服装时不仅仅希望能看到穿在模特上的样子，更希望能看到自己穿在身上 的立体效果，从而直接在计算机上观察所选服装的是否合身、色彩搭配是否和谐等。三 维服装c a d 技术的发展，使其成为可能。 当前的制造业技术正在从传统的制造方法向先进的制造技术方向发展，制造业信 息化是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，可以改善制 造企业的经营、管理、产品开发和生产等各个环节，提高生产效率、产品质量和 企业的创新能力，己成为制造业发展的一个重要趋势。c a d 作为信息技术的一个重要 组成部分，在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和 制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比 较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存 放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计， 将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结 果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用 1 1 绪论硕士论文 计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工 工作。c a d 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。 随着三维数字化设计技术的研究开发和广泛应用，一方面促进我国软件产业的发 展，特别是应用软件产业的发展；另一方面还可加速传统产业和产品的技术改造，促进 传统学科的飞速发展。由此产生的直接和间接经济效益是巨大的，其社会效益也是不可 估量的。 1 2 三维服装c a d 系统的研究现状 c a d 技术【1 1 | 2 1 1 3 1 于2 0 世纪6 0 年代初在美国发展起来，历经二维绘图、线框建模、 曲面建模、实体建模、特征建模等重要发展阶段，其间还伴随着参数化、变量化、尺寸 驱动等技术的融入，经过四十多年的发展，c a d 技术有了长足的进步。 随着计算机信息技术和社会经济的发展，人们对服装的款式、质量和服装是否合体、 是否体现个性的要求越来越高，现有的二维服装c a d 技术已经越来越不能满足纺织服 装业的c a d 应用要求，三维服装c a d 技术的要求应运而生，所以最近几年来国内外研 究者都在虚拟现实服装设计等方面开展理论研究和实践应用。 三维服装c a d 技术与二维服装c a d 技术的区别在于t 人体模型数据是建立在三维 人体测量的基础上，而后通过测量的数据建立三维人体模型，在交互式设计界面上对模 型进行局部修改，然后生成二维服装衣片，将二维服装衣片映射到三维人体模型上。它 主要解决三维人体建模以及人台可控性，三维服装的二维衣片设计，二维三维的可逆转 换，三维服装的显示效果等。 现在国外市场上的三维服装c a d 主要有两种运用： 一是用于量身定做。针对特定客户的身体参数及其对服装款式的要求进行服装设 计，再生成相应的平面服装衣片。此产品可利用在互联网上进行远程控制操作，其中美 国、日本、瑞士等国家研究开发的三维服装c a d 软件比较先进。 二是模拟试衣系统。通过对顾客的三维人体测量，进行交互式服装设计，再生成相 应的平面服装衣片。这类应用在互联网上建立顾客的虚拟三维人体模型，顾客通过简单 的交互操作，可以试穿该公司所推出的服装，还可进行交互立体设计，直到满意为止。 现在国外的一些公司的c a d 产品已基本能够实现三维人体服装的试穿、颜色搭配 与服装设计，可以虚拟显示服装穿在人体上的真实效果，模拟不同布料的三维悬垂效果。 实现多角度旋转等功能。其中如美国的格伯( g g t ) 公司、法国的力克( l e c t r a ) 公司、美国 的匹吉姆( p g m ) 公司、日本的t o r a y 、j u k i 、n i s s y o ，瑞士的a l e x i s 等等国家研究开发的 三维服装c a d 软件比较先进。 