石 敏，魏育坤，王俊錚，毛天露

面向不同體型特征的服裝款式遷移方法

石 敏1，魏育坤1，王俊錚1，毛天露2

(1. 華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190)

大部分成衣的設(shè)計以標(biāo)準(zhǔn)比例的人模作為參照，而對于非標(biāo)準(zhǔn)體型的顧客，標(biāo)碼服裝的大小尺寸則很難與之進行有效匹配?；诖?，提出了一種面向不同體型特征的服裝款式遷移方法。首先，對于一批不同款式的服裝，通過物理模擬的方式穿著到標(biāo)模及非標(biāo)模人體之上，形成標(biāo)模試穿的服裝實例及非標(biāo)模試穿的服裝實例；其次，使用仿射變換表示同款服裝在標(biāo)模及非標(biāo)模下服裝實例間的變形映射，并借助主成分分析法求解服裝變形，在保留因體型特征導(dǎo)致的服裝形變的基礎(chǔ)上，剔除由服裝款式信息引起的服裝形變；最后，將服裝變形用于標(biāo)模到非標(biāo)模的服裝款式遷移，并使用平均離散曲率衡量遷移前后服裝款式的改變程度。實驗結(jié)果表明，遷移后的服裝攜帶了標(biāo)模服裝的款式信息，并保留了非標(biāo)模服裝的體型特征。

虛擬試衣；服裝款式遷移；服裝形變；仿射變換；主成分分析

虛擬試衣作為服裝動畫領(lǐng)域的核心問題，涉及將給定尺寸的服裝穿著到虛擬人人體之上。在此過程中，服裝通常會發(fā)生復(fù)雜的形變，如：折皺、彎曲、拉伸等。服裝形變可由外部受力造成，如：重力、擠壓等，也受到自身內(nèi)力的約束，例如，不同材質(zhì)的同款服裝穿著在同一個人身上所產(chǎn)生的形變差異明顯。構(gòu)建出折皺逼真、款式合體的服裝動畫模型是一個頗具挑戰(zhàn)的任務(wù)。

現(xiàn)實中，同款服裝通常會有不同的尺碼，以適合于不同尺寸的人體。大部分成衣的設(shè)計都是以標(biāo)準(zhǔn)比例的人模作參照，進而進行不同尺碼的設(shè)計與裁剪；而對于非標(biāo)準(zhǔn)體型的顧客，特別是局部特征鮮明的身型，標(biāo)碼服裝的大小尺寸則很難與之進行有效匹配。根據(jù)不同的人體體型特征，設(shè)計合體的服裝并進行虛擬試穿，不僅可以使顧客在成衣前虛擬預(yù)覽著裝效果，也可以輔助其非標(biāo)尺碼服裝的快速生成。

綜上所述，本文研究一種針對不同體型快速生成服裝模型及其試衣效果的方法。首先將一批不同款式的服裝，通過物理模擬的方式穿著到標(biāo)模及非標(biāo)模人體之上，形成標(biāo)模試穿的服裝實例及非標(biāo)模試穿的服裝實例；其次，提取同款服裝在標(biāo)模及非標(biāo)模下服裝實例間的變形特征，在保留因體型特征導(dǎo)致的服裝形變的基礎(chǔ)上，剔除由服裝款式信息引起的服裝形變；最后，將服裝變形用于標(biāo)模到非標(biāo)模的服裝款式遷移，并使用平均離散曲率衡量遷移前后服裝款式的改變程度。通過實驗驗證，本文方法生成的服裝攜帶了標(biāo)模服裝的款式信息，并保留了非標(biāo)模服裝的體型特征。

1 相關(guān)工作

針對服裝動畫技術(shù)已有多年研究。最經(jīng)典的物理法通過對服裝進行受力分析，計算服裝的形變情況以生成對應(yīng)的服裝動畫。文獻[1]提出了一種基于GPU的布料模擬方法，可以有效地模擬高精度和復(fù)雜分層的布料。文獻[2]在摩擦力的處理上取得新進展，使服裝和人體的交互作用顯得更為逼真?；谖锢砟Ｐ偷姆b變形方法作為服裝動畫最為傳統(tǒng)的模擬方法，雖然能夠得到逼真、符合物理規(guī)律的服裝動畫效果，但需要進行大量的計算，難以保證實時性。

