（机械设计及理论专业论文）基于人台特征的服装变形与碰撞检测技术研究.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，在整个服装c a d 系统中，通过人台生成初始服装后的 服装变形与碰撞检测技术，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，对这两种技术进行 研究。 服装与体型有着唇齿相依的关系，作为配套的人台就成为服装设计、生产过程中 检验与评价服装的工具。论文第二章在人台模型前处理的基础上，对人台模型特征点 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。 最后根据特征点的位置获得扫描人台的特征尺寸，从而成为服装制作的可靠依据，为 合体、舒适、美观而个性化的服装设计提供准确的客观标准。 初始服装的生成与变形技术是服装c a d 系统的一个重要组成部分。论文第三章 从人台及服装的特点出发，在生成三维初始服装的基础上，构建正视图、侧视图、截 面图三个视图组成的服装修改平台，并归纳出三种不同的服装变形技术。轮廓线变形 技术和横截面变形技术都是以编辑样条曲线为基础，采用不同的算法从而达到改变衣 服形状的目的；而特征尺寸驱动技术则是通过修改服装三围及服装下摆周长这四个尺 寸来达到驱动服装变形的目的，从而完成对服装的交互参数化修改。 在服装的变形过程中，加入有效的碰撞检测技术是对服装变形技术的有力支持。 论文第四章简要介绍碰撞检测的定义、影响碰撞检测的要素以及常用的碰撞检测方 法，并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。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，并已被成功地应用于当前系统中。 基于上述研究工作，论文第五章介绍l o o k s c 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：人台模型、特征提取、服装c a d 、服装生成，变形技术，碰撞检测 浙江大学硕士掌位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sa ni 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 fc u s t o m i z e dg a r m e n t m e a n t i m e ，t o a c h i e v em o r ea u t o m a t i ca n dc o m p e t i t i v eg c a ds y s t e m ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o c o n d u c tr e s e a r c ho i lt h et e c h n o l o g i e so fg a r m e n td 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 nb a s e d o nt h eo r i g i n a lg a r m e n tm o d e lg e n e r a t e df r o mt o r s om o d e l t h i st h e s i sd i s p l a y st h e o u t c o m e so ft h ea u t h o r sr e s e a r c ho nt h e s et w ot e c h n o l o g i e sa f t e rh i sa n a l y s i so nt h e c 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 dp r o b l e m so fe x i s t e dg c a ds y s t e m g a r m e n tc l o s e l yt i e su pw i t hb o d yf i g u r e h e n c e ，c o r r e s p o n d i n gt o r s om o d e li sa 1 1 i n d i s p e n s a b l et o o ld u r i n gg a r m e n td e s i g n , c h e c k o u ta n de v a l u a t i o n0 1 1g a r m e n td u r i n g m a n u f a c t u r ep r o c e s s i nc h a p t e r2 ，f e a t u r ep o i n to ft o r s om o d e li sd e f i n e dw i t hd e t a i l so n t h eb a s i so ft h ep r e - p r o c e s so ft o r s om o d e l i na d d i t i o n ，as e a r c h i n ga l g o r i t h mw i t h c h a n g e a b l es t e ps i z ei sp r e s e n t e d , w h i c hc o n s i d e r ss e a r c h i n gs p e e da n da c c u r a c y f i n a l l y , f e a t ，u r es i z e so fs c a n n e dt o r s om o d e la r ea c q u i r e da c c o r d i n gt ot h el o c a t i o n so ff e a t u r e p o i n t s s u c hs i z e s ，a sr e l i a b l ef o u n d a t i o n so fg a r m e n tt a i l o r i n g ，p r o v i d ea c c u r a t ea n d o b j e c t i v es t a n d a r d sf o rf i t t e d ，c o m f o r t a b l e ，s l i n k ya n di n d i v i d u a l i z e dg a r m e n td e s i g n g e n e r a t i o na n dd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fo r i g i n a lg a r m e n ta c t