數(shù)字化人臺(tái)建模研究進(jìn)展

黃 哲,潘 力,2,*,王 軍,2,姚 彤,2

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院,遼寧 大連116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計(jì)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,遼寧 大連116034)

近年來(lái),服裝產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中不可或缺的一部分,在建設(shè)紡織服裝強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的推動(dòng)下,我國(guó)服裝行業(yè)正朝著科技化、信息化、可持續(xù)的方向發(fā)展[1]。隨著消費(fèi)者對(duì)服裝舒適性和個(gè)性化需求的提升,服裝企業(yè)對(duì)私人定制服裝的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)需求日益增長(zhǎng)。立裁人臺(tái)是服裝設(shè)計(jì)與制作中常用的重要工具[2],但現(xiàn)有的立裁人臺(tái)規(guī)格已較難滿(mǎn)足服裝個(gè)性化設(shè)計(jì)的需要,且人臺(tái)的制作目前主要是采用傳統(tǒng)的手工方法,特定規(guī)格人臺(tái)的再制作會(huì)大大降低服裝設(shè)計(jì)與加工的效率。因此,建立能夠滿(mǎn)足個(gè)性化服裝設(shè)計(jì)與人臺(tái)快速制作等需求的數(shù)字化人臺(tái)模型愈發(fā)重要。

本文基于國(guó)內(nèi)外人臺(tái)建模的研究進(jìn)展,分析了人臺(tái)建模與人體建模的差異,總結(jié)了人臺(tái)建模方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)人臺(tái)建模研究未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

1 人臺(tái)建模與人體建模的區(qū)別

1.1 人體建模

三維人體建模技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人體工程學(xué)等多門(mén)學(xué)科,是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬真實(shí)人體,并以三維立體的形式真實(shí)展示人體模型的數(shù)字化建模技術(shù)[3]。作為計(jì)算機(jī)人體仿真的一部分,三維人體建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用在影視人物制作、游戲角色建模、人機(jī)工程、醫(yī)學(xué)研究以及服裝行業(yè)中三維立體縫合、三維服裝展示、虛擬試衣等方面[4-5],其建模過(guò)程中主要是尋求整體的比例關(guān)系,通過(guò)確定人體特征部位來(lái)建立特征圍度間的比例關(guān)系進(jìn)行建模。

1.2 人臺(tái)建模

人臺(tái)能夠反映人體的體型特點(diǎn),是對(duì)人體體型的再現(xiàn),但其并不等于人體,人臺(tái)只是根據(jù)號(hào)型規(guī)格劃分的一類(lèi)人體體型特征的代表,經(jīng)過(guò)修正美化后得到的人體軀干模型[6],故而二者在建模方法的運(yùn)用上是存在差異的。常見(jiàn)的服裝設(shè)計(jì)用立裁人臺(tái)有上、下半身人臺(tái)及全身人臺(tái)等,如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)的服裝設(shè)計(jì)用立裁人臺(tái)

隨著企業(yè)生產(chǎn)對(duì)服裝舒適性和個(gè)性化要求的提升,三維人體建模在單量單裁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和個(gè)性化人臺(tái)生產(chǎn)等方面缺乏實(shí)用性,因此在三維人體建模技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮將人體特征部位對(duì)應(yīng)到人臺(tái)上,形成在整體比例關(guān)系下可對(duì)特征部位單獨(dú)再調(diào)整的、能夠滿(mǎn)足服裝立體裁剪設(shè)計(jì)要求的三維人臺(tái)模型,三維人臺(tái)建模技術(shù)便由此產(chǎn)生。三維人臺(tái)建模更加符合企業(yè)生產(chǎn)的特定需求并隨著方法和功能的更新,成為當(dāng)前服裝行業(yè)中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[7]。人臺(tái)建模與人體建模的主要區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 人臺(tái)建模與人體建模的區(qū)別

2 人臺(tái)建模的方法

建模方法主要分為幾何建模與物理建模兩種。人臺(tái)建模的實(shí)現(xiàn)主要運(yùn)用幾何建模中的線(xiàn)框建模、實(shí)體建模、曲面建模和新發(fā)展起來(lái)的圖像建模。

2.1 線(xiàn)框建模

線(xiàn)框建模是采用點(diǎn)、直線(xiàn)、圓弧、樣條曲線(xiàn)等構(gòu)造三維物體的圖形表示技術(shù),是CAD幾何造型技術(shù)發(fā)展過(guò)程中最早應(yīng)用的建模方法[8]。線(xiàn)框建模在早期的建模研究中被廣泛使用,Sun Mi Park等[9]利用獲取的三維人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多功能人臺(tái)的研究,根據(jù)線(xiàn)框建模的原理,通過(guò)自由變形建立基于平均線(xiàn)框的虛擬模型,在標(biāo)準(zhǔn)人臺(tái)上加放不同服裝類(lèi)型的最小松量得到松量人臺(tái)模型,根據(jù)松量人臺(tái)模型與標(biāo)準(zhǔn)人臺(tái)模型的差值,得到松量模型外殼,將外殼由三維轉(zhuǎn)變成二維紙樣,最終可獲得不同服裝類(lèi)型的松量外殼,并制作成多用途人臺(tái)。楊陽(yáng)[10]以Sun Mi Par k等的研究方法為基礎(chǔ),將獲取的不同特征圍度層截面點(diǎn)云連成曲線(xiàn),再將曲線(xiàn)封閉建立截面,最后采用Sketch up曲面放樣工具,完成由特征截面到實(shí)體模型建模,進(jìn)而建立外套用松量人臺(tái)系列模型。董會(huì)元[11]通過(guò)對(duì)女性腰臀部的形態(tài)特征進(jìn)行分析,結(jié)合三維掃描數(shù)據(jù),提取反映腰臀特征的特征參數(shù),選定特征曲線(xiàn)及特征點(diǎn),利用三次樣條曲線(xiàn)對(duì)過(guò)特征點(diǎn)的特征曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,構(gòu)建人體線(xiàn)框模型,再利用UG軟件二次開(kāi)發(fā)功能,實(shí)現(xiàn)腰臀部參數(shù)化人臺(tái)模型的建立。

線(xiàn)框建模采用簡(jiǎn)單的圖素構(gòu)建物體的三維模型,所包含的數(shù)據(jù)量少,且模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理算法也相對(duì)簡(jiǎn)單,易于修改和保存,多用于簡(jiǎn)單模型的構(gòu)建與評(píng)價(jià)。隨著建模技術(shù)的發(fā)展,線(xiàn)框建模常被作為輔助手段,結(jié)合其他建模方法進(jìn)行改進(jìn)與完善,可以解決人臺(tái)建模研究中出現(xiàn)的模型無(wú)法自動(dòng)消隱、無(wú)法進(jìn)行剖面處理等問(wèn)題。同時(shí),線(xiàn)框建模作為實(shí)體建模與曲面建模技術(shù)的基礎(chǔ)仍是不可忽視的[12-13]。

2.2 實(shí)體建模

實(shí)體建模是通過(guò)定義基本體素,并對(duì)這些體素進(jìn)行集合運(yùn)算或變形操作從而生成復(fù)雜幾何體的建模方法。實(shí)體建模一般包括兩方面:一種是體素,如長(zhǎng)方體、球體與圓柱體等的定義與描述;另一種是體素之間的集合運(yùn)算,通過(guò)交集、并集或差集等將簡(jiǎn)單的幾何體進(jìn)行組合得到新的復(fù)雜形體。其表達(dá)方式主要有4種:體素分解表達(dá)法、構(gòu)造實(shí)體幾何法、邊界表達(dá)法、多面體建模法[14]。李宋明[15]采用實(shí)體建模中的多面體建模法,利用Poser軟件獲取包含能夠生成三維男性人臺(tái)數(shù)據(jù)點(diǎn)的OBJ文件,通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)組技術(shù)處理保留三維坐標(biāo)值和法向量,最后在VC++環(huán)境下,結(jié)合Open GL建模軟件,使用三角網(wǎng)格平面建立了男性半身人臺(tái)模型。

實(shí)體建模相比于線(xiàn)框建模增加了模型實(shí)心部位的表達(dá),信息更加完善,可以得到無(wú)二義性的描述,實(shí)體建模還儲(chǔ)存了幾何信息和拓?fù)湫畔?可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消隱,使人臺(tái)展示效果更加真實(shí)。

2.3 曲面建模

曲面建模是通過(guò)頂點(diǎn)、邊和表面3種幾何元素及其相互間的拓?fù)潢P(guān)系將復(fù)雜的物體分成不同的曲面,最后通過(guò)曲面的拼接得到物體模型的建模方法。常用的曲面建模方法有:三角曲面片造型法、代數(shù)描述法和散亂點(diǎn)插值法[12]。而目前,在三維人臺(tái)建模研究中較為成功并獲得廣泛應(yīng)用的方法是代數(shù)描述法中的貝塞爾(Bezier)曲面法、B樣條曲面法和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面法。

