基于兒童體型標準的系列虛擬人臺構(gòu)建研究

劉詠梅 ，李 榮 ，肖 平

（1.東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海200051）

人臺是設(shè)計和制作服裝、控制服裝在工業(yè)化生產(chǎn)中合體性的重要工具，對某一特定人群的體型特征具有高度的代表性，是人體體型的直接反映[1]。但實體人臺的研發(fā)通常是在一定的人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和體型分析基礎(chǔ)上來進行設(shè)計制作[2]，研發(fā)過程不僅費時費力，成本也較高，而目前服裝CAD技術(shù)已經(jīng)從二維進入到了三維領(lǐng)域，正朝著款式更新更快、穿著更合體，更能滿足顧客個性化需求方向發(fā)展，建立人體對應(yīng)虛擬人臺是實現(xiàn)服裝二維到三維的重要環(huán)節(jié)，虛擬人臺的構(gòu)建不僅可以減少實體人臺的制作成本，也能更加直觀快速的展示服裝的穿著效果，減少服裝的制作過程和成本。

長期以來，我國服裝迅速發(fā)展，服裝企業(yè)、服裝院校等對虛擬人臺的研究不斷深入，但目前的研究主要集中在開發(fā)成年實體人臺和成年男女性的虛擬人臺，對于符合兒童體型標準的兒童虛擬人臺的開發(fā)和研究相對較少。如楊子田[3]通過MATLAB分析20～30歲女子的三維人體點云數(shù)據(jù)，得到的女子平均體虛擬人臺的構(gòu)建；陳美珍[4]運用逆向工程軟件Rapidform XOR對18～23歲女大學(xué)生模特人體體型數(shù)據(jù)進行分析, 建立了模特群體專用虛擬人臺；王穎[5]對東北華北區(qū)155名14～15歲女孩的111項人體測量數(shù)據(jù)進行分析，建立了利用尺寸與形態(tài)形成“三維”號型的方法，得到適用于該年齡段未成年人體的實體人臺。為此，通過已有兒童體型標準數(shù)據(jù)建立標準化實體人臺，在此基礎(chǔ)上通過Geomagic Studio逆向工程軟件處理人臺模型點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于服裝設(shè)計及服裝展示的兒童虛擬人臺，這樣不僅能夠大大縮短從消費者需求、創(chuàng)意設(shè)計、個性化制造整個過程, 為服裝企業(yè)減少生產(chǎn)成本，也能提高服裝設(shè)計與開發(fā)的效率，促進服裝企業(yè)適應(yīng)快節(jié)奏更新的服裝市場周期。

1 兒童體型標準系列人臺

標準立裁人臺的制作一是關(guān)鍵部位尺寸的確定，二是如何控制人臺“型”的準確性，關(guān)鍵部位是控制人臺“型”的人體的關(guān)鍵部位，也叫“控制點”[6]當(dāng)前關(guān)于兒童體型的國家標準為GB/T 1335.3-2009《服裝號型 兒童》、GB/T 26158-2010《中國未成年人人體尺寸》、《中國7歲以下兒童生長發(fā)育參照標準》以及WS/T 612-2018《7歲～18 歲兒童青少年身高發(fā)育等級評價》共四項標準。根據(jù)以上四個國家標準選擇年齡在6～14歲、對應(yīng)標準身高為115cm-160cm的兒童標準體數(shù)據(jù)作為研究對象，結(jié)合人體特征和人臺制作需要選擇了18項其他部位的標準參照尺寸，包括6項長度方向部位尺寸：身高、頸椎點高、會陰高、上臂長、前臂長、大腿長；2項寬度方向部位尺寸：肩寬、胸寬；10項圍度方向部位尺寸：頸圍、胸圍、肘圍、腕圍、腰圍、腹圍、臀圍、大腿圍、腿肚圍。

本次兒童系列標準立裁人臺委托慈溪市希豪貝服裝模型廠進行了定制，定制后5個兒童標準人臺如圖1所示，對兒童人臺采用手工測量的方法進行測量。如表1所示，通過對比分析兒童人臺手工測量數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)可知，兩者平均值差異在1cm左右，考慮到生產(chǎn)和測量過程中產(chǎn)生的誤差以及鑒于本文的研究目的，其誤差范圍在實驗允許范圍內(nèi)，因此本次定制的兒童實體人臺可用于下一步構(gòu)建系列虛擬人臺。

