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三維人體與服裝建模技術(shù)的工學(xué)論文
在服裝CAD、網(wǎng)絡(luò)虛擬試衣、三維人體動畫和游戲等應(yīng)用領(lǐng)域，都面臨著如何解決真實人體與服裝的三維重建問題，即人體與服裝的真實感虛擬建模。
在計算機圖形學(xué)中，物體的造型一般分為傳統(tǒng)幾何建模和物理建模兩大類。傳統(tǒng)幾何建模采用線框、表面和實體等造型技術(shù)，只描述物體的外部幾何特征，適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特征和行為特征融進傳統(tǒng)的幾何模型中，既包含了表達物體所需要的幾何信息，又包含了物體材料的物理性能參數(shù)。
在現(xiàn)實世界中，服裝的運動受織物材料特性和人體運動的共同影響。人體運動所產(chǎn)生的肢體位移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞，力的相互作用驅(qū)動服裝跟隨人體運動。由于用計算機模擬人體與服裝真實效果的復(fù)雜性，在三維人體與服裝的造型中出現(xiàn)了幾何建模技術(shù)、物理建模技術(shù)、結(jié)合幾何與物理的混合建模技術(shù)。
1 三維人體與服裝的幾何建凄摻術(shù)
1．1人體
三維虛擬人體的幾何建模技術(shù)主要是曲面建模，又稱表面建模，這種建模方法的重點是由給出的離散數(shù)據(jù)點構(gòu)成光滑過渡的曲面，使這些曲面通過或逼近這些離散點。在人體曲面建模時，主要采用基于特征的和參數(shù)化的人體曲面建模兩種具體建模方法。
1．1．1基于特征的人體曲面建模
基于特征的人體曲面建模根據(jù)人體的整體結(jié)構(gòu)，將人體模型劃分為若干個基本的結(jié)構(gòu)特征。為進行曲面造型，針對每個結(jié)構(gòu)特征可定義相應(yīng)的造型特征。造型特征分為主要造型特征(即人體模型中指定的特征)和輔助造型特征(即為了精確表達人體模型的較細節(jié)幾何特點所定義的造型特征)。該方法的優(yōu)點在于．它使得人體模型的曲面建模更加靈活，可以針對人體模型不同部位的幾何特征，選擇最適合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一種曲面表達方式。此外，還可較方便地改進人體模型建模方法。根據(jù)人體模型尺寸表，可定義一系列的特征曲線，曲線的生成通過相關(guān)特征點(根據(jù)人體物理特性定義的點)和模型樣本點(根據(jù)人體模型曲面造型需要定義的點)來得到。僅靠特征曲線還不足以表達人體模型的所有幾何形狀，需補充定義幾何造型曲線，與特征曲線共同構(gòu)造出曲線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)曲線多采用3次B樣條曲線表達，人體曲面模型的構(gòu)建則采用B樣條曲面。
1．1．2參數(shù)化的人體曲面建模
參數(shù)化的人體曲面建模采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設(shè)計方案。即在建模過程中應(yīng)結(jié)合人機工程學(xué)原理，利用人體各部分固有的比例關(guān)系，從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的參數(shù)。一旦幾何特征參數(shù)確定下來，系統(tǒng)將根據(jù)人機工程學(xué)原理，修改相應(yīng)的主要造型特征，使其滿足新的尺寸要求。同時，利用人體模型主、輔造型特征問的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，修改相關(guān)的輔助造型特征，獲得新的人體模型造型特征，對新的人體模型造型特征進行曲面造型，最終得到用戶所需的人體模型。參數(shù)化建模是一種更為抽象化的建模方法，它以抽象的特征參數(shù)表達復(fù)雜人體的外部幾何特征，依托于常規(guī)的幾何建模方法，使設(shè)計人員能夠在更高、更抽象的層面上進行人體設(shè)計。
NMThalmann和DThalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于對人體表面的變形。Forsey將分層B樣條技術(shù)用于三維人體建模。Douros等使用B樣條曲面重構(gòu)三維掃描人體模型。曲面模型的優(yōu)點是速度較快，缺點是不考慮人體解剖結(jié)構(gòu)，取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點之一。
盡管曲面建模技術(shù)已經(jīng)能夠完整地描述人體的幾何信息和拓撲關(guān)系，但所描述的主要是人體的外部幾何特征，對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環(huán)境因素缺乏描述，對于人體動態(tài)建模仍有一定的局限性。
除曲面建模方法外，還有棒狀體建模和實體建模方法。棒狀體建模是最早出現(xiàn)的虛擬人體幾何建模方法，人體表示為分段和關(guān)節(jié)組成的簡單連接體，使用運動學(xué)模型來實現(xiàn)動畫模擬，實現(xiàn)人體的大致動作。實體模型使用簡單的實體集合模擬身體的結(jié)構(gòu)與形狀，例如圓柱體、橢球體、球體等，然后采用隱表面的顯示方法，其計算量大，且建模過程非常復(fù)雜。在三維人體模型結(jié)構(gòu)中，實體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。
1．2服裝
服裝的幾何建模方法著重模擬布料的幾何表象，尤其是波紋、褶皺等，不考慮服裝面料的物理特性，將織物視為可變形對象，用幾何方程表達并模擬虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的織物動畫效果。目前常用B樣條曲面、Bezier曲面：INURBS曲面來進行服裝曲面造型。
Lalfeur等開始用簡單的圓錐曲面代表一條裙子，并穿著在一個虛擬模特上，以人體周圍生成的排斥力場來模擬碰撞檢測。Hinds等將人體模型的上半軀干進行數(shù)字化圖像處理以獲得基礎(chǔ)人形，提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法，用三維數(shù)字化儀取得人體模型上的三維空間點，然后用雙3次B樣條曲面擬合得到數(shù)字化的人體模型，服裝衣片被設(shè)計成圍繞人體模型的曲面，然后將之展開到二維，這些服裝衣片是通過幾何建模得到的。
此方法計算速度較快，模擬出的服裝具有其形態(tài)特點，生成的圖形具有一定的織物視覺效果，但不能代表特定的服裝織物，仿真效果較差。
2三維人體與腑裝的物建模技術(shù)
2.1人體
為使三維人體動畫仿真效果更佳，AHBarr提出了物理建模思想，將人體的物理特性加入到其幾何模型中，通過數(shù)值計算對其進行仿真，人體的行為則在仿真過程中自動確定。
物理建模方法具有更加真實的建模效果，能有效地描述人體的動態(tài)過程，采用微分方程組的數(shù)值求解方法來進行動態(tài)系統(tǒng)的計算，計算更為復(fù)雜。
2．2織物和服裝
服裝的物理建模對服裝進行三角、網(wǎng)格或粒子劃分，通過構(gòu)造織物對象的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，進行能量、受力分析，用計算機圖形技術(shù)可視化地模擬三維形態(tài)，能較真實地模擬柔性物體的特性。物理建模與織物的微細結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要確定織物物理力學(xué)參數(shù)。模擬結(jié)果與真實織物的接近程度取決于所用的數(shù)學(xué)模型和計算方法。 由于織物微結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型各不相同，物理模型可分為連續(xù)模型和離散模型兩類。計算方法可分為力法和能量法。力法用微分方程表達織物內(nèi)部微元之間的力，進行數(shù)值積分以獲取每一時間步長下微元的空間位置，從而得到整個織物在該時間步長下的變形形態(tài)。能量法通過方程組計算整片織物的能量，然后移動織物結(jié)構(gòu)內(nèi)的微元使之達到最量狀態(tài)，從而確定織物的最終變形形態(tài)。通常，能量法多用于織物靜態(tài)懸垂的模擬，而力法用于動態(tài)懸垂的模擬。
2．2．1連續(xù)模型
連續(xù)模型將織物看作是由大量微元素相集合的連續(xù)體，運用研究連續(xù)體的力學(xué)方法對織物進行力學(xué)分析和研究。通常用變形殼體、彎板、薄片、薄膜單元或變形粱單元代表織物的微元。在連續(xù)模型中使用有限元方法是目前發(fā)展的一個趨勢。
最早Shanahan等以材料片／板理論對織物建模。在19世紀80年代，Lloyd采用基于膜元素的有限元模型，F(xiàn)eynman使用彈性片理論，Terzopoulos等基于彈性理論的變形模型，Collier把織物看作正交各向異性的膜元素，采用幾何非線性有限元法。2O世紀90年代，Ascough使用簡單變形梁元素，Yamazaki等在粱元素基礎(chǔ)上，加入外部力。2000年后，Kang等提出基于連續(xù)殼理論的顯式動態(tài)有限元分析方法實現(xiàn)了一套三維服裝懸垂形狀預(yù)言快速反應(yīng)系統(tǒng)，JinlianHu等提出有限體積法(FVM)。
在目前的使用中，織物的微觀非連續(xù)結(jié)構(gòu)與有限元素的分割尺寸相比很小，將織物看作連續(xù)體，并忽略織物在微元水平內(nèi)的相互作用，在一定范圍內(nèi)具有合理性。即使是如此簡化，連續(xù)模型的計算量仍相當大，計算過程繁瑣耗時，不能用于服裝的實時仿真。
2，2．2離散模型
織物是由大量纖維、紗線形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，是非連續(xù)的，宜使用離散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互聯(lián)系的粒子系統(tǒng)模型模擬織物的懸垂特性，1996年Eberhardt等發(fā)展了Breen的粒子模型，體現(xiàn)了織物的滯后效應(yīng)，增加了風(fēng)動、身動等外力對服裝面料的影響。在粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由Provot和Howlett先后提出的質(zhì)點一彈簧模型結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，計算效率較高，取得了較好的應(yīng)用效果。該模型將服裝裁片離散表達為規(guī)則網(wǎng)格的質(zhì)點～彈簧系統(tǒng)。每一個質(zhì)點與周圍相連的若干個質(zhì)點由彈簧相連，整個質(zhì)點一彈簧系是一個規(guī)則的三角形網(wǎng)格系統(tǒng)。Desbrun等對質(zhì)點～彈簧模型加以延伸、擴展和改進，綜合顯式、隱式積分，提出一種實時積分算法，可實現(xiàn)碰撞和風(fēng)吹等檢測和反應(yīng)。劉卉等也用改進的質(zhì)點一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。
物理建模方法雖然仿真效果更接近真實狀態(tài)，但因模型中包含的有效織物力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)很難確定，加之運算時間太長，應(yīng)用受到了限制。
人體多層次模型是最接近人體解剖結(jié)構(gòu)的模型，通常使用骨架支撐中間層和皮膚層，中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等，因此人體從內(nèi)到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個層次，可分別采用不同的建模技術(shù)。骨頭層可看成剛性物體，采用幾何模型。皮膚層屬于最外層，需要較多的真實性，可采用基于物理的模型，指定皮膚層每個頂點的質(zhì)量、彈性、阻尼等物理參數(shù)，計算每個點的運動特性，實現(xiàn)皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上，其動態(tài)擠壓和拉伸效果由底層骨架運動及肌肉體膨脹、脂肪組織的運動獲得，附著于骨頭上的肌肉和脂肪也得適當?shù)夭捎梦锢斫７绞叫纬伞?/p>
Chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎(chǔ)上，Thalmann等提出一種更加高效的、基于解剖學(xué)的分層建模算法來實現(xiàn)人體的建模與仿真。通過這種方法建立的人體模型從生理學(xué)和物理學(xué)角度都能實現(xiàn)更加逼真的效果，但模型復(fù)雜度高，人體變形時計算量大。
幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀，可以方便地修改服裝的長短胖瘦、結(jié)構(gòu)線等外觀形狀，模型簡單，執(zhí)行速度快，但不能通過參數(shù)控制服裝的懸垂及質(zhì)感。物理建模允許通過選擇參數(shù)值較為直觀地控制服裝的懸垂及質(zhì)感，如增加質(zhì)量參數(shù)值將得到厚重織物，但模型復(fù)雜，計算費時。服裝的混合建模技術(shù)吸取了幾何和物理的優(yōu)點。通常在圖形生成或模擬過程中，先用幾何方法獲得大致輪廓，再用物理約束和參數(shù)條件進行局部結(jié)構(gòu)細化，從而獲得逼真、快速的模擬圖形。
Kunii和Godota使用混合模型實現(xiàn)了對服裝皺褶的模擬。Rudomin在進行模擬時先使用幾何逼近的方法，在人體的外圍生成…個3DJ]~裝凸包，給出了懸垂織物的大致形狀，后利用Terzopoulos的彈性形變模型對織物的形態(tài)進行細化處理。
在實際應(yīng)用中，混合建模技術(shù)更適合于織物和服裝變形形態(tài)的模擬，既能滿足對服裝三維效果的仿真，且能在一定程度上實現(xiàn)三維交互設(shè)計，計算時間也將顯著縮短，可以滿足實時的要求，是目前較好的選擇。
在三維人體建模上，對靜止人體的實現(xiàn)主要采用面建模技術(shù)，重點描述人體的外表面，即皮膚的外形。為了實現(xiàn)人體的動態(tài)仿真，需要考慮人體本身的物理特征(如質(zhì)量、密度、材料屬性等)和行為特征，使得計算機模擬的人體活動符合真人的運動效果，采用了物理建模技術(shù)，但由于人對人體解剖結(jié)構(gòu)、自身組織及器官的物理特性、人體運動及動力學(xué)行為等研究和了解得并不充分，很難建立起完整的三維人體物理模型。
在三維服裝模擬上，需要設(shè)置面料的質(zhì)地、圖案、色彩、尺寸及環(huán)境的燈光、重力、風(fēng)源、風(fēng)速、風(fēng)向等，以及人體與服裝的動力學(xué)約束，才能完成服裝動態(tài)特性的運動模擬和仿真。服裝的幾何建模能方便模擬面料的幾何表象，但也只能實現(xiàn)服裝的外觀形狀。物理建模技術(shù)大多用于對單個織物的動態(tài)模擬，對整個由衣片縫合而成的、具有一定款式和飾物的服裝造型則過于復(fù)雜。
要實現(xiàn)虛擬試衣、虛擬時裝表演、服裝的網(wǎng)上展示和虛擬購物等的虛擬環(huán)境，不僅需要建立人體和服裝的模型，而且還要考慮人體、服裝間、人體與服裝間的碰撞，因此統(tǒng)一人體和服裝的造型是必需的。結(jié)合幾何建模和物理建模的各自優(yōu)點，接近人體解剖結(jié)構(gòu)，把最外層設(shè)置為服飾層的人體多層次模型將是今后重點研究的方向。
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