三维人体与服装建模技术综述

服装技术Apparel Technology在 服 装CAD、 网 络 虚 拟 试 衣 、 三 维 人 体 动 画 和 游 戏 等 应 用 领 域 , 都 面 临 着 如 何 解 决 真 实 人 体 与 服 装 的 三 维 重 建 问 题 , 即 人 体 与 服 装 的 真 实 感 虚 拟 建 模 。在 计 算 机 图 形 学 中 , 物 体 的 造 型 一 般 分 为 传 统 几 何 建 模 和 物 理 建 模 两 大 类 。 传 统 几 何 建 模 采 用 线 框 、 表 面 和 实 体 等 造 型 技 术 , 只 描 述 物 体 的 外 部 几 何 特 征 , 适 合 静 止 刚 体 的 造 型 。 物 理 建 模 则 是 将 物 体 的 物 理 特 征 和 行 为 特 征 融 进 传 统 的 几 何 模 型 中 , 既 包 含 了 表 达 物 体 所 需 要 的 几 何 信 息 , 又 包 含 了 物 体 材 料 的 物 理 性 能 参 数 。在 现 实 世 界 中 , 服 装 的 运 动 受 织 物 材 料 特 性 和 人 体 运 动 的 共 同 影 响 。 人 体 运 动 所 产 生 的 肢 体 位 移 造 成 人 体 皮 肤 表 面 和 服 装 布 料 之 间 的 碰 撞 , 力 的 相 互 作 用 驱 动 服 装 跟 随 人 体 运 动 。 由 于 用 计 算 机 模 拟 人 体 与 服 装 真 实 效 果 的 复 杂 性 , 在 三 维 人 体 与 服 装 的 造 型 中 出 现 了 几 何 建 模 技 术 、 物 理 建 模 技 术 、 结 合 几 何 与 物 理 的 混 合 建 模 技 术 。1 三 维 人 体 与 服 装 的 几 何 建 模 技 术1. 1 人 体三 维 虚 拟 人 体 的 几 何 建 模 技 术 主 要 是 曲 面 建 模 , 又 称 表 面 建 模 , 这 种 建 模 方 法 的 重 点 是 由 给 出 的 离 散 数 据 点 构 成 光 滑 过 渡 的 曲 面 , 使 这 些 曲 面 通 过 或 逼 近 这 些 离 散 点 。 在 人 体 曲 面 建 模 时 , 主 要 采 用 基 于 特 征 的 和 参 数 化 的 人 体 曲 面 建 模 两 种 具 体 建 模 方 法 。人体与服装的真实感虚拟建模是服装 C A D 、网络虚拟试衣、三维人体动画和游戏等应用领域 的 重 要 问 题 。 对 三 维 人 体 与 服 装 的 建 模 有 几 何 、 物 理 、 混 合 等3类 建 模 技 术 , 文 章 综 合 分 析 了 发 展 历 史 和 使 用 现状, 提出了可能的研究方向。Therealisticmodelingof3Dhumanbodyandgarmentisanimportantissueinthecomputer-aidedgarment design,webvirtualtryon,3Dhumananimationandgame.Therearegeometrymodeling,physicsmodelingand hybridmodelingtechnologyin3Dhumanbodyandgarment.Thedevelopmenthistoryandcurrentsituation arecarefullyanalyzedandthepossibleresearchdirectionisdiscussed.三 维 人 体 与 服 装 建 模 技 术 综 述A Survey on 3D Human Body and Garment Modeling Technology文 /陈 永 强 彭 利 华作 者 简 介 :陈 永 强 , 男 , 1967年 生 , 副 教 授 , 博 士 , 武 汉 科 技 学 院 计 算 机 科 学 学 院 。 主 要 研 究 方 向 :计 算 机 图 形 图 像 处 理 , 虚 拟 现 实 技 术 , 智 能 信 息 安 全 系 统 。 