基于實例數(shù)據(jù)驅(qū)動的服裝動畫生成方法可以實現(xiàn)對服裝形變數(shù)據(jù)的重用，成為近年來使用較多的方法。文獻[3]提出了一種圖像的虛擬試衣方法，可以通過捕獲試衣者的骨架結(jié)構(gòu)合成出服裝模型的運動及變形；文獻[4]提出了一種面向不同人體體型及姿勢的服裝模型生成方法，該方法可以將訓(xùn)練后的服裝模型快速穿著到指定體型及姿勢的人體之上；文獻[5]提出了一種服裝遷移算法，可以將服裝模型遷移至與源人體的身體形狀及比例差異明顯的人體之上；文獻[6]通過對服裝模型實例及人體運動特征的研究，提出了一種可以根據(jù)給定的人體姿勢及服裝實例數(shù)據(jù)合成服裝變形的服裝動畫合成方法，但需要對大量的實例數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；文獻[7]提出了一種將人體的形變權(quán)重轉(zhuǎn)換為三維掃描服裝的方法。

目前，基于實例數(shù)據(jù)驅(qū)動的服裝動畫生成方法大多專注于如何將給定款式的服裝穿著到特定體型及姿勢的人體身上，而針對局部體型特征鮮明的人體設(shè)計不同款式的合體服裝的工作較少，本文擬面向不同體型特征的服裝款式遷移問題展開研究。

2 本文算法思路

本文提出了一種面向不同體型特征的服裝款式遷移方法，可以為非標(biāo)體型人體的非標(biāo)尺碼服裝的快速生成提供輔助，并在成衣前對著裝效果進行預(yù)覽。圖1為本文算法的主要思路，可分為服裝實例生成、仿射變換映射、服裝變形求解、試衣效果預(yù)測4個部分。

(1) 服裝實例生成。選取不同體型特征的人體模型，將各款式服裝的二維衣片通過物理模擬的方式縫合到不同體型的虛擬人身上，從而得到不同款式的服裝實例對。由于試衣模特體型的差異，服裝模型會呈現(xiàn)出不同的褶皺信息。

(2) 仿射變換映射。利用仿射變換表示同款服裝經(jīng)標(biāo)模試穿的服裝實例與非標(biāo)模試穿的服裝實例間的變形映射，構(gòu)建出仿射變換排列矩陣。

(3) 服裝變形求解。利用主成分分析法(principal component analysis, PCA)求解服裝變形，剔除仿射變換排列矩陣中非共性的款式信息，保留因體型特征導(dǎo)致的共性的服裝形變。

(4) 試衣效果預(yù)測。將求解的服裝變形作用于三維樣衣進行試衣效果預(yù)測。

圖1 算法思路

3 服裝款式遷移

3.1 A-pose虛擬人服裝實例生成

現(xiàn)實生活中，人的身材各種各樣，北卡羅來納大學(xué)的研究人員對6 318名女性進行了調(diào)查[8]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，46%的女性屬于香蕉體型，20%多女性屬于梨形體型，14%的女性屬于蘋果體型。為使實驗更具現(xiàn)實意義，本文分別構(gòu)建香蕉體型作為標(biāo)準(zhǔn)體型、構(gòu)建梨形體型及蘋果體型作為對照體型進行虛擬試衣，如圖2所示。

(a) 香蕉體型(b) 梨形體型(c) 蘋果體型

A-pose虛擬人是指雙手向下傾斜45°張開、兩腿自然伸直的站立人體。該姿勢的虛擬人動作規(guī)整，不僅方便于把服裝模型套至虛擬人上，還能較好地呈現(xiàn)虛擬服裝各個角度的款式形態(tài)。為生成A-pose虛擬人的服裝實例，本文基于工業(yè)設(shè)計軟件(marvelous designer)，模仿工業(yè)制衣的流程構(gòu)建該姿勢虛擬人的服裝模型，即首先設(shè)計服裝的二維衣片，然后將對應(yīng)的衣片縫合。

