三維人體與服裝建模技術的工學論文
在服裝CAD、網路虛擬試衣、三維人體動畫和遊戲等應用領域，都面臨著如何解決真實人體與服裝的三維重建問題，即人體與服裝的真實感虛擬建模。
在計算機圖形學中，物體的造型一般分為傳統幾何建模和物理建模兩大類。傳統幾何建模採用線框、表面和實體等造型技術，只描述物體的外部幾何特徵，適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特徵和行為特徵融進傳統的幾何模型中，既包含了表達物體所需要的幾何資訊，又包含了物體材料的物理效能引數。
在現實世界中，服裝的運動受織物材料特性和人體運動的共同影響。人體運動所產生的肢體位移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞，力的相互作用驅動服裝跟隨人體運動。由於用計算機模擬人體與服裝真實效果的複雜性，在三維人體與服裝的造型中出現了幾何建模技術、物理建模技術、結合幾何與物理的混合建模技術。
1 三維人體與服裝的幾何建悽摻術
1．1人體
三維虛擬人體的幾何建模技術主要是曲面建模，又稱表面建模，這種建模方法的重點是由給出的離散資料點構成光滑過渡的曲面，使這些曲面透過或逼近這些離散點。在人體曲面建模時，主要採用基於特徵的和引數化的人體曲面建模兩種具體建模方法。
1．1．1基於特徵的人體曲面建模
基於特徵的人體曲面建模根據人體的整體結構，將人體模型劃分為若干個基本的結構特徵。為進行曲面造型，針對每個結構特徵可定義相應的造型特徵。造型特徵分為主要造型特徵(即人體模型中指定的特徵)和輔助造型特徵(即為了精確表達人體模型的較細節幾何特點所定義的造型特徵)。該方法的優點在於．它使得人體模型的曲面建模更加靈活，可以針對人體模型不同部位的幾何特徵，選擇最適合的曲面建模方法，而不必拘泥於某一種曲面表達方式。此外，還可較方便地改進人體模型建模方法。根據人體模型尺寸表，可定義一系列的特徵曲線，曲線的生成透過相關特徵點(根據人體物理特性定義的點)和模型樣本點(根據人體模型曲面造型需要定義的點)來得到。僅靠特徵曲線還不足以表達人體模型的所有幾何形狀，需補充定義幾何造型曲線，與特徵曲線共同構造出曲線網路。網路曲線多采用3次B樣條曲線表達，人體曲面模型的構建則採用B樣條曲面。
1．1．2引數化的人體曲面建模
引數化的人體曲面建模採用幾何約束來表達人體模型的形狀特徵，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設計方案。即在建模過程中應結合人機工程學原理，利用人體各部分固有的比例關係，從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的引數。一旦幾何特徵引數確定下來，系統將根據人機工程學原理，修改相應的主要造型特徵，使其滿足新的尺寸要求。同時，利用人體模型主、輔造型特徵問的關聯結構，修改相關的輔助造型特徵，獲得新的人體模型造型特徵，對新的人體模型造型特徵進行曲面造型，最終得到使用者所需的人體模型。引數化建模是一種更為抽象化的建模方法，它以抽象的特徵引數表達複雜人體的外部幾何特徵，依託於常規的幾何建模方法，使設計人員能夠在更高、更抽象的層面上進行人體設計。
NMThalmann和DThalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人MarilynMonroe，之後又提出JLD算符用於對人體表面的變形。Forsey將分層B樣條技術用於三維人體建模。Douros等使用B樣條曲面重構三維掃描人體模型。曲面模型的優點是速度較快，缺點是不考慮人體解剖結構，取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點之一。
儘管曲面建模技術已經能夠完整地描述人體的幾何資訊和拓撲關係，但所描述的主要是人體的外部幾何特徵，對人體本身所具有的物理特徵和人體所處的外部環境因素缺乏描述，對於人體動態建模仍有一定的侷限性。
