肖偉民， 毋 戈， 胡 堃， 鐘躍崎,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

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應(yīng)用曼列狄斯法的三維服裝模型最佳分辨率計(jì)算

肖偉民1， 毋 戈1， 胡 堃1， 鐘躍崎1,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

三維服裝模型的數(shù)據(jù)量和視覺(jué)效果是密切相關(guān)的，考慮到在線(xiàn)瀏覽模型時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)量的限制，有必要研究它們之間的關(guān)系，從而找到模型對(duì)應(yīng)的最佳分辨率以滿(mǎn)足在線(xiàn)瀏覽對(duì)小數(shù)據(jù)量和良好視覺(jué)效果的雙重要求。對(duì)掃描得到的原始三維服裝模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到一系列模型，提出采用幾何差異和曲率分布雙重評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)表征其視覺(jué)效果，進(jìn)而量化模型數(shù)據(jù)量和視覺(jué)效果之間的關(guān)系。提出采用曼列狄斯法來(lái)計(jì)算三維服裝模型的最佳分辨率。結(jié)果表明：采用曼列狄斯法可穩(wěn)定有效地計(jì)算三維服裝模型最佳分辨率；可簡(jiǎn)化掉三維服裝模型90%的數(shù)據(jù)量而不損傷其視覺(jué)效果。

三維服裝模型； 分辨率； 相似度； 曲率

來(lái)自于三維掃描儀或者三維服裝CAD軟件的三維服裝模型已經(jīng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，如在線(xiàn)試衣，合身性評(píng)價(jià)[1-2]等。由于三維服裝模型的表面刻面?zhèn)€數(shù)往往超出了在線(xiàn)瀏覽所需的數(shù)據(jù)量，因此有必要研究三維服裝模型表面刻面數(shù)和其視覺(jué)效果之間的關(guān)系并找到既能表達(dá)出服裝形態(tài)細(xì)節(jié)，同時(shí)表面刻面數(shù)量最少的最佳分辨率。

三維簡(jiǎn)化模型的視覺(jué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)有幾何差異、曲率分布、粗糙度等[3]。Cignoni 等[4]提出采用Hausdorff 距離來(lái)表征原始模型和簡(jiǎn)化模型之間的幾何差異。在此基礎(chǔ)上，Luebke等[5]提出采用Hausdorff 距離的L1范數(shù)、L2范數(shù)以及二者的結(jié)合來(lái)表征幾何差異，使得該指標(biāo)更加合理。還有文獻(xiàn)報(bào)道：采用最大二面角來(lái)近似代替三維模型的曲率，并將其作為模型簡(jiǎn)化的準(zhǔn)則，加快了模型簡(jiǎn)化速度，試驗(yàn)表明簡(jiǎn)化結(jié)果能很好地保持三維模型的細(xì)節(jié)特征[6]；采用粗糙度來(lái)評(píng)價(jià)模型的視覺(jué)效果，經(jīng)驗(yàn)證這種方法與人眼判斷較接近[7-8]。

上述研究大都采取單一指標(biāo)來(lái)評(píng)定三維模型的視覺(jué)效果，文獻(xiàn)[1]指出，單一的客觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)并不能準(zhǔn)確地反映人眼對(duì)三維模型的真實(shí)判斷，多種評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合才能較真實(shí)反映模型視覺(jué)效果，因此本文提出采用幾何差異與曲率分布相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)三維服裝模型的視覺(jué)效果。其中幾何差異是指原始模型和簡(jiǎn)化模型幾何外形上的不同,是對(duì)2個(gè)三維模型相似度最簡(jiǎn)單、最基本的描述[9]。而曲率分布表征的是模型局部區(qū)域的微小變形，這種微小變形在幾何差異上很難被凸顯出來(lái)，卻很易被人眼識(shí)別，如在三維模型的平坦表面有微小凸起，幾何差異上數(shù)值的體現(xiàn)很小，但人眼觀(guān)察模型時(shí)很快就發(fā)現(xiàn)了這一微小變化。幾何差異表征的是三維模型簡(jiǎn)化后的幾何外形的整體變形，曲率分布是人眼對(duì)三維模型感知的重要屬性，二者的結(jié)合使用有助于更好地評(píng)價(jià)模型的視覺(jué)效果。

本文采用最常見(jiàn)的三角形三維模型，對(duì)模型用簡(jiǎn)化算法進(jìn)行處理，得到一系列不同分辨率的簡(jiǎn)化模型。 以幾何相似度和曲率作為視覺(jué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比了不同分辨率的簡(jiǎn)化模型，擬合得到服裝模型刻面數(shù)與其視覺(jué)效果之間的關(guān)系曲線(xiàn)，并給出了服裝模型的最佳分辨率。

1 試 驗(yàn)

1.1 服裝的三維建模

1.1.1 樣本選取

日常穿著的服裝主要可分為5類(lèi)：褲裝、襯衣、外套、裙裝和針織類(lèi)。 為使試驗(yàn)更具有代表性，本文從這5類(lèi)中選擇了10件常見(jiàn)的不同款式服裝作為樣本，分別是牛仔褲、襯衣、夾克、西裝、風(fēng)衣、吊帶裙、長(zhǎng)裙、短袖T恤、衛(wèi)衣和毛衣。

1.1.2 建模方法

基于Kinect[10]和KinectFusion算法[11-12]的三維重建技術(shù)對(duì)服裝進(jìn)行建模。 Kinect是由微軟開(kāi)發(fā)的一種深度機(jī)，能夠同時(shí)獲取物體的色彩與深度信息。 KinectFusion 算法可將 Kinect采集到的每幀深度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，從而實(shí)現(xiàn)將不同坐標(biāo)系下拍攝到的物體表面信息轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的三維重建，具有較高的精度。這種方法目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬試衣、場(chǎng)景重建和體感游戲等領(lǐng)域[10-12]。本文以襯衣為例，真實(shí)服裝及其三維服裝模型如圖1所示。

圖1 真實(shí)服裝與其服裝模型Fig.1 Image of real garment (a) and its 3-D model (b)

1.2 原始模型的簡(jiǎn)化

對(duì)原始服裝模型采用二次誤差測(cè)度的邊折疊簡(jiǎn)化(QEM)算法[13]進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。 該算法主要包括2部分內(nèi)容，一是邊折疊簡(jiǎn)化，二是對(duì)邊折疊簡(jiǎn)化的代價(jià)計(jì)算。其中，邊折疊簡(jiǎn)化是以邊作為被刪除的基本元素，進(jìn)行多次選擇性邊折疊后達(dá)到目標(biāo)分辨率的一種簡(jiǎn)化操作；而對(duì)邊折疊簡(jiǎn)化的代價(jià)計(jì)算則是在計(jì)算一條邊簡(jiǎn)化代價(jià)時(shí)，使用頂點(diǎn)到相關(guān)三角面片的距離平方和作為模型簡(jiǎn)化的誤差度量。

對(duì)于一個(gè)頂點(diǎn)v，設(shè)與該頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)的三角形平面集合為P(v)，則定義頂點(diǎn)v的二次誤差為：

(1)

(2)

按上述算法簡(jiǎn)化三維服裝模型，簡(jiǎn)化率分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、92%、94%、96%、98%、99%、99.5%，其簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 原始模型及其簡(jiǎn)化率不同的簡(jiǎn)化模型Fig.2 Image of original model and its simplified models

1.3 幾何差異的計(jì)算

由圖2可知，三維服裝模型簡(jiǎn)化率在10%～94%時(shí)，人眼觀(guān)察其外觀(guān)沒(méi)有太大變化。為綜合評(píng)價(jià)模型間的差異，本文采用平均距離Em[3]作為幾何差異的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其表達(dá)式如下：

(3)

1.4 曲率分布的計(jì)算

除幾何外形外，三維模型的另一個(gè)重要屬性就是曲率。 幾何外觀(guān)反映的是模型的整體感觀(guān)，而曲率反映的是模型局部特征，三維模型是否光滑，是否存在尖銳部分，都可通過(guò)曲率得知。 理論上三維模型的曲率主要采用高斯曲率的方式進(jìn)行表達(dá)。采用二次擬合來(lái)求解高斯曲率的近似值，其原理如下：曲面可用去插值二次曲面來(lái)近似，因此可通過(guò)求解插值二次曲面的高斯曲率來(lái)求解曲面高斯曲率的近似值。一個(gè)過(guò)原點(diǎn)的二次曲面方程為

(4)

要求該方程再通過(guò)其他5個(gè)點(diǎn)(Xi,Yi,Zi)，i=1，2，3，4，5。方程的矩陣表達(dá)式如下：

(5)

有了曲面方程，就可對(duì)曲面的高斯曲率進(jìn)行求解。為分析模型的曲率分布與簡(jiǎn)化程度的關(guān)系，將頂點(diǎn)曲率范圍分為[0, 0.25π]、(0.25π，0.5π]、(0.5π，0.75π]和(0.75π，π] 4個(gè)區(qū)間，區(qū)間數(shù)值越大，代表的曲率越大，對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的頂點(diǎn)分別記為A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)。這樣，不同區(qū)間內(nèi)頂點(diǎn)占全部頂點(diǎn)個(gè)數(shù)的百分比即可表征所分析模型的曲率分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

通過(guò)上述試驗(yàn)可獲得原始模型和不同簡(jiǎn)化程度模型之間的幾何差異，以及不同簡(jiǎn)化程度下模型表面曲率的分布。

以襯衣為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)插值曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)插值曲線(xiàn)Fig.3 Interpolation curve of experimental data. (a) Curve of geometric difference; (b) Curve of curvature distribution

從圖3(a)可看出，當(dāng)簡(jiǎn)化程度小于80%時(shí)，原始模型與簡(jiǎn)化模型間的幾何差異變化很小。 當(dāng)簡(jiǎn)化程度大于80%后，其幾何差異開(kāi)始明顯增大。從圖3(b)可看出，當(dāng)簡(jiǎn)化程度小于90%時(shí)，4類(lèi)頂點(diǎn)個(gè)數(shù)的百分比變化不明顯，而當(dāng)簡(jiǎn)化程度大于90%后都發(fā)生了劇烈的變化，A類(lèi)頂點(diǎn)個(gè)數(shù)迅速減少，而其他3類(lèi)頂點(diǎn)則迅速增加。另外，A類(lèi)頂點(diǎn)的百分比在劇烈變化前遠(yuǎn)高于其他3類(lèi)頂點(diǎn)，占模型表面頂點(diǎn)的80%以上，說(shuō)明模型表面多數(shù)為較平滑的表面，刻面間尖銳連接較少。這符合模型的實(shí)際特征，也驗(yàn)證了用頂點(diǎn)相鄰三角形最大二面角表征曲率方法的可行性。

2.2 最佳分辨率的求解

為求解曲線(xiàn)從微小變化到劇烈變化的過(guò)渡臨界點(diǎn)，本文借鑒了纖維拉伸曲線(xiàn)求屈服點(diǎn)的方法即曼列狄斯(Meredith)法[14]來(lái)確定幾何差異和曲率變化曲線(xiàn)的最佳簡(jiǎn)化率，該方法可方便準(zhǔn)確地求出曲線(xiàn)所表征的指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)的臨界點(diǎn)。 以襯衣數(shù)據(jù)為例的曼列狄斯法求解最佳簡(jiǎn)化率，如圖4所示。圖4(a)示出幾何差異的變化曲線(xiàn)，圖4(b)示出A類(lèi)頂點(diǎn)曲率分布的變化曲線(xiàn)。 連接曲線(xiàn)初始點(diǎn)O與終點(diǎn)E，做平行于OE并與曲線(xiàn)相切的切線(xiàn)，得切點(diǎn)Y，Y即為曲線(xiàn)拐點(diǎn)。拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)X即為所求最佳簡(jiǎn)化百分比。 因?yàn)锳類(lèi)頂點(diǎn)的百分比在劇烈變化前遠(yuǎn)高于其他3類(lèi)頂點(diǎn)，所以圖4(b)中用A類(lèi)頂點(diǎn)的變化來(lái)近似評(píng)估模型表面的曲率變化情況。

圖4 曼列狄斯法求解最佳簡(jiǎn)化率示意圖Fig.4 Diagram for finding best resolution with Meredith method. (a) Curve of geometric difference on shirt; (b) Curve of curvature distribution of A class points

按照上述方法處理所有三維服裝模型，可求得各自的最佳簡(jiǎn)化率。根據(jù)三維模型分辨率的定義，其最佳分辨率即為在最佳簡(jiǎn)化率下模型的刻面數(shù)量。服裝原始模型及其最佳分辨率圖像如圖5所示。曼列狄斯法求最佳分辨率結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，所選10件服裝模型基于幾何差異和曲率變化的最佳簡(jiǎn)化率都分別為90%，非常穩(wěn)定。 上述三維服裝模型的最佳三角形個(gè)數(shù)平均值約為16 000個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始模型，能大大加快三維模型在線(xiàn)瀏覽的速度。分析最佳簡(jiǎn)化率穩(wěn)定在90%的原因在于QEM簡(jiǎn)化算法的核心，從頂點(diǎn)向誤差代價(jià)最小的方向簡(jiǎn)化，而該方向取決于誤差二次型，因此其算法本身就隱式地收斂于一個(gè)最大允許誤差。在其作用下，當(dāng)簡(jiǎn)化過(guò)程進(jìn)行到特定程度時(shí)會(huì)突破這一閥值，造成簡(jiǎn)化模型與原始模型差異迅速增大。 并且這個(gè)閥值不受模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，而最佳簡(jiǎn)化率則是該閥值基于幾何誤差及曲率分布時(shí)的具體體現(xiàn)，故其比較穩(wěn)定。

圖5 原始模型及最佳分辨率模型(原始模型-0，最佳分辨率模型-9)Fig.5 Original model and model with optimal resolution(0-original, 9-optimal resolution). (a) Shirt-0; (b) Shirt-9; (c) Braces skirt-0; (d) Braces skirt-9; (e)T-shirt-0; (f) T-shirt-9; (g)Wind coat-0; (h)Wind coat-9; (i)Jacket-0; (j) Jacket-9; (k)Sweater-0; (l)Sweater-9; (m)Jeans-0; (n)Jeans-9; (o) Fleece-0; (p)Fleece-9; (q)Suit-0; (r)Suit-9; (s)Dress-0; (t)Dress-9.

表1 曼列狄斯法求最佳分辨率結(jié)果Tab.1 Best resolution with Meredith method

3 結(jié) 論

本文采用QEM簡(jiǎn)化算法對(duì)三維服裝模型進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，提出采用幾何差異和曲率分布雙重評(píng)價(jià)指標(biāo)表征三維服裝模型的視覺(jué)效果，對(duì)簡(jiǎn)化程度和視覺(jué)效果之間的關(guān)系進(jìn)行了量化評(píng)估，并提出采用曼列狄斯法來(lái)計(jì)算最佳簡(jiǎn)化率的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)利用曼列狄斯法可穩(wěn)定有效地計(jì)算三維服裝模型的最佳簡(jiǎn)化率，進(jìn)而求出其所對(duì)應(yīng)的最佳分辨率；2)對(duì)大多數(shù)三維服裝模型而言，簡(jiǎn)化其90%的數(shù)據(jù)量不會(huì)明顯影響其視覺(jué)效果。 采用經(jīng)簡(jiǎn)化的三維服裝模型不僅可加快在線(xiàn)瀏覽的速度，而且能節(jié)約計(jì)算資源，本文工作為三維服裝的在線(xiàn)展示與瀏覽等應(yīng)用技術(shù)提供了理論參考。

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Optimal resolution of 3-D garment model based on Meredith method

XIAO Weimin1, WU Ge1, HU Kun1, ZHONG Yueqi1,2
(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScienceandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

The data volume of 3-D garment model is closely related to its visual quality. Considering the limitation of the model data in real-time rendering, it is necessary to study the relationship between them and find the best resolution which meets the demands of the real-time rendering. Simplified 3-D garment models with different resolutions were obtained from the origin model. Similarity and curvature distribution were used to characterize their visual effects. The relationship between the model data and their visual effects were analyzed. The Meredith method was used to calculate the optimum resolution of the 3-D garment model. The results show that the optimum resolution of 3-D garment model can be obtained effectively by the Meredith method. A 90% reduction in the data volume of the 3-D garment model will not have a significant influence on its visual effect.

3-D garment model; resolution; similarity; curvature

10.13475/j.fzxb.20141200806

2014-12-04

2015-07-12

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14ZR1401100)

肖偉民(1989—)，男，碩士生。研究方向?yàn)槿S服裝的模擬與展示。 鐘躍崎，通信作者，E-mail：zhyq@dhu.edu.cn。

TS 941.2

A