圖1 系列兒童人臺

表1 人臺尺寸與標準體尺寸對比單位：cm

腹圍 64.83 63.43 1.40臀圍 76.17 75.06 1.11大腿圍 43.33 42.33 1.00腿肚圍 29.67 29.03 0.64

2 獲取人臺三維點云數(shù)據(jù)并重構(gòu)曲面模型

2.1 人臺三維點云數(shù)據(jù)獲取

三維點云數(shù)據(jù)的獲取是進行準確高效實現(xiàn)逆向軟件建模的首要及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，點云數(shù)據(jù)的完整性和分布均勻性有利于獲取完整的三維仿真模型，省去后期修正等工作。目前國內(nèi)外常用的三維人體掃描儀有TechMath-RAMSIS、Cyberware-WB4、TC2-3T6、Turbo Flash、Vitronic-Vitus、SYMCAD 等[7]。

本文所使用的是德國Human Solutions生產(chǎn)的Vitus Smart三維人體掃描儀，它是基于激光光學(xué)三角測量的原理，測量設(shè)備由4根測量立柱組成，每個立柱的導(dǎo)軌上，安裝有一個激光投射器和2臺CCD攝像頭組成的測量感應(yīng)系統(tǒng)，通過對前左、前右、后左、后右四個方向同時掃描，從而獲取3600三維圖像，保證了測量的高精度和無接觸。如圖2所示，對選取的兒童標準體系列人臺進行掃描，并將掃描結(jié)果存儲為.obj格式。

圖2 人臺三維掃描

2.2 點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

三維人體掃描儀在采集人臺點云數(shù)據(jù)的過程中會不可避免地受到環(huán)境和機器本身的影響，導(dǎo)致三維點云數(shù)據(jù)存在分布散亂、缺失和冗余的情況，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理[8]。

逆向工程軟件是進行三維虛擬模型構(gòu)建的重要工具，它能夠通過在已有的實體模型或三維模型基礎(chǔ)上獲取其原始數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進一步處理得到需要的模型[9]。本文采用Geomagic Studio 2015逆向工程和三維檢測軟件，相對于傳統(tǒng)的點-線-面重構(gòu)曲面的方式，Geomagic Studio在創(chuàng)建模型時是以數(shù)學(xué)模型及曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，提供了基于多邊形網(wǎng)格化快速曲面構(gòu)建方式，被廣泛用于點云數(shù)據(jù)處理工作中?；贕eomagic Studio軟件的點云數(shù)據(jù)處理流程一般為如下：

2.2.1 渲染點云數(shù)據(jù)。Vitus Smart三維人體掃描儀在對人臺進行掃描獲得的點云數(shù)據(jù)是非常密集的點，在Geomagic Studio軟件中顯示并不是非常直觀和完整。使用著色將原始點云進行渲染，增加模型三維感和真實感，如圖3所示。

圖3 三維點云數(shù)據(jù)模型

2.2.2 刪除雜點。點云數(shù)據(jù)的排列方式通常可以分為隨機類型、網(wǎng)格類型、線性和帶有法線的點云[10]。

本次實驗時，由于人臺手臂與軀干之間以及大腿之間夾角較小，而掃描儀掃描方式為激光光線水平掃描，因此人臺吊掛處、手臂內(nèi)側(cè)和大腿內(nèi)側(cè)形成了掃描盲區(qū)，采集得到的原始點云也不可避免地存在較多噪音。在Geomagic Studio軟件中減少噪音處理可以使點云數(shù)據(jù)排布統(tǒng)一，有利于后續(xù)模型的封裝，更好的表現(xiàn)真實的物體形狀。2.2.3 生成多邊形網(wǎng)格。當(dāng)點云數(shù)量過大時會影響模型的光順度和軟件的運行處理速度，而且構(gòu)造三角面片網(wǎng)格、曲面重構(gòu)或評測曲面誤差時，均不需要過于密集的數(shù)據(jù)點，此外，由于人臺表面曲率相對較小，因此減少點云數(shù)據(jù)數(shù)量不會對結(jié)果造成明顯影響。使用 “統(tǒng)一采樣”命令，可以均衡點云中各點間距及位置，實現(xiàn)精簡點云數(shù)據(jù)的目的。

使用封裝命令對人臺虛擬仿真模型進行封裝，封裝可以將大量的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多邊形網(wǎng)格，其實質(zhì)上是使許多細小的空間三角形逼近還原人臺實體模型，將點云組織起來生成一個整體曲面。

2.3 多邊形階段優(yōu)化處理

封裝操作后點對象上創(chuàng)建了一個多邊形網(wǎng)格，即是在模型管理器中創(chuàng)建了一個新的編輯對象，但由于原始點云數(shù)據(jù)的缺失，被測模型本身的頂點數(shù)據(jù)誤差、網(wǎng)格算法缺陷等原因，均會造成構(gòu)成多邊形網(wǎng)格有孤立、重疊及空洞等問題的產(chǎn)生，因此需要對多邊形曲面進行進一步優(yōu)化處理。

