CN100430949C - 分部位组合式三维参数化数字人台构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分部位组合式三维参数化数字人台构建方法，根据人体尺寸数据选出描述人体曲线特征的基本部位；按各基本部位的曲线特征对各基本部位分别分类；将不同类别基本部位自由组合构成整体人台。本发明中人台的构建是通过各部位的特征围度截面上的多个关键点描述的，各关键点通过参数回归方程求得，因此可以达到通过参数调节人台各部位的体型、尺寸的目的。为现代服装、人台以及人机工程设计减少设计成本，缩短设计周期，同时获得更加满意的效果创造了条件。

Description

分部位组合式三维参数化数字人台构建方法

技术领域

本发明属于服装设计学技术领域，涉及一种服装用人台的构建方法，特别涉及一种按照人体各部位的曲线变化特点，组合各部位，构建三维参数化数字化人台的方法。

背景技术

人台是人体体型的标准模型。由于人种不同，体型分布也不同，如欧美人、日本人和我国的人体体型分布就存在着显著差别。另外，现有的人体体型分类的惯用方法是通过人体的一些关键长度和围度的尺寸将整个人体体型进行整体分类。比如我国国家号型标准GB/T 1335-1997中，将成年女子的胸围与腰围两个尺寸作为服装号型的基本尺寸，用胸腰差的大小来划分人体体型。这种分类方法无法区分女性胸部、腰腹部、臀部等部位的围度曲线形状变化，即使胸腰差完全相同的三个同龄女性，其胸部、腰腹部和臀部的围度曲线形状也存在明显不同的情况。若按照该分类方法划分出的人体体型建立数字化人体模型，将无法真实反映女性围度曲线特征及变化，更不能对产品形态人机参数的计算、选择与确定起到评价与辅助决策的作用。

如果不按照人体体型对人台进行区分，或以现有人体体型分类的方法设计人台，就会使服装企业生产的服装型号不能和人体很好的适应，造成服装的型号、数量、尺寸等方面不合理，产生浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种分部位组合式三维参数化数字人台的构建方法，先按照人体曲线变化的关键部位分别分类，再按照各部位的不同类别组合构建参数化数字人台，并通过各关键部位的参数来调节人台，解决了现有方法构建的人台与人体不能很好适应的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种分部位组合式三维参数化数字人台构建方法，根据人体尺寸数据选出描述人体曲线特征的基本部位；按各基本部位的曲线特征对各基本部位分别分类；将不同类别基本部位自由组合构成整体人台，包括以下步骤，

a)采集特定年龄段的人体表面数据，并对获得的数据进行识别、分析、运算，得到人体各部位的长度和围度尺寸数据；

b)按照人体曲线变化规律及服装设计的关键部位选择人体基本部位，并确定基本部位数据；

c)根据各基本部位的结构和形状特点分别制定曲线特征分类指标，并按照分类指标分别进行分类；

d)选择原形体，按部位和分类别求出各分类指标的中间值，按中间值找到样本中的人体原形；

e)选取各基本部位特征截面位置，选取各截面曲线关键点位置；

按照各基本部位的结构和形状特点选取特征截面，定制决定特征截面曲线形状的关键点，并按部位和分类别截取所有被测样本的特征截面，读取截面曲线上的关键点的三维坐标；

f)对测得的数据进行水平调整；

判断通过曲线的背侧中点和面侧中点的X、Y轴坐标是否为零，若不为零，则该数据即为需要回调的量；

g)在各关键点与身高、围度、对应部位各分类指标、被测体与对应原形体关键点坐标之差之间建立三维坐标的多元回归方程，求解关键点三维坐标；

h)利用回归方程，根据各参数值计算待构建人台的各关键点的三维坐标与原形体对应点坐标差值，然后加上原形体对应关键点坐标得到人台实际点坐标；

i)通过分层计算各特征截面曲线关键点的三维坐标，逐层利用关键点构建各特征围度曲线，从而构成人台。

本发明通过人体曲线变化的关键部位分别分类的体型分类方法明确区分人体的围度曲线形状类别，将各基本部位的不同类别组合，按照各自类别的计算公式计算出关键点坐标，构建参数化人台，从而更加真实地反映现实人体的多种体型变化。通过本发明的人台构建方法，可以实现计算机模拟人台三围曲线的合理变化，为实体人台的设计制造，以及服装等产品的计算机辅助设计软件的开发提供技术参考，为服装生产相关的企业提供更加可靠的方法和依据。

附图说明

图1是女体胸腰臀部围度截面曲线图，其中，a：女体1胸围截面图，b：女体2胸围截面图，c：女体3胸围截面图，d：女体1腰围截面图，e：女体2腰围截面图，f：女体3腰围截面图，g：女体1臀围截面图，h：女体2臀围截面图，i：女体3臀围截面图；

图2是本发明方法的流程示意图；

图3是本发明方法中以女体为例基本部位胸、腰腹和臀部选择的分类指标图；

图4是本发明方法中胸腰部特征截面选取位置实例图；

图5是本发明方法中胸部(胸上围水平截面)关键点选取实例图；

图6是本发明方法中给出的绘制人台算法流程的实例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是女体胸腰臀部围度截面曲线，通过该图可清楚地看出按照目前惯用的人体分类方法分出的属于同一体型的女体的三维曲线形状明显不同，以此为基础构建人台必然会存在很大误差。

本发明提出将人体按不同部位分别分类以区分人体围度曲线的形状，如图2所示流程，

a.采集人体表面数据并获取人体各部位的长度和围度尺寸数据。

可以利用非接触式三维人体扫描仪扫描获得足够数量(大于500人)的特定年龄段的人体表面数据，利用自动测量软件(通常是与扫描仪配套的软件，如ScanWorX)对扫描获得的数据自动进行识别、分析、运算，报告出人体各部位的长度和围度尺寸数据，如表1所示。

表1 ScanWorX软件自动报告的人体各部位的长度和围度尺寸数据

身高	头长	颈椎点高	颈臀距	颈膝距	腰膝距
						下体长	腰高	臀高	臀后突点高	会阴高	腹高
腹部前突点高	肩胛骨高	胸高	颈窝点高	颈椎点水平距	颈窝点水平距
						肩胛骨水平距	腰围水平距	臀前突点水平距	胸前高点水平距	胸后点水平距	腹前突点水平距
腹后高点水	颈中围	颈根围	上体左侧躯	上体右侧躯	肩宽

平距			干长	干长
						左肩幅	右肩幅	左肩斜角	右肩斜角	前胸宽	乳间距
左肩颈点至乳峰点长	右肩颈点至乳峰点长	胸围	胸腔带围	下胸围	后背宽
						背长	腰节长	腰臀距	上裆总长	腰围	左腰臀长
右腰臀长	上臀围	臀围	臀部后突围	腹围	腹部前突围
						左臂颈椎至腕长	右臂颈椎至腕长	左臂长	右臂长	左上臂长	右上臂长
左上臂围	右上臂围	左腕围	右腕围	左腿内侧长	右腿内侧长
						左腿外侧长	右外侧缝长	左腿外侧长	右腿外侧长	左大腿围	右大腿围
左膝围	右膝围	左踝围	右踝围

b.确定反映人体形状的基本部位，选择基本部位数据并分别存储。

反映人体形状的基本部位可按照人体曲线变化规律及服装等产品设计的关键部位进行选择，选的基本部位越多，构建的人台越与人体接近，基本上主要确定胸部、腰腹部和臀部作为基本部位。

基本部位数据的选择如下：胸部数据有：胸高、胸前高点水平距、胸后点水平距、前胸宽、乳间距、左肩颈点至乳峰点长、右肩颈点至乳峰点长、胸围、胸腔带围、下胸围、后背宽、背长；腰腹部数据有：腰高、腰围水平距、腹高、腹部前突点高、腹前突点水平距、腹后高点水平距离、腰节长、腰臀距、腰围、左腰臀长、右腰臀长、腹围、腹部前突围；臀部数据有：臀高、臀后突点高、臀前突点水平距、上臀围、臀围、臀部后突围。

c.根据各基本部位的结构和形状特点分别制定分类指标，并按照分类指标分别进行分类。

基本部位曲线特征分类指标，是按照人体的特征标志点与反应基本部位形状的尺寸计算公式间的相关程度来进行选择的，制定分类指标的方法如下：

首先，分别按照各部位形状、形态的特点，利用以上测得的尺寸数据制定衡量其形状、形态特点的比值或差值等形式的运算数据。例如为了反映女性胸部的不同形态，可以制定以下比值：胸宽乳间距之比、胸前后背宽之比、胸围与下胸围之比、胸围与乳间距之比、胸围与前胸宽之比、胸前后点水平距之比、胸围与胸腔带围之比。

