基于三維圖像分析的服裝設(shè)計(jì)合理性仿真

張慶

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的大規(guī)模量體定制的服裝生產(chǎn)，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行了基于三維圖像分析的服裝設(shè)計(jì)合理性仿真。采用 Marching Cubes 方法重建三維人體表面模型，基于彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型完成布料虛擬仿真，采用基于正則柵格法的四邊域網(wǎng)格剖分算法實(shí)現(xiàn)二維衣片到三維柔性曲面的變換。給出了三維虛擬服裝的縫合過程，并塑造人體模型的OBB樹進(jìn)行虛擬服裝同人體模型間的碰撞檢測(cè)，并在碰撞過程中及時(shí)解決響應(yīng)問題，最終實(shí)現(xiàn)三維服裝虛擬試穿，完成服裝設(shè)計(jì)合理性的準(zhǔn)確分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提方法可對(duì)不同類型服裝設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 三維圖像； 服裝設(shè)計(jì)； 合理性仿真； 縫合過程

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP339 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0076?04

Clothing design rationality simulation based on 3D image analysis

ZHANG Qing

（College of Art and Design， Huanghe Science & Technology College， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： In order to realize the large?scale fully?tailored clothing production， and improve the enterprise economic benefit， the clothing design rationality simulation based on 3D image analysis was performed. The Marching Cubes method is used to reconstruct the 3D human body surface model to realize the fabric virtual simulation based on the spring?particle model. The quadrilateral mesh generation algorithm based on regular grid method is adopted to convert the two?dimensional clothing parts into the three?dimensional flexible surface. The seaming process of 3D virtual clothing is given. The OBB tree of human body model is constructed to perform the collision detection between the virtual clothing and human body model. The response problem is solved timely in the collision process to realize the 3D clothing virtual fitting， and analyze the rationality of clothing design accurately. The experimental results show that the method can predict the design rationality of different clothing types accurately.

Keywords： 3D image； clothing design； rationality simulation； seaming process

0 引 言

當(dāng)前數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用于服裝行業(yè)，促進(jìn)了服裝企業(yè)信息采集的效率，進(jìn)而進(jìn)行大規(guī)模的量體定制的服裝生產(chǎn)計(jì)劃，給各用戶帶來(lái)個(gè)性化的服務(wù)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。三維全身掃描技術(shù)、虛擬服裝試穿技術(shù)以及人體尺寸的自主采集都是大規(guī)模量體定制技術(shù)，而融合三種技術(shù)的基于三維圖像分析的服裝設(shè)計(jì)合理性仿真分析過程為企業(yè)準(zhǔn)確分析不同客戶對(duì)服裝的個(gè)性需求和意見[2]，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的應(yīng)用意義。

1 重建三維人體表面模型

三維人體表面形狀復(fù)雜，為了提高人體表面模型重建的質(zhì)量，應(yīng)將多輪廓線間的形體重構(gòu)過程看成人體數(shù)據(jù)的等值面構(gòu)建過程，具體過程為：采用三維全身掃描部件間隔高度，對(duì)人體進(jìn)行掃描，采集人體輪廓線，并設(shè)置輪廓線平面中的采樣網(wǎng)絡(luò)為大小，獲取元規(guī)格是的立方體。對(duì)人體輪廓線進(jìn)行分區(qū)域處理，將其分割成二維數(shù)據(jù)場(chǎng)[3]，再基于高度信息獲取體數(shù)據(jù)[4]，采用特殊方法獲得等值面，進(jìn)而完成三維人體表面模型的構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 重建三維人體表面模型

2 虛擬服裝試穿

虛擬設(shè)計(jì)是服裝企業(yè)實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的重要技術(shù)。通過利用虛擬設(shè)計(jì)服裝試穿技術(shù)，顧客可依據(jù)自身的三維人體模型體驗(yàn)服裝的試穿效果，分析服裝設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而提出修改意見[5]，獲取個(gè)性化的服裝。本文基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型完成服裝穿著的動(dòng)態(tài)仿真，分析虛擬服裝試穿技術(shù)。

2.1 服裝布料仿真

2.1.1 彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型

彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型由四邊形質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格組成，其行和列的粒子間距是1，布料由不透明的三角形網(wǎng)格組成，這些多邊形頂點(diǎn)通過質(zhì)點(diǎn)的區(qū)域。如圖2所示的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由質(zhì)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)彈簧、剪切彈簧以及彎曲彈簧構(gòu)成。其中，結(jié)構(gòu)彈簧可確保布料的四邊形狀態(tài)的穩(wěn)定性，剪切彈簧能夠完成外表力的傳遞，彎曲彈簧避免了布料被撕裂。