对于全球使用三维c a d 的用户整体情况的统计，目前全已经有大约3 0 ，剩下的 7 0 用户依然使用二维c a d 设计。事实上，三维c a d 已经在世界范围内广泛应用，由 2 硕士论文数字人台与服装仿真的技术研究 于服装质地柔软，随着外界条件的变化而变化，模拟难度较大，尤其是服装c a d 二维 到三维之间的相互转化等问题。这些问题导致了三维服装c a d 的开发技术难度大，周 期长，也使三维c a d 在服装领域的开发应用比较滞后。 我国是纺织服装出口大国，由于在服装c a d 技术方面起步较晚，与国外的技术水 平还有较大差距。但国内在这一领域的研究已经取得了初步进展，目前有北京服装学院、 中山大学、杭州爱科公司、深圳盈宁公司等在服装三维款式试衣系统的开发，且有一部 分软件进入了商品化。 可以看到，直观性、合体性、真实性是三维服装c a d 发展的主要要求和趋势。引 入人工智能是三维服装c a d 的又一发展趋势。随着新一代计算机和人工智能技术的迅 速发展，专家系统、知识工程也将逐渐渗透到服装c a d 系统之中。 1 3 相关工作与研究内容 为了实现数字化服装设计，需要进行许多关键技术的研究，本文的重点就是对三维 人台建模、布料仿真技术进行研究和探讨，并对系统的体系结构和具体实现以及各个功 能模块做了详细介绍，最后结合未来的技术发展，对系统提出了一些改进和未来工作地 展望。 论文分为五章，其中，第一章绪论部分介绍了三维服装c a d 技术的概括，包括其 主要应用、功能、发展历程和相关研究现状，对课题的做了详细分析。 第二章为三维人台建模的技术，介绍了目前常见的几种建模方法，提出本文采用的 n u r b s 曲面建模方法。选取前人测量的人台型值点数据，对数据进行分层细化处理， 采用三次样条插值方法来增加人台型值点数据，进行控制点的反算，而后根据服装c a d 对人台模型的要求，将非均匀b 样条( n u r b s ) 技术应用在人体曲面建模上，利用v c + + 和o p e n g l 实现来实现数字化三维人台模型的开发。参数化的设计思想构造不同特征的 人台模型，即针对于具有不同体态特征的个体建模时，通过系统设计的人体特征参数对 话框输入其自身的特征参数，生成相应的数字化三维人台模型，从而观察模型的展示效 果。 第三章研究布料仿真技术，比较分析了布料建模的方法优缺点，引入质点一弹簧模 型，对质点所受内力和外力的情况进行了详尽的分析，根据牛顿力学理论统一建立了布 料仿真的动力学方程，并给出了基于欧拉方法、中点法、四阶龙格一库塔法的变形模型 的求解，在此基础上实现了布料仿真。 第四章碰撞检测是整个模拟过程的关键。分析了当前碰撞检测与响应的一般算法框 架和经典方法，针对刚性的碰撞对象，采用了只对位置进行调整的快速的碰撞响应方法， 并进行了初步实现，给出其具体实现效果图。 第五章则为总结与进一步展望。 3 2 数字人台建模 硕士论文 2 数字人台建模 本课题主要是对三维数字人台建模技术进行探讨、实现，介绍了一种基于三维数字 人台的参数化建模方法。该方法与传统的人台建模方法不同，采用基于人台特征的参数 化设计思想，运用n u r b s 曲面建模技术 4 1 ，在v c 环境下结合o p e n g l 技术来实现三 维人台模型。而人台建模是三维服装c a d 中的一个重要的组成部分，将影响到后续工 作中服装建模的简易程度、建模质量以及二维与三维c a d 之间的交互设计的难易程度。 实现参数化的人台模型，能够根据特征参数化来实现三维人台的可控，在计算机上进行 人机交互式设计，对三维人台进行局部修改，为进一步研究开发奠定良好的基础。 2 1o p e n g l 技术 o p e n g l 5 】是最早形成的3 d a p i 标准，是用于开发简捷的交互式2 d 和3 d 图形应 用程序的最佳环境，现已成为图形标准，又是新一代的三维图形工业标准。o p e n g l 通 过集成大量的渲染、纹理映射、特殊效果和其他强大的可视化函数，使得其应用程序更 加新颖，并大幅度加速了图形应用程序的开发。 