除曲面建模方法外，還有棒狀體建模和實體建模方法。棒狀體建模是最早出現的虛擬人體幾何建模方法，人體表示為分段和關節組成的簡單連線體，使用運動學模型來實現動畫模擬，實現人體的大致動作。實體模型使用簡單的實體集合模擬身體的結構與形狀，例如圓柱體、橢球體、球體等，然後採用隱表面的顯示方法，其計算量大，且建模過程非常複雜。在三維人體模型結構中，實體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。
1．2服裝
服裝的幾何建模方法著重模擬布料的幾何表象，尤其是波紋、褶皺等，不考慮服裝面料的物理特性，將織物視為可變形物件，用幾何方程表達並模擬虛擬現實環境中的織物動畫效果。目前常用B樣條曲面、Bezier曲面：INURBS曲面來進行服裝曲面造型。
Lalfeur等開始用簡單的圓錐曲面代表一條裙子，並穿著在一個虛擬模特上，以人體周圍生成的排斥力場來模擬碰撞檢測。Hinds等將人體模型的上半軀幹進行數字化影象處理以獲得基礎人形，提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法，用三維數字化儀取得人體模型上的三維空間點，然後用雙3次B樣條曲面擬合得到數字化的人體模型，服裝衣片被設計成圍繞人體模型的曲面，然後將之展開到二維，這些服裝衣片是通過幾何建模得到的。
此方法計算速度較快，模擬出的服裝具有其形態特點，生成的圖形具有一定的織物視覺效果，但不能代表特定的服裝織物，模擬效果較差。
2三維人體與腑裝的物建模技術
2.1人體
為使三維人體動畫模擬效果更佳，AHBarr提出了物理建模思想，將人體的物理特性加入到其幾何模型中，透過數值計算對其進行模擬，人體的行為則在模擬過程中自動確定。
物理建模方法具有更加真實的'建模效果，能有效地描述人體的動態過程，採用微分方程組的數值求解方法來進行動態系統的計算，計算更為複雜。
2．2織物和服裝
服裝的物理建模對服裝進行三角、網格或粒子劃分，透過構造織物物件的結構力學模型，進行能量、受力分析，用計算機圖形技術視覺化地模擬三維形態，能較真實地模擬柔性物體的特性。物理建模與織物的微細結構有關，需要確定織物物理力學引數。模擬結果與真實織物的接近程度取決於所用的數學模型和計算方法。 由於織物微結構的數學模型各不相同，物理模型可分為連續模型和離散模型兩類。計算方法可分為力法和能量法。力法用微分方程表達織物內部微元之間的力，進行數值積分以獲取每一時間步長下微元的空間位置，從而得到整個織物在該時間步長下的變形形態。能量法透過方程組計算整片織物的能量，然後移動織物結構內的微元使之達到最量狀態，從而確定織物的最終變形形態。通常，能量法多用於織物靜態懸垂的模擬，而力法用於動態懸垂的模擬。
2．2．1連續模型
連續模型將織物看作是由大量微元素相集合的連續體，運用研究連續體的力學方法對織物進行力學分析和研究。通常用變形殼體、彎板、薄片、薄膜單元或變形粱單元代表織物的微元。在連續模型中使用有限元方法是目前發展的一個趨勢。
最早Shanahan等以材料片／板理論對織物建模。在19世紀80年代，Lloyd採用基於膜元素的有限元模型，Feynman使用彈性片理論，Terzopoulos等基於彈性理論的變形模型，Collier把織物看作正交各向異性的膜元素，採用幾何非線性有限元法。2O世紀90年代，Ascough使用簡單變形梁元素，Yamazaki等在粱元素基礎上，加入外部力。2000年後，Kang等提出基於連續殼理論的顯式動態有限元分析方法實現了一套三維服裝懸垂形狀預言快速反應系統，JinlianHu等提出有限體積法(FVM)。
在目前的使用中，織物的微觀非連續結構與有限元素的分割尺寸相比很小，將織物看作連續體，並忽略織物在微元水平內的相互作用，在一定範圍內具有合理性。即使是如此簡化，連續模型的計算量仍相當大，計算過程繁瑣耗時，不能用於服裝的實時模擬。
2，2．2離散模型
織物是由大量纖維、紗線形成的複雜結構體，是非連續的，宜使用離散的方法建立模型。1994年Breen等提出採用相互聯絡的粒子系統模型模擬織物的懸垂特性，1996年Eberhardt等發展了Breen的粒子模型，體現了織物的滯後效應，增加了風動、身動等外力對服裝面料的影響。在粒子系統的基礎上，由Provot和Howlett先後提出的質點一彈簧模型結構簡單，容易實現，計算效率較高，取得了較好的應用效果。該模型將服裝裁片離散表達為規則網格的質點～彈簧系統。每一個質點與周圍相連的若干個質點由彈簧相連，整個質點一彈簧系是一個規則的三角形網格系統。Desbrun等對質點～彈簧模型加以延伸、擴充套件和改進，綜合顯式、隱式積分，提出一種實時積分演算法，可實現碰撞和風吹等檢測和反應。劉卉等也用改進的質點一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。
