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模块式生成:
从参数化人体到适合特征对齐和可展平的3D服装
摘要：服装相关CAD的研究在过去二十年中迅速发展。它大大加快了产品开发过程，缩短了时尚产品的市场时间。虽然已经取得了许多重要的成果，特别是在计算机图形学领域，但是纺织工业不愿意在实际的服装生产中采用这些结果。主要关注的是结果模式的准确性，因为模式生成过程忽略了一些重要的纺织材料和制造限制。本文介绍了一种从三维扫描体生成二维块体的方法。首先在扫描体上进行参数化处理，以创建参数化模型，用水平b样条曲线表示。然后根据参数化模型建立一个与体特征对齐的基本线框。适当的衣服舒适被仔细地纳入到模型中，通过缩放线框来达到想要的尺寸。在变形线框的基础上，采用边界三角剖分法对一种三维可展平服装进行建模。所提出的方法的主要贡献在于，所创建的三维服装块在几何上是扁平的，能够产生精确的二维模式，并优化的简化分布，以确保服装合适。对所提方法进行了验证，并与两种传统的块模式方法进行了比较。实验结果表明，该方法易于实现，并能产生满意的模式。此外，该方法还可用于制造符合条件的大批量定制服装产品。
关键词:三维服装 模块式 人体建模 衣服适合性和舒适性 计算机辅助产品设计
1、介绍
在时尚界，计算机辅助设计技术在加快产品开发过程和缩短时装产品市场时间方面发挥着重要作用。在过去的二十年中，由于计算机图形社区的贡献，有关服装3D CAD的研究迅速发展。这些3D CAD应用可以大致分为两类:(1)2D-to-3D方法和(2) 3D-to-2D方法。
在2D-to- 3D的方法中，2D模式是手工绘制的，然后通过一个虚拟的缝纫程序组装，以产生逼真的悬垂模拟[1-5]。商业软件包，如Browzwear[6]、Modaris 3D Fit[7]和Optitex 3D Runway[8]都属于这种应用程序。2D-to-3D方法的一个优点是二维模式的修改可以同时反映在3D服装的模拟上。计算机图形学在布模拟研究领域做出了重要贡献。然而,他们的研究兴趣着重于有效再现布料的外观，提高仿真效率和稳定性，但精度不高。最近的一项研究发现，一些非可穿戴的服装在虚拟仿真中成为可穿戴设备[9]。因此，2D-to-3D的解决方案对于评估服装产品在网上的视觉效果是很有用的工具，但对于服装产品的开发却不是这样，在这种情况下，准确性和准确性是先决条件。
3D-to-2D的方法代表了一种程序，在这个过程中，服装首先被建模为3D对象，然后将其压平为2D模式。对软物体的建模，如3D的布料是一个具有挑战性的课题，在过去的十年中已经吸引了大量的研究兴趣。Turquin等人开发了一种基于草图的方法来为虚拟角色创建3D服装[10,11]。Decaudin等人将三维虚拟服装建模为可被压平的平面图形[12]。Wang通过用户交互创建了基于特征的3D虚拟服装[13,14]。王提出了基于约束轮廓和样式曲线的三维虚拟服装几何建模[15]。3D-to- 2D的方法为设计师在虚拟的3D环境中创造服装提供了一种方法，然而结果服装通常是简单的样式，例如单层。这些解决方案可能适合3D角色，但不适合真正的服装开发和生产。此外，3D到2D的方法需要大量的知识在3D曲面建模可以创建3D虚拟服装，而设计师或模式制造者不太可能掌握3D虚拟样式的技术。此外，每一种新风格都是一个独特的3D对象，这些3D服装的设计过程与传统的纺织行业非常不同，在那里复杂的风格可以通过操纵一些模版服装来轻松创造，这些服装被称为基本块。另一方面，所有3D到2D的应用程序都涉及一种名为“表面压平”的过程，在这种过程中，3D虚拟服装被压平，以提供2D服装图案。第2节将介绍有关表面拉平三维物体的信息。纺织工业通常发现，扁平的图案有不规则的形状，从基本块中发展出来的模式是不“可以理解的”，不满足纺织材料的性能和服装制造的限制。
综上所述，不建议直接从3D创建复杂的样式，因为两个原因。首先，复杂的样式，如多层的，文件夹和集合，很难精确的三维模型。其次，现有的扁平化技术要么是在物理矫平的情况下出现无法控制的变形，要么是在几何扁平化的情况下忽略了重要的纺织材料性能。例如，在几何扁平化中，可以引入不必要的缝线，使变形最小化，从而使结果图形更加可展[15]。一些研究人员[17,18]提出了一种几何特征敏感的方法来生成投射和接缝，但是结果的图案并不适合实际的服装制造。重要的是要注意，在服装制造中，面料被裁剪和组装的方向会影响最终服装的外观、平衡和身体舒适性[16]。在服装生产中，服装的接缝或样式应与身体轮廓相匹配。图案的纹路必须一致，以创造理想的平衡和褶皱。因此，为服装生产应用开发出一种新的造型和平整的三维服装。
一件合身的服装主要依赖于准确的服装图案。传统制模的出发点是一套模板模式，称为基本块模式，它提供合适的服装搭配，并可以通过操纵来创造无限的风格。块模式具有简单和基本的样式，其中的样式元素(如飞镖)是有意放置的，以使块模式适合于身体轮廓。传统上，块模式是由一组根据少量的身体测量来起草指令和构造公式。在传统的块状制图方法[19-27]中，服装eases被适当地包含在块模式中，以达到所需的服装尺寸。服装上的舒缓，也叫穿着舒适，是身体表面和衣服之间的必要空间，是不受约束的自然身体运动和生理舒适。传统的基本区块起草方法，将经验丰富的裁缝师的规则和知识积累了多年的实践经验。裁缝对身体的配置做了假设，他们通过将每个参数与一个或两个关键的身体测量值关联起来，来近似所有的模式参数[28]。由于许多重要的维度都是通过近似和简单的相关性获得的，所以这种模式绘图的方法不能生成适合所有体型的块。实际上，这种方法开发的块模式可以很好地适应标准的数据，但是对于个性化客户的块定制来说，冗长的修改和修改是必要的。将基本块的适合度提高到不同的体型是一个重要的话题，因为它将有助于减少频率，并简化将图案转换成不同样式和设计的程序[29]。几十年来，服装行业一直试图通过石膏造型[21]和其他试验和错误方法来改进积木。有趣的是请注意，尽管ease在服装开发中是一个非常重要的概念，但在之前的研究中从未讨论过如何在3D服装中轻松地分配。例如，Wang等[28]提出了一种服装设计自动化的方法，但在服装设计过程中并没有解决这个问题。如果没有合并必要的eases，所产生的服装就不合适了。综上所述，对于服装行业大规模定制的有效实施，需要有系统的方式来生成定制的块模式。
3D人体扫描技术是服装行业的一项重要技术，因为可以很容易地获得数字化人体，从而创造出3D服装来保证身体健康。虽然复杂的虚拟样式并不是直接用3D建模的，但是它很有吸引力，它可以将适当的易用性融入到人类模型中，以创建适合的基本块。3D模块包含人体的所有基本和必要的尺寸，而扁平的2D图案可以被行业用来创造各种各样的合身保证服装。本文提出了一种用于工业应用的三维扁平块和二维块模式的方法。提出的虚拟块是由满足以下要求的3D人体模型开发的:(1)构建三维块与人体特征线对齐，使其易于控制;(2)构造三维块的接缝和样式线，以跟随身体轮廓，促进扁平化过程;(3)3D服装可以不变形、不变形、不满足纺织性能和制造限制。
论文的其余部分组织如下。有关工作将在第2节进行审查。第3节首先介绍了整个方法。随后描述了人体参数化过程和线框图定义。这种易用性被控制的方式分配给线框。在此过程中，开发了基于线框的3D可展平服装和2D块模式。第4节描述了通过建模标准人体模型和真实对象来验证所提方法的实验。该方法也与第4节的两种传统模式方法相比较。第五部分总结全文。
2、相关工作
2.1、3 D-to-2D表面平整
3D到2D的扁平化技术已被大量研究，以生成3D服装的2D图案。表面平整有物理和几何的方法。一些扁平化的方法是基于物理能量最小化[30-32]。三维服装曲面表示为质量弹簧系统，非平衡几何。扁平化的过程是释放系统的力，直到达到平衡状态。但这些结果往往依赖于系统的初始参数或边界条件，并不能表现出良好的一致性。因此，三维表面与二维平面之间的一致性和精度要求引起了对表面参数化研究领域的关注。表面参数化是一种从表面到合适域的一对一映射，并引入了任意角度或区域的畸变[33]。许多研究[34-37]试图通过引入不同的约束来尽量减少失真。然而，凸多边形和不规则形状是由这些方法产生的，因此被压平的表面不适合实际生产。
在上述矫平方法中，畸变是不可避免的，因为大部分的三维曲面都是不可开发的。大量的工作致力于[38]或近似[39-43]从现有的表面发展的表面。Julius等[44]介绍了网格曲面的可展性指标将曲面分割成图表，并识别出失真。[45-47]通过近似给定的形状构造了离散可展曲面的建筑设计。尽管如此，这类几何方法可能是通用的，但不适合用于服装矫平，因为在重建和近似中无法使用合身的3D服装表面。
2.2、3 D可展服装建模
