三維人體與服裝建模技術(shù)的工學(xué)論文

三維人體與服裝建模技術(shù)的工學(xué)論文

　　在服裝CAD、網(wǎng)絡(luò )虛擬試衣、三維人體動(dòng)畫(huà)和游戲等應用領(lǐng)域，都面臨著(zhù)如何解決真實(shí)人體與服裝的三維重建問(wèn)題，即人體與服裝的真實(shí)感虛擬建模。

　　在計算機圖形學(xué)中，物體的造型一般分為傳統幾何建模和物理建模兩大類(lèi)。傳統幾何建模采用線(xiàn)框、表面和實(shí)體等造型技術(shù)，只描述物體的外部幾何特征，適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特征和行為特征融進(jìn)傳統的幾何模型中，既包含了表達物體所需要的幾何信息，又包含了物體材料的物理性能參數。

　　在現實(shí)世界中，服裝的運動(dòng)受織物材料特性和人體運動(dòng)的共同影響。人體運動(dòng)所產(chǎn)生的肢體位移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞，力的相互作用驅動(dòng)服裝跟隨人體運動(dòng)。由于用計算機模擬人體與服裝真實(shí)效果的復雜性，在三維人體與服裝的造型中出現了幾何建模技術(shù)、物理建模技術(shù)、結合幾何與物理的混合建模技術(shù)。

　　1 三維人體與服裝的幾何建凄摻術(shù)

　　1．1人體

　　三維虛擬人體的幾何建模技術(shù)主要是曲面建模，又稱(chēng)表面建模，這種建模方法的重點(diǎn)是由給出的離散數據點(diǎn)構成光滑過(guò)渡的曲面，使這些曲面通過(guò)或逼近這些離散點(diǎn)。在人體曲面建模時(shí)，主要采用基于特征的和參數化的人體曲面建模兩種具體建模方法。

　　1．1．1基于特征的人體曲面建模

　　基于特征的人體曲面建模根據人體的整體結構，將人體模型劃分為若干個(gè)基本的結構特征。為進(jìn)行曲面造型，針對每個(gè)結構特征可定義相應的造型特征。造型特征分為主要造型特征(即人體模型中指定的特征)和輔助造型特征(即為了精確表達人體模型的較細節幾何特點(diǎn)所定義的造型特征)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于．它使得人體模型的曲面建模更加靈活，可以針對人體模型不同部位的幾何特征，選擇最適合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一種曲面表達方式。此外，還可較方便地改進(jìn)人體模型建模方法。根據人體模型尺寸表，可定義一系列的特征曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的生成通過(guò)相關(guān)特征點(diǎn)(根據人體物理特性定義的點(diǎn))和模型樣本點(diǎn)(根據人體模型曲面造型需要定義的點(diǎn))來(lái)得到。僅靠特征曲線(xiàn)還不足以表達人體模型的所有幾何形狀，需補充定義幾何造型曲線(xiàn)，與特征曲線(xiàn)共同構造出曲線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )曲線(xiàn)多采用3次B樣條曲線(xiàn)表達，人體曲面模型的構建則采用B樣條曲面。

　　1．1．2參數化的人體曲面建模

　　參數化的人體曲面建模采用幾何約束來(lái)表達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計方案。即在建模過(guò)程中應結合人機工程學(xué)原理，利用人體各部分固有的比例關(guān)系，從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的參數。一旦幾何特征參數確定下來(lái)，系統將根據人機工程學(xué)原理，修改相應的主要造型特征，使其滿(mǎn)足新的尺寸要求。同時(shí)，利用人體模型主、輔造型特征問(wèn)的關(guān)聯(lián)結構，修改相關(guān)的輔助造型特征，獲得新的人體模型造型特征，對新的人體模型造型特征進(jìn)行曲面造型，最終得到用戶(hù)所需的人體模型。參數化建模是一種更為抽象化的建模方法，它以抽象的特征參數表達復雜人體的外部幾何特征，依托于常規的幾何建模方法，使設計人員能夠在更高、更抽象的層面上進(jìn)行人體設計。