l 、使用o p e n g l 实现人体的理由： ( 1 ) 高质量、高性能的可视化：任何要求高性能图形的应用程序，从3 d 动画、c a d 到可视化仿真，都可以利用o p e n g l 高质量、高性能的特点。具有七大功能：建模、变 换、颜色模式设置、纹理映射、位图显示和图像增强、双缓存动画，使得由它绘制的三 维物体真实感强。 ( 2 ) 方便开发者：o p e n g l 不仅仅是一个三维图形软件包，它还是一个应用程序接口 a p i ，它最大的特点是与硬件无关，可以在不同的硬件平台上使用。具有稳定性、可靠 性和可移植性、可扩展性、适应和可伸缩性极易用性。 ( 3 ) 简化软件开发：不同平台的o p e n g l 实现程序包括了o p e n g l 函数的完全实现。 o p e n g l 标准已经与c ，c + + ，f o r t r a n ，a d a 和j a v a 语言捆绑。利用o p e n g l 函数编写 的程序很容易移植到其他的平台，使编程效率大大提高。 ( 4 ) 随处可得：o p e n g l 是使用硬件平台和软件环境最广泛的图形编程a p i ，可以在 a d a ，c ，c + + ，f o r t r a n 和j a v a 语言中调用，并与网络协议和布局完全无关。 o p e n g l 的体系结构如图2 1 所示： 4 硕士论文数字人台与服装仿真的技术研究 图2 1o p e n g l 体系结构 2 、v c + + 环境下使用o p e n g l 6 】【7 】 本文通过在v c 环境下调用o p e n g l 技术，生成所需三维人台曲面。在v c + + 中用 m f c 对o p e n g l 进行编程，必须进行o p e n g l 工作环境的设置，这些工作主要在v i e w 类中进行。 ( 1 ) 初始化工作：p r e c r e a t e w i n d o w 函数修改窗口的风格，o n c r e a t e 函数对窗口进 行初始化设置，包括定义像素结构，定义r g b 调色板，创建r c ( 绘制描述表) 等一系列 工作；同时定义o n s i z e 函数，以确定窗口中视口的大小。 ( 2 ) 绘图工作：在o n d r a w 函数中完成，由自定义m y i n i t 函数完成，用以存放所有 初始化设置( 如光照、颜色、屏幕背景色等) ；自定义d i s p l a y 函数，用以存放具体绘图程 序。这样，只要在o n d r a w 函数中将r c 设置为当前线程的r c ，再依次调用上述两个 函数就完成了绘图任务。每次绘图完毕，必须释放r c 。 ( 3 ) 结束工作：当整个程序结束时，要释放环境变量，即在o n d e s t r o y 函数中，释放 当前r c 。 3 、o p e n g l 库函数 o p e n g l 主要有以下三个库组成： g l 库：包含o p e n g l 最基本的命令函数，可以执行坐标变换、状态查询、简单物 体绘制等任务。 g l u ( o p e n g lu t i l i t yl i b r a r y ) 库：是o p e n g l 的使用库，它是对o p e n g l 核心函数的 补充，利用g l u 库中的函数可以执行如管理纹理中使用的图像、转换坐标、绘制二维 几何物体，以及绘制n u r b s 曲线和曲面等任务。 g l u t ( o p e n g lu t i l i t yl i b r a r yt o o l s b o x ) 库：是o p e n g l 的实用工具箱，负责各种窗 s 2 数字人台建模硕士论文 口管理任务。 4 、函数说明 ( 1 ) n u e d 3 s 曲线【4 】 g l u n u r b s c u r v e ：定义n u r b s 曲线的形状。 