基 金 项 目 :湖 北 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 项 目 (D “ 面 向 服 装 的 个 性 化 数 字 人 体 建 模 与 仿 真 ” , 湖 北 省 数 字 化 纺 织 装 备 重 点 实 验 室 (DTL 项 目 “ 服 装 个 性 化 三 维 人 体 变 形 模 型 研 究 与 实 现 ” 。1. 1. 1 基 于 特 征 的 人 体 曲 面 建 模基 于 特 征 的 人 体 曲 面 建 模 根 据 人 体 的 整 体 结 构 , 将 人 体 模 型 划 分 为 若 干 个 基 本 的 结 构 特 征 。 为 进 行 曲 面 造 型 , 针 对 每 个 结 构 特 征 可 定 义 相 应 的 造 型 特 征 。 造 型 特 征 分 为 主 要 造 型 特 征 (即 人 体 模 型 中 指 定 的 特 征 和 辅 助 造 型 特 征 (即 为 了 精 确 表 达 人 体 模 型 的 较 细 节 几 何 特 点 所 定 义 的 造 型 特 征 。 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 。 此 外 , 还 可 较 方 便 地 改 进 人 体 模 型 建 模 方 法 。 根 据 人 体 模 型 尺 寸 表 , 可 定 义 一 系 列 的 特 征 曲 线 , 曲 线 的 生 成 通 过 相 关 特 征 点 (根 据 人 体 物 理 特 性 定 义 的 点 和 模 型 样 本 点 (根 据 人 体 模 型 曲 面 造 型 需 要 定 义 的 点 来 得 到 。 仅 靠 特 征 曲 线 还 不 足 以 表 达 人 体 模 型 的 所 有 几 何 形 状 , 需 补 充 定 义 几 何 造 型 曲 线 , 与 特 征 曲 线 共 同 构 造 出 曲 线 网 络 。 网 络 曲 线 多 采 用3次B样 条 曲 线 表 达 , 人 体 曲 面 模 型 的 构 建 则 采 用B样 条 曲 面 。 1. 1. 2 参 数 化 的 人 体 曲 面 建 模参 数 化 的 人 体 曲 面 建 模 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 。 即 在 建 模 过 程 中 应 结 合 人 机 工 程 学 原 理 , 利 用 人 体 各 部 分 固 有 的 比 例 关 系 , 从 人 体 模 型 的 众 多 特 殊 尺 寸 中 提 取 出 起 决 定 性 作 用 的 参 数 。 一 旦 几 何 特 征 参 数 确 定 下 来 , 系 统 将 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 , 获 得 新 的 人 体 模 型 造 型 特 征 , 对 新 的 人 体 模 型 造 型 特 征 进 行 曲 面 造 型 , 最 终 得 到 用 户 所 需 的 人 体 模 型 。 参 数 化 建 模 是 一 种 更服装技术 Apparel Technology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 上 进 行 人 体 设 计 。NMThalmann和DThalmann最 早 使 用 多 边 形 表 面 生 成 虚 拟 人MarilynMonroe, 之 后 又 提 出JLD算 符 用 于 对 人 体 表 面 的 变 形 。 Forsey将 分 层B样 条 技 术 用 于 三 维 人 体 建 模 。 Douros等 使 用B样 条 曲 面 重 构 三 维 扫 描 人 体 模 型 。 曲 面 模 型 的 优 点 是 速 度 较 快 , 缺 点 是 不 考 虑 人 体 解 剖 结 构 , 取 得 非 常 逼 真 的 模 拟 效 果 比 较 困 难 。 提 高 表 面 模 型 的 逼 真 性 是 目 前 的 研 究 热 点 之 一 。尽 管 曲 面 建 模 技 术 已 经 能 够 完 整 地 描 述 人 体 的 几 何 信 息 和 拓 扑 关 系 , 但 所 描 述 的 主 要 是 人 体 的 外 部 几 何 特 征 , 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 缺 乏 描 述 , 对 于 人 体 动 态 建 模 仍 有 一 定 的 局 限 性 。