面向高級(jí)定制的個(gè)性化虛擬服裝展示

林俊聰，陳萌，施渝斌，雷鈞，郭詩輝*，高星，廖明宏，金小剛

（1.廈門大學(xué) 信息學(xué)院，福建 廈門361005；2.浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310058）

對(duì)于服裝品牌企業(yè)來說，服裝訂貨會(huì)是營銷工作中最重要的環(huán)節(jié)之一，其市場推廣效果與當(dāng)季銷售業(yè)績密切相關(guān)。訂貨會(huì)期間的時(shí)裝秀是經(jīng)銷商選擇產(chǎn)品、下訂單的重要參考。但傳統(tǒng)的真人時(shí)裝秀常受場地租賃、模特?cái)?shù)量、舞臺(tái)燈光音響搭建等因素制約，在銷售淡季為節(jié)約成本，往往展示的服裝較少。而虛擬時(shí)裝秀能較大程度降低展示成本，且可進(jìn)行遠(yuǎn)程體驗(yàn)，避免奔波勞累，因此，廣受業(yè)界關(guān)注。

隨著國民生活水平的整體提高、消費(fèi)觀念的改變及與國際服裝文化的融合，對(duì)個(gè)性化服裝的要求與日俱增，服裝高級(jí)定制已經(jīng)成為一種趨勢。對(duì)于高級(jí)定制而言，由于其消費(fèi)群體和消費(fèi)規(guī)模更小，虛擬時(shí)裝秀的意義也就更大。然而，服裝高級(jí)定制的用戶對(duì)服裝的合身與否有著極高的個(gè)性化要求，而真人時(shí)裝秀大多采用標(biāo)準(zhǔn)身材的模特以凸顯服裝款式的效果，容易造成賣家秀和買家秀之間的巨大落差，影響消費(fèi)者的體驗(yàn)，這不符合高級(jí)定制中用戶對(duì)于理想服裝尺寸的期待。如果能在面向高級(jí)定制的時(shí)裝秀中引入個(gè)性化人體體形，不僅使消費(fèi)者有更好的觀賞體驗(yàn)，而且有助于降低心理期望和實(shí)際著裝效果之間的落差。隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，近年來，三維虛擬試衣技術(shù)廣受關(guān)注并得到大力推廣，試圖解決在網(wǎng)購服裝過程中因尺寸不合身、外觀與圖片不符等造成的退換貨問題。盡管尺寸是否合身也是虛擬試衣的核心問題之一，但是，由于目前的虛擬試衣系統(tǒng)主要面向大眾消費(fèi)，若側(cè)重考慮固定的尺寸型號(hào)在不同個(gè)體上的著裝效果，很難滿足高定用戶對(duì)服裝尺寸的個(gè)性化精細(xì)要求。另外，試衣場景通常比較簡單，也難以滿足高級(jí)定制用戶的觀賞體驗(yàn)要求。

基于上述分析，本文提出了面向高級(jí)定制的虛擬服裝展示系統(tǒng)，包含一個(gè)完整的秀場空間，通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔使高級(jí)定制用戶徜徉其中，更好地沉浸于虛擬秀場。系統(tǒng)還提供了基于模特體形尺寸的參數(shù)化調(diào)整方法，可以生成與高級(jí)定制用戶身形接近的三維虛擬模特模型。最后，提出了一種自適應(yīng)的三維服裝調(diào)整算法，可根據(jù)模特體型自動(dòng)調(diào)整服裝尺寸并進(jìn)行服裝適配。

1 相關(guān)工作

1.1 虛擬服裝展示技術(shù)