c 语言描述： v o i dg l u n u r b s c u r v e ( g l u n u r b s o b j 幸n o b j ，g l i n tn k n o t s ，g l f l o a t 宰k n o t ， o h m s t r i d e ，o l f l o m 木c t l a r r a y ，g l i n to r d e r ，g l e n u mt y p e ) 参数： n o b j由g l u n e w n u r b s r e n d e r 创建的n u r b s 对象。 n k n o t s k n o t 中的节点数目。n k n o t s 参数等于控制点的数目加上阶数。 k n o t n k n o t s 数组。 s 仃i d e 相邻两个曲线控制点之间的偏移量( 为单精度浮点值) 。 c t l a r r a y指向控制点数组的指针，坐标必须与t y p e 相一致。 o r d e rn u r b s 曲线的阶数。o r d e r 参数等于维数+ 1 ，因此三次曲线为4 阶。 t y p e曲线的类型。如果曲线定义在g t u b e g i n c t t r v e g f u e n d c u r 之间，那么类型 可以是任何一维求值器类型。 说明： 当在g l u b e g i n c u r v e g l u e n d c u r v e 之间调用g l u n u r b s c u r v e 时，该函数绘制一条曲 线。在g l u b e g i n c u r v e g l u e n d c u r v e 之间可以为g l u n u r b s c u r v e 分别指定方向、纹理和 颜色坐标。在指定位置、颜色和纹理数据时，要不止一次的调用g l u n u r b s c u r v e 。明 确指定曲线时( t y p e 为g l m a p i v e r t e x 一3 或g l m a p i v e r t e x - _ 4 ) ，只调用 g l u n u r b s c u r v e 。 o ) n u m 3 s 曲面4 】 g l u n u r b s s u r f a c e ：定义n u r b s 曲面的形状。 c 语言描述：v o i dg l l l m 瓜b s s u m e e ( g l l n w r b s o b j * n o b j ， g l i ms k n o t c o u n t ，g l f l o a t 木s k n o t ， g l i n t t k n o t c o u n t ，g l f l o a t 事t k n o t ， g l i ms _ s t r i d e ，g l i n tt s t r i d e ， g l f l o a t 宰e t l a r r a y ， g l i n ts o r d e r ，g l i n tt o r d e r ，g l e n u mt y p e ) 参数： n o b j由g l u n e w n u r b s r e n d e r 创建的n u r b s 对象。 s k n o t c o u n t参数化u 方向上的的节点数目。 s k n o t 参数化u 方向上的s k n o tc o u n t 数组( 节点值沿u 方向递增) 。 6 硕士论文 数字人台与服装仿真的技术研究 t k n o tc o u n t t k n o t ss t r i d e ts t r i d e c t l a r r a y s o r d e f t o r d e r t y p e 参数化v 方向上的的节点数目。 参数化v 方向上的s k n o t c o u n t 数组( 节点值沿；方向递增) 。 在c t l a r r a y 中，参数化u 方向上相邻控制点之间的偏移量( 单精度浮 点值) 。 在c t l a r r a y 中，参数化、方向上相邻控制点之间的偏移量( 单精度浮 点值) 。 包含n u r b s 曲面控制点的数组。 n u r b s 曲面在参数化u 方向上的阶数。 n u r b s 曲面在参数化v 方向上的阶数。 面的类型。