虛擬三維服裝展示技術的現狀與發(fā)展趨勢

梁惠娥+張守用

摘要：虛擬三維服裝展示技術經歷了簡單服裝變形形態(tài)的靜態(tài)模擬到三維復雜服裝動態(tài)模擬的過程。從建模技術、動態(tài)模擬、褶皺處理、虛擬展示構造方法等方面，提出系統的設計方案，歸納整理出適合三維服裝虛擬展示的主要技術方案，系統地介紹虛擬三維服裝展示技術的研究現狀，詳細地分析虛擬三維服裝展示技術面臨的挑戰(zhàn)和未來研究趨勢。

關鍵詞：虛擬；三維服裝；建模技術；展示

中圖分類號：J0-05 文獻標志碼：A

Current Situation and Future Developing Trend of Virtual Threedimensional Clothing Displaying Technology

Abstract： Three-dimensional virtual clothing displaying technology has experienced the transformation from the simple static simulation of clothing shifting to the complex three-dimensional dynamic simulation. From the perspective of modeling techniques， dynamic simulation， folding treatment， construction method of virtual displaying， etc.， this paper puts forward a systematic scheme， summarizes the three main technical schemes for three-dimensional virtual displaying of clothing， systematically introduces the current research on three-dimensional virtual displaying technologies and elaborately analyzes the challenges ahead and future developing trend of the research on three-dimensional virtual clothing displaying technologies.

Key words： virtual； three-dimensional clothing； modeling technique； display

虛擬三維服裝展示是根據服裝設計和展示陳列人員陳展需要，運用計算機科學、藝術等其他學科領域的知識，在計算機里建立數字化的服裝采樣系統，計算機按照所選尺寸模擬樣衣著裝效果，從而生成三維服裝的虛擬展示效果。虛擬三維服裝展示技術改變了傳統的采用真人模特試衣的方式，利用計算機技術和交互技術就可以進行服裝的立體展示。

1 虛擬三維服裝展示技術研究現狀

1.1 國外關于虛擬三維服裝展示技術的研究

國外關于虛擬三維服裝展示技術的研究已趨于成熟，無論是靜態(tài)展示還是動態(tài)展示都已形成完善的展示系統。瑞士Miralab實驗室在虛擬服裝及動畫方面積累了大量的研究經驗與科研成果。1990年，Miralab實驗室的“FlashBack”虛擬服裝項目是第一個真正意義上三維服裝虛擬展示的案例。

之后，此實驗室把重點放在了虛擬三維服裝展示技術中的三維服裝物理建模的研究上，即表現服裝動態(tài)時的力學性能。此外，瑞士日內瓦大學的MIRALAB實驗室以及H&M服裝公司推出了網上試衣間服務以及著名的My Virtual Model（MVM）試衣網站，英國倫敦技術學院的“Center for 3D Electronic Commerce”項目，歐洲信息與算法研究協會的“MtoM3D”項目等都對三維服裝虛擬展示技術進行了相關研究。

1.2 國內關于虛擬三維服裝展示技術的研究

我國關于虛擬三維服裝展示技術的研究還處于發(fā)展階段。杭州森動數碼科技有限公司與幾家全球知名的IT科技廠家合作，利用全球最新3D技術、增強現實以及體感技術等科技元素，自主研發(fā)“3D虛擬試衣”軟件，滿足了服裝消費者個性化需求，節(jié)約了試衣的時間；此外，江南大學民間服飾博物館基于“CLO3D”三維服裝展示軟件制作的民間服飾的虛擬展示，逼真地模擬出了館藏的漢民族服裝文物的質感，很好地解決了民族服飾展示棘手問題。由此可見，虛擬三維服裝展示技術在國內趨于高速發(fā)展狀態(tài)。此外，北京服裝學院、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室、東華大學、中科院以及天津工業(yè)大學等高校均在該領域有所研究，并通過相關課題研究取得一定的成果。

2 虛擬三維服裝展示技術的研究內容

2.1 三維人體模型的建立

人體模型是虛擬著裝的主體。根據服裝款式、材料等元素的需要建立與之對應的人體模型，所以人體模型的尺寸、姿勢和體態(tài)在服裝虛擬展示中顯得尤其重要。目前，三維人體模型主要有幾何建模、三維掃描數據以及三維軟件建模 3 種方法，其中三維軟件建模方法是當今技術發(fā)展的趨勢與主流。

幾何建模方法是根據人體結構及其特征，定義與之對應三維人體造型特征。該方法出現時間較早，是CAD/CAM技術發(fā)展階段的重要技術支撐，此方法以幾何信息和拓撲信息反應三維人體的具體結構等數據，是虛擬三維服裝展示技術初期的重要技術手段。

三維掃描數據建模運用非接觸式測量方法，借助激光三維掃描儀，進行三維數字人體重建。它將人體的三維結構信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為人體數據的三維虛擬模擬提供了方便、快捷的手段。此方法建模比較昂貴，人體結構復雜時運行速度較慢，所以三維掃描數據建模方法很難得到推廣和普及。

三維軟件建模利用MAYA或3DS MAX等三維軟件，完成人體模型的創(chuàng)建。此建模方法操作簡單，容易上手，建模功能強大，在建立人體模型方面具有很大的優(yōu)勢。這兩款軟件的插件比較豐富，與其他軟件融合流暢，模型精準、逼真，如圖 1 所示（基于MAYA軟件制作）。而且還可對所建模型貼材質、調動作、編程序等，使三維服裝虛擬展示由靜態(tài)展示到動態(tài)展示靈活轉換。三維軟件建模是當今三維虛擬展示的主流技術手段，不僅縮短了建模的時間，而且所建模型數據更加靈活，易于改動；展示手段等更加人性化，更具感染力。

2.2 三維服裝模型的建立

三維服裝建模方法主要有幾何建模法、基于粒子系統的物理建模法以及結合幾何與物理的混合建模法等 3 種方法。建模方法的原理不同，虛擬的服裝對象類型也存在差異。

幾何建模法：模擬布料的外觀形態(tài)，不涉及面料的物理特征，用幾何方程對虛擬現實環(huán)境中的服裝效果進行展示。此方法以已有的人體模型為基礎，求得服裝各造型點的數據；然后，根據服裝款型等因素對模型進行經緯線劃分，通過截取面得到數據，最后，根據人體與服裝的空隙度大小，獲取服裝表面各造型點的三維數據，完成服裝模型的創(chuàng)建。此方法有模型簡單、計算較快等優(yōu)點，但是對服裝的懸垂及質感的模擬效果較差。

物理建模法：通過選擇參數值可以較為直觀地控制服裝的懸垂與質感。在模擬中區(qū)分毛、棉、絲、麻等不同服裝質感，可較好地模擬服裝的真實效果。但是其模型復雜，計算速度較慢，與虛擬三維服裝展示的快捷、便捷理念相背離。

混合建模法：運用幾何方法進行服裝模型的建立，用物理方法進行服裝懸垂和質感以及局部結構的細化。利用彈性變形模型對服裝進行變形，使服裝更具真實感，模擬出的服裝外形結構精準，又能展現不同材料的服裝的懸垂與質感（圖 2）。

2.3 三維場景的建立

三維服裝虛擬展示需要設定一個特定的展示空間，通過創(chuàng)建三維場景模擬出服裝所要表達的文化內涵與時代場景，所以場景的搭建和布置也是非常重要的環(huán)節(jié)。在所建三維場景模型上匹配符合服裝展示主題的材質、設定應景的燈光等，以此模擬出服裝展示所需的場景。在三維場景的模擬上，VRML語言將影片、聲響、音樂等效果調和在一起，形成一個綜合性的單一媒體是三維服裝虛擬展示必不可少的應用程序。在當下，無論是時尚服裝的研發(fā)公司還是文物保護單位，三維場景模擬都有所運用，極大地豐富了服裝展示的效果與意義。