sa sap r i n c i p a lp a r t w i t h i ng c a ds y s t e m s t a r t e df r o mf e a t u r e so fg a r m e n ta n dt o r s om o d e l ，ag a r m e n t m o d i f i c a t i o np l a t f o r m ，c o m p o s e do fp l a nf o r m ，s i d ev i e wa n ds e c t i o nv i e w , i sc o n s t r u c t e d i nc h a p t e r3 f u r t h e r m o r e ，t h r e ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ei n d u c e d c o n f i g u r a t i o nd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e c t i o nd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r eb o t ho nt h e b a s i so fe d i t i n gs p l i n ec u r v e sb u ta d o p tv a r i o u sa l g o r i t h m st or e a c ht h ep u r p o s eo f c h a n g i n gg a r m e n tf i g u r e ，w h i l ef e a t u r es i z ed r i v i n gt e c h n o l o g yd r i v e sg a r m e n tt od e f o r m t h r o u g hm o d i f y i n gt h ef o u rs i z e s t h r e ec i r c u m f e r e n c ea n dl o w e rh e mp e r i m e t e ro fg a r m e n t ， a n dt h e nc o m p l e t e sg a r m e n t si n t e r a c t i v ep a r a m e t r i cm o d i f i c a t i o n 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 nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s ap o w e r f u l s 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 o l o g y i nc h a p t e r4 ，t h ed e f i n i t i o n ，i n f l u e n t i a lf a c t o r sa n d 浙江大掌硕士学位论文a b s t r a c t c o m _ r f l o nm e t h o d so fc o l l i s i o nd e t e c t i o na r ei n t r o d u c e db r i e f l y a n dt h ea u t h o rp r o p o s e s r e s u l t f u lc 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 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 t h e s ea l g o r i t h m sg u a r a n t e eg a r m e n t si n t e g r a l i t y , c o n t i n u i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yd u r i n g d e f o r i l l 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 l a m ei si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 b r i e f i 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 f t 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 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 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 o l o g ya 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 ：t o r s om o d e l ，f e a t u r e se x t r a c t i o n ，a p p a r e lc a d ，g a r m e n tg e n e r a t i n g ，d e f o r m i n g t e c h n o l o g y ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n y7 7 6 2 9 s 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，也不包含为获得逝江盍堂或其它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。 施缎储签敞版权使徽挪s 伽7 目 本学位论文作者完全了解浙江盍堂有关保留、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。本人授权浙江大学可以 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 签字日期：7 。移车 潞嵋 弓勇。 