一些研究人员研究了可展曲面对三维服装的建模。利用剪影草图，将三维服装建模为基于移动最小二乘[48]和ABF 参数化的局部最适合的可展曲面[36]。摘要提出了一种基于三角化曲面的局部平坦化的方法，提出了一种平滑的拉普拉斯算子的建模方法[49]。这一方法被推广到可展平的网格拟合边界曲线[50]，后来应用于3D压缩服装[51]和服装图案几代。他们的方法可能适合非常紧身的衣服，例如压力服装，或有定义风格的服装，例如衬衫。然而，在他们的研究中，3D服装建模并没有考虑到扁平模式的纺织属性约束，因此导致的2D模式可能会变得支离破碎，无法进一步调整以创建新的样式。每件衣服都需要重新设计。
对三维服装进行适当的建模是很重要的，因此要满足纺织材料性能的关键约束，以确保生产模式更适合于实际生产。一种可能的方法是将3D服装与身体特征对齐，以指导随后的扁平化过程。Tang和Chen[52]将最初的可展曲面转化为最终的网格曲面，该曲面内插了一些给定的点或曲线。在变换过程中，保持零值高斯曲率。另一种从一组点或曲线上近似可展曲面的经典方法是[53]。换句话说，给定一个从输入分段光滑曲线中采样的顶点的折线，边界三角剖分是一个无内部顶点的流形三角剖分[54]。本文提出了一种可生成可展三维块体服装的方法，该方法是通过边界三角剖分法提出的，在该方法中，人体的结构线条和特征是通过仔细地结合服装的易度来构造三维扁平的服装的边界。3D模块可以很容易地被压平，因为它是量身定做的。服装为进一步的风格适应。扁平化过程是计算成本低廉，适合工业应用。最近，Au和Ma提出了一种类似的基于NURBS曲面建立可开发的3D衬衫的方法[55]。然而，在他们的方法中，只使用4个基准面和两个辅助参考线来定义一件衬衫的所有特征线。此外，它们的表面生成方法使用两条平行的曲线来定义边界，这使得它们的方法可能不适用于复杂曲面。此外，它们非常简单的特征定义使得该方法仅适用于理想的人体模型，如标准人体模型，而不是非理想的实体模型。它并没有解释eases是如何分布的，也没有解释在他们的方法中是如何定义袖窿曲线的。为了证明所提出的方法适用于工业应用，采用了工业模型和非理想的各种图形类型的真实世界体来验证该方法，并进行了系统的拟合评价实验。
3、研究方法
3.1、方法框架
本文提出了一种可控制的三维扁平模板服装的新方法。图1描述了方法框架，其中包括三个阶段的过程。在第一阶段，一个三角形的人体被参数化为水平分段b样条曲线(PBC)模型。在第二阶段，在参数化的人体模型中，可以准确地认识到胸线和腰线等解剖标志和身体特征。然后，将Ease精确地分布到重要的特征线中，以建立一个3D线框。在最后阶段，根据定义的线框图，将三维服装块作为可展平曲面，实现了边界三角剖分算法。2D方块图案最终从3D服装方块中被压平。
图1所示。工艺轮廓:成型的3D和2D服装块。
3.2、参数化人体模型
人体扫描可获得三维人体模型。三维体扫描可以在点云的形式下提供大量的人体模型的三维数据点，如图2(a)所示。从点云计算，可以创建人体的三角网格模型(图2(c))，可以轻松识别重要的身体特征，如胸点、肩点、胸线和腰线。在目前的研究中，需要一种结构良好的人体模型，以便在服装建模中融入适当的穿着舒适性。提出了一种将人作为分段b样条曲线(PBC)模型来表示人的方法，即通过插值点云数据将水平截面建模为b样条曲线。建立PBC模型的步骤如下图2所示。
第一步:将一个点云体准备成一个三角剖分的物体表面(图2(a) - (c));
步骤2:创建一组水平平面，并将连续平面之间的距离定义为一个控制参数(图2(d));
步骤3:计算这些平面与三角形模型的交点(图2(d));
步骤4:通过插值在每个平面上插值来创建b样条曲线(图2(d));和
步骤5:构建PBC模型(图2(e))。
在参数化建模过程中，点云体首先通过分析横截面的拓扑性质，将其分为躯干和四肢等不同的身体部位。在步骤3中，计算水平平面与三角形网格之间的交点，可以计算出边与平面之间的交点。同一平面上的交点在第四步中被b样条曲线插值。图2(e)给出了两种不同距离的参数化模型的结果。
图2所示。将点云人体模型转化为分段b样条曲线(PBC)模型:(a)体扫描数据;(b)基本身体减少;(c)Delaunay-triangulated躯干;(d)水平平面交叉口和b样条曲线插值;(e)水平横截面不同距离的两个PBC torsos。
3.3、线框的形成和易于分布。
ASTM D5219-09[56]和ISO 8559:1989[57]标准被用于服装行业，用于人体测量和定位人体解剖标志。这些标准用于在现有的方法中定位参数人体模型的身体特征，从而建立连接身体特征的线框。这些特征，如图3所示，用于构建线框模型，因为这些身体特征是三维服装应该与
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