CN1975743A - 一种基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，它属于计算机人体仿真技术，具体来说，涉及利用计算机建立人体的可视化模型，并能控制人体模型在计算机所产生的环境中活动，用于制作人物动画或考察分析人体的形状、运动等特性，制造适合人体的服装。该方法主要步骤包括：1)人体臀部初始化；2)健臀裤受力仿真分析；3)曲面几何造型；4)动力平衡模型造型；5)舒适平衡分析；6)健臀裤整体功效分析。利用此方法设计出来的服装，穿着舒适，可长时间穿戴；合身并能调整出优美曲线；安定，适应身体的日常活动，能在活动中不走样，维持优美曲线。

Description

一种基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法

技术领域

本发明涉及计算机人体仿真技术，具体来说，涉及利用计算机建立人体的可视化模型，并能控制人体模型在计算机所产生的环境中活动，用于制作人物动画或考察分析人体的形状、运动等特性，制造适合人体的服装。

背景技术

1、人体信息的数字化技术

人体信息的数字化技术是将医学与信息技术、计算技术等相结合，已成为当前科学研究与应用中的热点和前沿问题。利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和机能的可视化、数字化，最终实现人体整体精确模拟，这将对生物学、医学以及其它人体相关学科的发展起到难以估量的影响。所谓数字人是指把人体的结构以数字的形式表达出来，然后利用计算机进一步研究人体的微观结构及生化特性。数字人包括三个阶段：可视人、虚拟人和生理人。

目前数字人的研究已经受到很多的学者以及社会公众的重视，其重要性及广泛的应用前景正在被不断认识和扩展。可以这样认为，它可以用在与人相关的所有领域，在人体仿真和模拟方面起到非常重要的作用。

2、基于物理模型的曲面造型技术

随着CAD/CAM技术应用领域的扩展，对曲线曲面造型技术也提出了更高的要求。传统的造型方法通常只是基于纯粹的几何模型，设计人员通常面对的是不直观的、枯燥的形状几何参数；而给定的设计误差往往是面向形状的，而不是面向控制点或权值的，这样就使修改的结果变得难以捉摸。而且典型的设计要求一般是同时定量和定性给出，对形状的整体和局部都有约束，这对于调整局部形状参数的方法来说是较难同时满足的。所以，寻找更新更灵活的造型方法已成为一项紧迫的工作，基于物理的造型方法就是在此背景下产生的。

由于动态模型不但能给出曲面在外力和约束作用下变化的最终形状，而且能为设计者提供直观的形状变化过程，有助于设计者的构思和设计，因而通常被应用于形状设计中。由于物理模型可建立在标准的几何模型之上，这样就给设计者提供了基于物理的造型和传统的几何造型两类方法去设计曲面形状。而对于某些CAGD的应用场合如曲面拟合、曲面光顺等，设计者仅对最终的结果感兴趣，则可选择计算量相对较小的能量模型。模型的平衡状态是模型在约束条件和外力作用下的最小物理变形能量状态，这使得设计者可以构造能量函数来满足整体和局部的设计要求。模型的行为是基于物理定律的。在计算机模拟过程中，模型以一种可预测的、自然的方式对施加于其上的仿真外力进行变形响应。由此设计者就可以设计并使用各种基于作用力形式的交互工具雕刻出所需要的模型形状。

3、相关产品和专利

随着三维CAD技术的发展，数值人体模型被越来越广泛地应用于工程设计、服装业和娱乐业等领域。在智能化的服装CAD系统中，三维试衣功能必不可少。从服装功效性及舒适性的角度考虑，试衣功能在展示三维服装造型的同时，还能够示意着装后服装对人体的压力分布、以及人体所发生的形变等等各种变化。如：内衣是紧贴人体穿着，素有“人体第二皮肤”之称，它与人体的舒适与健康紧密相关。随着人们对健康的关心度日益增加，现代女性对于内衣的要求，不仅仅停留在美丽、时尚、展现迷人身段上，更看重的是应符合舒适、绿色、保健和安全的要求。健身内衣是女性离不开的贴身伴侣，穿上适合自己的内衣可以扬长补短，塑造美丽的形体，同时减缓减轻身材的变形。健身内衣的基本穿着必须具备三大条件：一是穿着舒适，可长时间穿戴；二是合身并能调整出优美曲线；三是安定，适应身体的日常活动，能在活动中不走样，维持优美曲线。穿着合身的修型束身产品，不仅可以调整体形，还可有效减轻身体负荷。对于该问题的研究，涉及到物理、几何、生理、心理等等各方面的理论，目前刚起步，国内在这一领域的研究很少，在专利检索中对该技术的阐述并不多，我们的研究可以很好的补充了专利空白。

发明内容

本专利针对以上健身内衣着装后对人体的所产生的影响的问题，综合实验室研究的成果，提出了一种基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，它的主要步骤包括它的主要步骤包括：1)人体臀部初始化；2)健臀裤受力仿真分析；3)曲面几何造型；4)动力平衡模型造型；5)舒适平衡分析；6)健臀裤整体功效分析。

所述步骤1)中输入的数据为已去噪和简化的人体臀部三维点云模型。

所述步骤2)中健臀裤受力分析采用三维紧身内衣的压力分布计算模型，首先，将弹性健臀裤拉伸至人体的着装部位，其外形与人体着装部位臀部的外形吻合，求此时健臀裤上各点的应力；然后，由于健臀裤被拉伸以及本身的弹力，其对人体的结构点产生压力，方向沿接触面的法线方向，计算此时人体的结构点所承受的压力。

所述步骤3)中曲面几何造型采用的是光滑余因子造型方法，并与拉格朗日动力学相结合。

所述步骤4)动力平衡模型造型主要步骤包括：

(1)对人体的臀部的初始模型进行初步处理；

(2)求流向图，计算维数和求协调方程等，求出流线 并得用以

下计算维数的公式来得出相应的维数：

$\dim S_{\mathrm{\κ}}^{\mathrm{\μ}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\left(\begin{array}{c}k+2\\ 2\end{array}\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}k-n_i(u+1)+2\\ 2\end{array}\right)-\mathrm{\σ}$

(3)构造臀部曲面的初始模型，主要是根据以下方程来构造：

$S(x,y)=p(x,y)+{\mathrm{\Σ}}_{\stackrel{\→}{C}}[l_i(x,y){]}_{*}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_i(x,y),(x,y)\∈D$

$\underset{\mathrm{Av}}{\mathrm{\Σ}}{\left[l_{\mathrm{ij}}(x,y)\right]}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_{\mathrm{ij}}(x,y)\≡0$

(4)运用动力平衡模型造型理论对人体臀部进行造型及分析，主要是运用健臀裤受力分析结果得出臀部所受的力，再求出拉格朗日方程，最后运用动力平衡模型造型方法对人体臀部进行造型，以下是计算拉格朗日方程的公式：

$M\stackrel{\·\·}{p}+D\stackrel{\·}{p}+\mathrm{Kp}=f_p+g_p$

说明：P上面两点表示P的二阶导数，P上面一点表示P的一阶导数。

(5)不断地调整在施加不同大小的力的情况下臀部所发生的变化，直到达到满意的模型，最后完成此过程。

所述步骤5)舒适平衡分析主要从力学舒适性角度出发，根据服装和人体基本信息，通过求解变形后健身内衣上一些点上的压力，再根据弹性力学的最小位能原理，采用拉格朗日乘数法，计算出健身内衣对人的压力。

所述步骤6)健臀裤整体功效分析主要综合以上对人体穿健臀裤前与穿健臀裤后的臀部模型进行对比，比较前后所发生的变化、变化的程度以及是否有益于对人体臀部线条的美观及人体是否舒适。

应用本发明设计出来的服装的的有益效果：

一、穿着舒适，可长时间穿戴；

二、合身并能调整出优美曲线；

三、安定，适应身体的日常活动，能在活动中不走样，维持优美曲线。

附图说明

图1为该方法流程图；

图2为人体臀部初始化输入界面图；

图3为人体臀部初始模型图；

图4为人体穿上健臀裤后的仿真图；

图5为基于光滑余因子的动力平衡模型的基本框架图；

图6为基于光滑余因子的动力平衡模型的基本流程图；

图7为动力平衡模型造型流程图；

图8为基于光滑余因子的动力平衡模型的造型模型；

图9为舒适平衡模型的基本构架图。

具体实施方式

下面结合附图对本方法进行进一步阐述。

如图1所示为本方法的实施流程图，它的主要步骤包括它的主要步骤包括：1)人体臀部初始化；2)健臀裤受力仿真分析；3)曲面几何造型；4)动力平衡模型造型；5)舒适平衡分析；6)健臀裤整体功效分析。

下面对各个步骤进行详细描述：

1、人体臀部初始化

该部分的功能主要是对输入的数据进行分析，并进行初步的处理。输入的数据为已去噪和简化的人体臀部三维点云模型。图2是人体臀部初始化输入界面的截图，图3是打开点云文件后人体臀部模型的截图。

2、健臀裤受力仿真分析

健臀裤受力仿真分析主要运用三维紧身内衣的压力分布计算模型理来分析健臀裤对人体臀部的受力情况。已知健臀裤和人体模型，即已知健臀裤和人体的外形几何信息，健臀裤的材料性能，以及健臀裤边界的着装位置，求着装后健臀裤对人体臀部的压力分布。其主要步骤如下：

首先，将弹性健臀裤拉伸至人体的着装部位，其外形与人体着装部位臀部的外形吻合，求此时健臀裤上各点的应力。

然后，由于健臀裤被拉伸以及本身的弹力，其对人体的结构点产生压力，方向沿接触面的法线方向，计算此时人体的结构点所承受的压力。

如图4所示是人体穿上健臀裤后的仿真图。

3、曲面几何造型

曲面几何造型是对人体臀部初始模型的进一步处理，对人体臀部模型进行曲面造型。这一部分主要是用来与加了力之后的臀部模型进行对比，以此来评定健臀裤的束身功效。采用的是光滑余因子造型方法，并与拉格朗日动力学相结合。

基于光滑余因子的动力平衡模型造型方法是把基于能量的弹性可变形自由曲面造型技术引用到计算机图形学领域，其基本思想是采用光滑余因子协调法作为其曲面造型的几何方法，并结合Lagrange动力方程，根据Lagrange动力方程建立一个偏微分方程，按照曲面的变形要求施加外力(本文根据特殊要求通过相应的方法求出外力)通过方程中表示形状变化的能量函数的内部参数来反映曲面的物理属性，最后由数值计算方法得到这张曲面离散或精确形式的解。

基于光滑余因子的动力平衡模型的基本框架如图5所示：

基于光滑余因子的动力平衡模型的主要方程组如下：

$S(x,y)=p(x,y)+{\mathrm{\Σ}}_{\stackrel{\→}{C}}[l_i(x,y){]}_{*}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_i(x,y),(x,y)\∈D$

$\underset{\mathrm{Av}}{\mathrm{\Σ}}{\left[l_{\mathrm{ij}}(x,y)\right]}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_{\mathrm{ij}}(x,y)\≡0$

$M\stackrel{\·\·}{p}+D\stackrel{\·}{p}+\mathrm{Kp}=f_p+g_p$

基于光滑余因子的动力平衡模型的基本流程图如图6所示：

可以看出基于光滑余因子的动力平衡模型的基本步骤，首先获取人体及衣物的几何与物理等相关信息和参数；再对人体模型用光滑余因子协调法进行几何造型，其中包括进行剖分、计算维数、求协调的基本条件以及求解协调方程等步骤；接着对仿真模拟人体相应部位施加力，如在本研究中是采用紧衣内衣对人体的压力的算法来计算对人体的外力的；再运用所求出的力来求拉格朗日动力方程，来仿真局部部位在受力的情况下的运动及形变状态，然后根据实际的需要决定是否继续修改或重新造型，最后得到最终模型。

4、动力平衡模型造型

动力平衡模型造型是本文所研究的主要部分。主要是在以上几个仿真结果的基础上，仿真穿上健臀裤后人体受到压力后的臀部造型所发生的形变。其流程图如图7所示：

正如动力平衡模型造型流程图所示，动力平衡模型造型的主要算法和步骤如下：

(1)对人体的臀部的初始模型进行初步处理。

对于最基本的三维模型，我们采用如下一些数据结构予于表示，其中我们使用C++语言及STL(Standard Template Library，标准模板库，大量采用了C++语言中的模板特性，封装了许多常用的数据结构，体现出范型设计的思想)进行描述。下面是顶点的三维数据结构：

class Vex3

{

float x；//顶点坐标x值

float y；//顶点坐标y值

float z；//顶点坐标z值

}//顶点的三维结构

对初始数据进行三角剖分，其类的数据结构如下：

class Triangle

{

int_vert1；//顶点1

int_vert2；//顶点2

int_vert3；//顶点3

CVex3_normal；//三角形法向量

float_normArray[3]；//三角形法向量

float_f；∥平面方程中的参数f

bool bActive；//是否为活动边，即是否为当前层次网格的三角形

CMesh^*_mesh；//属于的层次网格

int_index；//本三角形的编号

}；//三角形结构

(2)求流向图，计算维数和求协调方程等，求流向主要根据第三章中所介绍的应满足的条件，由此求出流线C。并得用以下计算维数的公式来得出相应的维数。

$\dim S_{\mathrm{\κ}}^{\mathrm{\μ}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\left(\begin{array}{c}k+2\\ 2\end{array}\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}k-n_i(u+1)+2\\ 2\end{array}\right)-\mathrm{\σ}$

(3)构造臀部曲面的初始模型，主要是根据以下方程来构造：

$S(x,y)=p(x,y)+{\mathrm{\Σ}}_{\stackrel{\→}{C}}[l_i(x,y){]}_{*}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_i(x,y),(x,y)\∈D$

$\underset{\mathrm{Av}}{\mathrm{\Σ}}{\left[l_{\mathrm{ij}}(x,y)\right]}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_{\mathrm{ij}}(x,y)\≡0$

(4)运用动力平衡模型造型理论对人体臀部进行造型及分析，主要是运用健臀裤受力分析结果得出臀部所受的力，再求出拉格朗日方程，最后运用动力平衡模型造型方法对人体臀部进行造型。以下是计算拉格朗日方程的公式：

$M\stackrel{\·\·}{p}+D\stackrel{\·}{p}+\mathrm{Kp}=f_p+g_p$

下面是主要的数据结构：

质点运动状态的数据结构：

struct tParticle

{tVector po；//位置矢量

tVectorf；//质点所受的合力

tVector v；//速度矢量

float oneOverM；//质点质量

}；

质点弹簧数据结构：

struct tSpring

{int po1，po2；//质点弹簧首尾点的索引

float rLen；///质点弹簧未拉伸时的长度

float Kd；//质点阻尼系数

float Ks；//质点刚性系数

int type；//质点弹簧的类型

}；

(5)不断地调整在施加不同大小的力的情况下臀部所发生的变化，直到达到满意的模型，最后完成此过程。

如图8所示为基于光滑余因子的动力平衡模型的造型模型。

5、舒适平衡分析、

对于压力舒适性问题可理解为已知人体模型和健身内衣，即已知内衣的材料性能、健身内衣和人体的外形几何等信息、以及内衣边界的着装位置，从而求着装后健身内衣对人体的压力分布。首先，将健身内衣穿至人体的着装部位，其外形与着装部位的外形吻合，由求此时健身内衣上各点的应力。接着，由于内衣被拉伸，以及相应点力的作用，其对人体的结构点产生压力，方向沿接触面的法线方向，从而可计算此时人体的结构点所承受的压力。结合弹性力学的载荷转换计算方法和薄膜大变形理论，可以很好地解决了集成三维服装CAD系统中的受力效果的表示问题。

根据已求出的健身内衣对人体的压力，可以用以下的方法来分析着装后，人体的压力舒适性。服装材料的质感是影响服装总体压力舒适性和总体压迫感的重要影响因素之一，与总体压力舒适形成正相关关系，与总体压迫感成负相关关系。压迫感、重量感、束缚感、总体压迫感和横向压感可被共同的因素来解释，而这个共同的因素主要反映了服装的适体程度。还有面料的亲和力又是决定服装压力舒适性的关键因素。最理想的服装(如健身内衣)是在人体所能承受的压力范围内(因为适当的压力可以塑造良好形体，会减少不必要的能量损失并能进行按摩和肌肉振动，并增强肌肉的收缩力)，同时又能使人体感觉舒适，兼备良好的服装质感。服装对身体覆盖面积的多少也是造成重量感的直接影响因素，与重量感成正相关关系。

最后进行评定压力舒适性实验结果分析，将每位穿着者在静止状态下的感觉评价值和舒适评价值统计出来，分析所得每位服装穿着者在分别着服装下的感觉评定得分之间的相关关系系数。如图9所示是舒适平衡模型的基本构架。

6、健臀裤整体功效分析

在健臀裤整体功效分析主要综合以上对人体穿健臀裤前与穿健臀裤后的臀部模型进行对比，比较前后所发生的变化、变化的程度以及是否有益于对人体臀部线条的美观及人体是否舒适。

Claims (6)

1、一种基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，它的主要步骤包括：1)人体臀部初始化；2)健臀裤受力仿真分析；3)曲面几何造型；4)动力平衡模型造型；5)舒适平衡分析；6)健臀裤整体功效分析。

2、根据权利要求1所述的基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤1)中输入的数据为已去噪和简化的人体臀部三维点云模型。

3、根据权利要求1所述的基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中健臀裤受力分析采用三维紧身内衣的压力分布计算模型，首先，将弹性健臀裤拉伸至人体的着装部位，其外形与人体着装部位臀部的外形吻合，求此时健臀裤上各点的应力；然后，由于健臀裤被拉伸以及本身的弹力，其对人体的结构点产生压力，方向沿接触面的法线方向，计算此时人体的结构点所承受的压力。

4、根据权利要求1所述的基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤3)中曲面几何造型采用的是光滑余因子造型方法，并与拉格朗日动力学相结合。

5、根据权利要求1所述的基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤4)动力平衡模型造型主要步骤包括：

(1)对人体的臀部的初始模型进行初步处理；

(2)求流向图，计算维数和求协调方程等，求出流线 并得用以下计算维数的公式来得出相应的维数：

${\mathrm{dimS}}_{\mathrm{\κ}}^{\mathrm{\μ}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\left(\begin{array}{c}k+2\\ 2\end{array}\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}k-n_i(u+1)+2\\ 2\end{array}\right)-\mathrm{\σ}$

(3)构造臀部曲面的初始模型，主要是根据以下方程来构造：

$S(x,y)=p(x,y)+{\mathrm{\Σ}}_{\stackrel{\→}{C}}{[l_i\left(x\right),y]}_{*}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_i(x,y),(x,y)\∈S$

$\underset{\mathrm{Av}}{\mathrm{\Σ}}{\left[l_{\mathrm{ij}}(x,y)\right]}^{\mathrm{\μ}+1}\·q_{\mathrm{ij}}(x,y)\≡0$

(4)运用动力平衡模型造型理论对人体臀部进行造型及分析，主要是运用健臀裤受力分析结果得出臀部所受的力，再求出拉格朗日方程，最后运用动力平衡模型造型方法对人体臀部进行造型，以下是计算拉格朗日方程的公式：

$M\stackrel{\·\·}{p}+D\stackrel{\·}{p}+\mathrm{Kp}=f_p+g_p$

(5)不断地调整在施加不同大小的力的情况下臀部所发生的变化，直到达到满意的模型，最后完成此过程。

6、根据权利要求1所述的基于动力平衡模型的健臀裤功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤5)舒适平衡分析主要从力学舒适性角度出发，通过求解变形后健身内衣上一些点上的压力，再根据弹性力学的最小位能原理，采用拉格朗日乘数法，计算出健身内衣对人的压力。

Images