甄同妙　吉高卿　付江龍　楊　陽　陳素君

(河北建筑工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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基于質(zhì)點-彈簧模型的交互式服裝仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

甄同妙吉高卿付江龍楊陽陳素君

(河北建筑工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

基于質(zhì)點——彈簧模型，結(jié)合OpenGL的拾取技術(shù)和虛擬縫合技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了交互式服裝虛擬仿真系統(tǒng)，具備衣片信息獲取及離散、三維空間中服裝縫合信息的快速設(shè)定、服裝虛擬縫合等功能，實現(xiàn)了多款服裝虛擬試穿效果的模擬.

質(zhì)點——彈簧模型；服裝虛擬仿真；虛擬試穿效果模擬；交互式

0　引　言

隨著電子商務(wù)、計算機圖形學(xué)及虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和二維CAD系統(tǒng)的成熟，人們不再滿足于服裝試穿效果的平面圖片展示.三維服裝CAD系統(tǒng)、網(wǎng)上試衣系統(tǒng)等，因其可實現(xiàn)三維服裝試穿效果，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注.更有消費者希望在不久的將來實現(xiàn)在線試衣及個人定制，以得到方便、快捷、完美的購物體驗.因此，研究三維服裝虛擬仿真系統(tǒng)，努力推進產(chǎn)業(yè)化進程，不僅是消費者的現(xiàn)實需求，而且具有方便民眾購物、提升生活水平的實際意義.但自服裝出現(xiàn)以來，經(jīng)歷由古至今的時代變遷、由國內(nèi)到國外的空間融合，不僅款式種類多，且變化復(fù)雜，致使服裝虛擬仿真系統(tǒng)的研究困難重重.

目前，服裝仿真建?？捎蓭缀卧煨团c物理仿真兩種方法[1-2]得到.幾何造型方法通過在立體空間中構(gòu)建曲線、曲面，直接生成衣片并組成服裝，得到服裝的立體建模.該方法雖然可直接快速地實現(xiàn)服裝仿真，但生成的模型缺乏生活中服裝自然下垂的真實感.物理仿真方法是基于織物仿真模型和虛擬縫合技術(shù)，應(yīng)用動力學(xué)方法分析生活中服裝的屬性和受力行為，簡化、抽象后建立微分方程并求解，從而模擬服裝的試穿效果.由該方法建模不僅能解決上述幾何方法中缺乏真實感的問題，而且可360°全方位的展示試穿效果.但該方法中也存在多樣化衣片版式信息獲取、縫合信息設(shè)定和復(fù)雜虛擬縫合等問題.

針對服裝物理仿真方法，本文將基于質(zhì)點——彈簧模型，完成交互式服裝仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，真實有效地模擬多款服裝在人體模型上的全方位試穿效果.

1　服裝仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以質(zhì)點彈簧模型的彈性形變理論為依據(jù)，基于MFC文檔視圖結(jié)構(gòu)，集成GDI繪圖技術(shù)、OpenGL繪圖技術(shù)、多媒體技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等，采取功能控制流的方式，實現(xiàn)獲取及組織衣片信息、設(shè)定縫合信息、虛擬縫合等功能.圖1是系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖.

通過界面管理模塊，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，切換系統(tǒng)狀態(tài),如視圖維度、縫合信息設(shè)定狀態(tài)參數(shù)、離散衣片填充形式、視點和光照等；為組織服裝信息，建立服裝層次模型，參考紙樣設(shè)計，利用GDI+技術(shù)繪制多邊形作為衣片輪廓，布點、離散邊界后進行Delaunay運算得到三角形網(wǎng)格，將服裝信息以自定義格式保存到文本文檔中；用戶根據(jù)需要單擊人模菜單上的不同選項，系統(tǒng)自動導(dǎo)入預(yù)置的模型，提供虛擬縫合和試穿的基本元素；采用交互技術(shù)，用戶可將衣片放置在合適的初始位置，以加速縫合過程的收斂、更快地得到服裝仿真效果；依需設(shè)定縫合信息面板參數(shù)，采用OpenGL拾取技術(shù)[3]，在三維場景中選取一對邊框，該對邊框所屬的邊界點之間自動建立對應(yīng)的縫合關(guān)系，并且連線顯示；將質(zhì)點——彈簧模型應(yīng)用于衣片三角網(wǎng)格，并對縫合方法進行拓展，采用Verlet積分模擬服裝布料的受力行為，縫合過程結(jié)束后施加重力，模擬服裝在人模上的試穿效果.

2　系統(tǒng)核心功能實現(xiàn)技術(shù)分析

2.1服裝邏輯建模

圖2　服裝層次模型

將OOA、OOD的思想方法融進服裝的抽象過程，建立各部分信息之間的邏輯關(guān)系，得到服裝層次模型；利用類和對象的特點建立系統(tǒng)底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

由服裝層次模型結(jié)構(gòu)化地組織服裝信息，可在邏輯上構(gòu)成完整意義上的服裝.圖2為服裝層次模型的示意圖.

系統(tǒng)設(shè)計衣片邊界編輯面板，導(dǎo)入服裝紙樣設(shè)計，“臨摹”得到衣片邊界數(shù)據(jù)，如圖3中(a)、(b)、(c)所示.“臨摹”過程中通過將邊框類的索引屬性層級傳遞，建立邊框及其所屬邊界的對應(yīng)關(guān)系.

根據(jù)柵格法[4]按密度r進行布點，并且離散邊界，然后進行Delaunay計算過程得到衣片網(wǎng)格，如圖3中(d)所示.

