基于质点-弹簧模型的交互式服装仿真系统的设计与实现

甄同妙　吉高卿　付江龙　杨　阳　陈素君

(河北建筑工程学院 信息工程学院，河北 张家口 075000)



基于质点-弹簧模型的交互式服装仿真系统的设计与实现

甄同妙吉高卿付江龙杨阳陈素君

(河北建筑工程学院 信息工程学院，河北 张家口 075000)

基于质点——弹簧模型，结合OpenGL的拾取技术和虚拟缝合技术，设计并实现了交互式服装虚拟仿真系统，具备衣片信息获取及离散、三维空间中服装缝合信息的快速设定、服装虚拟缝合等功能，实现了多款服装虚拟试穿效果的模拟.

质点——弹簧模型；服装虚拟仿真；虚拟试穿效果模拟；交互式

0　引　言

随着电子商务、计算机图形学及虚拟仿真技术的发展和二维CAD系统的成熟，人们不再满足于服装试穿效果的平面图片展示.三维服装CAD系统、网上试衣系统等，因其可实现三维服装试穿效果，受到了学术界和产业界的广泛关注.更有消费者希望在不久的将来实现在线试衣及个人定制，以得到方便、快捷、完美的购物体验.因此，研究三维服装虚拟仿真系统，努力推进产业化进程，不仅是消费者的现实需求，而且具有方便民众购物、提升生活水平的实际意义.但自服装出现以来，经历由古至今的时代变迁、由国内到国外的空间融合，不仅款式种类多，且变化复杂，致使服装虚拟仿真系统的研究困难重重.

目前，服装仿真建模可由几何造型与物理仿真两种方法[1-2]得到.几何造型方法通过在立体空间中构建曲线、曲面，直接生成衣片并组成服装，得到服装的立体建模.该方法虽然可直接快速地实现服装仿真，但生成的模型缺乏生活中服装自然下垂的真实感.物理仿真方法是基于织物仿真模型和虚拟缝合技术，应用动力学方法分析生活中服装的属性和受力行为，简化、抽象后建立微分方程并求解，从而模拟服装的试穿效果.由该方法建模不仅能解决上述几何方法中缺乏真实感的问题，而且可360°全方位的展示试穿效果.但该方法中也存在多样化衣片版式信息获取、缝合信息设定和复杂虚拟缝合等问题.

针对服装物理仿真方法，本文将基于质点——弹簧模型，完成交互式服装仿真系统的设计与实现，真实有效地模拟多款服装在人体模型上的全方位试穿效果.

1　服装仿真系统的总体设计

图1　系统功能结构图

系统以质点弹簧模型的弹性形变理论为依据，基于MFC文档视图结构，集成GDI绘图技术、OpenGL绘图技术、多媒体技术、系统集成技术等，采取功能控制流的方式，实现获取及组织衣片信息、设定缝合信息、虚拟缝合等功能.图1是系统功能结构图.

通过界面管理模块，可调节系统参数，切换系统状态,如视图维度、缝合信息设定状态参数、离散衣片填充形式、视点和光照等；为组织服装信息，建立服装层次模型，参考纸样设计，利用GDI+技术绘制多边形作为衣片轮廓，布点、离散边界后进行Delaunay运算得到三角形网格，将服装信息以自定义格式保存到文本文档中；用户根据需要单击人模菜单上的不同选项，系统自动导入预置的模型，提供虚拟缝合和试穿的基本元素；采用交互技术，用户可将衣片放置在合适的初始位置，以加速缝合过程的收敛、更快地得到服装仿真效果；依需设定缝合信息面板参数，采用OpenGL拾取技术[3]，在三维场景中选取一对边框，该对边框所属的边界点之间自动建立对应的缝合关系，并且连线显示；将质点——弹簧模型应用于衣片三角网格，并对缝合方法进行拓展，采用Verlet积分模拟服装布料的受力行为，缝合过程结束后施加重力，模拟服装在人模上的试穿效果.

2　系统核心功能实现技术分析

2.1服装逻辑建模

图2　服装层次模型

将OOA、OOD的思想方法融进服装的抽象过程，建立各部分信息之间的逻辑关系，得到服装层次模型；利用类和对象的特点建立系统底层基础数据结构.

由服装层次模型结构化地组织服装信息，可在逻辑上构成完整意义上的服装.图2为服装层次模型的示意图.

系统设计衣片边界编辑面板，导入服装纸样设计，“临摹”得到衣片边界数据，如图3中(a)、(b)、(c)所示.“临摹”过程中通过将边框类的索引属性层级传递，建立边框及其所属边界的对应关系.

根据栅格法[4]按密度r进行布点，并且离散边界，然后进行Delaunay计算过程得到衣片网格，如图3中(d)所示.

(a)纸样设计　　　　　　(b)衣片边框　　　　　　(c)衣片外边界　　　　　　(d)衣片网格

2.2缝合信息设定

(a)设定参数面板　(d)缝合信息侧视图图4　缝合信息设定面板

本系统中设计的缝合信息设定面板如图4中(a)所示，可以选定当前操作要实现的功能——添加/删除缝合边、添加缝合边时选定对应缝合方式、对应比例、缝合信息是否显示等选定.将当前系统切换到三维视图中，导入需要的人体模型，调出该面板，选定参数，基于三维空间中OpenGL拾取技术完成缝合信息的快速设定[5].缝合信息可清晰直观地展示在三维空间中，所示即所需，图4中(b)为女士连衣裙缝合信息的侧视图.

2.3拓展的虚拟缝合

广泛应用于织物仿真领域的织物模型是Provot提出的经典质点弹簧模型[6].任意形状的服装衣片都需均匀受力，才能模拟布料属性.为此，将衣片离散为几乎均匀分布的三角形网格，并以此为几何载体，构造简化的质点弹簧模型，如图5所示.

图5　简化的质点弹簧模型

当服装衣片发生变形或运动时，质点弹簧模型中的质点受力产生位移.虚拟缝合试穿过程中，质点所受力包括空气阻尼力、缝合力、重力、与其他质点或人模发生碰撞时的阻碍力、人模的支撑力以及弹性变形力.根据牛顿第二定律建立质点运动方程，采用Verlet积分方法进行动力学求解，实现缝合过程及试穿效果的仿真.基于三维空间变换原理，系统提供交互技术可切换到任意角度观察服装的试穿效果.

服装种类款式良多，因此虚拟缝合种类不一.根据缝合成型后的缝合痕迹可将虚拟缝合分为1字型缝合、T字型缝合和十字型缝合.为模拟服装试穿效果，将原有1字型缝合方法[4]拓展，使之适用于T字型缝合和十字型缝合.系统提供菜单“服装仿真”，用户单击可开始服装的虚拟缝合及试穿模拟，全程可视，且用户可选任意角度进行观察.图6为多款服装的虚拟缝合及试穿效果的展示，图7为同款服装不同角度的缝合试穿效果展示.

a)圆短裙　　　　　　　　　b)马甲　　　　　　　　　c)连衣裙　　　　　　　　　d)一步裙

a)背面　　　　　b)正面　　　　　c)侧面

3　总　结

基于织物的质点——弹簧模型，拓展虚拟缝合方法，采用Verlet积分方法进行动力学求解，设计并开发的三维服装虚拟仿真系统，实现了多款服装的任意形状的衣片信息获取、三维空间中基于边框线段的交互式缝合信息设定，清晰直观地显示“所见即所设”的缝合信息，真实有效地模拟了多款服装全方位的虚拟试穿效果.

随着电子商务的深入发展及计算机硬件计算能力地提升，作为全球最大的服装消费市场和生产基地，我国服装行业的信息化实力提升，对于增强国内品牌在国际市场上的竞争力有重要且关键的意义.三维服装虚拟仿真系统的设计与实现使得互联网试穿服装进一步成为可能，有望改善消费者的购物体验，明显提升了我国服装领域的信息化实力，为我国服装行业的蓬勃发展注入了时代活力.

[1]LIU Yongjin,ZHANG Dongliang,Yuen M M F.A survey on CAD methods in 3D garment design[J].Computers in Industry,2010,61(6):576～593

[2]张尧烨,孙正兴,刘凯，等.基于手绘轮廓的3维服饰模型生成[J].中国图像图形学报,2010,15(6):964～970

[3]Dave Shreiner,Graham Sellers,John Kessenich,et al.OpenGL编程指南[M].第7版.北京：机械工业出版社,2009:383～400

[4]陈青青.三维虚拟服装缝合技术及布料仿真的研究与实现[D].福建：厦门大学,2009:1～75

[5]唐勇,甄同妙,吕梦雅,等.快速设定三维空间中服装缝合信息的新算法[J].纺织学报,2014,35(4):126～134

[6]Provt X.Deformation Constraint in a Mass-Spring Model to Describe Rigid Cloth Behavior[C].Proceedings of Graphics Interface,1995,147～154

Design and Implementation of an Interactive System for Simulating Garments Based on Mass-spring Model

ZHEN Tong-miao，JI Gao-qing，FU Jiang-long，YANG Yang，CHEN Su-jun

(College of Information Engineering，Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

Based on mass-spring model and combined with the picking technique in OpenGL and virtual stitching technique,an interactive system for virtually simulating garments is designed and implemented.In this system,garment’s information is got and dispersed,stitching information could be rapidly set in 3D space,and virtual stitching could be implemented,finally achieving the virtual trying-on effect for a variety of clothes.

mass-spring model；clothing virtual simulation；effect of virtual trying-on simulation；interactive

2016-03-09

甄同妙(1986-)，女，助教，硕士.主要研究方向为计算机虚拟仿真和图形学.

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