三维试衣系统人体建模方法总结与系统前景展望0

三维试衣系统人体建模方法总结与系统前景展望一、引言随着服装电子商务的日益普及和网上试衣间的迅速发展，人们已不仅仅满足于简单的文字介绍和图形展示，对服装商品展示的交互性和真实性也有更高的需求。目前网上服装销售中服装展示仍然以二维服装照片为主，但是随着网络的深入、普及和开放，随着技术手段的大大加强，一些著名服装销售网站已经开始利用虚拟现实技术向广大消费者提供虚拟试穿服务，力求让网络购物与实地购物的差别越来越小。如美国的Landsend公司在互联网上可建立顾客的人体虚拟模型，通过顾客的简单操作，可试穿该公司所推出的服装，还可进行立体互动设计，直到顾客满意为止。虚拟现实技术是一种应用在Internet和web上的超链接、多用户交互、独立于计算机平台的三维造型和渲染的图形技术1。虚拟现实技术的图形渲染是实时的，实现了在虚拟场景中的人机交互性。三维试衣系统正是利用虚拟现实的这种实时性，通过用户用鼠标或者键盘控制浏览方向，将场景中的模型任意的移动、旋转和缩放，实时渲染各个角度浏览的服装的穿着效果。虚拟现实技术是面向网络的，其场景文件只传输描述场景的Asc码源程序文件，动画帧生成在客户端，与网络无关，极大地减少了网络传输数据，解除了个人用户在网络传输速度上所受的限制2。三维网上试衣系统的基本思想是利用消费者的身体数据建立具有其体型特征的三维试衣模特，并由它替代消费者在网上进行虚拟试穿。比较理想的三维试衣系统模型大致包括以下几个流程：建立三维服装模型；获得消费者的体型数据（通过三维人体扫描仪、消费者自主输入以及由二维照片获得人体体型数据等方法）；然后根据这些数据建立三维人体模型；最后通过与用户交互，将计算机三维模拟的服装穿到所建立的三维人体模特身上，并结合虚拟技术实现动态试穿和展示的效果。因此，要研究整个三维试衣系统，就必须从以上这几个方面进行研究。本文旨在将目前国内外解决三维试衣各个环节所用到的技术进行搜集和整理，对三维试衣研究的广大爱好者和开发、研究者起到一个指导性作用，并在此基础上提出对三维试衣未来的发展方向的预设。二、虚拟试衣系统概述试衣系统大致可以分为用户不参与和用户参与两种类型。用户不参与的试衣系统中，又有多种不同的实现方法：一种仅仅是起到了展示图片的效果，仅从数据库中读取图片数据，展示图片数量十分有限，不能随心所欲地更换衣物的搭配方式，也不能从不同角度观看试衣效果。从效果上看，与一般杂志上的模特试衣图片没有任何区别，可称之为检索的方法。例如现在的淘宝等购物网站上的服装店铺的穿衣展示，只是找一些模特进行试穿，然后拍下试穿照片上传到网上店铺，供用户在购衣时进行参考。这种方法只是起到为顾客展示衣服整体效果的作用，并不能实时反应顾客自身的穿衣效果。顾客只有在购买拿到衣服时才可以知道衣物的效果。另一种就是某些时尚类或者购物类网站提出的所谓的真人试衣，它同样只提供了网站模特的平面照片，供用户进行试衣。但是不能在不同视角下观看，或者只提供正反两个面的效果展示。与第一种方法相比，它的进步之处在于提供了多种衣物的搭配方案，并且可以由互连网用户自由进行搭配，显示试衣效果。事实上，它的原理与第一种方法是类似的，只是在显示技巧上进行了一些改进而已，可称之为图像处理的方法。第三种可以提供衣物旋转的观看功能，但这种功能是通过用户下载大量的(近十倍于衣物数据库)各个角度的衣物照片实现的，衣服只是穿在一个简单的模特衣架上，由于受到方法的限制，很难推广到用户共同参与的程度，也很难提供大量的衣物供用户自行搭配。同时因为需要下载大量照片，用户的浏览速度也会受到严重的影响。如某个网上三维试衣系统，一共有11件可供试穿的衣物，但在连接过程中需要下载88幅图像。另外，因为它的衣物旋转观看功能是通过八个角度的照片连续显示实现的，在视觉上有跳跃感，在连接过程中也因为需要下载数据太多而需要等待较长时间。显然这种系统在技术上受限较大，我们可称之为全景图的方法。以上三种方式基本上是基于二维照片的，顾客在网上看到的只是实物效果图，没有动态的立体展示效果，不能很好地判断产品的质量和效果，在进行交易的过程中会出现不少问题：往往买到的实物不如效果图里的好（色彩、质量等的偏差），或者所买的衣服尺寸、大小等不符合自己的身体特征要求等，这样对于电子商务的发展起到了不利的影响作用。为了解决上述问题，人们开始研究一种实时动态三维的试衣系统，也就是基于建模渲染的三维虚拟试衣系统。在该试衣系统中，试衣模特与服装都是采用计算机三维模拟技术得到的。服装作为一个柔性体，其虚拟展示(虚拟试衣)的关键理论、技术涉及到：三维虚拟人物建模、服装建模仿真、服装自身及与人体之间碰撞检测等。理想的三维试衣系统必须建立真实的衣服模型，比如依靠服装面料的计算机逼真模拟，以便能更好地表达出面料的质感、悬垂效果等，增加真实感和沉浸感。当然，接近消费者特征的三维人体模型的建立是虚拟试衣的前提和基础。因此，三维试衣系统中三维人体创建方法的研究也就是整个三维试衣系统的重心所在。三、三维试衣系统中的人体建模方法研究由于顾客的身形复杂且相互之间差异较大，所以必须针对不同的顾客制作出与其特征匹配的三维人体模型。因此，能否用一种简单而有效的方法获得个性化三维人体模型就成了建立一个三维试衣系统的关键。目前的一些三维人体建模的研究方法如下：1、软件类人体建模根据人体外形特征，利用通用建模软件Maya、3Dmax等构建人体的三维模型，或者利用现有软件(如Poser)等自带的人体模型库，通过参数化修改得到需要的人体模型。但对于使用Maya、3Dmax等三维建模软件直接制作时，需要专业的三维建模师，难度较大。而且这种方法只适合于比较小规模的模型的创建，对于顾客特征区别较大、数量众多的三维试衣系统来说具有很大的局限性。2、基于三维扫描仪的三维人体建模方法模型重用思想开始时，人们利用三维扫描仪获得真实人体表面的几何数据模型，然后采用如提取关键点或模板匹配等技术，进行数据处理得到所需的人体模型。这类方法获得的人体模型美观、精确，但是建立单一人体模型耗时较多、成本较高；提取出来的数据量大、散乱、难以处理。因此，同样也不适合于建立大量个性化的三维人体模型。为了满足大量个性化三维人体模型建模的需求，研究人员尝试模型重用的思路，即利用传统方法获得单个或多个三维人体模型，通过对这些模型进行变形、编辑等操作，获得大量其他体型的人体模型。比如：Seo等提出了利用Bezier曲线和B样条曲线对人体进行局部编辑的方法3。后来他们提出了一种基于人体测量参数的个性化人体模型生成方法，根据8个人体测量参数的输入值，对多个由三维扫描仪得到的人体皮肤表面模型进行插值，生成个性化的人体皮肤表面模型4。他们的方法，能够重用已有的三维人体模型，通过简单地调整人体测量参数的输入值，即可实时获得相应体型的人体表面模型，快速、简便，而且生成的人体模型具有个性化、逼真等优点；但是，由于是通过对表面模型和骨架模型的绑定达到调节骨架模型的目的，只能应对类似于伸长之类的简单的骨骼变换。而在实际的调解过程中，并不是只有伸长才会引发骨骼变换。浙江大学的秦可、庄越挺、吴飞5提出了一种3D人体模型的参数化方法。首先对人群进行分类，在每个人群子类中选择一个标准人体个体，用三维扫描设备获取以三角网格表示的3D人体模型，然后通过采样策略得到该人体3D模型的轮廓线，针对每个子类的3D人体模型，通过用户交互得到3D人体模型的参数化信息，建立3D人体模型的参数化模板，最后在参数化人体模型模板的基础上，根据用户输入的特定人体参数信息，动态调整轮廓线和重建人体模型体表表面，从而快速生成3D人体模型。 东华大学的刘雁、耿兆丰6利用三维人体扫描仪测得的大量数据，在Matlab中运用网格小平面法建立了人体模型。