(a)紙樣設(shè)計　　　　　　(b)衣片邊框　　　　　　(c)衣片外邊界　　　　　　(d)衣片網(wǎng)格

2.2縫合信息設(shè)定

(a)設(shè)定參數(shù)面板　(d)縫合信息側(cè)視圖圖4　縫合信息設(shè)定面板

本系統(tǒng)中設(shè)計的縫合信息設(shè)定面板如圖4中(a)所示，可以選定當前操作要實現(xiàn)的功能——添加/刪除縫合邊、添加縫合邊時選定對應(yīng)縫合方式、對應(yīng)比例、縫合信息是否顯示等選定.將當前系統(tǒng)切換到三維視圖中，導(dǎo)入需要的人體模型，調(diào)出該面板，選定參數(shù)，基于三維空間中OpenGL拾取技術(shù)完成縫合信息的快速設(shè)定[5].縫合信息可清晰直觀地展示在三維空間中，所示即所需，圖4中(b)為女士連衣裙縫合信息的側(cè)視圖.

2.3拓展的虛擬縫合

廣泛應(yīng)用于織物仿真領(lǐng)域的織物模型是Provot提出的經(jīng)典質(zhì)點彈簧模型[6].任意形狀的服裝衣片都需均勻受力，才能模擬布料屬性.為此，將衣片離散為幾乎均勻分布的三角形網(wǎng)格，并以此為幾何載體，構(gòu)造簡化的質(zhì)點彈簧模型，如圖5所示.

圖5　簡化的質(zhì)點彈簧模型

當服裝衣片發(fā)生變形或運動時，質(zhì)點彈簧模型中的質(zhì)點受力產(chǎn)生位移.虛擬縫合試穿過程中，質(zhì)點所受力包括空氣阻尼力、縫合力、重力、與其他質(zhì)點或人模發(fā)生碰撞時的阻礙力、人模的支撐力以及彈性變形力.根據(jù)牛頓第二定律建立質(zhì)點運動方程，采用Verlet積分方法進行動力學(xué)求解，實現(xiàn)縫合過程及試穿效果的仿真.基于三維空間變換原理，系統(tǒng)提供交互技術(shù)可切換到任意角度觀察服裝的試穿效果.

服裝種類款式良多，因此虛擬縫合種類不一.根據(jù)縫合成型后的縫合痕跡可將虛擬縫合分為1字型縫合、T字型縫合和十字型縫合.為模擬服裝試穿效果，將原有1字型縫合方法[4]拓展，使之適用于T字型縫合和十字型縫合.系統(tǒng)提供菜單“服裝仿真”，用戶單擊可開始服裝的虛擬縫合及試穿模擬，全程可視，且用戶可選任意角度進行觀察.圖6為多款服裝的虛擬縫合及試穿效果的展示，圖7為同款服裝不同角度的縫合試穿效果展示.

a)圓短裙　　　　　　　　　b)馬甲　　　　　　　　　c)連衣裙　　　　　　　　　d)一步裙

a)背面　　　　　b)正面　　　　　c)側(cè)面

3　總　結(jié)

基于織物的質(zhì)點——彈簧模型，拓展虛擬縫合方法，采用Verlet積分方法進行動力學(xué)求解，設(shè)計并開發(fā)的三維服裝虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了多款服裝的任意形狀的衣片信息獲取、三維空間中基于邊框線段的交互式縫合信息設(shè)定，清晰直觀地顯示“所見即所設(shè)”的縫合信息，真實有效地模擬了多款服裝全方位的虛擬試穿效果.

隨著電子商務(wù)的深入發(fā)展及計算機硬件計算能力地提升，作為全球最大的服裝消費市場和生產(chǎn)基地，我國服裝行業(yè)的信息化實力提升，對于增強國內(nèi)品牌在國際市場上的競爭力有重要且關(guān)鍵的意義.三維服裝虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)使得互聯(lián)網(wǎng)試穿服裝進一步成為可能，有望改善消費者的購物體驗，明顯提升了我國服裝領(lǐng)域的信息化實力，為我國服裝行業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了時代活力.

[1]LIU Yongjin,ZHANG Dongliang,Yuen M M F.A survey on CAD methods in 3D garment design[J].Computers in Industry,2010,61(6):576～593

[2]張堯燁,孫正興,劉凱，等.基于手繪輪廓的3維服飾模型生成[J].中國圖像圖形學(xué)報,2010,15(6):964～970

[3]Dave Shreiner,Graham Sellers,John Kessenich,et al.OpenGL編程指南[M].第7版.北京：機械工業(yè)出版社,2009:383～400

[4]陳青青.三維虛擬服裝縫合技術(shù)及布料仿真的研究與實現(xiàn)[D].福建：廈門大學(xué),2009:1～75

[5]唐勇,甄同妙,呂夢雅,等.快速設(shè)定三維空間中服裝縫合信息的新算法[J].紡織學(xué)報,2014,35(4):126～134

[6]Provt X.Deformation Constraint in a Mass-Spring Model to Describe Rigid Cloth Behavior[C].Proceedings of Graphics Interface,1995,147～154

Design and Implementation of an Interactive System for Simulating Garments Based on Mass-spring Model

ZHEN Tong-miao，JI Gao-qing，F(xiàn)U Jiang-long，YANG Yang，CHEN Su-jun

(College of Information Engineering，Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

Based on mass-spring model and combined with the picking technique in OpenGL and virtual stitching technique,an interactive system for virtually simulating garments is designed and implemented.In this system,garment’s information is got and dispersed,stitching information could be rapidly set in 3D space,and virtual stitching could be implemented,finally achieving the virtual trying-on effect for a variety of clothes.

mass-spring model；clothing virtual simulation；effect of virtual trying-on simulation；interactive

2016-03-09

甄同妙(1986-)，女，助教，碩士.主要研究方向為計算機虛擬仿真和圖形學(xué).

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