其次，通过各部位的关键点数据(关键点的选取方法，如下e步骤所述)与制定的特征尺寸比值或差值之间进行相关性分析，选择显著性水平较大(如大于50％)的特征尺寸比值或差值作为分类指标。例如胸部选择：胸围与下胸围之比、胸围与乳间距之比、胸围与前胸宽之比、胸前后点水平距之比作为胸部形状分类指标。

最后，利用快速聚类法(K-Means Cluster)，按照各部位分类指标，分别将各部位分为7或8类。

本发明中的分类指标是先通过各特征围度的特征点数据来描述胸部形状，经过对胸部特征尺寸与胸部数据之间进行相关性分析，选取相关系数较大的数据制定的，且选用的特征尺寸多采用比值形式，比以往的差值受身高等因素的影响较小，图3所示是根据女性的结构和形状特点制定的分类指标。

d.选择原形体，按部位和分类别求出各分类指标的中间值，按中间值找到样本中的人体原形。

可使用均值作为中间值。

e.按照各基本部位的结构和形状特点定制特征截面，定制决定特征截面曲线形状的关键点，并按部位和分类别截取所有被测样本的特征截面，读取截面曲线上的关键点的三维坐标。

特征截面选取位置如图4所示，胸部选取胸上围、胸上围至乳峰距离中点、胸围、乳峰点至下胸围距离中点和下胸围截面为特征截面。腰部选取腰围、过脐点水平面、腹突围为特征截面。臀部选取臀围和臀突围为特征截面。

如图5所示是胸部(胸上围水平截面)关键点的选取图，截面曲线前方(即面部朝向)向下，比较左右两边，选取形状较对称、优美的一边作为数据来源，另一边的数据将通过对称算法计算获得。

例如女体胸部乳房形状具有如下特点和规律：

(1)乳房上下隆起起点明显。结合人体测量及服装设计中的关键尺寸，将胸上围和下胸围作为两条关键截面，这样做也为日后在服装CAD软件中应用于服装关键部位的制作创造了方便条件。

(2)乳峰点是构成乳房上下轮廓和左右轮廓的分界点。因此，胸围线也被选作一条关键截面线。

(3)从胸上围至乳峰点间曲线光滑，且约在其1/2处为曲线最为饱满点。因此选择胸上围至乳峰曲线中点作为一条关键截面线。

(4)从乳峰点至下胸围间曲线光滑，且约在其1/2处为曲线最为饱满点。因此选择乳峰点至下胸围曲线中点作为一条关键截面线。

因此，本案对胸部围度曲线形状的提取是通过对胸上围、胸上围至乳峰曲线中点、胸围、乳峰点至下胸围曲线中点和下胸围截面获得，如图4中对应胸部各截面位置所示。同理，根据腰部的形状特点提取腰围线水平截面、过脐点水平截面和腹突围水平截面。臀部提取臀围线水平截面和臀突围水平截面。

为了真实描述被测人体各基本部位的围度形状，必须合理地选取决定曲线形状的关键数据点也称特征点。对于不同的围度，关键点所在位置各异，但选取原则相似，即选取样本曲线统一变化位置点。以胸部为例，胸部曲线变化丰富，对胸部各层围度曲线而言，决定其形状的主要部位是背部中线、肩胛骨高点、乳房以乳尖点位分界的左右弧线、前胸中点。因此，对胸部各层曲线的特征点选取均围绕以上几个部位。为了更细致地描述曲线，再在各曲线段内选取一个中间特征点，共11个点。以胸上围线为例，介绍特征点选取方法。如图5所示，使截面曲线前方(即面部朝向)向下，比较左右两边，选取形状较对称、光滑优美的一边作为数据来源，另一边的关键点数据将来通过对称算法计算获得。如图5所示，自上方中心点开始选取H1至H11共11个点，各点说明如表2。

