CN103678769B - 基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，包括：（1）将服装图案转换为三角面片模型，将该三角面片模型映射到预先构建的人体模型上，建立三角面片模型与人体模型中人体骨架的相对位置关系，得到三角面片模型上的二维形变控制点；（2）改变人体骨架的姿势，根据步骤（1）得到的相对位置关系，获得所有二维形变控制点的新位置，根据所有二维形变控制点的新位置计算新姿势下的三角面片模型；（3）基于新姿势下的三角面片模型，重新计算服装图案中的样式线和图案曲线并进行渲染，得到二维形变后的服装图案。本发明方法使设计师可以通过电脑在不同姿势下模拟二维服装的试穿效果，以便设计出更为贴身的服装。

Description

基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学及计算机辅助设计领域，特别是涉及一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法。

背景技术

计算机辅助服装设计技术融合了设计师的思想和经验，通过计算机强大的计算能力，使得服装设计更加科学化和高效化，为服装设计师提供了一种便捷的辅助工具。近年来，该技术已被广泛地应用于服装设计机构、服装生成基地等。计算机辅助服装设计技术的发展很大程度上得益于图形学技术的发展。

图形学领域中，二维形变技术得到了广泛的研究，已被成功地应用于图像编辑、计算机辅助设计、人机交互和计算机动画等。为了生成满意的服装设计结果，研究者们根据应用环境的不同提出了很多变形算法。其中，Igarashi等提出了一个两步算法，可以像操纵二维实体变形一样进行二维形变操作，参见Igarashi,T.,T.Moscovich,and.J.F.Hughes,As-Rigid-As-Possible Shape Manipulation,ACM Transactions on Graphics,ACM Transactions on Graphics,2005,24(3):1134-1141。在此研究基础之上，有研究人员提出使用非线性最小二乘优化方法进行二维形变，参见Weng,Y.,Xu W.,Wu Y.,Zhou K.and Guo B.,2D shape deformation using nonlinearleast squares optimization,The Visual Computer,2006,22(9):653-660。

根据物体材料的刚性和硬度，Yang等提出了一种交互式二维/三维形状变形方法，在操纵变形的时候，用户可以调节物体的硬度，参见Yang,W.,J.Feng,and X.Jin,Shape deformation with tunable stiffness,The VisualComputer,2008.24(7-9):495-503。Yu和Zhang等提出了一种保持拓扑约束的二维形变框架，参见H.Yu and J.J.Zhang,Topology preserved shapedeformation,The Visual Computer,28(6-8),849-858,2012。

通过模仿传统的纸笔设计方式，基于草图的服装设计技术可以提供自然有效的交流平台，近年来得到了很大发展。Igarashi等提出了基于草图的在人体上穿衣服方法，用户可以在人体和衣服上自由绘制对应标记，系统通过匹配这些对应将衣服穿到人体上，参见Igarashi,T.and J.F.Hughes,Clothing manipulation,in Proceedings of the 15th annual ACM symposium onUser interface software and technology,2002,New York,USA。Turqin等开发了一个基于草图的界面，用户可以直接在三维角色身上进行勾画，三维虚拟衣服可以很快生成出来，参见Turquin,E.,Wither J,Boissieux L.,CaniM.-P.,and Hughes,J.F.,A Sketch-Based Interface for Clothing VirtualCharacters,IEEE Computer Graphics&Application,2007.27(1):72-81。在这一思想的基础上，Decaudin等提出一种自动服装设计方法，可以创建可展平的二维衣片，便于进行衣物的缝制，参见Decaudin,P.,Julius D.,Wither J.,Boissieux L,Sheffer A.and Cani M.-P.,Virtual Garments:A Fully GeometricApproach for Clothing Design,Computer Graphics Forum,2006.25(3):625-634。Ma等开发了一个基于草图的二维衣服概念设计方法，可以在产品进入生产流水线之前帮助设计者识别不同的衣服设计方案，参见Ma,C.X.,Liu Y.J.,Yang H.Y.,Teng D.X.,Wang H.A.and Dai G.Z.,KnitSketch:ASketch Pad for Conceptual Design of 2D Garment Patterns,IEEE Transactionson Automation Science and Engineering,2011.8(2):431-437。

现有的二维服装设计是通过设计师直接对二维的服装草图进行拉伸，因此无法很好地模拟和观察服装穿在人体模型上时的形变、样式线条效果。

发明内容

本发明提供了一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法。该方法根据人体骨架与人体特征点的布局，结合二维形变技术，将设计师勾画的二维服装变形到对应新姿势下，从而方便设计师观察所设计的服装在不同姿势下的效果。本发明的每一个步骤都可以在家用电脑上处理，为专业服装设计人员提供了一种简便且直观的辅助服装创建方法。

一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，包括：

(1)将服装图案转换为三角面片模型，将该三角面片模型映射到预先构建的人体模型上，建立三角面片模型与人体模型中人体骨架的相对位置关系，得到三角面片模型上的二维形变控制点；

(2)改变人体骨架的姿势，根据步骤(1)得到的相对位置关系，获得所有二维形变控制点的新位置，根据所有二维形变控制点的新位置计算新姿势下的三角面片模型；

(3)基于新姿势下的三角面片模型，重新计算服装图案中的样式线和图案曲线并进行渲染，得到二维形变后的服装图案。

其中服装图案是指由设计师预先勾画的二维形式的服装。人体骨架姿势改变时，通过三角面片模型上相应的的二维形变控制点来控制三角面片模型的二维形变。

步骤(1)中将服装图案转换为三角面片模型的过程为：

描绘所述服装图案的外围轮廓线，构成一个封闭的多边形；

使用Delaunay三角剖分算法将该多边形三角化，得到对应的三角面片模型。

其中三角面片模型中包含多个三角面片，构成整个封闭的多边形。

将三角面片模型映射到预先构建的人体模型上时，步骤如下：

a)在三角面片模型的外围轮廓上选择若干特征点；

b)在人体模型上选择所述特征点的对应点；

c)匹配所述特征点与对应点，如果三角面片模型覆盖人体模型的对应部位，则完成映射过程，否则执行步骤d)；

d)增加若干特征点以及相匹配的对应点，将所有的特征点以及相匹配的对应点作为对三角面片模型进行RBF插值映射的约束条件，对三角面片模型进行插值处理，使插值后的三角面片模型覆盖人体模型的对应部位，完成映射过程。

在人体模型上与三角面片模型外围轮廓对应处的点为人体模型身形的轮廓。例如，在三角面片模型中选择肩点，则在人体模型肩膀轮廓处相应位置选择肩点的对应点。

其中二维形变控制点选择过程为：设定人体骨架初始为正立姿势，正立姿势下的人体骨架包括若干线段以及相邻线段的连接点，还包括两条初始为水平的特征线，将两条特征线的端点以及所有连接点均作为人体特征点；计算所述二维形变控制点时遍历三角面片模型中的所有三角面片，为人体骨架中的每一条线段选择若干个临近的网格顶点作为二维形变控制点。其中，特征线用于更好地展现不同姿势下人体躯干的状态。

由每个人体特征点的坐标确定其所在的三角面片，若人体特征点与其所在三角面片的中心点的距离小于设定值，则由该中心点将该三角面片划分为三个新的三角面片，该中心点也作为二维形变控制点。

通过将人体特征点所临近的三角面片中心点增加到二维形变控制点中，能够更加精确地进行二维形变控制。

对于紧身款的二维服装，通过增加人体骨架来达到较精确的控制。对于步骤d)中获得的插值后的三角面片模型，在计算其二维形变控制点时，在插值后的三角面片模型的外轮廓与人体骨架的中间位置构建曲线段，该曲线段以及相邻曲线段之间的连接点也作为人体骨架的一部分。

步骤(2)中基于三角面片各个顶点与相应二维形变控制点的相对位置关系，在满足误差总和最小的条件下，得到三角面片各个顶点的新位置，即获得新姿势下的三角面片模型。

由于各个控制点对每一个三角面片顶点所产生的期望位置不同，存在误差，因此每个顶点的新位置应满足总体误差最小。

得到三角面片各个顶点的新位置后，还需进行三角面片的比例调整，之后获得新姿势下的三角面片模型，其中，三角面片的比例调整包括如下步骤：

步骤2-1，设是与三角面片{v₀,v₁,v₂}匹配的新面片，其中通过最小化新面片的误差得到，新面片误差表示如下：

$E_{f\{v_0^f,v_1^f,v_2^f\}}=\underset{i=0,1,2}{\Σ}\left|\right|v_i^f-v_i^{\′}|{|}^2$

这里，满足局部坐标公式

步骤2-2，再乘以缩放因子得到

满足的条件为：使得最终三角面片的每条边与匹配位置的误差E_2{T'}最小，E_2{T'}表示如下：

其中，w是轮廓边约束的权重，Π是三角面片模型轮廓边的集合。w越小，表明衣服弹性越好；权重越大，弹性越差。

由于在二维形变过程中，三角面片会发生变形，因此，对每一个三角面片进行比例调整。并且，由于控制点对各个三角面片进行控制所产生的比例影响同样存在误差，因此同样要满足使总体误差最小。

本发明方法使设计师可以通过电脑在不同姿势下模拟二维服装的试穿效果，以便设计出更为贴身的服装。

附图说明

图1是本发明一个实施例的技术方案流程图；

图2是本发明当前实施例将衣服穿到正面人体模型上的效果；

图3是本发明当前实施例计算所得新姿势下的衣服效果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法通过实施例进行详细说明，本发明可以在家用电脑上应用。

如图1所示，本发明当一个实施例为一种基于人体骨架与二维形变的服装创建方法。在进行本发明实施例的方法之前，先由设计师勾画出二维形式的服装图案(即二维服装)，再通过本发明实施例的方法对服装进行设计。

现根据图1具体介绍本发明方法的三个步骤：

步骤1，将服装图案转换为三角面片模型，将该三角面片模型映射到预先构建的人体模型上，建立三角面片模型与人体模型中人体骨架的相对位置关系，得到三角面片模型上的二维形变控制点。

其中将服装图案转换为三角面片模型的具体步骤如下：

首先，使用直线和样条曲线描绘二维衣服的外围轮廓线，构成一个封闭的多边形；

然后，使用Delaunay三角剖分法将该多边形三角化，得到二维服装对应的三角面片模型。

在得到三角面片模型之后，将该三角面片模型映射到正立姿势的人体模型上，这个过程相当于将二维形式的服装穿至人体模型上，其中人体模型是预先设定并输入的。

该过程可以通过匹配一系列特征点(例如肩点)，将三角面片模型映射到人体模型上。

由于衣服具有不同样式，如宽松款、普通款以及一些修身款，因此设计师有不同的处理方式。紧身款衣服一般采用具有弹性的材料制作，设计师根据衣服的度量进行设计时，其尺寸通常会比人体模型的实际小。

因此通过下列两个步骤选择不同的映射方式，下列步骤实现以不同的映射方式完成穿衣过程，其效果如图2所示，具体步骤如下：

a)在三角面片模型的外围轮廓上选择若干特征点(例如肩点)。

b)在人体模型上也选择步骤a)中所选特征点的对应点。

c)将三角面片模型上的特征点与人体模型上的特征点进行匹配，将三角面片模型映射到正面人体模型上，在屏幕上显示映射结果，并由用户进行观察和判断：如果三角面片模型充分覆盖了人体模型，则表示该三角面片模型对应的衣服款式为宽松款或普通款，映射过程完成；否则，衣服款式为紧身款，进入步骤d)。

d)增加若干特征点以及相匹配的对应点，将所有的特征点以及相匹配的对应点作为对三角面片模型进行RBF插值映射的约束条件，对三角面片模型进行插值处理，其中插值映射的约束条件表达式如下：

$f\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{s}{\Σ}}{w}_k\·\mathrm{\φ}\left(\right||x-c_k|\left|\right)+q\left(x\right)$

式中，φ是标量基函数，c_k为RBF插值的中心点，w_k是RBF插值的权重，q为一个二次三项式。为求解具有上述对应关系的RBF插值，设定：

f(m_k)＝f_k

将RBF插值的中心点作为约束点，即c_k＝m_k,k＝1,2,…,s，其中s为二维服装上所增加的特征点个数。其中，基函数表达式为φ(r)＝e^-r/δ，在约束条件表达式中，r＝x-c_k，δ＝1000，从而构造一个对称线性方程组。通过求解这个线性方程组，我们得到基函数的权重w_k和二次三项式q(x)的系数，从而得到紧身款的二维服装穿在人体模型上的结果，完成映射过程。

在步骤1中的人体模型为正立姿势下的人体模型，当人体模型姿势发生变化时，通过人体骨架来表示不同的姿势。在本发明当前实施例中，人体骨架包括18个连接点和连接这18个点的17条线段，另外参照时装插画作品，本发明实施例中的人体骨架还包括两条特征线，以便更好地展现不同姿势下人体躯干的状态，其中每条特征线的两端均为人体特征点。

由于在真实穿衣过程中，人体发生各种姿势变化，而服装随着人体变化而变化，因此在服装创建过程中需要改变人体模型的姿势。在设定人体骨架之后，改变人体骨架姿势，相应地对三角面片模型进行二维形变，这种二维形变可由二维形变控制点来实现。

计算二维形变控制点。根据先前定义的人体模型，当三角面片模型映射到正立姿势下的人体模型上后，可以自动地选择一组二维形变的控制点。对于不同款式的衣服，二维形变控制点的计算采用不同处理方法。

对于宽松款或普通款服装进行的二维形变控制点计算方法：根据人体骨架，遍历三角面片模型中的所有三角面片，为人体骨架中的每一条线段选择离当前线段最近的若干个三角面片顶点作为控制点。然后，由每个人体特征点的坐标确定该人体特征点所在面片。若人体特征点离其所在面片的中心点很近，则由该中心点将三角面片划分为三个面片，该中心点作为一个新的控制点。

该二维形变控制点的选择方法适合宽松款衣服或一些恰好合体的衣服；而对于一些紧身款衣服和一些恰好合体的衣服，该方法所选择控制点不能保证衣服的变形贴合人体轮廓。

对于先前在映射至人体模型过程中通过插值映射所获得的三角面片模型，首先在插值后的三角面片模型的外轮廓与人体骨架的中间位置构建曲线段，该曲线段以及相邻曲线段之间的连接点也作为人体骨架的一部分，接下来再采用宽松款或普通款所使用的二维形变控制点计算方法。

通过上述方法得到二维形变控制点，接下来对人体模型姿势进行改变。

初始状态下，人体模型姿势为正立姿势，人体骨架也为正立姿势，两条特征线为水平状态。新姿势下二维形变控制点的位置可以由正立姿势和新姿势下的骨架位置计算得到。

步骤2，改变人体骨架的姿势，根据步骤1得到的相对位置关系，获得所有二维形变控制点的新位置，根据所有二维形变控制点的新位置计算新姿势下的三角面片模型。

其中二维形变计算方法的输入是三角面片模型、正立姿势下的人体骨架以及新姿势下人体模型的人体骨架，输出是新姿势下的三角面片模型，输出效果如图3所示。

在进行二维形变的过程中，目标是三角面片模型中所有三角面片的扭曲总和达到最小，且衣服轮廓的总长度变化尽可能小。整个计算方法包括两步：

①通过旋转和统一缩放三角面片模型而得到三角面片模型的中间结果，保证中间结果里所有三角面片的局部坐标不变。

假设{v₀,v₁,v₂}和{v′₀,v′₁,v′₂}分别是三角面片T在步骤①前后的三个顶点。顶点v₂在v₀和v₁构成的局部坐标系下的坐标{x₀₁,y₀₁}可表示如下：

这里，R₉₀表示逆时针旋转90°。

为保持变形中网格顶点的局部坐标不变，v′₂的期望位置可表示为：

目标位置v′₂与期望位置的误差为：

$E_{\left\{v_2\right\}}=\left|\right|v_2^d-v_2^{\′}|{|}^2$

顶点v₀、v₁的期望位置可同样计算。因此，三角面片T的误差可表示为：

$E_{1\left\{T\right\}}=\underset{i=0,1,2}{\Σ}\left|\right|v_i^d-v_i^{\′}|{|}^2$

对于整个三角面片模型中的n个三角面片，目标是使得所有三角面片的误差总和达到最小，可表示如下：

$min\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Σ}}{E}_{1\left\{T_i\right\}}$

通过满足所有三角面片误差总和最小这一条件(即上面的关系式)，便可得到三角面片模型的中间结果。

②得到三角面片模型的中间结果之后，调整每个中间三角面片的比例，防止衣服收缩。

设是与三角面片{v₀,v₁,v₂}匹配的新面片。可通过最小化下列函数得到：

$E_{f\{v_0^f,v_1^f,v_2^f\}}=\underset{i=0,1,2}{\Σ}\left|\right|v_i^f-v_i^{\′}|{|}^2$

这里，满足局部坐标公式最终位置{v″₀,v″₁,v″₂}再加上缩放因子得到比例调整的最终三角面片 满足的条件为：使得最终三角面片的每条边与匹配位置的误差E_2{T'}最小，E_2{T'}表示如下：

其中，w是轮廓边约束的权重，Π是三角面片模型轮廓边的集合。

步骤3，基于新姿势下的三角面片模型，重新计算服装图案中的样式线和图案曲线并进行渲染，得到二维形变后的服装图案。

在二维形变过程中，保持所有样式线和图案曲线的控制点与衣服相对位置不变。通过观察容易看到，每个控制点都落入三角面片模型中的某一三角面片中。重心坐标由于其仿射性质，可以有效地描述简单的比例变形，因此，用它来描述控制点到对应三角面片的相对位置。

对于样式线或图案曲线的控制点p，搜索离其最近的三角形(即三角面片)T(v₀,v₁,v₂)，点p将三角形T划分为三个小三角形T₀,T₁和T₂，这里T＝T₀+T₁+T₂。点p可表示三角形T的三个顶点{v₀,v₁,v₂}的线性组合：

p＝b₀v₀+b₁v₁+b₂v₂

其中，b₀＝T₀/T，b₁＝T₁/T，b₂＝T₂/T，而b₀+b₁+b₂＝1。{b₀,b₁,b₂}定义为控制点p相对于三角形T的重心坐标。

①给定正立姿势下的三角面片模型、样式线控制点以及图案曲线控制点，计算各控制点所落入的三角面片以及重心坐标。

②设在二维形变前后，各控制点的重心坐标不变。二维形变后各控制点的新位置p′可由如下公式得到：

p′＝b₀v″₀+b₁v″₁+b₂v″₂

其中，{v″₀,v″₁,v″₂}是三角形T在二维形变后的顶点。

在计算得到二维形变后的样式线和图案曲线之后，再它们重新渲染至二维形变后的二维面片模型后便可得到相应姿势下的完整的二维服装效果，如图3所示。

本发明方法使设计师可以通过电脑在不同姿势下模拟二维服装的试穿效果，以便设计出更为贴身的服装。

Claims (7)

1.一种基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，包括：

(1)将服装图案转换为三角面片模型，将该三角面片模型映射到预先构建的人体模型上，建立三角面片模型与人体模型中人体骨架的相对位置关系，得到三角面片模型上的二维形变控制点；

(2)改变人体骨架的姿势，根据步骤(1)得到的相对位置关系，获得所有二维形变控制点的新位置，根据所有二维形变控制点的新位置计算新姿势下的三角面片模型；

步骤(2)中基于三角面片各个顶点与相应二维形变控制点的相对位置关系，在满足误差总和最小的条件下，得到三角面片各个顶点的新位置，即获得新姿势下的三角面片模型；

(3)基于新姿势下的三角面片模型，重新计算服装图案中的样式线和图案曲线并进行渲染，得到二维形变后的服装图案。

2.如权利要求1所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，步骤(1)中将服装图案转换为三角面片模型的过程为：

描绘所述服装图案的外围轮廓线，构成一个封闭的多边形；

使用Delaunay三角剖分算法将该多边形三角化，得到对应的三角面片模型。

3.如权利要求1所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，将三角面片模型映射到预先构建的人体模型上时，步骤如下：

a)在三角面片模型的外围轮廓上选择若干特征点；

b)在人体模型上选择所述特征点的对应点；

c)匹配所述特征点与对应点，如果三角面片模型覆盖人体模型的对应部位，则完成映射过程，否则执行步骤d)；

d)增加若干特征点以及相匹配的对应点，将所有的特征点以及相匹配的对应点作为对三角面片模型进行RBF插值映射的约束条件，对三角面片模型进行插值处理，使插值后的三角面片模型覆盖人体模型的对应部位，完成映射过程。

4.如权利要求1所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，其中二维形变控制点选择过程为：设定人体骨架初始为正立姿势，正立姿势下的人体骨架包括若干线段以及相邻线段的连接点，还包括两条初始为水平的特征线，将两条特征线的端点以及所有连接点均作为人体特征点；计算所述二维形变控制点时遍历三角面片模型中的所有三角面片，为人体骨架中的每一条线段选择若干个临近的网格顶点作为二维形变控制点。

5.如权利要求4所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，由每个人体特征点的坐标确定其所在的三角面片，若人体特征点与其所在三角面片的中心点的距离小于设定值，则由该中心点将该三角面片划分为三个新的三角面片，该中心点也作为二维形变控制点。

6.如权利要求3所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，对于步骤d)中获得的插值后的三角面片模型，在计算其二维形变控制点时，在插值后的三角面片模型的外轮廓与人体骨架的中间位置构建曲线段，该曲线段以及相邻曲线段之间的连接点也作为人体骨架的一部分。

7.如权利要求1所述基于人体骨架与二维形变的真实感服装创建方法，其特征在于，得到三角面片各个顶点的新位置后，还需进行三角面片的比例调整，之后获得新姿势下的三角面片模型，其中，三角面片的比例调整包括如下步骤：

步骤2-1，设是与三角面片{v₀,v₁,v₂}匹配的新面片，其中通过最小化新面片的误差得到，新面片误差表示如下：

$E_{f\{v_0^f,v_1^f,v_2^f\}}=\underset{i=0,1,2}{\Σ}\left|\right|v_i^f-v_i^{\′}|{|}^2$

此处，满足局部坐标公式

步骤2-2，再乘以缩放因子得到比例调整的最终三角面片满足的条件为：使得最终三角面片的每条边与匹配位置的误差E_2{T'}最小，E_2{T'}表示如下：

其中，w是轮廓边约束的权重，Π是三角面片模型轮廓边的集合，{v₀,v₁,v₂}表示三角面片调整比例前的三个顶点，{x₀₁,y₀₁}是顶点v₂在v₀和v₁构成的局部坐标系下的坐标点，表示三角面片调整比例后的三个顶点，表示比例调整后的最终三角面片的三个顶点，R₉₀表示逆时针旋转90°，v_i＇表示三角面片T的顶点,v_i″和v_j″均表示最终位置的顶点。