虛擬試衣系統關鍵技術研究

徐愛婧,周 捷

(西安工程大學,陜西 西安710048)

虛擬試衣技術是一種能夠幫助用戶實現無需脫衣,便可換裝并查看穿著效果的技術手段。隨著互聯網技術的不斷發展以及服裝消費者購物方式的改變,越來越多的服裝品牌零售商選擇了虛擬試衣這一新興的銷售模式,該模式分為線上與線下2種。對服裝消費者而言,它不但讓消費者用最短的時間快速瀏覽不同款式的服裝以及觀察試穿效果,增強了用戶的購物體驗,還可以提高購物效率；對服裝銷售商而言,虛擬試衣系統可以幫助解決因服裝合體度不夠或上身效果不佳等造成的退貨率高的問題,能提升商戶的品牌知名度與交易額,并降低物流費用與線下店鋪的人工成本。

此外,線下虛擬試衣間還能夠幫助商戶快速吸引商場內的客流到店,并進行目的性地廣告投放,商戶可通過采取互動模式收集顧客反饋,獲得大量關于用戶體型、穿衣風格偏好和服裝寬松度喜好等方面的數據,幫助生產商改進其生產計劃,提升銷售利潤。

1 虛擬試衣系統的發展現狀及應用

隨著時代進步和科技的發展,服裝業的試衣模式正朝著智能化方向發展,脫穎而出的虛擬試衣系統正極大地改變著人們的服裝試穿習慣。

1.1 虛擬試衣系統的發展現狀

隨著消費者生活方式的數字化以及其對于沉浸式購物體驗的追求,無論是在實體店還是網上店鋪,借助于增強現實技術(augmented reality,AR)的虛擬試衣技術正逐漸成為潮流。

增強現實技術是一種將計算機生成的虛擬信息無縫疊加到真實的物理環境中,可實現對現實世界補充的計算機視覺技術[1]。其信息呈現方式相比于傳統的文字、圖片、視頻等更加直觀、高效,可以幫助拓寬人類認識世界、感知世界的能力。AR廣泛應用于醫療、娛樂、教育、制造等領域,如Jose Soeiro、Ana Paula Claudio等共同研發的一款運用AR技術顯示患者虛擬腦部模型的應用軟件,通過展示患者腦中的脈沖變化,指導醫生實施經顱磁刺激手術[2]；谷歌公司研發的一款以引導玩家走向戶外為目的的“Ingress”戶外AR游戲；Fragoso、Gauglitz等共同研發的一款通過光學字符識別并翻譯替換原場景中文字的AR翻譯器[3]；呂淘沙、湯汶等共同研發的一款利用Vuforia特征點檢測匹配方法來實現用戶與秦兵馬俑幻影模型之間交互的系統[4]；Gerhard Schall、Erick Mendez等共同研發的一款依賴于AR技術的用于生成建筑或設施內部框架結構以幫助公用事業公司現場工人進行室外工作的應用軟件[5]；其在時尚領域也應用廣泛,如法國力克公司的Lectra 3D Fit、韓國CLO Virtual Fashion公司的CLO 3D、美國PGM公司的3D Runway和Gerber公司的V-Stitcher等虛擬試衣系統主要應用于服裝新產品的開發與試樣[6]。上海試衣間信息科技有限公司研發的好搭盒子、上海魔購百貨公司研發的魔購百貨、日本優衣庫公司研發的優衣庫搭配師等虛擬試衣軟件主要用于線上銷售服裝的虛擬體驗；上海衣脈信息科技有限公司、北京優時尚科技有限責任公司和深圳云之夢科技有限公司等研發的虛擬試衣魔鏡則主要用于線下銷售服裝的虛擬體驗。

基于虛擬試衣技術目前國內外的發展現狀以及應用,通過調查研究發現,關于該技術的實現方法,目前市面上相對成熟的有以下3種：

(1)人模與服裝的二維建模,具體包括3類。

第1類是摳取用戶提供的頭部二維圖像,將其直接銜接于已有的虛擬二維身體模型上,運用ps技術通過拉伸或縮小調整該模型的身高、體寬等維度數據使其成為一個整體。

第2類是直接通過攝像頭獲取用戶頭部、身體等二維圖像數據,并將二維服裝模型PS到用戶的圖像上。

第3類是僅保留用戶頭部二維圖像,不斷變換選取資源庫內的二維身體與服裝組合模型。此種方法速度快,但真實感較差,且易發生用戶與服裝的疊加錯誤等事件。

(2)通過拍攝用戶頭部照片獲取五官數據,建立頭部三維模型；并通過輸入用戶的身高、體重、體型類別(如沙漏型、梨型、蘋果型、H型和T型等)、腰圍、臀圍等數據建立用戶人體模型。該方法建立的人體模型形象較為自然,無違和感,且身體維度較多,可較為真實地呈現試衣效果；但部分虛擬試衣系統因為缺乏美化功能,對于人體形象的反饋太過真實,無法遮蓋用戶視覺形象上的缺點,不能讓所有用戶接受。

(3)完全3D化構建人體模型與服裝,可實現360°試衣效果展示,且試衣效果更具真實感,但受目前技術的局限,其試衣效果與真人試衣效果仍存在一定的差別。

1.2 虛擬試衣系統的應用

我國虛擬試衣技術產業起步較晚,目前國內的虛擬試衣系統存在人體模型個性化程度低、服裝款式少、著裝模擬真實感差等問題[7]。但其優勢與價值日益顯著,能夠實現秒選裝、試裝、換裝的功能,操作界面人性化[8]。國外虛擬試衣技術發展較早,且已經逐步成熟。如英國科技創企 Metail研發的虛擬試衣間；瑞士MIRALab實驗室開發的MIRACloth系統；美國格伯公司與Browzwear合作開發的Accu Mark V-Stitcher系統；俄羅斯AR Door公司研發的“試衣魔鏡”；日本數字時尚科技公司的“Active Lab”。表1是主要虛擬試衣系統的關鍵技術及其優缺點。

表1 主要虛擬試衣系統特點

2 虛擬試衣系統關鍵技術

虛擬試衣系統以三維人體重建與三維著裝模擬為基礎,其人體數據獲取方式、人體模型構建方法、服裝庫建立方式、面料模擬方法等的選擇直接影響了虛擬試衣效果的優劣。

2.1 三維人體重建

三維人體重建技術首先需要收集人體多角度數據信息,目前市場上的虛擬試衣系統一般通過用戶輸入或攝像頭掃描人體來實現,然后利用各種建模軟件、基于三維掃描技術或是序列圖像來進行三維人體建模。

2.1.1 人體數據獲取

用戶體型數據的獲取是虛擬試衣系統的基礎,其數據信息一般包括五官形象、身高、體重、胸圍、肩寬、臂長、腰圍、臀圍和腿長等。目前,虛擬試衣系統獲取人體數據的方式一般包括用戶輸入和攝像頭掃描人體2種。用戶輸入法一般會在系統操作頁面顯示人體測量方法,或是提供一些輔助選項如體型、腿型、腿長、肩寬、松緊度偏好、膚色、發型和人種等,該方法適用性較廣,對用戶的設備要求低,但數據的準確性依賴于測量者操作的規范性,可能存在一定的偏差；攝像頭掃描人體法通過交互技術識別人體數據,該方法雖然大大提高了數據量取的準確性,避免了人工測量的繁復操作,但部分虛擬試衣系統還不夠完善,前期準備工作較為繁瑣[9]。

