基于三维视觉的服饰品虚拟设计方法研究

周露露，汪 娜

（长春理工大学光电信息学院，吉林长春 130114）

0 引 言

三维视觉技术也称立体视觉技术，是计算机视觉领域中的一个重要的研究方向。该技术以计算机作为场景构建的工具，采用多视角动态场景为待设计的物体提供一个呈现环境[1]。虚拟设计技术是一项综合性较强的技术，以计算机仿真技术作为基础，结合产品设计的不同阶段，模拟产品从设计、开发再到生产的全过程。在虚拟设计技术的支持下，使用者能够使用不同的交互手段，在三维视觉技术营造的背景下修改待设计的产品，保证虚拟设计得到的虚拟原型能够达到设计要求[2-3]。在虚拟空间内设计一个平台，以计算机作为操作媒介，可构思服装设计师想要获得的服饰效果。在虚拟设计技术的支持下设计获得的服饰品，能够为设计师带来沉浸感，并可通过各个元素的排列表达设计师的诉求。在服饰品虚拟设计方法的研究上，国外结合了一些专业设计软件，将服饰品中突出的设计元素转换为三维模拟特征，在计算机技术的辅助下，已经和工厂端形成了一个完整的生产线[4]。国内在服饰品虚拟设计上还处于起步阶段，仍需不断地研究。

基于此，本文提出一种基于三维视觉的服饰品虚拟设计方法。

1 基于三维视觉的服饰品虚拟设计方法研究

1.1 获取服饰品三维视觉数据

本设计在获取服饰品三维视觉数据时，采用贴图烘焙技术获取服饰品的像素点，并将像素点转化为相邻几何体的遮挡关系[5-6]。在光线跟踪法的参与下，服饰品的可视点发出若干条光线。服饰品的光线跟踪过程如图1 所示。

图1 光线跟踪过程

在图1 所示的光线跟踪过程下，假设服饰品p点处光线呈均匀分布，n表示服饰品的外部法向量，那么此时p点处的三维数据就可表示为：

式中：V表示服饰品的三维可见函数；ω表示服饰点p发出的方向向量。离散化处理上述数值，得到服饰点的颜色数据[7-8]，离散化处理可表示为：

式中，Ω表示服饰点所在的颜色空间，其余参数含义不变。在不同光照度的照射下，服饰品固定的颜色会表现出不同的着色效果[9-10]。根据兰伯特光照模型，构建服饰品p点的光照效应Ip，可表示为：

式中：IL表示服饰点的入射光强度；Il表示漫反射光强度参数；θ表示光线与法线的夹角。在上述处理过程得到的服饰品光照数据下，获取不同身材人体的特征数据[11-12]，以人体的平均身材测量数据均值x以及标准差Sk作为处理对象，计算得到人体的测量尺寸，计算过程可表示为：

式中μ表示测量系数。将上述计算得到的测量尺寸作为标准测量，构建一个比例缩放法满足不同身材对服饰品的需求，比例缩放法就可表示为：

式中：dx表示身体尺寸；dy表示比例缩放值；E表示缩放比例集合。根据上述比例缩放得到的尺寸，构建一个不同变量的尺寸换算过程，计算公式可表示为：

式中：r表示身体伸缩量的相关系数；SX表示变量X的标准差；SY表示变量Y的标准差。以上述获得的三维视觉数据为基础，构建服饰品虚拟模型。

1.2 构建服饰品虚拟模型

采用多角度的FFD 算法，将上述获得的三维视觉服饰数据处理为一个三维自由变形控制框架，框架结构如图2 所示。

图2 三维自由变形控制框架

在图2 的控制框架内，以框架顶点Pi,Pj,Pk作为服饰品虚拟模型的控制点，顶点的数量关系可表示为：

式中，S，T，U均表示服饰品模型的变形量。以上述控制点构建服饰点虚拟模型，然而设计师在设计过程中，难免会出现后期修改的情况[13]。假设后期修改过程是一个固定的参数坐标，此时在服饰品的三维变形下，更新后的虚拟服饰品模型就可表示为：

式中，S′，T′，U′表示三维变形后的虚拟模型位置。为了控制服饰品虚拟模型的修改时间，设定一个备选模型后，构建一个变形操作流程，如图3 所示。

在图3 所示的变形操作流程控制下，设定服饰品的纹理展示过程，最终实现虚拟方法的设计。

1.3 完成虚拟设计

使用上述构建的服饰品虚拟模型，以控制点出现重合的点作为服饰品的纹理特征，将该重复点作为隐节点，输出过程就可表示为：

式中：wij表示隐节点的坐标；α表示隐节点的网络权值；其余参数含义不变。将上述输出的隐节点集合yi整合为一个功能块数据库，不同的字段对应不同的纹理特征，则服饰品在不同透明度的控制下，能够呈现出不同的视觉效果[14]。以相同字段的纹理特征作为处理对象，计算该纹理特征的粒子透明度，计算公式可表示为：

式中：K表示粒子的透明度；ε表示淡入参数；t表示时间变化值。在时间参数的变化下，纹理特征的透明度变化如图4 所示。

在图4 所示的透明度变化下，结合不同服饰品的设计需求，选定不同的透明度数值。在透明度数值的控制下，构建服饰品实际虚拟设计时纹理特征的绘制速度，可表示为：

图4 纹理特征的透明度变化

式中A(fi)表示粒子的加速度。将计算得到的绘制速度作为虚拟帧移动速度，虚拟帧此时在三维空间中的位置就可表示为：

上述计算公式中各项参数含义保持不变。不断整合虚拟帧在三维空间中的位置[15]，最终形成一个虚拟装饰品。综合上述处理过程，最终完成三维视觉的服饰品虚拟设计方法的研究。

2 仿真实验

2.1 实验准备

选定一个中等配置的计算机，搭建虚拟设计方法的实验环境，计算机的配置参数如表1 所示。

表1 计算机的配置参数

在表1 各项参数控制下，采用可视化编程语言工具VB.NET 开发服饰品的虚拟环境，构建的开发环境如图5 所示。

在图5 所示的开发环境下，以相同的设计服饰作为虚拟设计的对象，以二维呈现出的基准点和基准线为设计基准，设置的基准点及其基准线如图6 所示。

图5 虚拟设计的开发环境

图6 设置的基准点及基准线

在图6 所示的基准点及基准线上设置一定服饰数值后，分别采用传统虚拟设计方法、文献[11]方法以及本文方法进行实验，对比三种虚拟设计方法的性能。

2.2 结果及分析

基于上述实验准备，在相同的实验环境内，分别使用三种虚拟方法标定服饰基准线及基准点上的数据，在虚拟线及虚拟点上设置5 个信息数值后，以该信息数值作为实验对象，根据显示得到的信息数值作为信息量结果，统计三种虚拟设计方法的实验结果，如表2 所示。

由表2 可知，三种虚拟设计方法针对相同的服饰呈现出不同的信息量结果。标定相同数量的信息数据后，根据统计数值可知，传统虚拟设计方法能够得到1～2 个服饰信息，文献[11]方法能够得到3～4 个服饰信息，而本文方法能够得到全部的服饰信息。

表2 服饰包含的信息量个

在上述实验环境下，以设定的基准线数据作为实验对象，修改基准线上的各项数据，统计三种虚拟设计方法下所需的修改时间，结果如表3 所示。

表3 基准线的修改时间s

由表3 所示的修改时间结果可知：以设定服饰的基准线作为修改对象，在三种虚拟设计方法中，传统虚拟设计方法所需的修改时间最长，平均修改时间在2.8 s左右；文献[11]方法产生的修改时间较短，平均修改时间在1.5 s 左右；而本文方法产生的平均修改时间在0.7 s左右。

保持上述实验环境不变，以肩点、侧颈点、颈椎点、乳凸点、腹凸点以及臀后凸点作为检测点，以实际服饰模特的尺寸作为标准量，统计三种虚拟设计方法下，各个检测点产生的尺寸误差，误差结果如图7 所示。

由图7 可知：三种虚拟设计方法表现出了不同的误差结果，传统虚拟设计方法得到的服饰虚拟设计结果要大于标准尺寸0.15 mm 左右；文献[11]方法产生的误差小于标准尺寸0.1 mm 左右；而本文方法产生的误差数值在合理的控制范围内，符合服饰设计的实际标准。综合上述实验结果可知，本文方法能够包含的信息量最多，实际的误差尺寸最小，修改设定服饰基准线所需的时间最短。

图7 三种虚拟设计方法尺寸误差结果

3 结 语

虚拟现实技术的不断发展为服饰品虚拟设计带来了全新的创作方式。文中以三维视觉为基础，设计一种服饰品虚拟设计方法，能够改善现有虚拟设计方法修改信息时间过长、尺寸误差较大的不足，为今后虚拟设计服饰品提供研究方向。