通常地，一款服裝由不同部位的二維衣片組成，并通過縫合線相聯(lián)系，如圖3(a)所示。每根縫合線連接著2個縫合點，縫合過程中，對縫合線施加縫合力，同一條縫合線連接的2個縫合點會不斷收縮直至重合。此外，為了模擬真實的試衣環(huán)境，對所有衣片施加重力，并對服裝頂點進行動力學(xué)計算和碰撞處理。圖3(b)展示了縫合完畢的衣片。

(a) 衣片組成(b) 縫合完畢的衣片

3.2 仿射變換映射

仿射變換通常由一個線性變換和平移構(gòu)成。設(shè)2個三角形分別為(1,2,3)和(1,2,3)，則仿射變換為

其中，x，y為三角形的頂點；為3×3矩陣；為位移矩陣。

式(1)中，用三角形的3個頂點計算仿射變換，雖然能將頂點變換到正確的三維坐標(biāo)，但由于沒有垂直方向的信息，可能使變換后的三角形反向。為此，文獻[9]定義了第4個頂點，即

將1,···,4；1,···,4代入式(1)可消除，求得=，其中

綜上，三角形(1,2,3)到(1,2,3)的仿射變換為

設(shè)人體模型有t個三角形，服裝1與人體三角形之間的映射關(guān)系為：

(1) 對于人體模型第個三角形，查找距離其質(zhì)心最近的1上的三角形。設(shè)該三角形為服裝第個三角形，則記錄所有的t個匹配對[,]；

(2) 對于未匹配到的1的三角形，查找距離其質(zhì)心最近的人體三角形，記錄剩余的1–t個匹配對。

綜上，基于服裝三角形和人體三角形的匹配對，可以找到每個人體三角形對應(yīng)的服裝三角形，服裝的仿射變換映射矩陣為

3.3 服裝變形求解

為了剔除仿射變換數(shù)據(jù)的非公共信息，同時保留不同款式服裝形變的公共部分，本文選取PCA求解服裝變形。利用PCA求解服裝變形的步驟如下：

步驟1.計算仿射變換集的主成分。

其中，L為

步驟2.求解服裝變形。

越靠前的成分越能揭示原始數(shù)據(jù)的特征信息，故通過提取靠前的主成分而舍棄靠后的主成分以達到提取主要特征的目的。取′中前個主成分構(gòu)成新的特征空間C，即

利用上述方法，可剔除仿射變換排列矩陣中非共性的款式信息，因體型特征導(dǎo)致的共性的服裝形變得以保留。

4 遷移效果評價

款式遷移效果可以從視覺差異方面進行評價，然而，通過該方式衡量服裝款式的遷移效果通常具有主觀性，為了客觀地衡量遷移后的服裝是否攜帶標(biāo)準(zhǔn)體型下服裝模型的款式特征，本文使用平均離散曲率衡量服裝模型變換前后的款式改變程度。離散曲率越小，表明服裝的款式改變程度越小。離散曲率的計算式為

其中，()為服裝模型中頂點的離散曲率；(t)為與頂點相鄰的三角形的集合；，分別為序號為，的三角形的單位法線；為(t)中三角形的數(shù)目。

若服裝，分別為變換前后的同款服裝模型，其頂點數(shù)為，則服裝，平均離散曲率的計算可表示為

其中，(A)為服裝模型中第個頂點的離散曲率；(B)為服裝模型中第個頂點的離散曲率。

5 實驗結(jié)果

基于上述方法，本文進行了款式遷移實驗及多姿態(tài)虛擬試衣實驗。實驗的硬件平臺為Intel(R) Core(TM) i7 4870HQ CPU @ 2.5 GHz，16 GB內(nèi)存，顯卡型號為AMD Radeon R9 M370X 2048 MB。

圖4給出了2種不同款式服裝的遷移效果對比。圖4(a1)和圖4(a2)為標(biāo)準(zhǔn)體型下服裝的物理模擬結(jié)果，圖4(b1)和圖4(b2)為對照體型(蘋果體型)下服裝的物理模擬結(jié)果，將服裝變形作用于圖4(a1)和圖4(a2) 2款服裝后，得到圖4(c1)和圖4(c2)的試衣效果，即遷移后的服裝模型。渲染結(jié)果表明，通過本文方法生成的服裝既具備非標(biāo)模下經(jīng)物理模擬的服裝的體型特征，又攜帶了標(biāo)模下經(jīng)物理模擬的服裝的款式信息。

