CN103325146B - 一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法 - Google Patents

Abstract

一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法，采用截面环数据来表示人体；把衣物定位线平面展开，从空间距离和空间曲率方面保证展开后的平面保持曲面的原来特征；采用经纬线的方式组织二维衣物面片；最后对二维衣物面片与展开后的衣物定位线进行匹配，并采用移动最小二乘法实现二维衣物面片到三维空间的映射。其步骤是（1）建立三维人体模型，生成人体截面环状数据并对其进行预处理；（2）根据人体截面环数据，采用双线性插值法生成衣物定位线，利用中值滤波器和耦合滤波器对定位线进行优化，并定位腰部与腿部间区域和躯干与左、右大臂间区域这两个特殊区域；（3）展开衣物定位线，生成衣物面片经纬线结构，进行二维衣物面片与定位线的匹配，实现衣物二维面片向三维空间的映射。

Description

一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法

技术领域

本发明涉及一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法，属于柔性织物仿真技术领域。

背景技术

虚拟衣物仿真是计算机图形学研究领域中一个重要的研究方向。虚拟衣物仿真是在已知三维人体模型和衣物二维平面网格的前提下，通过模拟仿真的手段获得衣物的三维空间网格，保证几何上衣物与人体表面的三维网格相匹配且无互相穿透现象，物理上衣物三维空间网格各点所受合力收敛接近零且无自穿透现象，衣物三维空间网格形态及褶皱逼真。其涉及的技术主要包括人体模型数据表示和衣物面片的三维映射等。

人体模型数据可用不同的组织形式来表现，包括参数化曲线、多面体等。参数化曲线是采用几何约束来表达人体模型的形状特征，结合人体工程学原理，利用人体各部分固有的比例关系，从人体模型工业标准指定的众多特殊尺寸中提取出起决定性作用的参数，通过修改参数来得到所需的人体模型；多面体表示是从构造多面体开始，对多面体任意一个面、边和基点进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体，拼接成所需的形状，计算机图形学中常用三角形来组织人体。

给虚拟人体穿衣有各种不同技术。二维穿衣技术直接把二维衣物面片放在人体模型的正面和背面，然后根据缝合线来把面片合并到一起；三维穿衣技术是一种三维交互式的方法，在人体上可以生成不同形状的局部衣物面片，用户可以交互式的操作不同位置的面片使其缝合。

针对衣物面片的三维映射方法，研究者们提出了不同的方案。Okabe等人提出了一种衣物裁剪片从二维到三维的映射算法,在他们的算法中,衣物裁剪片二维到三维的映射被当作纯几何问题处理。二维裁剪片被三角划分并分层映射到三维人体模型上。Wu和Yuen提出了一种用于服装设计的从二维到三维的映射算法。樊劲提出了一种用于服装设计的三维映射算法。该算法基于弹簧质点变形模型，衣物裁剪片二维到三维映射及三维到二维映射可以在该模型中得到统一的实现。在衣物裁剪片二维到三维的映射过程中，二维裁剪片被放置在人体模型附近的初始位置，在缝合力的作用下，裁剪片自动变形并缝合到人体模型上。在衣物裁剪片三维到二维映射的过程中，三维裁剪片被初始映射到指定的平面内，在弹性变形力的作用下，逐步变形并得到最终的二维裁剪片。

以往的衣物面片三维映射方法主要存在以下问题：

（1）在人体模型数据的表示上，很多方法在表示人体信息方面显得有冗余，增大三维映射过程中的计算量，影响衣物与人体的碰撞检测效率。

（2）虚拟人体穿衣技术上，二维穿衣技术必须保证缝合线不能穿透人体，衣物模型简单并且对面片的精度没有特殊要求，如果仿真复杂衣物会比较耗时；三维穿衣技术的局限性在于可仿真的衣物种类有限。

（3）对衣物定位线不进行调整而直接把人体模型正投影的方法只能仿真紧身衣，对于仿真宽松衣物在人体上是否合身效果不佳。

（4）以往的衣物定位线的展开方法的展开曲面边界线弯曲程度不高，不能很好地保持原来空间曲面的性质和信息。

（5）衣物面片的三维映射方法上，大多数算法遇到不同款式的服装时会面临许多困难，不是一种通用的算法。

针对以上问题，本发明对三维人体建模技术和衣物面片三维映射方法做了进一步的研究，一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法，其核心内容可以总结为：采用截面环数据来表示人体；根据人体截面环数据生成衣物定位线，并对其进行优化；通过对衣物定位线的平面展开，从空间距离和空间曲率方面保证展开后的平面保持曲面的原来特征，采用经纬线的方式来组织二维衣物面片，用展开后的平面数据来完成二维衣物面片向三维空间的映射。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法，在提高衣物仿真效果的同时，保证衣物仿真算法的通用性。

