服装个性化三维人体变形模型研究与实现

数字人体模型是三维虚拟着装的主体，因此在三维虚拟服装试穿系统中亟待解决的若干关键技术中，首先要解决的　　是逼真的个性化数字人体建模技术。 　　1、数字人体建模技术的研究现状 　　自交互式计算机图形学诞生以来，就有大量的学者和专家不断探索数字人体建模技术。有许多研究者纷纷提出许多建模技术和方法，按照数字人体建模数据点的获取方法和建模特点，数字人体建模技术主要分为以下五大类。 　　1.1 基于解剖学的数字人体建模 　　基于解剖学的数字人体建模技术属于一种创造性的建模方法。人是一个复杂的生命体，从生理解剖的角度来分析，大致可以分为皮肤层、肌肉层、骨架层和组织器官层。在此基础上对人进行仿真建模时，采用了基于数字人体横断切片图像数据的几何建模方法，例如Scheepers等、Wilhelms和Van Gelder等都从解剖学的观点出发提出了数字人体建模技术的算法，他们认为采用这种方法建立的数字人体模型应该是对身体的每一个实际组成部分甚至内部器官的模拟。这类建模技术由于需要太多的人工干预，因此建模效率较低，并且使用者缺乏对该数字人体模型的有效控制。 　　1.2 基于三维扫描数据的数字人体建模 　　基于重建的数字人体建模是利用专业设备对已存在的真实人体进行三维几何重建的一种方法。这类方法一般是采用结构光或激光三维扫描仪进行三维数字人体重建。显然，利用该方法能重建与实际人体体型非常逼真的三维模型，但该方法的实现依赖于昂贵的设备，在使用时需要专业知识和特殊的环境配置，同时获取的数据量大，重建速度慢，很难确定与虚拟服装特征相关的数据点。从实用性的角度来看，这种精细的测量技术所获得高密度的数据点集对于实际的应用来说是一种的浪费，是完全不必要的。即该方法建立的数字人体模型基本是无法进行控制和修改的，很难将建成的人体模型修改为用户所期望的形状。同时使用三维扫描仪重建的三维数字人体模型很难集成到实际的应用软件中。 　　1.3 基于图像序列的数字人体建模 　　基于图像序列的数字人体建模是利用从视频图像序列或照片序列中获得的二维图像中重建数字人体模型的一种方法。这种方法的花费很低，只需要从有限的图像序列中获取人身体的几何特征，重建简单着衣情况下的人体模型。采用该方法进行三维人体重建时一方面对人体的着装要求较高，即要求图像序列中的人体仅穿内衣或不穿任何衣物;另一方面这种建模方法所获得的三维人体模型精度和建模速度难以达到平衡。同时由于面部结构的复杂性，无法重建真实人的面部形状。 　　1.4 参数化数字人体建模技术 　　参数化数字人体建模技术是基于传统的几何建模方法上的一种更为抽象化的建模方法，采用几何约束来表达数字人模型的形状特征，以抽象的特征参数表达真实人复杂的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高更抽象的层面进行人体设计。用形体参数控制真实人的身体测量尺寸的好处是，操作者只需要修改形体参数的值，就可以使形体、形状改变，而不必去修改形体本身。瑞士日内瓦大学MIRALab实验室的Hyewon Seo、Frederic Cordier、Nadia Magnenat – Thalmann等提出了一种参数化形体修改的人体模型的仿真合成方法，该方法在基于现有可控的标准数字人模型基础上，利用一些如脂肪比例、腰臀比等用户个性化参数来修改标准模型，从而获得具有真实感的、便于操作的用户的数字模型。但该方法中要求用户提供的参数需要专业人员通过专业的医学设备来获取或计算出来，有一定的应用局限性。这种建模技术已广泛应用于包括人体在内的图形对象的建模。 　　1.5 三维建模软件 　　此外，还可以利用Maya、3DMAX、Poser等通用建模软件绘制人体的三维模型，采用这种建模方法获得的人体模型美观、方便，建模方法简单，但它与前3种数字人体建模方法存在的缺陷一样：建立单一模型的成本均较高，模型可控性差，逼真度低，不适用于建立大量个性化的数字人模型，并且所生成的数字人模型很难集成到实际应用软件之中。 　　2、面向虚拟服装试穿的数字人体建模技术 　　虚拟服装试穿是近年来受到计算机图形学和服装CAD研究领域广泛关注的一个研究热点，它发展和更新了人们传统的试衣观念和服装销售方式，同时带来了相当便利，使用户“足不出户”就可以“试穿”自己喜爱的知名品牌的服装，也可以将自己的试穿效果发送到亲朋好友的手机或电子中，共享试衣效果。 　　现有的数字建模技术存在着这样或者那样的不足，具体归纳如下： 　　（1）对个性化人体的动态变形过程的造型相当乏力，有的建模技术甚至无法实现个性化数字人体模型; 　　（2）侧重于对人体模型躯干部分的研究，没有考虑头部模型的个性化，即没有考虑面相与体型的匹配问题; 　　（3）数字人体建模技术的研究与行业应用背景脱节，有的建模技术甚至无法集成到实际应用中; 　　（4）缺乏对建立大量个性化人体模型的支持，效率低下。 　　因此，现有虚拟服装试穿中的着装人物呆板虚假，真实感差，建模效率低，无法实现个性化应用，难以满足虚拟服装试穿系统的需求。 　　适用于虚拟服装试穿的数字人体应该不是人体系统的简单数字化，而是以真实人的身体尺寸为基础，建立起多维的动态人体系统，结合人体皮肤表面的弹性物理性能，运用信息化与数字化的方法研究和构建与标准的真实人的体型和面貌高度逼近的虚拟人。这样用户只要通过内嵌虚拟服装试穿系统的，输入自己的个性化着装测量参数和一幅或两幅照片，这套系统就会根据用户的输入参数和照片，对通用虚拟数字人模型的相应部位采用非线性的变换、插值和变形等算法处理，实时生成与真实人体型和面相相符的数字人体模型。 　　在虚拟服装试穿系统中，按服装与人体皮肤表面接触的情况，可以将整个人的结构分成头部、颈部、肩部、上臂、前臂、胸部、腰部、下腹、臀部、大腿、小腿、手足及各部位的连接关节等13个层次。这样既考虑了用户熟悉的、可以自己测量的一些常用着装尺寸，如身高、肩宽、胸围、腰围、臀围等在数字人体建模中的应用，也考虑了对特殊用户体型的数字化建模，同时还将真实人的照片与通用数字人模型通过变形和插值算法进行融合，在真正实现个性化数字人体建模的同时，也在计算机中再现了真实人面相与拟实数字人头部模型的匹配，满足虚拟服装试穿系统中不同用户的精度需求，为下一步研究着装数字人体的运动仿真奠定坚实的基础。