t y p e 参数可以是二维求值器类型中的任何一个，如 g l m a p 2 _ 、，e r t e x 一3 或g lm a p 2c o l o r 4 。 说明： 在n u r b s 曲面定义中可以使用g l u n u r b s s u r f a c e 描绘n u r b s 曲面的形状。为了 标示n u r b s 曲面定义的开始，使用g l u b e g i n s u r f a c e 函数，g l u e n d s u r f a c e 函数标示 n u r b s 曲面定义的结束。在n u r b s 曲面的定义中只可以调用g l u n u r b s s u r f a c e 。 在g l u b e g i n s u r f a e e g l u e n d s u r f a e e 之间可分别调用g l u n u r b s s u r f a e e 为每个曲面指 定方向、纹理和颜色坐标。明确指定曲面位置时( t y p e 为g lm a p 2v e r t e x3 或 g lm a p 2c o l o r4 ) 只调用一次g l u n u r b s s u r f a c e 。 需要注意的，由g l u n u r b s s u r f a c e 描绘的在u 方向上有s k n o tc o u n t 个节点，在v 方向上有t k n o tc o u n t 个节点，而阶数为s o r d e r 和t o r d e r 的曲面一定有( s k n o tc o u m 一 宰 t 个控制点。sorder)(tkno c o u n t - - t o r d e r ) 2 2 人台原始数据预处理 构造三维参数化数字人台的先决条件是得到符合人体形态并且按一定逻辑顺序排 列的原始型值点。三维人台建模8 1 1 0 】【l l j 【1 2 1 的第一步是测量三维人台数据，得到三维人台 表面的型值点，作为三维人台模型的原始数据。本文直接使用的是与中国人体体型相似 的日本9 y r 标准人台，该人台体型与我们平常使用的二维人台相接近，作为三维人台 模型的原型有利于二维、三维之间的关系对应。 日本9 y r 标准人台j 主要尺寸见表2 1 。 表2 19 y r 标准人台主要尺寸( 单位：厘米) 部位 颈围肩宽胸围腰围臀围 尺寸3 53 8 58 6 6 3 8 8 本文结合服装人台模型的特征，将人台按经纬线划分构成网格，网格的结点即为测 量点。在将人台按经纬线划分时，首先其表面的基准点和基准线要按照人体的结构特征 7 2 数， 青硅模 日! t 论女 确定，再根据需要确定其它纬线标识线。可以将人体每一层次的测量点数设为相同的 如果某一层次数据点不同，则采取重叠点的方法f 即将非曲面上的点采用靠近曲面上最 近点的数据) 。当然，我们可以根据需要将人台划分不同的层次，划分的层次越细，测 量得到的数据也就越多，但同时也给测量过程带柬了更大的困难。根据需要，在人台一l 取1 8 条纬线、1 2 条经线构成特定的网格。网格可由1 8 层1 3 列数据构成，其中0 和1 2 点重合。数据结构按如下形式表示： 第一层第一个点的x ，r ，z 坐标 第二个点的x ，y ，z 坐标 第n 个点的x ，r ，z 坐标 第m 层第一个点的，y ，z 坐标 第二个点的工，y ，z 坐标 第h 个点的j ，y ，z 坐标 其中，为人体的纬向层数， 为每一纬向的经向点数。可以用相邻的四个角点 ( f ，j ) 、( 1 ，+ 1 ) 、( f + l ，) 、c ? + 1 ，+ 1 ) ( 其中，0 l m1 ，0 j n i ) 来构成平面刚格。 如图22 所示。 0 蚓2 2 基本人台模1 4 分层标识幽 对于测量所得的三维人台数据，要将这些数据通过计算机编程以三维图形的模式加 以表现，实现三维数字人台模型。根据三维服装人台模型特征的需要，特别是为适应人 8 蝥霸 硕七论文数字人台与服装仿真的技术研究 台模型横截面断层形状显示及有关关键围度尺寸( 如胸围、腰围、臀围) 计算的需要，还 应对测量数据进行插值处理。 由于测量所得出的数据量不足，使用o p e n g l 构造三维数字人台时，人台模型比较 粗糙，达不到预期要求，因此需要对数据进行插值细分。