表2胸上围截面曲线特征点选取说明

特征点名称	说明
		H1	背部方向曲线中心点
H2	H3至H1间曲线中心点
		H3	肩胛骨部位曲线突起最高点
H4	H5至H3间曲线中心点
		H5	通常是背部横向宽度最大点
H6	乳房侧面弧线末尾点
		H7	前胸部横向宽度最大点
H8	H9至H7间曲线中点
		H9	胸部最高点
H10	H11至H9间曲线中点
		H11	前胸部曲线中点

利用Scan WorX软件，读出关键点的三维坐标，并保存。

f.对测得的数据进行水平调整。

由于测量时部分被测者的站位存在一定范围内的水平偏移。因此，在进行回归分析前，先要对有偏移的数据进行水平调整。对数据偏移的判别是通过曲线的背侧中点和面侧中点的X、Y轴坐标是否为零决定的，若不为零，则该数据即为需要回调的量。

g.求解关键点三维坐标，通过在各关键点与身高、对应部位各分类指标、被测体与对应原形体关键点坐标之差之间建立多元回归方程得到。

按部位、分体型分别在对应特征点坐标与原体形关键点对应坐标差值与身高、各分类指标(即参数)及主要围度尺寸(其中胸部的主要围度是胸围，腰部的主要围度是腰围，臀部的主要围度是臀围)之间进行多元回归分析，建立回归方程。

如采用spss软件进行多元线性回归分析，建立胸型3的胸上围截面曲线的特征点H1的三维坐标回归方程，求其余所有点坐标的回归方程建立方法与该点同理。具体步骤如下：

(1)在spss 12软件中分类别输入被测样本的身高、胸围、各分类指标值、样本H1点的三维坐标与对应原形体的H1点的三维坐标差值。

(2)在spss 12软件中使用Analyze->regression->linear命令，对数据进行多元线性回归分析。

其中，特征点坐标与原体形特征点对应坐标差值为Dependent Variable，身高、胸围、下胸围、各分类指标值为Independent。分析结果如下表3所示：

表3 H1点三维坐标值回归分析表

(3)由以上分析结果，获得H1点的与原形体对应点的三维坐标差值回归方程组如下方程组1所示：

H1x＝-9.201+0.029*SG+0.061*XW-0.180*SPJ+0.100*XRJ+0.035*XQK-0.211*XXWB

H1Y＝-2.542+0.009*SG+0.030*XW-0.147*SPJ+0.054*XRJ+0.037*XQK-0.149*XXWB

H1Z＝0.329+0.005*SG-0.005*XW-0.011*SPJ-0.013*XRJ+0.017*XQK-0.010*XXWB

方程组1

其中，公式中H1x，H1y，H1z分别为H1点的与原形体对应点的三维坐标差值；参数SG为身高；参数XW为胸围；参数SPJ为胸前后点水平距差；参数XRJ为胸围乳间距比；参数XQK为胸围前胸宽比；参数XXWB为胸围下胸围比。

h.利用回归方程，根据各参数值计算待构建人台的各关键点的三维坐标与原形体对应点坐标差值，然后加上原形体对应关键点坐标即得人台实际点坐标。

参数值即为特征点坐标与原体形特征点对应坐标差值、身高、各分类指标(即参数)及主要围度尺寸(其中胸部的主要围度是胸围和下胸围，腰部的主要围度是腰围，臀部的主要围度是臀围)。

如用方程组1计算身高为162.7，胸围为80.1，下胸围为69.7，胸前后点水平距差为21.5，胸围乳间距比为49.44，胸围前胸宽比为21.25，胸围下胸围比为11.49，则与原形体H2点对应点的坐标差值计算公式为：

