基于人體特征點的女性上體曲面展平技術(shù)

楊 敏，楊慧芳，王朝暉

(1.鄭州理工職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)傳媒系，河南 鄭州 450000； 2.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051)

數(shù)字化個性服裝樣板生成技術(shù)是服裝研究的重要方向之一，其技術(shù)的實現(xiàn)對服裝個性化定制技術(shù)的發(fā)展和服裝產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、自動化、智能化方向的發(fā)展具有重要的促進意義。數(shù)字化服裝樣板自動生成技術(shù)主要分為二類[1]，一是基于一維人體數(shù)據(jù)的樣板實現(xiàn)技術(shù)(包括傳統(tǒng)放碼樣板修改法、參數(shù)化設(shè)計自動打板技術(shù)、人工智能樣板設(shè)計法)；二是三維人體或服裝模型的二維展平技術(shù)。

傳統(tǒng)放碼樣板修改法目前應(yīng)用較為廣泛，但存在很多問題：構(gòu)建放碼點的編號規(guī)則需要消耗大量的時間，目前尚無相關(guān)標準[2-3]?；趨?shù)化設(shè)計自動打板技術(shù)[4-5]以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，確定服裝紙樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束關(guān)系，但由于服裝紙樣的圖形規(guī)律性較差，對制板技術(shù)人員要求較高，因此該方法難以滿足流行趨勢影響下版型多樣化的設(shè)計需求。人工智能樣板設(shè)計法[6-7]對服裝流行市場的反應(yīng)速度較遲緩，所以目前該技術(shù)仍然停留在實驗階段，可行性不高。

基于一維人體數(shù)據(jù)的3種樣板實現(xiàn)技術(shù)對人體尺寸信息考慮均不夠全面，難以滿足由流行趨勢中服裝款式變化引起的個性化服裝制板技術(shù)的變化。隨著三維掃描技術(shù)和曲面展平技術(shù)的發(fā)展，三維模型的曲面展平技術(shù)成為服裝行業(yè)研究的熱點和趨勢。三維模型的曲面展平技術(shù)能充分考慮人體各個部位的尺寸數(shù)據(jù)，更準確地解讀人體。

目前已有相關(guān)研究[8-10]證明了以三維測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的服裝樣板自動生成技術(shù)的可行性。但現(xiàn)有的三維人體模型曲面展平技術(shù)生成的“樣板”在實用性上存在不足，與實際服裝樣板相比存在一定差距，需要進一步改進。

本文在對人體進行三維掃描的基礎(chǔ)上，運用曲面重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建三維人體模型，借助曲面展平技術(shù)[11]生成女性上體的二維矢量樣板圖，為個性化定制系統(tǒng)提供有利參考。

1 基于三維測量數(shù)據(jù)的三維人體模型重構(gòu)

1.1 三維人體模型數(shù)據(jù)的采集

本文用非接觸式三維掃描測量方法采集三維人體模型的點云數(shù)據(jù)。非接觸式測量方法能快速準確地獲取人體表面形狀特征數(shù)據(jù)，避免測量過程中因姿勢、外在力等因素對測量精度的影響[12-13]。

非接觸式三維掃描測量采用NX-16 3D Body Scanner三維人體掃描儀(美國[TC]2公司)。實驗對象為隨機選取的一名165/86A女性，以保證完全有效地表達實驗方法。

三維人體掃描儀獲取受試者右腿、左腿、軀干、左臂、右臂、左手、右手和頭部等部分的點云數(shù)據(jù)。每個部分由二類數(shù)據(jù)構(gòu)成：①三維坐標(x，y，z)逐行排列構(gòu)成的順序列表矩陣;②由構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)小平面的坐標序列號索引構(gòu)成的矩陣。

1.2 三維人體模型的重構(gòu)

以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行曲面造型的方法被稱為曲面重構(gòu)[14]。點云數(shù)據(jù)的處理是構(gòu)建三維人體模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，而構(gòu)建三維人體模型是進行人體特征提取和分析的基礎(chǔ)和前提。本文采用逆向工程軟件Rapidform XOR3處理點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)的處理包括：點云數(shù)據(jù)的降噪、點云數(shù)據(jù)精簡、點云數(shù)據(jù)合并、補洞和光滑處理。

①點云數(shù)據(jù)的降噪。在掃描過程中，由于掃描設(shè)備輕微震動、掃描校準不精確、身體部位晃動以及測量系統(tǒng)本身影響等因素，測量數(shù)據(jù)會存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果重構(gòu)的曲線和曲面不平滑[15]。因此降噪是保證后續(xù)準確建模的必須步驟。

②點云數(shù)據(jù)合并。合并了三維人體掃描儀輸出的頭部、左腿、右腿和軀干的點云數(shù)據(jù)，其在融合時，重疊的區(qū)域被有效地刪除，相鄰的邊界被縫合在一起。

③點云數(shù)據(jù)精簡。非接觸測量往往會得到相當大的數(shù)據(jù)量，但過多的點云數(shù)據(jù)易影響計算機處理效率。為保證計算機的處理效率，對點云數(shù)據(jù)間互相連接形成的聚面數(shù)進行精簡，在各個部位表面的平滑位置保留足夠數(shù)量的點云數(shù)據(jù)，在高曲率變化位置則保留足以保證其細部特征的點云數(shù)據(jù)數(shù)量。

④補洞。受人體站立姿勢、三維人體掃描儀感應(yīng)裝置放置位置等因素影響，封裝后的多邊形三維人體模型上常會出現(xiàn)部位盲區(qū)，即出現(xiàn)不同程度的點云數(shù)據(jù)缺失等問題。因此在缺口處需以“補洞”形式構(gòu)建盡可能和周圍曲面連續(xù)光滑或曲率相似的曲面，以此建造平滑的面。

⑤光滑處理。由于光學(xué)遮擋等原因，在三維人體模型上，人體大腿部、會陰部、肩部等處的表面存在局部尖銳性的突出，影響數(shù)據(jù)的精確性。所以需要對局部和整體的多面型曲面進行光滑處理，得到較順滑的重建模型,即獲得可以用于擬合與曲面展平的三維人體模型。

2 三維人體模型的擬合

2.1 人體特征點

由于人體體表曲面是具有復(fù)雜特征的自由曲面，因此三維人體模型的擬合需要對其體表曲面的頸部、肩部、腋部、胸部、腰部和臀部等部位進行定位。

人體體表特征由一定數(shù)量的特征線構(gòu)成，特征線則是由人體特征點組成。特征點是指位于特征曲面之間的公共邊界處具有特殊曲率特性的數(shù)據(jù)點[16]。通常情況下，特征點的檢測依據(jù)點云數(shù)據(jù)的內(nèi)在特性，比如曲率、法矢等的變化，即可找到點云數(shù)據(jù)的突出特征。

根據(jù)GB/T 16160—2008《服裝用人體測量的部位與方法》、GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般研究》以及實際條件，選取47個人體特征點，定位人體復(fù)雜曲面。該方法區(qū)域劃分合理，保證了相鄰曲面之間的內(nèi)置連續(xù)性，因此能夠得到整體性能良好的曲面模型。

為了充分滿足服裝制板的需要，本文選取的47個人體特征點所在部位為：頭部、頸部、肩部、臂根部、胸部、腰部、臀部、大腿、膝蓋、小腿和手臂。此處各部位數(shù)據(jù)為三維人體掃描儀得到人體各部分點云數(shù)據(jù)的細化。47個人體特征點分布見表1。

表1 47個人體特征點分布

在嚴格遵守人體特征點定義的前提下，借助逆向工程軟件Rapidform XOR3，分別在三維人體模型上標記上述47個人體特征點，得到各人體特征點的三維坐標(x,y,z)。

2.2 三維人體模型數(shù)據(jù)與人體特征點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

由于Rapidform XOR3中的三維坐標系與后續(xù)三維人體模型擬合軟件中的三維坐標系不同，因此需對47個人體特征點的坐標進行轉(zhuǎn)換。設(shè)Rapidform XOR3產(chǎn)生三維人體模型數(shù)據(jù)的坐標為(x,y,z)，轉(zhuǎn)換結(jié)果坐標設(shè)為(u,r,w)，其數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

得出：

依照上述關(guān)系式轉(zhuǎn)換坐標，得到擬合所需人體特征點的坐標數(shù)據(jù)。人體體表曲面較復(fù)雜，難以通過直接展平得到可用的服裝樣板。本文基于三維人體模型，重構(gòu)具有人體特征的虛擬服裝人臺，將該人臺曲面展平得到可用作服裝樣板的圖形。

Creacompo II Torso軟件(日本東麗(ACS)公司)內(nèi)置可自由調(diào)節(jié)尺寸的Kjiya系列和ACS系列數(shù)字人臺。該人臺是由減少了控制點和精簡ISO后的NURBS曲面構(gòu)成，為手工擬合數(shù)字人臺和三維人體模型的曲面提供便利。因此本文采用Creacompo II Torso軟件，調(diào)整數(shù)字人臺的NURBS曲面并實施曲面擬合操作。

2.3 三維人體模型的擬合

將三維人體模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件后，形成初始虛擬人臺。初始虛擬人臺與軟件內(nèi)人臺朝向和位置大致相同。由于該軟件內(nèi)數(shù)字人臺型號有限，擬合時應(yīng)選取身高、胸圍、腰圍、臀圍尺寸與三維掃描得到的人體數(shù)據(jù)尺寸最相近的數(shù)字人臺。基于以上標準，選取Creacompo II Torso軟件中的kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺進行后續(xù)的擬合。該人臺尺寸信息分別是：身高160 cm，胸圍83 cm，腰圍64 cm，臀圍89 cm。

人體體型的多樣性和人臺體型的單一性，導(dǎo)致人體和人臺同一部位的局部形態(tài)并不相同，因此三維人體模型曲面和數(shù)字人臺曲面并不十分吻合。為得到逼近三維人體模型曲面的虛擬服裝人臺，需要在已知處理好的三維人體模型的位置，將數(shù)字人臺的曲面調(diào)整到通過或貼近三維人體模型表面的過程即為擬合過程。

當kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺與初始虛擬人臺的胸圍線(BL)、腰圍線(WL)、臀圍線(HL)分別均不在同一水平線時，需要調(diào)整初始虛擬人臺的準確位置，使其BL、WL和HL盡量靠近數(shù)字人臺的BL、WL和HL位置。在保證人體中心軸與人臺中心軸位置相同的前提下，以0.1 cm的精度上下移動初始虛擬人臺，使其中心軸與數(shù)字人臺中心軸完全相同、其三圍線與數(shù)字人臺BL、WL和HL高度對應(yīng)大致相同。這樣的調(diào)整為后續(xù)擬合奠定了基礎(chǔ)。人體特征點導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件中并調(diào)整其三維坐標，如圖1所示。

圖1 人體特征點導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件中并調(diào)整其三維坐標

從圖1可以看出，調(diào)節(jié)數(shù)字人臺上每個人體特征點和空間點的三維坐標，可以達到局部擬合的狀態(tài)。上述的人體特征點和空間點(即擬合點)共計249個，擬合點有2種，第1種為2條及2條以上非均勻有理B樣條曲線(Non-Uniform Rational B-Splines，以下簡稱NURBS)[17]的交點，第2種為只在一條NURBS曲線上的點。其中NURBS常用于車輛的外形設(shè)計、人體體型模擬等領(lǐng)域，能夠在復(fù)雜的自由曲面設(shè)計中得到各種曲面造型的特殊效果。初始虛擬人臺與kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺擬合的目的是生成高度符合三維人體模型特征的新的人臺模型。

由于在第三方軟件Rapidform XOR3中預(yù)先處理過初始虛擬人臺表面，因此導(dǎo)入到Creacompo II Torso軟件中時，初始虛擬人臺表面為不可更改狀態(tài)。這種狀態(tài)為擬合過程提供良好的基底模板。擬合形成的網(wǎng)格曲面顯示部分為使用者提供了可調(diào)節(jié)的虛擬人臺。

基于專家建議和經(jīng)驗，此初始虛擬人臺提供了：緯向線12條(前片6條，后片6條)，經(jīng)向線12條(前片6條，后片6條)，維向線5條(頸部1條，臂根部1條，BL1條，WL1條，HL1條)。這29條NURBS曲線分別對應(yīng)服裝用人體特征的曲線，其所組成的曲面能準確反映服裝用人體特征曲面。165/86A初始虛擬人臺擬合后的NURBS曲面如圖2所示。

圖2 165/86A初始虛擬人臺擬合后的NURBS曲面

在擬合過程中，臀圍線以上的擬合標準是NURBS曲面盡可能在或者貼近三維人體模型表面，以滿足女上裝制板對人體形狀和尺寸的需求。本文研究女上裝，對臀圍以下部位的具體需求較小，因此臀圍以下部位的前中心線以腹凸點為基準豎直向下，后中心線以臀凸點為基準豎直向下，側(cè)面位置擬合人體表面，側(cè)面到后中心線、側(cè)面到前中心線的區(qū)域保持平滑狀態(tài)即可。擬合得到的虛擬服裝人臺，保留擬合時的經(jīng)向線和緯向線。165/86A虛擬服裝人臺見圖3。

圖3 165/86A虛擬服裝人臺

為驗證虛擬服裝人臺的有效性，選取虛擬服裝人臺的21項指標尺寸與人體數(shù)據(jù)進行對比。這些尺寸分別涵蓋了體表實長、高度和寬度等。165/86A人體與虛擬服裝人臺尺寸對比見表2。

表2 165/86A人體與虛擬服裝人臺尺寸對比

人體數(shù)據(jù)和虛擬服裝人臺數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明，絕對誤差在0.6 cm以內(nèi)，相對誤差值在2.11%以內(nèi)。根據(jù)服裝設(shè)計余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[18]，可知此虛擬服裝人臺的構(gòu)建能夠良好的反映人體的特征。

3 三維人體模型的展平

3.1 虛擬服裝人臺的曲面展平

人體表面的復(fù)雜曲面從三維到二維的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該滿足以下要求：①展平前后，三維曲面與二維衣片的面積近似相等；②展平前后，三維曲面與二維衣片的邊界曲線長度應(yīng)該一致；③展平前后，三維曲面與二維衣片的關(guān)鍵點位置互相對應(yīng)。

滿足以上要求，合理的曲面展平方式能有效提高曲面的展平效果和效率。在曲面造型過程中，當曲面兩兩相交時，一般以曲面間的交線為分割邊界實施切割。這類技術(shù)在均勻變化的幾何形態(tài)明顯的曲面交互造型擁有廣泛的應(yīng)用。

本文借助Creacompo II Torso軟件，在曲面不同部位繪制分割線，構(gòu)成的分割線網(wǎng)能夠有效地進行曲面展平。

女裝原型普遍以右半身原型形式展示，且除個別特殊情況外人體左、右半身基本保持對稱狀態(tài)。為方便研究，本文以在構(gòu)成面上的網(wǎng)格線為切開位置，展平虛擬服裝人臺的右半身曲面，得到右半身的二維矢量樣板圖。

制定分割線位置具體如下，緯向6條分割線分別為：頸圍線、肩線、胸圍線、腰圍線、臀圍線和大腿中央線(經(jīng)過特征點中大腿中央點的水平線)；經(jīng)向7條分割線分別為：前中心線、經(jīng)過BP點的分割線、經(jīng)過胸寬點胯骨突出點的分割線、體側(cè)線、經(jīng)過背寬點的分割線、經(jīng)過肩胛骨突出點的分割線和后中心線。165/86A虛擬服裝人臺的展平分割線位置見圖4。

