數字化人臺建模研究進展

黃 哲,潘 力,2,*,王 軍,2,姚 彤,2

(1.大連工業大學 服裝學院,遼寧 大連116034;2.大連工業大學 服裝設計與工程國家級實驗教學示范中心,遼寧 大連116034)

近年來,服裝產業已經成為國民經濟增長中不可或缺的一部分,在建設紡織服裝強國目標的推動下,我國服裝行業正朝著科技化、信息化、可持續的方向發展[1]。隨著消費者對服裝舒適性和個性化需求的提升,服裝企業對私人定制服裝的設計與生產需求日益增長。立裁人臺是服裝設計與制作中常用的重要工具[2],但現有的立裁人臺規格已較難滿足服裝個性化設計的需要,且人臺的制作目前主要是采用傳統的手工方法,特定規格人臺的再制作會大大降低服裝設計與加工的效率。因此,建立能夠滿足個性化服裝設計與人臺快速制作等需求的數字化人臺模型愈發重要。

本文基于國內外人臺建模的研究進展,分析了人臺建模與人體建模的差異,總結了人臺建模方法的特點及優缺點,并對人臺建模研究未來發展前景進行了探討。

1 人臺建模與人體建模的區別

1.1 人體建模

三維人體建模技術融合了計算機視覺、計算機圖形學、人體工程學等多門學科,是利用計算機來模擬真實人體,并以三維立體的形式真實展示人體模型的數字化建模技術[3]。作為計算機人體仿真的一部分,三維人體建模技術被廣泛應用在影視人物制作、游戲角色建模、人機工程、醫學研究以及服裝行業中三維立體縫合、三維服裝展示、虛擬試衣等方面[4-5],其建模過程中主要是尋求整體的比例關系,通過確定人體特征部位來建立特征圍度間的比例關系進行建模。

1.2 人臺建模

人臺能夠反映人體的體型特點,是對人體體型的再現,但其并不等于人體,人臺只是根據號型規格劃分的一類人體體型特征的代表,經過修正美化后得到的人體軀干模型[6],故而二者在建模方法的運用上是存在差異的。常見的服裝設計用立裁人臺有上、下半身人臺及全身人臺等,如圖1所示。

圖1 常見的服裝設計用立裁人臺

隨著企業生產對服裝舒適性和個性化要求的提升,三維人體建模在單量單裁結構設計和個性化人臺生產等方面缺乏實用性,因此在三維人體建模技術的基礎上進一步考慮將人體特征部位對應到人臺上,形成在整體比例關系下可對特征部位單獨再調整的、能夠滿足服裝立體裁剪設計要求的三維人臺模型,三維人臺建模技術便由此產生。三維人臺建模更加符合企業生產的特定需求并隨著方法和功能的更新,成為當前服裝行業中研究的熱點問題[7]。人臺建模與人體建模的主要區別見表1。

表1 人臺建模與人體建模的區別

2 人臺建模的方法

建模方法主要分為幾何建模與物理建模兩種。人臺建模的實現主要運用幾何建模中的線框建模、實體建模、曲面建模和新發展起來的圖像建模。

2.1 線框建模

線框建模是采用點、直線、圓弧、樣條曲線等構造三維物體的圖形表示技術,是CAD幾何造型技術發展過程中最早應用的建模方法[8]。線框建模在早期的建模研究中被廣泛使用,Sun Mi Park等[9]利用獲取的三維人體點云數據進行多功能人臺的研究,根據線框建模的原理,通過自由變形建立基于平均線框的虛擬模型,在標準人臺上加放不同服裝類型的最小松量得到松量人臺模型,根據松量人臺模型與標準人臺模型的差值,得到松量模型外殼,將外殼由三維轉變成二維紙樣,最終可獲得不同服裝類型的松量外殼,并制作成多用途人臺。楊陽[10]以Sun Mi Par k等的研究方法為基礎,將獲取的不同特征圍度層截面點云連成曲線,再將曲線封閉建立截面,最后采用Sketch up曲面放樣工具,完成由特征截面到實體模型建模,進而建立外套用松量人臺系列模型。董會元[11]通過對女性腰臀部的形態特征進行分析,結合三維掃描數據,提取反映腰臀特征的特征參數,選定特征曲線及特征點,利用三次樣條曲線對過特征點的特征曲線進行擬合,構建人體線框模型,再利用UG軟件二次開發功能,實現腰臀部參數化人臺模型的建立。

