CN1928923A - 三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法，该方法的具体步骤是：1.建立三维女性人体躯干的基本胸形模型，2.构建女性胸形模型库，3.三维虚拟胸形环境中二维罩杯省量的展开。本发明基于三维人体躯干表面扫描数据或乳房特征参数，模拟特定人体自然三维胸形和文胸塑型后的各种胸形，在虚拟环境中快速获取与之相配乳房结构的文胸罩杯省量，实现了以人为本文胸设计理念，提供了文胸纸样设计理论依据，解决了文胸罩杯合体性差的技术问题，避免了储备大量实体胸模现状，降低了设计成本，提高了工作效率，满足了度身定制合体文胸的生产需求。

Description

三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法

                        技术领域

本发明属于文胸生产制板过程中的罩杯省量设计方法，特别是一种在三维虚拟胸形环境中，三维个性化胸杯展开成二维文胸罩杯的省量度身设计方法。

                        背景技术

文胸是妇女最贴心的享受和关怀，小小文胸因其着装后需紧贴身体、塑造胸型、不脱落、又不紧绷，使文胸罩杯纸样设计，尤其是省量设计，一直被认为是影响文胸合体性关键因素和高难度技术之一。传统上文胸制版一般用反复试样的方法来改进纸样，效率低且合体性差，即便是构造常规胸形模型求解罩杯省量，对特殊胸形的处理难度也很大。

三维女性胸部模型是设计合体文胸的基础和必备条件，然而，储备足够的真实人模既昂贵又不太现实。随着消费者对服装合体性关注程度的增加，大量研究者投身三维人体建模领域，尽管已经有许多学者涉足人体的手、腿、面部、器官结构和整个人体的建模，每种建模都有它特定领域的特殊用途，但少有涉及专门用于文胸设计的个性化三维女性胸形模型库的细化实现，尤其是采用在三维虚拟胸形环境中，实现三维个性化胸杯展开成二维文胸罩杯的省量度身设计方法，来达到合体文胸纸样设计的最佳效果。

                        发明内容

本发明是要克服缺乏科学依据与指导的传统经验制版和反复试验方法，解决文胸罩杯合体性差的技术问题，提供一种基于三维虚拟胸形环境，实现三维个性化胸杯展开成二维文胸罩杯的省量度身设计方法，体现以人为本文胸设计理念，避免储备大量实体胸模现状，降低成本，提高效率，满足与日俱增的度身定制合体文胸生产需求。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法，具体步骤是：

1.建立三维女性人体躯干的基本胸形模型：

首先基于三维人体表面扫描数据和B样条曲面造型技术进行人体躯干即基本胸形建模；

2.构建女性胸形模型库：

运用赋以权重的Dirichlet自由变形技术，设计多层次胸部模型，交互输入新人体躯干特征参数：胸围，下胸围，胸点间距，胸高，胸高差，腰围，腰高，肩宽，肩高，胸部权重，得到变形并模拟为期望的特定人体的自然胸形或模拟文胸塑型后的个性化三维胸形：

3.三维虚拟胸形环境中二维罩杯省量的展开：

依据面积等效原理，通过三角剖分的人体表面，选用非x、y基准展开轴线，即以Bp点为中心按扇形方式，实现三维至二维的胸杯展开，程序根据展开图自动提交省量报告，得到度身设计的罩杯省量。

或者罩杯省量还可以根据三维人体表面扫描数据建模后直接展开获取。

本发明方法的技术特点是：

1、本发明方法基于三维人体表面扫描数据和B样条曲面技术进行胸部建模；运用赋以变化权重的Dirichlet自由变形技术构建多层次女性胸部模型；以面积不变性为原则；选取独特的扇形基准轴线展开方式，在三维虚拟环境中模拟各种胸形，并通过3D-2D转换方式快速设计与之相配的合体文胸罩杯省量。

2、本发明以人为本获取省量方法，区别于以往的主观经验判断、反复试验和理想胸模构建的做法，更科学合理。

本发明方法的技术效果是：

利用此方法，可以基于三维人体躯干表面扫描数据或乳房特征参数，模拟特定人体自然三维胸形和文胸塑型后的各种胸形，在虚拟环境中快速获取与之相配乳房结构的文胸罩杯省量，实现了以人为本文胸设计理念，提供了文胸纸样设计理论依据，解决了文胸罩杯合体性差的技术问题，避免了储备大量实体胸模现状，降低了设计成本，提高了工作效率，满足了度身定制合体文胸的生产需求。

                        附图说明

图1是不同角度展示的三维人体躯干模型；

图2是控制点设计图；

图3是3D-2D展开示意图：其中，(a)为空间系列三角片，(b)为三角片二维展开图；

图4是抽象三维胸形库和罩杯省量获得的程序流程图；

图5是各种三维虚拟胸形实现的展示图，其中，(a)和(g)是基于三维表面扫描数据获取的真实基本躯干胸形模型，(b)、(c)、(d)、(e)和(f)是由(a)变化而来，(b)为两乳相离、(c)两乳相聚、(d)下垂乳房、(e)提升乳房和(f)提推胸形的虚拟模型，(h)是由(g)模型变化而来的特定躯干胸部模型；

图6是文胸罩杯3D-2D展开图和省量分布结果，其中，(a)为三维虚拟胸形，(b)为对应的二维罩杯展开图，(c)是总省量和分布结果。

                      具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。

本发明方法的原理和具体步骤如下：

一、三维女性人体躯干的建立：

人体建模最直接的方法就是读入外部真实人体(图1)数据，三维人体扫描系统能产生成千上万人体表面数据点，构成点云原始图象。三维扫描时，被测体两腿直立，两脚略分开与肩宽平齐，两臂略分离人体躯干，上半身裸体，下半身着紧身短裤。由于胸部形态只受人体躯干形态影响，因而可将人体四肢的扫描数据去掉，减少数据处理的复杂性。然后对躯干进行数据规格化处理，从高度方向上将躯干分为若干层，得到三维人体曲面数据阵Q_i，j，i代表层，j代表列，每层曲线上的数据首尾相连保证曲线封闭，躯干由三角片模型表示。

本发明提出用非均匀有理B样条曲面(NURBS)拟合三维人体表面，根据参数曲面理论，B样条曲面数学模型的奇次坐标为

$S(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{i,p}\left(u\right)N_{j,q}\left(v\right)P_{i,j},u,v\∈\left(\mathrm{0,1}\right)...\left(1\right)$

其中P_i，j是控制点，N_i，p(u)，N_j，q(v)是基于在下面扭节矢量U、V的B样条基函数。

U＝{0，0，...，0，u_p+1，...，u_m，1，1，...，1}               (2)

V＝{0，0，...，0，v_p+1，...，v_n，1，1，...，1}               (3)

B样条特别适用于创建复杂的曲面造型，因此，由此所建的躯干模型可以通过修改控制点来进行局部修改而不会影响整体曲面的特性。图1是所构建的从不同角度展示的三维人体躯干实例。

二、女性胸形模型库的构建

以上所获取的三维躯干模型仅仅是自然状态下的裸体胸形。通常，自然的胸形并非是人们所期望的符合当今潮流的完美形态，因为一般的胸点都朝向臂部，同时由于地心引力而下垂。好在女性胸部是流变物体，穿戴合体的文胸能将胸部的脂肪归拢并保持在理想位置。为了在虚拟状态下模拟不同体型的三维胸形，甚至是同一体型被文胸塑造成期望的不同美感或性感的三维胸形，基本胸部模型就应根据新的人体特征参数指令变形成特定胸形。

1.赋以变化权重的Dirichlet自由变形技术

恰当的变形方法是本发明的关键技术之一。广泛应用于计算机动画和几何建模领域中的由Sederberg最早提出的自由变形(Free-Form Deformation，FFD)技术是研究与物体表示无关的变形方法的重要分支。由于FFD使用矩形局部坐标系，并且控制网格必须是平行六面体，使得这一技术在使用时会带来对控制网格拓扑结构的限制。Farin提出了拥有许多优势的Dirichlet自由变形技术(DFFD)，克服了传统变形技术的缺陷。它是建立在自然邻接关系坐标系的局部变形技术；取消了对控制网格拓扑结构的限制，可以更直观的控制变形；同时保留了传统自由变形技术的优点。本发明巧妙地运用了Dirichlet自由变形技术，并赋以了变化权重量，使女性抽象胸形库的变形更直观方便。

Dirichlet自由变形是基于在自然邻接关系坐标系(Sibson坐标)，涉及到Delaunay剖分和Voronoi/Dirichlet图的离散数据插值技术。以二维中的Sibson坐标为例，给定一组P_i(i＝1，2，...n)点，并进行Delaunay剖分，可以得到对应的Voronoi/Dirichlet多边形图T_i(i＝1，2，...n)，如果S是落在参与剖分的凸包内的点，S点的Dirichlet多边形记为Ts，那么Ts与它的邻接点对应的Dirichlet多边形有相交的区域，分别记为A_i(i＝1，2，...n)，这些区域将Ts完全瓜分。则S的自然邻接关系坐标值定义为：

$u_i=\frac{\mathrm{Ai}}{T_S},(i=1,...,n),...\left(4\right)$

式中 $T_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ai},\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i=1,u_i\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

点S的Sibson邻居集合可以用P₁，P₂，Λ，P_n的线性组合来表示

$S=\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i{P}_i...\left(5\right)$

自然邻接关系坐标既反映了空间点的Sibson邻居与该点之间的空间位置关系，也反映了Sibson邻居之间的空间位置关系，具有良好的空间插值特性。因此，将Sibson坐标作为Sibson邻居对点S的运动影响因子，即如果移动某一个或几个点P_i，ΔP_i为它们各自的偏移量，S’和S分别是点S在变形前后的空间位置，那么S的偏移量

ΔS＝∑u_iΔP_i                          (6)

其中i指那些移动了的点。

S的新位置S′＝S+ΔS                    (7)

为了加强或减弱某些Sibson邻居对三维空间点的运动影响，本发明给Sibson坐标的分量赋以权值W_i，(i＝1，2，Λ，n)，则得到如下加权Dirichlet自由变形算法：

$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i{W}_i{P}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i{W}_i}$ (8)

当W_i＝1，(i＝1，2，Λ，n)时，公式退化为公式(5)。

2.多层次女性胸部模型

常用人体建模方法有表面模型、实体模型、刚体模型和多层次模型等。为了由基本胸部变形成各种期望的个性化虚拟胸形，本发明采用多层次模型。它是由几层相对独立的子模型组成，各层间定义了约束和驱动关系，从而实现从全局到细部特征值的变形。

(1)模型层次和控制点(图2)的设计

控制点的设计对模型变形的有效性至关重要，根据控制点的功能将它们设计为三种：整体控制点，变形约束点和特征控制点。人体躯干模型和所有的控制点便被安排到以下三个层次的结构中。

第一层由整体控制点构成，它在外围形成凸包及其它在凸包内均匀分布的控制点。在高度方向上分成几个层，每层对应一个高度信息。整体控制点集主要用来控制身高、胸高等高度信息和初步控制围度等特征，有两个点用来确定变形时的中心轴线。

第二层由需要通过改变权值或移动位置来控制变形的特征控制点所构成，当控制点落在躯干表面时，就完全决定了此处的变形。

第三层由局部变形约束点和特征控制点所构成，变形约束点是安排在人体躯干内部或外部用来限制变形或防治控制点间影响的控制点，这一层是具体实现尺寸变形的基础。图2是控制点设计图。

(2)胸形变形过程

女性胸部形态通常由胸围、下胸围、胸高、胸点间距等参数所描述，因此，人体躯干高度和基本围度信息可以直接由整体控制点集来控制，当完成主体变形后，由特征控制点和变形约束点实现胸部细节参数变化，即由具体细部尺寸移动特征控制点和改变权重值。整个胸部变形的全过程以一种避免各个尺寸之间相互干涉的原则来进行。图4中示意了胸形变形的过程。因本系统的女性胸形可以来之三维表面扫描数据的各种真实人体，也可以由某个基本人体经过输入特征变量变形得到，从而形成了抽象的女性胸形库。

三、三维虚拟胸形环境中二维罩杯省量的展开

服装中三维曲面到二维的展开原则是保持其面积不变性，以此原理，可以对人体曲面各部分进行3D-2D展开，从而计算出近似省量，其精度将远远超出过去的经验值。

具体方法是，通过对人体表面进行三角剖分，得到近似的三角片表面结构，剖分的精度可以人为控制，三角形空间结构可以精确地在保持面积不变的条件下展开到平面上。例如，图3(a)的3D空间有一系列三角片123，134，345，……，假设首先把3D三角片123，按其边长不变画到平面上如图(b)，平面三角片123和3D空间三角片123有相同的面积，然后以平面上的13边为基准，按同样原则可以把空间三角形134对应到平面三角形134，依此类推，即可把所有的三角形全部展开到2D平面上。但是展开时，其基准轴的选取是关键，选用不同的基准轴展开，省道的形态和所处的位置将不同。

对于文胸省道的展开，基于胸部的外形特征，本发明选用独特的非x、y基准轴线展开方式，即以Bp点为中心按扇形方式进行展开，获得了良好的效果和更直观的理解。

在三维CAD软件平台上完成上述的文胸省道展开，其精确度可以人为控制，只要加密三角剖分的网格，即可把误差控制到所要的范围之内。图4描述的是抽象三维胸形库和罩杯省量获得的程序流程图。

本发明提供了一种基于三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法。首先基于三维人体表面扫描数据获取基本胸形，然后根据图4程序流程图，确认胸形，如果不满意，交互输入特定胸部特征参数(如胸围，下胸围，胸点间距，胸高，胸高差，腰围，腰高，肩宽，肩高，胸部权重等)，改变基本胸形并再次确认新胸形；如果满意，在系统菜单栏中，选展开中心功能，在三维虚拟胸部上点击胸点Bp展开中心，系统自动展开对应三维胸部的二维罩杯图，并提交罩杯省量和分布量。

表1列举了交互输入的不同人体特征值，图5为对应的各种胸形模拟结果。(a)和(g)是基于三维表面扫描数据获取的真实基本躯干胸形模型，(b)、(c)和(d)是改变了胸点间距及胸高差后得到的不同变形胸形，(e)和(f)为输入乳房不同尺寸及权重后得到的变形胸形，其中(c)、(e)和(f)也视为被文胸塑型后的模拟胸形。(h)是由(g)模型变化而来的特定躯干胸部模型，可见整个躯干特征都是可变的。

图6为三维虚拟胸部与对应的二维罩杯的展开图及系统提交的罩杯总省量和分布量介面图。(c)图报告总省量值为87.873581度，其细化数据中负值指三角片展开时为相互重叠，意味此处的省量为0度；从(b)图清晰可见，胸杯被切割成18份扇形区展开，每份扇形20度，以AC区域为例，BC间隔处为此区域省量，B、C区域节点与胸点Bp的连线为省道轨迹，图中清晰表明，罩杯省道形态由弧线构成，图中每一节点省量在(c)图中显示。

                表1不同人体特征值(cm)

经过实验验证，本发明方法获得的结果与实际合体文胸省量相符，并且本方法还首次提供了罩杯省量分布细化方案，能可视被文胸塑型后的模拟胸形，在服装领域为服装设计师快速设计罩杯省量，提供了三维与二维间转化的科学依据。

Claims (2)

1.一种三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法，其特征在于：具体步骤是：

(1)建立三维女性人体躯干的基本胸形模型

首先基于三维人体表面扫描数据和B样条曲面造型技术进行人体躯干即基本胸形建模；

(2)构建女性胸形模型库

运用赋以权重的Dirichlet自由变形技术，设计多层次胸部模型，交互输入新人体躯干特征参数：胸围，下胸围，胸点间距，胸高，胸高差，腰围，腰高，肩宽，肩高，胸部权重，得到变形并模拟为期望的特定人体的自然胸形或模拟文胸塑型后的个性化三维胸形；

(3)三维虚拟胸形环境中二维罩杯省量的展开

依据面积等效原理，通过三角剖分的人体表面，选用非x、y基准展开轴线，即以Bp点为中心按扇形方式，实现三维至二维的胸杯展开，程序根据展开图自动提交省量报告，得到度身设计的罩杯省量。

2.根据权利要求1所述的三维虚拟胸形环境中个性化文胸罩杯省量的设计方法，其特征在于，所述二维罩杯省量还可以根据三维人体表面扫描数据建模后直接展开获取。

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