2.1.2 三維人體建模

三維人體建模技術主要包括3種方式：利用三維建模軟件進行建模、基于三維掃描技術的人體建模以及基于序列圖像的三維人體建模。

常用的三維建模軟件包括Daz Studio、Make human、Character generator、3Dmax和 Maya等。其中Daz Studio可編輯人體骨骼系統和材質屬性,材質屬性包括表面色彩與貼圖、凹凸貼圖、透明貼圖、位移貼圖等,支持Renderman渲染器,渲染速度快,品質高[10]。Make human基于大量的人體形態學數據,擁有3 000多個變形參數,如身高、體重、身材比例、臉部形狀、脖子和腳等,可供使用者對照人體原圖進行360°微調,其自然姿勢系統可對運動中的皮膚和肌腱變形進行摸擬,1.0.2版本紋理扭曲的可能性也較低,面部表情可多單元組合[11]。Character generator可對基礎模型進行調整,選擇合適的頭部形狀、皮膚、發型、上衣、褲子、鞋子以及年齡等,但屬性數量有限,且與真人相比缺乏真實感[12]。

基于三維掃描技術的人體建模技術是通過掃描儀采集人體信號獲得人體表面信息,并對點云數據進行降噪、精簡、孔洞修補、表面重建等處理,構建人體模型。該方法構建出的模型較為精確,應用較為廣泛,但掃描儀器價格昂貴,數據處理量大,費時費力。目前,一些國家均建立了自己的人體模型數據庫,如日本的HQL數據庫、歐洲的European Anthropometric Database數據庫[13]、美國的Size US數據庫和我國開發的三維人體數據管理信息系統等[14]。

基于序列圖像的三維人體建模技術通過照相機在相同焦距下拍攝人體正、側、背面等多角度物體二維圖像,利用圖像處理算法進行輪廓、截面線、特征尺寸等信息的提取并與立體匹配,在其基礎上結合相機參數,利用單目、雙目或多目視覺原理得到人體的三維數據,并通過曲線擬合映射法、bezier法、Nurbs法等建立模型,從而完成二維圖像到三維空間的重建。該方式所需的建模數據較易獲取,且建模效果較好,但對于照片的拍攝環境與照片清晰度等要求較高。

2.2 三維著裝模擬

三維著裝模擬包括服裝庫的建立以及面料的模擬仿真等。

2.2.1 建立服裝庫

服裝庫的建立方法,一般分為二維圖像合成與三維服裝建模2種。

(1)二維圖像合成可采用靜態建模與動態建模2種方式,前者通過拍攝模特穿著服裝時靜止狀態下的樣子并進行人工摳圖裁剪,實現人物與服裝剝離并保留服裝部分；后者通過拍攝模特穿著服裝走動時不同姿勢下的樣子并進行每一幀的摳圖。二維服裝的校準是將用戶影像與服裝庫中的二維服裝進行匹配,通過比例校準可實現用戶與服裝之間的貼合,但不夠逼真,很難體現服裝的面料特性。Fits.me的Virtual Fitting Room借助于FitBot,通過對服裝模型的識別、記錄、測量以及圖像處理等,存儲服裝信息于云數據庫,該數據庫款式模型多,可滿足大多女性用戶的需求,但成本較高,應用不夠廣泛。Metail選擇對實體模特進行不同角度的拍照并進行服裝圖形合成,展示效果豐富,個性化程度高。

(2)三維服裝建模,首先構建三維人體模型,然后利用樣條曲線建立服裝樣板并生成面料,其次將服裝置于人體模型外部并進行骨骼綁定、蒙皮等操作,最后進行樣板的縫合和渲染等。該方法人工成本低于二維圖像合成建模,且更加適合產品數量多、更新周期短的企業。Fitiquette、My Virtual Model等也都使用了該服裝建模方法。

2.2.2 面料仿真

三維著裝模擬主要依賴于服裝面料的模擬。Pierce于20世紀30年代提出設想,認為面料質感可測量[15],模擬屬性一般包括彈性、粗糙度、厚重感、觸摸冷熱感等,面料質感的模擬綜合了計算機、系統仿真、圖像圖形等多門學科技術,可以通過改變織物的紗線種類、紗線排列、組織結構以及顏色等信息設計模擬面料。目前國內所存在的織物觸摸感知技術很少通過觸摸硬件模擬器作為面料質感反饋設備,一般通過畫面顯示虛擬織物的相關觸感特征來感知織物手感。