除 曲 面 建 模 方 法 外 , 还 有 棒 状 体 建 模 和 实 体 建 模 方 法 。 棒 状 体 建 模 是 最 早 出 现 的 虚 拟 人 体 几 何 建 模 方 法 , 人 体 表 示 为 分 段 和 关 节 组 成 的 简 单 连 接 体 , 使 用 运 动 学 模 型 来 实 现 动 画 模 拟 , 实 现 人 体 的 大 致 动 作 。 实 体 模 型 使 用 简 单 的 实 体 集 合 模 拟 身 体 的 结 构 与 形 状 , 例 如 圆 柱 体 、 椭 球 体 、 球 体 等 , 然 后 采 用 隐 表 面 的 显 示 方 法 , 其 计 算 量 大 , 且 建 模 过 程 非 常 复 杂 。 在 三 维 人 体 模 型 结 构 中 , 实 体 模 型 和 棍 棒 体 模 型 基 本 上 已 较 少 使 用 。1. 2 服 装服 装 的 几 何 建 模 方 法 着 重 模 拟 布 料 的 几 何 表 象 , 尤 其 是 波 纹 、 褶 皱 等 , 不 考 虑 服 装 面 料 的 物 理 特 性 , 将 织 物 视 为 可 变 形 对 象 , 用 几 何 方 程 表 达 并 模 拟 虚 拟 现 实 环 境 中 的 织 物 动 画 效 果 。 目 前 常 用 B样 条 曲 面 、 Bezier曲 面 和 NURBS 曲 面 来 进 行 服 装 曲 面 造 型 。Lafleur等 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 。 Hinds等 将 人 体 模 型 的 上 半 躯 干 进 行 数 字 化 图 像 处 理 以 获 得 基 础 人 形 , 提 出 了 在 人 体 模 型 上 定 义 一 系 列 位 移 曲 面 片 的 、 典 型 的 几 何 三 维 服 装 建 模 方 法 , 用 三 维 数 字 化 仪 取 得 人 体 模 型 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 。此 方 法 计 算 速 度 较 快 , 模 拟 出 的 服 装 具 有 其 形 态 特 点 , 生 成 的 图 形 具 有 一 定 的 织 物 视 觉 效 果 , 但 不 能 代 表 特 定 的 服 装 织 物 , 仿 真 效 果 较 差 。 2 三 维 人 体 与 服 装 的 物 理 建 模 技 术2. 1 人 体为 使 三 维 人 体 动 画 仿 真 效 果 更 佳 , AHBarr提 出 了 物 理 建 模 思 想 , 将 人 体 的 物 理 特 性 加 入 到 其 几 何 模 型 中 , 通 过 数 值 计 算 对 其 进 行 仿 真 , 人 体 的 行 为 则 在 仿 真 过 程 中 自 动 确 定 。物 理 建 模 方 法 具 有 更 加 真 实 的 建 模 效 果 , 能 有 效 地 描 述 人 体 的 动 态 过 程 , 采 用 微 分 方 程 组 的 数 值 求 解 方 法 来 进 行 动 态 系 统 的 计 算 , 计 算 更 为 复 杂 。2. 2 织 物 和 服 装服 装 的 物 理 建 模 对 服 装 进 行 三 角 、 网 格 或 粒 子 划 分 , 通 过 构 造 织 物 对 象 的 结 构 力 学 模 型 , 进 行 能 量 、 受 力 分 析 , 用 计 算 机 图 形 技 术 可 视 化 地 模 拟 三 维 形 态 , 能 较 真 实 地 模 拟 柔 性 物 体 的 特 性 。 物 理 建 模 与 织 物 的 微 细 结 构 有 关 , 需 要 确 定 织 物 物 理 力 学 参 数 。 模 拟 结 果 与 真 实 织 物 的 接 近 程 度 取 决 于 所 用 的 数 学 模 型 和 计 算 方 法 。由 于 织 物 微 结 构 的 数 学 模 型 各 不 相 同 , 物 理 模 型 可 分 为 连 续 模 型 和 离 散 模 型 两 类 。 计 算 方 法 可 分 为 力 法 和 能 量 法 。 