数字化服装三维人体建模方法综述

张小妞，王 军，张春媛(， )

企业对服装市场快速反应，可在短时间内按照终端客户的需求进行生产、销售，提高行业竞争力，而计算机数字化和信息化技术是企业提升快速反应能力的手段之一[1]。近年来三维服装CAD技术、虚拟服装设计及试衣技术等数字化服装建模技术成为研究热点，这对于服装企业的个性化定制服务、虚拟服装展示、虚拟试衣系统等都具有重要意义。本文对现有的数字化服装三维人体建模研究方法、思路进行了归纳总结，为相关工作提供一定参考。

1 三维人体扫描技术

三维人体扫描技术是以现代光学技术为基础，融光学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉和信息传感等为一体的高科技技术[2]。三维人体扫描仪系统主要由光源、成像设备、数据存储及处理系统组成。首先光源照射人体，然后通过软件控制相机阵列同时拍摄物体的各个角度影像，再将得到的影像导入到数据处理软件，提取人体各部位的尺寸信息建立模型，最后模型数据可导出为主流3D软件支持的格式[3]，运行流程图如图1所示。

图1 三维扫描运行流程

1.1 三维人体扫描仪器

三维人体扫描测量技术主要是利用三维扫描仪对投射到人体表面的光进行快速扫描，得到精确完整的人体点云数据。目前国际上常用的人体扫描仪[4]主要有基于结构光投影的三维扫描系统和基于激光扫描的三维扫描系统(如表1所示)。三维人体扫描测量系统与传统测量技术相比其优点在于扫描时间短、精确度高、测量部位多等。如德国的TechMath扫描仪仅20秒就可捕捉人体的80000个数据点，获得人体相关的85个部位尺寸值，精确度为<±0.2 mm；美国的TC2可迅速获得人体的80多个数据，全面精确地反映人体体型情况[5]。

1.2 三维人体扫描的原理

目前，国内外人体扫描系统的主要结构基本都为三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备。采用非接触式高速激光测量获得人体的几何图形数据或影像数据，采集的点数据和影像数据通过后处理软件进行处理，转换成坐标系中的空间位置或模型，最终得到人体的精确数据和人体的三维形态档案。控制软件和数据处理软件必须通过现阶段三维人体扫描系统的使用才能发挥作用。控制软件通常是操作软件，可获取数据，对数据进行相应处理；数据处理软件多为第三方企业提供的详细人体扫描数据处理信息，主要用于数据处理[6]。

2 三维人体建模技术

人体表面是一个复杂的曲面，研究者应根据不同需求选择合适的方法进行人体建模。三维人体建模的基础是通过三维人体测量获取人体尺寸数据，再对获取的数据进行特征数据提取和分析。应用于虚拟试衣系统的人体建模[7]方法主要有三种：基于软件的人体建模、基于三维扫描的人体建模和基于人体照片信息的人体建模。

表1 常见的三维扫描仪器

2.1 基于建模软件的人体建模

首先根据人体体型特征，利用3Ds Max、Maya、Matlab等建模软件[8]构建标准化三维人体模型，也可以对试衣系统自带的人体模型进行修改调整，获得与特定人体接近的个性化三维人体模型。为后期调用方便，可将人体模型根据应用场合的不同存储成不同格式。

禹素萍[9]探究了基于 Kinect 对人体的不同区域的测量。第一步推导出合理的坐标转化公式对点云进行处理；第二步为了实现分块点云的拼接和三维人体模型的重建，可以使用三点对齐法和Delaunay三角剖分法达到重建的效果；第三步使用Matlab 软件进行仿真。这种建模的方法使三维建模变得简单，能够准确获取人体表面数据，同时模型的恢复效果相对较好；李宋明[10]利用VC++和OpenGL建立了三维人台仿真模型，效率和精度较高，为服装造型和着装仿真的研究提供基础；陈君[11]结合建模软件Poser和Java 3D两者的优点实现了模型的交互控制，建模速度快，人体静态模型逼真、交互良好，为静态建模技术的研究提供参考。

基于建模软件的人体建模方法对操作人员的依赖性极大，效率较低，所以仅适用于小规模的人体建模。

2.2 基于三维扫描技术的人体建模

利用三维人体扫描系统作为数据输出系统设备，通过快速扫描人体，可产生几十万甚至几百万个人体数据点，即人体点云。人体点云虽然能表达人体表面的一些特征，但往往包含大量多余的信息，如噪点、空洞等，因此要对这些数据进行降噪、精简、孔洞修补、表面重建等以构建个性化的三维人体模型。应用三维扫描技术构建的三维人体模型具有精确、应用场合广泛的优点，但数据处理算法复杂、建模耗时。近年来很多国家建立了相应的数据库，如美国的Size US数据库[12]、日本的HQL数据库等。目前汤立等人[13]以及刘载文等人[14]对基于三维扫描技术的建模方法进行了分类和描述，本文将重建技术分为人体曲面模型、构建实体模型和基于物理的人体模型。

2.2.1人体曲面模型

三维建模中用的最多的一种方法是曲面建模法。因为曲面模型对三维人体的表面信息进行了描述，所以曲面建模可以对隐藏线进行消除处理，且具有真实感。但曲面建模没有定义人体实心部分，与实体模型相比，无法进行剖面处理[15]。曲面模型是用顶点、边、表面三种拓扑关系来表示和建立人体模型，三角曲面片逼近法、参数曲面建模法等是曲面建模常用的方法。

杨子田[16]为得到标准中间体点云模型，通过研究标准中间体特征部位关系，建立特征部位与人体身高和胸围的回归方程，采用形状因子方法对点云模型进行调整，并在Matlab环境下，通过NURBS工具箱准确地实现了曲面建模，最终得到标准中间体模型；郑晓慧等人[17]采用参数回归技术构建三维工效虚拟人的建模方法，以人体尺寸数据库和人体三维点云数据为基础，结合综合参数标准差和相关性分析结果，提高了虚拟人模型的总体覆盖率，使得到的三维虚拟模型有较好的代表性；Xu Jun[18]通过整合两个能量函数解决三维服装人体建模问题，然后利用表面建模技术模拟人体三维服装。

2.2.2实体模型

目前实体建模技术增加了三维人体模型实心部分的表达，这种技术的增加使信息更加完备，同时也可以得到无二义性的人体描述。实体建模的优点是提供了人体的几何和拓扑信息，具有局部控制效应，可以实现人体的消隐、真实感人体模型的显示等[19]。缺点是此模型的数据量大、计算耗时、硬件要求高。实体建模方法中对人体的表达主要有3种方式：基于体素分解的方式、构造实体几何和多面体建模。杨红庄等人[20]提出了利用深度图像的纹理贴图算法和自动补洞算法可在较短时间自动地获得完整的人像几何模型和进行纹理重建。

2.2.3物理模型

对于人体表面外部几何特征的表述，主要通过线框模型、曲面模型和实体模型，而缺乏对人体本身所具有的物理特征以及人体所处的外部环境因素的表述。为了弥补线框模型、曲面模型和实体模型三种建模方法的不足，在建模过程中引入了物理模型。物理模型通过人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素及时间变量，来获得更加真实的建模效果，并对人体的动态过程进行有效的描述[21]。但是在该建模过程中，物理模型多采用微分方程组的形式表达，计算较为复杂。

2.3 基于人体照片信息的人体建模

该方法利用数码设备拍摄人体正、背、侧面的二维图像，软件系统采用一定的算法进行图像处理，通过提取人体轮廓线、截面线、特征尺寸等，快速生成个性化三维人体模型。该方法涉及的主要技术有：针对人体照片信息的人体特征元素提取方法、人体二维尺寸信息与三维尺寸信息的转换、基于人体特征尺寸和特征曲线的三维人体模型构建等。目前这种基于图像的人体尺寸自动获取还仅局限于对尺寸数量要求不多的服装设计与加工，但随着二维信息推算三维信息技术的进一步成熟和完善，有可能成为一种非常便捷的非接触式测量方法。

李基拓等人[22]基于正、侧、背面4幅正交人体图像，以截面环为基本几何元素，得出了模板人体模型的生成和变形方法，变形模板人体模型后得到带服饰纹理的个性化虚拟人，建立了截面环和三维人体骨架之间的内在联系，自动提取图像上的人体特征。该方法建立在基于特征的参数化框架基础上，使变形更可控，并消除了三维模型和二维图像之间对应的不确定性，避免了人体变形中的自交现象，效率高、真实感好。

3 三维人体建模在虚拟试衣中的应用

三维人体测量和人体建模技术是实现虚拟试衣技术的前提和基础，通过三维人体扫描系统快速获取人体表面数据信息，进行人体表面重建，建立标准化的人台模型或者个性化人体模型，进而实现三维服装展示。目前虚拟试衣技术已可对着装人体进行动态模拟，而虚拟模特走台、虚拟时装发布会等还需进一步开发。

4 结语

本文对三维扫描系统的常用系统和原理进行分析介绍，对现有建模技术进行阐述，总结了现有建模技术上的优缺点，同时介绍了三维人体建模软件在虚拟试衣中的应用及研究方向。三维人体建模可提高设计效率、提升生产效益、简化服装定制流程等，应用前景较好。

参考文献：

[1] 凌红建.数字化服装生产管理[M].上海：东华大学出版社,2014.

[2] 王军，李晓久.基于三维测量的数字化服装应用研究综述[J].纺织导报,2011，(11):82—84.

[3] 朱广舟.数字化服装设计：三维人体建模与虚拟缝合试衣技术[M].北京：中国纺织出版社,2014.

[4] 徐青青.数字化服装设计与管理[M].北京：中国纺织出版社,2006.

[5] 陈继民.3D打印技术基础教程[M].北京：国防工业出版社,2016.

[6] 陈桂林.数字化服装设计：三维模拟试衣技术[M].北京：中国纺织出版社,2012.

[7] 王璐璐，王军，伞文，等.数字化服装设计的发展与技术创新研究[J].山东纺织科技,2016，57(5):35—38.

[8] 薛航.三维角色动画设计与制作[M].上海：复旦大学出版社,2011.

[9] 禹素萍，郁晓慧，许武军，等.基于Kinect的三维人体分块点云数据的拼接与模型重建[J].计算机应用与软件,2016，33(1)：219—248.

[10] 李宋明，林德静.基于POSER的三维服装人台模型[J].北京服装学院学报(自然科学版), 2009 , 29 (1):22—25，31.

[11] 陈君.基于Java 3D的三维人体静态建模技术研究[D].武汉：武汉纺织大学,2010.

[12] Thoysten Bretschneider,Urte Koop,Volker Schreiner,et al.Validation of the Body Scanner as A Measuring Tool for A Rapid Quantification of Body Shape[J].Skin Research and Technology,2009,15(3):364—369.

[13] 汤立，孙影慧.数字化服装工程中三维人体建模方法概述[J].国际纺织导报,2017，45(7)：62—65.

[14] 刘载文，连晓峰，王小艺.数字人体建模仿真方法及在三维服装CAD的应用[A]. 2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C].北京：中国科学技术大学出版社,2008：429—433.

[15] 谷林,张欣.服装CAD中三维人体建模方法综述[J].针织工业,2006，(5):36—38.

[16] 杨子田，杨阳，水翠翠.基于平均体模型的标准中间体人台建模方法[J].天津工业大学学报,2015，34(2)：28—32.

[17] 郑晓慧，丁松涛，周前祥，等.参数化三维工效虚拟人建模技术研究[J].系统仿真学报,2014，26 (6) :1187—1190.

[18] Xu Jun. Human 3D Garment Modeling Method based on Surface Modeling Technology[J]. Eighth International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,2016，(36):323—326.

[19] 杨斌.基于人体的点云数据处理与虚拟人体建模研究[D].北京：北京服装学院,2012.

[20] 杨红庄，陆炎，方清，等.全自动深度相机三维扫描系统[J].计算机辅助设计与图形学学报，2015，27 (11):2039—2045.

[21] 孙瑞丽,刘哲.计算机人体建模方法研究进展[J].丝绸,2014，51(4):41—47.

[22] 李基拓，王阳生，周霞.由正交图像造型三维个性化虚拟人体模型[J].计算机辅助设计与图形报,2008，20 (5):554—559.