纺织导报-面向三维服装CAD的人体建模与动态仿真技术综述.pdf
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1、面向三维服装C A D的人体建模 与动态仿真技术综述 彝 翼 鞘 犷 蓄 巍 丫 彝 蓄 翼 麟 淤 兹 欲 麟 公 4 o d e 截 易 朴 孽 匙 巍 IA .1 熟 熬 毅 1 瓤 蘸 彝 巍 靶彝 巍 n 彝 鳌 缝 如夏 孔 3 巍 G3, F 文/ 陈永强彭利华 C A D 领域中的理论和技术应用到服装的设计、 生产、 产品发展、 经营管理等各个环节, 形成了一个全新的领域 服装G C A D 。 现在的G C A D正在从二维发展到三维, 发展到具有三维人体测量、 三维服装设计、 三维立体裁剪、 三维立体缝合及三维穿衣效果展示等高级功能, 其最终目 的在于不经制作服装, 便可由
2、虚拟人在虚拟现实中完成最 终着装效果的预先演示,不仅有助于服装生产率的提高, 更有助于服装满意率和设计质量的提高。 为了 达到 具有现实世界的穿着效果, 在三维G C A D 系 统中实现虚拟人着装效果的虚拟演示, 不仅要求虚拟人体 模型具有逼真的外观、 合理的行为举止, 还要包括虚拟人 体本身运动产生的人体表面、 衣物的变形效果, 更需要实 现特定服装模型穿着在某一特定人体模型上的动态效果。 胸围和腰围等关键部位的参数信息, 快速修改和调整标准 虚拟人体模型的细部或整体尺寸, 得到适合于个体的个性 化的逼真人体模型; ( 4 ) 能够实现简 单且高效的人体动态建模, 具有合理 的运动方式和动
3、作; ( 5 ) 与建立服装模型的所需数据具有一致性, 便于选 择服装,实现人体和服装的一体化动态仿真处理。 I 三维G C A D 对人体模型的要求 三维G C A D 是在人体的基础上进行的, 服装人体建模 是一个复杂形体的几何造型、 参数化设计和运动仿真的综 合问题。由于三维G C A D系统的特殊性, 对人体建模提出 了具体的要求: ( 1 ) 能建立普通而标准的虚拟三维人体模型, 能基本 反映用户的实际形体信息; ( 2 ) 在保证表面特征尺寸精确度的前提下, 尽量简化 网格结构,减少模型的复杂性; ( 3 ) 具有合适的人体特征语义信息, 能进行参数化处 理, 交互操作方便而简单,
4、 可根据实际人体的身高、 体重、 作者简介: 陈永强, 男, 1 9 6 7 年生, 副教授, 博士, 武汉科技 学院计算机科学学院。 主要研究方向:计算机图形图像处理, 虚拟现实技术, 智能 信b , 安全系 统。 基金项目: 湖北 省数字化纷 织装备重点实验室D T L 2 0 0 7 0 2 项 目 “ 服装个性化三维人体 变形模型研 究与实现” 2 三维人体建模技术 2 . 1 人体数据的获取 快速、 精确地测量三维人体数据是实现三维G C A D 系 统的前提。 传统的方法以卷尺、 卡尺等为测量工具, 测量 人体有关部位的长度、 宽度、围度等数据, 以此为参数进 行造型设计。 服装生
5、产中广泛使用的号型、 体型分类即是 通过人体测量在统计分析的基础上得出的。 但是, 采用传 统的手工人体测量方法已很难满足快速、 准确、 大批量测 体的需要。 由于计算机视觉技术的不断发展, 导致了人体测量技 术由手工向自动、 接触式向非接触式方向发展。 三维人体 自 动测量是以现代光学为基础, 融多种科学技术于一体的 测量技术。 测量人体时把图像当作检测和传递信息的手段 或载体加以利用, 其目的是从人体图像中提取有用的信息 ( 包括服装设计所需的人体特征数据) , 可分为接触式和非 接触式测量两种。 接触式自 动测量主要用于标准人台表面 人体型值点的测量, 不适合于真实人体的测量。 非接触式
6、 自 动测量主要用于获取真实人体特征数据, 在测量被测对 象时把图 像当 作检测和传递信息的手段或载体加以利用, 从图像中提取有用的信息, 从而获得所需要的人体三维尺 寸, 特点是快速、准确、 效率高等。 月万.月口1.甲1.仲tJ二刃.门1万月.月卜. 月.口.宜.口.理 8 4纺织导报 C h i n a T e x t i le L e a d e r - 2 0 0 8 N o . 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 . 2 人体数据的
7、处理 对于测量的所有人体数据并不能直接用于建模和显 示,其原因如下: ( 1 ) 原始数据有一定的测量误差和运动误差。 测量误 差 是 玻 据 采 集 系 统 本 身 的 误 差 或 其 它 技 术 因 素 所 引 起 的 误 差, 在测量系统设计时已予以考虑, 可以忽略不计。 运动 误差则是由人体自身的各种运动造成的, 需要处理; ( 2 )原始数据只有坐标值, 缺少灰度或颜色信息; ( 3 )由于有遮档现象,部分区域没有原始数据; ( 4 )原始数据重复性差; ( 5 ) 原始数据的格式不能直接用于绘制三维图形或者 加工立体模型。 要重建人体模型, 需要对数据做进一步的处理, 包括 特征点
