基于人体特征点的女性上体曲面展平技术

杨 敏，杨慧芳，王朝晖

(1.郑州理工职业学院 艺术传媒系，河南 郑州 450000； 2.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051)

数字化个性服装样板生成技术是服装研究的重要方向之一，其技术的实现对服装个性化定制技术的发展和服装产业数字化、自动化、智能化方向的发展具有重要的促进意义。数字化服装样板自动生成技术主要分为二类[1]，一是基于一维人体数据的样板实现技术(包括传统放码样板修改法、参数化设计自动打板技术、人工智能样板设计法)；二是三维人体或服装模型的二维展平技术。

传统放码样板修改法目前应用较为广泛，但存在很多问题：构建放码点的编号规则需要消耗大量的时间，目前尚无相关标准[2-3]。基于参数化设计自动打板技术[4-5]以计算机系统为基础，确定服装纸样结构参数的约束关系，但由于服装纸样的图形规律性较差，对制板技术人员要求较高，因此该方法难以满足流行趋势影响下版型多样化的设计需求。人工智能样板设计法[6-7]对服装流行市场的反应速度较迟缓，所以目前该技术仍然停留在实验阶段，可行性不高。

基于一维人体数据的3种样板实现技术对人体尺寸信息考虑均不够全面，难以满足由流行趋势中服装款式变化引起的个性化服装制板技术的变化。随着三维扫描技术和曲面展平技术的发展，三维模型的曲面展平技术成为服装行业研究的热点和趋势。三维模型的曲面展平技术能充分考虑人体各个部位的尺寸数据，更准确地解读人体。

目前已有相关研究[8-10]证明了以三维测量数据为基础的服装样板自动生成技术的可行性。但现有的三维人体模型曲面展平技术生成的“样板”在实用性上存在不足，与实际服装样板相比存在一定差距，需要进一步改进。

本文在对人体进行三维扫描的基础上，运用曲面重构技术构建三维人体模型，借助曲面展平技术[11]生成女性上体的二维矢量样板图，为个性化定制系统提供有利参考。

1 基于三维测量数据的三维人体模型重构

1.1 三维人体模型数据的采集

本文用非接触式三维扫描测量方法采集三维人体模型的点云数据。非接触式测量方法能快速准确地获取人体表面形状特征数据，避免测量过程中因姿势、外在力等因素对测量精度的影响[12-13]。

非接触式三维扫描测量采用NX-16 3D Body Scanner三维人体扫描仪(美国[TC]2公司)。实验对象为随机选取的一名165/86A女性，以保证完全有效地表达实验方法。

三维人体扫描仪获取受试者右腿、左腿、躯干、左臂、右臂、左手、右手和头部等部分的点云数据。每个部分由二类数据构成：①三维坐标(x，y，z)逐行排列构成的顺序列表矩阵;②由构成三维网络小平面的坐标序列号索引构成的矩阵。

1.2 三维人体模型的重构

以点云数据为基础进行曲面造型的方法被称为曲面重构[14]。点云数据的处理是构建三维人体模型的基础和关键技术之一，而构建三维人体模型是进行人体特征提取和分析的基础和前提。本文采用逆向工程软件Rapidform XOR3处理点云数据。点云数据的处理包括：点云数据的降噪、点云数据精简、点云数据合并、补洞和光滑处理。

①点云数据的降噪。在扫描过程中，由于扫描设备轻微震动、扫描校准不精确、身体部位晃动以及测量系统本身影响等因素，测量数据会存在系统误差和随机误差，导致测量结果重构的曲线和曲面不平滑[15]。因此降噪是保证后续准确建模的必须步骤。

②点云数据合并。合并了三维人体扫描仪输出的头部、左腿、右腿和躯干的点云数据，其在融合时，重叠的区域被有效地删除，相邻的边界被缝合在一起。

③点云数据精简。非接触测量往往会得到相当大的数据量，但过多的点云数据易影响计算机处理效率。为保证计算机的处理效率，对点云数据间互相连接形成的聚面数进行精简，在各个部位表面的平滑位置保留足够数量的点云数据，在高曲率变化位置则保留足以保证其细部特征的点云数据数量。

④补洞。受人体站立姿势、三维人体扫描仪感应装置放置位置等因素影响，封装后的多边形三维人体模型上常会出现部位盲区，即出现不同程度的点云数据缺失等问题。因此在缺口处需以“补洞”形式构建尽可能和周围曲面连续光滑或曲率相似的曲面，以此建造平滑的面。

⑤光滑处理。由于光学遮挡等原因，在三维人体模型上，人体大腿部、会阴部、肩部等处的表面存在局部尖锐性的突出，影响数据的精确性。所以需要对局部和整体的多面型曲面进行光滑处理，得到较顺滑的重建模型,即获得可以用于拟合与曲面展平的三维人体模型。

2 三维人体模型的拟合

2.1 人体特征点

由于人体体表曲面是具有复杂特征的自由曲面，因此三维人体模型的拟合需要对其体表曲面的颈部、肩部、腋部、胸部、腰部和臀部等部位进行定位。

人体体表特征由一定数量的特征线构成，特征线则是由人体特征点组成。特征点是指位于特征曲面之间的公共边界处具有特殊曲率特性的数据点[16]。通常情况下，特征点的检测依据点云数据的内在特性，比如曲率、法矢等的变化，即可找到点云数据的突出特征。

根据GB/T 16160—2008《服装用人体测量的部位与方法》、GB/T 23698—2009《三维扫描人体测量方法的一般研究》以及实际条件，选取47个人体特征点，定位人体复杂曲面。该方法区域划分合理，保证了相邻曲面之间的内置连续性，因此能够得到整体性能良好的曲面模型。

为了充分满足服装制板的需要，本文选取的47个人体特征点所在部位为：头部、颈部、肩部、臂根部、胸部、腰部、臀部、大腿、膝盖、小腿和手臂。此处各部位数据为三维人体扫描仪得到人体各部分点云数据的细化。47个人体特征点分布见表1。

表1 47个人体特征点分布

在严格遵守人体特征点定义的前提下，借助逆向工程软件Rapidform XOR3，分别在三维人体模型上标记上述47个人体特征点，得到各人体特征点的三维坐标(x,y,z)。

2.2 三维人体模型数据与人体特征点数据的转换

由于Rapidform XOR3中的三维坐标系与后续三维人体模型拟合软件中的三维坐标系不同，因此需对47个人体特征点的坐标进行转换。设Rapidform XOR3产生三维人体模型数据的坐标为(x,y,z)，转换结果坐标设为(u,r,w)，其数学转换关系式：

得出：

依照上述关系式转换坐标，得到拟合所需人体特征点的坐标数据。人体体表曲面较复杂，难以通过直接展平得到可用的服装样板。本文基于三维人体模型，重构具有人体特征的虚拟服装人台，将该人台曲面展平得到可用作服装样板的图形。

Creacompo II Torso软件(日本东丽(ACS)公司)内置可自由调节尺寸的Kjiya系列和ACS系列数字人台。该人台是由减少了控制点和精简ISO后的NURBS曲面构成，为手工拟合数字人台和三维人体模型的曲面提供便利。因此本文采用Creacompo II Torso软件，调整数字人台的NURBS曲面并实施曲面拟合操作。

2.3 三维人体模型的拟合

将三维人体模型转换数据导入Creacompo II Torso软件后，形成初始虚拟人台。初始虚拟人台与软件内人台朝向和位置大致相同。由于该软件内数字人台型号有限，拟合时应选取身高、胸围、腰围、臀围尺寸与三维扫描得到的人体数据尺寸最相近的数字人台。基于以上标准，选取Creacompo II Torso软件中的kjiya_Newkypris_9AR数字人台进行后续的拟合。该人台尺寸信息分别是：身高160 cm，胸围83 cm，腰围64 cm，臀围89 cm。

人体体型的多样性和人台体型的单一性，导致人体和人台同一部位的局部形态并不相同，因此三维人体模型曲面和数字人台曲面并不十分吻合。为得到逼近三维人体模型曲面的虚拟服装人台，需要在已知处理好的三维人体模型的位置，将数字人台的曲面调整到通过或贴近三维人体模型表面的过程即为拟合过程。

当kjiya_Newkypris_9AR数字人台与初始虚拟人台的胸围线(BL)、腰围线(WL)、臀围线(HL)分别均不在同一水平线时，需要调整初始虚拟人台的准确位置，使其BL、WL和HL尽量靠近数字人台的BL、WL和HL位置。在保证人体中心轴与人台中心轴位置相同的前提下，以0.1 cm的精度上下移动初始虚拟人台，使其中心轴与数字人台中心轴完全相同、其三围线与数字人台BL、WL和HL高度对应大致相同。这样的调整为后续拟合奠定了基础。人体特征点导入Creacompo II Torso软件中并调整其三维坐标，如图1所示。

图1 人体特征点导入Creacompo II Torso软件中并调整其三维坐标

从图1可以看出，调节数字人台上每个人体特征点和空间点的三维坐标，可以达到局部拟合的状态。上述的人体特征点和空间点(即拟合点)共计249个，拟合点有2种，第1种为2条及2条以上非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Splines，以下简称NURBS)[17]的交点，第2种为只在一条NURBS曲线上的点。其中NURBS常用于车辆的外形设计、人体体型模拟等领域，能够在复杂的自由曲面设计中得到各种曲面造型的特殊效果。初始虚拟人台与kjiya_Newkypris_9AR数字人台拟合的目的是生成高度符合三维人体模型特征的新的人台模型。

由于在第三方软件Rapidform XOR3中预先处理过初始虚拟人台表面，因此导入到Creacompo II Torso软件中时，初始虚拟人台表面为不可更改状态。这种状态为拟合过程提供良好的基底模板。拟合形成的网格曲面显示部分为使用者提供了可调节的虚拟人台。

基于专家建议和经验，此初始虚拟人台提供了：纬向线12条(前片6条，后片6条)，经向线12条(前片6条，后片6条)，维向线5条(颈部1条，臂根部1条，BL1条，WL1条，HL1条)。这29条NURBS曲线分别对应服装用人体特征的曲线，其所组成的曲面能准确反映服装用人体特征曲面。165/86A初始虚拟人台拟合后的NURBS曲面如图2所示。

图2 165/86A初始虚拟人台拟合后的NURBS曲面

在拟合过程中，臀围线以上的拟合标准是NURBS曲面尽可能在或者贴近三维人体模型表面，以满足女上装制板对人体形状和尺寸的需求。本文研究女上装，对臀围以下部位的具体需求较小，因此臀围以下部位的前中心线以腹凸点为基准竖直向下，后中心线以臀凸点为基准竖直向下，侧面位置拟合人体表面，侧面到后中心线、侧面到前中心线的区域保持平滑状态即可。拟合得到的虚拟服装人台，保留拟合时的经向线和纬向线。165/86A虚拟服装人台见图3。

图3 165/86A虚拟服装人台

为验证虚拟服装人台的有效性，选取虚拟服装人台的21项指标尺寸与人体数据进行对比。这些尺寸分别涵盖了体表实长、高度和宽度等。165/86A人体与虚拟服装人台尺寸对比见表2。

表2 165/86A人体与虚拟服装人台尺寸对比

人体数据和虚拟服装人台数据的对比结果表明，绝对误差在0.6 cm以内，相对误差值在2.11%以内。根据服装设计余量中0.5～2.0 cm范围的要求[18]，可知此虚拟服装人台的构建能够良好的反映人体的特征。

3 三维人体模型的展平

3.1 虚拟服装人台的曲面展平

人体表面的复杂曲面从三维到二维的转换，应该满足以下要求：①展平前后，三维曲面与二维衣片的面积近似相等；②展平前后，三维曲面与二维衣片的边界曲线长度应该一致；③展平前后，三维曲面与二维衣片的关键点位置互相对应。

满足以上要求，合理的曲面展平方式能有效提高曲面的展平效果和效率。在曲面造型过程中，当曲面两两相交时，一般以曲面间的交线为分割边界实施切割。这类技术在均匀变化的几何形态明显的曲面交互造型拥有广泛的应用。

本文借助Creacompo II Torso软件，在曲面不同部位绘制分割线，构成的分割线网能够有效地进行曲面展平。

女装原型普遍以右半身原型形式展示，且除个别特殊情况外人体左、右半身基本保持对称状态。为方便研究，本文以在构成面上的网格线为切开位置，展平虚拟服装人台的右半身曲面，得到右半身的二维矢量样板图。

制定分割线位置具体如下，纬向6条分割线分别为：颈围线、肩线、胸围线、腰围线、臀围线和大腿中央线(经过特征点中大腿中央点的水平线)；经向7条分割线分别为：前中心线、经过BP点的分割线、经过胸宽点胯骨突出点的分割线、体侧线、经过背宽点的分割线、经过肩胛骨突出点的分割线和后中心线。165/86A虚拟服装人台的展平分割线位置见图4。

图4 165/86A虚拟服装人台的展平分割线位置

根据曲面展平分割线，虚拟服装人台的前半身分为6个部分，上下各3部分；后半身分为6个部分，上下各3部分，共计12部分。从前中心线至侧缝位置，从图4可以看出，前半身腰围线以上部分依次为第1、2、3部分，腰围线以下部分依次为第7、8、9部分；从后中心线至侧缝位置，后半身腰围线以上部分依次为第4、5、6部分，后半身腰围线以下部分依次为第10、11、12部分。

由此虚拟服装人台右半部分被划分为12个部分，且每个部分分别可展开。基于对每个部分在保持表面边长不变、面积不变的前提下，进行三维到二维的转换。每个部分以上述展平分割线为切开展平的位置，将虚拟服装人台曲面展平，生成不规则多边形矢量图形。这些不规则多边形矢量图形即组成二维矢量样板图。165/86A人体的二维矢量样板图见图5。

BL—胸围线；HL—臀围线；CBL—后中心线；CFL—前中心线。图5 165/86A人体的二维矢量样板图

3.2 160/84A人台曲面展平

本文选择160/84A人台，并对人台曲面进行展平，用于标准样板生成规则的开发。

160/84A人台只有躯干部分，无手臂和下肢，由于扫描仪器的需要，需要将人台装上假肢(用白色全开纸制作)。对于扫描得到的人台数据，首先对其进行降噪、合并、精简、补洞和光滑，再提取人体特征点的坐标，最后拟合得到虚拟服装人台。160/84A人台的虚拟服装人台见图6。

图6 160/84A人台的虚拟服装人台

根据测量得知，160/84A人台数据与其虚拟服装人台数据的绝对误差值控制在0.5 cm以内，相对误差控制在2.36%以内，根据服装设计余量中0.5～2.0 cm范围的要求[19]，可知此虚拟人台的构建能够良好的反应人体的特征。

将160/84A人台的虚拟服装人台进行曲面展平，得到展平矢量图。160/84A人台的二维矢量样板图见图7。

图7 160/84A人台的二维矢量样板图

4 结束语

本文用三维扫描技术进行人体扫描，将得到的三维人体数据在Rapidform XOR3软件中进行降噪、合并、数据精简、补洞和光滑处理等操作，建立了光滑的三维人体模型，重构了人体表面。基于GB/T 16160—2008、GB/T 23698—2009，挑选并提取47个人体特征点的三维坐标，实现了对三维人体模型进行特征部位的定位。通过NURBS曲面逼近三维人体模型表面的方法进行三维人体模型的拟合，获得了符合个体特征的虚拟服装人台。最后，对虚拟服装人台模型设置纬向6条、经向7条的切割线，把虚拟服装人台表面按照分割线的位置进行曲面展平，得到12片二维矢量样板图。本文得到的二维矢量样板图是构建个性化服装原型的重要依据，对实现从矢量样板图到服装原型的研究奠定了基础。后续研究可从矢量样板图到款式个性化版型的实现入手，针对研究现状及行业未来发展方向，实现从三维数据到三维服装的个性化定制。