3 虛擬三維服裝展示技術研究趨勢

3.1 虛擬三維服裝展示技術的不足

當前，虛擬三維服裝展示技術日趨成熟，已由最初的簡單服裝的靜態(tài)展示發(fā)展到現在的復雜服裝的動態(tài)展示，但也存在多方面的問題：三維立體模擬的真實感還有待加強，如服裝質感與動感的表現、三維重建、逼真靈活的曲面造型等問題仍難以解決；三維服裝模擬的集成系統較少，二維衣片和三維服裝之間的轉化、二維圖案和面料的三維覆蓋等問題沒有得到很好的解決。虛擬三維服裝展示技術可以對服裝虛擬展示中所用模特的尺寸、姿勢和體態(tài)進行操作，但是對服裝的虛擬變形以及服裝的懸垂性模擬操作還有一定的難度。需要從事虛擬三維服裝展示的研究人員與學者共同的努力與合作，研發(fā)出更好的服裝虛擬展示系統。

3.2 虛擬三維服裝展示技術的挑戰(zhàn)

隨著科技的發(fā)展，服裝虛擬展示必將向著智能化、自動化的方向發(fā)展，服裝模型的動態(tài)模擬/三維服裝褶皺效果處理是其趨勢，但是在未來的研究道路上也會遇到許多難題與挑戰(zhàn)。

（1）服裝模型的動態(tài)模擬研究

服裝模型的動態(tài)模擬在三維服裝虛擬展示中有著至關重要的作用，服裝虛擬展示時，虛擬的人體模特運動和服裝動態(tài)模擬耗費的計算量非常大。

目前，三維服裝的動態(tài)展示難度很大，很多國內外的專家學者對其都有研究，但是算法和物理模型在實踐中都與預期效果有一定差距。模擬三維服裝的動態(tài)效果，合理的碰撞檢測模型是前提，服裝曲面與人體曲面隨模特動作變化時相對位置關系的變動中不能有穿透發(fā)生。這一點對于目前的三維服裝虛擬展示技術來說是十分困難的。在三維服飾虛擬展示中，即使服裝在靜態(tài)人體上很合適，但并不能保證動態(tài)展示有同樣好的效果。因此，對于服裝面料的動態(tài)模擬的研究很有價值。

（2） 三維服裝褶皺效果處理研究

三維服裝虛擬展示已由靜態(tài)展示發(fā)展到動態(tài)展示，對于服裝褶皺的研究也有了更高要求。褶皺是服裝的重要外觀特征之一。在三維服裝虛擬展示中，褶皺效果的模擬主要有兩類：靜態(tài)效果的模擬與動態(tài)效果的模擬。目前，靜態(tài)效果模擬技術已經日趨成熟，效果較好。動態(tài)時服裝的飄動懸垂效果的模擬還處于探索階段，在進行模擬仿真時，既要注重碰撞檢測的高效性，又要及時處理碰撞部位的褶皺問題。如何高效準確地處理動態(tài)的褶皺的研究屬于服裝動態(tài)效果仿真技術中的一種，值得對其深入研究。

（3）虛擬三維服裝展示技術的挑戰(zhàn)

在虛擬三維服裝展示技術研究上還存在許多難題，如服裝仿真建模和數值計算等問題。對結構復雜與材料較多的服裝，如何構建仿真模型、服裝從靜態(tài)懸垂到動態(tài)變形怎樣相互轉化，是服裝模擬的最大挑戰(zhàn)。在模擬模特運動時服裝與身體的接觸以及服裝自身的交互碰撞問題、仿真的實時性問題以及服裝本身高度復雜的各向異性和非線性力學行為的模擬等問題，對于虛擬三維服裝展示技術的發(fā)展無疑是棘手的難題與挑戰(zhàn)。

4 結語

虛擬三維服裝展示技術在三維人體模型、三維服裝模型以及三維虛擬場景等方面都有很大的突破，實現了虛擬人體由靜態(tài)到動態(tài)的靈活轉換、虛擬服裝紋理與質感的真實表現以及虛擬場景的真實模擬等。隨著對虛擬三維服裝展示技術更加深入與精細的研究，智能化的三維服裝虛擬展示是其發(fā)展趨勢，設計師可以隨心所欲地將自己設計的服裝借助虛擬展示技術瀏覽服裝在三維空間的效果，從而大大縮短了成衣的生產周期和展示成本，這將在時尚服裝的個性化設計與定制、傳統服裝的數字化展示等領域有著廣闊的應用前景。

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