具体做法是：用非接触式三维人体扫描仪，测量身着紧身衣的人体模特净尺寸，获取数以万计的人体模型数据。这些数据分为两类，一类是由厅个坐标点的三维坐标X，Y，z逐行排列构成的n行3列的矩阵point；一类是由构成三维网格小平面的坐标序列号索引和定点颜色索引构成的矩阵coordIndex。利用上面两类数据，在Matlab中重建三维人体模型。Douros等采用B样条的方法从三维扫描数据构建人体曲面。其思路是由点到线，然后由线到面这样的处理来解决点到面的问题。算法以一组B样条曲线作为输入，用这些曲线能够快速而且强壮地产生一个曲面。其结果是一个合成的、分段的、整体光滑的曲面，且可以用该曲面计算人体体积和曲面面积。该方法的缺点就是建模过于复杂，操作者需要有一定的数学功底，不利于普及。陕西科技大学的黎明和7提出了一种基于3D人体测量及0PENGL的三维人体建模。该方法建立的是人体表面模型，特点是模型精确、效果逼真，数据量较大，适合应用于单机环境下的虚拟试衣系统实现。从单机环境下虚拟试衣系统实际应用的角度出发，采用基于计算机视觉的非接触激光测量法获取人体三维数据(密集点数据)，进而利用简单的三角网格法实现个性化三维人体重建。三维人体测量的方法是，在激光扫描人体表面的基础上，用双CCD拍摄激光在人体表面形成的光斑，利用三维立体视觉原理经图像处理获取物体三维形状信息，以实现人体曲面的高效、低成本数字化。3、基于照片信息的三维人体建模方法近年来通过对物体摄像并对照片进行图像处理从而建立物体三维模型的方法，受到了国内外学者的广泛关注。1997年，加拿大的Lu在他的博士Lee等10提出一种全身人体重建的方法，可以利用在任何一种给定的环境中拍的人体前面、侧面和背面的照片，而不需要特定的背景或照明条件。Charlie Wang等11提出了从两个正交视图的照片生成三维虚拟人体的方法。沈军行等通过从不同角度对人体进行拍摄，然后经过摄像机定标、体积生成、表面重建、纹理映射后就可重建出逼真的人体三维模型。以上方法1213141516建立的人体模型是一个特定模型，是一种近似的非真实人体模型。北京航空航天大学人机环境研究所的付世波17等从解剖学的观点将人体的骨架模型简化为16个关节(不包括手上的28个关节)。采用了组合线框模型和曲面模型建立三维人体模型。首先用级连矩阵为整个人体骨架建立运动方程，然后将人体表面分成若干个曲面片，每一个曲面片用B样条曲面逼近，最后拼接起来生成人体的表面，最后用超限插值的方法构造肢体问的过渡曲面来消除肢体在运动时发生相对运动而产生的挤压或分离现象。这种方法建立的人体模型视觉效果较好，但应用超限插值的方法构造肢体间的过度曲面时，算法实现较为复杂，且在动画应用中实时性较差。中原工学院CAD中心的胡敏、李勇18等应用B样条拟合方法，提出一种基于特征的人体模型网格曲面造型方法，能够精确地用B样条曲面快速构造三维人体曲面，满足实时性三维服装设计的要求，从而使三维人体自动测量系统所测数据可直接被三维服装CAD系统所利甩，提高了服装设计质量和缩短了设计周期。北京服装学院工业设计与信息工程系的李辉19等使用网格细分思想，以网格边界线为连续条件，对人体建立数学模型，将人体曲面通过样条细分，形成人体的空间点阵，建立离散型曲面，回避了不同复杂曲面的拼接的不稳定因素，最后由三问面片构成人体三维模型。这种方法建立的三维人体模型实现了人体柱状模型的建立，同时能实现人体表面近似光滑，信息完备，能方便地进行人体的剖面操作和局部控制，适用于在服装设计中的要求。华盛顿大学计算机科学与工程系的Zoran Popovic20从运动学角度，建立了一个人体简化模型，通过控制关节的角度变化范围模拟了人的跳跃及跑步的动作杂志网。瑞士联邦技术学院计算机图形学实验室的Luciana Porcher Nede21基于解剖的概念，将人体分为骨骼、肌肉和皮肤三部分，并甩一个类弹簧系统从物理学的角度模拟肌肉对骨骼的拉伸作用，得到了非常流畅和逼真的效果。华中理工大学机械科学与工程学院的武剑洁、王启付，樊劲、周济22提出了基于特征的人体模型参数化曲面建模方法，以三次B样条为基础，借助蒙皮、放样等操作，生成近似G1连续的人体模型，并根据服装工业中需对人体模型进行精确定量描述的要求，结合人体外形和服装设计特点，在整体结构上将人体分为10个基本特征。每部分结构特征有各自的数据结构和造型方法。而且使用参数化的设计思想可以对服装人体模型特征表中的特征尺寸进行修改，从而获得所需的服装人体模型。Wang CCL23介绍了一种用模糊逻辑概念构建特征人体模型的造型系统，从扫描的散乱的人体点云数据中提取人体特征点，并根据特征点构建人体网格曲面，该方法较好地保持了人体的拓扑结构，可以较多地表现人体的细节信息，缺点是一些距离人体曲面较近的点不能完全被过滤，在提取人体关键特征点时，模糊逻辑规则不能处理一些特殊情况。Wang CCL24提出在通过特征点、特征线、特征面构建人体的基础上运用参数化技术，利用特征点、特征线得到确定比例，进而利用特征面对人体上的每个网格顶点实施比例融合，得到新的人体模型。浙江大学机械与能源工程学院的邓卫燕25在其博士学位4、几种三维人体建模方法的缺点和不足(1)采用三维扫描方法需要昂贵的扫描设备、专业知识以及特殊的环境配置，且要求用户穿上比基尼面对冷冰冰的机器进行扫描，这从经济和人性化等方面决定了此种方法难以实现大规模的个性人体建模；(2)这些算法不能很好地满足服装设计对人体建模提出的要在保证表面特征尺寸精确度的前提下尽量简化网格结构的要求，而且目前传统的服装设计所用的人体模型只是一种标准人体模型，与实际消费者的身体尺寸还是有出入；(3)基于照片进行人体建模的方法，缺少满足服装设计要求的人体关键尺寸的控制，人体模型的度量信息缺乏、真实感不足、建模方法偏于单一。因此，如何集成创新现有的人体建模方法，如何建立满足需求的个性化人体模型，仍然存在广阔的研究空间。四、三维人体测量从上边的三维人体建模技术的研究中我们可以看出，人体三维建模的前提，是要有足够的人体测量数据。通过三维人体自动测量获取关键的人体几何参数数据，生成虚拟的三维人体，建立静态和动态的人体模型，进而形成一整套具有虚拟人体显示和动态模拟功能的系统。上述研究方法中用到的测量方法可以分为两类，一类是基于三维人体测量仪的，目前比较成熟的主要有：立体摄影测量法、激光测量法、莫尔条纹测量法、Loughborouhg人体影子扫描装置、TC2分层轮廓测量方法、cyberware全身扫描系统等27-29。另外一类测量方法就是数码成像拟合法。综合各方面的因素（三维测量仪价格、安装等）以及虚拟试衣在时间上和方便程度上的考虑，数码成像拟合法应该是目前最适合应用于虚拟试衣的非接触式的测量方法，因为它对硬件要求特别低，非常适合网络试衣，哪怕被测者只拥有简单的摄影装置，如摄像头，操作起来也简单方便。它是直接经CCD成像30-31实现三维人体尺寸的非接触测量，属光电法。主要是以几何光学原理为基础，二维信息即拍摄该物体的照片为依据，计算得到建模关键点的三维坐标；通过分析这些照片32-33上结构点的坐标，来确定三维人体台模型关键点的坐标。要创建三维模型，就必须知道拍摄这些照片的照相机焦距、位置、距离等参数；一般包含下面几步：1、多角度拍照；2、消除噪声；3 校准图像；4、三维建模。此方法主要优势是不受场地限制、所得数据量少。缺点是处理算法比较复杂，最终的得到模型质量受照片质量影响，拍照时阴影、光照、人体姿势都会对结果造成很大影响，况且没有排除人体着装影响。所以如果考虑要在网络虚拟试衣中采用这种方法，建立人体模型的方法要能与之对应。