三維服裝CAD中關鍵技術的特征和方法

2013-05-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

徐軍何梅娟來源:萬方數(shù)據(jù)
關鍵字:服裝CAD 人體測量服裝人體建模三維/二維轉化虛擬服

圍繞三堆人體測量技術、服裝人體建模方法、虛擬服裝展示以及三維服裝展成二維衣片4項關健技術,對其特征和實現(xiàn)方法作了總結和展望,提出基于網(wǎng)絡的人體模型的快速生成、基于織物物理特性的虛擬服裝的建立和服裝——人體的碰撞檢測等技術都將是未來研究的重點。

服裝CAD技術研究出現(xiàn)于20世紀70年代,美國于1972年研制出世界上第一套服裝CAD系統(tǒng)—MARCON系統(tǒng).在隨后30多年里,美國、歐洲以及日本等國家和地區(qū)陸續(xù)開發(fā)出了許多優(yōu)秀的服裝CAD系統(tǒng),如美國的GERBER、法國的LECTRA、日本的JUKI,瑞士的ALXS以及德國ASSYST等,國內(nèi)服裝CAD系統(tǒng)研究起步較晚,20世紀80年代中后期先后出現(xiàn)了航天710研究所的Arias,、杭州“愛科”、北京輕工業(yè)學院研究的BILL等服裝CAD系統(tǒng)以及浙江大學“智能服裝CAD設計及面料設計系統(tǒng)”.目前市場上的服裝CAD產(chǎn)品主要集中在二維平臺上放碼、排料、款式設計、樣板設計和試衣等幾項功能,二維服裝CAD技術已經(jīng)相當成熟.但是建立在三維平臺上的三維服裝CAD技術——三維人體測量、尺寸信息提取、服裝設計、虛擬試衣以及基于互聯(lián)網(wǎng)的訂做、銷售和展示等技術方面尚處于研究階段.國際上有許多研究機構都在大力開發(fā)這一領域的技術,比如瑞士日內(nèi)瓦大學的MIRA實驗室和美國俄亥俄州立大學的Dautennan CAD實驗室,美國軍隊后勤部門從1994年起就啟動了能推進美國服裝工業(yè)信息化的名為"ApparelRe search Network"的項目,三維的服裝技術是其中重要的部分.我國的香港理工大學、北京服裝學院、杭州“愛科”等近年來也開始了服裝三維覆蓋模式款式試衣系統(tǒng)的開發(fā)和研究.當前三維服裝CAD技術研究的熱點主要集中在三維人體測量技術、三維服裝人體的建模技術、虛擬服裝展示和三維服裝展成二維衣片等方面.

   1 三維人體測景技術

人體測量方法可分為3大類:傳統(tǒng)二維測量、接觸式三維測量儀測量和非接觸三維自動測量方法.傳統(tǒng)的二維手工測量方法過于粗略,不能充分反映人體的三維體型特征,不能滿足三維CAD建模的數(shù)據(jù)要求,而接觸式三維測量儀測量是利用角度計、測高計、測距計和滑動計機械式測量儀,依據(jù)測量基準對人體進行接觸測量的方法,可以測量出人體表面相關點的三維坐標,獲得較細致的三維人體數(shù)據(jù).但這種接觸測量時間比較長,會使被測者感到疲勞和窘迫,不利于三維CAD系統(tǒng)對三維人體數(shù)據(jù)獲取的建模處理非接觸三維人體自動測量作為現(xiàn)代圖像測量技術的一個分支,是以現(xiàn)代光學為基礎,融光電子學、計算機圖像學、信息處理、計算機視覺等科學技術為一體的三維測量技術,主要實現(xiàn)方法有光學圖樣法和基于圖像傳感器的光電法.目前的非接觸三維人體測量方法主要以光電和激光為基礎,具體分為立體攝影測量、激光測量法、莫爾條紋測量法、TC2分層輪廓測量法和投影條紋相位測量法等.