(a1)(b1)(c1) (a2)(b2)(c2)

本文選取3款服裝分別計算本文方法平均曲率差及對照體型下服裝曲率差，表1給出了不同款式服裝模型的頂點數(shù)及三角形面數(shù)、虛擬人的三角形面數(shù)、本文方法平均曲率差、非標(biāo)模下服裝模型平均曲率差。

為驗證復(fù)雜姿態(tài)虛擬人的試衣效果，選用深藍連體褲作為試衣服裝，選用標(biāo)準(zhǔn)體型人體及對照體型人體(梨形體型)作為試衣人，并為其設(shè)置了站立、倚靠、急停和舞蹈幾種姿勢，如圖5所示。

表1 不同方法曲率差對比

(a) 站立(b) 倚靠(c) 急停(d) 舞蹈

圖5 復(fù)雜姿態(tài)下的試衣效果

6 結(jié)束語

基于本文技術(shù)的款式遷移方法可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體型下給定款式的服裝模型生成目標(biāo)體型下同款的服裝模型，輔助不同體型的顧客在成衣之前快速預(yù)覽著裝效果，但仍存在以下不足：

(1) 樣本數(shù)據(jù)集中的服裝模型是通過二維衣片縫合至虛擬人人體之上形成的，其缺點是無法表示復(fù)雜材質(zhì)的服裝(如毛衣等織物)，因為上述類型材質(zhì)的服裝通常在計算機中并非以三維網(wǎng)格模型的方式存儲。如何進行復(fù)雜材質(zhì)的服裝款式遷移有待進一步探究。

(2)基于本文方法的款式遷移技術(shù)首先需要將不同款式的服裝通過物理模擬的方式縫合至具有不同體型特征的人體之上，以進行仿射變換映射與服裝形變求解。這需要預(yù)先構(gòu)建不同體型特征的服裝實例數(shù)據(jù)集，對于樣本數(shù)據(jù)集中不存在的人體體型，無法利用本文方法進行款式遷移。

(3) 本文僅選取了3種典型的人體體型及20個服裝實例對求解服裝形變，在后續(xù)的工作中，將增加人體體型及服裝實例對的數(shù)目與種類以對比款式遷移的效果。此外，本文擬采用棧式自編碼器求解服裝形變，以期提升服裝形變的特征提取效果。

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Transfer Method of Body Shape-Oriented Garment Style

SHI Min1, WEI Yu-kun1, WANG Jun-zheng1, MAO Tian-lu2

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Most garments are designed according to the standard scale of mannequin. However, for customers with non-standard body shape, it is hard to match them with garments of standard size. Based on the above background, we have proposed a body shape-oriented garment style transfer method. Firstly, for a number of garments of different styles, physically-based simulation method is used to wear the garments on standard human model and the non-standard human model. The garment instances fitting for standard body shapes and non-standard body shapes, are then constructed. Secondly, affine transformation is used to represent deformation between the same garment instances under the standard body shape and non-standard body shape, and the cloth deformation is computed using principal component analysis so that the cloth deformation caused by body shape can be retained and the cloth deformation caused by the garment style can be removed. Finally, cloth deformation is used to transfer the garment style from standard to non-standard model, and we use average discrete curvature to measure the degree of change in clothing style before and after garment transfer. The experiment results show that the transferred garments have the style information of the garment under standard body shape and the body characteristics of the garment under non-standard body shape.

virtual fitting; garment style transfer; cloth deformation; affine transformation; principal component analysis

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050866

A

2095-302X(2019)05-0866-06

2019-08-02；

2019-08-13

“十三五”重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804900)；國家自然科學(xué)基金項目(61532002，61702482)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(61300131，61972397)

石 敏(1975-)，女，山西大同人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為虛擬現(xiàn)實。E-mail：shimin01@ict.ac.cn

毛天露(1977-)，女，浙江舟山人，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為虛擬現(xiàn)實與人機交互。E-mail：ltm@ict.ac.cn