虛擬三維服裝展示技術(shù)的現(xiàn)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(shù)經(jīng)歷了簡單服裝變形形態(tài)的靜態(tài)模擬到三維復(fù)雜服裝動態(tài)模擬的過程。從建模技術(shù)、動態(tài)模擬、褶皺處理、虛擬展示構(gòu)造方法等方面，提出系統(tǒng)的設(shè)計方案，歸納整理出適合三維服裝虛擬展示的主要技術(shù)方案，系統(tǒng)地介紹虛擬三維服裝展示技術(shù)的研究現(xiàn)狀，詳細地分析虛擬三維服裝展示技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來研究趨勢。

關(guān)鍵詞：虛擬；三維服裝；建模技術(shù)；展示

中圖分類號：J0-05 文獻標(biāo)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(jù)服裝設(shè)計和展示陳列人員陳展需要，運用計算機科學(xué)、藝術(shù)等其他學(xué)科領(lǐng)域的知識，在計算機里建立數(shù)字化的服裝采樣系統(tǒng)，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(shù)改變了傳統(tǒng)的采用真人模特試衣的方式，利用計算機技術(shù)和交互技術(shù)就可以進行服裝的立體展示。

1 虛擬三維服裝展示技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外關(guān)于虛擬三維服裝展示技術(shù)的研究

國外關(guān)于虛擬三維服裝展示技術(shù)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(tǒng)。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(jīng)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(shù)中的三維服裝物理建模的研究上，即表現(xiàn)服裝動態(tài)時的力學(xué)性能。此外，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的MIRALAB實驗室以及H&M服裝公司推出了網(wǎng)上試衣間服務(wù)以及著名的My Virtual Model（MVM）試衣網(wǎng)站，英國倫敦技術(shù)學(xué)院的“Center for 3D Electronic Commerce”項目，歐洲信息與算法研究協(xié)會的“MtoM3D”項目等都對三維服裝虛擬展示技術(shù)進行了相關(guān)研究。

1.2 國內(nèi)關(guān)于虛擬三維服裝展示技術(shù)的研究

我國關(guān)于虛擬三維服裝展示技術(shù)的研究還處于發(fā)展階段。杭州森動數(shù)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(shù)、增強現(xiàn)實以及體感技術(shù)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(xué)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(zhì)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(shù)在國內(nèi)趨于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。此外，北京服裝學(xué)院、浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室、東華大學(xué)、中科院以及天津工業(yè)大學(xué)等高校均在該領(lǐng)域有所研究，并通過相關(guān)課題研究取得一定的成果。

2 虛擬三維服裝展示技術(shù)的研究內(nèi)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(jù)服裝款式、材料等元素的需要建立與之對應(yīng)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(shù)據(jù)以及三維軟件建模 3 種方法，其中三維軟件建模方法是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的趨勢與主流。

幾何建模方法是根據(jù)人體結(jié)構(gòu)及其特征，定義與之對應(yīng)三維人體造型特征。該方法出現(xiàn)時間較早，是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展階段的重要技術(shù)支撐，此方法以幾何信息和拓撲信息反應(yīng)三維人體的具體結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，是虛擬三維服裝展示技術(shù)初期的重要技術(shù)手段。

三維掃描數(shù)據(jù)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(shù)字人體重建。它將人體的三維結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為人體數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜時運行速度較慢，所以三維掃描數(shù)據(jù)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(zhǔn)、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(zhì)、調(diào)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(zhuǎn)換。三維軟件建模是當(dāng)今三維虛擬展示的主流技術(shù)手段，不僅縮短了建模的時間，而且所建模型數(shù)據(jù)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(tǒng)的物理建模法以及結(jié)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(xiàn)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(chǔ)，求得服裝各造型點的數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)服裝款型等因素對模型進行經(jīng)緯線劃分，通過截取面得到數(shù)據(jù)，最后，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(zhì)感的模擬效果較差。

物理建模法：通過選擇參數(shù)值可以較為直觀地控制服裝的懸垂與質(zhì)感。在模擬中區(qū)分毛、棉、絲、麻等不同服裝質(zhì)感，可較好地模擬服裝的真實效果。但是其模型復(fù)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(zhì)感以及局部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)精準(zhǔn)，又能展現(xiàn)不同材料的服裝的懸垂與質(zhì)感（圖 2）。

2.3 三維場景的建立

三維服裝虛擬展示需要設(shè)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(nèi)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(zhì)、設(shè)定應(yīng)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(diào)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(yīng)用程序。在當(dāng)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(shù)研究趨勢

3.1 虛擬三維服裝展示技術(shù)的不足

當(dāng)前，虛擬三維服裝展示技術(shù)日趨成熟，已由最初的簡單服裝的靜態(tài)展示發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)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(zhì)感與動感的表現(xiàn)、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(tǒng)較少，二維衣片和三維服裝之間的轉(zhuǎn)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(shù)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(xué)者共同的努力與合作，研發(fā)出更好的服裝虛擬展示系統(tǒng)。

3.2 虛擬三維服裝展示技術(shù)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(guān)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(nèi)外的專家學(xué)者對其都有研究，但是算法和物理模型在實踐中都與預(yù)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(guān)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(shù)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(shù)已經(jīng)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(zhǔn)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(shù)中的一種，值得對其深入研究。

（3）虛擬三維服裝展示技術(shù)的挑戰(zhàn)

在虛擬三維服裝展示技術(shù)研究上還存在許多難題，如服裝仿真建模和數(shù)值計算等問題。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜與材料較多的服裝，如何構(gòu)建仿真模型、服裝從靜態(tài)懸垂到動態(tài)變形怎樣相互轉(zhuǎn)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(fù)雜的各向異性和非線性力學(xué)行為的模擬等問題，對于虛擬三維服裝展示技術(shù)的發(fā)展無疑是棘手的難題與挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

虛擬三維服裝展示技術(shù)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(xiàn)了虛擬人體由靜態(tài)到動態(tài)的靈活轉(zhuǎn)換、虛擬服裝紋理與質(zhì)感的真實表現(xiàn)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(shù)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(shè)計師可以隨心所欲地將自己設(shè)計的服裝借助虛擬展示技術(shù)瀏覽服裝在三維空間的效果，從而大大縮短了成衣的生產(chǎn)周期和展示成本，這將在時尚服裝的個性化設(shè)計與定制、傳統(tǒng)服裝的數(shù)字化展示等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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