    1.1 立體攝影測量方法

立體攝影測量方法運用計算機視覺中的雙目成像原理,利用CCD攝像機獲取一個三維人體的二維圖像(實際空間坐標和攝像機像平面坐標系之間的二維圖像),提取出能完整表述人體的特征參數(shù),綜合出人體特征線等服裝用線的三維坐標.英國Lourhborouhg大學于1989年研制的Lourhborouhg人體陰影掃描裝置就相當于立體攝影測量法.把投影在站立不動的人身上的光線用電視攝影機錄下來,身體由一系列橫切面表達,并以平面方式各用16點位曲線表示.此程序重復32片平面,每一片與有關骨骼標記相關聯(lián),重建三維身體的表面模型.英國Lourhborouhg大學與馬莎百貨公司及Courtaulds內(nèi)衣公司聯(lián)合利用其Lourhborouhg人體掃描儀收集三維人體數(shù)據(jù),建立了三維人體的表面模型.

    1.2 激光測量法

激光測量法是一種掃描線法,由多個激光測距儀在不同方位接收激光在人體表面的反射光,根據(jù)受光位置、時間間隔、光軸角度計算出人體同一高度若干的坐標值,從而得到人體表面的全部數(shù)據(jù).該方法是利用激光的掃描系統(tǒng)在20世紀70年代末和80年代初研制出來的.1977年Clerget等人用一束掃描激光照亮物體;1985年Limey等使用兩束垂直激光束隨同一臺電視攝像機一起測量用于畸齒矯正等;1985年Addleman研制出今日作為英國Cyberware公司上市的掃描激光束系統(tǒng),此系統(tǒng)就是應用激光掃描三維測量技術獲取三維影像的,盡管它能獲取除被姿勢隱藏的部位以外的人體各處的三維數(shù)據(jù)以及人體模型,但系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)遠遠超出了服裝行業(yè)的要求,另外還要從掃描的人體數(shù)據(jù)中提取服裝設計所需要的特征尺寸同,增加了數(shù)據(jù)利用的成本.

    1.3 莫爾條紋測量法

Meadows等人在1975年提出了莫爾輪廓法,后來又在此基礎上相繼提出了影像莫爾法、投影莫爾法、掃描莫爾法以及它們的改進方法.莫爾條紋測量法即投影莫爾法.是人體三維輪廓測量的一種方法,通過一塊基準光柵來檢測輪廓面的影柵或像柵,并根據(jù)莫爾圖案分布規(guī)律推算出輪廓形狀,應用光柵陰影和光柵形成的莫爾條紋等高線得出體表的凹凸、斷面形狀、體形展開圖等體型信息因計算機自動處理時難以自動確定條紋峰值、條紋級數(shù)和人體表面的凹凸性,故此方法雖適用于人體曲面測量,但測量精度不夠高,而近期學者提出的投影光柵相位測量技術改進了上述不足.

    1.4 TC2分層輪廓測量法
TC2分層輪廓測量法是TC2美國紡織及服裝技術中心用白光投射正弦曲線在物體上,在不規(guī)則的物體表面形成密柵影子變形,此時產(chǎn)生的圖樣可表述體表輪廓.用6部攝影機從不同的角度進行檢測,將影像合并成為完整的圖像,從而完成檢測工作.其代表產(chǎn)品是TC2公司的PMP系統(tǒng),通過對人體4.5萬數(shù)據(jù)點的掃描,能迅速獲取人體數(shù)據(jù),精確全面的反映人體體形情況.同Cyberware系統(tǒng)一樣,該測量技術也是測量數(shù)據(jù)過多,并且需要提取服裝設計所需的特征尺寸.

    1.5 投影條紋相位測量法

此方法是基于光學干涉的相位測量技術,根據(jù)光的振動形式可把相位法測量法分為橫波相位法和縱波相位法.橫波相位法是每個偏移光柵預設距離相變方向上的傳感器都獲得4幅圖像,每個傳感器都投射同等數(shù)量位移的正弦模式光,通過使用捕獲的4幅圖像,可決定每個像素點的相位,然后用相位計算三維數(shù)據(jù)點,從而得到全部數(shù)據(jù).縱波相位法是基于干涉原理的相位測量技術,先把光柵投影到人體表面,攝取人體前后投影光柵的相位變化,最終取得人體三維信息.近年來,由總后軍需裝備研究所和北京服裝學院共同研制的“人體尺寸測量系統(tǒng)”就是應用“雙視點投影光柵三維測量”原理,通過普通白色光源攝取人體前后投影光柵的相位變化來取得人體三維信息的.通過數(shù)據(jù)處理,可以獲取服裝設計所需要的尺寸,并可根據(jù)需要獲取人體圖像上任一點的三維坐標.由于國外三維人體掃描系統(tǒng)價格昂貴,所以研發(fā)此類運行可靠、成本低廉、具有自主知識產(chǎn)權的人體測量系統(tǒng).具有重要意義.

目前,Telmat和ImageTwin系統(tǒng)已與Gerber Technology公司的量體定制軟件成功結合,而Cyberware等掃描系統(tǒng)也相繼開發(fā)出允許從3維掃描數(shù)據(jù)自動析取尺寸的軟件.很明顯,非接觸式人體測量方法快速、準確、效率高,并且可以直接從圖像中提取有用的數(shù)據(jù)信息,運用到三維服裝CAD系統(tǒng)中,能實現(xiàn)人體測量和服裝設計的一體化.
2 三維人體模型的建立方法

三維人體模型的建立是三維服裝CAD的基礎,是進行三維服裝設計和虛擬服裝展示的平臺所以建立適合服裝的人體模型始終是計算機圖形學和三維服裝CAD領域的研究熱點.人體建模技術發(fā)展到現(xiàn)在,適合服裝人體的建模方法主要有以下幾種:多面體建模、基于特征的人體曲面建模、參數(shù)化建模和以網(wǎng)格邊界線為連續(xù)條件的三維人體建模.

    2.1 多面體建模

多面體建模是從構造多面體開始,對多面體的任意一個面、棱邊、頂點進行局部修改,從而構造一個與實體外形相似的多面體(即基本立體),然后通過類似于磨光的處理,自動產(chǎn)生自由曲面的控制頂點,并拼接成所需的形狀.它是一種根據(jù)設計者的構思來進行局部處理并生成人體模型及曲面的方法,可以靈活地進行人體形狀設計.多面體人體建模首先將產(chǎn)生一個由直線和平面所組成的基本立體,作為人體形狀的原型,再由基本立體產(chǎn)生曲線模型,最后在曲線模型的基礎上,用參數(shù)曲面進行擬合.目前CAD系統(tǒng)中的曲面多是以三角面片逼近的方法繪制的,以圖形交換文件(*.DXF)存儲,用OpenGL可方便地開發(fā)顯示曲面,并可以通過DXF格式文件實現(xiàn)不同CAD系統(tǒng)之間的圖形信息交換.

    2.2 基干特征的人體曲面建模

最初的三維人體模型采用的是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難.Gordon和Riesenfeld改進Bezier方法為B樣條曲線曲面方法,具體表現(xiàn)為特征化曲面建模和參數(shù)化曲面建模.目前,國內(nèi)張瑞云等采用曲面建模方法對服裝CAD中的人體曲面進行了研究,而吳劍潔等人則采用的是基于特征的人體曲面建模方法.基于特征的人體曲面建模是根據(jù)人體的特殊性.將人體模型劃分為頭、上中下部軀干、左右臂、左右手、左右腳等基本的結構特征,每一部分都有自己的數(shù)據(jù)結構和造型方法.為了表達出人體模型中指定的特征和人體模型的較細節(jié)幾何特點,把造型特征分為主要造型特征和輔助造型特征.對于上臂等曲面關系較簡單的人體部位和對于頭部曲面等造型復雜但在服裝CAD中曲面信息不是很重要的部位,可只通過主要造型特征控制生成曲面輪廓.對于臀部等在服裝設計中十分重要而又造型復雜的部分,就要在主要造型特征的基礎上增加其他輔助造型特征處理,其定義與使用的造型方法有關.該方法的優(yōu)點在于: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征,選擇最適合的曲面建模方法,而不必拘泥于某一種曲面表達方式.

    2.3 參數(shù)化人體建模

不管是多面體建模還是基于特征的人體曲面建模,采用這兩種方法建立的人體模型在定型后都難以修改.如果需要不同體型、不同尺寸的人體模型,就要重新建立,會浪費大量的人力和財力.參數(shù)化建模方法就是為了避免重復建模工作產(chǎn)生的.參數(shù)化方法作為機械CAD的關鍵技術,開始于20世紀60年代,目前在服裝CAD中主要采用基于特征的參數(shù)化設計思想建立人體模型,這是基于傳統(tǒng)的幾何建模方法上的一種更為抽象化的建模方法.它以抽象的特征參數(shù)表達復雜的人體外部幾何特征,所以采用基于特征的參數(shù)化方法建立人體模型關鍵是人體特征及其相關尺寸的變量化描述和約束關系的建立.這種方法完全用變量符號(或參數(shù))定義設計人體模型的定位尺寸和形狀尺寸,根據(jù)人體特征建立人體各部位之間的約束關系,通過人體參數(shù)控制尺寸能改變?nèi)梭w模型,即不用修改人體模型本身就能得到全新的人體模型.這樣不僅節(jié)約了70%-90%的重復設計時間,還使設計結果的變化更方便、快捷.參數(shù)化建模方法作為一種新的幾何建模發(fā)展方向,受到越來越多的重視.浙江大學人工智能研究所的秦可等人利用對三角網(wǎng)格表示的三維人體模型進行參數(shù)化信息提取等方式對服裝人體的參數(shù)化研究已經(jīng)取得了初步的研究成果,但該研究只是針對站立姿勢的人體模型,尚需進一步地將骨骼驅動機制與參數(shù)化結合起來.

    2.4 以網(wǎng)格邊界線為連續(xù)條件的三維人體建模

用表面造型法作為人體造型的主要框架,結合樣條曲線和三角面片的拼接能實現(xiàn)以網(wǎng)格邊界線為連續(xù)條件的三維人體重構.通過構造橫向和縱向的B樣條曲線,形成三維的空間樣條體系,由兩個軸向的B樣條曲線離散化出構造三維人體曲面造型的三角面片的基元的各個頂點.通過這些頂點利用具有法向量的三角面片就能重構出三維人體,并可在此基礎上進行人體的顯示和后續(xù)處理J匕京服裝學院的李輝已經(jīng)運用此方法實現(xiàn)了人體三維模型的顯示.

    3 虛擬服裝展示

虛擬服裝展示技術是三維服裝CAD中的關鍵技術.對于三維服裝的研究目的之一就是在計算機上把服裝真實再現(xiàn),以滿足電子商務中顧客虛擬試穿的要求.要想在計算機上真實地顯示服裝,必須建立服裝模型并對其進行有效的模擬.服裝織物是一種柔性體,其模型建立不同于目前發(fā)展的比較成熟的剛性體的模型建立,因為它們的物理機械性能完全不同.即使建立了模型,對普通計算機來說也很難滿足其大運算量的要求.目前,服裝模擬研究中的建模方法主要有幾何建模、物理建模和混合建模三個大類.

    3.1 幾何建模

幾何建模就是在己建立的人體模型上,按一定的規(guī)律在人體表面上進行經(jīng)緯線劃分,在任一緯度Y=yo上取一截面,得該截面人體表面各造型點的三維數(shù)據(jù)(x0,y0,z0).根據(jù)其服裝與人體間的空隙度的大小,可由幾何方法求得服裝表面各造型點的數(shù)據(jù)(x,yo,z)對根據(jù)計算所獲得的服裝上各造型點的三維數(shù)據(jù),利用曲面造型方法即可得到服裝模型,達到幾何建模的目的.目前常用B樣條曲面、Bezier曲面和Nurb。曲面來進行曲面造型.幾何建模方法不考慮服裝面料的物理特性,計算速度較快,模擬出的服裝具有其形態(tài)特點,但不能代表特定的服裝織物,仿真效果較差.

    3.2 物理建模

Weil首先提出了基于曲面變形的服裝物理模型,Haumann和Parent實現(xiàn)了旗子的飄動和窗簾的擺動效果模擬,物理建模對服裝進行三角、網(wǎng)格或粒子劃分,進行能量、受力分析,能較真實地模擬柔性物體的特性,不足之處是運算速度較慢但是隨著計算機硬件的發(fā)展和織物模型中算法的改進,物理建模前景廣闊.物理建模與織物的微細結構有關,而其模擬結果與真實織物的接近程度取決于所用的數(shù)學模型和計算方法.由于織物微結構的數(shù)學模型各不相同,物理模型可分為連續(xù)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(nèi)部微元之間的力,進行數(shù)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(tài).能量法通過方程組計算整片織物的能量,然后移動織物結構內(nèi)的微元使之達到最小能量狀態(tài),從而確定織物的最終變形形態(tài).目前,能量法多用于織物靜態(tài)懸垂的模擬,而力法用于動態(tài)懸垂的模擬.

    3.3 混合建模法
混合建模法吸取了上述幾何法和物理法的優(yōu)點.通常先用幾何方法獲得大致的輪廓,再用物理約束對局部結構進行細化,從而獲得逼真、快速的模擬結果.在實際應用中,這種建模是目前較好的選擇.Kunii等利用幾何與物理相結合的建模方式建立了服裝模型并實現(xiàn)了服裝褶皺的模擬.

目前三維虛擬服裝展示的經(jīng)典路線是:根據(jù)織物特性建立其物理模型,被賦予物理模型的衣片經(jīng)過虛擬縫紉的過程便構造出三維虛擬服裝,應用牛頓運動定律和能量方程模擬出布料的懸垂感、折皺感,通過碰撞檢測技術把服裝穿著在人體模型上,表現(xiàn)出其在三維空間內(nèi)各個體形面、各種服裝面料的不同穿著效果.所謂的碰撞檢測技術是指在物理模型中檢測運動物體是否相互碰撞的過程,即判斷是否存在一對或多對模型占有的空間發(fā)生重疊.基于物理模型的動畫系統(tǒng)必須能夠檢測出物體之間的這種相互作用,并做出適當響應,否則就會出現(xiàn)物體之間相互穿透和彼此重疊等不真實的現(xiàn)象網(wǎng)在三維虛擬服裝展示過程中衣片的物理模型建立、二維衣片的縫合以及碰撞檢測技術是虛擬服裝展示的關鍵點,也是當前國內(nèi)外服裝及計算機界學者普遍關注的熱點和難點.而目前中山大學計算機應用研究所的聶卉等對三維虛擬環(huán)境中衣片的縫制間題提出了基于正則柵格法思想的四邊域網(wǎng)格剖分算法,界定了對位縫合和褶皺縫合的新概念,通過相應的邊界調(diào)整方案已經(jīng)解決了復雜服裝的縫制問題.

4 三維服裝展成二維衣片

可以直接投人服裝生產(chǎn)的是二維衣片(裁片),所以最終還是要把三維服裝轉換成實用的二維衣片,它涉及到把復雜的空間曲面展開為平面的轉化技術.在三維服裝轉換到二維衣片的過程中,要滿足面積近似相等、邊界線相互對應、長度基本保持相等以及關鍵點的位置相互對應等條件.針對服裝制作中的這些問題,北京航空航天大學的翟紅英等提出了利用三維服裝和二維衣片的對應關系對關鍵點進行三角化,并利用散亂插值技術求出二三維衣片之間相互對應的中間點,進而完成映射的方法.而浙江理工大學的李旭等則提出了二次展開技術來實現(xiàn)衣片映射的方法.目前,工程上把三維曲面展開二維平面的方法主要有3種:利用有限元計算曲面展開、利用曲面的測地曲率方法展開曲面和利用復雜曲面展開方法來展開曲面.