力 法 用 微 分 方 程 表 达 织 物 内 部 微 元 之 间 的 力 , 进 行 数 值 积 分 以 获 取 每 一 时 间 步 长 下 微 元 的 空 间 位 置 , 从 而 得 到 整 个 织 物 在 该 时 间 步 长 下 的 变 形 形 态 。 能 量 法 通 过 方 程 组 计 算 整 片 织 物 的 能 量 , 然 后 移 动 织 物 结 构 内 的 微 元 使 之 达 到 最 小 能 量 状 态 , 从 而 确 定 织 物 的 最 终 变 形 形 态 。 通 常 , 能 量 法 多 用 于 织 物 静 态 悬 垂 的 模 拟 , 而 力 法 用 于 动 态 悬 垂 的 模 拟 。2. 2. 1 连 续 模 型连 续 模 型 将 织 物 看 作 是 由 大 量 微 元 素 相 集 合 的 连 续 体 , 运 用 研 究 连 续 体 的 力 学 方 法 对 织 物 进 行 力 学 分 析 和 研 究 。 通 常 用 变 形 壳 体 、 弯 板 、 薄 片 、 薄 膜 单 元 或 变 形 梁 单 元 代 表 织 物 的 微 元 。 在 连 续 模 型 中 使 用 有 限 元 方 法 是 目 前 发 展 的 一 个 趋 势 。最 早Shanahan等 以 材 料 片 /板 理 论 对 织 物 建 模 。 在 19世 纪80年 代 , Lloyd 采 用 基 于 膜 元 素 的 有 限 元 模 型 , Feynman使 用 弹 性 片 理 论 , Terzopoulos等 基 于 弹 性 理 论 的 变 形 模 型 , Collier把 织 物 看 作 正 交 各 向 异 性 的 膜 元 素 , 采 用 几 何 非 线 性 有 限 元 法 。 20世 纪90年 代 , Ascough使 用 简 单 变 形 梁 元 素 , Yamazaki等 在 梁 元 素 基 础 上 , 加 入 外 部 力 。 2000年 后 , Kang等 提 出 基 于 连 续 壳 理 论 的 显 式 动 态 有 限 元 分 析 方 法 实 现 了 一 套 三 维 服 装 悬 垂 形 状 预 言 快 速 反 应 系 统 , JinlianHu等 提 出 有 限 体 积 法 (FVM 。Apparel Technology 服装技术在 目 前 的 使 用 中 , 织 物 的 微 观 非 连 续 结 构 与 有 限 元 素 的 分 割 尺 寸 相 比 很 小 , 将 织 物 看 作 连 续 体 , 并 忽 略 织 物 在 微 元 水 平 内 的 相 互 作 用 , 在 一 定 范 围 内 具 有 合 理 性 。 即 使 是 如 此 简 化 , 连 续 模 型 的 计 算 量 仍 相 当 大 , 计 算 过 程 繁 琐 耗 时 , 不 能 用 于 服 装 的 实 时 仿 真 。2. 2. 2 离 散 模 型织 物 是 由 大 量 纤 维 、 纱 线 形 成 的 复 杂 结 构 体 , 是 非 连 续 的 , 宜 使 用 离 散 的 方 法 建 立 模 型 。 1994年Breen等 提 出 采 用 相 互 联 系 的 粒 子 系 统 模 型 模 拟 织 物 的 悬 垂 特 性 , 1996年 Eberhardt等 发 展 了 Breen的 粒 子 模 型 , 体 现 了 织 物 的 滞 后 效 应 , 增 加 了 风 动 、 身 动 等 外 力 对 服 装 面 料 的 影 响 。 在 粒 子 系 统 的 基 础 上 , 由 Provot和 Howlett先 后 提 出 的 质 点 弹 簧 模 型 结 构 简 单 , 容 易 实 现 , 计 算 效 率 较 高 , 取 得 了 较 好 的 应 用 效 果 。 该 模 型 将 服 装 裁 片 离 散 表 达 为 规 则 网 格 的 质 点 弹 簧 系 统 。 每 一 个 质 点 与 周 围 相 连 的 若 干 个 质 点 由 弹 簧 相 连 , 整 个 质 点 弹 簧 系 是 一 个 规 则 的 三 角 形 网 格 系 统 。 