虛擬服裝展示技術(shù)經(jīng)歷了從二維平面設(shè)計(jì)、三維立體模型的靜態(tài)模擬到基于虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等高真實(shí)感的三維動(dòng)態(tài)模擬過程。近年來，虛擬服裝展示系統(tǒng)被廣泛用于商場、虛擬試衣間、時(shí)裝秀等。目前市面上的虛擬服裝展示系統(tǒng)主要有3種：（1）基于裸眼3D技術(shù)用大屏幕展示人模穿上服裝后的動(dòng)態(tài)效果，這種展示系統(tǒng)的不足在于無法提供沉浸式的可視化體驗(yàn)。（2）基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的商場虛擬試衣間，如Topshop虛擬試衣鏡［1］等，可實(shí)時(shí)觀看服裝穿在身上的效果，增強(qiáng)趣味性，但受商場環(huán)境影響較大，沉浸感較弱。（3）基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，如MENG等［2］建立的從虛擬縫合到基于物理的實(shí)時(shí)模擬交互式虛擬服裝試穿系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可帶給用戶高沉浸感，而且可通過虛擬設(shè)備讓用戶和系統(tǒng)有較強(qiáng)的互動(dòng)性。此外，虛擬服裝展示技術(shù)多與計(jì)算機(jī)輔助圖形設(shè)計(jì)結(jié)合，其應(yīng)用價(jià)值也廣受學(xué)者關(guān)注。MENG等［3］提出了一種面向虛擬試穿、效果評(píng)估和風(fēng)格編輯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方案，有助于加速服裝設(shè)計(jì)過程。

本文介紹的虛擬服裝展示系統(tǒng)與上述第3種虛擬服裝展示平臺(tái)的形式一致，除此之外，在對(duì)系統(tǒng)個(gè)性化打造方面提出了多樣化的選擇，新增多種模塊供用戶選擇，進(jìn)一步提高了用戶與系統(tǒng)的交互性。

1.2 人體參數(shù)化建模

人體參數(shù)化建模將人體幾何信息通過數(shù)學(xué)模型編碼到由人體形狀和姿勢表示的參數(shù)化空間，已有多種參數(shù)化建模方法。AN-GUELOV等［4］于2005年首次提出基于邊變形的SCAPE參數(shù)化人體模型；ZHOU等［5］在此模型基礎(chǔ)上，通過2D圖片重建三維骨骼，修改水平和垂直方向的人體骨骼，進(jìn)行圖片參數(shù)化；CHENG等［6］在SCAPE模型基礎(chǔ)上通過Kinect，采集大量人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫，將人體表面分為17個(gè)部分，分別對(duì)其進(jìn)行模型表面坐標(biāo)點(diǎn)控制。在構(gòu)建人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫方面，WANG［7］通過采集大量人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建人體的特征線框，通過更改特征線框，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體模型的參數(shù)化調(diào)整。

JAIN等［8］進(jìn)一步簡化SCAPE模型，提出了一種可直接在人體頂點(diǎn)坐標(biāo)上運(yùn)行的S-SCAPE參數(shù)化人體模型；為得到更加精確的人體模型，LEONID等［9］基于S-SCAPE模型和CAESAR大型人體數(shù)據(jù)庫開發(fā)了免費(fèi)的MPI參數(shù)化人體模型數(shù)據(jù)庫；基于上述參數(shù)化人體模型，可利用人體體形語義參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維人體模型的參數(shù)化編輯；文獻(xiàn)［10-12］通過線性映射的方式將諸如身高、體重等體形參數(shù)映射到三維人體模型空間；SEO等［13］通過徑向基函數(shù)學(xué)習(xí)體形參數(shù)與人體模型空間的非線性映射關(guān)系。

本文在MPI人體模型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，建立體形語義參數(shù)與人模形狀空間的線性映射關(guān)系，與已有方法的不同之處在于體形參數(shù)類別的設(shè)置及修改參數(shù)的交互方式設(shè)置。

1.3 三維服裝動(dòng)畫與建模

由于三維服裝動(dòng)畫建模的復(fù)雜性，如力學(xué)模型的建立、數(shù)值求解、碰撞檢測和響應(yīng)等，其一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題。早期三維服裝的生成主要基于物理模擬方法［14］，該方法能實(shí)現(xiàn)逼真的服裝懸垂效果和動(dòng)畫效果，但因其計(jì)算成本較高不適合虛擬試衣、游戲等高交互性應(yīng)用場合。之后，提出了利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行服裝建模。KIM等［15］于2008年首次提出利用人體骨架姿勢驅(qū)動(dòng)服裝變形的方法，在簡單的線性蒙皮變形基礎(chǔ)上增加了碰撞檢測，獲得了較好的建模效果；AGUIAR等［16］利用人體姿勢、服裝、少量元參數(shù)學(xué)習(xí)服裝布料的變形模型，建立了一個(gè)快速穩(wěn)定的服裝變形系統(tǒng)；MENG等［17］提出了一種靈活的形狀控制方法用于自動(dòng)調(diào)整服裝外觀，以生成各種體形的服裝產(chǎn)品；XU等［18］提出了一種將若干相近姿勢的服裝混合得到輸入姿勢的服裝模型的方法，提供了一種生成高逼真度布料動(dòng)畫的實(shí)時(shí)方案；LAHNER等［19］提出的Deep Wrinkles框架，由實(shí)際捕獲的數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確且逼真的三維服裝變形。不同于上述僅建立人體姿勢或體形和服裝變形關(guān)系的方法，GUAN等［20］建立了DRAPE模型，該模型同時(shí)考慮人體姿勢和形狀對(duì)服裝建模的影響，可在任意姿勢和任意形狀下實(shí)現(xiàn)三維服裝變形；WU等［21］提出了一種可快速自動(dòng)地將三維服裝擬合到不同形狀和姿勢的人體模型的方法。

本文結(jié)合虛擬時(shí)裝秀的具體需求，借鑒蒙皮算法提出了一種能適配任意體形和尺寸的服裝快速放樣方法，在交互調(diào)整體形參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)變化的三維模型實(shí)時(shí)自動(dòng)地進(jìn)行服裝適配。

2 系統(tǒng)概述

如圖1所示，虛擬服裝展示系統(tǒng)分開始、T臺(tái)和試衣間3個(gè)場景，每個(gè)場景對(duì)應(yīng)一個(gè)功能模塊，場景間可相互切換。開始場景，通過輸入性別、身高和體重?cái)?shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成具有語義屬性的著裝人體模型，若用戶對(duì)生成效果不滿意，可通過修改胸圍、腰圍、臀圍進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整。T臺(tái)場景，可展示經(jīng)個(gè)性化調(diào)整后的著裝人體模型走秀過程，從多個(gè)角度展示服裝穿著效果，同時(shí)還可對(duì)場景參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，包括背景、燈光和音樂，系統(tǒng)為此提供了多種預(yù)設(shè)方案。試衣間場景，提供虛擬試衣功能，可實(shí)時(shí)展示不同服裝經(jīng)個(gè)性化調(diào)整后的著裝效果，系統(tǒng)內(nèi)置幾種不同款式的服裝可供選擇。

圖1 虛擬服裝展示系統(tǒng)功能模塊Fig.1 The function module of virtual clothing display system

將HTC VIVE作為系統(tǒng)與用戶的交互工具，可通過HTC VIVE設(shè)備觀看服裝的動(dòng)態(tài)展示。不同于真實(shí)時(shí)裝秀對(duì)場地的限制，在此系統(tǒng)中用戶可多方位、自由變換視角欣賞走秀。此外，還可通過HTC VIVE手柄進(jìn)行交互，如控制舞臺(tái)的背景、燈光、音樂，選擇服裝和模特的外形，最大限度地打造用戶喜歡的個(gè)性化服裝展示效果。

3 基于語義參數(shù)的人體三維模型重建

采用線性回歸方法建立人體體形語義參數(shù)與三維模型空間的映射關(guān)系。語義參數(shù)如表1所示，包括身高、體重等6個(gè)主要體形數(shù)據(jù)。