近年來(lái),曲面建模法已成為人臺(tái)建模研究中主流的建模方法。白玉[16]對(duì)女性的胸型進(jìn)行細(xì)分,對(duì)文胸的特征點(diǎn)、特征曲線(xiàn)進(jìn)行分析,并明確與文胸特征對(duì)應(yīng)的人體特征點(diǎn)與特征曲線(xiàn),最后采用網(wǎng)格曲面的建模方法,在UG軟件中通過(guò)UG/Open GRIP語(yǔ)言建立不同胸型的參數(shù)化人臺(tái)。Rongqi Chen[17]提出了一種基于特征曲線(xiàn)的三維人臺(tái)曲面重建方法,應(yīng)用逆向工程技術(shù)掃描人臺(tái)模型,通過(guò)特征曲面分割提取代表形狀特征的網(wǎng)格點(diǎn),最后利用B樣條曲面重建三維人臺(tái)模型,同時(shí)采用了最小能量法來(lái)提高所建人臺(tái)模型的質(zhì)量。余張君[18]通過(guò)掃描穿著旗袍的中老年女性獲取樣本點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用SPSS分析旗袍用人臺(tái)松量分布規(guī)律,最后采用NURBS曲面建模方法在MATLAB中建模得到旗袍用人臺(tái)仿真模型。

曲面建模增加了對(duì)模型表面信息的描述,也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消隱,使人臺(tái)模型更加形象、逼真。同時(shí),曲面建模法是構(gòu)建參數(shù)化人臺(tái)模型的重要手段,與計(jì)算機(jī)編程技術(shù)相結(jié)合,可以建立能夠隨輸入的參數(shù)值變化的數(shù)字人臺(tái)模型。

2.4 圖像建模

圖像建模是根據(jù)拍攝的樣本正、側(cè)、背等一系列照片,通過(guò)圖像差分、二值化和去噪等圖片處理技術(shù)獲取樣本的外形輪廓、截面線(xiàn)、特征尺寸等信息,最后結(jié)合建模軟件構(gòu)建三維人臺(tái)模型的建模方法,其過(guò)程如圖2所示。圖像建模法應(yīng)用的主要技術(shù)有:基于樣本照片的特征參數(shù)提取,樣本尺寸數(shù)據(jù)的二、三維轉(zhuǎn)換,基于特征尺寸和特征曲線(xiàn)的三維人臺(tái)模型構(gòu)建等[19]。

圖2 圖像建模過(guò)程

圖像建模是目前國(guó)內(nèi)外建模研究中探索的熱點(diǎn)方法之一。蔡劍[20]通過(guò)拍攝人體正、側(cè)面照片利用數(shù)字化圖像處理算法提高獲取尺寸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,并效仿日本DressingSim LookStailor X全數(shù)字化服裝設(shè)計(jì)軟件,結(jié)合Open GL軟件,在VC++環(huán)境下,對(duì)獲取的標(biāo)準(zhǔn)尺寸人體模型進(jìn)行編輯和修改,采用層片分割技術(shù),形成標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)人臺(tái)模型,建立三維服裝人臺(tái)參數(shù)化建模系統(tǒng)。陳利珍[21]采用二維非接觸式測(cè)量方法,對(duì)實(shí)體人臺(tái)進(jìn)行180°拍攝,然后根據(jù)立體視覺(jué)原理將提取的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),最后在MATLAB中基于人臺(tái)曲面模型建立了個(gè)性化三維人體模型。

而在國(guó)外學(xué)者的研究中,他們主要將圖像建模法應(yīng)用在人體建模研究方面。Adrian Hilton等[22]早在2000年提出了基于圖像的三維人體建模技術(shù),后來(lái)In Yeop Jang等[23]提出了一種二維到三維的轉(zhuǎn)換方案,利用單個(gè)深度圖像和多個(gè)彩色圖像來(lái)生成三維人體模型,并通過(guò)去除遮擋區(qū)域中多余的三角形和填充相應(yīng)的空洞解決了單目攝像機(jī)拍攝的圖像中的自遮擋問(wèn)題,提高了三維人體模型的視覺(jué)質(zhì)量。

相比于價(jià)格高昂的三維人體掃描設(shè)備,圖像建模法基于照片獲取樣本的特征尺寸信息,在一定程度上降低了測(cè)量成本,且二維數(shù)據(jù)更易于處理,可以提高建模效率。由于圖像建模法正處于探索階段,因此也存在著一些缺陷,如對(duì)照片的拍攝環(huán)境要求嚴(yán)格、建立的模型存在較多噪點(diǎn)等[24]。