8、调整、尺寸测量等具体步骤。 2 . 3 三维人体模型的建模方法 实用的三维人体模型分为两大类: 几何模型与基于解 剖学的物理模型。 2 .3 . 1几何模型 三维虚拟人体的几何建模方法主要分为曲面建模和基 于物理建模两种。 ( 1 )曲面建模 曲面建模是由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲 面, 使这些曲面通过或逼近这些离散点。 在实际的人体曲 面建模时, 主要采用基于特征的服装人体曲面建模和参数 化的服装人体曲面建模两种具体的建模方法。 基于特征的服装人体曲面建模根据人体的整体结构, 将人体模型划分为若干个基本的结构特征。 为进行曲面造 型, 针对每个结构特征可定义相应的造型特征。 造型特征
9、分为主要造型特征 ( 即人体模型中指定的特征) 和辅助造 型特征 ( 即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定 义的造型特征) 。 根据人体各部位的特性, 分别采用不同的 数据结构和造型方法。 优点是更加灵活方便, 可以针对人 体模型不同部位的几何特征, 选择最适合的曲面建模方法, 而不必拘泥于某一种曲面表达方式。 参数化的服装人体曲面建模采用几何约束来表达人体 模型的形状特征, 从而获得一簇在形状上或功能上相似的 设计方案。 即在建模过程中应结合人机工程学原理, 利用 人体各部分固有的比例关系, 从人体模型的众多特殊尺寸 中提取出起决定性作用的参数。几何特征参数一但确定, 根据人机工程学原
10、理, 修改相应的主要造型特征, 使其满 足新的尺寸要求。同时, 利用人体模型主、 辅造型特征间 的关联结构, 修改相关的辅助造型特征, 获得新的人体模 型造型特征, 对新的人体模型造型特征进行曲面造型, 最 终得到用户所需的人体模型。 参数化建模是一种更为抽象 化的建模方法, 它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部 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。 曲面模型的优点是速度较快, 缺点是不考虑人体解剖 结构, 所以取得非常逼真的模拟效果比较困难。 提高表面 模型的逼真性是目 前的研究热点之一。 ( 2 )基于物理建模 曲面建模技术能够完整地描述
11、人体的几何信息和拓扑 关系, 但描述的主要是人体的外部几何特征, 对人体本身 所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述, 对于人体动态建模仍有一定的局限性。 为使三维人体动画仿真效果更佳, B a r r 提出了基于物 理特性的建模 ( P h y s i c a l l y - B a s e d M o d e l i n g ) 思想, 将人体 的物理特性加人到几何模型中, 通过数值计算对其进行仿 真, 人体的行为则在仿真过程中自 动确定。 基于物理的建 模方法具有更加真实的建模效果, 能有效地描述人体的动 态过程, 采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统 的计算,计算更为复
12、杂。 2 .3 .2基于解剖学的物理模型 多层次模型是最接近人体解剖结构的模型, 通常使用 骨架支撑中间层和皮肤层,中间层包含骨骼、 肌肉、 脂肪 组织等, 人体从内到外分成骨架、 骨头、肌肉、脂肪和皮 肤等几个层次, 可分别采用不同的物体建模技术, 如: 骨 头层可看成刚性物体, 采用几何模型, 皮肤层属于最外层, 需要较多的真实性, 可采用基于物理的模型。 多层次建模 方法可构造出极具真实感的三维人体模型, 但模型复杂度 高,人体变形时计算量大。 除以上几种典型而常用的建模方法外, 还有棒状体建 模和实体建模方法。 棒状体建模是最早出现的虚拟人体几 何建模方法,人体表示为分段和关节组成的简
13、单连接体, 使用运动学模型来实现动画模拟,实现人体的大致动作。 实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状, 例 如圆柱体、 椭球体、 球体等, 然后采用隐表面的显示方法, 纺织导报 C h in a T e x t il e L e a d e r . 2 0 0 8 N o .2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 其计算量大且建模过程非常复杂。 在三维人体模型结构中, 目 前G C A D 领域广泛使用的是曲面模型, 解剖学和医学等 应用多采
14、用多层次模型, 而实体模型和棍棒体模型基本上 较少使用。 测量的方法。 测量装置依据原理可分为机械、 电磁、 声学、 光学4 种。 2 . 4 虚拟人 体标准 为了便于在不同情况下制作的虚拟人体之间实现交互 与共享,目 前有两个重要的国际标淮V R M L 和M P E G 4 支 持虚拟人体表示。 V R M L 中 有一个专门的子标准描述虚拟人体模型, 称 为H - A n i m, 该标准完全遵循V R M L 的语法。 H - A n i m中 使用三类节点表示一个虚拟人体模型: 人体重心、 人体关 节和人体骨骼段, 并把整个人体分成1 个人体重心、 9 3 个 关节和9 3 个骨骼段
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