　　NMThalmann和DThalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于對人體表面的變形。Forsey將分層B樣條技術(shù)用于三維人體建模。Douros等使用B樣條曲面重構三維掃描人體模型。曲面模型的優(yōu)點(diǎn)是速度較快，缺點(diǎn)是不考慮人體解剖結構，取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點(diǎn)之一。

　　盡管曲面建模技術(shù)已經(jīng)能夠完整地描述人體的幾何信息和拓撲關(guān)系，但所描述的主要是人體的外部幾何特征，對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環(huán)境因素缺乏描述，對于人體動(dòng)態(tài)建模仍有一定的局限性。

　　除曲面建模方法外，還有棒狀體建模和實(shí)體建模方法。棒狀體建模是最早出現的虛擬人體幾何建模方法，人體表示為分段和關(guān)節組成的簡(jiǎn)單連接體，使用運動(dòng)學(xué)模型來(lái)實(shí)現動(dòng)畫(huà)模擬，實(shí)現人體的大致動(dòng)作。實(shí)體模型使用簡(jiǎn)單的實(shí)體集合模擬身體的結構與形狀，例如圓柱體、橢球體、球體等，然后采用隱表面的顯示方法，其計算量大，且建模過(guò)程非常復雜。在三維人體模型結構中，實(shí)體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。

　　1．2服裝

　　服裝的幾何建模方法著(zhù)重模擬布料的幾何表象，尤其是波紋、褶皺等，不考慮服裝面料的物理特性，將織物視為可變形對象，用幾何方程表達并模擬虛擬現實(shí)環(huán)境中的織物動(dòng)畫(huà)效果。目前常用B樣條曲面、Bezier曲面：INURBS曲面來(lái)進(jìn)行服裝曲面造型。

　　Lalfeur等開(kāi)始用簡(jiǎn)單的圓錐曲面代表一條裙子，并穿著(zhù)在一個(gè)虛擬模特上，以人體周?chē)�生成的排斥力�?chǎng)來(lái)模擬碰撞檢測。Hinds等將人體模型的上半軀干進(jìn)行數字化圖像處理以獲得基礎人形，提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法，用三維數字化儀取得人體模型上的三維空間點(diǎn)，然后用雙3次B樣條曲面擬合得到數字化的人體模型，服裝衣片被設計成圍繞人體模型的曲面，然后將之展開(kāi)到二維，這些服裝衣片是通過(guò)幾何建模得到的。

　　此方法計算速度較快，模擬出的服裝具有其形態(tài)特點(diǎn)，生成的圖形具有一定的織物視覺(jué)效果，但不能代表特定的服裝織物，仿真效果較差。

　　2三維人體與腑裝的物建模技術(shù)

　　2.1人體

　　為使三維人體動(dòng)畫(huà)仿真效果更佳，AHBarr提出了物理建模思想，將人體的物理特性加入到其幾何模型中，通過(guò)數值計算對其進(jìn)行仿真，人體的行為則在仿真過(guò)程中自動(dòng)確定。

　　物理建模方法具有更加真實(shí)的建模效果，能有效地描述人體的動(dòng)態(tài)過(guò)程，采用微分方程組的數值求解方法來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統的計算，計算更為復雜。

　　2．2織物和服裝

　　服裝的物理建模對服裝進(jìn)行三角、網(wǎng)格或粒子劃分，通過(guò)構造織物對象的結構力學(xué)模型，進(jìn)行能量、受力分析，用計算機圖形技術(shù)可視化地模擬三維形態(tài)，能較真實(shí)地模擬柔性物體的特性。物理建模與織物的微細結構有關(guān)，需要確定織物物理力學(xué)參數。模擬結果與真實(shí)織物的接近程度取決于所用的數學(xué)模型和計算方法。 由于織物微結構的數學(xué)模型各不相同，物理模型可分為連續模型和離散模型兩類(lèi)。計算方法可分為力法和能量法。力法用微分方程表達織物內部微元之間的力，進(jìn)行數值積分以獲取每一時(shí)間步長(cháng)下微元的空間位置，從而得到整個(gè)織物在該時(shí)間步長(cháng)下的變形形態(tài)。能量法通過(guò)方程組計算整片織物的能量，然后移動(dòng)織物結構內的微元使之達到最量狀態(tài)，從而確定織物的最終變形形態(tài)。通常，能量法多用于織物靜態(tài)懸垂的模擬，而力法用于動(dòng)態(tài)懸垂的模擬。

