秦曉楠，張 輝

(北京服裝學(xué)院，北京100029)

虛擬服裝模擬由服裝形態(tài)變形的靜態(tài)模擬發(fā)展為當(dāng)前復(fù)雜的三維服裝動態(tài)模擬。第一個真正的服裝虛擬技術(shù)應(yīng)用是1990年瑞士MIRALAB實(shí)驗(yàn)室使用一個圓錐曲面代表一條裙子穿在虛擬人體上的虛擬服裝項目[1]。此后，三維服裝的模擬研究集中于對虛擬服裝力學(xué)性能的研究。同時，三維人體測量技術(shù)、人體建模、碰撞檢測及響應(yīng)等技術(shù)的成熟也為虛擬服裝的發(fā)展提供了支持。本文總結(jié)了服裝虛擬技術(shù)的主要研究內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀，希望為后續(xù)服裝虛擬研究工作提供借鑒。

1 三維人體測量及三維人體建模

1.1 三維人體測量

三維人體測量技術(shù)有接觸式和非接觸式測量。接觸式測量技術(shù)主要使用軟尺、測量儀等工具直接測量各部位尺寸，結(jié)果直觀、易于操作。非接觸式測量技術(shù)使用掃描技術(shù)，測量速度非?？欤軘?shù)秒內(nèi)完成人體數(shù)百部位的測量，結(jié)果精確，但設(shè)備昂貴。2種測量技術(shù)各有利弊，測量者可根據(jù)具體需要選擇測量方法。

1.2 三維人體建模

虛擬著裝的主體是人體模型，通過對人體測量得到的有效數(shù)據(jù)并由計算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)三維人體的重建目標(biāo)。物理建模的思想出現(xiàn)后，人體建模發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

1.2.1 基于人體相片圖像信息的人體建模

主要是利用相機(jī)等設(shè)備拍攝獲取人體的正、側(cè)、背3面的圖像后，再將這些圖像進(jìn)行信息處理，最終通過提取人體輪廓線、尺寸等特征生成人體模型。這種方法成本低，但對被測者的著裝有一定要求，因此較難獲得精確數(shù)據(jù)。它要求最大程度獲得人體的凈尺寸，避免因人體穿著而造成誤差，影響建模的準(zhǔn)確性。

1.2.2 基于三維掃描的建模

此方法易操作，得到的數(shù)據(jù)較利用圖像建模的方法更精確。它是利用三維人體掃描設(shè)備掃描人體，通過計算機(jī)對獲得的人體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，重新構(gòu)建個性化的三維人體模型[2]。周文借用RGB-D相機(jī)，首先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)處理，為了提高數(shù)據(jù)可用性，需去除不屬于重建對象的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與表面重建，最終獲得完整的三維模型[3]。Tong提出了使用3個校準(zhǔn)的Kinect近距離采集人體數(shù)據(jù)，借助轉(zhuǎn)盤即可自動掃描，構(gòu)建人體模型[4]。張廣霖等利用Kinect設(shè)備識別和獲取三維人體數(shù)據(jù)，并結(jié)合點(diǎn)云庫進(jìn)行三維人體模型重建的新方法[5]。

目前，國內(nèi)外三維人體建模技術(shù)還不夠成熟，試驗(yàn)研究中仍存在許多問題，建模精度不理想，需要依靠大量的手工輔助工作、昂貴的儀器和設(shè)備，而Kinect深度相機(jī)的出現(xiàn)解決了一些建模困難，降低了人體建模的成本。

1.2.3 基于特征的幾何建模方法

左立等基于人體解剖學(xué)原理，提出了人體肌肉層建模和實(shí)時變形的方法。該模型在變形速度和逼真程度兩方面取得了良好的效果[6]。關(guān)景火等提出一種結(jié)合三維構(gòu)型、運(yùn)動檢測、數(shù)學(xué)分析、生物力學(xué)、解剖學(xué)等方面的三維人體分層建模方法，該方法可以將骨骼和皮膚變形問題分開，根據(jù)各層特點(diǎn)分別對人體各層建模，以獲得滿足要求的人體模型[7]。

1.2.4 基于軟件的人體建模方法

采用Maya、3D Max、Poser等通用軟件構(gòu)建的三維人體模型較為方便，更具有實(shí)用性，最后建成的人體模型可依據(jù)應(yīng)用形式存儲為不同格式以便后期調(diào)用，但建立單一模型的成本較高，可控性差，逼真度較低。

2 虛擬縫合及碰撞檢測

虛擬縫合的實(shí)現(xiàn)是通過建立衣片縫合信息，再施加約束力使衣片縫合在虛擬人體上得到試穿效果，三維服裝虛擬軟件基本都是如此實(shí)現(xiàn)虛擬縫合的。由于服裝款式與結(jié)構(gòu)的多樣性，目前的三維服裝虛擬軟件還無法通過任意二維服裝紙樣自動縫合成三維服裝，并在虛擬模特上進(jìn)行試穿。但可以由操作人員將每個樣片放置在與虛擬模特相對應(yīng)的空間位置，并設(shè)定好各個紙樣間的縫合關(guān)系，最后通過虛擬縫合過程完成虛擬服裝的展示；另一方面三維服裝虛擬軟件也可以通過編程，利用C#或Python語言設(shè)置紙樣的縫合規(guī)則，最后再由三維服裝虛擬軟件進(jìn)行縫合。

虛擬服裝的縫制為避免因布片在接觸時發(fā)生穿透現(xiàn)象而影響模擬的真實(shí)性，需要防止布片內(nèi)部之間的碰撞或布片與其他物體之間碰撞。

目前，碰撞檢測的研究方法主要包括基于幾何圖形和基于圖像的2種碰撞檢測法。基于幾何圖形的碰撞檢測法，有層次包圍盒法、空間分割法等。層次包圍盒法是虛擬場景碰撞檢測中使用較為廣泛的一種算法，通過體積略大但結(jié)構(gòu)簡單的幾何體包圍盒近似描述復(fù)雜對象，再通過包圍盒之間的相互測試進(jìn)行碰撞檢測[8]。該方法具有檢測速度快、效率高、構(gòu)造簡單等特點(diǎn)，但需要構(gòu)造和不斷更新包圍層以對應(yīng)模擬物體的不斷變化?？臻g分割法是將整個虛擬空間劃分為相等容量規(guī)則的單元格，并且只針對占據(jù)相同單元格或相鄰單元格的交叉點(diǎn)進(jìn)行檢測，其高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使該方法在模擬中有較高的計算效率[9]?；趫D像的碰撞檢測算法有2種類型。一種是使用圖像處理器GPU分擔(dān)CPU的工作負(fù)載，對緩沖區(qū)的色度值進(jìn)行檢測，另一種是將三維物體通過投影繪制到圖像平面上，得到其二維圖像，通過深度信息的計算分析來檢測碰撞?；趫D像空間的碰撞檢測實(shí)時性好，展示效果良好[10]。

3 織物懸垂性能模擬研究

織物的懸垂性能是指織物因其自身重量而下垂的特性，它是影響服裝外觀的重要指標(biāo)之一。目前，對織物懸垂形態(tài)的模擬主要有4種方式，這4種方式各有利弊。

3.1 基于曲面變形的幾何建模

幾何建模在三維動畫領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。它不是針對某種特定的織物進(jìn)行模擬，而是通過幾何學(xué)公式生成類似于織物的褶皺。生成的織物褶皺效果只是類似織物風(fēng)格，與真實(shí)織物懸垂形態(tài)仍存在差異。

3.2 針對特定織物的物理建模方法

這種方法通過構(gòu)建織物力學(xué)模型，得到包含織物機(jī)械力學(xué)參數(shù)的仿真懸垂織物。

相關(guān)研究者利用織物懸垂性能指標(biāo)進(jìn)行三維重建。李強(qiáng)算出織物的懸垂參數(shù)并重建織物懸垂形態(tài)模型，為后續(xù)相關(guān)研究提供了依據(jù)[11]。沈毅等提出了多個表征織物懸垂性能的指標(biāo)，對織物懸垂形態(tài)進(jìn)行三維模擬，獲得了直觀的視覺模擬效果[12]。王會威等研究了三維服裝軟件中虛擬織物懸垂性的影響因素，建立了基于三維系統(tǒng)的織物屬性參數(shù)與織物懸垂系數(shù)和懸垂波紋數(shù)的回歸模型，并通過有代表性的若干真實(shí)織物對回歸方程進(jìn)行驗(yàn)證[13]。云暢等研究了虛擬織物屬性參數(shù)經(jīng)緯向的差異對其懸垂性能的影響，并建立了虛擬織物屬性參數(shù)相應(yīng)的懸垂指標(biāo)的回歸模型[14]。周琦等更加全面地對三維系統(tǒng)中虛擬織物的各屬性參數(shù)取值，選取影響服裝模擬的主要懸垂性指標(biāo)，并針對精紡毛織物類型的面料建立回歸方程，研究結(jié)果希望能夠?qū)μ岣呔徝椢锾摂M服裝懸垂性能仿真效果有幫助，進(jìn)而為其他三維虛擬服裝軟件的應(yīng)用提供依據(jù)[15]。

另有研究者利用織物力學(xué)性能模擬織物懸垂特性等。孟寧寧等利用彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型，通過計算機(jī)編程模擬出織物的動靜態(tài)外觀[16]?？椢锪W(xué)性能的實(shí)測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的仿真效果具有很好的一致性。紀(jì)峰以粒子質(zhì)量表示織物的單位面積重量，以結(jié)構(gòu)、剪切和彎曲3類彈簧的作用力分別表示織物內(nèi)部對伸展、剪切及彎曲等變形的抵抗作用，并對KES系統(tǒng)的測試曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)公式擬合，既保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精度又保證了模擬計算的速度[17]。馬磊建立了織物參數(shù)與織物懸垂性能的多元回歸模型的織物懸垂性能預(yù)測系統(tǒng)，并對虛擬織物的懸垂指標(biāo)的計算進(jìn)行了相互驗(yàn)證[18]。

3.3 混合建模方法

混合建模方法是將幾何方法與物理方法相結(jié)合的建模方法。先用幾何方法獲得研究對象的大致輪廓，再用物理方法對其進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)細(xì)化，這種方法更適合織物及服裝的模擬。周玲玲建立了懸垂形態(tài)預(yù)測方程，通過輸入織物基本參數(shù)獲得的形態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)信息求得波紋曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)，然后對關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)重構(gòu)整條邊緣波紋曲線得出織物二維懸垂形態(tài)，再實(shí)現(xiàn)織物懸垂形態(tài)二維向三維的轉(zhuǎn)化，并將方程應(yīng)用到相應(yīng)程序中，在VC++平臺下實(shí)現(xiàn)了懸垂形態(tài)的計算機(jī)模擬[19]。

3.4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型

郭永平采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，通過織物的力學(xué)性能來預(yù)測織物的懸垂特性[20]。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，建立的預(yù)測模型與實(shí)際測試結(jié)果吻合。王健采用線性回歸模型分析了棉織物的懸垂性能與抗彎性之間的關(guān)系，并分別用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元回歸模型驗(yàn)證了棉織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其懸垂系數(shù)的定量關(guān)系[21]。

4 光澤處理技術(shù)

織物表面的光澤效果是織物視覺風(fēng)格的主要指標(biāo)之一，它不僅是評價織物外觀質(zhì)量的重要依據(jù)，同時也是影響服裝外觀效果的重要指標(biāo)之一。它與反射光的強(qiáng)弱、反射光的分布組成和內(nèi)部反射光等有關(guān)。

NIHIRA K等通過使用有橢圓形橫截面規(guī)則排列的直筒組作為織物的簡化模型來計算織物的漫射光分布曲線[22]。但由于使用的模型過于簡單，計算結(jié)果與實(shí)際情況明顯不相符。石風(fēng)俊等結(jié)合織物的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況，在織物微面元為余弦漫射和均勻漫射的假設(shè)下，模擬織物的漫反射光分布曲線，從理論上證明了多種因素對鏡面反射光的分布均有較大影響[23]。

目前雖對織物光澤的模擬有少量研究，但真正在電腦三維環(huán)境下應(yīng)用于虛擬服裝模擬的光澤研究少見報道，動畫設(shè)計師都是憑感覺來調(diào)整三維環(huán)境下的光照和材質(zhì)參數(shù)。如果針對某一特定面料，往往不能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語

三維人體建模技術(shù)的最終目的都是構(gòu)建與目標(biāo)人體近似的模特。三維人體建模技術(shù)和虛擬縫合技術(shù)是三維虛擬試衣技術(shù)的關(guān)鍵步驟，有效的服裝模型和精確的縫合技術(shù)是確保虛擬試衣富有成效的關(guān)鍵因素。目前，織物懸垂形態(tài)的模擬主要集中在基于曲面變形的幾何建模和針對特定織物的物理建模方法，其中針對特定織物的物理建模研究較為廣泛，而針對任意真實(shí)織物以及三維虛擬服裝懸垂形態(tài)的模擬研究正在開展?？椢锉砻婀鉂赡M也是影響織物模擬效果的因素，但對織物光澤的模擬測試研究相對較少，基本上集中在對織物表面的各項反射光的分布進(jìn)行測量、提取、計算分析，最終建立模型。而針對任意真實(shí)織物及其三維虛擬服裝的光澤模擬研究正逐漸開展。