表1 人體體形語義參數(shù)Table 1 Body shape semantic parameters

對(duì)基本信息類參數(shù)，可從人體模型數(shù)據(jù)庫中直接讀取；對(duì)細(xì)致調(diào)整類參數(shù)，可借鑒文獻(xiàn)［22］提出的橫截面曲線凸包測量法，測量人體胸圍、腰圍、臀圍的周長。采用Jarvis March算法［23］構(gòu)造橫截面凸包。假設(shè)一個(gè)人體模型有l(wèi)個(gè)語義參數(shù)，則m個(gè)人體模型的語義參數(shù)矩陣可表示為

采用主成分分析（PCA）法在MPI人體模型基礎(chǔ)上建立人體低維參數(shù)空間。已知MPI模型中每個(gè)人體都具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用Hi表示，每個(gè)人體網(wǎng)格有n個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)于m個(gè)具有恒定連通性的人體網(wǎng)格模型，可將其表示為一個(gè)矩陣：

其中，gi為由網(wǎng)格模型Hi的n個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)組成的一個(gè)3n×1的向量。記模版人體為

其中，qi為k維空間下的權(quán)重為歸一化的特征向量。

類似文獻(xiàn)［12］，用線性回歸方法建立人體語義參數(shù)pi和人體形狀空間qi的映射關(guān)系：

其中，T為相關(guān)矩陣，μ為相應(yīng)的殘差，用最小二乘法求解。

4 三維服裝自適應(yīng)變形

4.1 算法概述

在人體模型加載初始階段，三維服裝是放在自然的人體模型（未經(jīng)語義參數(shù)變形的初始人體）上的。當(dāng)生成具有預(yù)期語義屬性的新人體模型時(shí)，需要將服裝遷移至新模型。圖2展示的為三維服裝自適應(yīng)算法流程。首先，利用盡可能保形（as-rigidas-possible，ARAP）參數(shù)化算法［24］，計(jì)算由初始人體模型變換至目標(biāo)人體模型的旋轉(zhuǎn)矩陣，然后，將該旋轉(zhuǎn)矩陣應(yīng)用于初始服裝模型，利用混合蒙皮算法建立三維服裝頂點(diǎn)與人體模型頂點(diǎn)的聯(lián)系，生成變形后的服裝模型。

4.2 旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算

設(shè)H0為初始人體網(wǎng)格模型，頂點(diǎn)坐標(biāo)為｛v00，v01，…，v0n｝。經(jīng)預(yù)期語義屬性變形后的人體網(wǎng)格模型為H1，頂點(diǎn)坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)變換矩陣Ri，將人體網(wǎng)格頂點(diǎn)與其1-ring點(diǎn)組成的三角片作為保持剛性變換的最小單元，用ARAP參數(shù)化算法計(jì)算。在完全剛性變形時(shí)，給定Ci0為變形前初始人體頂點(diǎn)v0i的單元，Ci1為變形后頂點(diǎn)v1i的單元，則存在旋轉(zhuǎn)矩陣Ri：

圖2 三維服裝自適應(yīng)算法流程Fig.2 The algoirithm flow of 3D clothing adaptive system

其中，N（i）為人體頂點(diǎn)的一組1-ring點(diǎn)。當(dāng)為非完全剛性變形時(shí)，同樣可通過最小化加權(quán)能量函數(shù)使剛性變形最大化，以此求得最佳近似旋轉(zhuǎn)矩陣Ri，即

其中，wij為固定的余切邊權(quán)重［25-26］。令變形前單元的邊為e0ij=v0ij-v0i，變形后單元的邊為e1i

j=v1ij-v1i，則上述最小化問題等同于

令Si為協(xié)方差矩陣，則有

其中，Di為包含權(quán)重wij的對(duì)角矩陣，Pi0為以e0ij為列向量的3×N（i）的矩陣，Pi1為以e1ij為列向量的3×N（i）的矩陣。對(duì)Si=UiΣiViT進(jìn)行奇異值分解，則旋轉(zhuǎn)矩陣Ri為