由图2 2 的分层思想，在人台 数据的行和列之间分别插值，可以得到比较整齐的数据，便于计算人台关键曲线的尺寸， 实现人台的可控1 2 】【1 3 】。从人台数据可以看到，各个型值点之间变化比较均匀，因此插值 算法采用均匀三次b 样条插值。 2 3n u r b s 曲面建模方法 人体表面是一个复杂的、不规则饿曲面，不能够用简单的数学关系表达式来表达， 而三维数字人台的建模是一个复杂形体的曲面建模、特征参数化设计以及动画仿真的综 合问题，是三维服装c a d 技术中的一个难点与重点。 被国际标准作为定义产品形状的非均匀有理b 样条( n u r b s ) 是曲面建模【6 j 【8 】中的一 种好方法，己被c a d c a m 和图形界广泛研究并成功地应用于一些产品外型的几何插值 和设计。n u r b s 曲面不仅可以表示标准解析曲面，还可以表示复杂的自由曲面。它优 于其他建模曲面的良好的逼近性很适合于人体和服装这种及其复杂和不规则的曲面建 模。另外n u r b s 曲面通过修改控制点来实现局部曲面修改，且不会影响全局的特性， 比其它数学模型更胜于服装款式和人台的建模。 2 3 1n u r b s 曲面 随着三维人体建模技术的不断成熟，迫切需要寻找将曲面实体融为一体的表示方 法，随之n u r b s 曲面建模技术【6 】【8 】【1 0 1 应运而生，并获得了较快的发展和广泛应用。它 通过调整控制点和权因子改变曲面形状，并可以方便的转换成对应的贝塞尔曲面。因此， n u r b s 方法已成为曲面建模中甚为流行的技术。 n u r b s 曲面的定义如式( 2 1 ) t 8 】【1 2 1 。 刀加 b i ，( 甜) 磅，( v ，毋， w ( u ，v ) = 竺# j 一 ( 2 1 ) b “( 甜) 历，和“ 面面 式中只，为控制顶点，u 为权因子，晟，t ( “) 和马，( 叻分别为沿u 向的k 次和沿v 向的z 次b 样条基函数1 9 。基函数仍由递推公式定义如式( 2 2 ) 所示【9 】。 9 2 数字人台建模 硕十论文 i l ，u i “胁+ 1 晟。( “) 。锰其他 b i , k ( “) = 兰兰b ，七一l ( “) + 竺尘兰二兰b ，+ l 。七一l ( 甜) ，k l( 2 2 ) 0 0 = 0 式中k 为幂次，f 为节点，撕( z = 0 ，l ，m ) 为节点，由其形成节点变量u ： u = 陋o ，甜l ，一，】，而在曲面中u 向和1 ，向的节点矢量分别如式( 2 3 ) ，式( 2 4 ) 所示。 u 向和y 向的节点矢量分别为 u = 0 ，0 ，u k + l ，l g r k l ，1 ，1 ) ( 2 3 ) v = 0 ，0 ，跚+ l 一，u r 一，一l ，1 ，1 )( 2 4 ) 式中沿u 向和v 向节点矢量的节点数分别为( ，+ 1 ) 和( s + 1 ) ，其中r = n + k + 1 ， s = m + ，+ 1 。 在应用中，n u r b s 曲面的权因子、基函数和节点矢量最为重要。人台模型有两个 特点：一是建模点多；二是曲面的光滑程度比较高。因此，从计算量和显示效果两方面 考虑，用n u r b s 曲面来构造比较复杂的人台模型曲面明显优于其他建模曲面。 由于在测量的现有型值点上得到的人台曲面比较粗糙、曲面真实感和光滑性得不到 保证，因此需要在原有型值点的基础上，采取横向插值和纵向插值的方法，再通过反求 每层曲线的控制点，得到一个控制点网格，然后调用o p e n g l 技术生成三维人台曲面。 人台局部变形时，原型值点经过数据变换后，重复上述过程即可生成基于用户给定参数 的人台。 2 3 2n u r b s 曲面插值 曲面插值算法【1 0 】的主要思想如下：首先沿u 向对每层上的数据( 换算成带权的型值点) 按照b 样条曲线的边界条件及反算公式，求出控制点；而后将这些控制点看作v 向的型 值点，再沿v 向按照b 样条曲线的边界条件及反算公式进行反算，求p j ，- 构成控制网格。 在反算过程中，应用重节点端点条件，使控制点的首、末顶点满足型值点首、末端点的 插值条