服裝面料的模擬方法主要包括幾何建模、物理建模與綜合建模等。

(1)幾何建模著重于表現其幾何特征,展示服裝外觀造型,如扭曲、褶皺等。一般采用Bezier曲線、Nurbs曲線和余弦曲線等生成不規則多邊形,從而模擬曲面形態。該方法計算快,但仿真效果、適應性較差,控制不靈活,很難反映布料的質量、粗糙程度和彈性系數等物理屬性[16]。

(2)物理建模著重于表達服裝的力學特征以及運動過程,將面料視為許多微小粒子,并計算各粒子間的作用力。該方法精確度高,穩定性好,但計算量較大,且收斂慢。代表模型有質子-彈簧模型、有限元模型和粒子模型。目前應用最為廣泛的是基于質子-彈簧模型的建模方法,其根據面料的各向異性使用結構彈簧、剪切彈簧和彎曲彈簧等不同彈簧連接各質點,建立中心質點與周圍質點的相關連接網絡,并運用牛頓運動定理和反演動力學理論模擬各質點的運動,模擬效果與相鄰質點的數量成正比[17]。有限元模型法是離散化所需求解的彈性物體,將無限多的自由體轉化為有限多個單元體,通過有限元物理屬性模擬服裝變形,主要用于模擬服裝面料的力學效果。粒子模型法是將物體離散為一系列能夠響應因面料變形而產生拉伸力、彎曲力等內力的粒子,這些粒子相互約束,且具有速度、質量、位置等屬性,是從粒子能量角度定義面料的內部屬性[18]。

(3)綜合建模法是運用幾何方法與物理方法分別模擬面料基本形狀以及網格形變細節補充的方法,該方法一般情況下能夠擁有幾何建模模擬速度快和物理建模真實感高的優點,但并非總是如此。常用模型有Cordier模型、Taillefer模型、Kunii模型和Tsopelas模型等[19]。

此外,還有基于統計學習方法,不考慮面料本身的物理性質,僅根據服裝形狀空間與人體動態數據等,建立其映射關系,從而驅動服裝模擬。該模擬方法通常較為簡單,可調節面料模擬真實感與效率之間的矛盾,利于實時模擬。

3 結語

隨著互聯網技術的發展,虛擬試衣技術作為服裝CAD系統的一部分,已經廣泛應用于大量服裝品牌,且取得了一定的成效。現針對其在人體模型的快速構建、人體與服裝面料品質模擬的真實感、數據的存儲與交換、費用成本以及虛擬試衣服務項目的多樣性等方面提出發展方向。

(1)人體以及服裝模型的快速構建。虛擬試衣技術涉及到多個工序,大量的建模以及渲染工作意味著大量的數據計算,而良好的建模方法可幫助縮短系統計算時間,實現實時渲染,可根據這一情況對三維人體樣本形態進行統計學習,從而快速構建人體模型。

(2)模型仿真性。雖然目前采用基于物理的人體建模與服裝綜合建模的方法應用比較廣泛,但數字化的模型與實物存在差異,很難模擬其真實狀態,無法準確表達人體特征,因此仍存在很大的改進空間。

(3)數據的存儲與交換。三維人體掃描系統通過掃描大量人體數據并進行存儲,若能實現同類系統間的交換,則可避免用戶繁瑣的再次量體過程,也利于服裝生產商分析人體體型,設計生產出更加合體的服裝,避免浪費。

(4)費用成本。于商家而言,一些虛擬試衣系統成本較高,如二維服裝數據庫,需要工人掃描每件服裝數據并進行摳圖處理,工序繁瑣,人工成本過高,可通過改進服裝庫建立方法,從而節省人工費用等成本；此外,三維人體與服裝的建模、修改以及渲染等對攝像頭、渲染器、屏幕等設備要求較高,小型商家無法承擔設備費用,導致普及程度不高,應加強硬件設備的研發與更新。

(5)服務項目多樣性。虛擬試衣技術服務于用戶,不僅可以為其提供試衣服務,仍應增加服務項目,如服裝款式推薦、個性化搭配等,做到真正的服務用戶、造福用戶。