纺织导报-面向三维服装CAD的人体建模与动态仿真技术综述.pdf

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1、面向三维服装C A D的人体建模 与动态仿真技术综述 彝 翼 鞘 犷 蓄 巍 丫 彝 蓄 翼 麟 淤 兹 欲 麟 公 4 o d e 截 易 朴 孽 匙 巍 IA .1 熟 熬 毅 1 瓤 蘸 彝 巍 靶彝 巍 n 彝 鳌 缝 如夏 孔 3 巍 G3, F 文/ 陈永强彭利华 C A D 领域中的理论和技术应用到服装的设计、 生产、 产品发展、 经营管理等各个环节， 形成了一个全新的领域 服装G C A D 。 现在的G C A D正在从二维发展到三维， 发展到具有三维人体测量、 三维服装设计、 三维立体裁剪、 三维立体缝合及三维穿衣效果展示等高级功能， 其最终目 的在于不经制作服装， 便可由

2、虚拟人在虚拟现实中完成最 终着装效果的预先演示，不仅有助于服装生产率的提高， 更有助于服装满意率和设计质量的提高。 为了 达到 具有现实世界的穿着效果， 在三维G C A D 系 统中实现虚拟人着装效果的虚拟演示， 不仅要求虚拟人体 模型具有逼真的外观、 合理的行为举止， 还要包括虚拟人 体本身运动产生的人体表面、 衣物的变形效果， 更需要实 现特定服装模型穿着在某一特定人体模型上的动态效果。 胸围和腰围等关键部位的参数信息， 快速修改和调整标准 虚拟人体模型的细部或整体尺寸， 得到适合于个体的个性 化的逼真人体模型; ( 4 ) 能够实现简 单且高效的人体动态建模， 具有合理 的运动方式和动

3、作; ( 5 ) 与建立服装模型的所需数据具有一致性， 便于选 择服装，实现人体和服装的一体化动态仿真处理。 I 三维G C A D 对人体模型的要求 三维G C A D 是在人体的基础上进行的， 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。由于三维G C A D系统的特殊性， 对人体建模提出 了具体的要求: ( 1 ) 能建立普通而标准的虚拟三维人体模型， 能基本 反映用户的实际形体信息; ( 2 ) 在保证表面特征尺寸精确度的前提下， 尽量简化 网格结构，减少模型的复杂性; ( 3 ) 具有合适的人体特征语义信息， 能进行参数化处 理， 交互操作方便而简单，

4、 可根据实际人体的身高、 体重、 作者简介: 陈永强， 男， 1 9 6 7 年生， 副教授， 博士， 武汉科技 学院计算机科学学院。 主要研究方向:计算机图形图像处理， 虚拟现实技术， 智能 信b , 安全系 统。 基金项目: 湖北 省数字化纷 织装备重点实验室D T L 2 0 0 7 0 2 项 目 “ 服装个性化三维人体 变形模型研 究与实现” 2 三维人体建模技术 2 . 1 人体数据的获取 快速、 精确地测量三维人体数据是实现三维G C A D 系 统的前提。 传统的方法以卷尺、 卡尺等为测量工具， 测量 人体有关部位的长度、 宽度、围度等数据， 以此为参数进 行造型设计。 服装生

5、产中广泛使用的号型、 体型分类即是 通过人体测量在统计分析的基础上得出的。 但是， 采用传 统的手工人体测量方法已很难满足快速、 准确、 大批量测 体的需要。 由于计算机视觉技术的不断发展， 导致了人体测量技 术由手工向自动、 接触式向非接触式方向发展。 三维人体 自 动测量是以现代光学为基础， 融多种科学技术于一体的 测量技术。 测量人体时把图像当作检测和传递信息的手段 或载体加以利用， 其目的是从人体图像中提取有用的信息 ( 包括服装设计所需的人体特征数据) ， 可分为接触式和非 接触式测量两种。 接触式自 动测量主要用于标准人台表面 人体型值点的测量， 不适合于真实人体的测量。 非接触式