五、三维网上试衣目前的局限与未来的发展方向预设作为刚刚兴起的三维虚拟试衣，由于过程复杂，仍然具有很多技术上的难度。由三维试衣系统的概念和流程实现我们可以知道，三维试衣系统主要面临以下几个方面的技术难题： 首先，必须利用三维虚拟现实技术将织物三维化，从而合成三维服装，但织物不同于常见的刚体，易于形变；其次，搭建一个三维人体模型，还需要提供人体调节的功能。而人体调节除了各个部位围度的调节之外，还要有整体的调节。这些是三维试衣技术的第二个难点；第三，三维服装的试穿是困扰三维虚拟现实技术的最大难点。因为，三维服装穿在三维人体身上后，必须根据人体的凹凸、服装的材质等条件约束后产生形变，从而判断服装的舒适程度，达到试衣的目的；另外模型，虚拟试衣实现过程中还面临着算法复杂、仿真速度慢、真实感和个性化不强等瓶颈问题。这些可以看作是三维试衣技术探寻新的发展道路必须要解决的问题。除此之外，目前的三维试衣系统还存在一个明显的不足之处。网络环境下试衣是利用计算机技术模拟现实环境，从而让消费者间接感知服装试穿效果。因此，网上试衣效果展示的视觉真实感是影响消费者对试衣效果评价的首要标准。现在，对于三维人体模型创建的技术方法研究仍在不断的探索与进步中，我们相信在不久的将来，三维试衣系统会更广泛的影响人们的生活。但是，在对大量国内外服装销售网站进行调研后发现，目前有关网上试衣技术的研究都强调消费者人体体型模拟的准确性，而消费者面部特征的模拟并没有受到足够重视。以MVM公司的my virtual model虚拟试衣软件为例，消费者的面部特征是通过从有限的几个特征选项中选取与自己较为接近的选项拼凑而成的。这样建立的试衣模特即使体型与消费者本人非常接近，但由于面部特征相差甚远，也很难让消费者从心理上接受。试想，消费者面对一个陌生的面孔怎么可以想象那就是自己呢？所以我认为，三维试衣系统在未来的发展中，除了要注重消费者体型的高度仿真以外，更要重视其面部特征（包括脸型、发型、肤色等特征）的处理。研究表明，感觉到的事物的个别属性和部分越丰富，对事物的知觉就越完整，越准确。因此，网络环境下试衣人体模型图像对消费者的属性特征表达越丰富就越能增加消费者身临其境的感觉。只有当消费者首先认同人体模型能代表自己在网上进行试穿时，才能实现对真正的试衣效果好坏的判断。所以，三维试衣系统的未来发展应该解决如何根据用户上传的图片进行肤色、发色、发型等的拾取，从而创建出不仅是体型接近，而且面部特征相似的消费者模型。结合目前三维试衣系统的特点和局限，我设想了新一代三维试衣系统的功能和结构，主要的关键技术有以下三个方面：1、个性化三维人体模型生成技术包含了编辑的所有必要功能，能处理各种输入数据，以此建立人体模型，对模型可以做几何变换。首先，用户可以通过上传或使用数码摄像头获取自己的头像，将二维图片转换成三维逼真的个人头像模型；再通过输入相应的三围等参数，形成个性化的个人人体模型；或者使用摄像头或数字相机拍摄多个角度的全身照片可通过网络提交给试衣系统，系统根据用户提供的照片，用基于图像的人体模型重构方法对照片进行目标提取和跟踪，生成和用户的身体数据类似的虚拟人体模型；或者采用三维扫描仪对体型参数进行扫描纪录，生成与用户体貌特征相匹配的试衣模特。2、动态演示虚拟技术生成服装并可以动态修改服装属性和参数；提供服装展示用的场景编辑器，可生成T型台、三维建筑场景、自然景观等模拟。我认为，三维试衣系统真正要实现的目标是消费者能看到试穿的动态效果：衣服太小扣子扣不上，不合适裂开等等都可以显示出来;还可以展示裙子飘起时、抬手踢腿时衣服产生的变化。这些能让试衣系统像3D游戏一样更有趣、更真实，消费者可以放心在网上精确买衣服而无所顾忌。这里重点要解决的是面料皱感、衣服垂感、发丝飘逸感等技术问题。3、在线着衣技术根据人体模型及服装和所输入的相应参数，进行着装，体现试穿效果，显示合体程度，并且系统根据试穿效果，为顾客推荐合适尺寸（甚至是款式、颜色等）。