基于服装特征的三维人体躯干建模

第２４卷第３期　计算机应用研究　Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．３　２００７年３月　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｍａｒｃｈ　２００７　基于服装特征的三维人体躯干建模　胡新荣　，崔树芹　（１．华中科技大学图像识别与人工智能研究所图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，湖北武汉　４３００７４；２．武汉科技学院计算机科学系，湖北武汉４３００７４）　摘要：提出了一种基于服装特征的三维人体躯干参数化建模的新思路。详细介绍了胸部和腰部仿真模型的　截面曲线形状的仿真方法及其特征参数的计算，采用基于服装特征的参数化设计思想，用人体的身高、胸围和腰　围等参数就可以控制人体躯干的三维形状，使结果的变化十分快捷。该建模方法灵活、数据量小，适用于精度要　求不高与服装相关的应用场合。　关键词：服装特征；躯干模型；胸部；腰部；仿真　中图分类号：ＴＰ１８　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１．３６９５（２００７）０３．０３１５．０３　Ｇａｒｍｅｎｔ　Ｆｅａｔｕｒｅ．ｂａｓｅｄ　３　Ｄ　Ｈｕｍａｎ　Ｔｒｕｎｋ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ＨＵ　Ｘｉｎ．ｍｎｇ’．一．ＣＵＩ　Ｓｈｕ－ｑｉｎ。　（１，Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＆Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒ　Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｏｉｎ＆ＡｎＯｑｃｉａｌ　ｌｎｔｅＵｉｇｅｎｃｅ．　Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２，Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｏｆ　３Ｄ　ｈｕｍａｎ　ｔｒｕｎｋ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇａｒｍｅｎｔ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｓｏｍ　ａｎｄ　ｗａｉｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｗｉｔｌｌ　ｔｈｅ　ｐａ．　ｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌ。ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｔｒｕｎｋ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ　ｆａｓｔｌｙ　ｗｉｔｈ　ｓｔａｔｕｒｅ。ｂｏｓｏｍ　ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｗａｉｓｔ　ｃｉｒｃｕｍｆｅｒ．　ｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｌｉｔｔｌｅ　ｄａｔａ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｉｔ　ｆｏｒ　ｓｏｍｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ　ｗｉｔｈ　ｇａｒｍｅｎｔ，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇａｒｍｅｎｔ　Ｆｅａｔｕｒｅ；Ｈｕｍａｎ　Ｔｒｕｎｋ　Ｍｏｄｅｌ；Ｂｏｓｏｍ；ＷａｉＳｔ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　来表达人体模型的形状特征，以抽象的特征参数表达复杂人体　０　引言　的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能　三维人体仿真模型作为虚拟着装系统的一个重要组成部　够在更高更抽象的层面进行人体设计。用形体参数控制人体　尺寸的好处是：操作者只需要修改形体参数的值，就可以使形　分，一直是人们研究的热点。三维人体建模技术发展到现在，　已经出现了大量的不同实现方法，这些建模方法各有特点，但　体、形状改变，而不必去修改形体本身。　共同的特点是在获得人体数据点的基础上重建三维人体模型。　根据课题的需要和实际情况出发，本文提出并开发了一种　目前三维人体数据点的获取方法主要是利用激光扫描来实　基于服装模型的参数化人体建模系统。服装设计者可以根据客　现¨Ｊ，通过三维扫描工具扫描人体模型，然后保存到文件。这　户所提供的身体特征数据快速地生成接近于真实人体的虚拟模　些文件就是人体模型重建的数据。显然，利用扫描法能重建与　型，并用于三维服装试穿计算机模拟的需要。基于服装特征的　实际人体非常逼真的三维模型，但该方法的实现依赖于昂贵的　参数化人体设计的关键是服装特征及人体相关尺寸的变量化描　设备，在使用时需要专业知识和特殊的环境配置，同时获取的　述，其主要思想是完全用变量符号（或参数），而不是一组尺寸　数据量大，重建速度慢，很难确定与服装特征相关的数据点。　常数来定义影响人体体型的定位尺寸和形状尺寸　Ｊ。　从实用性的角度来看，这种精细的测量技术所获得高密度的数　在参数化人体建模系统中，首先将人体按自身结构特点分　据点集对于精度要求不高的应用来说是一种奢侈的浪费，是完　为肩都、躯干、上肢和下肢四个部分　，如图１所示。在人体的　全不必要的。另外也可以从图像序列中重建三维人体模　四个部分中，躯干是决定人体形状最重要的部分，它由腰部和　型　Ｊ。这种方法的花费很低，只需要从有限的图形序列中获　胸部组成，通过胸部的形状可以决定人的性别、年龄等特征，而　取人体的几何特征，重建穿着简单情况下的人体模型。然而，　腰部的形状多样，它决定了人的体型，所以躯干的结构最复杂，　这两种方法都是生成特殊个体的人体模型。　仿真难度是比较大的。因此本文主要讨论了与服装特征有关　除此之外还有一种参数化人体建模技术，它是基于传统几　的标准男女胸部和腰部的仿真建模方法及其计算机实现技术，　何建模方法上的一种更为抽象化的建模方法。采用几何约束　当修改了决定躯干形状的关键数据后，就可以得到个性化的躯　收稿日期：２００５．１０．２３；修返日期：２００６・０２．１７　基金项目：湖北省教育厅科学研究基金资助项目（２００４Ｄ００５）　作者简介：胡新荣（１９７３－），女，副教授，博士，主要研究方向为图像处理、人工智能、虚拟现实等；崔树芹（１９７９・），女，助教，硕士，主要研究方　向为计算机图像处理、计算机网络等．　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３１６・　计算机应用研究　２００７生　干形状。　两个椭圆相切，这四个椭圆所在的区域分别命名为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，　如图５所示。　１　胸部的仿真建模　１．１　胸部相关的数据采集　图５中黑点描绘的区域就构成了与图３相似的形状。如　此设计的优点是：　①可以调整Ａ、Ｂ、Ｄ的横轴来改变胸前乳沟的深度；　②可以调整Ａ、Ｂ、Ｃ的横轴来改变胸背的平滑度；　③可以调整Ａ、Ｂ的横轴来改变胸的宽度；　④可以调整Ａ、Ｂ的纵轴来改变胸的厚度。　在仿真胸部形状之前，先采集不同性别、不同年龄段群体　的基本胸围数据ＢｏｓｏｍＳ，由于人体的身高与胸围数据存在一　定的比例关系，所以胸部仿真时也要采集人体的身高数据　Ｈｅｉｇｈｔ、胸部离地的高度ＢｏｓｏｍＨ。根据采集到的数据求出标　准男性或标准女性的胸围（ＢｏｓｏｍＳ）、胸高（ＢｏｓｏｍＨ）与人体身　高（Ｈｅｉｇｈｔ）的比例关系　１、　。表１是采集的部分不同身高　的男性和女性的胸围ＢｏｓｏｍＳ、胸高ＢｏｓｏｍＨ的数据。　表１胸部与身高数据采集表　单位ｃｍ　一一　利用简单的线性变换可得出以下公式：　ＲＩ　＝ＢｏｓｏｍＳ　／Ｈｅｉｇｈｔｆ　（１）　Ｒ２　＝ＢｏｓｏｍＨｆ／Ｈｅｉｈｇｔ　（２）　Ｎ／ｉ＝１　ＲＩ＝∑Ｒ１　／Ｎ　（３）　１０．＝∑Ｒ２　／Ｎ　（４）　‘＝１　利用式（３）和式（４）可以分别求出：　男性胸围与身高的比率系数为Ｒ１　Ｏ．５３６４　男性胸高与身高的比率系数为Ｒ２一Ｏ．７４９　女性胸围与身高的比率系数为Ｒ１　Ｏ．５４８　女性胸高与身高的比率系数为Ｒ２　Ｏ．７４９　１．２胸部仿真形状的设计　胸部是人体主干部位最为复杂的部分，因为前胸和后背具　有二峰性，但峰值是不相等的，同时男女的胸部形状又不相同，　如图１、图２所示。在实际的服装制作或试穿过程中，常常更　多考虑的是胸部围度的大小，所以可以用图３的形状作为在计　算机中对胸部的仿真形状。　图１男性胸部形状　图２女性胸部形状　从图３可以看出，人体胸部形状的左右两半部分是对称　的，将这两部分从中间分开后，就变成了两个近似的椭圆（图　４）。但仅仅用图４所示的两个椭圆来仿真胸部的形状是不够　的。为了提高胸部仿真的逼真度，达到与图３相似的效果，可　以再用两个椭圆分别沿着中心轴方向在上下位置与图４中的　图３胸部仿真形状　图４拟合胸部的椭圆　ＡＬ　Ｄ　图５相切的四椭圆及参数　１．３胸部仿真参数的计算　胸围ＢｏｓｏｍＳ的计算不仅仅是求仿真形状的周长，因为在　实际生活中测量胸围时不会包含到凹进去的那部分，对凹进去　的那部分应使用图５中的虚线部分。刚好这两条线段是凸出　点的连线，值为４Ｒ，其他部分直接利用梯形求积法　求弧长。　在计算椭圆Ｃ与椭圆Ａ、Ｂ的切点和椭圆Ｄ与椭圆Ａ、Ｂ　的切点后，就可以分别求出椭圆Ｃ的中心点到原点的距离　ＣＨＹ和椭圆Ｄ的中心点到原点的距离ＤＨＹ，切点与水平线的　夹角ＣＡＬ和ＤＡＬ。　（１）两椭圆的参数方程　Ｘ　／ｗ２＋（Ｙ—ＢＹ）　／Ｈ２＝１．０　（５）　（Ｘ—Ｒ）　／ｗ２＋　／Ｈ２＝１．０　（６）　其中，　是椭圆Ａ和Ｂ中心坐标的绝对值，　是椭圆Ａ和Ｂ的　横轴半长，Ｈ是椭圆Ａ和Ｂ的纵轴半长，删是椭圆Ｃ、Ｄ到中　心的纵坐标。　（２）两椭圆的偏导数相等的等式　（Ｘ２／ｎ　＋（Ｙ—ＢＹ）　／ｂ　）ｄｘ／ｄｙ＝（（　—Ｒ）　／ｗ２＋ｙ２／Ｈ２）ｄｘ／ｄｙ　（７）　根据式（５）～式（７）可求出切点的坐标（　，Ｙ）：　『　＝Ｒ／２・０　。　ＩＸ：（Ｒ×口　一Ｗ×ｎ×Ｒ）／（ｎ　一　）　ｎ≠Ｗ　Ｙ：Ｈ×　＿／Ｗ　椭圆Ｃ、Ｄ到中心的纵坐标为　ＢＹ：ｙ＋、　×ｂ　ＣＡＬ：ａｒｃｔａｎ（ｒ／（Ｒ—　））ＤＡＬ＝ａｒｅｔａｎｉｒ／（Ｒ—　））　在程序中实现胸部仿真曲线时必须选取１６个数据点并在　仿真的曲线上合理分配这些点，除了Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个椭圆相切　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　胡新荣等：基于服装特征的三维人体躯干建模　确定的。　・３１７・　时产生的ｌ２个凸出点、凹进点和切点外，还要加入４个辅助点　使得在连接各点时使仿真曲线尽量光滑。最终仿真胸部曲线　的ｌ６个点的分布如图５中所示的黑色点和叉点。其中叉点为　附加点，每个附加点与水平线的夹角ＡＬ为４５。角。用于仿真　前部分超椭圆上的点Ｐ￡Ｆ（　，ｙ，ｚ）的坐标计算公式为　ｊ　［　一ＷＲ　ｓｉｎ（ａ）］×ｃｏｓ（ａ）　ｙ＝Ｗａ．ｓｌＨ　＝，　（１１）　胸部曲线的ｌ６个点可以分为三类，对每一类点坐标的计算公　式各不相同。　Ｉ．Ｚ：［日＋ＦＨＲ　ｃｏｓ（ａ）］×ｓｉｎ（ａ）　后部分超椭圆上的点ＰｔＢ（Ｘ，Ｙ，ｚ）的坐标计算公式：　①半胸椭圆Ａ、Ｂ上的点Ｐ￡．（　，ｙ，ｚ），其中，　＝　ｃｏｓ（　）＋Ｒ，Ｙ：ＢｏｓｏｍＨ，Ｚ＝Ｈ　ｓｉｎ（　）；　ｊ［　一ＷＲ　ｓｉｎ（ａ）］×ｃｏｓ（ａ）　】，：ｗａｉｓｔＨ　＝，　（１２）　②凹凸椭圆Ｃ、Ｄ上的点Ｐ￡：（　，ｙ，ｚ），其中，　＝Ａ　ＣＯＳ（　），Ｙ：ＢｏｓｏｍＨ，Ｚ＝Ｂ　ｓｉｎ（　）＋ＨＹ；　Ｌｚ＝［日＋ＢＨＲ　ｃｏｓ（ａ）］×ｓｉｎ（　）　其中，　是超椭圆的横轴半长，　是超椭圆的纵轴半长，ＷＲ是　超椭圆的横轴加权系数，ＦＨＲ是前部分超椭圆的纵轴加权系　③切点Ｐ￡３（　，ｙ，ｚ），其中，　：　ＣＯＳ（ＣＡＬ）＋Ｒ，Ｙ＝　ＢｏｓｏｍＨ．Ｚ＝Ｈ　ｓｉｎ（ＣＡＬ）。　