6、 自 动测量主要用于获取真实人体特征数据， 在测量被测对 象时把图 像当 作检测和传递信息的手段或载体加以利用， 从图像中提取有用的信息， 从而获得所需要的人体三维尺 寸， 特点是快速、准确、 效率高等。 月万.月口1.甲1.仲tJ二刃.门1万月.月卜. 月.口.宜.口.理 8 4纺织导报 C h i n a T e x t i le L e a d e r - 2 0 0 8 N o . 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 . 2 人体数据的

7、处理 对于测量的所有人体数据并不能直接用于建模和显 示，其原因如下: ( 1 ) 原始数据有一定的测量误差和运动误差。 测量误 差 是 玻 据 采 集 系 统 本 身 的 误 差 或 其 它 技 术 因 素 所 引 起 的 误 差， 在测量系统设计时已予以考虑， 可以忽略不计。 运动 误差则是由人体自身的各种运动造成的， 需要处理; ( 2 )原始数据只有坐标值， 缺少灰度或颜色信息; ( 3 )由于有遮档现象，部分区域没有原始数据; ( 4 )原始数据重复性差; ( 5 ) 原始数据的格式不能直接用于绘制三维图形或者 加工立体模型。 要重建人体模型， 需要对数据做进一步的处理， 包括 特征点

8、调整、尺寸测量等具体步骤。 2 . 3 三维人体模型的建模方法 实用的三维人体模型分为两大类: 几何模型与基于解 剖学的物理模型。 2 .3 . 1几何模型 三维虚拟人体的几何建模方法主要分为曲面建模和基 于物理建模两种。 ( 1 )曲面建模 曲面建模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点。 在实际的人体曲 面建模时， 主要采用基于特征的服装人体曲面建模和参数 化的服装人体曲面建模两种具体的建模方法。 基于特征的服装人体曲面建模根据人体的整体结构， 将人体模型划分为若干个基本的结构特征。 为进行曲面造 型， 针对每个结构特征可定义相应的造型特征。 造型特征

9、分为主要造型特征 ( 即人体模型中指定的特征) 和辅助造 型特征 ( 即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定 义的造型特征) 。 根据人体各部位的特性， 分别采用不同的 数据结构和造型方法。 优点是更加灵活方便， 可以针对人 体模型不同部位的几何特征， 选择最适合的曲面建模方法， 而不必拘泥于某一种曲面表达方式。 参数化的服装人体曲面建模采用几何约束来表达人体 模型的形状特征， 从而获得一簇在形状上或功能上相似的 设计方案。 即在建模过程中应结合人机工程学原理， 利用 人体各部分固有的比例关系， 从人体模型的众多特殊尺寸 中提取出起决定性作用的参数。几何特征参数一但确定， 根据人机工程学原

10、理， 修改相应的主要造型特征， 使其满 足新的尺寸要求。同时， 利用人体模型主、 辅造型特征间 的关联结构， 修改相关的辅助造型特征， 获得新的人体模 型造型特征， 对新的人体模型造型特征进行曲面造型， 最 终得到用户所需的人体模型。 参数化建模是一种更为抽象 化的建模方法， 它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部 几何特征， 依托于常规的几何建模方法， 使设计人员能够 在更高更抽象的层面进行人体设计。 曲面模型的优点是速度较快， 缺点是不考虑人体解剖 结构， 所以取得非常逼真的模拟效果比较困难。 提高表面 模型的逼真性是目 前的研究热点之一。 ( 2 )基于物理建模 曲面建模技术能够完整地描述

11、人体的几何信息和拓扑 关系， 但描述的主要是人体的外部几何特征， 对人体本身 所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述， 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， B 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 d M o d e l i n g ) 思想， 将人体 的物理特性加人到几何模型中， 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。 基于物理的建 模方法具有更加真实的建模效果， 能有效地描述人体的动 态过程， 采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统 的计算，计算更为复