物理建模方法雖然模擬效果更接近真實狀態，但因模型中包含的有效織物力學結構引數很難確定，加之運算時間太長，應用受到了限制。
人體多層次模型是最接近人體解剖結構的模型，通常使用骨架支撐中間層和皮膚層，中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等，因此人體從內到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個層次，可分別採用不同的建模技術。骨頭層可看成剛性物體，採用幾何模型。皮膚層屬於最外層，需要較多的真實性，可採用基於物理的模型，指定皮膚層每個頂點的質量、彈性、阻尼等物理引數，計算每個點的運動特性，實現皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上，其動態擠壓和拉伸效果由底層骨架運動及肌肉體膨脹、脂肪組織的運動獲得，附著於骨頭上的肌肉和脂肪也得適當地採用物理建模方式形成。
Chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎上，Thalmann等提出一種更加高效的、基於解剖學的分層建模演算法來實現人體的建模與模擬。透過這種方法建立的人體模型從生理學和物理學角度都能實現更加逼真的效果，但模型複雜度高，人體變形時計算量大。
幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀，可以方便地修改服裝的長短胖瘦、結構線等外觀形狀，模型簡單，執行速度快，但不能透過引數控制服裝的懸垂及質感。物理建模允許透過選擇引數值較為直觀地控制服裝的懸垂及質感，如增加質量引數值將得到厚重織物，但模型複雜，計算費時。服裝的混合建模技術吸取了幾何和物理的優點。通常在圖形生成或模擬過程中，先用幾何方法獲得大致輪廓，再用物理約束和引數條件進行區域性結構細化，從而獲得逼真、快速的模擬圖形。
Kunii和Godota使用混合模型實現了對服裝皺褶的模擬。Rudomin在進行模擬時先使用幾何逼近的方法，在人體的外圍生成…個3DJ]~裝凸包，給出了懸垂織物的大致形狀，後利用Terzopoulos的彈性形變模型對織物的形態進行細化處理。
在實際應用中，混合建模技術更適合於織物和服裝變形形態的模擬，既能滿足對服裝三維效果的模擬，且能在一定程度上實現三維互動設計，計算時間也將顯著縮短，可以滿足實時的要求，是目前較好的選擇。
在三維人體建模上，對靜止人體的實現主要採用面建模技術，重點描述人體的外表面，即皮膚的外形。為了實現人體的動態模擬，需要考慮人體本身的物理特徵(如質量、密度、材料屬性等)和行為特徵，使得計算機模擬的人體活動符合真人的運動效果，採用了物理建模技術，但由於人對人體解剖結構、自身組織及器官的物理特性、人體運動及動力學行為等研究和了解得並不充分，很難建立起完整的三維人體物理模型。
在三維服裝模擬上，需要設定面料的質地、圖案、色彩、尺寸及環境的燈光、重力、風源、風速、風向等，以及人體與服裝的動力學約束，才能完成服裝動態特性的運動模擬和模擬。服裝的幾何建模能方便模擬面料的幾何表象，但也只能實現服裝的外觀形狀。物理建模技術大多用於對單個織物的動態模擬，對整個由衣片縫合而成的、具有一定款式和飾物的服裝造型則過於複雜。
要實現虛擬試衣、虛擬時裝表演、服裝的網上展示和虛擬購物等的虛擬環境，不僅需要建立人體和服裝的模型，而且還要考慮人體、服裝間、人體與服裝間的碰撞，因此統一人體和服裝的造型是必需的。結合幾何建模和物理建模的各自優點，接近人體解剖結構，把最外層設定為服飾層的人體多層次模型將是今後重點研究的方向。
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