导师签名：r 轫聃 l 4 日签字日期：两年月c 7日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：上海盛大网络发展有限公司电话： 通讯地址：上海浦东张江碧波路6 9 0 号1 号楼邮编：2 0 1 2 0 3 浙江大掌硕士掌位论文 第一童绪论 第1 章绪论 【捕要】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 d 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 d q 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 系统埘，法国l e c t m 公司脚，西班牙i n v e s t r o n i c a 公司川，日本t o r a y 公司阿等。国内虽起步较晚，但从 8 0 年代中期开始，至今也已开发出不少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。 浙江大掌硕士学位论文 第一章绪论 协同设计lii n t e m e tii 卫星通讯il 局部网络 人体模 型库 服装知 识库 管理信 息库 2 d 纸 样库 排料 库 服装信息库 部件 库 色彩 库 3 d 款式库 面料知 识库 花纹图 案库 设计c a dii 制造c a ml i 生产管理 2 d 3 d 结 构 设 计 纹 理 图 案 映 射 真 实 感 模 拟 与 动 衄 放 码 与 排 料 3 d 人 体 测 量 图1 - 1g c a d 系统的功能与结构 试 农 系 统 合 同 定 量 原 材 来斗 辅 料 m i s 王 财 人 事 管 理 决 策 产 口 口a 推 销 与 广 止 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 e l m ，其中，三维服装设计是系统的核心组 成部分。但是3 d , s e 装设计一直以来都是计算机图形学秀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 热点之一删，也正是本文所要探讨的问题。 2 浙江大学硕士掌位论文 第一章绪论 1 2 研究现状 目前g c a d 系统的服装设计技术包括2 d 纸样设计与3 d 立体设计，本文将主要 对3 d 立体设计的g c a d 系统中服装生成、服装变形及碰撞检测等技术加以研究。 因此，在此先对服装设计以及g c a d 系统中服装生成、服装变形技术、碰撞检测技 术的相关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 程图例，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。 一j 2 d 服装设计 一量：一凰型；旦修馥 图1 - 2g c a d 系统服装设计流程 1 计算机辅助2 d 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。 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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、褶皱等专业因素，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、 平行加褶与自然褶切展等设计工艺p 0 j ，川。9 0 年代初，又提出将图形参数化方法应用 到纸样设计中，即以人体的特征尺寸为纸样图形控制参数，根据纸样图形各关键点的 计算公式进行参数化绘图f 倒。采用这种方法，可以通过控制特征尺寸，生成大小不同 的衣片，为后续的放码过程奠定了基础。2 0 世纪6 0 年代初美国率先将c a d 技术应 用于服装加工领域并取得了良好的效果，因此在世界各国拥有数千用户的格柏 ( g e r b e r ) 公司占据了服装c a d 技术的首席地位，并形成新的技术产业。自7 0 年代起， 一些技术发达国家如法国、英国、日本、西班牙、瑞士等国家也纷纷向这一新技术领 域进军，取得了较好的成效。 2 3 d 服装设计 由于服装的质量与合体己成为服装市场竞争中举足轻重的砝码，从而使得服装业 对计算机辅助3 d 服装设计的呼声与日俱增。计算机动画的飞速发展也使3 d 服装的 动态表现相形见绌。应该说明的是，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 结构设计的要求是有所差别的：前者更强调实用，以得到2 d 衣片为目的；而后者则更强调真实感显示，即要求逼真地显示服装穿着、行动时的变 形等效果，对服装是否能最终实现没有要求。但两者的某些理论与技术( 曲面造型、 变形等) 是通用的。计算机辅助3 d 服装设计主要有两种实现途径，如图1 2 中b 、c 途径所示。其中，2 d 一3 d 转换类似于服装工艺当中的缝合工序，关键在于指明衣片 之间将要缝合的对应部位及缝合后对应的人体部位。通过统一那些将要缝合在一起的 边和顶点，即可得到3 d 服装的拓扑结构，也就是初始3 d 款式。3 d 一2 d 的展开是 上述过程的逆过程。纹理映射属于图形学中纹理映射的范畴，不是g c a d 所特有的 研究内容，此处不作深入讨论。而3 d 交互设计是g c a d 的发展方向，难度也最大。 从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 一3 d 转换和 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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 i 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。总之，计算机辅助3 d 服装设计是一个新兴领域，存 在许多问题值得探讨。 日k 产加d s 和j 忙c a ，加e ，7 3 j ，卅提出了一种在人体模型的基础上，定义一系列位 移曲面片( 即服装曲面) 的3 d 设计方法。3 d 交互编辑器允许服装设计师在人体上对曲 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 妇6 e ，hi m a o 妇等即句构造了一个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”一坷这种拓扑运算可视化：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 m 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 0 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 e _ = e c + e + e b + e m 七e ! + ep 其中，e 是拉伸能，玩是剪切能，磊是弯曲能，瓦是扭曲能，乓是势能，毛 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。 