顧佳雯,周曉琪,王 軍,2,*

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院,遼寧 大連116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計(jì)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,遼寧 大連116034)

近幾年三維人體建模的應(yīng)用領(lǐng)域愈發(fā)廣泛,例如虛擬試衣、服裝個性化設(shè)計(jì)、服裝樣板自動生成、服裝教學(xué)、影視游戲制作、醫(yī)療醫(yī)學(xué)等方面。隨著數(shù)字化服裝的發(fā)展,建立三維人體模型也有了更多的方法,選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ吆头绞娇梢愿咝У玫骄哂嗅槍π缘娜梭w模型,一個項(xiàng)目也可綜合使用多種建模方式來實(shí)現(xiàn)。但三維人體模型的建立仍存在著困難點(diǎn),例如,人體表面形態(tài)復(fù)雜,并且很難滿足體表無遮擋條件;人體體表形態(tài)的呈現(xiàn)會隨著站姿、呼吸深度和肌肉緊張程度等不斷變化;運(yùn)用在服裝方面的人體模型對身體姿態(tài)會有不同的要求等。

介紹了3種人體建模的方式,分別是基于建模軟件、三維掃描設(shè)備和二維圖像,從三者的技術(shù)特點(diǎn)、拓展應(yīng)用和適用領(lǐng)域等方面進(jìn)行梳理,以期為三維人體建模技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的幫助。

1 基于軟件的三維人體建模

軟件制作的三維人體模型多運(yùn)用于游戲動畫等對模型精度要求不是特別高的領(lǐng)域,目前市場上使用較多的建模軟件有3DMax、Maya、ZBrush等。利用建模軟件建立人體模型要求操作人員熟悉人體結(jié)構(gòu),特別關(guān)注人體身形比例和整體布線。普通人體的比例是七個頭到七點(diǎn)五個頭之間;人體的整體布線要均勻,疏密均勻,主要根據(jù)肌肉的走向,同時要控制模型面數(shù),為后續(xù)切面調(diào)整做好充分的準(zhǔn)備[1]。以Maya軟件為例建立三維人體背部、手臂和腿部的肌腱,如圖1所示。

圖1 Maya軟件三維人體部分肌腱建模示例

建模軟件常用的建模方法是多邊形建模和面片建模,不同的建模方式適用于不同的模型,以此提高工作效率和靈活性。在制作模型過程中要注意從各個方位觀察整體模型是否符合人體架構(gòu)框架。

1.1 基于軟件人體建模的研究與應(yīng)用

勞秀霞[2]針對被建模物體的結(jié)構(gòu)特征將建模方法分為兩種:堆砌建模法和細(xì)分建模法。外形比較規(guī)則的物體,例如螺絲等零件,選擇堆砌建模法;外形不規(guī)則的物體,例如鞋子等物體,選擇細(xì)分建模法。建模時可根據(jù)建模對象結(jié)合使用堆砌建模法和細(xì)分建模法。以人體模型為例,先對整體使用堆砌建模法提升建模效率,然后對局部使用細(xì)分建模法增加模型精細(xì)度。

楊春子[3]為分析建模技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,利用建模軟件Maya建立了一個標(biāo)準(zhǔn)男性頭骨模型。建立頭骨模型需要了解并掌握頭骨的構(gòu)造,也可通過男性頭骨正、側(cè)兩張圖片輔助建模。在視野中建立的正方體上進(jìn)行線段分割,調(diào)整大致輪廓,完善細(xì)節(jié)。以上步驟能制作出大致的頭骨模型,利用Shade等渲染工具能讓模型顯示更為逼真,部分操作過程及渲染后效果如圖2所示。

圖2 Maya構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)男性頭骨模型部分過程圖及渲染后效果圖

呂珍[4]對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),通過讀取3DS文件并結(jié)合OpenGL構(gòu)建三維人體模型及服裝試穿。首先利用3DMax獲得三維人體及服裝模型,通過Delphi編程語言從3DS文件中提取有效的人體曲面信息,然后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人體和服裝的擬合,最終得到需要的人體和服裝模型。通過OpenGL的模型視圖變換函數(shù)可使人體模型隨意旋轉(zhuǎn),并且利用紋理映射技術(shù)模擬不同服裝材質(zhì),方便服裝設(shè)計(jì)者多角度觀察不同面料的著裝效果。

1.2 基于軟件人體建模的技術(shù)特點(diǎn)

軟件建模的設(shè)計(jì)過程直觀明了,在軟件中可對模型進(jìn)行編輯,提升了模型的復(fù)用率?；诮＼浖⑷梭w模型在很大程度上依賴于操作人員的技術(shù),操作人員必須熟悉人體的各種形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

單純使用建模軟件很難做到完美還原人體真實(shí)數(shù)據(jù),所以在服裝行業(yè)使用的人體模型很少直接由建模軟件建立;在軟件中修改人體數(shù)據(jù)較為方便,因此建模軟件常與其他技術(shù)結(jié)合使用來制作出更好的模型效果。

2 基于三維掃描設(shè)備的人體建模

基于三維掃描儀的人體建模是通過掃描設(shè)備對人體進(jìn)行掃描,獲取人體表面的數(shù)據(jù)信息,再通過對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理重建三維人體模型。三維掃描技術(shù)在過去的幾十年里得到了顯著的改進(jìn),目前市場上已有不少3D掃描儀,例如FastScan掃描人體頭部的效果,如圖3所示[5]。

圖3 FastScan掃描人體頭部效果

根據(jù)不同的掃描儀工作原理,三維掃描儀獲取人體點(diǎn)云信息的方法多種多樣,例如紅外線測量法、激光掃描法、白光相位法、莫爾條紋法等,其中結(jié)合激光掃描法和白光相位法來獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法最為廣泛,該方法具有速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)和準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)[6]。

基于三維掃描技術(shù)與基于建模軟件技術(shù)建立的模型存在顯著差異,前者掃描得到的模型表面是三角面片,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不整齊,后者是便于編輯的四邊形面片。三維掃描重建人體模型通常需要與建模軟件相配合,目前逆向建模常用的軟件有Geomagic Design X,Creo,UG以及國產(chǎn)軟件中望3D等[7]。

2.1 基于三維掃描人體建模的研究與應(yīng)用

劉烈金[8]使用自主研發(fā)的XTBodyScan三維人體掃描系統(tǒng)獲得三維彩色人體模型。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是采用了散斑投射的主動測量,這樣的投射能夠使投射的散斑圖案保持較高的清晰度和均勻的亮度,便于后續(xù)特征點(diǎn)的搜索,提高匹配率。該系統(tǒng)掃描在1 s內(nèi)完成,有效減少人體晃動產(chǎn)生的誤差,大大提升精度,但仍然存在一些不足,例如光線測量不到的部位會造成數(shù)據(jù)缺失從而形成孔洞。

SU[9]對三維掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行改變組裝,用于生成個性化的圖案原型。使用SYMCAD全身掃描儀得到青年女性身體數(shù)據(jù),研究了頸部、胸部、肩胛骨、腰部等身體特征。建立身體特征和相應(yīng)元素之間的關(guān)系后將數(shù)據(jù)根據(jù)分級改變,最后將每個個性化的元素組合成一個整體,呈現(xiàn)出一個個性化的原型。

固定式掃描儀成本高,難以達(dá)到普及性,Kinect深度相機(jī)的出現(xiàn)降低了人體建模的成本,實(shí)際應(yīng)用效果較好[10]。Kinect由多陣列麥克風(fēng)、紅外攝像頭、RGB攝像頭和紅外發(fā)射器組成,不受光照和溫度等外界條件的影響。

王歡等[11]針對三維重建中的點(diǎn)云配準(zhǔn)問題,提出一種基于點(diǎn)云特征的自動配準(zhǔn)算法。首先將Kinect傳感器采集的圖像轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)云,對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。然后通過算法進(jìn)行特征提取和查找對應(yīng)點(diǎn)集,估計(jì)對應(yīng)點(diǎn)對間的初始轉(zhuǎn)換矩陣,在初始配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用算法做精細(xì)配準(zhǔn)。該方法降低了計(jì)算復(fù)雜度,具有較高的可操作性和魯棒性,具體算法流程如圖4所示。

圖4 基于點(diǎn)云特征的自動配準(zhǔn)算法流程圖

袁仁奇[12]為提升人體建模精確度以便后續(xù)使用,將Kinect體感設(shè)備與軟硬件連接、集成,搭建面向真人的三維人體模型重建系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖5所示。系統(tǒng)采用非線性模板擬合法重建出三維人體網(wǎng)格模型,將重建的模型以通用標(biāo)準(zhǔn)三維人體模型為模板進(jìn)行姿態(tài)、體態(tài)擬合,最終得到與實(shí)際數(shù)據(jù)十分接近的人體模型。

圖5 Kinect人體掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

2.2 基于三維掃描人體建模的技術(shù)特點(diǎn)

