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        基于語義分析的三維服裝曲面生成算法

        2018-11-28 03:54:08楊曉波
        紡織學(xué)報 2018年11期
        關(guān)鍵詞:分析模型草圖控制點

        楊曉波

        (浙江樹人大學(xué), 浙江 杭州 310015)

        近年來,三維服裝生成方法得到了長足發(fā)展,已成為服裝CAD領(lǐng)域的研究熱點。 Igarashi等[1]提出了一種草圖交互式形態(tài)模型構(gòu)造方法,該方法可自動構(gòu)造復(fù)雜的服裝模型,但是不能精細(xì)控制表面形狀;Karpenko等[2]解決了物體輪廓線封閉限制的問題,但其算法過于復(fù)雜;王衛(wèi)等[3]提出采用手繪草圖實現(xiàn)快速參數(shù)化,可最大限度地保留手繪草圖的原始信息;韓紅波等[4]利用手勢輸入對二維輪廓區(qū)域構(gòu)建三維模型,并利用模板匹配法識別不同的用戶手勢;Wang等[5]利用草圖進(jìn)行服裝設(shè)計研究,并提供曲面拉伸、切割等功能;Turquin等[6]利用投影技術(shù)勾繪服裝輪廓線,并結(jié)合人體技術(shù)生成衣服網(wǎng)格,該方法由于無法獲得確切的Z方向信息,因而不能獲得精確的三維信息。另外,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者正在嘗試將智能方法應(yīng)用于三維服裝CAD中。劉雁等[7]提出以智能衣片設(shè)計技術(shù)為核心,輔助以顯示技術(shù)的智能服裝設(shè)計系統(tǒng);李繼云等[8]采用Agent技術(shù),建立款式規(guī)則庫,實現(xiàn)智能款式自動生成;Sun等[9]采用遺傳算法與交互算法相結(jié)合,對服裝色彩新穎性和款式協(xié)調(diào)性進(jìn)行優(yōu)化;Ogata等[10]將服裝部件進(jìn)行組合形成完整服裝,再通過遺傳算法獲得用戶滿意的服裝;Gong等[11]在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的交互遺傳算法,提高了服裝設(shè)計的效率,但其研究對象多為二維服裝款式,尚不能與三維服裝設(shè)計相結(jié)合。

        針對目前該領(lǐng)域研究中存在的曲面生成精度不高、算法復(fù)雜等問題,本文擬采用網(wǎng)格模式的幾何交互語義,優(yōu)化三維服裝曲面生成算法,并在此基礎(chǔ)上建立語義分析模型,以期獲得較高的三維服裝曲面重建精度,提高服裝設(shè)計的效率和質(zhì)量。

        1 語義交互模式

        服裝設(shè)計師一般通過草圖勾繪表達(dá)設(shè)計思想,該方法具有一定的模糊性,通過語義交互可挖掘草圖中的深層次設(shè)計意圖。語義交互模式可分為幾何交互語義[12]和執(zhí)行交互語義[13]2種。

        本文采用基于網(wǎng)格模式的幾何交互語義,草圖勾繪所表達(dá)的幾何意圖可通過幾何交互語義來實現(xiàn),在多種幾何交互語義類型中,設(shè)計元素被映射到網(wǎng)格之中,通過網(wǎng)格表達(dá)草圖交互類型,并提取相應(yīng)的幾何語義。幾何交互語義的設(shè)計流程為:首先繪制服裝的拼接部件,接著定義衣身網(wǎng)格,將服裝曲面網(wǎng)格化,通過草圖勾繪映射到三角網(wǎng)格上,最后確定草繪點與網(wǎng)格點間的對應(yīng)關(guān)系,為精確生成三維服裝曲面奠定基礎(chǔ)。

        2 三維服裝曲面生成算法與語義模型

        三維服裝曲面的生成需要從不同的視線方向進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)還需對草繪圖形進(jìn)行光滑處理,去除噪聲影響,結(jié)合區(qū)域搜索技術(shù)得出衣片區(qū)域,并將生成的衣片網(wǎng)格進(jìn)行拼接,最終形成完整的三維服裝曲面。

        2.1 三維服裝曲面生成算法

        首先,利用計算機(jī)繪制三維服裝曲面草圖,繪制過程中要考慮服裝與人體的偏移量,草圖是由一系列的草繪線構(gòu)成,草繪線又包含了多個草繪點,初始草繪點通過鼠標(biāo)點擊獲得,草繪點的生成如圖1所示。

        圖1 草繪點的生成Fig.1 Generation of sketching points

        草繪點確定后,便可進(jìn)一步形成草繪圖形,由于剛生成的草繪圖形含有較多噪聲,因此可采用低通濾波器[14]對草繪圖形進(jìn)行光滑處理,從而有效降低高頻噪聲。

        草繪圖形由多條草繪線構(gòu)成,原始草繪線設(shè)為S[Sx(t),Sy(t),Sz(t)],濾波后的草繪線可表示為S′(t,σ),則有:

        (1)

        式中:?表示卷積運算;Sx(t),Sy(t)′,Sz(t)分別表示x,y,z方向上的原始草繪線;t表示執(zhí)行時間,s;σ表示濾波寬度,Hz;p(t,σ)表示分布區(qū)間。

        X(t,σ)=x(t)?p(t,σ)

        Y(t,σ)=y(t)?p(t,σ)

        Z(t,σ)=z(t)?p(t,σ)