系统提供足够繁多的款式库，用户可从中选择自己喜欢的服装款式。最后，用户就可以从试衣系统中观察自己试穿服装的效果，查看各个侧面的展示效果。另外，三维试衣系统应该与虚拟技术进行全面的融合，综合运用视觉、听觉、触觉虚拟现实设计技术，在电脑显示的虚拟现实环境下进行服装的试穿。在传统服装购买方式中，服装信息(也就是服装产品的属性)以物理刺激的形式作用于人的感觉器官，然后这些信息又被传送到人的大脑，从而产生各种心理活动。这里的服装属性按照物理特性可以分为成视觉的、听觉的、嗅觉的、触觉的等类型。人们通过视觉感知服装的颜色和款式等属性。通过触觉感知服装面料的质感，通过嗅觉感知服装面料的气味，甚至通过听觉来感知服装穿着时面料的摩擦声音等。这些在传统服装购买方式下都可以实现。但是，目前在网上购买服装时，消费者对于服装信息的感知主要是依靠视觉来实现的，而其听觉的，嗅觉的以及触觉的信息难以被人们感知。这是导致人们在网上购买服装时对于服装信息获取不足的原因。所以，将三维试衣系统与虚拟现实进行深度融合，可以增加消费者购买时的信任度。三维试衣系统的设计还应该朝着更为丰富的人机交互手段发展。用户可以自由地在虚拟空间中漫游，从各个角度观察服装的穿着效果，并且交互地改变场景中人物的服装搭配和背景环境。消费者还可以在虚拟空间中进行自由地交流。六、网上试衣系统的社会化问题目前，网上试衣已将全球范围内流行，全球约有上百个国家均有各种试衣网站。此外很多国内外的大型购物网站都开设了网络试衣间，美国某调查中心的一项调查数据显示，凡是开设了网络试衣间的网站的成交量比没有网络试衣间的网站要高出近一倍。为了不断改进网络试衣的技术，更多的专业机构比如大学的研究所、科技公司等也开始纷纷进入这个领域淘金。网络试衣间等一系列的的技术改革给网络购物带来了极大的改变，让网络购物与现实购物之间的差异渐渐模糊，这也让人们的购物体验越来越舒适，对网络的信任和依赖越来越强烈。网购者毕竟是现实社会中生活的一份子，网络只有更好地与现实接轨才能正真地为人们更好地生活服务，也才有真正存在的价值。毫无疑问，网上试衣拉开了新的试衣理念，为我们带来了全新的消费体验。但是，网上试衣的发展与应用必然会带来消费者隐私的信息的公开化。这样的形式，等于是自愿把个人信息公开了。福建金海岸律师事务所律师郑志宁说，当作为消费者的我们将自己的照片及身材数据上传到公众网站时，一旦照片和数据外流，对自己的形象或名誉就会造成损害。不仅取证困难，而且侵权行为的责任难以界定，想通过法律途径维权十分困难。所以，如何保护消费者的隐私也是网上试衣系统必须面对和考虑的问题。参考文献1王东，蒲小琼，李玉婷VRML在产品模型网络立体化交互中的应用J机电产品开发与创新，2005(1)：70一722张金钊，张金镝，张金锐虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRMLM北京：清华大学出版社：北京交通大学出版社，20043Seo H，Cordier F,Philippon L，et al.Interactive modelling of MPEG-4 deformable human bodyModelsEB/OLhttp：/wwwmiralabunigeCh/papers/l15.pdf, 20044See H，MagnenalThalmannNAn automatic modeling of human bodies from sizingparametersC/Proceedingsof the ACM SIGGRAPH 2003 Symposium on Interactive 3D Graphics，Monterey,Califomia,2003：19-26，234