基于三維掃描的人體建模技術(shù)具有精度高、速度快、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn),得到的模型更加具有真實(shí)性,可適用于3D打印、影視游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域,尤其在服裝行業(yè)中的服裝設(shè)計(jì)、私人定制和虛擬試衣等方面發(fā)揮重要的作用。

影響三維掃描結(jié)果的因素很多,例如人體站姿與晃動、設(shè)備完成掃描的時間、軟件對特征點(diǎn)的識別等,因此使用三維掃描技術(shù)建立人體模型在很長一段時間內(nèi)仍然離不開人工建模[13]。三維掃描技術(shù)與建模軟件相輔相成,三維掃描技術(shù)給建模軟件提供相對精確的符合人體真實(shí)數(shù)據(jù)的模型,利用建模軟件對三維掃描的不完整模型進(jìn)行修補(bǔ)。

3 基于二維圖像的人體建模

基于二維圖像建立三維人體模型包括基于單幅圖像、立體視覺、運(yùn)動相機(jī)以及深度圖像等方法。在二維圖像信息采集中,攝像頭設(shè)備采集到的二維人體圖像往往包含豐富的細(xì)節(jié),例如衣服褶皺等紋理信息。比較三維圖形和二維圖像建模的技術(shù),三維圖形建模方法的效率較低,使用二維圖像建模方法可以通過對圖像像素去噪濾波等操作提升效率[14]。

3.1 基于二維圖像建模的研究與應(yīng)用

董鵬輝[15]利用數(shù)據(jù)驅(qū)動和機(jī)器學(xué)習(xí),將人體圖像信息通過數(shù)碼設(shè)備錄入系統(tǒng),再通過濾波、去噪等技術(shù)處理得到人體信息,生成較為真實(shí)的三維人體模型,探討了圖像建模的整體流程,如圖6所示。

圖6 基于圖像的三維重建流程圖

張廣翩[16]提出一種新型的方法,與傳統(tǒng)通過三維點(diǎn)云重建三維網(wǎng)格模型方法不同,只需輸入單張二維點(diǎn)云圖,通過設(shè)計(jì)好的一系列網(wǎng)絡(luò)得到最終的三維人體模型。這種基于二維點(diǎn)云圖像建立三維人體模型的方法,考慮到人體表面形狀復(fù)雜度的同時處理破損的二維點(diǎn)云,該方法對人體姿勢的要求十分嚴(yán)格,而且單張圖片獲取到的輪廓信息有限,重建出來的三維人體模型側(cè)面信息會有一定誤差。

齊曉屾[17]為展現(xiàn)出照片中人物的體態(tài)特征,結(jié)合線性混合蒙皮和骨骼動畫算法,在人物體態(tài)特征基礎(chǔ)上,建立與運(yùn)動數(shù)據(jù)相結(jié)合的可驅(qū)動三維人體模型,該系統(tǒng)主要用于人體三維模型的重建。在需求分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于人體健康指數(shù)還原人物體態(tài)特征的算法,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、通用模型構(gòu)建、模型調(diào)整等功能。

3.2 基于二維圖像建模的技術(shù)特點(diǎn)

基于二維圖像建立三維人體模型,通過對圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波、灰度檢測、輪廓檢測等操作得到人體特征信息,生成個性化人體模型,因此具有建模效率較高、成本低、運(yùn)用場景多、二維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)算較少等優(yōu)點(diǎn)。該方法還存在著不少挑戰(zhàn),例如由于人體復(fù)雜表面獲得的三維點(diǎn)云雜亂、相機(jī)自標(biāo)定的問題等,會導(dǎo)致重建的模型精度不高,魯棒性差。

4 結(jié)語

近年來三維人體模型的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,建立三維人體模型逐漸成為研究熱點(diǎn)。介紹了基于建模軟件、三維掃描設(shè)備和圖像3種建模方法,分別舉出了3種技術(shù)的研究應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)及適用領(lǐng)域,綜述了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢。

現(xiàn)階段建立三維人體模型仍存在一些問題,例如容易受到人體著裝和特殊身形的影響、模型與真實(shí)人體數(shù)據(jù)的差距、點(diǎn)云數(shù)據(jù)容易缺失等。隨著技術(shù)的提升,可通過擴(kuò)大人體模型庫、完善函數(shù)與算法、開發(fā)測量設(shè)備等方式解決相關(guān)問題,三維人體建模技術(shù)的成熟將會給服裝、影視等行業(yè)帶來更為廣闊的發(fā)展前景。