　　2．2．1連續模型

　　連續模型將織物看作是由大量微元素相集合的連續體，運用研究連續體的力學(xué)方法對織物進(jìn)行力學(xué)分析和研究。通常用變形殼體、彎板、薄片、薄膜單元或變形粱單元代表織物的微元。在連續模型中使用有限元方法是目前發(fā)展的一個(gè)趨勢。

　　最早Shanahan等以材料片／板理論對織物建模。在19世紀80年代，Lloyd采用基于膜元素的有限元模型，Feynman使用彈性片理論，Terzopoulos等基于彈性理論的變形模型，Collier把織物看作正交各向異性的膜元素，采用幾何非線(xiàn)性有限元法。2O世紀90年代，Ascough使用簡(jiǎn)單變形梁元素，Yamazaki等在粱元素基礎上，加入外部力。2000年后，Kang等提出基于連續殼理論的顯式動(dòng)態(tài)有限元分析方法實(shí)現了一套三維服裝懸垂形狀預言快速反應系統，JinlianHu等提出有限體積法(FVM)。

　　在目前的使用中，織物的微觀(guān)非連續結構與有限元素的分割尺寸相比很小，將織物看作連續體，并忽略織物在微元水平內的相互作用，在一定范圍內具有合理性。即使是如此簡(jiǎn)化，連續模型的計算量仍相當大，計算過(guò)程繁瑣耗時(shí)，不能用于服裝的實(shí)時(shí)仿真。

　　2，2．2離散模型

　　織物是由大量纖維、紗線(xiàn)形成的復雜結構體，是非連續的，宜使用離散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互聯(lián)系的粒子系統模型模擬織物的懸垂特性，1996年Eberhardt等發(fā)展了Breen的粒子模型，體現了織物的滯后效應，增加了風(fēng)動(dòng)、身動(dòng)等外力對服裝面料的影響。在粒子系統的基礎上，由Provot和Howlett先后提出的質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，計算效率較高，取得了較好的應用效果。該模型將服裝裁片離散表達為規則網(wǎng)格的質(zhì)點(diǎn)～彈簧系統。每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)與周?chē)�相連的若干個(gè)質(zhì)點(diǎn)由彈簧相連，整個(gè)質(zhì)點(diǎn)一彈簧系是一個(gè)規則的三角形網(wǎng)格系統。Desbrun等對質(zhì)點(diǎn)～彈簧模型加以延伸、擴展和改進(jìn)，綜合顯式、隱式積分，提出一種實(shí)時(shí)積分算法，可實(shí)現碰撞和風(fēng)吹等檢測和反應。劉卉等也用改進(jìn)的質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。

　　物理建模方法雖然仿真效果更接近真實(shí)狀態(tài)，但因模型中包含的有效織物力學(xué)結構參數很難確定，加之運算時(shí)間太長(cháng)，應用受到了限制。

　　人體多層次模型是最接近人體解剖結構的模型，通常使用骨架支撐中間層和皮膚層，中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等，因此人體從內到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個(gè)層次，可分別采用不同的建模技術(shù)。骨頭層可看成剛性物體，采用幾何模型。皮膚層屬于最外層，需要較多的真實(shí)性，可采用基于物理的模型，指定皮膚層每個(gè)頂點(diǎn)的質(zhì)量、彈性、阻尼等物理參數，計算每個(gè)點(diǎn)的運動(dòng)特性，實(shí)現皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上，其動(dòng)態(tài)擠壓和拉伸效果由底層骨架運動(dòng)及肌肉體膨脹、脂肪組織的運動(dòng)獲得，附著(zhù)于骨頭上的肌肉和脂肪也得適當地采用物理建模方式形成。

　　Chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎上，Thalmann等提出一種更加高效的、基于解剖學(xué)的分層建模算法來(lái)實(shí)現人體的建模與仿真。通過(guò)這種方法建立的人體模型從生理學(xué)和物理學(xué)角度都能實(shí)現更加逼真的效果，但模型復雜度高，人體變形時(shí)計算量大。

　　幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀，可以方便地修改服裝的長(cháng)短胖瘦、結構線(xiàn)等外觀(guān)形狀，模型簡(jiǎn)單，執行速度快，但不能通過(guò)參數控制服裝的懸垂及質(zhì)感。物理建模允許通過(guò)選擇參數值較為直觀(guān)地控制服裝的懸垂及質(zhì)感，如增加質(zhì)量參數值將得到厚重織物，但模型復雜，計算費時(shí)。服裝的混合建模技術(shù)吸取了幾何和物理的優(yōu)點(diǎn)。通常在圖形生成或模擬過(guò)程中，先用幾何方法獲得大致輪廓，再用物理約束和參數條件進(jìn)行局部結構細化，從而獲得逼真、快速的模擬圖形。

　　Kunii和Godota使用混合模型實(shí)現了對服裝皺褶的模擬。Rudomin在進(jìn)行模擬時(shí)先使用幾何逼近的方法，在人體的外圍生成…個(gè)3DJ]~裝凸包，給出了懸垂織物的大致形狀，后利用Terzopoulos的彈性形變模型對織物的形態(tài)進(jìn)行細化處理。

　　在實(shí)際應用中，混合建模技術(shù)更適合于織物和服裝變形形態(tài)的模擬，既能滿(mǎn)足對服裝三維效果的仿真，且能在一定程度上實(shí)現三維交互設計，計算時(shí)間也將顯著(zhù)縮短，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的要求，是目前較好的選擇。

　　在三維人體建模上，對靜止人體的實(shí)現主要采用面建模技術(shù)，重點(diǎn)描述人體的外表面，即皮膚的外形。為了實(shí)現人體的動(dòng)態(tài)仿真，需要考慮人體本身的物理特征(如質(zhì)量、密度、材料屬性等)和行為特征，使得計算機模擬的人體活動(dòng)符合真人的運動(dòng)效果，采用了物理建模技術(shù)，但由于人對人體解剖結構、自身組織及器官的物理特性、人體運動(dòng)及動(dòng)力學(xué)行為等研究和了解得并不充分，很難建立起完整的三維人體物理模型。

　　在三維服裝模擬上，需要設置面料的質(zhì)地、圖案、色彩、尺寸及環(huán)境的燈光、重力、風(fēng)源、風(fēng)速、風(fēng)向等，以及人體與服裝的動(dòng)力學(xué)約束，才能完成服裝動(dòng)態(tài)特性的運動(dòng)模擬和仿真。服裝的幾何建模能方便模擬面料的幾何表象，但也只能實(shí)現服裝的外觀(guān)形狀。物理建模技術(shù)大多用于對單個(gè)織物的動(dòng)態(tài)模擬，對整個(gè)由衣片縫合而成的、具有一定款式和飾物的服裝造型則過(guò)于復雜。

　　要實(shí)現虛擬試衣、虛擬時(shí)裝表演、服裝的網(wǎng)上展示和虛擬購物等的虛擬環(huán)境，不僅需要建立人體和服裝的模型，而且還要考慮人體、服裝間、人體與服裝間的碰撞，因此統一人體和服裝的造型是必需的。結合幾何建模和物理建模的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，接近人體解剖結構，把最外層設置為服飾層的人體多層次模型將是今后重點(diǎn)研究的方向。

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