功a ，m a 几仃等研究小组州置7 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 闭，x7 倒) ，从而获取系统的演变。作用力模型来自 牛顿第二定律： 5 浙江大学硕士掌位论文第一章绪论 f ( r ，r ) = m ( r ) d 2 ，西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 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 服装生成与变形技术 在服装c a d 领域，虽然将二维服装裁片在三维人体模型上进行缝合的技术有了 相对成熟的发展w ，但就其本质而言，只是二维设计向三维设计过渡的一种方法，真 正的三维服装造型技术还处于起步阶段。寻求一种有效的计算机辅助三维服装设计的 方法很有意义，许多学者做出了富有成效的工作。 h i n d s 司在人体模型上，定义了一系列位移曲面片( 即服装曲面) ，并通过3 d 交互 编辑器支持对服装交互设计，该方法仅适用于合体服装的设计，当服装变得相对宽松 时，它不能正确定义服装曲面。k i m 瑚用“立体视觉”的方法将人体扫描数据分成前后 左右四片，并在此基础上，通过轮廓陷线之间曲面重建的方法建立了相应的三维服装 网格曲面，这是一个“自动”的设计过程，提供可交互的空间较少，不能满足服装造型 多样性的要求。基于人体特征，w a n g 皿咏人体模型简化为具有固定拓扑结构的特征 6 浙江大掌硕士学位论文 第一章绪论 三角网格模型，网格的顶点分布在人体不同横截面上，对特征网格作曲面细分建立三 维服装网格模型。将同截面上的特征网格顶点用参数曲线连接，通过在二维域上编 辑这些参数曲线更改特征网格的顶点坐标，从而进一步实现服装曲面的修改，但这是 一种单视图的修改方法。徐f 2 2 j 则对三维服装c a d 中的几何约束表达作了相应的研究。 服装设计本身是一种艺术，设计者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。上述 文献从不同的角度对服装曲面的三维造型提出了不同的方法，相应她也提出了不同的 服装变形技术，但这些变形技术在服装变形过程的简洁性与可交互性上，尚需要作进 一步的研究。 与服装设计领域相比，在机械设计领域已有相对成熟的三维设计方法，这为服装 的三维设计提供了有益的借鉴。p r 0 e 、u g 、s o l i d w o r k 等三维设计软件的推出，给 设计者们带来了极大的便利，尤其是软件支持基于三视图修改平台的三维重建技术更 是让设计者们的设计思想得以淋漓尽致的发挥。三视图修改平台是设计者创作意图的 集中体现，三视图修改平台的简洁性使设计者可以将更多的时间关注于产品造型中最 本质的部分，提高了设计的效率。虽然，在机械设计领域，基于三视图修改平台的产 品参数化设计已有了成功的应用，但在服装设计领域却鲜有文献报道。 1 2 3 碰撞检测技术 在模拟三维服装穿在人体上的真实效果时，会遇到大量的碰撞现象：衣片与人模 之间以及衣片自身间的相互渗透和穿越。为了使服装合理地穿在人体模特身上，还必 须解决服装与人体产生的碰撞、摩擦等情况，避免渗透与穿越发生。而在人体一服装 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。 为了提高碰撞检测算法效率满足实际应用，研究人员提出了许多解决碰撞问题的 方法，v o l i n o 等提出的快速算法f 捌在每一个时间步骤后检测是否有碰撞发生，而当 被检测对象速度过快或时间步骤过大时，被检测对象就可能互相完全穿过，导致检测 不到碰撞。为了避免上述情况，b e n o i t ，l i u 和p o v o t 等，2 4 2 唧提出了改进算法，在每 一个时间间隔内检测是否有碰撞发生过，但这些算法都相当耗时，很难满足实时动态 7 浙江大学硕士掌位论文第一章绪论 模拟应用的需要。 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。只有个别的服装c a d 公司推出的些单一功能模块可 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1 2 r l n s i 。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。 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。虽然， 在机械设计领域，基于三视图修改平台的产品参数化设计已有了成功的应用，但在服 装设计领域却鲜有文献报道。 3 缺乏有效的碰撞检测优化算法 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，由于缺乏有效的测量手段和碰撞检测优化算法，很难确定它的参数值。 8 浙江大掌硕士学位论文 第一章绪论 针对这些问题，本文以下几个方面进行解决： 1 以三维人台模型特征为参数直接生成三维初始服装 直接根据三维人台模型数据，对其进行特征点搜索，在考虑人台与服装的空隙度 基础上，建立起服装各个特征点与入台特征点的关系，从而可以得到一个以人台模型 为参数的三维初始服装。 2 在建立三视图修改平台的基础上，提出了三种服装变形技术 该方法在生成三维初始服装的基础上，从服装的特点出发，构建侧视图、正视图、 截面图三个视图组成的服装修改平台。在该平台上，在各类约束共同作用下，通过编 辑各个视图中的样条曲线或直接编辑特征尺寸来达到修改服装的目的，从而完成具有 个性化特征的服装框架。这既是服装变形技术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 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 将服装c a d 技术与变形技术结合起来，在采用样条曲线作为三维服装几何元素 的基础上，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。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，并已被成功地应用于当前系统中。 1 4 研究内容 图1 3 表示本文对基于人台特征的g c a d 系统研究的技术路线。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 闺1 - 3 基于人台特征的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五个章节，第二章至第六章的内容说 明如下： 第二章在人台模型前处理的基础上，对人台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。