三维服装CAD中关键技术的特征和方法

2013-05-23 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

徐军何梅娟来源:万方数据
关键字:服装CAD 人体测量服装人体建模三维/二维转化虚拟服

围绕三堆人体测量技术、服装人体建模方法、虚拟服装展示以及三维服装展成二维衣片4项关健技术,对其特征和实现方法作了总结和展望,提出基于网络的人体模型的快速生成、基于织物物理特性的虚拟服装的建立和服装——人体的碰撞检测等技术都将是未来研究的重点。

服装CAD技术研究出现于20世纪70年代,美国于1972年研制出世界上第一套服装CAD系统—MARCON系统.在随后30多年里,美国、欧洲以及日本等国家和地区陆续开发出了许多优秀的服装CAD系统,如美国的GERBER、法国的LECTRA、日本的JUKI,瑞士的ALXS以及德国ASSYST等,国内服装CAD系统研究起步较晚,20世纪80年代中后期先后出现了航天710研究所的Arias,、杭州“爱科”、北京轻工业学院研究的BILL等服装CAD系统以及浙江大学“智能服装CAD设计及面料设计系统”.目前市场上的服装CAD产品主要集中在二维平台上放码、排料、款式设计、样板设计和试衣等几项功能,二维服装CAD技术已经相当成熟.但是建立在三维平台上的三维服装CAD技术——三维人体测量、尺寸信息提取、服装设计、虚拟试衣以及基于互联网的订做、销售和展示等技术方面尚处于研究阶段.国际上有许多研究机构都在大力开发这一领域的技术,比如瑞士日内瓦大学的MIRA实验室和美国俄亥俄州立大学的Dautennan CAD实验室,美国军队后勤部门从1994年起就启动了能推进美国服装工业信息化的名为"ApparelRe search Network"的项目,三维的服装技术是其中重要的部分.我国的香港理工大学、北京服装学院、杭州“爱科”等近年来也开始了服装三维覆盖模式款式试衣系统的开发和研究.当前三维服装CAD技术研究的热点主要集中在三维人体测量技术、三维服装人体的建模技术、虚拟服装展示和三维服装展成二维衣片等方面.

   1 三维人体测景技术

人体测量方法可分为3大类:传统二维测量、接触式三维测量仪测量和非接触三维自动测量方法.传统的二维手工测量方法过于粗略,不能充分反映人体的三维体型特征,不能满足三维CAD建模的数据要求,而接触式三维测量仪测量是利用角度计、测高计、测距计和滑动计机械式测量仪,依据测量基准对人体进行接触测量的方法,可以测量出人体表面相关点的三维坐标,获得较细致的三维人体数据.但这种接触测量时间比较长,会使被测者感到疲劳和窘迫,不利于三维CAD系统对三维人体数据获取的建模处理非接触三维人体自动测量作为现代图像测量技术的一个分支,是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的三维测量技术,主要实现方法有光学图样法和基于图像传感器的光电法.目前的非接触三维人体测量方法主要以光电和激光为基础,具体分为立体摄影测量、激光测量法、莫尔条纹测量法、TC2分层轮廓测量法和投影条纹相位测量法等.

    1.1 立体摄影测量方法

立体摄影测量方法运用计算机视觉中的双目成像原理,利用CCD摄像机获取一个三维人体的二维图像(实际空间坐标和摄像机像平面坐标系之间的二维图像),提取出能完整表述人体的特征参数,综合出人体特征线等服装用线的三维坐标.英国Lourhborouhg大学于1989年研制的Lourhborouhg人体阴影扫描装置就相当于立体摄影测量法.把投影在站立不动的人身上的光线用电视摄影机录下来,身体由一系列横切面表达,并以平面方式各用16点位曲线表示.此程序重复32片平面,每一片与有关骨骼标记相关联,重建三维身体的表面模型.英国Lourhborouhg大学与马莎百货公司及Courtaulds内衣公司联合利用其Lourhborouhg人体扫描仪收集三维人体数据,建立了三维人体的表面模型.

    1.2 激光测量法

激光测量法是一种扫描线法,由多个激光测距仪在不同方位接收激光在人体表面的反射光,根据受光位置、时间间隔、光轴角度计算出人体同一高度若干的坐标值,从而得到人体表面的全部数据.该方法是利用激光的扫描系统在20世纪70年代末和80年代初研制出来的.1977年Clerget等人用一束扫描激光照亮物体;1985年Limey等使用两束垂直激光束随同一台电视摄像机一起测量用于畸齿矫正等;1985年Addleman研制出今日作为英国Cyberware公司上市的扫描激光束系统,此系统就是应用激光扫描三维测量技术获取三维影像的,尽管它能获取除被姿势隐藏的部位以外的人体各处的三维数据以及人体模型,但系统所获取的数据远远超出了服装行业的要求,另外还要从扫描的人体数据中提取服装设计所需要的特征尺寸同,增加了数据利用的成本.

    1.3 莫尔条纹测量法

Meadows等人在1975年提出了莫尔轮廓法,后来又在此基础上相继提出了影像莫尔法、投影莫尔法、扫描莫尔法以及它们的改进方法.莫尔条纹测量法即投影莫尔法.是人体三维轮廓测量的一种方法,通过一块基准光栅来检测轮廓面的影栅或像栅,并根据莫尔图案分布规律推算出轮廓形状,应用光栅阴影和光栅形成的莫尔条纹等高线得出体表的凹凸、断面形状、体形展开图等体型信息因计算机自动处理时难以自动确定条纹峰值、条纹级数和人体表面的凹凸性,故此方法虽适用于人体曲面测量,但测量精度不够高,而近期学者提出的投影光栅相位测量技术改进了上述不足.

    1.4 TC2分层轮廓测量法
TC2分层轮廓测量法是TC2美国纺织及服装技术中心用白光投射正弦曲线在物体上,在不规则的物体表面形成密栅影子变形,此时产生的图样可表述体表轮廓.用6部摄影机从不同的角度进行检测,将影像合并成为完整的图像,从而完成检测工作.其代表产品是TC2公司的PMP系统,通过对人体4.5万数据点的扫描,能迅速获取人体数据,精确全面的反映人体体形情况.同Cyberware系统一样,该测量技术也是测量数据过多,并且需要提取服装设计所需的特征尺寸.

    1.5 投影条纹相位测量法

此方法是基于光学干涉的相位测量技术,根据光的振动形式可把相位法测量法分为横波相位法和纵波相位法.横波相位法是每个偏移光栅预设距离相变方向上的传感器都获得4幅图像,每个传感器都投射同等数量位移的正弦模式光,通过使用捕获的4幅图像,可决定每个像素点的相位,然后用相位计算三维数据点,从而得到全部数据.纵波相位法是基于干涉原理的相位测量技术,先把光栅投影到人体表面,摄取人体前后投影光栅的相位变化,最终取得人体三维信息.近年来,由总后军需装备研究所和北京服装学院共同研制的“人体尺寸测量系统”就是应用“双视点投影光栅三维测量”原理,通过普通白色光源摄取人体前后投影光栅的相位变化来取得人体三维信息的.通过数据处理,可以获取服装设计所需要的尺寸,并可根据需要获取人体图像上任一点的三维坐标.由于国外三维人体扫描系统价格昂贵,所以研发此类运行可靠、成本低廉、具有自主知识产权的人体测量系统.具有重要意义.

目前,Telmat和ImageTwin系统已与Gerber Technology公司的量体定制软件成功结合,而Cyberware等扫描系统也相继开发出允许从3维扫描数据自动析取尺寸的软件.很明显,非接触式人体测量方法快速、准确、效率高,并且可以直接从图像中提取有用的数据信息,运用到三维服装CAD系统中,能实现人体测量和服装设计的一体化.
2 三维人体模型的建立方法

三维人体模型的建立是三维服装CAD的基础,是进行三维服装设计和虚拟服装展示的平台所以建立适合服装的人体模型始终是计算机图形学和三维服装CAD领域的研究热点.人体建模技术发展到现在,适合服装人体的建模方法主要有以下几种:多面体建模、基于特征的人体曲面建模、参数化建模和以网格边界线为连续条件的三维人体建模.