    4.1 有限元計算曲面展開

日本學者Shimada等利用有限元計算的方法展開曲面是基于曲面離散的表達式、運用分區(qū)域曲面的展開思想進行曲面展開的.有限元方法不直接進行三維到二維的轉換,而是先想象一個粗估平面,該平面與三維曲面的頂點數(shù)目和三角形數(shù)目相同,只是各個對應的三角形的形狀和方位不同而已根據(jù)這些三角形的形狀差異,借助二維有限元法則可以推算出在粗估平面上的網(wǎng)點二維修正位移量,以及所對應的應變能量經(jīng)修正后的二維平面形狀更為精確,因此為了獲得較精確的結果,則此動作要反復連續(xù)的執(zhí)行若干次.此方法雖然可以獲得比較精確的結果,但是其展平計算要花費較多的時間.

    4.2 曲面測地曲率方法曲面展開

Cbakib Benic等人利用曲面自身的幾何特征——測地曲率展開曲面,即將曲面劃分為等參數(shù)網(wǎng)格,沿著一個方向根據(jù)曲線的測地曲率將這些曲線展開在平面上.此方法要計算出每一個網(wǎng)格節(jié)點的測地曲率,在展開計算中把幾何外形作為展開計算的唯一依據(jù),不考慮織物材料的特性,而對于較復雜的曲面,它的展開圖形是不封閉的,會產(chǎn)生較多的裂紋和較大的累積誤差,因此,服裝業(yè)內(nèi)并不傾向用此方法.

    4.3 復雜曲面展開

北京航空航天大學的席平、大連理工大學的肖正揚浙江大學的王冰冰等都在復雜曲面及其算法上取得了初步的成效.利用復雜曲面的展開方法是最適合于服裝的.這種方法是先將曲面分割為若干條狀區(qū)域,每個區(qū)域用一直紋面逼近,再將這些直紋面進行三角網(wǎng)格分割展開,對于可展曲面展成平面時要滿足下列條件:首先展開面的面積與曲面的面積相等,其次展開面的每邊邊長與對應的曲面邊長相等,即展開變化是等距的.對于不可展開的直紋面,只能用逼近法求得展開.

    5 結束語

三維服裝大多是利用局部小平面的拼接解決曲面可展化及其展開問題的由于三維服裝多為復雜曲面,材料也多為柔性面料,所以其平面展開更為復雜無論是方法選擇還是算法實現(xiàn),都存在相當?shù)睦щy,目前國內(nèi)外在這方面的技術都不成熟.要開發(fā)三維服裝CAD技術,需要解決的技術問題還很多:把從網(wǎng)絡中傳輸過來的不同類型的數(shù)據(jù)(不同的三維人體掃描儀輸出的數(shù)據(jù)格式不盡相同)轉換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式快速生成人體模型,更準確地建立織物物理模型、變形模型、減少織物變形模擬中的計算時間和實時性限制、降低面料對縫邊的影響,通過碰撞檢測技術虛擬展示服裝,實現(xiàn)三維服裝和二維衣片之間精確轉換(包括在二維衣片上表現(xiàn)出在三維服裝上做的變形和修改),得到真正實用于生產(chǎn)制作的二維衣片等環(huán)節(jié)都是需要攻克的尖端技術.

近幾年來,國內(nèi)在三維服裝CAD領域取得了一定的成果,但與國外相比還存在較大距離.國外的一些產(chǎn)品已能基本實現(xiàn)三維服裝穿著搭配、模擬不同布料的三維懸垂效果、實現(xiàn)360度旋轉及因特網(wǎng)平臺遠程察看等功能.而國內(nèi)由于技術的不成熟,目前還沒有實用的服裝CAD系統(tǒng)出臺,僅有部分軟件進人了商品化階段,如布易科技的ET3D系統(tǒng)(ET3D系統(tǒng)能與它的ET SYSTEM系統(tǒng)無縫連接,具有強大的三維仿真功能,能實時再現(xiàn)服裝的三維效果等).所以攻克各種關鍵技術和尖端技術,開發(fā)和完善我國的三維服裝CAD技術,將是服裝工程及計算機輔助設計等領域不懈努力的方向.