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三维试衣系统人体建模方法总结与系统前景展望_模型

时间:2013-05-15  作者:王建一,郝慧
东华大学的刘雁、耿兆丰[6]利用三维人体扫描仪测得的大量数据,在Matlab中运用网格小平面法建立了人体模型。具体做法是:用非接触式三维人体扫描仪,测量身着紧身衣的人体模特净尺寸,获取数以万计的人体模型数据。这些数据分为两类,一类是由厅个坐标点的三维坐标X,Y,z逐行排列构成的n行3列的矩阵point;一类是由构成三维网格小平面的坐标序列号索引和定点颜色索引构成的矩阵coordIndex。利用上面两类数据,在Matlab中重建三维人体模型。

Douros等采用B样条的方法从三维扫描数据构建人体曲面。其思路是由点到线,然后由线到面这样的处理来解决点到面的问题。算法以一组B样条曲线作为输入,用这些曲线能够快速而且强壮地产生一个曲面。其结果是一个合成的、分段的、整体光滑的曲面,且可以用该曲面计算人体体积和曲面面积。该方法的缺点就是建模过于复杂,操作者需要有一定的数学功底,不利于普及。

陕西科技大学的黎明和[7]提出了一种基于3D人体测量及0PENGL的三维人体建模。该方法建立的是人体表面模型,特点是模型精确、效果逼真,数据量较大,适合应用于单机环境下的虚拟试衣系统实现。从单机环境下虚拟试衣系统实际应用的角度出发,采用基于计算机视觉的非接触激光测量法获取人体三维数据(密集点数据),进而利用简单的三角网格法实现个性化三维人体重建。三维人体测量的方法是,在激光扫描人体表面的基础上,用双CCD拍摄激光在人体表面形成的光斑,利用三维立体视觉原理经图像处理获取物体三维形状信息,以实现人体曲面的高效、低成本数字化。

3、基于照片信息的三维人体建模方法

近年来通过对物体摄像并对照片进行图像处理从而建立物体三维模型的方法,受到了国内外学者的广泛关注。

1997年,加拿大的Lu在他的博士论文中设计了一套基于照片的测量系统,并成功应用于陶瓷杯、瓶等物体的造型[8]。

Hilton等[9]利用一台或多台照相机从前面、侧面以及背面拍摄人体的彩色图像,对照片中的人体通过轮廓恢复形状,然后对一个标准的三维普通人体进行变形,从而估算出照片中人体的三维形状和结构,最后通过纹理绘制得到真实的人体表面。

Lee等[10]提出一种全身人体重建的方法,可以利用在任何一种给定的环境中拍的人体前面、侧面和背面的照片,而不需要特定的背景或照明条件。

Charlie Wang等[11]提出了从两个正交视图的照片生成三维虚拟人体的方法。沈军行等通过从不同角度对人体进行拍摄,然后经过摄像机定标、体积生成、表面重建、纹理映射后就可重建出逼真的人体三维模型。以上方法[12][13][14][15][16]建立的人体模型是一个特定模型,是一种近似的非真实人体模型。

北京航空航天大学人机环境研究所的付世波[17]等从解剖学的观点将人体的骨架模型简化为16个关节(不包括手上的28个关节)。采用了组合线框模型和曲面模型建立三维人体模型。首先用级连矩阵为整个人体骨架建立运动方程,然后将人体表面分成若干个曲面片,每一个曲面片用B样条曲面逼近,最后拼接起来生成人体的表面,最后用超限插值的方法构造肢体问的过渡曲面来消除肢体在运动时发生相对运动而产生的挤压或分离现象。这种方法建立的人体模型视觉效果较好,但应用超限插值的方法构造肢体间的过度曲面时,算法实现较为复杂,且在动画应用中实时性较差。

中原工学院CAD中心的胡敏、李勇[18]等应用B样条拟合方法,提出一种基于特征的人体模型网格曲面造型方法,能够精确地用B样条曲面快速构造三维人体曲面,满足实时性三维服装设计的要求,从而使三维人体自动测量系统所测数据可直接被三维服装CAD系统所利甩,提高了服装设计质量和缩短了设计周期。

北京服装学院工业设计与信息工程系的李辉[19]等使用网格细分思想,以网格边界线为连续条件,对人体建立数学模型,将人体曲面通过样条细分,形成人体的空间点阵,建立离散型曲面,回避了不同复杂曲面的拼接的不稳定因素,最后由三问面片构成人体三维模型。这种方法建立的三维人体模型实现了人体柱状模型的建立,同时能实现人体表面近似光滑,信息完备,能方便地进行人体的剖面操作和局部控制,适用于在服装设计中的要求。

华盛顿大学计算机科学与工程系的Zoran Popovic[20]从运动学角度,建立了一个人体简化模型,通过控制关节的角度变化范围模拟了人的跳跃及跑步的动作杂志网

瑞士联邦技术学院计算机图形学实验室的Luciana Porcher Nede[21]基于解剖的概念,将人体分为骨骼、肌肉和皮肤三部分,并甩一个类弹簧系统从物理学的角度模拟肌肉对骨骼的拉伸作用,得到了非常流畅和逼真的效果。

华中理工大学机械科学与工程学院的武剑洁、王启付,樊劲、周济[22]提出了基于特征的人体模型参数化曲面建模方法,以三次B样条为基础,借助蒙皮、放样等操作,生成近似G1连续的人体模型,并根据服装工业中需对人体模型进行精确定量描述的要求,结合人体外形和服装设计特点,在整体结构上将人体分为10个基本特征。每部分结构特征有各自的数据结构和造型方法。而且使用参数化的设计思想可以对服装人体模型特征表中的特征尺寸进行修改,从而获得所需的服装人体模型。

Wang C.C.L.[23]介绍了一种用模糊逻辑概念构建特征人体模型的造型系统,从扫描的散乱的人体点云数据中提取人体特征点,并根据特征点构建人体网格曲面,该方法较好地保持了人体的拓扑结构,可以较多地表现人体的细节信息,缺点是一些距离人体曲面较近的点不能完全被过滤,在提取人体关键特征点时,模糊逻辑规则不能处理一些特殊情况。

Wang C.C.L.[24]提出在通过特征点、特征线、特征面构建人体的基础上运用参数化技术,利用特征点、特征线得到确定比例,进而利用特征面对人体上的每个网格顶点实施比例融合,得到新的人体模型。

浙江大学机械与能源工程学院的邓卫燕[25]在其博士学位论文中提出一种基于用户照片和神经网络的三维个性化人体建模方法。这种三维人体建模方法结合了硬件类人体建模方法和基于照片的人体建模方法。通过基于图像的人体特征区域和特征参数提取得到人体尺寸信息(尺寸、轮廓点和轮廓线);通过基于神经网络的三维人体特征曲线生成得到人体三维截面信息;以三维人体库中搜索的相似三维人体为体形信息载体,通过特征尺寸、曲线驱动相似三维人体变形,融合分析所得信息,快速生成三维个性人体。该方法作用到的技术包括基于图像的二维人体特征区域和特征参数提取方法、基于神经网络的三维人体特征曲线生成方法、基于扫描人体库的多层信息匹配相似人体搜索和曲面重建方法、基于特征尺寸和特征曲线的混合驱动人体变形方法。使用该方法可以实现从照片中提取用户人体轮廓和特征参数、用户人体特征曲线生成、三维扫描人体模型重建、混合驱动人体变形和个性化人体生成等的实例。

陕西科技大学的黎明和[26]提出了一种基于H-Anim标准的三维人体重建。该方法建立的是多层次模型,特点是模型实现简单、灵活、数据量少,可通过调节实现个性化及人体动画驱动,适用于网络环境下虚拟系统实现。标准人体模型具有三维结构信息,通过人体正侧面照片,跟踪轮廓特征,提取人体关键点数据,建立轮廓特征与标准模型的二维投影之间的映射关系,调节标准模型的关键点参数,对突变点数据进行滤波处理,获得近似的个性化三维人体模型。

4、几种三维人体建模方法的缺点和不足

(1)采用三维扫描方法需要昂贵的扫描设备、专业知识以及特殊的环境配置,且要求用户穿上比基尼面对冷冰冰的机器进行扫描,这从经济和人性化等方面决定了此种方法难以实现大规模的个性人体建模;

(2)这些算法不能很好地满足服装设计对人体建模提出的要在保证表面特征尺寸精确度的前提下尽量简化网格结构的要求,而且目前传统的服装设计所用的人体模型只是一种标准人体模型,与实际消费者的身体尺寸还是有出入;

(3)基于照片进行人体建模的方法,缺少满足服装设计要求的人体关键尺寸的控制,人体模型的度量信息缺乏、真实感不足、建模方法偏于单一。因此,如何集成创新现有的人体建模方法,如何建立满足需求的个性化人体模型,仍然存在广阔的研究空间。

四、三维人体测量

从上边的三维人体建模技术的研究中我们可以看出,人体三维建模的前提,是要有足够的人体测量数据。通过三维人体自动测量获取关键的人体几何参数数据,生成虚拟的三维人体,建立静态和动态的人体模型,进而形成一整套具有虚拟人体显示和动态模拟功能的系统。

上述研究方法中用到的测量方法可以分为两类,一类是基于三维人体测量仪的,目前比较成熟的主要有:立体摄影测量法、激光测量法、莫尔条纹测量法、Loughborouhg人体影子扫描装置、TC2分层轮廓测量方法、cyberware全身扫描系统等[27-29]。

另外一类测量方法就是数码成像拟合法。综合各方面的因素(三维测量仪价格、安装等)以及虚拟试衣在时间上和方便程度上的考虑,数码成像拟合法应该是目前最适合应用于虚拟试衣的非接触式的测量方法,因为它对硬件要求特别低,非常适合网络试衣,哪怕被测者只拥有简单的摄影装置,如摄像头,操作起来也简单方便。

它是直接经CCD成像[30-31]实现三维人体尺寸的非接触测量,属光电法。主要是以几何光学原理为基础,二维信息——即拍摄该物体的照片为依据,计算得到建模关键点的三维坐标;通过分析这些照片[32-33]上结构点的坐标,来确定三维人体台模型关键点的坐标。要创建三维模型,就必须知道拍摄这些照片的照相机焦距、位置、距离等参数;一般包含下面几步:1、多角度拍照;2、消除噪声;3 校准图像;4、三维建模。此方法主要优势是不受场地限制、所得数据量少。缺点是处理算法比较复杂,最终的得到模型质量受照片质量影响,拍照时阴影、光照、人体姿势都会对结果造成很大影响,况且没有排除人体着装影响。所以如果考虑要在网络虚拟试衣中采用这种方法,建立人体模型的方法要能与之对应。

五、三维网上试衣目前的局限与未来的发展方向预设

作为刚刚兴起的三维虚拟试衣,由于过程复杂,仍然具有很多技术上的难度。由三维试衣系统的概念和流程实现我们可以知道,三维试衣系统主要面临以下几个方面的技术难题:

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