三维人体建模方法研究与应用

顾佳雯,周晓琪,王 军,2,*

(1.大连工业大学 服装学院,辽宁 大连116034;2.大连工业大学 服装设计与工程国家级实验教学示范中心,辽宁 大连116034)

近几年三维人体建模的应用领域愈发广泛,例如虚拟试衣、服装个性化设计、服装样板自动生成、服装教学、影视游戏制作、医疗医学等方面。随着数字化服装的发展,建立三维人体模型也有了更多的方法,选择恰当的工具和方式可以更高效得到具有针对性的人体模型,一个项目也可综合使用多种建模方式来实现。但三维人体模型的建立仍存在着困难点,例如,人体表面形态复杂,并且很难满足体表无遮挡条件;人体体表形态的呈现会随着站姿、呼吸深度和肌肉紧张程度等不断变化;运用在服装方面的人体模型对身体姿态会有不同的要求等。

介绍了3种人体建模的方式,分别是基于建模软件、三维扫描设备和二维图像,从三者的技术特点、拓展应用和适用领域等方面进行梳理,以期为三维人体建模技术在服装领域的应用提供一定的帮助。

1 基于软件的三维人体建模

软件制作的三维人体模型多运用于游戏动画等对模型精度要求不是特别高的领域,目前市场上使用较多的建模软件有3DMax、Maya、ZBrush等。利用建模软件建立人体模型要求操作人员熟悉人体结构,特别关注人体身形比例和整体布线。普通人体的比例是七个头到七点五个头之间;人体的整体布线要均匀,疏密均匀,主要根据肌肉的走向,同时要控制模型面数,为后续切面调整做好充分的准备[1]。以Maya软件为例建立三维人体背部、手臂和腿部的肌腱,如图1所示。

图1 Maya软件三维人体部分肌腱建模示例

建模软件常用的建模方法是多边形建模和面片建模,不同的建模方式适用于不同的模型,以此提高工作效率和灵活性。在制作模型过程中要注意从各个方位观察整体模型是否符合人体架构框架。

1.1 基于软件人体建模的研究与应用

劳秀霞[2]针对被建模物体的结构特征将建模方法分为两种:堆砌建模法和细分建模法。外形比较规则的物体,例如螺丝等零件,选择堆砌建模法;外形不规则的物体,例如鞋子等物体,选择细分建模法。建模时可根据建模对象结合使用堆砌建模法和细分建模法。以人体模型为例,先对整体使用堆砌建模法提升建模效率,然后对局部使用细分建模法增加模型精细度。

杨春子[3]为分析建模技术在医学领域的应用,利用建模软件Maya建立了一个标准男性头骨模型。建立头骨模型需要了解并掌握头骨的构造,也可通过男性头骨正、侧两张图片辅助建模。在视野中建立的正方体上进行线段分割,调整大致轮廓,完善细节。以上步骤能制作出大致的头骨模型,利用Shade等渲染工具能让模型显示更为逼真,部分操作过程及渲染后效果如图2所示。

图2 Maya构建标准男性头骨模型部分过程图及渲染后效果图

吕珍[4]对现有技术进行改进,通过读取3DS文件并结合OpenGL构建三维人体模型及服装试穿。首先利用3DMax获得三维人体及服装模型,通过Delphi编程语言从3DS文件中提取有效的人体曲面信息,然后根据得到的数据进行人体和服装的拟合,最终得到需要的人体和服装模型。通过OpenGL的模型视图变换函数可使人体模型随意旋转,并且利用纹理映射技术模拟不同服装材质,方便服装设计者多角度观察不同面料的着装效果。

1.2 基于软件人体建模的技术特点

软件建模的设计过程直观明了,在软件中可对模型进行编辑,提升了模型的复用率。基于建模软件建立人体模型在很大程度上依赖于操作人员的技术,操作人员必须熟悉人体的各种形态和结构。

单纯使用建模软件很难做到完美还原人体真实数据,所以在服装行业使用的人体模型很少直接由建模软件建立;在软件中修改人体数据较为方便,因此建模软件常与其他技术结合使用来制作出更好的模型效果。

2 基于三维扫描设备的人体建模

基于三维扫描仪的人体建模是通过扫描设备对人体进行扫描,获取人体表面的数据信息,再通过对扫描数据进一步处理重建三维人体模型。三维扫描技术在过去的几十年里得到了显著的改进,目前市场上已有不少3D扫描仪,例如FastScan扫描人体头部的效果,如图3所示[5]。

图3 FastScan扫描人体头部效果

根据不同的扫描仪工作原理,三维扫描仪获取人体点云信息的方法多种多样,例如红外线测量法、激光扫描法、白光相位法、莫尔条纹法等,其中结合激光扫描法和白光相位法来获取三维点云数据的方法最为广泛,该方法具有速度快、稳定性强和准确度高的优点[6]。

基于三维扫描技术与基于建模软件技术建立的模型存在显著差异,前者扫描得到的模型表面是三角面片,拓扑结构也不整齐,后者是便于编辑的四边形面片。三维扫描重建人体模型通常需要与建模软件相配合,目前逆向建模常用的软件有Geomagic Design X,Creo,UG以及国产软件中望3D等[7]。

2.1 基于三维扫描人体建模的研究与应用

刘烈金[8]使用自主研发的XTBodyScan三维人体扫描系统获得三维彩色人体模型。这项技术的关键是采用了散斑投射的主动测量,这样的投射能够使投射的散斑图案保持较高的清晰度和均匀的亮度,便于后续特征点的搜索,提高匹配率。该系统扫描在1 s内完成,有效减少人体晃动产生的误差,大大提升精度,但仍然存在一些不足,例如光线测量不到的部位会造成数据缺失从而形成孔洞。

SU[9]对三维扫描得到的数据进行改变组装,用于生成个性化的图案原型。使用SYMCAD全身扫描仪得到青年女性身体数据,研究了颈部、胸部、肩胛骨、腰部等身体特征。建立身体特征和相应元素之间的关系后将数据根据分级改变,最后将每个个性化的元素组合成一个整体,呈现出一个个性化的原型。

固定式扫描仪成本高,难以达到普及性,Kinect深度相机的出现降低了人体建模的成本,实际应用效果较好[10]。Kinect由多阵列麦克风、红外摄像头、RGB摄像头和红外发射器组成,不受光照和温度等外界条件的影响。

王欢等[11]针对三维重建中的点云配准问题,提出一种基于点云特征的自动配准算法。首先将Kinect传感器采集的图像转化为三维点云,对原始点云数据进行滤波。然后通过算法进行特征提取和查找对应点集,估计对应点对间的初始转换矩阵,在初始配准的基础上运用算法做精细配准。该方法降低了计算复杂度,具有较高的可操作性和鲁棒性,具体算法流程如图4所示。

图4 基于点云特征的自动配准算法流程图

袁仁奇[12]为提升人体建模精确度以便后续使用,将Kinect体感设备与软硬件连接、集成,搭建面向真人的三维人体模型重建系统,系统设计原理如图5所示。系统采用非线性模板拟合法重建出三维人体网格模型,将重建的模型以通用标准三维人体模型为模板进行姿态、体态拟合,最终得到与实际数据十分接近的人体模型。

图5 Kinect人体扫描系统的设计原理

2.2 基于三维扫描人体建模的技术特点

基于三维扫描的人体建模技术具有精度高、速度快、非接触测量等优点,得到的模型更加具有真实性,可适用于3D打印、影视游戏、虚拟现实等领域,尤其在服装行业中的服装设计、私人定制和虚拟试衣等方面发挥重要的作用。

影响三维扫描结果的因素很多,例如人体站姿与晃动、设备完成扫描的时间、软件对特征点的识别等,因此使用三维扫描技术建立人体模型在很长一段时间内仍然离不开人工建模[13]。三维扫描技术与建模软件相辅相成,三维扫描技术给建模软件提供相对精确的符合人体真实数据的模型,利用建模软件对三维扫描的不完整模型进行修补。

3 基于二维图像的人体建模

基于二维图像建立三维人体模型包括基于单幅图像、立体视觉、运动相机以及深度图像等方法。在二维图像信息采集中,摄像头设备采集到的二维人体图像往往包含丰富的细节,例如衣服褶皱等纹理信息。比较三维图形和二维图像建模的技术,三维图形建模方法的效率较低,使用二维图像建模方法可以通过对图像像素去噪滤波等操作提升效率[14]。

3.1 基于二维图像建模的研究与应用

董鹏辉[15]利用数据驱动和机器学习,将人体图像信息通过数码设备录入系统,再通过滤波、去噪等技术处理得到人体信息,生成较为真实的三维人体模型,探讨了图像建模的整体流程,如图6所示。

图6 基于图像的三维重建流程图

张广翩[16]提出一种新型的方法,与传统通过三维点云重建三维网格模型方法不同,只需输入单张二维点云图,通过设计好的一系列网络得到最终的三维人体模型。这种基于二维点云图像建立三维人体模型的方法,考虑到人体表面形状复杂度的同时处理破损的二维点云,该方法对人体姿势的要求十分严格,而且单张图片获取到的轮廓信息有限,重建出来的三维人体模型侧面信息会有一定误差。

齐晓屾[17]为展现出照片中人物的体态特征,结合线性混合蒙皮和骨骼动画算法,在人物体态特征基础上,建立与运动数据相结合的可驱动三维人体模型,该系统主要用于人体三维模型的重建。在需求分析的基础上,设计了基于人体健康指数还原人物体态特征的算法,实现了数据解析、数据预处理、通用模型构建、模型调整等功能。

3.2 基于二维图像建模的技术特点

基于二维图像建立三维人体模型,通过对图像像素数据进行去噪滤波、灰度检测、轮廓检测等操作得到人体特征信息,生成个性化人体模型,因此具有建模效率较高、成本低、运用场景多、二维数据设计运算较少等优点。该方法还存在着不少挑战,例如由于人体复杂表面获得的三维点云杂乱、相机自标定的问题等,会导致重建的模型精度不高,鲁棒性差。

4 结语

近年来三维人体模型的应用愈发广泛,建立三维人体模型逐渐成为研究热点。介绍了基于建模软件、三维扫描设备和图像3种建模方法,分别举出了3种技术的研究应用、优缺点及适用领域,综述了相关领域的研究进展与发展趋势。

现阶段建立三维人体模型仍存在一些问题,例如容易受到人体着装和特殊身形的影响、模型与真实人体数据的差距、点云数据容易缺失等。随着技术的提升,可通过扩大人体模型库、完善函数与算法、开发测量设备等方式解决相关问题,三维人体建模技术的成熟将会给服装、影视等行业带来更为广阔的发展前景。