其中，Ui，Vi分別為Si分解后得到的2個(gè)正交矩陣，Σi為對(duì)角陣，對(duì)角線元素為奇異值。

4.3 服裝形狀更新

設(shè)H0中的初始服裝網(wǎng)格模型為A0，頂點(diǎn)坐標(biāo)為中的目標(biāo)服裝網(wǎng)格模型為A1，頂點(diǎn)坐標(biāo)為對(duì)于每個(gè)初始服裝頂點(diǎn)u0i，可找到其在初始人體H0中的k個(gè)鄰近點(diǎn)N（i），將每個(gè)鄰近點(diǎn)v0ij的旋轉(zhuǎn)變換矩陣應(yīng)用于u0i，得到相對(duì)于具有語義屬性的人體模型的目標(biāo)服裝位置，即

其中，Rij表示第i個(gè)初始服裝頂點(diǎn)u0i的鄰近點(diǎn)v0j的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。

對(duì)u1ij進(jìn)行加權(quán)求和，得到目標(biāo)服裝頂點(diǎn)u1i的坐標(biāo)：

其中，權(quán)重wj通過計(jì)算u0i到v0ij的標(biāo)準(zhǔn)距離得到：

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過上述線性插值計(jì)算得到的目標(biāo)服裝因體積損失產(chǎn)生了褶皺。為解決此問題，用對(duì)偶四元數(shù)方法［27］進(jìn)行改進(jìn)。首先，將三維人體旋轉(zhuǎn)變換矩陣轉(zhuǎn)換為對(duì)偶四元數(shù)的形式，再將三維服裝各個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的人體頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)變換矩陣的對(duì)偶四元數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，然后，將求和后的對(duì)偶四元數(shù)變換為矩陣，最后，用此矩陣對(duì)初始服裝頂點(diǎn)進(jìn)行變換，得到目標(biāo)服裝頂點(diǎn)。對(duì)偶四元數(shù)插值算法的計(jì)算式為

4.4 算法實(shí)現(xiàn)

算法步驟如下：

輸入 變形前服裝網(wǎng)格頂點(diǎn)u0i；人體頂點(diǎn)的變換矩陣R1，R2，…，Rn；人體頂點(diǎn)索引j1，j2，…，jn；權(quán)重w1，w2，…wn。

輸出 目標(biāo)服裝頂點(diǎn)u1i。

Step 1 將變換矩陣R1，R2，…，Rn轉(zhuǎn)換為對(duì)偶四元數(shù)列表q?1，q?2，…，q?n

Step 2 將初始服裝頂點(diǎn)u0i對(duì)應(yīng)的人體頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)矩陣的對(duì)偶四元數(shù)加權(quán)求和得到q?

Step 2.2 歸一化q0=b0/||b0||，qr=br/||b0||

Step 3 將q?轉(zhuǎn)換為矩陣形式M

Step 4 計(jì)算目標(biāo)服裝頂點(diǎn)u1i=u0iM

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Unity 3D引擎用C#實(shí)現(xiàn)上述虛擬服裝展示系統(tǒng)（圖3）。

5.1 展示場景設(shè)計(jì)

5.1.1 開始場景

開始場景如圖3（a）所示，內(nèi)含秀場主題介紹、秀場海報(bào)等內(nèi)容。該場景主要實(shí)現(xiàn)模特身形尺寸的參數(shù)化調(diào)整。如圖3（b）所示，人體參數(shù)化界面包含三部分：