H1x＝-9.201+0.029*162.7+0.061*80.1-0.180*21.5+0.100*49.44+0.035*21.25-0.211*11.49

H1Y＝-2.542+0.009*162.7+0.030*80.1-0.147*21.5+0.054*49.44+0.037*21.25-0.149*11.49

H1Z＝0.329+0.005*162.7-0.005*80.1-0.011*21.5-0.013*49.44+0.017*21.25-0.010*11.49

用求得的差值与原形体对应坐标值相加即得人台实际坐标。

i.按照计算所得的关键点绘制三维人台。

根据关键点构建人台，通过分层计算各特征截面曲线关键点的三维坐标，逐层构建各特征围度曲线。

通过计算所得的关键点坐标绘制人台的方法有多种，可采用线框模型或曲面模型。线框模型又可分为通过特征点的直线段线框、曲线线框和不通过特征点的拟合曲线线框。

例如，以最为简单的直线段线框为例，绘制人台的算法流程如图6所示。其中，“设置画线线条”主要设置画线线条的颜色、粗细等属性；“设置画线模式”主要设置OpenGL图形系统的几何绘图图元，有独立点模式、线段模式、三角型模式、四边形模式和凸多边形模式等，这些模式可以通过OpenGL函数的参数进行设置，如glBegin(GL_POLYGON)，其中参数GL_POLYGON将画线模式设为凸多边形模式。

本发明实现三维参数化数字人台的建模方法，可用于服装用人台的设计与制作、三维服装CAD软件的设计开发、服装的定制生产，以及在英特网上进行网上试衣、展销等与人体躯干部体型及围度曲线相关的应用领域。

Claims (5)

1.一种分部位组合式三维参数化数字人台构建方法，根据人体尺寸数据选出描述人体曲线特征的基本部位；按各基本部位的曲线特征对各基本部位分别分类；将不同类别基本部位自由组合构成整体人台，其特征在于，包括以下步骤，

a)采集特定年龄段的人体表面数据，并对获得的数据进行识别、分析、运算，得到人体各部位的长度和围度尺寸数据；

b)按照人体曲线变化规律及服装产品设计的关键部位选择人体基本部位，并确定基本部位数据；

c)根据各基本部位的结构和形状特点分别制定曲线特征分类指标，并按照分类指标分别进行分类；

d)选择原形体，按部位和分类别求出各分类指标的中间值，按中间值找到样本中的人体原形；

e)选取各基本部位特征截面位置，选取各截面曲线关键点位置；

按照各基本部位的结构和形状特点选取特征截面，定制决定特征截面曲线形状的关键点，并按部位和分类别截取所有被测样本的特征截面，读取截面曲线上的关键点的三维坐标；

f)对测得的数据进行水平调整；

判断通过曲线的背侧中点和面侧中点的X、Y轴坐标是否为零，若不为零，则该数据即为需要回调的量；

g)在各关键点与身高、围度、对应部位各分类指标、被测体与对应原形体关键点坐标之差之间建立三维坐标的多元回归方程，求解关键点三维坐标；

h)利用回归方程，根据各参数值计算待构建人台的各关键点的三维坐标与原形体对应点坐标差值，然后加上原形体对应关键点坐标得到人台实际点坐标；

i)通过分层计算各特征截面曲线关键点的三维坐标，逐层利用关键点构建各特征围度曲线，从而构成人台。

2.根据权利要求1所述的人台构建方法，其特征在于，所述步骤b中的基本部位至少包括胸部、腰腹部和臀部。

3.根据权利要求1所述的人台构建方法，其特征在于，所述步骤c中的基本部位曲线特征分类指标，是按照人体的特征标志点与反应基本部位形状的尺寸计算公式间的相关程度来进行选择的，包括以下步骤，

首先，分别按照各部位形状、形态的特点，利用获得的尺寸数据制定衡量其形状、形态特点的比值或差值的运算数据；

其次，通过各基本部位的关键点数据与制定的特征尺寸比值或差值之间进行相关性分析，选择显著性水平大于50％的特征尺寸比值或差值作为分类指标；

最后，利用聚类法，按照各基本部位分类指标，分别将各部位分类。

4.根据权利要求2所述的人台构建方法，其特征在于，所述步骤e中的各基本部位特征截面的选取，是按照各基本部位的横向和纵向曲线变化特点确定，胸部至少选取5条基本线，胸上围、胸上围至乳峰曲线中点、胸围、乳峰点至下胸围曲线中点和下胸围；腰部至少选取3条基本线，腰围、过脐点水平面、腹突围，臀部至少选取2条基本线，臀围和臀突围。

5.根据权利要求1所述的人台构建方法，其特征在于，所述步骤e中选取各截面曲线关键点位置，是选取样本曲线统一变化的位置点，先选取影响曲线形变光滑优美的一侧数据点作关键点，再通过对称计算获得另一侧关键点。

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