    2.1 多面体建模

多面体建模是从构造多面体开始,对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改,从而构造一个与实体外形相似的多面体(即基本立体),然后通过类似于磨光的处理,自动产生自由曲面的控制顶点,并拼接成所需的形状.它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型及曲面的方法,可以灵活地进行人体形状设计.多面体人体建模首先将产生一个由直线和平面所组成的基本立体,作为人体形状的原型,再由基本立体产生曲线模型,最后在曲线模型的基础上,用参数曲面进行拟合.目前CAD系统中的曲面多是以三角面片逼近的方法绘制的,以图形交换文件(*.DXF)存储,用OpenGL可方便地开发显示曲面,并可以通过DXF格式文件实现不同CAD系统之间的图形信息交换.

    2.2 基干特征的人体曲面建模

最初的三维人体模型采用的是Bezier曲面模型,但此方法不具有局部特性且存在拼接方面的困难.Gordon和Riesenfeld改进Bezier方法为B样条曲线曲面方法,具体表现为特征化曲面建模和参数化曲面建模.目前,国内张瑞云等采用曲面建模方法对服装CAD中的人体曲面进行了研究,而吴剑洁等人则采用的是基于特征的人体曲面建模方法.基于特征的人体曲面建模是根据人体的特殊性.将人体模型划分为头、上中下部躯干、左右臂、左右手、左右脚等基本的结构特征,每一部分都有自己的数据结构和造型方法.为了表达出人体模型中指定的特征和人体模型的较细节几何特点,把造型特征分为主要造型特征和辅助造型特征.对于上臂等曲面关系较简单的人体部位和对于头部曲面等造型复杂但在服装CAD中曲面信息不是很重要的部位,可只通过主要造型特征控制生成曲面轮廓.对于臀部等在服装设计中十分重要而又造型复杂的部分,就要在主要造型特征的基础上增加其他辅助造型特征处理,其定义与使用的造型方法有关.该方法的优点在于:它使得人体模型的曲面建模更加灵活,可以针对人体模型不同部位的几何特征,选择最适合的曲面建模方法,而不必拘泥于某一种曲面表达方式.

    2.3 参数化人体建模

不管是多面体建模还是基于特征的人体曲面建模,采用这两种方法建立的人体模型在定型后都难以修改.如果需要不同体型、不同尺寸的人体模型,就要重新建立,会浪费大量的人力和财力.参数化建模方法就是为了避免重复建模工作产生的.参数化方法作为机械CAD的关键技术,开始于20世纪60年代,目前在服装CAD中主要采用基于特征的参数化设计思想建立人体模型,这是基于传统的几何建模方法上的一种更为抽象化的建模方法.它以抽象的特征参数表达复杂的人体外部几何特征,所以采用基于特征的参数化方法建立人体模型关键是人体特征及其相关尺寸的变量化描述和约束关系的建立.这种方法完全用变量符号(或参数)定义设计人体模型的定位尺寸和形状尺寸,根据人体特征建立人体各部位之间的约束关系,通过人体参数控制尺寸能改变人体模型,即不用修改人体模型本身就能得到全新的人体模型.这样不仅节约了70%-90%的重复设计时间,还使设计结果的变化更方便、快捷.参数化建模方法作为一种新的几何建模发展方向,受到越来越多的重视.浙江大学人工智能研究所的秦可等人利用对三角网格表示的三维人体模型进行参数化信息提取等方式对服装人体的参数化研究已经取得了初步的研究成果,但该研究只是针对站立姿势的人体模型,尚需进一步地将骨骼驱动机制与参数化结合起来.

    2.4 以网格边界线为连续条件的三维人体建模

用表面造型法作为人体造型的主要框架,结合样条曲线和三角面片的拼接能实现以网格边界线为连续条件的三维人体重构.通过构造横向和纵向的B样条曲线,形成三维的空间样条体系,由两个轴向的B样条曲线离散化出构造三维人体曲面造型的三角面片的基元的各个顶点.通过这些顶点利用具有法向量的三角面片就能重构出三维人体,并可在此基础上进行人体的显示和后续处理J匕京服装学院的李辉已经运用此方法实现了人体三维模型的显示.

    3 虚拟服装展示

虚拟服装展示技术是三维服装CAD中的关键技术.对于三维服装的研究目的之一就是在计算机上把服装真实再现,以满足电子商务中顾客虚拟试穿的要求.要想在计算机上真实地显示服装,必须建立服装模型并对其进行有效的模拟.服装织物是一种柔性体,其模型建立不同于目前发展的比较成熟的刚性体的模型建立,因为它们的物理机械性能完全不同.即使建立了模型,对普通计算机来说也很难满足其大运算量的要求.目前,服装模拟研究中的建模方法主要有几何建模、物理建模和混合建模三个大类.

    3.1 几何建模

几何建模就是在己建立的人体模型上,按一定的规律在人体表面上进行经纬线划分,在任一纬度Y=yo上取一截面,得该截面人体表面各造型点的三维数据(x0,y0,z0).根据其服装与人体间的空隙度的大小,可由几何方法求得服装表面各造型点的数据(x,yo,z)对根据计算所获得的服装上各造型点的三维数据,利用曲面造型方法即可得到服装模型,达到几何建模的目的.目前常用B样条曲面、Bezier曲面和Nurb。曲面来进行曲面造型.几何建模方法不考虑服装面料的物理特性,计算速度较快,模拟出的服装具有其形态特点,但不能代表特定的服装织物,仿真效果较差.

    3.2 物理建模

Weil首先提出了基于曲面变形的服装物理模型,Haumann和Parent实现了旗子的飘动和窗帘的摆动效果模拟,物理建模对服装进行三角、网格或粒子划分,进行能量、受力分析,能较真实地模拟柔性物体的特性,不足之处是运算速度较慢但是随着计算机硬件的发展和织物模型中算法的改进,物理建模前景广阔.物理建模与织物的微细结构有关,而其模拟结果与真实织物的接近程度取决于所用的数学模型和计算方法.由于织物微结构的数学模型各不相同,物理模型可分为连续模型和离散模型两类计算方法可分为力法和能量法:力法用微分方程表达织物内部微元之间的力,进行数值积分以获取每一时间步长下微元的空间位置,从而得到整个织物在该时间步长下的变形形态.能量法通过方程组计算整片织物的能量,然后移动织物结构内的微元使之达到最小能量状态,从而确定织物的最终变形形态.目前,能量法多用于织物静态悬垂的模拟,而力法用于动态悬垂的模拟.

    3.3 混合建模法
混合建模法吸取了上述几何法和物理法的优点.通常先用几何方法获得大致的轮廓,再用物理约束对局部结构进行细化,从而获得逼真、快速的模拟结果.在实际应用中,这种建模是目前较好的选择.Kunii等利用几何与物理相结合的建模方式建立了服装模型并实现了服装褶皱的模拟.

目前三维虚拟服装展示的经典路线是:根据织物特性建立其物理模型,被赋予物理模型的衣片经过虚拟缝纫的过程便构造出三维虚拟服装,应用牛顿运动定律和能量方程模拟出布料的悬垂感、折皱感,通过碰撞检测技术把服装穿着在人体模型上,表现出其在三维空间内各个体形面、各种服装面料的不同穿着效果.所谓的碰撞检测技术是指在物理模型中检测运动物体是否相互碰撞的过程,即判断是否存在一对或多对模型占有的空间发生重叠.基于物理模型的动画系统必须能够检测出物体之间的这种相互作用,并做出适当响应,否则就会出现物体之间相互穿透和彼此重叠等不真实的现象网在三维虚拟服装展示过程中衣片的物理模型建立、二维衣片的缝合以及碰撞检测技术是虚拟服装展示的关键点,也是当前国内外服装及计算机界学者普遍关注的热点和难点.而目前中山大学计算机应用研究所的聂卉等对三维虚拟环境中衣片的缝制间题提出了基于正则栅格法思想的四边域网格剖分算法,界定了对位缝合和褶皱缝合的新概念,通过相应的边界调整方案已经解决了复杂服装的缝制问题.

4 三维服装展成二维衣片

可以直接投人服装生产的是二维衣片(裁片),所以最终还是要把三维服装转换成实用的二维衣片,它涉及到把复杂的空间曲面展开为平面的转化技术.在三维服装转换到二维衣片的过程中,要满足面积近似相等、边界线相互对应、长度基本保持相等以及关键点的位置相互对应等条件.针对服装制作中的这些问题,北京航空航天大学的翟红英等提出了利用三维服装和二维衣片的对应关系对关键点进行三角化,并利用散乱插值技术求出二三维衣片之间相互对应的中间点,进而完成映射的方法.而浙江理工大学的李旭等则提出了二次展开技术来实现衣片映射的方法.目前,工程上把三维曲面展开二维平面的方法主要有3种:利用有限元计算曲面展开、利用曲面的测地曲率方法展开曲面和利用复杂曲面展开方法来展开曲面.

    4.1 有限元计算曲面展开

日本学者Shimada等利用有限元计算的方法展开曲面是基于曲面离散的表达式、运用分区域曲面的展开思想进行曲面展开的.有限元方法不直接进行三维到二维的转换,而是先想象一个粗估平面,该平面与三维曲面的顶点数目和三角形数目相同,只是各个对应的三角形的形状和方位不同而已根据这些三角形的形状差异,借助二维有限元法则可以推算出在粗估平面上的网点二维修正位移量,以及所对应的应变能量经修正后的二维平面形状更为精确,因此为了获得较精确的结果,则此动作要反复连续的执行若干次.此方法虽然可以获得比较精确的结果,但是其展平计算要花费较多的时间.

    4.2 曲面测地曲率方法曲面展开

Cbakib Benic等人利用曲面自身的几何特征——测地曲率展开曲面,即将曲面划分为等参数网格,沿着一个方向根据曲线的测地曲率将这些曲线展开在平面上.此方法要计算出每一个网格节点的测地曲率,在展开计算中把几何外形作为展开计算的唯一依据,不考虑织物材料的特性,而对于较复杂的曲面,它的展开图形是不封闭的,会产生较多的裂纹和较大的累积误差,因此,服装业内并不倾向用此方法.

    4.3 复杂曲面展开

北京航空航天大学的席平、大连理工大学的肖正扬浙江大学的王冰冰等都在复杂曲面及其算法上取得了初步的成效.利用复杂曲面的展开方法是最适合于服装的.这种方法是先将曲面分割为若干条状区域,每个区域用一直纹面逼近,再将这些直纹面进行三角网格分割展开,对于可展曲面展成平面时要满足下列条件:首先展开面的面积与曲面的面积相等,其次展开面的每边边长与对应的曲面边长相等,即展开变化是等距的.对于不可展开的直纹面,只能用逼近法求得展开.

    5 结束语

三维服装大多是利用局部小平面的拼接解决曲面可展化及其展开问题的由于三维服装多为复杂曲面,材料也多为柔性面料,所以其平面展开更为复杂无论是方法选择还是算法实现,都存在相当的困难,目前国内外在这方面的技术都不成熟.要开发三维服装CAD技术,需要解决的技术问题还很多:把从网络中传输过来的不同类型的数据(不同的三维人体扫描仪输出的数据格式不尽相同)转换成统一的数据格式快速生成人体模型,更准确地建立织物物理模型、变形模型、减少织物变形模拟中的计算时间和实时性限制、降低面料对缝边的影响,通过碰撞检测技术虚拟展示服装,实现三维服装和二维衣片之间精确转换(包括在二维衣片上表现出在三维服装上做的变形和修改),得到真正实用于生产制作的二维衣片等环节都是需要攻克的尖端技术.

近几年来,国内在三维服装CAD领域取得了一定的成果,但与国外相比还存在较大距离.国外的一些产品已能基本实现三维服装穿着搭配、模拟不同布料的三维悬垂效果、实现360度旋转及因特网平台远程察看等功能.而国内由于技术的不成熟,目前还没有实用的服装CAD系统出台,仅有部分软件进人了商品化阶段,如布易科技的ET3D系统(ET3D系统能与它的ET SYSTEM系统无缝连接,具有强大的三维仿真功能,能实时再现服装的三维效果等).所以攻克各种关键技术和尖端技术,开发和完善我国的三维服装CAD技术,将是服装工程及计算机辅助设计等领域不懈努力的方向.