最后根据特征点的位置获 得扫描人台的特征尺寸。 第三章从人台及服装的特点出发，在生成三维初始服装的基础上，构建正视图、 侧视图、截面图三个视图组成的服装修改平台，并归纳出三种不同的服装变形方法。 轮廓线变形技术和横截面变形技术都是以编辑样条曲线为基础，采用不同的算法从而 达到改变衣服形状的目的；而特征尺寸驱动技术则是通过修改服装三围及服装下摆周 长这四个尺寸来达到驱动服装变形的目的，从而完成对服装的交互参数化修改。 第四章简要介绍碰撞检测的定义、影响碰撞检测的要素以及常用的碰撞检测方 法，并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。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，并已被成功地应用于当前系统中。 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 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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。 浙江大学硕士掌位论文 第二章人台模型的特征提取 第2 章人台模型的特征提取 【摘要】在人台模型前处理的基础上，对人台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。最后根据特征点的位置 获得扫描人台的特征尺寸。 2 1 引言 人体测量是服装设计流程的第一步。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，计算机已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 e - b a s e d ) 皿田。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 1 2 浙江大学硕士掌位论文 第二章人台模型的特征提取 是没有特征信息的多边形( 主要是三角形) 网格曲面，其包含的信息往往只是三维的 拓扑结构，如顶点个数、顶点坐标、面的顶点索引等等。同时，各种基于人体模型的 3 d 服装c a d 往往需要更多的特征信息口卵。因此，为了便于模型的后续应用，扫描 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，国内外学者进行了很多相关的研究。p a 俘a s 尺p 等 f 3 嘎早对于分片的人体扫描数据进行了特征点的自动提取，开发了相应的人体尺寸测 量软件，并提出了一种用户自定义特征的方法，但是由于其尺寸提取基于粗略选取的 人体特征，因此其误差是很明显的。n u 艉，珥按照人体的功能对人体进行分段，通过 对不同截面形状和位置的分析，求出其功能区域，而其毗邻处即为特征位置，由于该 方法需要求取大量的人体横截面，因此开销很大。d e k k e r 等p 4 j 改进了 山脂的算法， 并主要致力于对关键位置的特征点进行了精确的定位。吴中海等f 3 躁用多边形逼近求 取人台横截面的凸包，然后利用凸包的特征获得了三围部位所在的人体横截面，最后 按照凸包的周长计算三围特征值，但是仅针对胸围、腰围和臀围进行分析，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，其基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，同时对可疑区间减少搜索步长来提高提取精度。截取的断面轮 廓采用k e l k m a n 凸包算法f 3 唧作为人台的截面多边形，在提取的截面多边形序列分析 的基础上计算特征点坐标，最后求出人台的各类特征尺寸。这里，为减少求交次数采 用了两种措施：第一，对人台模型进行网格简化，采用了g a r a n d 算法口7 j 作为人台 模型的基本简化算法，减少了一次截面过程中的求交次数；第二，按照搜索的高度值 进行步长的调节，从而减少了求截面的次数，进一步降低了求交次数。通过这两种做 法很大程度上减少了求截时间，提高了效率。 本章的研究工作是在已从第三方那儿获得了若干组三维人台模型数据的基础上 开始的。众所周知，服装设计师所需要的主要参数是人台的三围特征值和其他的一些 人台特征。本章旨在从给定的三维人台模型数据中快速定位并计算出这些特征值，其 计算过程如图2 1 中的虚线框内所示。 1 3 浙江大学硕士掌位论文 第二章人台模型的特征提取 陌品 【。j 图2 1 人台特征点提取过程 需要指出的是，这里所指的人台模型通常是标准立姿的人台模型，而对于人台特 征点的识别也仅限于标准立姿的形态。如图2 3 中所示的人台姿态，对人台直立姿势 的详细定义请参阅文献删。 2 。2 人台模型前处理 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，首先需要对人台 模型进行必要的前处理。这个工作主要包括三方面：即人台的选择、人台正中矢状面 与人台高度的求取和人台模型的网格简化。 2 2 。1 人台选择 人台的分类方法有多种。通常，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、美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 台口删唧。目前国内外使用的人台系列较多，红帮服装模型有限公司为轻工业部设计 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章人台模型的特征提取 制造出第一代国家统一号型男女童系列人台，如表2 1 、表2 2 、表2 3 所示。 表2 1男女童标准人台一盯( 单位：c m ) 泌 男体女体 童体 8 89 29 61 0 01 0 48 08 48 86 06 47 0 颈围 3 83 94 0 3 4 1 5 4 2 53 2 83 3 63 4 42 6 52 82 9 5 胸围8 89 2 9 61 0 01 0 48 08 48 86 06 47 0 腰围 7 47 88 28 69 06 06 46 85 56 06 5 臀围 9 09 39 6 59 9 51 0 28 68 99 26 87 48 0 总肩宽 4 3 64 4 84 66 7 5 4 8 43 8 33 9 54 0 73 03 13 3 前腰节 ，4 0 4 14 2|， 背长 ，|，3 73 83 9， 表2 - 2欧美女装标准人台一盯( 单位：英寸) 垂 6 81 01 2 第汶 颈围 1 31 4 1 4 51 5 胸围 3 4 53 5