張小妞，王 軍，張春媛(， )

企業(yè)對服裝市場快速反應，可在短時間內(nèi)按照終端客戶的需求進行生產(chǎn)、銷售，提高行業(yè)競爭力，而計算機數(shù)字化和信息化技術是企業(yè)提升快速反應能力的手段之一[1]。近年來三維服裝CAD技術、虛擬服裝設計及試衣技術等數(shù)字化服裝建模技術成為研究熱點，這對于服裝企業(yè)的個性化定制服務、虛擬服裝展示、虛擬試衣系統(tǒng)等都具有重要意義。本文對現(xiàn)有的數(shù)字化服裝三維人體建模研究方法、思路進行了歸納總結(jié)，為相關工作提供一定參考。

1 三維人體掃描技術

三維人體掃描技術是以現(xiàn)代光學技術為基礎，融光學、計算機圖像學、信息處理、計算機視覺和信息傳感等為一體的高科技技術[2]。三維人體掃描儀系統(tǒng)主要由光源、成像設備、數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)組成。首先光源照射人體，然后通過軟件控制相機陣列同時拍攝物體的各個角度影像，再將得到的影像導入到數(shù)據(jù)處理軟件，提取人體各部位的尺寸信息建立模型，最后模型數(shù)據(jù)可導出為主流3D軟件支持的格式[3]，運行流程圖如圖1所示。

圖1 三維掃描運行流程

1.1 三維人體掃描儀器

三維人體掃描測量技術主要是利用三維掃描儀對投射到人體表面的光進行快速掃描，得到精確完整的人體點云數(shù)據(jù)。目前國際上常用的人體掃描儀[4]主要有基于結(jié)構光投影的三維掃描系統(tǒng)和基于激光掃描的三維掃描系統(tǒng)(如表1所示)。三維人體掃描測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量技術相比其優(yōu)點在于掃描時間短、精確度高、測量部位多等。如德國的TechMath掃描儀僅20秒就可捕捉人體的80000個數(shù)據(jù)點，獲得人體相關的85個部位尺寸值，精確度為<±0.2 mm；美國的TC2可迅速獲得人體的80多個數(shù)據(jù)，全面精確地反映人體體型情況[5]。

1.2 三維人體掃描的原理

目前，國內(nèi)外人體掃描系統(tǒng)的主要結(jié)構基本都為三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、后處理軟件、電源以及附屬設備。采用非接觸式高速激光測量獲得人體的幾何圖形數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)，采集的點數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)通過后處理軟件進行處理，轉(zhuǎn)換成坐標系中的空間位置或模型，最終得到人體的精確數(shù)據(jù)和人體的三維形態(tài)檔案?？刂栖浖蛿?shù)據(jù)處理軟件必須通過現(xiàn)階段三維人體掃描系統(tǒng)的使用才能發(fā)揮作用。控制軟件通常是操作軟件，可獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行相應處理；數(shù)據(jù)處理軟件多為第三方企業(yè)提供的詳細人體掃描數(shù)據(jù)處理信息，主要用于數(shù)據(jù)處理[6]。

2 三維人體建模技術

人體表面是一個復雜的曲面，研究者應根據(jù)不同需求選擇合適的方法進行人體建模。三維人體建模的基礎是通過三維人體測量獲取人體尺寸數(shù)據(jù)，再對獲取的數(shù)據(jù)進行特征數(shù)據(jù)提取和分析。應用于虛擬試衣系統(tǒng)的人體建模[7]方法主要有三種：基于軟件的人體建模、基于三維掃描的人體建模和基于人體照片信息的人體建模。

表1 常見的三維掃描儀器

2.1 基于建模軟件的人體建模

首先根據(jù)人體體型特征，利用3Ds Max、Maya、Matlab等建模軟件[8]構建標準化三維人體模型，也可以對試衣系統(tǒng)自帶的人體模型進行修改調(diào)整，獲得與特定人體接近的個性化三維人體模型。為后期調(diào)用方便，可將人體模型根據(jù)應用場合的不同存儲成不同格式。

禹素萍[9]探究了基于 Kinect 對人體的不同區(qū)域的測量。第一步推導出合理的坐標轉(zhuǎn)化公式對點云進行處理；第二步為了實現(xiàn)分塊點云的拼接和三維人體模型的重建，可以使用三點對齊法和Delaunay三角剖分法達到重建的效果；第三步使用Matlab 軟件進行仿真。這種建模的方法使三維建模變得簡單，能夠準確獲取人體表面數(shù)據(jù)，同時模型的恢復效果相對較好；李宋明[10]利用VC++和OpenGL建立了三維人臺仿真模型，效率和精度較高，為服裝造型和著裝仿真的研究提供基礎；陳君[11]結(jié)合建模軟件Poser和Java 3D兩者的優(yōu)點實現(xiàn)了模型的交互控制，建模速度快，人體靜態(tài)模型逼真、交互良好，為靜態(tài)建模技術的研究提供參考。

基于建模軟件的人體建模方法對操作人員的依賴性極大，效率較低，所以僅適用于小規(guī)模的人體建模。

2.2 基于三維掃描技術的人體建模

利用三維人體掃描系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)設備，通過快速掃描人體，可產(chǎn)生幾十萬甚至幾百萬個人體數(shù)據(jù)點，即人體點云。人體點云雖然能表達人體表面的一些特征，但往往包含大量多余的信息，如噪點、空洞等，因此要對這些數(shù)據(jù)進行降噪、精簡、孔洞修補、表面重建等以構建個性化的三維人體模型。應用三維掃描技術構建的三維人體模型具有精確、應用場合廣泛的優(yōu)點，但數(shù)據(jù)處理算法復雜、建模耗時。近年來很多國家建立了相應的數(shù)據(jù)庫，如美國的Size US數(shù)據(jù)庫[12]、日本的HQL數(shù)據(jù)庫等。目前湯立等人[13]以及劉載文等人[14]對基于三維掃描技術的建模方法進行了分類和描述，本文將重建技術分為人體曲面模型、構建實體模型和基于物理的人體模型。

