周露露，汪 娜

（長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春 130114）

0 引 言

三維視覺技術(shù)也稱立體視覺技術(shù)，是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的一個(gè)重要的研究方向。該技術(shù)以計(jì)算機(jī)作為場景構(gòu)建的工具，采用多視角動(dòng)態(tài)場景為待設(shè)計(jì)的物體提供一個(gè)呈現(xiàn)環(huán)境[1]。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段，模擬產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、開發(fā)再到生產(chǎn)的全過程。在虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的支持下，使用者能夠使用不同的交互手段，在三維視覺技術(shù)營造的背景下修改待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，保證虛擬設(shè)計(jì)得到的虛擬原型能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2-3]。在虛擬空間內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)作為操作媒介，可構(gòu)思服裝設(shè)計(jì)師想要獲得的服飾效果。在虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的支持下設(shè)計(jì)獲得的服飾品，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師帶來沉浸感，并可通過各個(gè)元素的排列表達(dá)設(shè)計(jì)師的訴求。在服飾品虛擬設(shè)計(jì)方法的研究上，國外結(jié)合了一些專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，將服飾品中突出的設(shè)計(jì)元素轉(zhuǎn)換為三維模擬特征，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助下，已經(jīng)和工廠端形成了一個(gè)完整的生產(chǎn)線[4]。國內(nèi)在服飾品虛擬設(shè)計(jì)上還處于起步階段，仍需不斷地研究。

基于此，本文提出一種基于三維視覺的服飾品虛擬設(shè)計(jì)方法。

1 基于三維視覺的服飾品虛擬設(shè)計(jì)方法研究

1.1 獲取服飾品三維視覺數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)在獲取服飾品三維視覺數(shù)據(jù)時(shí)，采用貼圖烘焙技術(shù)獲取服飾品的像素點(diǎn)，并將像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為相鄰幾何體的遮擋關(guān)系[5-6]。在光線跟蹤法的參與下，服飾品的可視點(diǎn)發(fā)出若干條光線。服飾品的光線跟蹤過程如圖1 所示。

圖1 光線跟蹤過程

在圖1 所示的光線跟蹤過程下，假設(shè)服飾品p點(diǎn)處光線呈均勻分布，n表示服飾品的外部法向量，那么此時(shí)p點(diǎn)處的三維數(shù)據(jù)就可表示為：

式中：V表示服飾品的三維可見函數(shù)；ω表示服飾點(diǎn)p發(fā)出的方向向量。離散化處理上述數(shù)值，得到服飾點(diǎn)的顏色數(shù)據(jù)[7-8]，離散化處理可表示為：

式中，Ω表示服飾點(diǎn)所在的顏色空間，其余參數(shù)含義不變。在不同光照度的照射下，服飾品固定的顏色會(huì)表現(xiàn)出不同的著色效果[9-10]。根據(jù)蘭伯特光照模型，構(gòu)建服飾品p點(diǎn)的光照效應(yīng)Ip，可表示為：

式中：IL表示服飾點(diǎn)的入射光強(qiáng)度；Il表示漫反射光強(qiáng)度參數(shù)；θ表示光線與法線的夾角。在上述處理過程得到的服飾品光照數(shù)據(jù)下，獲取不同身材人體的特征數(shù)據(jù)[11-12]，以人體的平均身材測量數(shù)據(jù)均值x以及標(biāo)準(zhǔn)差Sk作為處理對(duì)象，計(jì)算得到人體的測量尺寸，計(jì)算過程可表示為：

式中μ表示測量系數(shù)。將上述計(jì)算得到的測量尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)測量，構(gòu)建一個(gè)比例縮放法滿足不同身材對(duì)服飾品的需求，比例縮放法就可表示為：

式中：dx表示身體尺寸；dy表示比例縮放值；E表示縮放比例集合。根據(jù)上述比例縮放得到的尺寸，構(gòu)建一個(gè)不同變量的尺寸換算過程，計(jì)算公式可表示為：

式中：r表示身體伸縮量的相關(guān)系數(shù)；SX表示變量X的標(biāo)準(zhǔn)差；SY表示變量Y的標(biāo)準(zhǔn)差。以上述獲得的三維視覺數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建服飾品虛擬模型。

1.2 構(gòu)建服飾品虛擬模型

采用多角度的FFD 算法，將上述獲得的三維視覺服飾數(shù)據(jù)處理為一個(gè)三維自由變形控制框架，框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三維自由變形控制框架

在圖2 的控制框架內(nèi)，以框架頂點(diǎn)Pi,Pj,Pk作為服飾品虛擬模型的控制點(diǎn)，頂點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系可表示為：

式中，S，T，U均表示服飾品模型的變形量。以上述控制點(diǎn)構(gòu)建服飾點(diǎn)虛擬模型，然而設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中，難免會(huì)出現(xiàn)后期修改的情況[13]。假設(shè)后期修改過程是一個(gè)固定的參數(shù)坐標(biāo)，此時(shí)在服飾品的三維變形下，更新后的虛擬服飾品模型就可表示為：

式中，S′，T′，U′表示三維變形后的虛擬模型位置。為了控制服飾品虛擬模型的修改時(shí)間，設(shè)定一個(gè)備選模型后，構(gòu)建一個(gè)變形操作流程，如圖3 所示。

在圖3 所示的變形操作流程控制下，設(shè)定服飾品的紋理展示過程，最終實(shí)現(xiàn)虛擬方法的設(shè)計(jì)。

1.3 完成虛擬設(shè)計(jì)

使用上述構(gòu)建的服飾品虛擬模型，以控制點(diǎn)出現(xiàn)重合的點(diǎn)作為服飾品的紋理特征，將該重復(fù)點(diǎn)作為隱節(jié)點(diǎn)，輸出過程就可表示為：

式中：wij表示隱節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；α表示隱節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；其余參數(shù)含義不變。將上述輸出的隱節(jié)點(diǎn)集合yi整合為一個(gè)功能塊數(shù)據(jù)庫，不同的字段對(duì)應(yīng)不同的紋理特征，則服飾品在不同透明度的控制下，能夠呈現(xiàn)出不同的視覺效果[14]。以相同字段的紋理特征作為處理對(duì)象，計(jì)算該紋理特征的粒子透明度，計(jì)算公式可表示為：

式中：K表示粒子的透明度；ε表示淡入?yún)?shù)；t表示時(shí)間變化值。在時(shí)間參數(shù)的變化下，紋理特征的透明度變化如圖4 所示。

在圖4 所示的透明度變化下，結(jié)合不同服飾品的設(shè)計(jì)需求，選定不同的透明度數(shù)值。在透明度數(shù)值的控制下，構(gòu)建服飾品實(shí)際虛擬設(shè)計(jì)時(shí)紋理特征的繪制速度，可表示為：

圖4 紋理特征的透明度變化

式中A(fi)表示粒子的加速度。將計(jì)算得到的繪制速度作為虛擬幀移動(dòng)速度，虛擬幀此時(shí)在三維空間中的位置就可表示為：

上述計(jì)算公式中各項(xiàng)參數(shù)含義保持不變。不斷整合虛擬幀在三維空間中的位置[15]，最終形成一個(gè)虛擬裝飾品。綜合上述處理過程，最終完成三維視覺的服飾品虛擬設(shè)計(jì)方法的研究。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選定一個(gè)中等配置的計(jì)算機(jī)，搭建虛擬設(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，計(jì)算機(jī)的配置參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算機(jī)的配置參數(shù)

在表1 各項(xiàng)參數(shù)控制下，采用可視化編程語言工具VB.NET 開發(fā)服飾品的虛擬環(huán)境，構(gòu)建的開發(fā)環(huán)境如圖5 所示。

在圖5 所示的開發(fā)環(huán)境下，以相同的設(shè)計(jì)服飾作為虛擬設(shè)計(jì)的對(duì)象，以二維呈現(xiàn)出的基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)線為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)及其基準(zhǔn)線如圖6 所示。

圖5 虛擬設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境

圖6 設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)及基準(zhǔn)線

在圖6 所示的基準(zhǔn)點(diǎn)及基準(zhǔn)線上設(shè)置一定服飾數(shù)值后，分別采用傳統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[11]方法以及本文方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種虛擬設(shè)計(jì)方法的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，分別使用三種虛擬方法標(biāo)定服飾基準(zhǔn)線及基準(zhǔn)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，在虛擬線及虛擬點(diǎn)上設(shè)置5 個(gè)信息數(shù)值后，以該信息數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)顯示得到的信息數(shù)值作為信息量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)三種虛擬設(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。

由表2 可知，三種虛擬設(shè)計(jì)方法針對(duì)相同的服飾呈現(xiàn)出不同的信息量結(jié)果。標(biāo)定相同數(shù)量的信息數(shù)據(jù)后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)值可知，傳統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)方法能夠得到1～2 個(gè)服飾信息，文獻(xiàn)[11]方法能夠得到3～4 個(gè)服飾信息，而本文方法能夠得到全部的服飾信息。

表2 服飾包含的信息量個(gè)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，以設(shè)定的基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，修改基準(zhǔn)線上的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)三種虛擬設(shè)計(jì)方法下所需的修改時(shí)間，結(jié)果如表3 所示。

表3 基準(zhǔn)線的修改時(shí)間s

由表3 所示的修改時(shí)間結(jié)果可知：以設(shè)定服飾的基準(zhǔn)線作為修改對(duì)象，在三種虛擬設(shè)計(jì)方法中，傳統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)方法所需的修改時(shí)間最長，平均修改時(shí)間在2.8 s左右；文獻(xiàn)[11]方法產(chǎn)生的修改時(shí)間較短，平均修改時(shí)間在1.5 s 左右；而本文方法產(chǎn)生的平均修改時(shí)間在0.7 s左右。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，以肩點(diǎn)、側(cè)頸點(diǎn)、頸椎點(diǎn)、乳凸點(diǎn)、腹凸點(diǎn)以及臀后凸點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，以實(shí)際服飾模特的尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)量，統(tǒng)計(jì)三種虛擬設(shè)計(jì)方法下，各個(gè)檢測點(diǎn)產(chǎn)生的尺寸誤差，誤差結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知：三種虛擬設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出了不同的誤差結(jié)果，傳統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)方法得到的服飾虛擬設(shè)計(jì)結(jié)果要大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸0.15 mm 左右；文獻(xiàn)[11]方法產(chǎn)生的誤差小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸0.1 mm 左右；而本文方法產(chǎn)生的誤差數(shù)值在合理的控制范圍內(nèi)，符合服飾設(shè)計(jì)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法能夠包含的信息量最多，實(shí)際的誤差尺寸最小，修改設(shè)定服飾基準(zhǔn)線所需的時(shí)間最短。

圖7 三種虛擬設(shè)計(jì)方法尺寸誤差結(jié)果

3 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展為服飾品虛擬設(shè)計(jì)帶來了全新的創(chuàng)作方式。文中以三維視覺為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種服飾品虛擬設(shè)計(jì)方法，能夠改善現(xiàn)有虛擬設(shè)計(jì)方法修改信息時(shí)間過長、尺寸誤差較大的不足，為今后虛擬設(shè)計(jì)服飾品提供研究方向。