虛擬試衣中人體建模技術(shù)的研究進(jìn)展

石美紅,劉 英,趙雪青，高全力

(西安工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院/陜西省服裝設(shè)計智能化重點實驗室,陜西 西安 710048)

0 引 言

智能化、信息化、個性化的虛擬試衣體驗必將成為人們未來服裝購買體驗的發(fā)展趨勢。人體建模的好壞直接影響后期三維虛擬試衣實現(xiàn)的逼真效果。人體建模技術(shù)是計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、人工智能等學(xué)科的交叉。它是通過各種計算機(jī)技術(shù)模擬真實的人體，并以三維立體的形式逼真地展示人體模型，其研究成果廣泛應(yīng)用于服裝設(shè)計、影視制作、場景虛擬、網(wǎng)絡(luò)試衣、3D人體醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。因此，研究三維虛擬試衣的人體建模方法具有廣泛的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。

1 人體建模方法

從動力學(xué)角度出發(fā),人體模型的建立需要根據(jù)人體數(shù)據(jù)和身體各部分特征,符合人體動力學(xué)特性,更加準(zhǔn)確地描述出人體的結(jié)構(gòu)特性[1]。由于人體的形態(tài)復(fù)雜且相互之間差異較大,所以必須針對不同的人體建立出與其特征匹配的三維人體模型。因此,高效、逼真地建立人體模型是三維虛擬試衣的前提和基礎(chǔ)，也是整個三維虛擬試衣系統(tǒng)的重心所在。根據(jù)人體建模數(shù)據(jù)的獲取方式不同,人體建模主要分為以下5類：

1.1 基于三維掃描數(shù)據(jù)的人體建模

基于三維掃描數(shù)據(jù)的三維人體建模是利用專業(yè)的掃描設(shè)備對真實的人體進(jìn)行幾何重建的一種方法。即利用三維掃描儀獲取數(shù)據(jù)再進(jìn)行三維人體模型創(chuàng)建的技術(shù)。該方法主要是通過從三維掃描儀器獲得的多個方位的人體三維數(shù)據(jù),采用提取關(guān)鍵點、模板匹配等技術(shù)放大,對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而得出一套完整的三維人體模型。圖1～2為三維人體掃描儀及其工作原理。

圖 2 掃描設(shè)備工作原理Fig.2 The operating principle of scanning equipment

國內(nèi)外研究學(xué)者利用三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行人體建模的方法不斷優(yōu)化。劉雁[2]通過三維掃描儀獲得大量的人體模型數(shù)據(jù),運(yùn)用網(wǎng)格小平面發(fā)建立人體模型,從而提高了建模的效率和模型的可控性。韓凱等[3-4]利用多組掃描儀分工協(xié)作、優(yōu)勢互補(bǔ),分別獲得了高辨識度的人體無關(guān)點云數(shù)據(jù)、人體上身和全身輪廓點云數(shù)據(jù),通過引入特征點和改進(jìn)的最近點迭代法將采集到的三組點云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊、替換、拼接,從而構(gòu)建出高辨識度的三維人體模型。

1.2 基于數(shù)據(jù)模型重用的人體建模

數(shù)據(jù)模型重用[5]的思想就是利用已有的三維人體模型,通過對這些模型中同類或者相似的模型進(jìn)行分析、變形、編輯、合成等操作,獲得大量其他體型的人體模型。即用形體參數(shù)修改人體參數(shù)的值,控制人體尺寸,從而使形體發(fā)生改變。

隨著人體建模研究的發(fā)展,近年來研究者積累了大量的人體建模數(shù)據(jù)。若能有效重用已有數(shù)據(jù)模型來創(chuàng)建新的人體模型,就能節(jié)省人們的時間、精力以及成本。重用已有數(shù)據(jù)生成的人體模型，還可以入數(shù)據(jù)庫繼續(xù)重復(fù)使用。數(shù)據(jù)模型重用的思想已經(jīng)成為計算機(jī)圖形學(xué)的重要研究課題[6]。藍(lán)榮祎[7]采用數(shù)據(jù)模型重用的思想，提出了一種通用的人體運(yùn)動表示,在運(yùn)動數(shù)據(jù)與文本數(shù)據(jù)間建立橋梁,再對文本進(jìn)行分監(jiān)督的主題建模,從而構(gòu)建出多樣化的虛擬角色運(yùn)動模型。合成多種風(fēng)格、任意長度的運(yùn)動序列,還可以編輯設(shè)定人體姿勢。WANG等[8]根據(jù)人體測量工學(xué)的人體測量參數(shù)和文本語義分析，從數(shù)據(jù)庫中找出與之相似度較高的已有人體模型,不斷進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,優(yōu)化人體局部參數(shù),從而構(gòu)建出個性化的人體模型數(shù)據(jù)。

1.3 基于照片信息的人體建模

基于照片信息的人體建模方法一直是計算機(jī)圖形圖像學(xué)者研究的熱點。它[9-18]是利用獲取的圖片信息,采用圖像處理技術(shù),構(gòu)建出人體的幾何特征,從而重建出人體模型的一種方法,如圖3所示。

圖 3 基于正交圖片的人體建模Fig.3 Human modeling based on orthogonal images

HILTON等[10]根據(jù)來自不同角度拍攝的人體彩色照片，通過提取輪廓的圖像特征點，恢復(fù)人體輪廓形狀,然后再對其模型進(jìn)行變形,從而得到真實的人體表面。WANG 等[11]從兩張正交的人體視圖照片，首先采用有效的圖像分割方法，得到人體輪廓，再利用人體形態(tài)學(xué)規(guī)則，基于模板的特征提取，確定人體輪廓上的特征點，最后運(yùn)用一種視景變形技術(shù)構(gòu)造人體模型。鄧衛(wèi)燕[13]基于圖像的人體特征區(qū)域和特征參數(shù)提取得到人體尺寸信息，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人體體形信息生成三維人體特征曲線，通過特征尺寸、曲線驅(qū)動相似三維人體變形，從而快速生成個性人體模型。盛偉[14]提出一種基于多幅照片的人體建模方法，即利用基于特征點的人體三維重建方法的思想，通過將人體分解成頭、脖、軀干、手臂、手掌、腿、腳等部位，采用分部位逐層重建技術(shù)構(gòu)造人體模型。ZHU[16]基于從被測者的三視圖照片上獲取的有限尺寸特征,重建了被測者詳細(xì)的人體三維幾何特征,從而實現(xiàn)了一種智能建模定制的方法。

1.4 基于解剖學(xué)的人體建模

基于解剖學(xué)[19-22]的人體建模技術(shù)屬于一種創(chuàng)造性的建模方法。人體解剖學(xué)是一門研究正常人體形態(tài)和構(gòu)造的科學(xué),隸屬于生物科學(xué)的生態(tài)學(xué)范疇[23]?；诮馄蕦W(xué)的人體建模需要對人體結(jié)構(gòu)有著很好的理解,特別是人體骨骼和肌肉的組成分布。人體結(jié)構(gòu)大至分為軀干、上肢、下肢和頭部(含頸部)這4種。人體模型都是建立在人體結(jié)構(gòu)之上的,所以沒有骨骼和肌肉，所建立的模型是不符合人體工學(xué)的。人體結(jié)構(gòu)層次從外到內(nèi)包括皮膚層、肌肉層、結(jié)締組織層和骨架層,每一層都有自己的生理特征和物理屬性,需要采用適當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM(jìn)行建模。最后還要將各層整合起來,生成外觀逼真、運(yùn)動自然、結(jié)構(gòu)完善的人體模型[19]。解剖學(xué)人體模型如圖4所示。

圖 4 基于解剖學(xué)的人體模型Fig.4 Human modeling based on anamoty

由于人們的骨骼大小不同,脂肪薄厚不同以及肌肉質(zhì)感的差異,使得人體的特征也千差萬別?；谌梭w解剖學(xué)原理,左立等[22]提出了一種基于解剖學(xué)的人體肌肉層建模和變形的方法,建模方法考慮了解剖學(xué)方面的準(zhǔn)確性，并適合實時變形模擬。實驗表明，在人體建模的變形速度和逼真程度上取得了良好的效果,也可應(yīng)用到其他軟組織的建模中。關(guān)景火等[24]提出一種結(jié)合三維構(gòu)型、運(yùn)動檢測、數(shù)學(xué)分析以及生物力學(xué)、解剖學(xué)等多方面知識的3D人體分層建模方法, 其優(yōu)勢在于將骨骼動畫和皮膚變形問題分開,可以根據(jù)各層特點,采用合適的方法分別對人體各層建模,從而得到符合要求的人體模型。