線框建模采用簡單的圖素構建物體的三維模型,所包含的數據量少,且模型的數據結構和處理算法也相對簡單,易于修改和保存,多用于簡單模型的構建與評價。隨著建模技術的發展,線框建模常被作為輔助手段,結合其他建模方法進行改進與完善,可以解決人臺建模研究中出現的模型無法自動消隱、無法進行剖面處理等問題。同時,線框建模作為實體建模與曲面建模技術的基礎仍是不可忽視的[12-13]。

2.2 實體建模

實體建模是通過定義基本體素,并對這些體素進行集合運算或變形操作從而生成復雜幾何體的建模方法。實體建模一般包括兩方面:一種是體素,如長方體、球體與圓柱體等的定義與描述;另一種是體素之間的集合運算,通過交集、并集或差集等將簡單的幾何體進行組合得到新的復雜形體。其表達方式主要有4種:體素分解表達法、構造實體幾何法、邊界表達法、多面體建模法[14]。李宋明[15]采用實體建模中的多面體建模法,利用Poser軟件獲取包含能夠生成三維男性人臺數據點的OBJ文件,通過動態數組技術處理保留三維坐標值和法向量,最后在VC++環境下,結合Open GL建模軟件,使用三角網格平面建立了男性半身人臺模型。

實體建模相比于線框建模增加了模型實心部位的表達,信息更加完善,可以得到無二義性的描述,實體建模還儲存了幾何信息和拓撲信息,可以實現自動消隱,使人臺展示效果更加真實。

2.3 曲面建模

曲面建模是通過頂點、邊和表面3種幾何元素及其相互間的拓撲關系將復雜的物體分成不同的曲面,最后通過曲面的拼接得到物體模型的建模方法。常用的曲面建模方法有:三角曲面片造型法、代數描述法和散亂點插值法[12]。而目前,在三維人臺建模研究中較為成功并獲得廣泛應用的方法是代數描述法中的貝塞爾(Bezier)曲面法、B樣條曲面法和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面法。

近年來,曲面建模法已成為人臺建模研究中主流的建模方法。白玉[16]對女性的胸型進行細分,對文胸的特征點、特征曲線進行分析,并明確與文胸特征對應的人體特征點與特征曲線,最后采用網格曲面的建模方法,在UG軟件中通過UG/Open GRIP語言建立不同胸型的參數化人臺。Rongqi Chen[17]提出了一種基于特征曲線的三維人臺曲面重建方法,應用逆向工程技術掃描人臺模型,通過特征曲面分割提取代表形狀特征的網格點,最后利用B樣條曲面重建三維人臺模型,同時采用了最小能量法來提高所建人臺模型的質量。余張君[18]通過掃描穿著旗袍的中老年女性獲取樣本點云數據,利用SPSS分析旗袍用人臺松量分布規律,最后采用NURBS曲面建模方法在MATLAB中建模得到旗袍用人臺仿真模型。

曲面建模增加了對模型表面信息的描述,也能實現自動消隱,使人臺模型更加形象、逼真。同時,曲面建模法是構建參數化人臺模型的重要手段,與計算機編程技術相結合,可以建立能夠隨輸入的參數值變化的數字人臺模型。

2.4 圖像建模

圖像建模是根據拍攝的樣本正、側、背等一系列照片,通過圖像差分、二值化和去噪等圖片處理技術獲取樣本的外形輪廓、截面線、特征尺寸等信息,最后結合建模軟件構建三維人臺模型的建模方法,其過程如圖2所示。圖像建模法應用的主要技術有:基于樣本照片的特征參數提取,樣本尺寸數據的二、三維轉換,基于特征尺寸和特征曲線的三維人臺模型構建等[19]。

圖2 圖像建模過程

圖像建模是目前國內外建模研究中探索的熱點方法之一。蔡劍[20]通過拍攝人體正、側面照片利用數字化圖像處理算法提高獲取尺寸數據的準確度,并效仿日本DressingSim LookStailor X全數字化服裝設計軟件,結合Open GL軟件,在VC++環境下,對獲取的標準尺寸人體模型進行編輯和修改,采用層片分割技術,形成標準實驗人臺模型,建立三維服裝人臺參數化建模系統。陳利珍[21]采用二維非接觸式測量方法,對實體人臺進行180°拍攝,然后根據立體視覺原理將提取的二維坐標數據轉換成三維坐標數據,最后在MATLAB中基于人臺曲面模型建立了個性化三維人體模型。

而在國外學者的研究中,他們主要將圖像建模法應用在人體建模研究方面。Adrian Hilton等[22]早在2000年提出了基于圖像的三維人體建模技術,后來In Yeop Jang等[23]提出了一種二維到三維的轉換方案,利用單個深度圖像和多個彩色圖像來生成三維人體模型,并通過去除遮擋區域中多余的三角形和填充相應的空洞解決了單目攝像機拍攝的圖像中的自遮擋問題,提高了三維人體模型的視覺質量。

相比于價格高昂的三維人體掃描設備,圖像建模法基于照片獲取樣本的特征尺寸信息,在一定程度上降低了測量成本,且二維數據更易于處理,可以提高建模效率。由于圖像建模法正處于探索階段,因此也存在著一些缺陷,如對照片的拍攝環境要求嚴格、建立的模型存在較多噪點等[24]。

綜上所述,將人臺建模方法的特點及優缺點進行歸納和總結(表2)。

表2 人臺建模方法對比

從表2中可以看出,線框建模法在人臺模型基本框架構建方面具有明顯的優勢,適用于繪制人臺特征圍度層曲線,或者對人臺大小的框架進行限定等;實體建模法不屬于表面建模,它可以建立物體內部結構,并可進行剖面處理,因此更適用于人體建模研究中那些需要剖面實驗的建模;曲面建模法增加了對表面信息的描述,而人臺建模主要是構建物體的表面模型,因此采用曲面建模法可以獲得更佳的仿真效果,同時曲面建模法可以應用在參數化建模中,建立可調節的參數化人臺模型;圖像建模法實現了二維數據到三維數據的轉換,在一定程度上可替代三維人體掃描設備進行樣本數據的采集,是學者們研究的熱點建模方法,但目前采用圖像建模法建立的三維模型尚存在噪點、空洞、特征部位匹配誤差等問題,有待改進。

不同的建模方法具有不同的特點,所以在選擇建模方法時需要考慮人臺模型的特點和要求,并根據建模方法的適應性來改進和調整。

3 人臺建模研究未來的發展趨勢

3.1 建立人臺模型數據庫

前沿的三維人體掃描設備和圖像建模技術都能夠快速準確地獲取人體的尺寸數據信息,但并未建立完善的人體數據體系,未來可以按照年齡、身高等指標對不斷累積的數據進行分類并建立人體數據庫,這樣無論是人臺建模研究,還是人體建模研究,都擁有了一定的數據基礎。同時,可根據各類別的平均體模型建立對應的人臺模型數據庫,在出現相似體型時便可直接調用和修改,可縮短建模時間,也可提高企業的生產效率。

3.2 3D打印人臺

參數化人臺模型是目前數字化人臺建模的主要研究方向,但只停留在通過建立人臺模型特征參數間的整體數學關系實現模型的變化階段,不可進行局部優化調整。未來可以結合計算機編程技術建立能夠在特征參數整體變化關系下可進行每個特征參數單獨再調整的數字化人臺模型,并利用此方法對人臺內膽進行參數化設計,使其能夠根據輸入的參數進行變化,并可進行局部修改,再結合3D打印技術打印人臺內膽,最后附上外層材料進行立裁人臺制作。3D打印人臺可以推廣和應用到個性化人臺的大規模生產中,具有良好的市場潛力和發展前景。

4 結語

以數字化人臺建模為中心,分析了人臺建模與人體建模的不同之處,并結合國內外人臺建模研究進展對人臺建模方法進行了歸納和總結,最后闡述了人臺建模研究有待解決的問題和未來發展趨勢。數字化人臺建模是多學科領域技術的融合,其關鍵在于建模方法的選擇。在選取建模方法時,要綜合考慮各建模方法的特點及優缺點,并結合研究的實際目的與需求,選擇一種或多種方法相結合的建模方式,達到最佳的人臺建模效果。同時,人臺模型數據庫的建立和計算機編程技術輔助建模,可以使數字化人臺建模研究的體系更加完善,并有助于服裝加工企業和人臺制作企業實現高效生產。