Desbrun等 对 质 点 弹 簧 模 型 加 以 延 伸 、 扩 展 和 改 进 , 综 合 显 式 、 隐 式 积 分 , 提 出 一 种 实 时 积 分 算 法 , 可 实 现 碰 撞 和 风 吹 等 检 测 和 反 应 。 刘 卉 等 也 用 改 进 的 质 点 弹 簧 模 型 完 成 了 模 拟 服 装 的 尝 试 。物 理 建 模 方 法 虽 然 仿 真 效 果 更 接 近 真 实 状 态 , 但 因 模 型 中 包 含 的 有 效 织 物 力 学 结 构 参 数 很 难 确 定 , 加 之 运 算 时 间 太 长 , 应 用 受 到 了 限 制 。3 三 维 人 体 与 服 装 的 混 合 建 模 技 术人 体 多 层 次 模 型 是 最 接 近 人 体 解 剖 结 构 的 模 型 , 通 常 使 用 骨 架 支 撑 中 间 层 和 皮 肤 层 , 中 间 层 包 含 骨 骼 、 肌 肉 、 脂 肪 组 织 等 , 因 此 人 体 从 内 到 外 分 成 骨 架 、 骨 头 、 肌 肉 、 脂 肪 和 皮 肤 等 几 个 层 次 , 可 分 别 采 用 不 同 的 建 模 技 术 。 骨 头 层 可 看 成 刚 性 物 体 , 采 用 几 何 模 型 。 皮 肤 层 属 于 最 外 层 , 需 要 较 多 的 真 实 性 , 可 采 用 基 于 物 理 的 模 型 , 指 定 皮 肤 层 每 个 顶 点 的 质 量 、 弹 性 、 阻 尼 等 物 理 参 数 , 计 算 每 个 点 的 运 动 特 性 , 实 现 皮 肤 的 变 形 。 皮 肤 需 要 匹 配 到 骨 架 上 , 其 动 态 挤 压 和 拉 伸 效 果 由 底 层 骨 架 运 动 及 肌 肉 体 膨 胀 、 脂 肪 组 织 的 运 动 获 得 , 附 着 于 骨 头 上 的 肌 肉 和 脂 肪 也 得 适 当 地 采 用 物 理 建 模 方 式 形 成 。Chadwick等 提 出 了 “ 人 体 分 层 表 示 法 ” 的 概 念 。 在 此 基 础 上 , Thalmann等 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 。 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 , 但 模 型 复 杂 度 高 , 人 体 变 形 时 计 算 量 大 。几 何 建 模 能 赋 予 服 装 更 灵 活 的 形 状 , 可 以 方 便 地 修 改 服 装 的 长 短 胖 瘦 、 结 构 线 等 外 观 形 状 , 模 型 简 单 , 执 行 速 度 快 , 但 不 能 通 过 参 数 控 制 服 装 的 悬 垂 及 质 感 。 物 理 建 模 允 许 通 过 选 择 参 数 值 较 为 直 观 地 控 制 服 装 的 悬 垂 及 质 感 , 如 增 加 质 量 参 数 值 将 得 到 厚 重 织 物 , 但 模 型 复 杂 , 计 算 费 时 。 服 装 的 混 合 建 模 技 术 吸 取 了 几 何 和 物 理 的 优 点 。 通 常 在 图 形 生 成 或 模 拟 过 程 中 , 先 用 几 何 方 法 获 得 大 致 轮 廓 , 再 用 物 理 约 束 和 参 数 条 件 进 行 局 部 结 构 细 化 , 从 而 获 得 逼 真 、 快 速 的 模 拟 图 形 。Kunii和 Godota使 用 混 合 模 型 实 现 了 对 服 装 皱 褶 的 模 拟 。 Rudomin在 进 行 模 拟 时 先 使 用 几 何 逼 近 的 方 法 , 在 人 体 的 外 围 生 成 一 个 3D服 装 凸 包 , 给 出 了 悬 垂 织 物 的 大 致 形 状 , 后 利 用 Terzopoulos的 弹 性 形 变 模 型 对 织 物 的 形 态 进 行 细 化 处 理 。在 实 际 应 用 中 , 混 合 建 模 技 术 更 适 合 于 织 物 和 服 装 变 形 形 态 的 模 拟 , 既 能 满 足 对 服 装 三 维 效 果 的 仿 真 , 且 能 在 一 定 程 度 上 实 现 三 维 交 互 设 计 , 计 算 时 间 也 将 显 著 缩 短 , 可 以 满 足 实 时 的