圖4 165/86A虛擬服裝人臺的展平分割線位置

根據(jù)曲面展平分割線，虛擬服裝人臺的前半身分為6個部分，上下各3部分；后半身分為6個部分，上下各3部分，共計12部分。從前中心線至側(cè)縫位置，從圖4可以看出，前半身腰圍線以上部分依次為第1、2、3部分，腰圍線以下部分依次為第7、8、9部分；從后中心線至側(cè)縫位置，后半身腰圍線以上部分依次為第4、5、6部分，后半身腰圍線以下部分依次為第10、11、12部分。

由此虛擬服裝人臺右半部分被劃分為12個部分，且每個部分分別可展開。基于對每個部分在保持表面邊長不變、面積不變的前提下，進行三維到二維的轉(zhuǎn)換。每個部分以上述展平分割線為切開展平的位置，將虛擬服裝人臺曲面展平，生成不規(guī)則多邊形矢量圖形。這些不規(guī)則多邊形矢量圖形即組成二維矢量樣板圖。165/86A人體的二維矢量樣板圖見圖5。

BL—胸圍線；HL—臀圍線；CBL—后中心線；CFL—前中心線。圖5 165/86A人體的二維矢量樣板圖

3.2 160/84A人臺曲面展平

本文選擇160/84A人臺，并對人臺曲面進行展平，用于標準樣板生成規(guī)則的開發(fā)。

160/84A人臺只有軀干部分，無手臂和下肢，由于掃描儀器的需要，需要將人臺裝上假肢(用白色全開紙制作)。對于掃描得到的人臺數(shù)據(jù)，首先對其進行降噪、合并、精簡、補洞和光滑，再提取人體特征點的坐標，最后擬合得到虛擬服裝人臺。160/84A人臺的虛擬服裝人臺見圖6。

圖6 160/84A人臺的虛擬服裝人臺

根據(jù)測量得知，160/84A人臺數(shù)據(jù)與其虛擬服裝人臺數(shù)據(jù)的絕對誤差值控制在0.5 cm以內(nèi)，相對誤差控制在2.36%以內(nèi)，根據(jù)服裝設(shè)計余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[19]，可知此虛擬人臺的構(gòu)建能夠良好的反應(yīng)人體的特征。

將160/84A人臺的虛擬服裝人臺進行曲面展平，得到展平矢量圖。160/84A人臺的二維矢量樣板圖見圖7。

圖7 160/84A人臺的二維矢量樣板圖

4 結(jié)束語

本文用三維掃描技術(shù)進行人體掃描，將得到的三維人體數(shù)據(jù)在Rapidform XOR3軟件中進行降噪、合并、數(shù)據(jù)精簡、補洞和光滑處理等操作，建立了光滑的三維人體模型，重構(gòu)了人體表面?；贕B/T 16160—2008、GB/T 23698—2009，挑選并提取47個人體特征點的三維坐標，實現(xiàn)了對三維人體模型進行特征部位的定位。通過NURBS曲面逼近三維人體模型表面的方法進行三維人體模型的擬合，獲得了符合個體特征的虛擬服裝人臺。最后，對虛擬服裝人臺模型設(shè)置緯向6條、經(jīng)向7條的切割線，把虛擬服裝人臺表面按照分割線的位置進行曲面展平，得到12片二維矢量樣板圖。本文得到的二維矢量樣板圖是構(gòu)建個性化服裝原型的重要依據(jù)，對實現(xiàn)從矢量樣板圖到服裝原型的研究奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)研究可從矢量樣板圖到款式個性化版型的實現(xiàn)入手，針對研究現(xiàn)狀及行業(yè)未來發(fā)展方向，實現(xiàn)從三維數(shù)據(jù)到三維服裝的個性化定制。