1.5 基于交互式建模軟件的人體建模

三維建模軟件[25-31]的交互式建模技術(shù)是指運(yùn)用某種3D建模軟件,制作人體模型的方法。運(yùn)用建模軟件不需要很多的命令指示,根據(jù)人體結(jié)構(gòu)的特點,只需要通過交互界面的操作控件,從局部到整體進(jìn)行人體模型建立,同時也可以對人體模型進(jìn)行紋理繪制、骨骼綁定、模擬場景等一系列的操作,從而更加貼近現(xiàn)實,建造出的模型也更加逼真。隨著交互式建模軟件的不斷更新,其操作更加便捷、直觀,能夠更好地模擬人體各層組織結(jié)構(gòu)以及實時運(yùn)動,更加逼真地展現(xiàn)了三維人體模型效果，如圖5所示。

圖 5 基于交互式建模軟件的人體建模Fig.5 Human modeling based on interactive modeling software

2 人體建模技術(shù)比較與分析

隨著三維人體建模技術(shù)的不斷發(fā)展,建模方法層出不窮,每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點,下面對現(xiàn)有的幾種建模技術(shù)進(jìn)行比較分析。

基于三維掃描數(shù)據(jù)的人體建模是人體表面模型的建立,其恢復(fù)出的模型逼真度非常高[32-33],可以真實還原所需人體數(shù)據(jù)。但是,耗時、成本較高,而且掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到人體模型的逼真度?；跀?shù)據(jù)模型重用的人體建模技術(shù)[34-35]可以簡化建模過程,通過對已有的多個模型間部分?jǐn)?shù)據(jù)的替換,即可快速生成模型,但是沒有通用的參數(shù)化建立方法,使模型組件的對應(yīng)關(guān)系會出現(xiàn)差錯;基于照片信息的人體建模技術(shù)[35-38]成本低,但是其生成結(jié)果依賴于照片的圖像質(zhì)量,在人體模型生成過程中，需要從二維圖像信息中提取三維信息,難以滿足建模精度和速度的要求;基于解剖學(xué)的人體建模技術(shù)[39-41]需要大量的人工參與和解剖學(xué)相關(guān)知識,模型復(fù)雜度高,計算量大,所以建模的效率較低;基于交互式建模軟件的人體建模技術(shù)[42-43]的優(yōu)勢在于設(shè)計過程直觀明了,設(shè)計出的人體模型美觀、方便,復(fù)用率比較高,但是建模的質(zhì)量取決于建模人員的專業(yè)技能,大量的人為操作不僅耗時較長，而且容易增加出錯率。

從應(yīng)用的角度出發(fā),基于三維掃描數(shù)據(jù)的人體建?？梢垣@取到準(zhǔn)確的人體點云數(shù)據(jù)，包含人體各個部位的三維形體信息,可適用于三維人體掃描系統(tǒng)、人體照相館、3D 打印、影視制作、場景虛擬、服裝工業(yè)的服裝設(shè)計、定制、高端需求的網(wǎng)絡(luò)試衣以及人體運(yùn)動分析等領(lǐng)域;基于照片信息的人體建模可以利用所得到的特征信息，從而產(chǎn)生服裝原型的個性化人體模型,適用于服裝設(shè)計、虛擬試衣、個性化模型制作、互聯(lián)網(wǎng)定做和虛擬展示等領(lǐng)域;基于解剖學(xué)的人體建模是基于解剖學(xué)的建模方法,更適用于醫(yī)學(xué)解剖教學(xué)、3D 人體醫(yī)學(xué)的研究;基于交互式建模軟件的人體建模所建立的人體模型逼真,廣泛應(yīng)用于廣告、影視制作、虛擬現(xiàn)實、三維動畫制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。

目前虛擬試衣技術(shù)的研究主要強(qiáng)調(diào)消費(fèi)者人體體型模擬的準(zhǔn)確性，而消費(fèi)者面部特征的模擬并沒有受到足夠重視。在未來的三維虛擬試衣系統(tǒng)中,除了要注重消費(fèi)者體型的高度仿真以外,更要重視其面部特征(包括臉型、發(fā)型、膚色等特征)的模擬。這樣創(chuàng)建出的虛擬人體模型不僅貼近消費(fèi)者體型,而且逼真展示消費(fèi)者面部特征,能夠為消費(fèi)者提供一個身臨其境的著裝體驗。

3 結(jié) 語

在未來的虛擬試衣技術(shù)中, 將三維試衣系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)深度融合,可以為消費(fèi)者生成個性化的人體模型,讓消費(fèi)者可以看到試穿的逼真效果,增加試衣體驗感,也會大大提高網(wǎng)上購衣的成功率和樂趣,對紡織服裝行業(yè)的智能化、信息化、個性化的發(fā)展起著重要的推動作用。