圖2 彈簧質(zhì)點(diǎn)模型

2.1.2 基于彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型的布料模擬仿真實(shí)現(xiàn)

在上述分析的彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行布料模擬仿真，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1） 給出各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量以及各彈簧的彈性系數(shù)；

（2） 運(yùn)算獲取各質(zhì)點(diǎn)受到的力；

（3） 運(yùn)算獲取各質(zhì)點(diǎn)的加速度

（4） 運(yùn)算獲取各質(zhì)點(diǎn)的速度；

（5） 運(yùn)算獲取各質(zhì)點(diǎn)的位移；

（6） 如果各質(zhì)點(diǎn)達(dá)到平衡，結(jié)束運(yùn)算。否則，返回步驟（3）。

采用VC++，OpenGL對(duì)布料進(jìn)行懸垂模擬，結(jié)果如圖3所示。

2.2 二維衣片到三維曲面的變換

二維衣片到三維曲面的變換過程中，需要采用基于正則柵格法的四邊域網(wǎng)格剖分算法[6]對(duì)二維衣片離散，剖分生成基于彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型的網(wǎng)格形式，實(shí)現(xiàn)二維衣片到三維服裝的變換。

基于正則柵格法的四邊域網(wǎng)格剖分算法，在目標(biāo)范圍上部署完全包含目標(biāo)區(qū)域的正則柵格，而那些處于目標(biāo)范圍外的柵格單元將被過濾掉，進(jìn)而確保柵格單元同目標(biāo)范圍間的距離最小化[7]。最終采用合理的樣式將全部的柵格單元分割成大量的網(wǎng)格單元，并通過光滑技術(shù)對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行再次處理，實(shí)現(xiàn)二維樣片到三維柔性曲面的變換，結(jié)果如圖4所示。

圖3 布料網(wǎng)絡(luò)和懸垂模擬

圖4 基于正則柵格法的四邊域網(wǎng)格剖分實(shí)例

2.3 虛擬服裝的三維縫合過程

進(jìn)行虛擬服裝的三維縫合時(shí)，采用空間幾何轉(zhuǎn)換手段以及交互手段，分別設(shè)置衣片的初始坐標(biāo)以及縫合的初始坐標(biāo)，并將衣片部署在三維人體表面模型相關(guān)的合理位置，完成二維到三維的轉(zhuǎn)換[8]，再依據(jù)相應(yīng)的工藝順序完成虛擬服裝的縫制，如圖5所示。

圖5 虛擬服裝的三維縫合

2.4 碰撞檢測(cè)

模擬人體試穿三維虛擬服裝時(shí)，將形成大量的碰撞現(xiàn)象。因此有效處理碰撞問題才可真實(shí)地實(shí)現(xiàn)虛擬穿衣的模擬。本文采用OBB樹算法將向性包圍盒當(dāng)成物體的包圍盒，構(gòu)成OBB樹進(jìn)行碰撞檢測(cè)。通過“分割軸”方法檢測(cè)兩個(gè)包圍盒是否相交，并確保包圍盒通物體緊密相連，增強(qiáng)包圍盒檢測(cè)的命中率。一個(gè)OBB是三維空間內(nèi)某任意方向的長(zhǎng)方體包圍盒，多個(gè)OBB集成的層次結(jié)構(gòu)則為OBB樹。

2.4.1 塑造人體的OBB方向包圍盒

基于獲取的三維人體表面重建模型，將人體分割成15個(gè)部分，分割結(jié)果如圖6所示。

按照人體分割的結(jié)果，塑造人體的OBB方向包圍盒，如圖7所示。

2.4.2 碰撞檢測(cè)算法

碰撞檢測(cè)算法的偽代碼為：

//個(gè)對(duì)象

//檢測(cè)時(shí)間從to依據(jù)步長(zhǎng)計(jì)算

Simulation（）

{

…

for {

//update 個(gè)對(duì)象的行為；

bool flag =CollisionDetect

If（flag）

Calculate collision response；

描述個(gè)對(duì)象

}

}

//碰撞檢測(cè)過程，其中Tprev為全局變量，設(shè)置初值為

//dt is Sampling step size of collision detection，且

CollisionDetect（Tcurr，）

{

for（t=Tprev to Tcuur， 步長(zhǎng)為）

{

for（中每個(gè)對(duì)象）

將放置在時(shí)間的點(diǎn)上；

for（中每個(gè)對(duì)象）

for（中每個(gè)對(duì)象）

If（與相交）

時(shí)刻完成碰撞檢測(cè)；

}

Tprev=Tcuur；

}

2.5 人體虛擬穿衣的仿真和合理性分析

2.5.1 虛擬穿衣模擬過程

（1） 采集二維服裝CAD系統(tǒng)制定的衣片；

（2） 提取全部待縫合衣片的縫合邊；

（3） 將二維衣片剖分成彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型，實(shí)現(xiàn)二維衣片到三維柔性曲面的變換；

（4） 將衣片交互式部署在三維人體表面模型的原始位置；

（5） 塑造三維人體表面模型的OBB樹；

（6） 對(duì)衣片進(jìn)行縫合，同時(shí)進(jìn)行三維人體表面模型?衣片以及衣片?衣片間的碰撞檢測(cè)處理，同時(shí)做出相應(yīng)的碰撞響應(yīng)[9]。

2.5.2 人體虛擬穿衣實(shí)現(xiàn)以及合理性分析

人體虛擬穿衣的仿真實(shí)現(xiàn)過程也就是實(shí)現(xiàn)二維服裝樣板到三維服裝的轉(zhuǎn)化過程，如圖8所示。從中能夠看出，轉(zhuǎn)化過程實(shí)現(xiàn)了平面衣片到立體服裝的變換，真實(shí)模擬出服裝的自然垂感，可對(duì)服裝設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

圖8 人體虛擬穿衣的實(shí)現(xiàn)過程

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)使用最小二乘一元先行回歸法對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于三維圖像分析的服裝設(shè)計(jì)合理性方法以及基于BP預(yù)測(cè)模型的服裝設(shè)計(jì)合理性分析方法的預(yù)測(cè)性能進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置著裝皮膚舒適性指數(shù)預(yù)測(cè)值，也就是不同方法的預(yù)測(cè)結(jié)果是期望值也就是實(shí)測(cè)值再使用該最小二乘一元回歸法對(duì)以及進(jìn)行線性回歸分析，獲取直線若獲取的兩條直線相似度高，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高，并分析預(yù)測(cè)值同實(shí)測(cè)值的相關(guān)性，若相關(guān)系數(shù)高于0.7，則說(shuō)明相應(yīng)方法對(duì)服裝設(shè)計(jì)合理性的預(yù)測(cè)精度高。

3.1 棉質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)樣本集是10個(gè)受試者穿著三種不同類型棉質(zhì)服裝進(jìn)行舒適性測(cè)試，也就是服裝的合理性檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)。從中選擇15個(gè)樣本作為樣本集檢驗(yàn)不同方法的預(yù)測(cè)效果，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 棉質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性BP預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)

圖10 棉質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性本文方法預(yù)測(cè)

從圖9，圖10中可得，BP預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值同實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為62.37%，而本文方法的相關(guān)系數(shù)為87.64%，說(shuō)明本文方法的預(yù)測(cè)效果更好。采用檢驗(yàn)法對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

分析表1可得，兩種方法的相關(guān)系數(shù)都是顯著性相關(guān)，而本文方法的相關(guān)系數(shù)最顯著。說(shuō)明本文方法對(duì)棉質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于BP預(yù)測(cè)方法。

3.2 絲質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)樣本集是10個(gè)受試者穿著三種不同類型絲質(zhì)服裝進(jìn)行舒適性測(cè)試，也就是服裝的合理性檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)。從中選擇15個(gè)樣本作為檢驗(yàn)樣本集檢驗(yàn)不同方法的預(yù)測(cè)效果，結(jié)果如圖11和圖12所示。

分析圖11，圖12可得，BP預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值同實(shí)測(cè)值間的相關(guān)系數(shù)為71.25%，而本文方法的相關(guān)系數(shù)為90.58%，說(shuō)明本文方法對(duì)絲質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性的預(yù)測(cè)效果更優(yōu)。進(jìn)一步采用檢驗(yàn)法對(duì)相關(guān)系數(shù)做顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

分析表2可得，兩種方法的相關(guān)系數(shù)都是顯著性相關(guān)，而本文方法的相關(guān)系數(shù)更為顯著。說(shuō)明相對(duì)于BP預(yù)測(cè)方法，本文方法對(duì)絲質(zhì)服裝設(shè)計(jì)合理性具備良好的預(yù)測(cè)性能。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了基于三維圖像分析的服裝設(shè)計(jì)合理性仿真，完成服裝設(shè)計(jì)合理性的準(zhǔn)確分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提方法可對(duì)不同類型服裝設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

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