3D人體建模技術(shù)探討

張勇 吳廷軒 何濱珂 董珂 陳洋 楊春蕾

摘要：針對(duì)手機(jī)端虛擬試衣鏡APP的3D人體建模需求，文章借鑒目前常見的建模方式，從中選擇合適的3D建模技術(shù)來構(gòu)建適合于虛擬試衣鏡APP的人體模型。通過對(duì)建模方法進(jìn)行表格分析得出，應(yīng)選擇幾何建模與物理建模相結(jié)合的方式構(gòu)建人體模型，以達(dá)到人體模型和服裝造型統(tǒng)一的效果。

關(guān)鍵詞：3D人體建模;幾何建模;分析;虛擬試衣鏡APP

中圖分類號(hào)：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8228（2020）09-34-03

Discussion on 3D human body modeling technology

Zhang Yong， Wu Tingxuan， He Binke， Dong Ke， Chen Yang， Yang Chunlei

Henan University of Science and Technology， School of Information and Engineering， Luoyang， Henan 471000. China）

Abstract： In view of the 3D human body modeling requirements of the mobile phone virtual fitting mirror APP， this paper refersto the current common used modeling methods， and selects the appropriate 3D modeling technologies to construct the human bodymodel suitable for the virtual fitting mirror APP. Through the table analysis of the modeling methods. it is concluded that themethod combined with geometric modeling and physical modeling should be selected to construct the human bodv model. so as toachieve the unified effect of human body model and clothing modeling.

Key words： 3D human body modeling; geometric modeling; analysis; virtual fitting mirror APP

0引言

隨著人們生活水平的提高以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)購用戶不斷增多，占據(jù)了現(xiàn)在極大一部分消費(fèi)市場(chǎng)，而在網(wǎng)購的商品中，服裝是現(xiàn)代年輕人網(wǎng)購商品中的重要一部分。但是在選購服裝時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，如大小不合適、顏色有色差，衣服不合身等等。虛擬試衣APP的出現(xiàn)可以很好的解決試衣的問題。虛擬試衣APP開發(fā)中最重要的部分就是人體模型的建立，正如一臺(tái)好電腦需要一個(gè)好CPU一樣，一個(gè)好的試衣APP必須要一個(gè)好的建模方式來建立人體模型。由于手機(jī)的使用比電腦更加普及、人們的網(wǎng)購絕大部分也是在手機(jī)上進(jìn)行的;因此，手機(jī)端的虛擬試衣鏡的需求也更加急切。

13D人體建模技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

當(dāng)今的建模技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，而人體建模技術(shù)也已經(jīng)有了大量的研究成果。下面我們對(duì)建模技術(shù)的發(fā)展與特征進(jìn)行總結(jié)及對(duì)比。

伴隨著CAD技術(shù)從二維建模發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，產(chǎn)生了線框建模，曲面建模和實(shí)體建模幾種幾何建模方式，而參數(shù)化和變量化的設(shè)計(jì)思想與特征模型的出現(xiàn)，為當(dāng)前CAD建模技術(shù)的發(fā)展指明了方向。3D建模技術(shù)的產(chǎn)生最開始于線框建模，這是一種基于線框和多邊形的建模方式，之后人們?cè)诰€框建模的基礎(chǔ)上發(fā)展了曲面建模，即在線框建模的基礎(chǔ)上，增加可形成立體面的各種相關(guān)數(shù)據(jù)后構(gòu)成。這兩種建模方式都屬于表面建模方式，由于表面建模方式只能表達(dá)人體的表面信息，難以表達(dá)其他特性，于是人們又發(fā)展了實(shí)體建模技術(shù)。實(shí)體建?？梢允刮矬w的實(shí)體特性在計(jì)算機(jī)中得到定義。它是一個(gè)全封閉（實(shí)體）的三維形體，具有完整性和無二義性。特征參數(shù)化技術(shù)和變量化技術(shù)的出現(xiàn)，更為3D實(shí)體建模技術(shù)的發(fā)展提供了新的方法與思路[1]。

雖然傳統(tǒng)的建模方法對(duì)靜態(tài)人體的建模技術(shù)十分成功，但是卻不能準(zhǔn)確地建立動(dòng)態(tài)人體。針對(duì)這個(gè)問題，人們嘗試著將人體受到的外部環(huán)境引入到傳統(tǒng)的幾何建模方式中，于是出現(xiàn)了基于物理的建模方式，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的幾何建模方式的不足之處，得到了廣泛的應(yīng)用。

2建模技術(shù)的特點(diǎn)及對(duì)比

2.1線框建模

線框建模是采用點(diǎn)、直線、圓弧以及樣條曲線等來構(gòu)造三維物體的圖形表示技術(shù)。三維物體的形狀全部是由頂點(diǎn)與邊的集合來描述的，所以稱為線框。它只用點(diǎn)和線的信息來表示形體，需要定義的數(shù)據(jù)量少，定義過程簡(jiǎn)單，是圖形學(xué)領(lǐng)域中最早用來表示形體的模型[2]，目前仍然在廣泛使用。許多的復(fù)雜的形體設(shè)計(jì)都是用線框建模的方法勾畫出基本的輪廓然后再進(jìn)行細(xì)化，由于線框建模的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)少，因此對(duì)其進(jìn)行編輯修改也是非常便捷的[3]。但是，由于線框建模只用了點(diǎn)與線來表示形體，包含信息有限，所以這種建模方式在對(duì)人體建模時(shí)有著非常大的缺陷。