綜上所述,將人臺(tái)建模方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)(表2)。

表2 人臺(tái)建模方法對(duì)比

從表2中可以看出,線(xiàn)框建模法在人臺(tái)模型基本框架構(gòu)建方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),適用于繪制人臺(tái)特征圍度層曲線(xiàn),或者對(duì)人臺(tái)大小的框架進(jìn)行限定等;實(shí)體建模法不屬于表面建模,它可以建立物體內(nèi)部結(jié)構(gòu),并可進(jìn)行剖面處理,因此更適用于人體建模研究中那些需要剖面實(shí)驗(yàn)的建模;曲面建模法增加了對(duì)表面信息的描述,而人臺(tái)建模主要是構(gòu)建物體的表面模型,因此采用曲面建模法可以獲得更佳的仿真效果,同時(shí)曲面建模法可以應(yīng)用在參數(shù)化建模中,建立可調(diào)節(jié)的參數(shù)化人臺(tái)模型;圖像建模法實(shí)現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,在一定程度上可替代三維人體掃描設(shè)備進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的采集,是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)建模方法,但目前采用圖像建模法建立的三維模型尚存在噪點(diǎn)、空洞、特征部位匹配誤差等問(wèn)題,有待改進(jìn)。

不同的建模方法具有不同的特點(diǎn),所以在選擇建模方法時(shí)需要考慮人臺(tái)模型的特點(diǎn)和要求,并根據(jù)建模方法的適應(yīng)性來(lái)改進(jìn)和調(diào)整。

3 人臺(tái)建模研究未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 建立人臺(tái)模型數(shù)據(jù)庫(kù)

前沿的三維人體掃描設(shè)備和圖像建模技術(shù)都能夠快速準(zhǔn)確地獲取人體的尺寸數(shù)據(jù)信息,但并未建立完善的人體數(shù)據(jù)體系,未來(lái)可以按照年齡、身高等指標(biāo)對(duì)不斷累積的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)并建立人體數(shù)據(jù)庫(kù),這樣無(wú)論是人臺(tái)建模研究,還是人體建模研究,都擁有了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí),可根據(jù)各類(lèi)別的平均體模型建立對(duì)應(yīng)的人臺(tái)模型數(shù)據(jù)庫(kù),在出現(xiàn)相似體型時(shí)便可直接調(diào)用和修改,可縮短建模時(shí)間,也可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3.2 3D打印人臺(tái)

參數(shù)化人臺(tái)模型是目前數(shù)字化人臺(tái)建模的主要研究方向,但只停留在通過(guò)建立人臺(tái)模型特征參數(shù)間的整體數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)現(xiàn)模型的變化階段,不可進(jìn)行局部?jī)?yōu)化調(diào)整。未來(lái)可以結(jié)合計(jì)算機(jī)編程技術(shù)建立能夠在特征參數(shù)整體變化關(guān)系下可進(jìn)行每個(gè)特征參數(shù)單獨(dú)再調(diào)整的數(shù)字化人臺(tái)模型,并利用此方法對(duì)人臺(tái)內(nèi)膽進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),使其能夠根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行變化,并可進(jìn)行局部修改,再結(jié)合3D打印技術(shù)打印人臺(tái)內(nèi)膽,最后附上外層材料進(jìn)行立裁人臺(tái)制作。3D打印人臺(tái)可以推廣和應(yīng)用到個(gè)性化人臺(tái)的大規(guī)模生產(chǎn)中,具有良好的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。

4 結(jié)語(yǔ)

以數(shù)字化人臺(tái)建模為中心,分析了人臺(tái)建模與人體建模的不同之處,并結(jié)合國(guó)內(nèi)外人臺(tái)建模研究進(jìn)展對(duì)人臺(tái)建模方法進(jìn)行了歸納和總結(jié),最后闡述了人臺(tái)建模研究有待解決的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字化人臺(tái)建模是多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的融合,其關(guān)鍵在于建模方法的選擇。在選取建模方法時(shí),要綜合考慮各建模方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合研究的實(shí)際目的與需求,選擇一種或多種方法相結(jié)合的建模方式,達(dá)到最佳的人臺(tái)建模效果。同時(shí),人臺(tái)模型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)輔助建模,可以使數(shù)字化人臺(tái)建模研究的體系更加完善,并有助于服裝加工企業(yè)和人臺(tái)制作企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。