三维服装模拟技术的研究进展.pdf

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1、第2 5 卷第4 期 2 0 0 4 年8 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 5 N o 4 A u g ，2 0 0 1 4 三维服装模拟技术的研究进展 马晓宇冯毅力 ( 东华大学纺织学院，上海，2 0 0 0 5 1 ) 摘要：简要介绍了模拟系统的基本架构与流程，论述了三维服装模拟技术的实现方法，并概述了三维服装模拟中存在的问题与 未来的发展趋势。 关键词：三维服装模拟服装c A D 技术三维人体测量服装造型 中图分类号：T s9 4 1 2 6 文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2

2、 0 0 4J 0 4 0 1 2 2 0 3 在过去几年中，服装的计算机三维模拟与可视 化研究已经成为服装C A D 技术的一个重要的研究 课题。早期的服装c A D 系统只是利用计算机作为 媒介进行服装的放码、排料、款式设计、纸样设计等。 随着计算机技术的飞速发展以及I n t e m e t 网络的逐 渐普及，服装c A D 系统也发展到以图形图像数据为 中心，综合应用计算机网络、计算机视觉、计算机图 形学、计算几何、专家系统等多种学科和技术，具有 多种功能的计算机应用系统，所以，计算机辅助三维 服装设计与模拟技术在国内外越来越受到重视。现 就三维服装模拟技术的研究情况进行论述。 1 三

3、维服装模拟的研究内容 三维服装模拟是利用计算技术达到服装穿着虚 拟实现的技术。三维服装模拟主要包含以下几个阶 段：根据人体测量数据建立三维人体模型；从二维衣 片生成三维服装，即完成由二维到三维的转换；在初 始的三维服装基础上进行纹理映射，并产生褶皱、悬 垂等细节，获得真实的穿着效果。其过程如图l 所示。 模拟结果 图1 人体测量建模程序图 2 三维服装模拟的理论研究与进展 2 1 人体测量与建模 在计算机辅助三维服装模拟系统中，首先要建 立服装人体模型，而人体测量是进行人体建模的第 一步。传统的测体方法是以软尺、测距计、滑动计等 为测量工具，测出人体有关部位的长度、宽度、围度 等二维数据，从而

4、以这些数据作为参数进行造型设 计。这种方法简便、直观，因而在服装业中长期使 用。但是，这种方法不可避免地存在测量精度低以 及信息缺失现象，测得的二维数据无法反映人体的 E | _ _ _ _ l | 7 I | “1 t _ _ _ I l | | _ | I | 发展初期都有过类似的举措。 3 结束语 随着国际间的贸易壁垒的加剧，周边发展中国 家纺织服装业异军突起，国际纺织服装市场对产品 个性化的追求、经济全球化下区域贸易联盟的形成 以及国际政治局势的变化，生产管理粗放、创新能力 薄弱的我国纺织服装业正面临严峻挑战，产业的比 较优势在国际市场上的发挥空间日益萎缩，出口增 长渐显疲态。而同时自

5、有品牌还很弱小，对国内市 场的控制能力也很薄弱，难以与国际大品牌抗衡。 面对这些新的挑战，我国纺织服装企业急需作战略 部署，推进区域一体化以提升在国际经济中地位；加 快技术改造，借助信息技术，创建制造优势，提高企 业对市场的控制能力和创新能力；关注整个产业链 的发展，提高纺织服装业整体的实力；注重标准与检 测体系，主动与国际标准接轨，尽可能减少贸易壁 垒；充分发挥行业协会的作用，减少国内、区域内的 恶性竞争，减少规模不经济的企业；借助政府的帮 助，发展自有品牌等，以便我国纺织服装业在新的环 境下重建竞争优势。 参考 文献 1 纺织服装业的比较优势日渐萎缩引起关注w w w c a c s g

6、o v c n 2 0 0 2 1 2 2 s t 8 p h e nP R 0 b b i n sM a n a g e m e n 北京：中国人民大学出版社，j 9 9 9 ： 8 4 1 l O 3乌家培经济全球化与新经济w w c h i n a b b c c o m 2 0 0 0 0 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 4 年第4 期纺织学报 【1 2 3 】 三维形体特征，不能为三维服装设计与模拟提供人 体模型，而三维人

7、体测量技术则能够克服上述缺点。 三维人体测量技术分为二类：基于激光的扫描 技术和基于波纹的投影技术。前者是利用激光扫描 三角形剖分方法来获得三维图像，后者的技术原理 是用白光源将正弦条纹投影到物体的表面上，利用 目标物体使投影光线发生的相变来描述物体的表面 轮廓。 在三维人体测量的基础上，利用所测得的人体 数据进行三维人体建模。因为服装设计与模拟存在 着特殊性的要求，三维服装模拟对人体模型的建立 提出了更加具体的要求，因此，服装人体建模是一个 复杂形体的几何造型、参数化设计和运动仿真的综 合问题。人体建模方法主要分为线框建模、实体建 模、曲面建模、基于物理的建模技术等几种常用的 方法。 2 2