本发明采用的技术方案：通过基于截面环数据的快速索引方法，简化人体数据组织，提高衣物与人体碰撞检测的效率；把衣物定位线平面展开，从空间距离和空间曲率方面保证展开后的平面保持曲面的原来特征；采用经纬线的方式组织二维衣物面片，以便于面片上边界点和内部点的索引，同时利于三角化绘制和建立物理模型；最后对二维衣物面片与展开后的衣物定位线进行匹配和采用移动最小二乘法最终实现二维衣物面片到三维空间的映射。

该方案实现的步骤，如图1所示：

（1）建立三维人体模型，生成人体截面环状数据并对其进行预处理；

（2）根据人体截面环数据，采用双线性插值法生成衣物定位线，利用中值滤波器和耦合滤波器对定位线进行优化，并定位腰部与腿部间区域和躯干与左、右大臂间区域这两个特殊区域；

（3）展开衣物定位线，生成衣物面片经纬线结构，进行二维衣物面片与定位线的匹配，实现衣物二维面片向三维空间的映射。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

采用截面环数据来表示三维人体，包括截面环数据的生成，以及截面环相对于二维衣物面片的调整。截面环数据在提取人体特征信息方面相比三角形方式有明显的优势，且数据量较小。对生成后的衣物定位线进行了基于耦合滤波器的全局优化，分别从水平和垂直两个方向对衣物定位线进行调整。衣物几何建模的效果取决于衣物定位线数据的精确度，优化后的衣物定位线为提高衣物仿真的效果提供了基础。改进了衣物定位线的平面展开算法，采用经纬线的方式来组织二维衣物面片，便于面片上边界点和内部点的索引，同时利于三角化绘制和建立物理模型。用人体定位线、衣物定位线和衣物面片三层结构来完成衣物数据的定位，利于判断衣物是否合身，可以实现多种衣物样式的建模，具有较强的通用性。

附图说明

图1一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法步骤图；

图2对人体模型切环示意图；

图3外扩滤波优化示意图；

图4经过外扩滤波优化后的截面环数据；

图5垂直优先原则示意图；

图6衣物面片上定位环线的依据；

图7衣物定位线的插值示意图；

图8曲面展开中要考虑三种类型的夹角；

图9人体截面环数据生成效果图；

图10改进曲面展开算法结果；

图11曲面展开算法改进前后运行时间比较；

图12上衣衣物仿真效果图；

图13上衣衣物仿真细节效果图；

图14裤子衣物仿真细节效果图；

图15裤子衣物仿真效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

（1）建立三维人体模型，生成人体截面环状数据并对其进行预处理；

第一步，人体数据分块。把人体数据分为颈部、胸部、腰部、臀部、臀腿部、左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、右大腿、右小腿几个部分，并且每个部分组织成相同的数据结构，包括这部分的端面、轴向、局部坐标系、所包含截面环集合。其中每部分的两个端面是平行的，两个端面中心的连线是这个部分的轴向，局部坐标系是相对于人体坐标系来说的，便于进行坐标变换。

第二步，剔除不参与求交运算的三角形，对人体数据中的三角形进行快速定位。

进行截面切环主要是用垂直于轴向的平面来和此部分中的三角形求交。在这之前，为了提高算法的效率，剔除不参与求交的三角形，就需要对人体数据中的三角形进行快速定位。下面以最复杂的躯干部分为例，说明如何定位参与求交运算的三角形。

①确定各个部分的端面，由于人体模型之间的差异性较大，所以需要手工确定人体分块的端面，可以根据人体的正视投影来判断。

②根据确定好的各个部分端面可以大致确定躯干部分的包围盒。躯干部分的包围盒边界由颈部端面、左臂端面、右臂端面、左腿端面、腰部端面和右腿端面来组成，这样便于相关三角形的定位。

③对人体数据中每个三角形判断是否在躯干部分内。如果一个三角形中有一个顶点落在了躯干区域内，那么这个三角形就要参与与截平面的相交计算。这样问题就转化为如何判断空间一点在躯干包围盒这个五边形内。每个端面都有法向，指向躯干的内侧。端面的中心点与空间一点的连线与端面法向夹角的余弦值大于零，则说明此点在端面的内侧。端面表示为N*P+D＝0，其中*是向量的点乘，N(x,y,z)是端面的法向量，P(x₀,y₀,z₀)是平面上一点，这里为平面的中心点。D表示的是原点到平面的距离，这个距离是矢量点到空间平面的距离。那么针对空间任意一点M(x_i,y_i,z_i)，其与端面中心点连线向量与法向量夹角：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{PM}}\·N}{\left|\mathrm{PM}\right|*\left|N\right|}$ 公式1

若三角形的一个顶点同时在五个端面的内侧，则这个点所在的三角形需要与截平面做相交计算。

第三步，对分块后的部分用截面切环。对分块后的每一部分，用垂直于其轴向且经过中心点的平面对分块数据切割，以得到人体截面环数据。

分块后每块的轴向可能不同，轴向是每块数据两端中心点的连线。对每一块数据，用垂直于其轴向且经过中心点的平面对分块数据切割，最初的人体数据是用三角面片来组织的，如图2所示用平面与三角形相交后得到一系列交点，并计算出这些交点集的几何重心。一环切完后，沿轴向将平面移动一定距离后到新的位置，重新进行切环操作，如此重复直到截平面超过一端的端面。

这步中的关键是计算截平面与空间三角形的交点。其基本思路是先判断截平面是否与三角形所在平面平行，若两平面的法向量点积为零，则平面或重合。重点讨论两平面相交的情况。

①计算截平面和三角形所在平面的相交线方程。

②求得两平面相交线的直线方程后问题就转化为平面上直线相交的问题，分别用相交线与三角形的三条边计算交点。

③对每个相关的三角形重复上面的步骤，得到一个截面环的点集。

④截面环在端面轴向上平移一定距离，再做相交计算，得到另一个高度截面环的点集，至到截面环所在高度超过端面。

第四步，采用外扩滤波的方法，对人体截面环进行优化与后处理，使截面环光滑，提高数据的精确性。

上一步形成的环是由点与点之间简单相连，截面环的形状不规则同时也不光滑，为了提高数据的精确性，需要再对截面环进行优化，本文中采用外扩滤波的方法。

外扩滤波的主要思想是对于曲线上的点只有Y轴方向上向外调整，其示意图如图3所示，曲线上的点经过滤波优化处理后形成一个较光滑的截面环。对曲线上任意一点P(x_k,y_k)，考虑其相邻两点对它的影响，有：

y＝a₁*y_k-1+a₂*y_k+1公式2

其中y_k-1，y_k+1分别是点P相邻顶点的Y轴坐标，a₁，a₂为待定系数。

点P与相邻顶点间距离为L₁,L₂，令有：

$a_1=\frac{L_1}{L_1+L_2}$ 公式3

$a_2=\frac{L_2}{L_1+L_2}$ 公式4

若根据上述公式2、3、4计算得到的y＜y_k，则令y_k＝y；否则y_k不变。最终每个截面环经过优化处理后得到如图4所示的结果，从图中可以看出曲线环中的点均匀分布，并且外扩滤波后的截面环很光滑。

（2）根据人体截面环数据，采用双线性插值法生成衣物定位线，利用中值滤波器和耦合滤波器对定位线进行优化，并定位特殊部位；

第一步，人体截面环相对衣物面片的调整。采用基于垂直优先原则调整人体截面环，调整主要产生在躯干部分，从躯干中颈部第一个环开始依次进行调整；垂直优先原则调整人体截面环使映射后的三维衣物具有悬垂的效果。垂直优先原则的示意图如图5所示，在截面环调整过程中，当环的高度底于悬挂点时环要以中心点向外扩，图中人体截面环要外扩到人体定位线的环的长度，外扩后环长度与以悬挂点对应衣物面片中环的长度一致。衣物是柔体，在悬挂点以后衣物是垂直向下延伸的。

人体截面环调整的主要思路为：对人体模型每个分块区域进行定位环生成，从第一个截面环开始，依次沿轴向对个环进行调整，调整的过程遵循垂直优先原则。其中对于躯干部分的胸腰区域比较特殊，会遇到悬挂点的问题，同样从颈部环线沿轴向处理，颈部一般不动，直到遇到悬挂点，需要分情况处理问题。

当环的高度底于悬挂点时，环沿中心点外扩的情况分为二种，根据人体截面环对应衣物面片中同样高度下面片长度来定。当截面环的长度小于对应面片中环线长度时，说明衣物穿在人体上会比较大，按照垂直优先原则，环可以外扩到悬挂点处环的长度；当截面环的长度大于或等于对应衣物面片中环的长度时，说明衣物穿在人体上会比较紧，对此环外扩到相同高度的衣物面片中环的长度。如图6所示，环线④与环线⑤的长度一致。

在确定人体截面环与对应的衣物面片上的相同高度的环线时，不是以端面的轴向距离来确定的，如图6中的①号线标识的距离；而是以人体的标志线的距离来确定，如图6中的②号曲线，与人体的轮廓边界有关。②号曲线与衣物上的③号线相对应。标志线在人体躯干上有四条，正面两条和背面两条，都是沿着人体表面向下延伸。

第二步，根据二维面片和人体截面环数据对衣物定位线初始化，采用双线性插值法插值出衣物定位线；首先确定生成衣物定位线的轴向高度，然后如图7示，根据定位后衣物定位线邻近的两条人体截面环数据插值出本条衣物定位线。

第三步，采用一维中值滤波方法对衣物定位线曲线进行横向优化；采用基于耦合滤波器的算法，对相邻衣物定位线做平滑处理，完成纵向优化；对于每一个衣物定位线，可以看作是平面上的一个点集，将序列两端分别扩展与同一序列中相对应数据，形成一个封闭环。取n=2，则一维中值滤波算法实现步骤如下：

①建立一个长度为2n+1的中值滤波窗口，并沿数字序列均匀移动，每次移动的步长为1；

②窗口每次移动后，先对窗口中的序列进行排序；

③求窗口内序列的中值并输出；

④重复步骤②，至到点序列末尾。

由于在衣物定位线的横向优化中只考虑单个定位线的调整，所以在把所有定位线计算处理完后，标志线的形状会变得不规则，形成类似于波浪线的不光滑曲线，这就有必要从整体上对衣物定位线做一下优化，这边是纵向优化，在此采用耦合滤波器的算法。

耦合滤波器优化算法是一个不断迭代的过程，迭代的终止条件是标志线的光滑度小于某一值或者迭代次数大于临界值。标志线光滑度是根据标志线中点的二阶导来定义的。在滤波的过程中，所有衣物定位线的长度与相应二维衣物面片中对应环线的长度要相等且保持不变。这样就保证了三维映射后的衣物结果与二维衣物两片的大小近似相等，以达到可以观察衣物是否合身的效果。

上述问题可以转化为求解衣物定位线中标志线光滑度最小的问题，是一个最优化问题的求解过程，最优化方法通常采用迭代方法求解它的最优解，基本思想是：给定一个初始点x₀∈Rⁿ，按照某一迭代规则产生一个点列{x_k}，便得当{x_k}为有穷点列时，其最后一个点是最优化问题的最优解，当{x_k}是无穷点列时，它有极限点，且其极限点是最优化问题的最优解。在此采用共轭梯度法来求解。

第四步，对腰部与腿部间的区域和躯干与左、右大臂间的区域的特殊区域定位。

衣物定位线生成是在各分块部位内部进行的，各部位间的定位方法与部位内的定位方法不同。部位内的衣物定位线可以利用相邻的人体截面环来进行插值获取，部位间是没有可以利用的人体截面环，部位间都是以各部位的端面为边界形成的一个区域，区域无任何信息。所以需要对一些特殊区域进行定位。

在腰部与腿部的特殊区域，只有边界端面才有坐标信息，区域内部需要定位。定位方式是：对于特殊区域内任意一点，作一条直线与边界相交，直线的方向为两边界方向向量的平均值，与边界相交的两点可以作为该点插值的数据来源。通过这种插值方式可以得到特殊区域内的任意一点坐标，完成定位。躯干部位与左大臂、右大臂间的区域内定位方式与腰腿部的定位方式相同。

区域间定位后的数据网格太大，构成三维模型时，光滑度欠缺，需要对数据进行插值细分。三次样条插值方法不仅可以保证各小段内连接点上的连续性，而且可以保证各小段间的连续性，特别适合用于在指定的数据点间产生一条光滑的曲线，所以在区域间定位了一些数据点后，点之间的连续插值采用三次样条法。

（3）展开衣物定位线，生成衣物面片经纬线结构，进行二维衣物面片与定位线的匹配，实现衣物二维面片向三维空间的映射。

第一步，基于距离和曲率保持的方法展开衣物定位线；

衣物定位环线展开算法的原理为：把环数据看作一个三维点集，点与点之间有相对的位置关系，只要在展开后不破坏这种关系或者最大程度的保证这种关系，则认为展开的算法是合理的。在算法中考虑的约束条件有空间距离和曲率，点集中任意一点与以它为交点的三角形各顶点间的距离合保持不变，与其竖直和水平方向上点连线的夹角保持不变。

衣物定位线展开算法的主要思想是基于空间距离和曲率来约束的，截面环上的每个点要考虑周围八个点对它的影响，边界环除外。截面环数据展开是衣物二维面片映射到三维的依据，为了得到空间Z坐标的信息。

衣物定位线C可以看作是有限点的集合，表示为M_i，i＝0,...,k-1，对空间曲率的约束等价于每两条相邻边夹角的约束，即θ_i＝(M^* _i-1M_iM^* _i+1)，其中C^*表示环上一点M_i在局部切平面上的投影点。截面环C展开的约束条件包括两个：环中每个点相邻两边的空间距离和夹角θ_i。

展开算法分为三部分：

①计算每个点在局部切平面上的距离和夹角。首先是计算每个点M_i的切平面T_i的法向量N_i，N_i为与点M_i相邻八个构成八个三角形的法向量的平均值，算完再把N_i单位化，

$N_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{ij}}}{8}$ 公式5

其中N_ij为每个局部三角形的法向量。

其次计算点M_i相邻点和M_i+1在切平面上的投影点M^* _i-1和M^* _i+1，其计算公式如下所示：

$M_{i-1}^{*}=M_{i-1}+((M_i-M_{i-1})*N_i)*N_i$ 公式6

$M_{i+1}^{*}=M_{i+1}+((M_i-M_{i+1})*N_i)*N_i$ 公式7

其次计算点M_i相邻两边的夹角θ_i

θ_i＝cos^-1(a·b)公式8

其中分别为相邻两条边的单位方向向量。

最后计算相邻点的距离：

L_i＝||C_i+1-C_i||公式9

其中i＝0,...,k-1。

②计算截面环展开后的初始点集C^T，首先在二维平面上任意取一点则下一个点可表示为其中L₀由第一部分计算得到。点集C^T中的余下点的x，y坐标值可由下面公式计算求得：

$C_{i,x}^T=C_{1,x}^T+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j*\cos \left(\underset{p=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_p\right)$ 公式10

$C_{i,y}^T=C_{1,y}^T+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j*\sin \left(\underset{p=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_p\right)$ 公式11

其中是在第一部分中定义的夹角。

③得到能量约束方程在三维曲面展开的过程中要考虑水平和竖直方向的情况，如图8所示，曲面上任意一点M_ij，与其相邻四个方向上各边夹角中只需保证三个角θ_ij，，ω_ij的大小就可以确定周围各点的相对位置。

因此，对于曲面中每个点角度约束的能量方程为：

公式12

其中0＜i＜n-1，0＜j＜m-1，为展开平面上对应夹角，为局部切平面上对应夹角。对于整个曲面的角度约束的能量方程为：

$E_g\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}^g$ 公式13

同样还需考虑任意点与周围相邻各点的距离，曲面上任意一点M_ij，与其相邻八个方向上的各点组成三角形相交于此点，这八个点的距离都需考虑。

具体距离约束的能量方程为：

$E_L=2*\underset{M_i\∈S}{\mathrm{\Σ}}\underset{M_j\∈{\mathrm{\Ω}}_i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{({\left|\right|m_i-m_j\left|\right|}^2-{\left|\right|M_i-M_j\left|\right|}^2)}^2}{{\left|\right|M_i-M_j\left|\right|}^2}$ 公式14

其中Ω_i是所有以点M_i为顶点的三角形端点集（点M_i除外）。

由于人体截面环相邻间的变化不大，本文改进了原来的曲面展开算法，对于距离约束，不能以曲面三角化后的相邻的三角形来考虑，否则若三角化的网格不规则，就会缺少考虑的顶点数，失去部分曲面信息，使曲面展开不准确。不管曲面如何三角化，在空间距离上的约束都要保证每个点与它相邻的八个点全部考虑到，边界除外。

最终需要优化的能量方程为：

$\underset{x\∈R}{\min }(\mathrm{\α}*E_L\left(x\right)+(1-a)E_g\left(x\right))$ 公式15

采用共轭梯度法解得约束能量方程的最小值，即可得到曲面展开后对应平面点集的二维坐标值。

第二步，汲取正则栅格法生成衣物面片经纬线结构；

衣物面片经纬线结构生成算法汲取正则栅格法。其基本原理是，将一完全包含目标区域的正则栅格放置在目标区域上面，除去落在目标区域之外的栅格单元，并对与物体边界相交的栅格单元进行调整或剪裁以便更准确地逼近目标区域。将这些栅格单元按一定的样式分成一定数量的网格单元后，通过光滑技术处理即得到最后的网格。栅格越密，网格质量越好。

具体的衣物面片经纬线结构生成方式为：

设任意二维衣物面片的轮廓边界顶点为P_i(i＝1,2,…N)，N为顶点个数，ε为剖分精度。

首先，从水平和垂直两个方向扫描目标区域，获取包含整个目标区域的正则网格。

①按从小到大的顺序对P_i的x坐标排序，取横向扫描线Row_i(i＝1,2,…N)。

②按从小到大的顺序对P_i的y坐标排序，取横向扫描线Col_i(i＝1,2,…N)。

③若Row_i+1-Row_i＞ε，（i＝1,2,...,N-1），以ε为精度细分区间[Row_i+1,Row_i]，使相邻扫描线的间隔ε；令i＝i+1，重复；若Row_i+1-Row_i＞ε，则i＝i+1；重复。

④若Col_i+1-Col_i＞ε，（i＝1,2,...,N-1），以ε为精度细分区间[Col_i+1,Col_i]，使相邻扫描线的间隔ε；令i＝i+1，重复；若Col_i+1-Col_i＞ε，则i＝i+1；重复。

⑤结合上述3、4步，最终确定横向扫描线Row_i(i＝1,2,…N)和纵向扫描线Col_i(i＝1,2,…N)。

其次，横向扫描目标区域，求与轮廓边界交点，除去落在目标区域之外的网格单元，再沿横向扫描线方向依次取栅格点，构造四边形。

第三步，对二维衣物面片与展开后的衣物定位线进行匹配；对于衣物定位线展开后的边界上的每一个点，从经线和纬线两个方向做射线，与二维衣物轮廓线相交，交点与边界上点之间的信息可以通过两个端点来获取。则问题可以转化为在已知两个端点的坐标信息后，通过对两端点间加点的方式来使展开后的衣物定位线外扩，与二维衣物网格匹配。

第四步，利用衣物定位线展开到平面与二维衣物面片匹配，然后通过对二维衣物网格的移动最小二乘法拟合生成三维衣物面片，完成二维面片到三维的映射。其间不同类型和形状的衣物二维面片都可以映射到三维空间，实现三维衣物的仿真展示。

人体截面环数据的生成实验：对三维人体模型进行预处理，用截面环来表示人体模型。如图9所示，对人体模型每隔一定高度从横向截取，生成90个截面环，环的形状有半环和全环。

分别从人体模型的颈部、胸部、腰部、臀部、腿部和臂部来生成环，每个部位都有自己的端面来与其它部位区分。半环主要产生在胸部，因为胸部与臂部相连接，而这两个部位生成环时部位的主轴向不同，则生成的环所在平面不平行，胸部的环数据就不会形成完整的环线。利用生成的截面环可以大致计算出人体的一些关键尺寸，比如颈围、腰围和臂长等尺寸，在可以提供人体表面信息的情况下，简化模型。

曲面展开方法的对比实验：利用改进后的算法把上述曲面展开的结果如图10所示，其中1号图是曲率权值为0.1，距离权值为0.9的结果，2号图是曲率权值为0.9，距离权值为0.1的结果。可以看出距离的比重较大的情况下，展开的曲面边界线较直；曲率的比重较大的情况下，展开的曲面边界线弯曲比较明显。

