基于二維手繪圖的虛擬服裝三維同構(gòu)造型的實(shí)現(xiàn)方法.pdf

1、三維虛擬服裝技術(shù)作為信息技術(shù)和服裝工程的交叉技術(shù)領(lǐng)域,是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和圖形學(xué)技術(shù)、仿真技術(shù)等手段對(duì)面料和服裝進(jìn)行仿真模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)服裝的設(shè)計(jì)與表現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)門(mén)類。因此三維虛擬服裝技術(shù)具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。
　　本文首先綜述了目前在虛擬服裝領(lǐng)域的幾大主流方向,其中包括基于虛擬縫合的三維服裝生成技術(shù);基于參數(shù)化的曲面生成三維虛擬服裝的方法;基于服裝款式約束的三維虛擬服裝生成方法;基于二維服裝手繪草圖生成的三維虛擬服裝的技術(shù)。其中

2、第一種三維服裝是依靠織物的物理建模方式構(gòu)建的,主要的技術(shù)包括有織物的建模、虛擬縫合、縫合過(guò)程中的碰撞檢測(cè)與響應(yīng)、應(yīng)變控制和三維衣片尺寸穩(wěn)定性的保持等內(nèi)容。而后三種三維服裝的構(gòu)建主要依靠幾何建模的方法,在三維模型表面進(jìn)行各種幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,以生成具有真實(shí)感的三維虛擬服裝?；谔摂M縫合技術(shù)的三維服裝能再現(xiàn)服裝的三維真實(shí)效果,尤其是動(dòng)態(tài)效果,但是高昂的時(shí)間開(kāi)銷和單一的面料材質(zhì)表現(xiàn)是物理模擬的瓶頸問(wèn)題。在幾何建模方法中,基于參數(shù)化曲面構(gòu)建三

3、維虛擬服裝的方法可以利用三維造型軟件生成,但自動(dòng)化程度不高,需要三維設(shè)計(jì)師花大量的時(shí)間繪制;基于服裝款式約束的方法可以看成是由服裝款式圖生成三維服裝技術(shù)的一種雛形,但是需要對(duì)服裝外輪廓線和內(nèi)部款式線進(jìn)行約束識(shí)別,求解復(fù)雜并且需要大量的迭代運(yùn)算。本文立足于服裝企業(yè)的需求,從服裝設(shè)計(jì)師的角度出發(fā),研究基于二維手繪草圖到三維同構(gòu)造型的虛擬服裝生成方法。傳統(tǒng)服裝設(shè)計(jì)的最初階段是設(shè)計(jì)師利用紙筆在稿紙上手繪出二維的服裝效果圖以及款式圖,整個(gè)服裝的效

4、果因此可以呈現(xiàn)出來(lái),所以本課題研究的三維虛擬服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)延用設(shè)計(jì)師習(xí)慣的手繪方式,在基于二維手繪草圖的界面上完成二維手繪圖到三維同構(gòu)造型的虛擬服裝的轉(zhuǎn)化。本文第一次提出了建立基于二維手繪圖生成三維同構(gòu)造型服裝的構(gòu)架,初步研究了基于二維手繪草圖的三維同構(gòu)造型服裝的生成方法,目的是創(chuàng)建一個(gè)適用于服裝設(shè)計(jì)師的三維虛擬服裝CAD系統(tǒng)。從技術(shù)角度而言,本課題主要內(nèi)容包含以下四部分:(1)探討了交互式的二維服裝手繪界面的生成方法。在我們的手繪界面設(shè)

5、計(jì)中,首先根據(jù)三維服裝模板表面三角形的法向量判斷出三維服裝模板的前后片,再分別把三維前后片的網(wǎng)格頂點(diǎn)的z坐標(biāo)置為0得到二維模板前后片。
　　本文中二維手繪草圖都是在二維模板前后片上繪制的,這種界面繪制方式即符合設(shè)計(jì)師的手繪習(xí)慣,也便于后文中二維手繪圖與三維服裝模板的匹配。對(duì)二維手繪線條的識(shí)別我們采用了有理二次B樣條擬合的方法。由于擬合后的每一條手繪線都是由無(wú)數(shù)個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的,手繪線上所有的點(diǎn)都有了坐標(biāo)信息,所以在進(jìn)行二維手繪圖

6、和三維服裝模板匹配的時(shí)候,可以通過(guò)計(jì)算手繪線條上的坐標(biāo)點(diǎn)和三維模板網(wǎng)格頂點(diǎn)之間的距離給出逼近閾值,從而得到三維模板上的匹配點(diǎn),這為二維手繪草圖和三維服裝模板的匹配提供了便利。交互式的設(shè)計(jì)便于用戶對(duì)二維手繪圖的編輯,本手繪系統(tǒng)可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)讓用戶對(duì)每一條手繪線實(shí)時(shí)地進(jìn)行增加、刪除、修改、移動(dòng)、存儲(chǔ)等編輯操作。(2)研究了三維服裝模板表面重建的方法。本文的二維手繪草圖到三維虛擬服裝的構(gòu)建是以三維服裝模板為橋梁的,由于初始的三維服裝模板來(lái)

7、源廣泛,有利用虛擬縫合得到的、有三維建模軟件構(gòu)建的、也有通過(guò)三維掃描得到的。所以初始的三維服裝模板表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)質(zhì)量參差不齊,對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)雜亂的三維服裝模板需要采用表面重采樣和表面重建的技術(shù)生成流形一致,且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)均勻的服裝模板,在本文中我們采用了包圍圓和射線投影(圓半徑-三角形求交)的算法得到三維服裝模板表面的重采樣頂點(diǎn),經(jīng)過(guò)重采樣之后的表面采樣點(diǎn)分布均勻、一致;在表面重建中我們討論了三維α-shape的表面創(chuàng)建方式,以及在此基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)

8、球算法,由于轉(zhuǎn)球算法是基于點(diǎn)插值的方式構(gòu)建三角形網(wǎng)格表面的,所以重建之后的三維模板表面不僅網(wǎng)格結(jié)構(gòu)規(guī)則化了,而且與初始三維模板表面流形一致。(3)提出了二維手繪線條與三維服裝模板之間的匹配算法,兩者之間的正確匹配是獲得良好網(wǎng)格變形效果的基礎(chǔ)。在匹配的過(guò)程中采用了包含初始匹配和基于方向向量再匹配的合成算法。在初始匹配的過(guò)程中,首先根據(jù)二維手繪線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)與二維服裝模板網(wǎng)格頂點(diǎn)之間的距離閾值,找到與手繪線數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二維服裝模板的網(wǎng)格匹配點(diǎn)

9、,恢復(fù)這些匹配點(diǎn)的z坐標(biāo),即三維模板網(wǎng)格匹配點(diǎn),且頂點(diǎn)索引不變。為了數(shù)據(jù)處理的快速與方便,我們把這些初始匹配點(diǎn)以鏈表形式存儲(chǔ)。由于手繪線的數(shù)據(jù)點(diǎn)與網(wǎng)格頂點(diǎn)可能出現(xiàn)多對(duì)一的匹配,所以需要對(duì)初始匹配點(diǎn)序列進(jìn)行排序與剔除,找到與二維手繪線條基本一致的三維網(wǎng)格頂點(diǎn)集。然而由于初始匹配在三維網(wǎng)格表面找到的匹配點(diǎn)在幾何結(jié)構(gòu)上是不連續(xù)的,所以我們又采用了基于方向向量的再匹配方法,使最后的三維網(wǎng)格匹配點(diǎn)與二維手繪線條一致且連續(xù)。對(duì)于穿過(guò)三維前后片的同層

10、手繪線條匹配的問(wèn)題,我們采用了距離最短夾角最小算法自動(dòng)搜索到使同層手繪線連續(xù)的網(wǎng)格頂點(diǎn)。(4)采用了網(wǎng)格細(xì)分和表面變形技術(shù)生成三維虛擬服裝的懸垂與褶皺形態(tài)。這種生成方法是以二維手繪線條和三維服裝模板之間的正確匹配為前提的,同時(shí)也是三維虛擬服裝造型千變?nèi)f化的基礎(chǔ)。本文主要采用了Loop網(wǎng)格細(xì)分、拉普拉斯網(wǎng)格變形、均值編碼/解碼、仿射變換、三維服裝表面褶皺的平滑等技術(shù)生成具有真實(shí)感的三維虛擬服裝的懸垂和褶皺。Loop網(wǎng)格細(xì)分的方法是張量積B

11、樣條網(wǎng)格曲面構(gòu)造方法的一種泛化,采用了逼近初始網(wǎng)格頂點(diǎn)的方法達(dá)到網(wǎng)格光滑細(xì)分的效果,其細(xì)分規(guī)則是將每一個(gè)多項(xiàng)式曲面片或者三角形面片細(xì)分成四個(gè)子面片,這樣細(xì)分的網(wǎng)格表面具有C2階的連續(xù)性,而在網(wǎng)格邊緣具有C1階的連續(xù)性。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格細(xì)分之后,更容易生成服裝細(xì)碎的褶皺,而且可以平滑由于重采樣形成的粗糙表面網(wǎng)格邊緣。拉普拉斯表面平滑和均值編碼/解碼算法都具有局部的保型性,即每一個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的新坐標(biāo)都是通過(guò)局部信息(相鄰點(diǎn)的幾何關(guān)系)計(jì)算得到的,所以