2.2.1人體曲面模型

三維建模中用的最多的一種方法是曲面建模法。因為曲面模型對三維人體的表面信息進行了描述，所以曲面建?？梢詫﹄[藏線進行消除處理，且具有真實感。但曲面建模沒有定義人體實心部分，與實體模型相比，無法進行剖面處理[15]。曲面模型是用頂點、邊、表面三種拓撲關系來表示和建立人體模型，三角曲面片逼近法、參數(shù)曲面建模法等是曲面建模常用的方法。

楊子田[16]為得到標準中間體點云模型，通過研究標準中間體特征部位關系，建立特征部位與人體身高和胸圍的回歸方程，采用形狀因子方法對點云模型進行調(diào)整，并在Matlab環(huán)境下，通過NURBS工具箱準確地實現(xiàn)了曲面建模，最終得到標準中間體模型；鄭曉慧等人[17]采用參數(shù)回歸技術構建三維工效虛擬人的建模方法，以人體尺寸數(shù)據(jù)庫和人體三維點云數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合綜合參數(shù)標準差和相關性分析結(jié)果，提高了虛擬人模型的總體覆蓋率，使得到的三維虛擬模型有較好的代表性；Xu Jun[18]通過整合兩個能量函數(shù)解決三維服裝人體建模問題，然后利用表面建模技術模擬人體三維服裝。

2.2.2實體模型

目前實體建模技術增加了三維人體模型實心部分的表達，這種技術的增加使信息更加完備，同時也可以得到無二義性的人體描述。實體建模的優(yōu)點是提供了人體的幾何和拓撲信息，具有局部控制效應，可以實現(xiàn)人體的消隱、真實感人體模型的顯示等[19]。缺點是此模型的數(shù)據(jù)量大、計算耗時、硬件要求高。實體建模方法中對人體的表達主要有3種方式：基于體素分解的方式、構造實體幾何和多面體建模。楊紅莊等人[20]提出了利用深度圖像的紋理貼圖算法和自動補洞算法可在較短時間自動地獲得完整的人像幾何模型和進行紋理重建。

2.2.3物理模型

對于人體表面外部幾何特征的表述，主要通過線框模型、曲面模型和實體模型，而缺乏對人體本身所具有的物理特征以及人體所處的外部環(huán)境因素的表述。為了彌補線框模型、曲面模型和實體模型三種建模方法的不足，在建模過程中引入了物理模型。物理模型通過人體自身的物理信息和人體所處的外部環(huán)境因素及時間變量，來獲得更加真實的建模效果，并對人體的動態(tài)過程進行有效的描述[21]。但是在該建模過程中，物理模型多采用微分方程組的形式表達，計算較為復雜。

2.3 基于人體照片信息的人體建模

該方法利用數(shù)碼設備拍攝人體正、背、側(cè)面的二維圖像，軟件系統(tǒng)采用一定的算法進行圖像處理，通過提取人體輪廓線、截面線、特征尺寸等，快速生成個性化三維人體模型。該方法涉及的主要技術有：針對人體照片信息的人體特征元素提取方法、人體二維尺寸信息與三維尺寸信息的轉(zhuǎn)換、基于人體特征尺寸和特征曲線的三維人體模型構建等。目前這種基于圖像的人體尺寸自動獲取還僅局限于對尺寸數(shù)量要求不多的服裝設計與加工，但隨著二維信息推算三維信息技術的進一步成熟和完善，有可能成為一種非常便捷的非接觸式測量方法。

李基拓等人[22]基于正、側(cè)、背面4幅正交人體圖像，以截面環(huán)為基本幾何元素，得出了模板人體模型的生成和變形方法，變形模板人體模型后得到帶服飾紋理的個性化虛擬人，建立了截面環(huán)和三維人體骨架之間的內(nèi)在聯(lián)系，自動提取圖像上的人體特征。該方法建立在基于特征的參數(shù)化框架基礎上，使變形更可控，并消除了三維模型和二維圖像之間對應的不確定性，避免了人體變形中的自交現(xiàn)象，效率高、真實感好。

3 三維人體建模在虛擬試衣中的應用

三維人體測量和人體建模技術是實現(xiàn)虛擬試衣技術的前提和基礎，通過三維人體掃描系統(tǒng)快速獲取人體表面數(shù)據(jù)信息，進行人體表面重建，建立標準化的人臺模型或者個性化人體模型，進而實現(xiàn)三維服裝展示。目前虛擬試衣技術已可對著裝人體進行動態(tài)模擬，而虛擬模特走臺、虛擬時裝發(fā)布會等還需進一步開發(fā)。

4 結(jié)語

本文對三維掃描系統(tǒng)的常用系統(tǒng)和原理進行分析介紹，對現(xiàn)有建模技術進行闡述，總結(jié)了現(xiàn)有建模技術上的優(yōu)缺點，同時介紹了三維人體建模軟件在虛擬試衣中的應用及研究方向。三維人體建模可提高設計效率、提升生產(chǎn)效益、簡化服裝定制流程等，應用前景較好。

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