CN108053480B - 基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，包括以下步骤：利用逆向工程软件得到人体模型和服装模型，基于重人体模型和服装模型得到实际嵌套服装的人体模型；基于获得的实际嵌套服装的人体模型建立实际着装人体模型所处环境的几何模型，实现“环境‑服装‑人体”系统的全尺度的计算域几何模型；根据计算精度以及“环境‑服装‑人体”的几何关系划分获得的计算域几何模型；对划分后得到的区域设定网格尺寸，并采用网格划分方式完成整个计算域的网格建模。本发明能够建立实际人体着装状态下的网格模型，从而为进一步开展人体热湿舒适性和人体热防护的数值模拟，提供计算基础。

Description

基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法

技术领域

本发明涉及一种三维着装人体的网格构建方法，特别是涉及一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法。

背景技术

服装是人体的第二层皮肤，“环境-服装-人体”系统的动态热湿传递决定人体的舒适性水平。在极端环境中，不同类型的功能服装可以提供防火、隔热、御寒等作用。物理实验是目前评价服装性能和量化热湿传递过程的重要手段，但在传热机制的探讨及关键界面热学信息的获取方面仍具有一定的局限性，从而制约服装的功能量化设计。计算机技术的进步及其性能的提高，推动了数值计算方法的发展，该方法也被广泛应用于流体力学、材料科学、天体物理学等诸多领域，而模型计算域的网格质量是获取准确模拟结果的关键因素。暖通空调等领域已实现对通风房间中裸体假人网格模型的构建，但由于服装本身为易形变多孔介质的特殊属性，以及服装与人体之间不规则的衣下间隙，建立网格模型并进行数值模拟较为困难，从而使数值模拟方法在服装领域中应用较晚。目前国内外学者较多涉及二维织物层面的研究，而对三维立体服装层面的网格构建方法的探讨鲜见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，能够建立实际人体着装状态下的网格模型，从而为进一步开展人体热湿舒适性和人体热防护的数值模拟，提供计算基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，包括以下步骤：

(1)利用逆向工程软件处理三维扫描的人体模型和嵌套服装的人体模型，得到重构的人体模型和服装模型，基于重构的人体模型和服装模型得到实际嵌套服装的人体模型；

(2)基于获得的实际嵌套服装的人体模型建立实际着装人体模型所处环境的几何模型，实现“环境-服装-人体”系统的全尺度的计算域几何模型；

(3)根据计算精度以及“环境-服装-人体”的几何关系划分获得的计算域几何模型；

(4)对划分后得到的区域设定网格尺寸，并采用网格划分方式完成整个计算域的网格建模。

所述步骤(1)包括以下子步骤：

(11)利用三维扫描仪分别采集裸体人体模型以及着装人体模型的坐标数据；

(12)利用逆向工程软件进行人体坐标数据处理，获得重构的人体模型和服装模型；

(13)利用特征点对人体模型和服装模型进行对齐，并对服装模型的头部、手部和脚部进行裁剪，从而获得实际服装模型及嵌套服装的人体模型。

所述步骤(12)中利用逆向工程软件进行人体坐标数据处理为：先对人体模型和服装模型进行数据拼合、简化、三角化、去噪的预处理，接着提取轮廓线并进行格栅处理生成光滑的NURBS曲面，最后进行曲面拟合处理。

所述步骤(2)包括以下子步骤：

(21)对实际着装人体模型所处环境以及环境中金属板和燃烧器进行精确测量；

(22)在测量完成后，利用CAD软件进行几何建模。

所述步骤(22)中首先导入经过处理的人体模型数值和服装模型数值，然后建立金属板和燃烧器，并将金属板所在平面作为坐标原点，调整实际着装人体模型所处环境和数值燃烧室和实际着装人体模型位置的数值；在坐标原点建立燃烧器数值，并将旋转中心调整至坐标原点，将燃烧器进行复制和旋转，并移动至相应的空间位置，完成对所有燃烧器的建立。

所述步骤(3)中将服装模型和人体模型之间的衣下空间划分为单独的几何模块，且该区域在领口、袖口和脚口部位与外环境相通。

所述步骤(3)将计算域几何模型划分为包裹实际着装人体模型及燃烧器的加密区域、实际着装人体模型周围的加密区域、燃烧器周围的加密区域、以及服装模型和人体模型之间的加密区域，并逐步实现网格尺寸由大到小的过渡。

所述步骤(4)具体为：确定每个划分后区域中的节点，从而生成网格，然后将控制方程在网格上离散实现网格划分；在完成网格划分之后，分别定义边界和区域类型；将燃烧器的燃料入口定义为质量入口，实际着装人体模型所处环境、人体模型、燃烧器的表面定义为壁面；将点火区定义为流体域；将人体模型定义为流体域，其它连续区域则会自动定义为流体域，由此，完成三维全尺度着装人体网格构建。

所述人体模型表面采用非结构化网格对计算域进行离散，所述燃烧器的点火区使用六面体网格。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用三维建模的方法探索服装与人体间的空间关系，为服装领域的数值模拟研究奠定基础。本发明通过对服装和人体的点云和多边形处理，生成光滑的NURBS曲面，利用模型准确再现着装人体的几何造型，为不同服装和人体间几何关系的深入挖掘提供了可能性。本发明具备良好的可扩展性，可通过改变着装人体所处环境的几何结构，模拟不同的热源、通风口等环境条件。本发明可通过替换服装或人体模型，针对特定的人体建立网格模型，体现了该方法的普适性和通用性。利用该方法建立的网格模型，可对接多种类型及环境条件的数值模型，如热湿传递模拟，力学有限元模拟等，为开展着装人体的多领域数值研究提供高质量网格模型。

附图说明

图1是燃烧假人实验室示意图；

图2是逆向工程处理流程图；

图3是着装假人几何模型图；

图4是全尺度计算域几何模型建立流程图；

图5是计算域划分方法图；

图6是网格模型划分方法图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，包括以下步骤：利用逆向工程软件处理三维扫描的人体模型和嵌套服装的人体模型，得到重构的人体模型和服装模型，基于重构的人体模型和服装模型得到实际嵌套服装的人体模型；基于获得的实际嵌套服装的人体模型建立实际着装人体模型所处环境的几何模型，实现“环境-服装-人体”系统的全尺度的计算域几何模型；根据计算精度以及“环境-服装-人体”的几何关系划分获得的计算域几何模型；对划分后得到的区域设定网格尺寸，并采用网格划分方式完成整个计算域的网格建模。

本实施方式的主要目的是构建着装假人的几何模型及网格模型，其关键问题在于处理服装与人体、服装与环境、以及人体与环境之间的拓扑关系，并针对服装与人体之间不规则的衣下间隙分布，设定合理的网格尺寸及划分方式，从而获得高质量的三维全尺度着装人体模型。下面以燃烧假人实验室为实施例进行说明，如图1所示该假人位于房间中央，周围均匀分布2排共12个燃烧器，用于输送燃气。

基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，包括以下步骤：

步骤1利用逆向工程软件处理三维扫描获得的服装和人体模型

首先利用高精度三维扫描仪分别采集裸体人体模型以及着装人体模型的坐标数据。图2所示为利用逆向工程软件进行人体数据处理的流程，分别对假人和服装进行数据拼合、简化、三角化、去噪等预处理，然后提取轮廓线并进行格栅处理，并进行曲面拟合，获得重构的假人和服装模型。利用特征点对假人和服装进行自动或手动对齐，并对服装模型的头部、手部和脚部进行裁剪，从而获得图3所示的实际服装模型及嵌套服装的假人模型。

步骤2在步骤1处理完成的着装假人基础上建立完整计算域的几何模型

燃烧室内部除燃烧假人外的主要结构包括燃烧器和假人脚下的铝制金属板。在进行几何建模前，需要对相关尺寸进行精确测量。由于燃烧器以不同的角度指向燃烧假人，因此，在测量时不仅要考虑各个燃烧器与燃烧假人中心的距离，并且要考虑其在水平面和纵向截面的旋转角度。另外，需要确认燃烧室内部尺寸，金属板位置和尺寸以及燃烧器内部结构等。在测量获得燃烧室、燃烧器及金属板的几何位置后，利用CAD软件进行几何建模。如图4所示，首先导入经过处理的数值假人及服装，然后建立燃烧室立方体和金属板。将金属板所在平面作为坐标原点，调整数值燃烧室和假人位置。在坐标原点建立数值燃烧器(包括燃烧器主体和点火区两部分)，并将旋转中心调整至坐标原点，将燃烧器进行复制和旋转，并移动至相应的空间位置，完成对12个燃烧器的建立。

步骤3对步骤2获得的计算域进行划分

如图5所示，燃烧室内假人周围围绕2排共12个燃烧器，在服装与假人之间存在不规则的衣下间隙，且该间隙的尺度远小于燃烧室的尺寸(5.01m*5.01m*3.36m)，若全部采用密集网格，计算量非常大。为了既能适当减少网格数量，又可以保障计算的准确性，需对燃烧室内的网格进行局部加密。由于燃烧器与数值假人之间的物理特性是模型研究的重点，且数值假人表面所获得的数据是确定火场的关键因素，对包括燃烧器在内的区域进行加密，然后分别对燃烧器和数值假人周围的网格进行二次加密。将整个燃烧室计算域划分为包裹着装人体及燃烧器的加密区域1，着装人体周围的加密区域2，燃烧器周围的加密区域3，以及服装与人体之间的加密区域4，并逐步实现网格尺寸由大到小的过渡。其中，服装的领口、袖口和脚口和外环境相连通，可实现外环境与衣下间隙的空气流动。由此可见，本实施方式对燃烧室内的网格进行局部加密实现从外环境到服装，再到人体网格尺寸由大到小的平滑过渡，且利用分割功能实现服装的领口、袖口和脚口与外环境的连通。

步骤4构建高质量的网格模型

在进行数值计算之前，需要将计算区域离散化，即将空间上连续的计算区域划分为多个子区域，并确定每个区域中的节点从而生成网格，然后将控制方程在网格上离散。由于数值假人表面结构较为复杂，采用非结构化网格对计算域进行离散，在形状规则的燃烧器点火区使用六面体网格。燃烧室内数值假人网格模型如图6所示，模型由四面体和六面体网格组成。在完成网格划分之后，分别定义边界和区域类型。将燃烧器的燃料入口定义为质量入口，燃烧室、假人、燃烧器等表面定义为壁面。另外，将点火区定义为流体域。由于实际燃烧假人为中空的壳体，将数值假人体定义为流体域，其它连续区域则会自动定义为流体域，由此，完成三维全尺度着装假人燃烧室的网格构建。值得一提的是，本实施方式在网格划分完成之后对网格质量进行检查，并设定关键界面的边界条件，为之后建立热湿传递模型奠定基础。

Claims (7)

1.一种基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用逆向工程软件处理三维扫描的人体模型和嵌套服装的人体模型，得到重构的人体模型和服装模型，基于重构的人体模型和服装模型得到实际嵌套服装的人体模型；

(2)基于获得的实际嵌套服装的人体模型建立实际着装人体模型所处环境的几何模型，实现“环境-服装-人体”系统的全尺度的计算域几何模型；包括以下子步骤：

(21)对实际着装人体模型所处环境以及环境中金属板和燃烧器进行精确测量；

(22)在测量完成后，利用CAD软件进行几何建模，具体为：首先导入经过处理的人体模型数值和服装模型数值，然后建立金属板和燃烧器，并将金属板所在平面作为坐标原点，调整实际着装人体模型所处环境和数值燃烧室和实际着装人体模型位置的数值；在坐标原点建立燃烧器数值，并将旋转中心调整至坐标原点，将燃烧器进行复制和旋转，并移动至相应的空间位置，完成对所有燃烧器的建立；

(3)根据计算精度以及“环境-服装-人体”的几何关系划分获得的计算域几何模型；

(4)对划分后得到的区域设定网格尺寸，并采用网格划分方式完成整个计算域的网格建模。

2.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下子步骤：

(11)利用三维扫描仪分别采集裸体人体模型以及着装人体模型的坐标数据；

(12)利用逆向工程软件进行人体坐标数据处理，获得重构的人体模型和服装模型；

(13)利用特征点对人体模型和服装模型进行对齐，并对服装模型的头部、手部和脚部进行裁剪，从而获得实际服装模型及嵌套服装的人体模型。

3.根据权利要求2所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述步骤(12)中利用逆向工程软件进行人体坐标数据处理为：先对人体模型和服装模型进行数据拼合、简化、三角化、去噪的预处理，接着提取轮廓线并进行格栅处理生成光滑的NURBS曲面，最后进行曲面拟合处理。

4.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中将服装模型和人体模型之间的衣下空间划分为单独的几何模块，且该区域在领口、袖口和脚口部位与外环境相通。

5.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述步骤(3)将计算域几何模型划分为包裹实际着装人体模型及燃烧器的加密区域、实际着装人体模型周围的加密区域、燃烧器周围的加密区域、以及服装模型和人体模型之间的加密区域，并逐步实现网格尺寸由大到小的过渡。

6.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：确定每个划分后区域中的节点，从而生成网格，然后将控制方程在网格上离散实现网格划分；在完成网格划分之后，分别定义边界和区域类型；将燃烧器的燃料入口定义为质量入口，实际着装人体模型所处环境、人体模型、燃烧器的表面定义为壁面；将点火区定义为流体域；将人体模型定义为流体域，其它连续区域则会自动定义为流体域，由此，完成三维全尺度着装人体网格构建。

7.根据权利要求6所述的基于逆向工程技术的三维全尺度着装人体网格构建方法，其特征在于，所述人体模型表面采用非结构化网格对计算域进行离散，所述燃烧器的点火区使用六面体网格。

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