        (2)

        p(t,σ)滿足Gaussian分布,參數(shù)σ與濾波寬度有關(guān),σ減少時過濾掉的高頻信息會增加。

        當(dāng)構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜的草繪圖形時,草繪線還不能很好地表達(dá)曲線上尖點、拐點等信息,為提高擬合準(zhǔn)確度,本文采用B樣條曲線對草繪線進(jìn)行逼近擬合[15],B樣條是通過調(diào)整控制點來達(dá)到擬合的效果,基本思想是:從草繪線中選取部分點作為控制點,并形成原始擬合曲線,通過增加、減少控制點來降低擬合誤差,當(dāng)誤差降到許可范圍內(nèi)便完成了對草繪線的擬合。逼近擬合算法如下。

        步驟1:利用弦長變化方法[16]提取草繪線上的點S。作為初始擬合曲線的控制點,并形成曲線f,提取控制點時,首先需將草繪線劃分為多個曲線段,并確保曲線段與任意方向的直線最多有1個交點,然后按照最小化原則確定控制點。

        (3)

        式中:X表示曲線f上按弦長分割的點;S為X在草繪線上的對應(yīng)點。

        步驟2: 計算擬合曲線f與原始草繪線的誤差,誤差采用最小二乘法實現(xiàn)[17]。

        (4)

        式中:d為擬合點與原始點的偏移量;x1,x2為擬合點在原始曲面的映射坐標(biāo);ρ為原始曲面的曲率。

        步驟3: 設(shè)σ為允許誤差,當(dāng)總誤差值E>σ時,控制點數(shù)量較少,需要增加控制點,控制點先從誤差最大的曲線段增加,再逐漸過渡到其他曲線段。

        步驟4: 當(dāng)E≈σ時,停止增加控制點,擬合過程結(jié)束。

        2.2 語義分析模型

        在服裝曲面生成過程中,需要以虛擬人體空間為基礎(chǔ),因此語義分析與人體空間緊密相關(guān),不同的人體空間經(jīng)語義處理后會產(chǎn)生不同的結(jié)果。為了便于語義處理,建立適合的語義分析模型非常關(guān)鍵。

        語義分析模型需要考慮5個方面的影響因素,即語義類型、語義規(guī)則、語義溝通、語義操作、語義反饋,因此,可建立相應(yīng)的語義分析模型:

        M=S×β1+R×β2+C×β3+P×β4+F×β5

        (5)

        式中:M代表語義分析模型;S代表語義類型,分幾何語義或執(zhí)行語義;R代表語義規(guī)則,包括草繪圖變換為款式圖的規(guī)則等;C代表語義溝通,包括草繪圖生成過程中的各種交互;P代表語義操作,表示在草繪過程中的相關(guān)操作;F代表語義反饋,表示用戶完成某項操作后系統(tǒng)做出的相關(guān)反應(yīng);β代表不同影響因素的相關(guān)系數(shù)。

        當(dāng)為人體設(shè)計服裝款式時,系統(tǒng)輸入人體空間參數(shù)及與之相關(guān)聯(lián)的語義分析模型,即可對草繪圖形進(jìn)行交互處理,實現(xiàn)在設(shè)計過程中系統(tǒng)自動地進(jìn)行相關(guān)語義分析。

        經(jīng)三維曲面生成算法和語義分析模型,服裝表面的生成過程如圖2所示。草繪圖是三維服裝曲面的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上形成款式圖,利用網(wǎng)格化擬合算法生成適合人體形態(tài)的網(wǎng)格圖。

        圖2 三維曲面生成過程Fig.2 Generation process of 3-D curve surface. (a) 3-D sketch illustration; (b) 3-D style illustration;(c) Grid generation graph

        3 對比性實驗

        為了驗證本文提出的以語義分析為基礎(chǔ)的三維服裝曲面生成算法的可靠性,將選用幾種主流算法進(jìn)行對比性實驗,所選算法包括:幾何模型法[18]、約束模型法[19]以及本文提出的語義分析法。

        本文采用的實驗環(huán)境為:硬件平臺、Intel Core i6-4790 4.5 GHz CPU、IntelG51 Express Chipset、8 GB DDR3 Ram、軟件平臺、Visual Studio 2010和Graphite。實驗所用的數(shù)據(jù)包括:輸入?yún)?shù)、部件聚類、語義分割的三維服裝部件模型集等。本文提出的語義分析法與其他算法之間的效率對比如圖3所示。

        圖3 3種不同算法效率對比Fig.3 Efficiency comparison of three different algorithms

        由圖3可知: 幾何模型法和約束模型法的運行時間均超過本文提出的語義分析法;隨著測試步長數(shù)的增加,前2種算法的平均運行時間比語義分析法多出近45%,換言之,本文所提出的語義分析法運行效率高于前2種算法。

        為了進(jìn)一步驗證擬合效果,利用上述3種算法各自完成100步擬合后,分別計算得到這3種不同算法的擬合準(zhǔn)確度:幾何模型算法為79.65%,約束模型算法為82.54%,語義分析算法為92.75%。從測試結(jié)果可知,本文所提出的語義分析法比前2種算法的擬合準(zhǔn)確度分別高出13.1%和10.21%,從而驗證了本文所提算法的優(yōu)越性。

        4 結(jié) 論

        本文提出了一種基于語義分析的三維服裝曲面生成算法,通過算法分析和對比性實驗得出如下結(jié)論:

        1)幾何語義交互模式可建立起草繪圖與網(wǎng)格圖的映射關(guān)系,通過網(wǎng)格化處理,為精確生成三維服裝曲面奠定基礎(chǔ)。

        2)三維服裝曲面的生成需要從草繪線中選取部分點作為控制點,再利用逼近擬合算法完成對草繪線的擬合,并通過光滑、去噪、網(wǎng)格拼接等方法形成完整的三維服裝曲面。

        3)選取幾何模型法、約束模型法與本文所提算法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),本文所提算法的運行效率和擬合準(zhǔn)確度均優(yōu)于前2種算法,比較適合用于三維服裝曲面的生成。

        FZXB

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