2.2曲面建模

曲面建模又稱為NURBS[4]建模，主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的數(shù)學(xué)描述。曲面建模是通過在線框建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加立體面的相關(guān)數(shù)據(jù)后形成的。曲面建模通過不同曲線之間的關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)的曲面，將人體表面劃分成多塊曲面，通過拼接的方法構(gòu)建三維人體模型。曲面對(duì)于人體進(jìn)行建模時(shí)，有以下幾種不同的具體方法。

2.2.1特征化的曲面建模

特征化的曲面建模[5]是一種基于特征及其相關(guān)尺寸的參數(shù)化建模方法。根據(jù)人體的整體結(jié)構(gòu)，將人體模型劃分為幾個(gè)基本的結(jié)構(gòu)特征。再根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特征和不同的幾何特征，選擇具體不同的建模方法。

2.2.2參數(shù)化的曲面建模

參數(shù)化建模[6]又稱為變量建模，它采用幾何約束來表達(dá)人體模型的形狀特征，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設(shè)計(jì)方案。

2.3實(shí)體建模[7]

實(shí)體建模是利用一些基本的體素，例如長(zhǎng)方形、圓柱形、球形或者掃描體等通過集合運(yùn)算（布爾運(yùn)算）或基本變形操作生成復(fù)雜形體的一種建模技術(shù)。實(shí)體建模不僅能夠建立框架模型，還能建立物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀模型。

2.4基于物理的建模[8]

建模技術(shù)發(fā)展到實(shí)體建模時(shí)已經(jīng)將人體的幾何信息描述的基本完備。物理建模重在對(duì)人體力學(xué)及運(yùn)動(dòng)過程中的表達(dá)，在建模過程中引入了人體自身的物理信息和人體所處的外部環(huán)境因素、時(shí)間變量，根據(jù)人體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用微分方程組的形式表達(dá)。在基于物理的建模過程中，通常采用微分方程組的數(shù)值求解方法來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算。

3經(jīng)典建模方法對(duì)比

以上是經(jīng)典建模方式的具體概況，表2對(duì)其具體的特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)、對(duì)比。

從表1中可以看出，線框建模的方法在對(duì)人體骨骼或者大體框架構(gòu)建方面優(yōu)勢(shì)明顯，適用于初始繪制人體基本構(gòu)架，例如只是構(gòu)建人體的基本骨架系統(tǒng)，或者是對(duì)人體大小的框架進(jìn)行限定時(shí)使用。曲面建模方法在繪制人體表面信息方面優(yōu)勢(shì)明顯，適用于在對(duì)人體表面要求比較高的環(huán)境使用，例如需要對(duì)人體表面皮膚進(jìn)行研究時(shí)，可以采用這種方式。實(shí)體建模方法可以構(gòu)建人體的內(nèi)部，不屬于表面建模，可以對(duì)模型進(jìn)行剖面操作，因此適用于某種需要剖面的環(huán)境，例如醫(yī)學(xué)人體實(shí)驗(yàn)時(shí)建模。基于物理的建模則是結(jié)合了人體自身的物理特性與環(huán)境因素，適用于某些運(yùn)動(dòng)的人體建模環(huán)境。在使用線框建模時(shí)一般都要與其他建模技術(shù)相結(jié)合，在線框建模的基礎(chǔ)上運(yùn)用其他的建模技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與完善。

在對(duì)人體建模時(shí)，一般都會(huì)采用基本的線框建模來進(jìn)行人體的基本構(gòu)架，之后根據(jù)具體的需求與應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)結(jié)合建模技術(shù)的特點(diǎn)來選擇合適的建模方式來對(duì)基本的骨架或者框架進(jìn)行擴(kuò)充。因?yàn)椴煌慕７绞接兄煌奶攸c(diǎn)，所以在選取采用哪種建模技術(shù)需要考慮建模環(huán)境的特點(diǎn)和要求，并根據(jù)建模技術(shù)的適應(yīng)性來改進(jìn)和調(diào)整。

4結(jié)論

基于手機(jī)端虛擬試衣APP的需求，對(duì)于顧客來說是否真正符合自己的實(shí)際，是否能在試衣時(shí)顯現(xiàn)出最真實(shí)的自己是該APP最需要考量的。對(duì)于靜態(tài)人體模型的建立，主要是應(yīng)用曲面建模技術(shù)中的參數(shù)化的建模技術(shù)，重點(diǎn)在于描述人體的外表面即人體的外形。為了實(shí)現(xiàn)人體模型動(dòng)態(tài)仿真，必須從人體的物理特性并結(jié)合基于物理的建模技術(shù)來考慮。此外，虛擬試衣不僅要考慮人體模型，還要考慮人體模型與服裝模型之間的碰撞，所以在選取建模方法時(shí)，需要結(jié)合幾何建模和物理建模方式各自的優(yōu)點(diǎn)，把最外層設(shè)置為服飾層的多層次模型，以達(dá)到人體模型和服裝造型統(tǒng)一的效果。

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收稿日期：2020-02-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)SRTP項(xiàng)目“‘身臨其境虛擬試衣鏡APP”（NO.201910464011）

作者簡(jiǎn)介：張勇（1998-），男，河南省焦作市人，本科，主要研究方向：3D人體建模技術(shù)、圖像分類技術(shù)。