2.3.1 修補邊界。由于人臺底部、頸部、手臂內(nèi)側(cè)點云數(shù)據(jù)會存在部分數(shù)據(jù)缺失的問題，如果直接對模型進行填補漏洞，會造成平面不平整，因此在填補這兩個部位的漏洞前，需要進行修復(fù)。直接刪除或修補缺失的部分會造成其他部分出現(xiàn)漏洞或面片重疊的現(xiàn)象。因此先使得邊界處于同一平面上，然后采用先裁剪后拉伸的方法，完成邊界修復(fù)。分別使用投影邊界到平面、用平面裁剪和延伸邊界命令完成操作。

2.3.2 填充孔洞。填充孔洞的功能用于在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域里創(chuàng)建一個新的平面或曲面來填充，可以執(zhí)行全部填充和部分填充，全部填充一般用于簡單結(jié)構(gòu)體，對于復(fù)雜物體一般采用部分填充，根據(jù)不同孔洞類型可以選擇基于曲率、基于切線和平面的填充方式。

基于平面填充原則對頸部上端進行處理，通過平面裁剪對凸凹不平的橫截面進行平面截取；對手臂內(nèi)側(cè)凹陷部位使用繩索工具對凹陷的三角片進行刪除，選擇孔洞和邊緣點云基于曲率進行單個孔洞填充。基于曲率填充孔洞的原則是：孔洞周圍的三角形面片與附近面片曲率一致，無翹曲的三角形面片，可以使用填補單個孔操作完成填補?；谇蕵蚪犹畛涫窃趯π枰コ吞畛涠鴱澢嵌鹊膮^(qū)域首先搭橋分為兩個部分，之后分別進行刪除和填充，對人臺兩側(cè)大腿區(qū)域黏連部分進行刪除，再基于另冊區(qū)域及人臺表面曲率橋接填充處理。模型處理前后如圖4所示。

圖4 填充孔洞處理

2.3.3 三角面片的相交檢測與修復(fù)。經(jīng)過以上多邊形階段處理后，使用網(wǎng)格醫(yī)生對模型檢查，通過自動探測并修復(fù)多邊形網(wǎng)格的缺陷，如非流行邊、自相交、高度折射角、尖壯物、小組件、小通道和小孔等，最后完成整體表面光滑、無明顯孔洞的虛擬仿真模型曲面重構(gòu)。對比原始模型與處理后模型，如圖5所示。

圖5 人臺虛擬仿真模型處理

2.4 檢查并輸出兒童虛擬人臺模型

對系列兒童虛擬人臺進行相關(guān)尺寸測量，如表2所示，虛擬人臺與實體人臺尺寸平均差值為1cm左右，并對經(jīng)處理前后的人臺曲面模型偏差程度進行誤差分析，得出模型處理后的最大偏差0.058cm，說明兒童虛擬仿真曲面模型整體上偏差很小，滿足精度要求，可以導(dǎo)入VStitcher三維虛擬試衣軟件中作為兒童虛擬人臺進行童裝款式的虛擬試衣。

表2 虛擬人臺尺寸與實體人臺尺寸對比單位：cm

3 三維虛擬仿真試衣應(yīng)用驗證

為驗證構(gòu)建的兒童系列虛擬人臺是否符合兒童標準體型，按照兒童標準體尺寸設(shè)計女童裝襯衫短裙套裝、男童襯衫長度套裝并放碼，通過智尊寶紡CAD制作CAD樣版導(dǎo)入VStitcher三維虛擬試衣軟件中，選擇本文構(gòu)建的對應(yīng)系列兒童虛擬人臺進行虛擬縫合試穿，如圖6所示，虛擬人臺穿著服裝非常合體，能夠代替實體人臺進行服裝款式合體性的檢驗。

圖6 三維虛擬仿真試衣

4 結(jié)束語

為準確構(gòu)建符合兒童標準體尺寸的系列虛擬人臺，使用非接觸三維掃描儀獲取人臺點云數(shù)據(jù)后，在 Geomagic Studio軟件中完成人臺的數(shù)據(jù)模型重構(gòu)，根據(jù)對比和偏差分析得出，本研究所獲得的三維兒童標準人臺數(shù)據(jù)模型誤差小、質(zhì)量好。兒童體型系列標準虛擬人臺可代替實體人臺成為制作和檢驗童裝的重要工具，不僅有利于服裝設(shè)計效果的快速展示，減少童裝款式研發(fā)成本，還能縮短不同季度童裝的研發(fā)周期。