8、 服装的造型 要实现三维服装的模拟，关键问题是建立服装 模型。目前，服装的造型方法有多种，一般可以区分 为以下几种：几何技术、物理技术以及混合技术。 2 2 1 几何技术几何方法集中于织物的外观的 实现，特别是织物的折叠与褶裥方面，并用几何方法 加以表征，而不考虑织物的物理性能。几何方法要 求用户进行相当大程度的参与，可以被看作一种高 级的绘图工具。 H i n d s 等人的研究侧重于服装的制造方面。 通过对人体的上肢进行数字测量而获得了人体的形 状，用大量的曲面片( 衣片) 来表征服装，3 D 交互编 辑器允许服装设计师把衣片定位在人体上。衣片由 它的边缘点加以定义，这些边缘点与人体之间被

9、指 定了偏移量，然后，衣片的所有其余的点由插值方法 产生，并且，通过选择合适的插值方法，可以使衣片 之间保持零阶连续。设计师可以把服装的布面纹理 与褶皱添加上去，从而使服装显现得更加真实。当 把一个调和函数叠加到服装衣片上时，就会产生褶 裥效果。H i n d s 等人提出的这种造型方法是一种典 型的基于几何的造型方法，它没有考虑织物的物理 性质，仅集中于外观的表现，不能准确地表现性能不 同织物的不同悬垂效果。 2 2 2 物理技术物理造型方法可以分为以下2 大类：能量法与力学法。基于能量的造型方法( 简称 能量法) 从一系列方程计算出整个织物的能量，并通 过移动网格顶点使其达到最小能量状态的

10、方法来确 定织物的形状。基于作用力的造型方法( 简称力学 法) 把顶点之间所受的作用力用微分方程加以描述， 并进行一系列的积分，从而获得顶点的位置。 T e r z o D o u l o s 等人心1 引入了一个通用的弹性物体 的形变模型，人体上任一点的位置在三维坐标系中 可以用一个二阶微分方程加以表示。通过把这些微 分方程对时间进行积分，就可以得到物体上各点的 空间几何位置，从而就可以对织物进行动态模拟。 这种模拟方法所倡导的动力学思想为后来出现的众 多模拟技术广泛采用。 O k a b e 等人bo 设计的织物可视化系统把织物的 机械性能用公式表示为一个能量方程，并用能量最 小化技术确定

11、织物在平衡状态下的形状。然后，利 用另外的映射过程对具有悬垂效果的3 D 结构进行 处理，从而产生了更加精确的2 D 纸样。在对悬垂 效果进行机械分析时，该系统用三角形网格来表征 织物。通过寻找织物的能量最小值，就可以确定织 物的平衡形态。 B r e e n 等人H o 利用粒子模型来模拟织物的悬垂 特性。利用粒子模型可以在微观级别上描述织物的 编结情况。根据这种方法，研究对象被表征为一套 粒子以及作用在粒子上的内力。内力模拟材料的机 械性能。该法把经纱与纬纱的交叉点看作粒子。该 模拟过程分为两步：首先，粒子允许自由下落，任何 与物体或者地面的碰撞均在这一步中被确定下来， 然后，利用能量最小

12、化方法进行处理，当整个织物达 到最小能量时，织物就会达到最终的平衡状态，从而 得到布面形态的细节。 P r o v o t bo 利用质点一弹簧模型来模拟织物的形 态。在质点一弹簧模型中，织物被表达为由三角形 网格组成的质点一弹簧系统，网格的顶点是质点，网 格的边是弹簧，每一质点与周围的质点以弹簧相连。 该模型把弹簧分为3 类：结构弹簧、剪切弹簧、弯曲 弹簧，并且利用牛顿的动力学定律建立质点的动力 学方程，进而求得质点在每一时段下的位置。利用 质点一弹簧模型统一建立2 D 一 3 D 映射与服装真 实感模拟方程哺 ，克服了原有模型对服装织物的材 料性能表达单一的缺点，考虑了拉伸、剪切、弯曲等

13、力学性能以及省褶等结构因素对服装外观的影响， 实现了较复杂的服装外型，提高了模拟效率与模拟 效果。 K a n g 等人n 1 利用有限元方法开发了一套三维 服装悬垂形状预言快速反应系统。首先依据直接测 量出的人体的截面数值作为基准，并参照标准人体 模型来构建出将要使用的可变大小的人体模型；然 后，利用网格生成程序把二维平面衣片划分成小四 边形元素，并利用可视缝制方法把二维衣片拼接成 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【1 2 4 】 纺织学报 2

14、0 0 4 年第4 期 三维服装，同时，所采用的服装一人体接触校核算 法、应变减少方法与伪造型技术有效地解决了服装 与人体的接触状况、变形与构成服装的衣片的重量 对服装悬垂形状模拟的影响，并在织物表面添加了 纹理。该系统针对服装开发的快速反应的需要，计 算时间与成本大大减少，满足了服装c A D 系统的一 般的开发需要，为服装工业的大规模生产提供了一 种切实可行的实现方法。 在上述的这些模拟方法中，多数尚不能很好地 解决人体与服装间的碰撞问题，这是不足的一面。 服装模拟中涉及的碰撞类型有2 种：一是作为柔性 物体的服装与作为刚性物体的人体之间的碰撞；二 是织物对自身的穿越( 织物的自碰撞) 。

15、碰撞处理涉 及以下2 方面的问题：碰撞检测与碰撞响应。前者 经常是制约服装模拟系统的效率的瓶颈，严重影响 模拟系统的计算时间。为了减少计算时间，通常在 模拟系统中引入优化技术，而不是对织物与所有其 它物体所发生的碰撞进行检测。碰撞检测优化方法 通常有：细分法、层次包围盒法、邻近跟踪法与曲 率法。 一般说来，能量法用于进行静态模拟，而力学法 用于动态模拟。此外，三维服装模拟中有2 个问题 亟待解决：一是改善仿真模型，提高模拟效率；二是 将服装的结构特征结合到服装造型当中，以真实地 再现服装的外观特征。 2 2 3 混合技术虽然利用物理方法对服装之类 的柔性物体进行造型可能会获得逼真的效果，但是，

16、 物理造型方法存在着局限：首先，柔性物体通常由许 多小元素来表征，用来求解微分方程以及进行迭代 处理以寻找能量最小值的时间较长；其次，要找到用 于表征柔性物体的微分方程的合适参数往往不容 易。同时，几何造型方法也存在着局限，难于把动态 约束整合到模型中，也难于精确地表达织物的局部 结构。所以，混合建模方法应运而生，它充分利用上 述2 种方法的优点进行织物的模拟。研究人员通常 利用几何方法来确定所要模拟的织物的大致形状， 然后再利用物理方法对所得到的结构进行细化 处理。 R u d o l l l i n 3 的研究在开始进行模拟时首先使用 了几何逼近的方法。首先在人体的外围生成一个 3 D 服

17、装凸包，这个3 D 服装凸包给出了悬垂织物的 大致形状。然后，利用T e r z o p o u l o s 的弹性形变模 型乜3 对织物的形态进行细化处理。这种模拟方法使 用了较少的网格，但是，寻找一个多面体的凸包可能 相当费时。 3 结束语 织物是一种非线性材料。上述的物理技术与几 何技术在织物造型中或多或少地存在着这样那样的 缺点，同时，服装设计与制造、动画与可视化均需要 一个运行速度快且完美模拟织物性能的模型，所以， 从理论上讲，混合技术可能会构造出能够兼顾多方 面需要的模型。 三维服装模拟技术是一种综合运用多种学科的 复杂技术，其中，既有大量的计算处理，又要结合服 装设计的理论与实践

18、。目前，在三维服装模拟技术 中，普遍存在着模型复杂、模拟效率低、忽略服装的 结构特征与面料的结构特征等问题，这些均是有待 解决的问题。 参考文献 1K H i n d se ta 1 I n t e r a c t i v eG 删e n tD e s i g n V i s u a lC o m p u t e r ，1 9 9 0 2 D T e 啪p o u l o se ta 1 E l a s t i c a l l yD e f o n n a b l eM o d e l s C o m p u t e rG 。印h i c s ， 1 9 8 7 ：4 3H 0 k a b e

19、e ta 1 T h r e e D i m e n 8 i o n a lA p p a r e lC A DS y s t e m C o m p u t e r G r 印h i c s ，1 9 9 2 ：2 4D E B r e e ne ta 1 AP h y 8 i c a l - B 鹊e dP a r t i c l eM o d e lo fW o v e nC l o t h V i s u a lC o m p u t e r ，1 9 9 2 5X P r o v o t D e f o m a t i o nC o n 8 t r a i m 8i n8M 鹊8 -

20、 S p 血培M o d e lt oD e s c r i b e R i g i dC l o t hB e h a v i o r P r o c o fG 。印h i c 8I n t e r f a c e ，1 9 9 5 6刘卉等基于改进的弹簧一质点模型的三维服装模拟软件学 报，2 0 0 3 ( 3 ) ：3 7 T J K a “ge ta 1 D e v e l o p m e n to fT h r e e - d i m e n t i o n a lA p p a r e lC A DS y s t e m I n t e m a t i o n a lJ o u m

21、 8 lo fC l o t h i n gs c i e n c ea n dT e c h n o l o 盯，2 0 0 0 ：1 8 R u d o m i n S i 咖l a t i n gC l o t hU 8 i “g 8M i x e dG e o m e t r y - P h y s i c a lM e 凼o d D o c t o 试D i 鹪e n a t i o n ，U n i v o fP e n n s y l v a n i a ，1 9 9 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark