CN106570223A - 一种基于Unity3D服装仿真人体碰撞球的提取 - Google Patents

Abstract

本发明公开了虚拟试衣中碰撞球人体模型的提取算法，为了减少性能的消耗，将几何不规格的人体用几何规则的圆球构建一个布料仿真的碰撞环境，通过最小二乘法拟合人体的内接圆，提取人体碰撞球填充人体，以人体模型的跨点坐标作为相对的坐标系，求取填充人体一系列碰撞球位置和半径数据并保存为相关通用格式文档，利用Unity3D自带的布料组件，重构碰撞球人体，自动添加shpere碰撞体，按照Unity3D布料系统的规范设置构建人体碰撞环境。本发明旨在提高用户体验性、增强真实感。

Description

一种基于Unity3D服装仿真人体碰撞球的提取

技术领域

本发明涉及一种基于Unity3D的三维虚拟试衣物理仿真系统，属于虚拟试衣技术领域。

背景技术

在通信、网络日益发达的今天，电子商务俨然成为我们生活中不可分割的一部分。服装在电子商务交易中扮演着很重要的角色，但是线上交易的服装却面临无法试穿的尴尬情况。随着电子商务技术的发展，互联网成为服装业一个重要的销售渠道，因此推动了网上虚拟试衣系统的研究。虚拟试衣系统是一种应用于服装电子商务的实时交互平台，对促进服饰行业、鞋类、箱包以及化妆品等行业发展具有很大作用。

现有的虚拟试衣软件，在体现服装材质和物理特性方面一直没有一个较好的试衣软件普及到广泛客户群体通过移动端平台实现试衣的真实效果，在实现的试衣的过程中，其困难在于服装的材质和仿真的真实度。服装材质的选择需要通过触觉体验才能感知衣服质感，确定其产品质量和舒适度，实体店无疑是最佳的选择，虚拟试衣要想解决触觉的感官体验，在VR技术尚没有成熟的今天是无法实现，随着传感技术和VR技术的不断发展，服装材质的触觉体验在未来的某一天并不是只是一个空想的概念，它一定会实现。虽然从触觉上难以感受服装的质感，但是在视觉上通过力学仿真，服装的色彩，褶皱，变形在现有的技术上是可以完全做到的。但是布料的碰撞检测作为织物碰撞检测算法是相对比较复杂的，它对系统性能的消耗比较大。

虚拟试衣的3D仿真模拟系统，需要建立布料的实时检测力学碰撞环境，布料作为非线性的三维模型，其复杂的点面几何关系模拟构建一个力学的弹性粒子点结构，与人体复杂的曲面关系发生碰撞，会存在较大数据集的处理，这种碰撞检测相关的数据结构和算法也日趋复杂。虚拟试衣中，碰撞检测与相应算法是模拟仿真的研究的核心内容，检测的效率和精度会直接影响虚拟仿真的效果和客户的直接体验。

综上所述，现有移动端虚拟试衣系统主要存在几个不足：

1、服装仿真真实性差，用户体验极差；

2、人体模型大多用数据库模型匹配，用户体验性少；

3、面对广大移动端用户，布料仿真的物理动态效果消耗内存过大，一般移动硬件设备难以支撑。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于Unity3D的布料仿真人体碰撞球的提取算法，提高布料仿真的事实性，真实性，本发明系统稳定性好、用户体验性好、真实感强。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明是一种基于Unity3D的提取碰撞球体人的拟合算法，通过提取人体特征点，求取对应的内接圆拟合人体的身体曲线，依赖Unity3D特有的物理引擎的布料组件，构建人体碰撞球物理仿真环境。

在Unity3D构建的三维空间内，将人体根据提取人体的特征点从上倒下分成如图1的横截面,人体碰撞球截面分区以及特征点的选取具体步骤如下：

步骤1、模型预处理；

将人体按照腋下、胸部、腰部、臀部、肘部、腕部、膝盖、踝部，作为对应提取的横截面；

步骤2、标定横截面需要提取的特征点；

将对应的横截面通过Y轴投射到XOZ上，在XOZ上选取对应的特征点作为求取拟合圆的交点；

步骤3、建立方程求取最优内切圆半径。通过最小二乘法拟合人体求取对应身体部分内接圆；

假设在人体上标注有一系列的数据点 {x_i ,y_i}，这些数据点近似的落在一个圆上。本发明使用的最小二乘法公式推出最优内切圆半径R：

，将计算结果进行存储方便试衣应用使用；

步骤4、Unity 3D碰撞球加载。Unity3D程序中通过读取存储的碰撞球数据，在unity3D中生成对应的碰撞球实例。

本发明的有益效果是：通过算法提取的的人体碰撞球数据，在Unity3D中重建这些数据，并添加对应的碰撞球组件，利用Unity3D布料物理仿真系统，跨平台发布，高效简易的开发环境诸多优点，在保障移动端手机可控的内存消耗内增强虚拟试衣的材质的真实性，提高客户的体验度。

附图说明

图1是Unity3D碰撞球提取的横截面分区。

图2是提取人体碰撞球分布图。

图3是Unity3D布料仿真系统参数设置 。

图4是Unity3D布料系统构建的碰撞人体。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

为减少算法计算量和优化移动端的显示效果，本发明首先将碰撞球计算放置于主工程外，通过预处理工程提取人体模型的碰撞球数据，从而避免实时计算。具体提取方法如下：（1）首先进行人体特征点标定。本发明根据人体服装仿真与人体模型发成碰撞的区域和人体的特征区域标定人体的特征点，其中包括：腋下、胸部、腰部、臀部、肘部、腕部、膝盖、踝部；

（2）标记后通过PCL库提取横截面；

（3）然后将特征点的三维坐标系中的Y方向值投影到XOZ平面上，在XOZ平面上将对应特征点求取拟合圆的交点；

（4）将（3）中获取到的坐标值通过最小二乘法拟合人体求取对应身体部分内接圆，具体实施方法如下：

本发明首先建立碰撞球一般模型：，然后通过建立二乘法拟合求取距离的平方和最小，来求取最优半径R的值：，为了简化上述计算式，将等式化简为：，为求出内切圆半径，本发明专利提出一个辅助函数：，将上式带入f中，得下式：,按照最小二乘法的通常的步骤，可知f取极值时对应下面的条件:

将化简得：

由于半径 R 不能为 0 的，则必然有：

剩下的两个式子展开为：

将上式化简得：

设：

代入前式得出：

由于变量的替换只不过是修改了坐标原点的位置。所以等式与坐标原点的具体位置无关，因此等式成立。展开式子得出：

当∑ui=0, ∑vi=0，上面两式化简为：

之后求取对应参数x_c、y_c、R。令：

那么上面的式子可以写为：

根据上式解出：

从而解出：

本发明根据以上推导出的算法公式可以得到R：

将算法输出的半径R值以及碰撞球相对于人体模型的坐标值存储至文本中，供Unity3D等软件读取；

（5）本发明使用Unity3D平台测试碰撞球计算效果。在Unity3D通过读取展示模型对应的碰撞球数据，加载且显示。当添加具有布料参数的服装时，设定碰撞球与服装模型发生物理碰撞产生较为真实的服装展示效果。

若人体曲面的面数为m, 服装曲面点数为n, 碰撞检测的时间复杂度将是O(mn)。在手机移动端，过高的碰撞检测时间复杂度无疑是对互联网移动平台硬件系统性能的一大考验，增加性能消耗，会大大降低移动端显示的帧率，通用的移动手机端，当帧率低于30帧的时候，就严重影响客户的体验度，通过扫描和人体参数化构建的人体精模，想要非常逼真的还原人体体型参数，其mesh网格面数都达到了2万以上，在仿真过程中，是因为布料样条线的大范围变动，那么构建服装曲面的三角面片网格边长也会大范围变动，服装网格稀疏会造成服装表面的不光滑，服装的三维外观效果就差，服装真实度出现失真，同时由于服装面片三角面片边长过长，导致仿真结果不理想，但是过于紧密的服装面片，增加碰撞检测的时间复杂度，增加硬件性能的消耗，一般仿真模拟的布料服装三角面片控制在1000~10000之间可以保证三维服装的真实度，由此可见其碰撞检测的复杂度0（2万*1000）,已经超过7个数量级，在不考虑空间复杂度的情况下，4个数量级的时间复杂度就影响手机的性能，在碰撞检测中，通过降低m或者n来降低碰撞检测时间的复杂度，unity自带的布料碰撞系统通过32对有规则的球面降低了人体面数m,从而降低系统的性能消耗。

通过上述方法搭建的布料仿真系统，在现有的移动手机（Android和IOS）运行，均可实现非常理想的效果。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于Unity3D布料仿真碰撞去的提取方法，其包括：

步骤1、标记给定人体模型特定位置的特征点；

步骤2、根据已标记点计算对应模型内部碰撞球半径；

步骤3、加载以计算完成的碰撞球数据至Unity3D平台中，辅助布料仿真系统；

其中，对于每给定一个人体3维模型，首先通过标记人体模型上的特征部位的特征定点，然后通过构造一个最小二乘法式子计算出最优圆周半径，并将计算结果保存至文本文件中，最后由Unity 3D构建的虚拟试衣系统读取对应的模型碰撞球文件实现布料仿真。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标记人体模型特征部位的特征点，其内容为：

根据物理仿真中的人体结构特点，本发明选取了腋下、胸部、腰部、臀部、肘部、腕部、膝盖、踝部等部位的模型定点作为特征点进行计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述构造最小二乘法式子，其算法为：

首先通过圆周方程利用最小二乘法建立式子：

然后，通过建立辅助函数进行求解：

最后，求解上式得出内切圆圆周值：

。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述圆周方程为：

。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述的Unity 3D构建的虚拟试衣系统读取对应的模型碰撞球文件实现布料仿真，其方法为：

首先基于Unity3D编写的服装仿真系统中，通过读取碰撞球的数据，然后进行实例化，之后对实例化的球形实例添加spherecollider属性。