数，ＢＨＲ是后部分超椭圆的纵轴加权系数。　２腰部的仿真建模　３结束语　２．１　腰部相关的数据采集　按照胸部和腰部曲线仿真相似的方法对上胸至腰问的每　同胸部仿真类似，在仿真腰部时也要先采集不同性别、不　个截面求出其仿真曲线，可以在ＶＣ＋＋平台中用ＯｐｅｎＧＬ的图　同年龄段群体的基本腰围数据Ｗａｉｓｔｓ。同时，人体的身高与腰　形绘制技术将这些曲线上的特征点依次连接起来，就可以仿真　围数据也存在一定的比例关系，所以仿真腰部时也要采集人体　不同性别、不同年龄段的人体躯干的三维形状。图７和图８分　的身高数据Ｈｅｉｇｈｔ、腰部离地的高度ＷａｉｓｔＨ。根据采集到的数　别是标准青年男性（Ｈｅｉｇｈｔ＝１７０　ｃｍ，Ｂｏｓｏｍｓ＝９１．１８８　ｃｍ，　据求出标准男性或标准女性的腰围（Ｗａｉｓｔｓ）、腰高（ＷａｉｓｔＨ）与　Ｗａｉｓｔｓ＝７２．９３　ｅｍ）和标准青年女性（Ｈｅｉｇｈｔ＝１６０　ｅｍ，Ｂｏｓｏｍ—　人体身高（Ｈｅｉｇｈｔ）的比例关系Ｒｌ、舵。表２是采集的部分不　Ｓ＝８７．６８　ｃｍ，Ｗａｉｓｔｓ＝５６．８　ｃｍ）躯干的三维计算机仿真三角　同身高的男性和女性的腰围Ｗａｉｓｔｓ、腰高ＷａｉｓｔＨ的数据。　网格曲面图。　表２腰部与身高数据采集表　单位ｃｍ　■■■　图６腰部仿真曲线图７男性躯干仿真图图８女性躯干仿真图　在系统中调整参数Ｈｅｉｇｈｔ、ＢｏｓｏｍＳ和Ｗａｉｓｔｓ就可以快速　根据上述数据利用简单的线性变换可得出以下公式：　地修改人体躯干部分的三维形状。实验结果表明，利用参数化　Ｒ１　：Ｗａｉｓｔｓｉ／Ｈｅｉｇｈｔｉ　（８）　人体建模技术，所需数据量小，重建个性化人体各部分形状的　Ｒ２　：ＷａｉｓｔＨ．／Ｈｅｉｇｈｔ　（９）　速度快、灵活性大，在一些精度要求不高的与服装相关的应用　利用式（３）和式（４）可以分别求出：　场合是非常实用的。　男性腰围与身高的比率系数为Ｒ１一Ｏ．４２９　男性腰高与身高的比率系数为Ｒ２一Ｏ．６４　参考文献：　女性腰围与身高的比率系数为Ｒ１一Ｏ．３５５　［１］ＤＡＡＮＥＮ　Ｈ，ＴＡＬＯＲＹ　Ｓ　Ｅ，ＢＲＵＮＳＭＡＮ　Ｍ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ａｂｓｏｌｕｔｅ　ａｅ—　女性腰高与身高的比率系数为Ｒ２一Ｏ．６４　ｃｕｒａｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｂｅｒｗａｒｅ　ＷＢ４　ｗｈｏｌｅ　ｂｏｄｙ　ｓｃａｎｎｅｒ：Ｔｈｅ　９ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　２．２腰部仿真形状的设计　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．Ｓａｎ　与胸部形状相比，腰部形状简单，可以用超椭圆表示。。　，　Ｊｏｓｅ：［ｓ．ｎ．］，１９９７：６－１２．　如图６所示。从图６中可知，超椭圆的前后两部分是不同的，　［２］胡新荣，李德华，朱舟，等．从二雄图像序列获取三维轮廓的算法　所以设计为前后两超椭圆的合并。超椭圆的计算公式如下：　及其实现［Ｊ］．计算机工程与应用，２００５，４１（２３）：ｌＯ—ｌ２．　，　：（［ｎ＋ｃ　ｉｎ（　）］×　。　（　）　（１ｏ）　［３］胡敏，李勇，张新民．基于特征的三维人体建模技术［Ｊ］．天津工　【Ｙ：［６＋ｄ　ｃｏｓ（ａ）］×ｓｉｎ（ａ）　业大学学报，２００２，２１（５）：８０—８２．　式中，ｎ，ｂ为超椭圆的长轴和短轴；ｃ，ｄ为它们相应的加权系数。　［４］宋庆文，周源华．一种基于模型的人体建模系统［Ｊ］．计算机应　用与软件，２０１）４，２１（４）：５７—６Ｏ．　２．３腰部仿真参数的计算　［５］何光渝．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋常用教值算法集［Ｍ］．北京：科学出版社，　腰围￣（ａｉｓｔＳ可以直接利用梯形求积法　求得。与胸部仿　２０ｏ２．　真相似，仿真腰部曲线时是在超椭圆上选取１６个连接点，这些　［６］袁渊，肖正扬，杨继新．超椭圆曲线特性及其在曲面拟合中的应　点的位置是根据胸部曲线上对应的１６个点与中心点的夹角来　用［Ｊ］．大连轻工业学院学报，２００４，２３（４）：２８７—２９０．