12、杂。 2 .3 .2基于解剖学的物理模型 多层次模型是最接近人体解剖结构的模型， 通常使用 骨架支撑中间层和皮肤层，中间层包含骨骼、 肌肉、 脂肪 组织等， 人体从内到外分成骨架、 骨头、肌肉、脂肪和皮 肤等几个层次， 可分别采用不同的物体建模技术， 如: 骨 头层可看成刚性物体， 采用几何模型， 皮肤层属于最外层， 需要较多的真实性， 可采用基于物理的模型。 多层次建模 方法可构造出极具真实感的三维人体模型， 但模型复杂度 高，人体变形时计算量大。 除以上几种典型而常用的建模方法外， 还有棒状体建 模和实体建模方法。 棒状体建模是最早出现的虚拟人体几 何建模方法，人体表示为分段和关节组成的简

13、单连接体， 使用运动学模型来实现动画模拟，实现人体的大致动作。 实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状， 例 如圆柱体、 椭球体、 球体等， 然后采用隐表面的显示方法， 纺织导报 C h in a T e x t il e L e a d e r . 2 0 0 8 N o .2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 其计算量大且建模过程非常复杂。 在三维人体模型结构中， 目 前G C A D 领域广泛使用的是曲面模型， 解剖学和医学等 应用多采

14、用多层次模型， 而实体模型和棍棒体模型基本上 较少使用。 测量的方法。 测量装置依据原理可分为机械、 电磁、 声学、 光学4 种。 2 . 4 虚拟人 体标准 为了便于在不同情况下制作的虚拟人体之间实现交互 与共享，目 前有两个重要的国际标淮V R M L 和M P E G 4 支 持虚拟人体表示。 V R M L 中 有一个专门的子标准描述虚拟人体模型， 称 为H - A n i m， 该标准完全遵循V R M L 的语法。 H - A n i m中 使用三类节点表示一个虚拟人体模型: 人体重心、 人体关 节和人体骨骼段， 并把整个人体分成1 个人体重心、 9 3 个 关节和9 3 个骨骼段

15、，人体各部分之间的关系表示为一棵 树， 并以人体重心为根结点， 以关节为节点， 以骨骼段为 连线。 MP E G 4 v 2 中开始提供对人体的支持。MP E G人体由 一组节点组成， 其顶层节点至少包括两个子节点: 表示人 体运动的参数B A P 和表示人体模型定义的参数B D P 。 人体 运动参数B A P 包含2 9 6 个描述虚拟人骨架拓扑结构的参 数，这些参数可以应用于MP E G 4 兼容的虚拟人体，并生 成相同的虚拟人运动。 3 三维人体动态仿真技术 将扫描人体的三维重建与人体的动态建模有效结合起 来， 是G C A D系统中人体建模技术的研究重点。 人体运动 的计算机显示，

16、除需要三维人体的模型外， 还需要人体的 运动数据。 人体各关节运动数据的产生有两种方法: 运动 学方法和动力学方法。 人体动态仿真一般分为人脸表情和 躯体运动两个部分， 在三维G C A D 领域主要是关注人体躯 干运动的研究与实现。 3 . 1 运动数据获取 根据人体扫描获得的数据进行重构， 以准确模拟出人 体的不同姿态，及时快速地产生穿衣后人体的动作姿态。 目 前主要思路是， 对人体多个关键姿态的扫描， 通过对离 散数据的插补模拟出人体连续运动中的体型数据。同时， 因为不可能获得模特着装人体运动的现场展示效果， 动态 展示需要建立在前期做出的相关动态基础之上。 常用的实 时输入设备记录真人

17、各关节的空间运动数据， 即人体运动 3 . 2 运动控制 目 前， 虚拟人的运动控制方法主要有: 参数化关键帧 方法， 正、 逆运动学方法， 动力学方法， 过程方法， 运动 捕捉方法，运动合成技术等。 参 数 化 关 键帧 方 法 ( p a r a m e tr ic k e y f r a m e a n im a ti o n ) 是给定人体运动过程中的一些关键姿态 ( 关键帧) 后， 在 生成人体运动时， 自 动计算出两个关键姿态之间的若干中 间姿态( 中间帧) 。 人体运动关键帧生成方法是一种三维方 法， 其关键帧与中间帧均指人体运动状态的关键姿态， 一 般是描述人体姿态的状态值。

18、这种方法简单直观， 最为常 用， 但人体有近百个自由度， 需要对运动进行仔细的调整， 手工给出每个关键姿态下的每个自由度是非常困难的， 且 其物理逼真性也难以验证。 正运动学 ( f o r w a r d k i n e m a t i c s ) 方法从给定各关节的 角度计算出各肢体的位置与方向。而逆运动学 ( i n v e r s e k i n e m a t i c s ) 方法在给定肢体末端的位置与方向时， 计算出 各关节的位置与方向。 与关键帧方法相比， 逆运动学方法 所需指定的状态变量要少多了。 但当一个肢体的自由度数 多于6 个时， 仅指定肢体末端的位置与方向不能完全确定

19、整个链杆的状态， 需要采用其他辅助方法。 这种方法的计 算量比较大， 生成运动的逼真性仍然依赖于人的手工操作， 难以验证。 动力学方法 ( d y n a m i c s ) 是根据人体各关节所受的力 与力矩， 计算出人体各关节的加速度、 速度， 最后确定人 体运动过程中的各种姿态。 使用动力学方法生成的运动符 合物理规律， 具有物理逼真性， 但要求确定人体各关节所 受的力与力矩， 比较困难。 常需要使用逆动力学方法或基 于约束的方法。 过程方法( p r o c e d u r e ) 根据人体特征( 如身高、 腿长) ， 以及运动特征( 如速度) ， 确定具体的人体运动。 因直接根 据真实

20、人体运动提取特征， 因此具有很好的逼真性， 而且 易于控制。 此方法具有生成交互性行为的潜力， 但也有一 定的局限性。 只适用于某些特定类型的运动， 很难定义一 般的运动。 也不能进行很好的细节上的控制， 人体运动缺 乏表情或独特性。 运动捕获方法( m o t i o n c a p t u r e ) 是一种虚拟现实方法， 采用先进的传感器， 实时跟踪人体运动，由此可以实时控 8 6纺织导报 C h in a T e x t i le L e a d e r - 2 0 0 8 N o . 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from

21、www.PDFWatermarkR to remove the watermark 制虚拟人的运动。 将这些运动数据记录下来， 进行合成， 还 可以生成新的虚拟人体逼真运动。 运动捕获是目 前相当流 行的一种方法。然而， 也存在很多问题。 首先， 在运动捕 获中， 由于附着皮肤或是衣服上的跟踪器在运动者运动时 会 产 里 一 定 程 序 的 移 位 ， 所 获 得 的 运 动 数 据 有 一 定 的 冗 余 。 在某些情况下， 还会引起虚拟人运动的一定程度失真。 其 次， 由于传感器本身的局限性会导致一些运动不能被捕获。 为了在已有运动的基础上， 生成更为复杂的虚拟人运 动， 常需要对已有的运

22、动进行运动合成。 常用的虚拟人运 动合成方法有: 运动修剪、 运动仿射变换、时间扭曲、 运 动镜像、运动混合、运动连接、运动选择、周期运动等。 4 实用的虚拟人体运动系统 目 前， 一些著名的虚拟人试验室开发了自己的虚拟人 实验系统， 有些实验系统已经商品化， 部分的可用于三维 G C A D中， 缩短人体建模与动态仿真的实现时间。 ( 1 ) J u g g l e r 1 9 8 2 年由前国际信息公司公布。 其外形是完全数字化 的， 身体运动是通过旋转观察 ( R o t o s c o p y ) 记录实 现。 八 十年代中期， 研究人员开始研究基于物理特性的虚拟人运 动仿真。 这种运

23、动模型的虚拟人会表现出完全相同的行为 举止，是不切实际的。 ( 2 ) S a f e w o r k P r o S a f e w o r k P r o S A F E WO R K公司开发的S a f e w o r k P r o 是一套测试工作环境安全性的模拟软件系统。 它可以载人 1 0 0 多个人体测量学数据库，为人体精细建模提供充分的 数据， 适应为不同人群进行产品设计的需要， 并且支持多 个虚拟人进行合作任务的运动仿真。 ( 3 ) V L N E T ( V i r tu a l L i f e N e t w o r k ) 由V R L a b 实验室研究开发， 是一

24、个基于分布式网络 的虚拟人系统， 支持多个用户同时加人到一个共享的网络 虚拟环境中， 每个用户在虚拟环境中有一个虚拟人作为其 替身参入虚拟环境中的活动， 虚拟替身具有真实人的外表 和行为特性，用户可以与虚拟环境或其他用户实时交互。 ( 4 ) J a c k 由美国宾夕法尼亚大学人体建模与仿真中心 ( H MS ) 开发， 在1 9 9 2 年投入商业应用， 主要用于多约束分析、 人 素分析以及视场分析等。 人体模型是基于来自 美国 军队研 究室对男性军人和女性军人的调查所得的人体测量学数据 库的基础上的， 虚拟人有7 4 个关节，包括2 2 个脊髓关节 和1 6 个手部关节。 已被许多飞机公

25、司、 汽车制造商、 军用 车辆研究机构和人类工程学组织采用。 ( 5 ) D I G u y 系统 由 B o s t o n D y n a m i c 公司 开 发， 最初为 军事仿真中 模 拟 虚拟士兵的行为而设计的， 目 前已经包含了多种角色的仿 真， 如男性、 女性、 体育人员 等。 D I G u y 库适用于S G I P e r f o r m e r , O p e n G L , O p e n G V S 和D i r e c t 3 D ， 可运行于 W i n d o w s N T , Wi n d o w s ， 或L i n u x 操作系 统。 系统提供了 简

26、单的标准化的编程接口， 并附带了样例代码， 绝大多数 程序员可以在一两天内上手， 以便于进一步的虚拟人程序 开发。 ( 6 ) J o i n t Mo t i o n 中国科学院计算技术研究所数字化技术研究室开发的 J o i n t M o t i o n 系 统， 使用一 个传感器与 一只 数据手套， 来确 定一只手的肩关节、 肘关节、 腕关节以及各手指的状态， 同 时提供了一个基于VRML的虚拟人显示工具。在 J o i n t M o t i o n 系统的基础上， 开发了中国 聋人手语运动合成 系统。 5 结语 三维G C A D 系统是建立在三维人体模型上的尺寸信息 提取、 服装

27、设计、 虚拟试衣、 动画模拟及基于互联网的订 做、 销售和展示等技术的集成与综合， 包括三维人体测量、 三维人体造型、 三维服装造型、 三维衣片设计和修改、 三 维衣片二维展开、 衣片结构图生成、 排料等模块。 建立适 用于服装设计的三维人体模型是构建三维G C A D 系统的基 础之一， 需要运用虚拟人体建模与动态仿真技术， 实现三 维虚拟人的运动， 进而实现特定服装模型穿着在某一特定 人体模型上的动态效果， 为服装的 “ 量身定做”的最终实 现创造条件。 然而由于三维G C A D系统的特殊性，目 前适 用的人体静态和动态模型还不多， 仍然需要做大量的研究 与开发工作。 a t ! 参考文

28、献 1 秦 可， 庄越挺，吴 飞. 服装C A D中三维人体模型的参数化研 究【 J . 计算机辅助设计与图 形学学报， 2 0 0 4 , 1 6 ( 7 ) : 9 1 8 - 9 2 2 . 2 1 % 三城， 孙星明， 刘国华等. 三维人体自 动测量技术综述 【 J . 计 算机应用研究，2 0 0 5 ( 4 ) : 1 - 5 . 3 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 . 工程图学学报， 2 0 0 7 ( 1 ) : 1 - 6 . 4 徐 孟， 孙守迁， 潘云鹤. 虚拟人运动控制技术的研究 【 J . 系 统 仿真学报.2 0 0 3 , 1 5 ( 3 ) :3 3 8 - 3 4 2 . 纺织导报 C h in a T e x t ile L e a d e r . 2 0 0 8 N o . 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark