基于儿童体型标准的系列虚拟人台构建研究

刘咏梅 ，李 荣 ，肖 平

（1.东华大学服装与艺术设计学院，上海 200051；2.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海200051）

人台是设计和制作服装、控制服装在工业化生产中合体性的重要工具，对某一特定人群的体型特征具有高度的代表性，是人体体型的直接反映[1]。但实体人台的研发通常是在一定的人体测量数据的统计处理和体型分析基础上来进行设计制作[2]，研发过程不仅费时费力，成本也较高，而目前服装CAD技术已经从二维进入到了三维领域，正朝着款式更新更快、穿着更合体，更能满足顾客个性化需求方向发展，建立人体对应虚拟人台是实现服装二维到三维的重要环节，虚拟人台的构建不仅可以减少实体人台的制作成本，也能更加直观快速的展示服装的穿着效果，减少服装的制作过程和成本。

长期以来，我国服装迅速发展，服装企业、服装院校等对虚拟人台的研究不断深入，但目前的研究主要集中在开发成年实体人台和成年男女性的虚拟人台，对于符合儿童体型标准的儿童虚拟人台的开发和研究相对较少。如杨子田[3]通过MATLAB分析20～30岁女子的三维人体点云数据，得到的女子平均体虚拟人台的构建；陈美珍[4]运用逆向工程软件Rapidform XOR对18～23岁女大学生模特人体体型数据进行分析, 建立了模特群体专用虚拟人台；王颖[5]对东北华北区155名14～15岁女孩的111项人体测量数据进行分析，建立了利用尺寸与形态形成“三维”号型的方法，得到适用于该年龄段未成年人体的实体人台。为此，通过已有儿童体型标准数据建立标准化实体人台，在此基础上通过Geomagic Studio逆向工程软件处理人台模型点云数据，构建适用于服装设计及服装展示的儿童虚拟人台，这样不仅能够大大缩短从消费者需求、创意设计、个性化制造整个过程, 为服装企业减少生产成本，也能提高服装设计与开发的效率，促进服装企业适应快节奏更新的服装市场周期。

1 儿童体型标准系列人台

标准立裁人台的制作一是关键部位尺寸的确定，二是如何控制人台“型”的准确性，关键部位是控制人台“型”的人体的关键部位，也叫“控制点”[6]当前关于儿童体型的国家标准为GB/T 1335.3-2009《服装号型 儿童》、GB/T 26158-2010《中国未成年人人体尺寸》、《中国7岁以下儿童生长发育参照标准》以及WS/T 612-2018《7岁～18 岁儿童青少年身高发育等级评价》共四项标准。根据以上四个国家标准选择年龄在6～14岁、对应标准身高为115cm-160cm的儿童标准体数据作为研究对象，结合人体特征和人台制作需要选择了18项其他部位的标准参照尺寸，包括6项长度方向部位尺寸：身高、颈椎点高、会阴高、上臂长、前臂长、大腿长；2项宽度方向部位尺寸：肩宽、胸宽；10项围度方向部位尺寸：颈围、胸围、肘围、腕围、腰围、腹围、臀围、大腿围、腿肚围。

本次儿童系列标准立裁人台委托慈溪市希豪贝服装模型厂进行了定制，定制后5个儿童标准人台如图1所示，对儿童人台采用手工测量的方法进行测量。如表1所示，通过对比分析儿童人台手工测量数据与标准数据可知，两者平均值差异在1cm左右，考虑到生产和测量过程中产生的误差以及鉴于本文的研究目的，其误差范围在实验允许范围内，因此本次定制的儿童实体人台可用于下一步构建系列虚拟人台。

图1 系列儿童人台

表1 人台尺寸与标准体尺寸对比单位：cm

腹围 64.83 63.43 1.40臀围 76.17 75.06 1.11大腿围 43.33 42.33 1.00腿肚围 29.67 29.03 0.64

2 获取人台三维点云数据并重构曲面模型

2.1 人台三维点云数据获取

三维点云数据的获取是进行准确高效实现逆向软件建模的首要及关键环节，点云数据的完整性和分布均匀性有利于获取完整的三维仿真模型，省去后期修正等工作。目前国内外常用的三维人体扫描仪有TechMath-RAMSIS、Cyberware-WB4、TC2-3T6、Turbo Flash、Vitronic-Vitus、SYMCAD 等[7]。

本文所使用的是德国Human Solutions生产的Vitus Smart三维人体扫描仪，它是基于激光光学三角测量的原理，测量设备由4根测量立柱组成，每个立柱的导轨上，安装有一个激光投射器和2台CCD摄像头组成的测量感应系统，通过对前左、前右、后左、后右四个方向同时扫描，从而获取3600三维图像，保证了测量的高精度和无接触。如图2所示，对选取的儿童标准体系列人台进行扫描，并将扫描结果存储为.obj格式。

图2 人台三维扫描

2.2 点云数据优化处理

三维人体扫描仪在采集人台点云数据的过程中会不可避免地受到环境和机器本身的影响，导致三维点云数据存在分布散乱、缺失和冗余的情况，因此需要对点云数据进行优化处理[8]。

逆向工程软件是进行三维虚拟模型构建的重要工具，它能够通过在已有的实体模型或三维模型基础上获取其原始数据，对原始数据进一步处理得到需要的模型[9]。本文采用Geomagic Studio 2015逆向工程和三维检测软件，相对于传统的点-线-面重构曲面的方式，Geomagic Studio在创建模型时是以数学模型及曲面构造理论为基础，提供了基于多边形网格化快速曲面构建方式，被广泛用于点云数据处理工作中。基于Geomagic Studio软件的点云数据处理流程一般为如下：

2.2.1 渲染点云数据。Vitus Smart三维人体扫描仪在对人台进行扫描获得的点云数据是非常密集的点，在Geomagic Studio软件中显示并不是非常直观和完整。使用着色将原始点云进行渲染，增加模型三维感和真实感，如图3所示。

图3 三维点云数据模型

2.2.2 删除杂点。点云数据的排列方式通常可以分为随机类型、网格类型、线性和带有法线的点云[10]。

本次实验时，由于人台手臂与躯干之间以及大腿之间夹角较小，而扫描仪扫描方式为激光光线水平扫描，因此人台吊挂处、手臂内侧和大腿内侧形成了扫描盲区，采集得到的原始点云也不可避免地存在较多噪音。在Geomagic Studio软件中减少噪音处理可以使点云数据排布统一，有利于后续模型的封装，更好的表现真实的物体形状。2.2.3 生成多边形网格。当点云数量过大时会影响模型的光顺度和软件的运行处理速度，而且构造三角面片网格、曲面重构或评测曲面误差时，均不需要过于密集的数据点，此外，由于人台表面曲率相对较小，因此减少点云数据数量不会对结果造成明显影响。使用 “统一采样”命令，可以均衡点云中各点间距及位置，实现精简点云数据的目的。

使用封装命令对人台虚拟仿真模型进行封装，封装可以将大量的点云数据转化为多边形网格，其实质上是使许多细小的空间三角形逼近还原人台实体模型，将点云组织起来生成一个整体曲面。

2.3 多边形阶段优化处理

封装操作后点对象上创建了一个多边形网格，即是在模型管理器中创建了一个新的编辑对象，但由于原始点云数据的缺失，被测模型本身的顶点数据误差、网格算法缺陷等原因，均会造成构成多边形网格有孤立、重叠及空洞等问题的产生，因此需要对多边形曲面进行进一步优化处理。

2.3.1 修补边界。由于人台底部、颈部、手臂内侧点云数据会存在部分数据缺失的问题，如果直接对模型进行填补漏洞，会造成平面不平整，因此在填补这两个部位的漏洞前，需要进行修复。直接删除或修补缺失的部分会造成其他部分出现漏洞或面片重叠的现象。因此先使得边界处于同一平面上，然后采用先裁剪后拉伸的方法，完成边界修复。分别使用投影边界到平面、用平面裁剪和延伸边界命令完成操作。

2.3.2 填充孔洞。填充孔洞的功能用于在缺失数据的区域里创建一个新的平面或曲面来填充，可以执行全部填充和部分填充，全部填充一般用于简单结构体，对于复杂物体一般采用部分填充，根据不同孔洞类型可以选择基于曲率、基于切线和平面的填充方式。

基于平面填充原则对颈部上端进行处理，通过平面裁剪对凸凹不平的横截面进行平面截取；对手臂内侧凹陷部位使用绳索工具对凹陷的三角片进行删除，选择孔洞和边缘点云基于曲率进行单个孔洞填充。基于曲率填充孔洞的原则是：孔洞周围的三角形面片与附近面片曲率一致，无翘曲的三角形面片，可以使用填补单个孔操作完成填补。基于曲率桥接填充是在对需要去除和填充而弯曲角度的区域首先搭桥分为两个部分，之后分别进行删除和填充，对人台两侧大腿区域黏连部分进行删除，再基于另册区域及人台表面曲率桥接填充处理。模型处理前后如图4所示。

图4 填充孔洞处理

2.3.3 三角面片的相交检测与修复。经过以上多边形阶段处理后，使用网格医生对模型检查，通过自动探测并修复多边形网格的缺陷，如非流行边、自相交、高度折射角、尖壮物、小组件、小通道和小孔等，最后完成整体表面光滑、无明显孔洞的虚拟仿真模型曲面重构。对比原始模型与处理后模型，如图5所示。

图5 人台虚拟仿真模型处理

2.4 检查并输出儿童虚拟人台模型

对系列儿童虚拟人台进行相关尺寸测量，如表2所示，虚拟人台与实体人台尺寸平均差值为1cm左右，并对经处理前后的人台曲面模型偏差程度进行误差分析，得出模型处理后的最大偏差0.058cm，说明儿童虚拟仿真曲面模型整体上偏差很小，满足精度要求，可以导入VStitcher三维虚拟试衣软件中作为儿童虚拟人台进行童装款式的虚拟试衣。

表2 虚拟人台尺寸与实体人台尺寸对比单位：cm

3 三维虚拟仿真试衣应用验证

为验证构建的儿童系列虚拟人台是否符合儿童标准体型，按照儿童标准体尺寸设计女童装衬衫短裙套装、男童衬衫长度套装并放码，通过智尊宝纺CAD制作CAD样版导入VStitcher三维虚拟试衣软件中，选择本文构建的对应系列儿童虚拟人台进行虚拟缝合试穿，如图6所示，虚拟人台穿着服装非常合体，能够代替实体人台进行服装款式合体性的检验。

图6 三维虚拟仿真试衣

4 结束语

为准确构建符合儿童标准体尺寸的系列虚拟人台，使用非接触三维扫描仪获取人台点云数据后，在 Geomagic Studio软件中完成人台的数据模型重构，根据对比和偏差分析得出，本研究所获得的三维儿童标准人台数据模型误差小、质量好。儿童体型系列标准虚拟人台可代替实体人台成为制作和检验童装的重要工具，不仅有利于服装设计效果的快速展示，减少童装款式研发成本，还能缩短不同季度童装的研发周期。