（1）左邊為參數(shù)化編輯控制區(qū)，含人體基本參數(shù)調(diào)整和細(xì)節(jié)參數(shù)調(diào)整2個(gè)模塊。人體基本參數(shù)包括性別、身高、體重，其中身高和體重分別以cm和kg為單位，標(biāo)注在輸入框中以提醒用戶，交互方式為文本框輸入。人體個(gè)性化細(xì)節(jié)參數(shù)包括胸圍、腰圍、臀圍，基于并不是所有用戶都知道自己的個(gè)性化參數(shù)這一考慮，將交互方式設(shè)為滑塊拖動(dòng)控制，如果將其設(shè)置為必須輸入項(xiàng)，則會(huì)給用戶帶來不便。

（2）中間為人體模型展示區(qū)，初始加載時(shí)，該區(qū)域展示的為標(biāo)準(zhǔn)形狀下穿著圖示服裝的人體模型。系統(tǒng)具有360°觀看模型效果的功能，交互方式為鼠標(biāo)拖拽，通過拖拽鼠標(biāo)觀看任意角度的著裝效果。通過輸入語義信息實(shí)現(xiàn)虛擬化的參數(shù)化編輯，包括人體模型變形和人體服裝變形。服裝變形過程與模型變形過程實(shí)時(shí)進(jìn)行。

（3）右下角為場景切換區(qū)，包括T臺(tái)和試衣間2個(gè)場景，交互方式為點(diǎn)選，用戶選擇后進(jìn)入下一流程的相應(yīng)場景。

5.1.2 T臺(tái)場景

T臺(tái)場景如圖3（d）所示，內(nèi)含U型T臺(tái)、背景、燈光、人體模型等內(nèi)容。該場景主要實(shí)現(xiàn)著裝人體模型的動(dòng)態(tài)展示，并個(gè)性化設(shè)置T臺(tái)展示效果。在人體特征點(diǎn)標(biāo)記基礎(chǔ)上生成人體模型骨架［28］，對(duì)參數(shù)化編輯后的人體模型，用Unity動(dòng)畫重定向方法將走路動(dòng)畫復(fù)用至人體模型。同時(shí)為人體服裝添加cloth組件，實(shí)現(xiàn)布料模擬，最終生成動(dòng)態(tài)展示效果，如圖4所示。

圖3（e）為使用HTC VIVE虛擬眼鏡和操作手柄示意圖，基于HTC VIVE追蹤器的空間定位功能，用戶通過走動(dòng)實(shí)現(xiàn)多角度觀看走秀效果。此外，為提供豐富有趣的體驗(yàn)，在該場景中加入個(gè)性化設(shè)置功能，主要包括6個(gè)模塊，見圖3（f）。

圖3 虛擬服裝展示系統(tǒng)場景Fig.3 T he scene of virtual clothing display system

圖4 T臺(tái)走秀序列Fig.4 Catwalk sequence diagram

（1）場景模塊，為用戶提供切換T臺(tái)背景的功能，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了3個(gè)背景。

（2）燈光模塊，具有提供切換T臺(tái)整體燈光主題的功能，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了6種不同色彩、氛圍的燈光方案，值得注意的是，這些不同的燈光方案產(chǎn)生的效果都是預(yù)先通過燈光烘焙方法生成的，在切換時(shí)只需更改場景的燈光貼圖，因此可產(chǎn)生實(shí)時(shí)更改的效果。

（3）音樂模塊，具有提供切換場景和播放音樂的功能，系統(tǒng)同樣預(yù)設(shè)了6種不同音樂風(fēng)格的方案。

（4）服裝模塊，提供場景切換，服裝模塊對(duì)應(yīng)試衣間場景。

（5）人體模型模塊，人體模型模塊對(duì)應(yīng)開始場景。

（6）退出系統(tǒng)。

5.1.3 試衣間場景

試衣間場景如圖3（c）所示，內(nèi)含試衣臺(tái)、裝飾衣架等，實(shí)現(xiàn)人體換裝。其界面分3部分：

（1）左邊為服裝選擇區(qū)，以二維圖像方式展示系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)的6種服裝，包括3件上衣和3條褲裝。

（2）中間部分為人體模型展示區(qū)，展示當(dāng)前穿著未更換服裝的具有語義屬性的人體模型。用戶點(diǎn)選服裝后，即更換為穿著所選服裝的具有語義屬性的人體模型。值得注意的是，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的服裝均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)人體模型制作，因此在進(jìn)行換裝時(shí)，需增加服裝變形的預(yù)計(jì)算操作，并將變形后的服裝加載到人體上。

（3）右下角為場景切換模塊，包括開始場景和T臺(tái)場景，選擇后進(jìn)入下一流程的相應(yīng)場景。

5.2 人體參數(shù)化設(shè)計(jì)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)的男女平均身高、體重?cái)?shù)據(jù)，設(shè)置男性人體模型的初始身高為170 cm、體重為63 kg；女性人體模型的初始身高為160 cm、體重為54 kg。基于三維人體模型數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到初始人體模型胸圍、腰圍、臀圍的平均值，人體參數(shù)化重建可描述為：（1）生成初始男性人體模型，如圖5（a）所示；（2）輸入性別、身高、體重，系統(tǒng)自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)身形，如圖5（b）所示；（3）通過滑塊設(shè)置胸圍、腰圍、臀圍參數(shù)，進(jìn)一步調(diào)整身形，如圖5（c）所示。

圖5 人體參數(shù)化設(shè)計(jì)示意Fig.5 Parametric design of human body

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在Win10x64、英 特 爾Xeon E5-2630、Nvidia Quadro K4200的臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

6.1 人體參數(shù)化效果

為更好地評(píng)估上述人體參數(shù)化建模的效果，將其與直接使用PCA權(quán)重參數(shù)建模的效果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。可見，當(dāng)改變腰圍時(shí)，基于PCA參數(shù)映射生成的結(jié)果，雖然直觀上只改變了人體模型腰圍的大小，但對(duì)腰部以下的區(qū)域都有影響。同樣，當(dāng)改變臀圍時(shí)，基于PCA參數(shù)映射生成的結(jié)果會(huì)影響人模腰部，而本文建立的語義模型很好地孤立了人體各個(gè)部位，建模更加準(zhǔn)確。此外，由于人的身高和體重具有相關(guān)性，在體重不變的情況下，改變身高，體形也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。圖6展示了身高參數(shù)變化時(shí)的結(jié)果對(duì)比。由圖6可知，本文方法很好地建立了人體模型身高和體重的關(guān)系。當(dāng)身高增加時(shí)，生成的人體模型變瘦，而基于PCA參數(shù)映射的方法僅改變身高，身形不變。

圖6 PCA權(quán)重參數(shù)建模與人體參數(shù)化建模效果對(duì)比Fig.6 PCA weight parameters and semantic parameters effect comparison

6.2 服裝自適應(yīng)效果

圖7 展示的為服裝自適應(yīng)算法得到的最終效果。圖7中，（a）為初始人體模型，（b）為經(jīng)語義變形后的目標(biāo)人體模型，（c）為穿著初始服裝的初始人體模型，（d）為穿著初始服裝的目標(biāo)人體模型，（e）為經(jīng)算法變形后穿著合適服裝的目標(biāo)人體模型。可知，經(jīng)服裝自適應(yīng)算法變形后的三維服裝可以很好地匹配變形后的人體模型，生成自然的著裝效果。本文服裝自適應(yīng)算法在一定程度上可保證服裝版型和服裝紋理不發(fā)生較大的改變，如褲子在變形后不會(huì)緊貼人模皮膚表面，而是保持了直筒的版型。

本文算法的變形效果一方面受與服裝頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)的人體頂點(diǎn)數(shù)的影響，另一方面受蒙皮插值算法的影響。一般情況下，線性插值算法與對(duì)偶四元數(shù)插值算法的視覺效果差別不大，此時(shí)，服裝變形效果主要與人體關(guān)聯(lián)點(diǎn)數(shù)量相關(guān)，用變量K值控制，不同K值的服裝變形效果如圖8所示。K值越大，服裝頂點(diǎn)受周圍人體頂點(diǎn)數(shù)的約束越多，所產(chǎn)生的變形效果越精確，同時(shí)，計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)增加。當(dāng)K值大于6后，隨K值的增大，在視覺上服裝變形效果不再明顯，因此，本文取K=6作為變形效果和運(yùn)行時(shí)間的平衡點(diǎn)。此外，當(dāng)人體模型身形變化較大時(shí)，用線性插值算法計(jì)算得到的服裝變形由于體積損失，在人體模型腋下部位會(huì)產(chǎn)生褶皺，見圖9（a）。對(duì)偶四元數(shù)插值算法可很好地解決服裝褶皺問題，生成更光滑、真實(shí)的服裝變形效果，見圖9（c）。

圖7 服裝自適應(yīng)算法示意Fig.7 The results of clothing adaptive algorithm

圖8 不同K值時(shí)的服裝變形效果Fig.8 Clothing deformation effects with different K values

表2為本文算法的性能列表，算法運(yùn)行時(shí)間與服裝模型網(wǎng)格數(shù)呈正相關(guān)。初始人體模型加載時(shí)需進(jìn)行人體模型1-ring點(diǎn)查找、服裝模型鄰近點(diǎn)查找預(yù)處理，耗時(shí)較長。但在后續(xù)人體模型個(gè)性化更改時(shí)可實(shí)時(shí)交互。此外，雖然對(duì)偶四元數(shù)混合蒙皮算法在服裝變形效果上優(yōu)于線性混合蒙皮算法，但其運(yùn)行時(shí)間約為線性混合蒙皮算法的2倍。在實(shí)際應(yīng)用中，可綜合考慮服裝變形效果和運(yùn)行時(shí)間，選取最適合的算法。

圖9 不同插值算法的服裝變形效果Fig.9 Clothing deformation effects with different interpolation methods

表2 運(yùn)行時(shí)間Table 2 The computation time cost

7 結(jié) 語

提出了一個(gè)面向高級(jí)定制的虛擬服裝展示系統(tǒng)。首先，利用線性回歸映射方法，在人體參數(shù)化模型基礎(chǔ)上，建立了基于體形語義參數(shù)的重建三維人體模型框架；然后，根據(jù)ARAP參數(shù)化算法計(jì)算具有不同語義屬性人體模型的轉(zhuǎn)換矩陣，利用線性混合蒙皮算法和對(duì)偶四元數(shù)混合蒙皮算法，建立了人體頂點(diǎn)和服裝頂點(diǎn)的變形關(guān)系，實(shí)現(xiàn)服裝隨體形的自適應(yīng)變化，生成具有著裝效果的三維人體模型；最后，在基于語義的三維人體建模和三維服裝自適應(yīng)變形基礎(chǔ)上，在Unity環(huán)境下，通過集成骨骼動(dòng)畫技術(shù)、布料模擬技術(shù)、光線追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包括個(gè)性化著裝人體模型建立、虛擬換裝和著裝人體模型的動(dòng)態(tài)走秀展示3個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)虛擬服裝展示系統(tǒng)。

然而，本文方法存在局限性。對(duì)三維服裝展示效果的感知，一方面取決于三維人體模型形體參數(shù)與真實(shí)形體的一致性，另一方面受三維人體模型面部重建的影響，本文提出的系統(tǒng)未包括人臉建模功能。因此，未來可考慮加入人臉重建模塊，通過照片重建等方式構(gòu)建更加個(gè)性化的人體模型。而且在人體參數(shù)和服裝參數(shù)設(shè)置，以及生成效果評(píng)估上，應(yīng)更多地參照服裝領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姡筛犀F(xiàn)代高級(jí)定制用戶需求的服裝效果。