曲率与距离权值相同的情况下，展开算法改进后，展开曲面的边界线弯曲程度更大，曲面展成平面后丢失的信息较少，得到数据较准确。

展开算法改进前后对不同曲面的展开的运行时间比较如图11所示，展开算法中曲率权值为0.5，距离权值为0.5。可以看出随着曲面中三角形数量的增加，两种算法的运行时间都在增加。整体来看，改进后算法运行时间比改进前多，这是由于改进后算法中对每个点与它相邻的八个点的距离都考虑，而不是以曲面中与点相邻的三角形来考虑，这样就增加了计算的距离数量，导致改进后算法运行时间较长。

上述实验表明：距离权值越大，曲面展开后距离的特性表现越明显，展开曲面边界线弯曲程度低；曲率权值越大，曲面展开后曲率的特性表现越明显，展开曲面边界线弯曲程度高。对于相同的距离和曲率权值，改进后的算法，展开曲面边界线弯曲程度高，可以较好的保持原来空间曲面的性质和信息，但需要以消耗一定的运算时间为代价，同时只能适用于环形三角化后的曲面。

三维衣物仿真的实验结果：本衣物仿真方法取得了良好的仿真效果。上衣衣物仿真结果如图12所示，其中1号图为上衣正面结果，2号图为上衣背面结果。上衣的局部细节仿真结果如图13所示。裤子的仿真细节结果如图14所示，裤子的正面与背面仿真结果如图15所示。

上述实验结果表明，通过人体定位线、衣物定位线和衣物面片三层结构来完成衣物的仿真可以取得较好的结果，在人体定位线层，运用垂直优先原则来调整人体定位线；在衣物定位线层，运用耦合滤波方法对定位线进行整体优化；在衣物面片层，对曲面展开方法进行改进以完成衣物的三维映射。

Claims (2)

1.一种基于人体截面环数据的衣物面片三维映射方法，其特征在于以下步骤：

(1)建立三维人体模型，生成人体截面环数据并对其进行预处理；

(2)根据人体截面环数据，采用双线性插值法生成衣物定位线，利用中值滤波器和耦合滤波器对定位线进行优化，并定位腰部与腿部间区域和躯干与左、右大臂间区域这两个特殊区域；

(3)展开衣物定位线，生成衣物面片经纬线结构，进行二维衣物面片与定位线的匹配，实现衣物二维面片向三维空间的映射；

所述步骤(2)中的定位腰部与腿部间区域和躯干与左、右大臂间区域这两个特殊区域具体步骤如下：

(2.1)人体截面环相对衣物面片的调整，采用基于垂直优先原则调整人体截面环，调整主要产生在躯干部分，从躯干中颈部第一个环开始依次进行调整；

(2.2)根据二维面片和人体截面环数据对衣物定位线初始化，采用双线性插值法插值得到衣物定位线；

(2.3)采用一维中值滤波方法对衣物定位线曲线进行横向优化；采用基于耦合滤波器的算法，对相邻衣物定位线做平滑处理，完成纵向优化；

(2.4)对腰部与腿部间的区域和躯干与左、右大臂间的区域的特殊区域定位；

所述步骤(3)的具体过程如下：

(3.1)基于距离和曲率保持的方法展开衣物定位线；

(3.2)汲取正则栅格法生成衣物面片经纬线结构；

(3.3)对二维衣物面片与展开后的衣物定位线进行匹配；

(3.4)采用移动最小二乘法完成二维衣物面片到三维空间的映射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的建立三维人体模型，生成人体截面环数据并对其进行预处理方法如下：

(1.1)人体数据分块，把人体数据分为颈部、胸部、腰部、臀部、臀腿部、左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、右大腿、右小腿几个部分，并且每个部分组织成相同的数据结构；

(1.2)剔除不参与求交运算的三角形，对人体数据中的三角形进行快速定位；

(1.3)对分块后的部分用截面切环，对分块后的每一部分，用垂直于其轴向且经过中心点的平面对分块数据切割，以得到人体截面环数据；

(1.4)采用外扩滤波的方法，对人体截面环进行优化与后处理，使截面环光滑，提高数据的精确性。