基于Geomagic的三维人体建模技术.pdf

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1、第2 9 卷第5 期 2 0 0 8 年5 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 5 M a y2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l 【2 0 0 8 1 0 5 0 1 3 0 0 5 基于G e o m a g i c 的三维人体建模技术 李燕，黄凯 ( 武汉科技学院机电工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 3 ) 摘要根据现代计算机辅助服装设计过程中对三维人体模型的要求，针对人体的结构特点，探索一种在非接触 测量技术基础上快速构建个性化三维人体N U R B S 曲面模型的实用

2、方法，即通过激光三维人体扫描设备获得的点云 数据平台，利用逆向工程软件G e o m a g i eS t u d i o 实现快速建模。较为详细地阐述了在人体曲面重构过程中人体点云 数据的优化处理方法，介绍人体多边形和人体曲面片的实用编辑处理技术。此方法所构建的三维人体模型逼真、 精美，能满足服装业对人体模型精度和利用效价的要求。 关键词 人体点云数据；G e o m a g i c ；N U R B S 曲面；人体模型 中图分类号：T P3 9 1 ；T S9 4 1 1 7文献标识码：A T e c h n i q u eo f3 一Dh u m a nb o d ym o l d i

3、n gb a s e do nG e o m a g i c L IY a h 。H U A N GK a i ( C o l l e g eo fM a c h i n ea n dE l e c t r o n i c ，W u h a nU n 西e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n ，H u b e i 4 3 0 0 7 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h em o d e mc o

4、 m p u t e ra i d e dg a r m e n td e s i g nf o r3 Dh u m a nb o d ym o d e l t h i sa r t i c l ee x p l o r e dap r a c t i c a lt e c h n i q u et h a tc a nc r e a t ep e r s o n a l i t y3 - Dh u m a nb o d yN U R B Sc u r v em o d e l r a p i d l yb a s e do nn o n - c o n t a c t i n gm e a

5、s u r i n gm e t h o d ，i e ，u s i n gt h ep l a t f o r mo fd a t ac l o u dg a i n e db yl a s e r3 一D h u m a nb o d ys c a n n e r ，t h er e v e r s i n ge n g i n e e r i n gs o f t w a r eG e o m a g i cS t u d i oW a su t i l i z e df o rm o d e l i n g T h ep a p e r e x p a t i a t e dh o w

6、t oo p t i m i z eh u m a nb o d yd a t ac l o u dd u r i n gt h ep r o c e s so fr e c o n s t r u c t i n gt h eh u m a nb o d yc u r v e a n di n t r o d u c e ds o m ea p p l i e de d i t i n gt e c h n i q u e sf o rt r e a t i n gt h ep o l y g o no fh u m a nb o d yo rb o d yc u r v es l i c

7、e T h e3 - Dh u m a nb o d ym o d e lc r e a t e db yt h i sw a yi sc h a r a c t e r i z e db yr e a l i t ya n de x q u i s i t e n e s s ，w h i c hs a t i s f yt h e r e q u e s to ft h eg a r m e n ti n d u s t r yi nm o d e lp r e c i s i o na n du t i l i t yv a l u e K e yw o r d s h u m a nb

8、 o d yd a t ac l o u d ；G e o m a g i c ；N U R B Ss u r f a c e ；h u m a nm o d e l i n g 三维人体数字模型是三维服装设计的基础。从 2 0 世纪7 0 年代末开始，经过学者几十年的努力探 索，三维人体建模技术己从最初的线框建模、实体建 模、曲面建模，发展到基于物理的建模特性建模和基 于解剖学的分层建模，所得到的数字模型在不同领 域得到了广泛应用。 早期三维人体模型构建方法的主要特点表现 为：线框模型运算速度快，但模型真实感较差，容易 产生二义性；实体模型在建模效率和真实感方面都 较好，但对人体曲面形态拟合

9、不够理想，体素之间的 拓扑关系复杂；曲面建模的重点是由给出的离散数 据点构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近 这些离散。NMT h a l m a n n 和DT h a l m a n n 最早使用多 边形表面生成虚拟人，M a r i l y nM o n r o e 之后又提出将 J L D 算符用于对人体表面的变形，F o r s e y 将分层B 样 条技术用于三维人体建模。D o u r o s 等人使用B 样 条曲面重构三维扫描人体模型。尽管曲面建模技术 已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系， 但对于人体动态建模仍有一定的局限性。 为使三维人体动画仿真效果更佳，AHB

10、a r r 提 出了基于物理特性的建模( p h y s i c a l l y - b a s e dm o d e l i n g ) 思想，将人体的物理特性加入到其几何模型中，通过 数值计算对其进行仿真，人体的行为则在仿真过程 中自动确定。医学研究领域需要的人体模型还要求 收稿日期_ ：2 0 0 7 0 5 0 7修回日期：2 0 0 7 1 1 1 2 基金项目：湖北省数字化纺织装备重点实验室资助项目( 1 Y I l 2 0 0 6 0 7 ) ；湖北省教育厅科研重点资助项目( D 2 0 0 7 1 7 0 0 2 ) 作者简介：李燕( 1 9 6 2 一) ，女，教授，项士。研

11、究方向为计算机三雏建模与逆向工程技术。F _ , - m a i l ：h y a n w u h a n 1 2 6 c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期 李燕等：基于C 七o m a s i c 的三维人体建模技术 1 3 1 能够体现人体生理结构的层次性，C h a d w i c k 等人和 T h a l m a n n 等人提出并发展了基于解剖学的分层建模 算法，由此催生了“数字虚拟人”，把数字化人体模型 推到一个新

12、的高度旧1 。 随着人们生活水平的提高，对服饰的要求呈现 多样化和个性化趋势，需要建立大量能反映人体真 实特征的个性化三维人体模型，以满足个性化服装 设计和虚拟试衣要求，但是，上述几种人体建模方法 理论性强，过程复杂，对从事服装设计开发的技术人 员来讲，需要长时间的学习和实践才能掌握，建模周 期也较长。服装工业专用的三维数值人体模型要求 方便快速，真实感强，便于修改，因此对快速建立服 装业所需的三维人体模型方法的探索是必须的。 非接触式人体测量技术的发展，使得方便快速 地获得真实人体的三维人体点云数据成为现 实b 5 。】，同时，商业化的逆向工程设计软件( 如 I m a g e w a r

13、e 、G e o m a g i c 、C o p yC A D 以及R a p i dF o r m ) 正迅 速推广，其中由美国R a i n d r o p 公司出品的逆向工程 软件C , e o m a g i cS t u d i o 可轻易地从扫描所得的点云数 据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换 为N U R B S 曲面，建模效率高，非常适合用于构造复 杂的人体曲面。 本文尝试利用G e o m a g i c 软件在三维扫描数据 的基础上构造人体曲面模型，探索一种利用 G e o m a g i c 软件获得逼真的三维人体模型实用方法， 用以满足服装业对人体模型精度、

14、速度和效价的 要求。 1 三维人体点云模型的获取 在人体三维模型重构的过程中，数据采集是非 常关键的环节。点云数据质量好，分布均匀，则一次 成像较为完整，可省去不必要的后续修补工作，保证 三维重构的精确度和工作效率。目前，非接触式三 维人体测量方法主要有摄像法、扫描法和光栅法；国 际上常用的人体扫描仪有T e l m a t 的S Y M C A D 、T u r b o F l a s h 3 D 、T C 2 - 3 T 6 、T e c h M a t h R A M S I S 、C y b e r w a r e W B 4 、V i t r o n i c V i t u s 等，

15、这些三维非接触式扫描系统 具有扫描时间短，精确度高，测量部位多等多种优于 传统测量技术和工具的特点H 】。 项目采用的是T e l m a t 的S Y M C A D 非接触式三 维人体扫描仪，可在2 0s 内自动完成整个人体扫描 过程，捕捉到人体5 0 00 0 0 个数据点，测量精度达到 0 2c m 。所测数据可以文件格式输出，但所输出 的I V 文件不能被C e o m a g i c 软件直接读取，可利用文 本编辑软件打开文件，把文件头和文件尾修改为 W R L 文件格式： # V R M LV 1 0a s c i i S e p a r a t o r C o o r d i

16、n a t e 3 p o i n t P o i n t S e t s t a r t l n d e x0 n u m P o i n t s l 并保存为W R L 格式的文件就可以被G e o m a g i c 软件 读出。图l 示出了人体点云数据，可清晰地看出，所 测数据完整、清晰，有利于后续数据的转换处理。 图1 人体点云数据 F i g 1 H u m a nb o d yd a t ac l o u d 2 三维人体曲面的重构 2 1 人体三维曲面重构的3 个阶段 运用G e o m a g i c 软件实现人体三维曲面重构可 分为3 个阶段H o 。 1 ) 点阶段( p

17、 o i n tp h 弱e ) 将读入的三维人体 点云数据运用G e o m a g i c 的降噪特性以及编辑和过 滤工具，实现人体数字模型的优化。 2 ) 多边形阶段( p o l y g o np h a s e ) 运用 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 2 纺织学报 第2 9 卷 G e o m a g i c 的多边形编辑( p o l y g o ne d i t i n g ) 、基于曲率 的孔填充( c u r v a t

18、 u r eh o l ef i l l i n g ) 、光顺( r e l a x ) 、边界 修补( b o u n d a r yr e p a i r ) 、特征构建( f e a t u r ec r e a t i o n ) 等 多边形几何再造功能来清除扫描带来的洞眼和缺 陷，如体毛、眉毛等由于激光散射未被获取的数据。 3 ) 成形阶段( s h a p ep h 鹊e ) 运用G e o m a g i c 的 特征识别( f e a t u r ed e t e c t i o n ) 、特征线提取( f e a t u r el i n e s e l e c t i o

19、 n ) 、边界构建( b o u n d a r yc o n s t r u c t i o n ) 、面片组 织( p a t c ho r g a n i z a t i o n ) 、面片光顺( p a t c hr e l a x i n g ) 等 功能来细化耳朵和紧密缝隙处的扫描数据，重构高 度逼真的N U R B S 人体曲面。 2 2 人体点云的数据优化处理 扫描人体的点云数据约六百万个，由于激光扫 描仪获得的数据是三维散乱点，受采样的不精确性 及其他因素的限制，所测数据很不规整，存在着大量 韵噪声甚至坏点数据，因此要对所测人体数据进行 优化处理。 2 2 1 去除坏点 坏

20、点的处理分为杂点( b u g ) 和噪音点( n o i s e ) 的 处理。 1 ) 杂点的处理。杂点就是测量错误的点，是无 效的点，放大后即可看到是一些明显离开人体表面 的孤立存在的点。对于这样的点，可用G e o m a g i c 的 s e l e c to u f l i e r s 功能自选择并删除这些体外孤点，改变 敏感性到8 5 0 ，这个值将非常有效地( 接近1 0 0 ) 捕获体外孤点。 2 ) 噪声点的处理。由于扫描设备的轻微震动、 扫描校准的不精确或被扫描物体表面准备处理不 好，测量数据会存在着系统误差和随机误差，其中有 一些测量点的误差会比较大，甚至超出允许的范

21、围， 可能导致人体曲面对象粗糙和不均匀，这样的点称 为噪声点。为了减少噪声点，用G e o m a g i c 的r e d u c e n o i s e 功能，选中自由格式形状选项，设定s m o o t h n e s s l e v e l 为M e d i u m 、D e v i a t i o nL i m i t 为0 1 ，用于限制平顺 时位移的最大距离，删除移动时超过这个数值的点 数据，就可得到比较光顺的云点数据。 2 2 2 统一取样 经扫描得到的人体点云数据通常包括几十万、 上百万个点。点云数据庞大，操作很不方便，需要用 G e o m a g i c 的统一取样的功能

22、对所获得的点数据进行 筛减和排序。统一取样作用能减少点的数量并组织 点，当封装时可粗略地产生相同尺寸的三角片，避免 三角片长径比过于悬殊，这对提高人体曲面的质量 是非常重要的。 2 3 人体多边形的编辑 把优化后的人体点云数据进行封装，实质上是 用许多细小的空间三角片来逼近还原C A D 实体模 型，所以三角片质量的好坏直接影响其后拟合人体 的N U R B S 曲面质量，甚至会出现变形。对三角形进 行编辑，也就是对封装后的人体模形优化三角面的 数量，检测、修复三角面的封闭与相交情况，进行基 于曲率的孑L 填充等操作以提高人体曲面的质量。 2 3 1 三角片的相交检测与修复 在C , e o

23、m a g i c 中，构成曲面的每个小三角片都是 由3 条边组成，而且具有方向性。3 条边按逆时针 顺序由右手定则确定，确保面的法向量指向所描述 实体表面的外侧，相邻三角片的取向不能出现矛盾。 三角片出现的错误主要表现为：在空间的交错；2 个 表面三角片连接时不匹配；退化面，其包括点共线和 点重合，不共线的面在数据转换过程中形成了三点 共线的面，如果产生这样的情况，就会使后面的工作 量加大并出错，因此G e o m a g i c 提供了对三角片的修 复功能，用f i xi n t e r s e c t i o n s 修理交错的三角形片， c l o s em a n i f o l d

24、 去除退化的线和面。 2 3 2 破洞的填补 在人体点云上总会因为测量时的数据缺失而产 生破洞，可以用补洞命令进行填补。破洞分为中间 型、边缘型、桥接型，主要用创建一个基于曲率的填 充功能进行填补破洞。若直接填补破洞的效果并不 理想，可以用补洞命令对话框中的删除功能把孔适 当挖大后再补，当人体中的三角片出现相交时，也应 把相交的三角片删除再补洞。另一个技巧是用 c r e a t ep o i n tc o v e r 功能将点云数据重建，把重建好的 点云数据再做三角网格，得到的三角网格跟原来的 一样，破洞将被自动修补好。 2 3 3 细分三角片1 对于人体而言，因为人的手脚指头的大小与人 体

25、其他部分差别较大，一定要用r e f i n ep o l y g o n s 命令 对人体三角片进行进一步的细分，以保证构造人体 的N U R B S 曲面的质量。 2 3 4 平顺人体曲面 在多边形阶段用G e o m g a i c 的r e l a x 功能可以平 顺人体曲面，就象用砂纸磨粗糙的面，有2 个决定人 体曲面的参数光滑度和精度，光滑度相当于用砂纸 磨的次数，一般调在中间位，精度相当于砂纸上的颗 粒，取3 0 一4 0 的强度，注意不要过分地改动 r e l a x ，否则会使人体失去轮廓特征。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purcha

26、se from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期 李燕等：基于G e o m a g i c 的三维人体建模技术 1 3 3 2 4人体N U R B S 曲面的重构局图如图3 所不。 完成人体多边形的处理后，进入形状阶段，完成 人体N U R B S 曲面重构。 2 4 1 人体曲面片的划分 人体曲面片的划分是构建人体曲面的关键环 节，应以人体曲面分析为基础进行合理划分。曲面 片不应划分过小，否则得到的曲面太碎，会给后续的 曲面处理造成困难；曲面片也不应划分过大，否则难 以很好地捕捉点云形状，得到的曲面质量也较差。 划分人体曲面片的

27、基本原则是：按照人体各部分结 图3 编辑好的曲面片布局图 构的特点进行曲面的化分，使每块曲面片的曲率变 F i g 3I J a y o u to f c 。m p i l e d 。岍。p i 。的 化尽量均匀，以提高曲面质量；尽可能使每块曲面片 形状与人体的各部分的轮廓形状一致。 2 4 2 定义人体曲面网格线 2 4 1 1 探测和修改人体轮廓线采用G e o 胧I g i c 调整好人体曲面片布局图后i 用G e o m a g i c 的构 软件的探测轮廓线功能，可以自动探测人体的轮廓 造格栅功能，生成格栅数量( N ) ，网格放置在每 线，通过计算区域，计算机把模型划分为多个低曲率

28、 个曲面片内，数量越大，可用于曲面拟合操作的细节 的区域，一旦区域被定义，人体模型就显示成定义为 越多。这样可以得到一个更精确的人体曲面，但相 不同颜色的若干区域。高曲率处被显示为红色轮 应点云数据文件的容量也较大，会给后续的修改工 廓，但自动探测的人体轮廓带，很难满足人体曲面片 作带来不便。定义r e s o l u t i 。n 分辨率值( 范围：8 划分的要求，如图2 ( a ) 所示，因此需要手动修改轮 1 0 0 ) ，控制应用到每个曲面片上的格栅数量( N 廓带。通过画出新的轮廓带，用删除岛功能移除部 J 7 、r ) ，一般取值为1 5 。 。分轮廓带等方法对轮廓带进行修改，然后

29、从编辑好 2 4 3 构造人体N U R B S 曲面 的轮廓带中抽出轮廓线，再用编辑轮廓线命令对轮 在完成人体曲面网格线的定义后，用G e 。m a g i c 廓线进行编辑和修改，完成后的人体轮廓线如 的拟合曲面功能，生成人体N U R B S 曲面，可输出 图2 ( b ) 所示。 I G E S 格式的文件，供P r o E 等C A D 软件作进一步修 改生成C A D 人体数字曲面模型如图4 所示。 ( a ) 目动探罚( ”修改后 图2 人体轮廓线探测与修改 F i g 2 D e t e c t i n ga n dr e f i n i n gt h ec o n t o u

30、 rl i n eo fh u m a nb o d y ( a ) D e t e c t e da u t o m a t i c a l l y ；( b ) R e f i n e dc o n t o u rl i n e 2 4 1 2 创建人体曲面片完成人体轮廓线构建 后，用G e o m a g i c 的构造曲面片功能，计算机会自动 根据人体的特征分布情况构建人体曲面片布局图， 自动构建人体曲面片需进一步调整，尽量使各曲面 片的方向相同，纵横方向有序。用移动面板命令对 生成的曲面片布局图进行修改，编辑好的曲面片布 图4 完成后人体N U R B S 曲面 F i g 4C o

31、 m p l e t e dN U R B Sc u l es u r f a c eo fh u m a nb o d y 3 结束语 构建适宜于服装业专用的三维数字人体模型的 方法必须满足快速、简便和真实的要求，在服装设 计、加工、营销环节中，个性化的人体数字模型可以 造就企业快速反应和满足客户需要的竞争优势。现 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 4 纺织学报 第2 9 卷 行的三维数字人体模型建模方法过于繁复，难以学 习掌握。利用基于非

32、接触扫描设备所得的点云人体 数据，在优秀的逆向工程软件G e o n u 洒c 数字处理的 工作平台上，实现人体N U R B S 曲面的构造，能够提 高三维人体建模的效率和质量，具有操作简便，易于 掌握的特点。这种方法可快速建立大量的个性化数 字人体模型，使每个顾客的三维人体数字信息进入 服装业的各个环节，从而为三维数字化服装设计、加 工和试衣销售奠定良好的基础。 参考文献： 1 付世波，袁修干基于B 样条曲面的人体模型的建 立 J 计算机学报，1 9 9 8 ，2 1 ( 1 2 ) ：1 1 3 1 1 1 3 5 王媚，陆国栋，张东亮服装C A D 中三维人体建模技 术的研究及应用 J

33、 工程图学学报，2 0 0 7 ( 1 ) ：1 6 肖正扬，陶恒学，杨继新，等基于数字化立体裁剪的 人体非接触式测量技术 J 组合机床与自动化加工 技术。2 0 0 1 ( 1 1 ) ：4 5 4 7 黄诚驹，齐荣基于G e o M a g i c 的异形曲面快速数字建 模技术研究 J 机械与电子，2 0 0 4 ( 9 ) ：1 9 2 1 W a n gC h a d i e ，C h a n gT e r r yK ，Y u e nM a t t h e wMF F r o m l a s e r - s c a n n e dd a t at of e a t u r eh u m

34、 a nm o d e l ：as y s t e mb a s e d o nf u z z yl o g i c a lc o n c e p t J C o m p u t e r - A i d e dD e s i g n ，2 0 0 3 ， 3 5 ( 3 ) ：2 4 1 2 5 3 A l v i nRT ，H e n 方DA T h eM e a s u r eo fM a na n dW o m a n ： H u m a nF a c t o mi nD e s i g n MJ N e wY o r k ：J o h nW i l e y S o n sI n e ，2 0 0 1 ：1 0 4 6 1 J 1 J 1 J 1 J 1 l _ 2 3 4 5 6 r L P L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark