基于ＶＣ ６．０和ＯｐｅｎＧＬ的三維試衣系統(tǒng)研究

(浙江理工大學(xué)信電學(xué)院， 杭州 310018)

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摘 要：提出了采用基于特征匹配的方法實(shí)現(xiàn)三維試衣效果的展示。首先提取Poser 6.0中的三維人體模型和服裝模型數(shù)據(jù)；然后通過三維網(wǎng)格模型的曲率特征在人體模型與服裝模型之間建立映射關(guān)系來完成匹配，這個過程是一種剛體變換即獲取旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量兩部分；最后在VC++ 6.0的開發(fā)環(huán)境下，利用OpenGL強(qiáng)大的三維建模功能實(shí)現(xiàn)了三維試衣平臺的搭建。該平臺不但可以幫助顧客快速、準(zhǔn)確地完成服裝款式的選擇和試穿，而且為服裝產(chǎn)品的個性化設(shè)計和網(wǎng)上銷售提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：服裝計算機(jī)輔助設(shè)計； 開放式圖形庫； 曲率； 三維試衣； 三角網(wǎng)格

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：10013695(2008)12382402

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Research on 3D clothing fitting based on VC 6.0 and OpenGL

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LIU Jun， JIN Yao

(College of Informatics Electronics， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China)

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Abstract:3D clothing fitting is a new tendency in garment CAD. Firstly， took the data of body model and garment model， and then finished the match with the curvature feature of triangular mesh by making mapping between body model and garment model， this process was a rigid transformation. In fact， it comprised the rotation matrix and translation vector. Finally， under the VC6.0， set up the platform of 3D clothing fitting by the super 3D building of OpenGL. This platform can not only help the customer select and try on the garment but provide powerful support for the personalize design of garment production and sale on the Internet.

Key words：garment CAD; OpenGL; curvature; 3D clothing fitting; triangular mesh



現(xiàn)在網(wǎng)上購物已逐漸成為一種時尚，越來越多的消費(fèi)者希望在網(wǎng)上購買到稱心如意的服裝，然而制約網(wǎng)上購物發(fā)展的一個重要因素是顧客無法試穿衣服且不能了解衣服的合體性。為了讓更多人享受到網(wǎng)上購買服裝所帶來的便利，以及滿足廣大企業(yè)用戶實(shí)現(xiàn)服裝設(shè)計和銷售一體化的要求^[1]，開展三維試衣系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)外很多學(xué)者對此展開了研究。國外如Vassilev等人^[2]和Volan等人^[3]均通過縫合力的作用將衣片虛擬縫合到人體模型上來完成三維試衣效果的展示；Cordier等人^[4]提出的在線服裝商店系統(tǒng)。這兩種方法雖然在功能上實(shí)現(xiàn)了三維試衣效果的展示，但卻需要太多的處理時間，不適合三維試衣效果展示的實(shí)時應(yīng)用和交互式操作。目前國內(nèi)的試衣系統(tǒng)多是將二維的服裝圖片貼到虛擬模特上完成試衣，嚴(yán)格地說這只是一種網(wǎng)絡(luò)服裝搭配游戲，缺乏真實(shí)感^[5]。

本文搭建的三維試衣平臺實(shí)現(xiàn)了三維人體模型和服裝模型的全方位顯示，具有較強(qiáng)的真實(shí)感。相比國外的三維試衣系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)時性，并且允許用戶交互式調(diào)節(jié)虛擬模特身上的服裝，增強(qiáng)了用戶試衣的靈活性。

1 三維人體模型和服裝模型的建立

三維試衣系統(tǒng)采用VC++ 6.0作為開發(fā)平臺，依靠OpenGL強(qiáng)大的三維建模功能，實(shí)現(xiàn)了選擇服裝、試穿服裝以及三維展示等功能。其中，人體模型是由Poser 6.0人體造型軟件導(dǎo)出的，服裝模型則利用Maya、3DSmax等通用建模工具建立并導(dǎo)出。具體是采用PLY格式的三角網(wǎng)格模型。

1. 1 PLY文件格式簡介

PLY文件格式是美國Stanford大學(xué)開發(fā)的一套三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)格式，該格式結(jié)構(gòu)簡單卻能夠滿足大多數(shù)圖形應(yīng)用的需求。在PLY文件中的存儲一般有兩種形式，即ASCII碼或二進(jìn)制格式。 

PLY的文件結(jié)構(gòu)如下：文件頭加上元素數(shù)據(jù)列表。其中文件頭中以行為單位描述文件類型、格式與版本、元素類型、元素的屬性等，然后根據(jù)在文件頭中所列出元素類型的順序及其屬性，依次記錄各個元素的屬性數(shù)據(jù)。

以一個立方體模型為例，ASCII格式的PLY文件格式如下：

format ascii 1.0 {文件類型:ascii或binary，版本號}

comment made by anonymous {注釋行}

comment this file is a cube {注釋行}

element vertex 8 {定義頂點(diǎn)元素}

property float32 x {頂點(diǎn)的x屬性}

property float32 y{頂點(diǎn)的y屬性}

property float32 z{頂點(diǎn)的z屬性}

element face 6{定義面元素}

property list uint8 int32 vertex_index ...

end_header {文件頭結(jié)束標(biāo)志}

0 0 0 {頂點(diǎn)元素列表}

0 0 1

0 1 1

0 1 0

1 0 0

1 0 1

1 1 1

1 1 0

4 0 1 2 3 {面元素列表}

4 7 6 5 4

4 0 4 5 1

4 1 5 6 2

4 2 6 7 3

4 3 7 4 0



1. 2 模型的建立 

出于節(jié)省項目開銷和縮短開發(fā)周期的目的，同時為達(dá)到三維試衣系統(tǒng)實(shí)時性的要求，筆者對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理，即刪除掉element vertex、element face這些字符串，只保留點(diǎn)面的數(shù)量這些有用數(shù)據(jù)。最后系統(tǒng)提供了多個不同身材的人體模型（包括男、女體）和服裝模型供用戶選擇，如圖1、2所示。

2 三維人體與服裝匹配的算法研究

2. 1 算法原理概述

三維服裝試衣效果的展示，可看做是三維不同物體的匹配問題，即尋找一種最佳的坐標(biāo)變換，使得在不同坐標(biāo)系下的人體模型和服裝模型能夠正確地匹配。其中關(guān)鍵的問題是獲取旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。由于曲面的高斯曲率和平均曲率僅與曲面的幾何形狀相關(guān)而且是剛體變換不變量，利用該特征可建立曲面之間的匹配關(guān)系^[6]。

2. 2 特征點(diǎn)的提取

借鑒文獻(xiàn)[7]中所提出的方法來提取特征點(diǎn)以生成匹配點(diǎn)對矩陣。為了計算曲面在每個頂點(diǎn)Vi處的曲率值，可在頂點(diǎn)Vi處利用其相鄰點(diǎn)建立曲面S∶r=r(u，v)，即r(u，v)=(u，v，h(u，v))。式中h(u，v)=au2+buv+cv2，如圖3所示。其中：h軸為曲面在頂點(diǎn)Vi處的法矢ni的方向，u、v相互正交。將絕對坐標(biāo)系Oxyz的z軸旋轉(zhuǎn)使其與h軸重合，這樣u、v可以分別取為x、y軸。設(shè)Vj為Vi的鄰點(diǎn)，其在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為

（uj，vj，hj），由此可得到下面的線性方程組

u21u1v1v21u22u2v2v22

u2nunvnv2nabc=

h1h2hn

(1)



由最小二乘法解得此方程組，求出曲面r(u，v)，并且由曲面的第一、二基本公式得到Vi處的主曲率k1、k2:

k1=a+c-(a-c)2+b2，k2=a+c+(a-c)2+b2





從而高斯曲率K和平均曲率H也可以求出：

K=k1×k2，H=(k1+k2)/2





2. 3 匹配點(diǎn)對矩陣的獲取

利用2.2節(jié)中所提出的方法，得到人體模型和服裝模型的特征點(diǎn)集B和C。對于B中任何一點(diǎn)p，通過建立一個映射:B→G找到G中對應(yīng)的點(diǎn)p′。由于服裝模型和人體模型具有局部相似性，p′與p對應(yīng)關(guān)系可通過文獻(xiàn)[6]的曲率特征約束關(guān)系得到，但由于服裝模型和人體模型具有不同的幾何形狀與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要準(zhǔn)確建立服裝模型和人體模型特征點(diǎn)間的一致性，還需要適當(dāng)?shù)卦黾咏换ゲ僮鱽碚_選取特征點(diǎn)對。

獲取了對應(yīng)的匹配點(diǎn)對后，服裝模型跟人體模型之間匹配的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即旋轉(zhuǎn)矩陣R(θx，θy，θz)和平移矢量T，還應(yīng)該使下面的目標(biāo)函數(shù)最小：

=∑Bi∈B‖R(θx，θy，θz)Gi+T-Bi‖2

(2)



由此可以建立服裝模型與人體模型之間的對應(yīng)關(guān)系：

B1B2Bn=R×G1G2Gn+T

(3)



其中：Gi為服裝模型上的特征點(diǎn)坐標(biāo)向量；Bi為對應(yīng)的人體上特征點(diǎn)的坐標(biāo)向量。對于式(3)，采用SVD矩陣分解算法，就可以得到坐標(biāo)變換關(guān)系R和T。最后對服裝模型整體進(jìn)行運(yùn)算，即可完成服裝模型與人體模型的粗匹配。粗匹配后人體與服裝顯示效果不一定好，需對人體或服裝進(jìn)行縮放操作，以達(dá)到正確的匹配效果。

2. 4 主要步驟

在虛擬環(huán)境中，服裝模型與人體模型的匹配包括特征點(diǎn)的選取、旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T的計算、匹配顯示等一系列過程。具體步驟如下：

a)三維試衣系統(tǒng)場景初始化。將三維人體模型和服裝模型讀入到三維場景中，完成初始姿態(tài)調(diào)整。

b)模型特征點(diǎn)對的建立。利用曲率特征和適當(dāng)?shù)慕换ゲ僮鞯玫饺梭w和服裝模型的特征匹配點(diǎn)對。

c)人體與服裝的粗匹配。在本文中將匹配過程看做是剛體的變換，因此對于獲取的服裝和人體的基準(zhǔn)點(diǎn)(特征點(diǎn))，通過獲得旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量來完成服裝模型到人體模型的映射，從而實(shí)現(xiàn)服裝模型與人體模型的粗匹配。

d)人體與服裝匹配的校準(zhǔn)。粗匹配后人體和服裝顯示效果不一定好，對人體或服裝進(jìn)行縮放操作，達(dá)到了正確的匹配效果。

3 應(yīng)用示例

在系統(tǒng)的初始界面上，左邊為人體模型和服裝模型庫，用戶首先單擊人體庫中的模型照片，右邊窗口中顯示對應(yīng)的人體模型，然后再選擇服裝庫中的一件服裝模型，按照本文所提出的算法，計算匹配點(diǎn)對矩陣，最后系統(tǒng)展示了服裝模型試穿后的效果圖，如圖4和5所示。其中實(shí)驗中獲得的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量如表1所示。

表1 服裝模型和人體模型匹配的實(shí)驗數(shù)據(jù)

實(shí)驗結(jié)果旋轉(zhuǎn)矩陣R(θx，θy，θz)平移矢量T

圖4(0.4，-18，27)(0.267 603，-1.333 87， -1.774 59)

圖5(0.2，-23，28)(-0.478 226，-0.796 794，-0.645 305)

本文采用基于曲面的曲率特征來實(shí)現(xiàn)服裝模型與人體模型匹配，無須給定初始值且避免了復(fù)雜的迭代計算，算法速度得到提高。與交互操作得到特征點(diǎn)相比，利用

曲率得到的特征點(diǎn)對更加準(zhǔn)確，有利于服裝試衣的精確展示。與傳統(tǒng)的二維服裝圖片貼到虛擬模特上完成服裝試衣相比，該服裝試衣系統(tǒng)允許用戶交互操作，從不同角度觀察服裝的三維展示效果。

4 結(jié)束語

通過提取三維人體模型和服裝模型的曲率特征來實(shí)現(xiàn)三維試衣效果的展示，并且增加了人機(jī)交互的方式來實(shí)現(xiàn)服裝模型的微調(diào)，本文較好地解決了目前網(wǎng)上購物中的三維試衣問題。為服裝的個性化設(shè)計和銷售提供了良好的支持。下一步的工作是將本文的工作與人體模型的參數(shù)化相結(jié)合，滿足不同身材顧客的要求。

參考文獻(xiàn)：

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