基于三维图像分析的服装设计合理性仿真
张庆
摘 要： 为了实现企业的大规模量体定制的服装生产，提升企业经济效益，进行了基于三维图像分析的服装设计合理性仿真。采用 Marching Cubes 方法重建三维人体表面模型，基于弹簧?质点模型完成布料虚拟仿真，采用基于正则栅格法的四边域网格剖分算法实现二维衣片到三维柔性曲面的变换。给出了三维虚拟服装的缝合过程，并塑造人体模型的OBB树进行虚拟服装同人体模型间的碰撞检测，并在碰撞过程中及时解决响应问题，最终实现三维服装虚拟试穿，完成服装设计合理性的准确分析。实验结果证明所提方法可对不同类型服装设计合理性进行准确预测。
关键词： 三维图像； 服装设计； 合理性仿真； 缝合过程
中图分类号： TN911.73?34； TP339 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0076?04
Clothing design rationality simulation based on 3D image analysis
ZHANG Qing
（College of Art and Design， Huanghe Science & Technology College， Zhengzhou 450000， China）
Abstract： In order to realize the large?scale fully?tailored clothing production， and improve the enterprise economic benefit， the clothing design rationality simulation based on 3D image analysis was performed. The Marching Cubes method is used to reconstruct the 3D human body surface model to realize the fabric virtual simulation based on the spring?particle model. The quadrilateral mesh generation algorithm based on regular grid method is adopted to convert the two?dimensional clothing parts into the three?dimensional flexible surface. The seaming process of 3D virtual clothing is given. The OBB tree of human body model is constructed to perform the collision detection between the virtual clothing and human body model. The response problem is solved timely in the collision process to realize the 3D clothing virtual fitting， and analyze the rationality of clothing design accurately. The experimental results show that the method can predict the design rationality of different clothing types accurately.
Keywords： 3D image； clothing design； rationality simulation； seaming process
0 引 言
当前数字化技术广泛应用于服装行业，促进了服装企业信息采集的效率，进而进行大规模的量体定制的服装生产计划，给各用户带来个性化的服务，提高企业的经济效益，增强企业的竞争力[1]。三维全身扫描技术、虚拟服装试穿技术以及人体尺寸的自主采集都是大规模量体定制技术，而融合三种技术的基于三维图像分析的服装设计合理性仿真分析过程为企业准确分析不同客户对服装的个性需求和意见[2]，提升企业经济效益，具有重要的应用意义。
1 重建三维人体表面模型
三维人体表面形状复杂，为了提高人体表面模型重建的质量，应将多轮廓线间的形体重构过程看成人体数据的等值面构建过程，具体过程为：采用三维全身扫描部件间隔高度，对人体进行扫描，采集人体轮廓线，并设置轮廓线平面中的采样网络为大小，获取元规格是的立方体。对人体轮廓线进行分区域处理，将其分割成二维数据场[3]，再基于高度信息获取体数据[4]，采用特殊方法获得等值面，进而完成三维人体表面模型的构建，如图1所示。
图1 重建三维人体表面模型
2 虚拟服装试穿
虚拟设计是服装企业实现大批量生产的重要技术。通过利用虚拟设计服装试穿技术，顾客可依据自身的三维人体模型体验服装的试穿效果，分析服装设计的合理性，进而提出修改意见[5]，获取个性化的服装。本文基于弹簧质点模型完成服装穿着的动态仿真，分析虚拟服装试穿技术。
2.1 服装布料仿真
2.1.1 弹簧?质点模型
弹簧?质点模型由四边形质点网格组成，其行和列的粒子间距是1，布料由不透明的三角形网格组成，这些多边形顶点通过质点的区域。如图2所示的网格结构由质点、结构弹簧、剪切弹簧以及弯曲弹簧构成。其中，结构弹簧可确保布料的四边形状态的稳定性，剪切弹簧能够完成外表力的传递，弯曲弹簧避免了布料被撕裂。
图2 弹簧质点模型
2.1.2 基于弹簧?质点模型的布料模拟仿真实现
在上述分析的弹簧?质点模型的基础上，进行布料模拟仿真，其具体实现过程如下：
（1） 给出各质点的质量以及各弹簧的弹性系数；
（2） 运算获取各质点受到的力；
（3） 运算获取各质点的加速度
（4） 运算获取各质点的速度；
（5） 运算获取各质点的位移；
（6） 如果各质点达到平衡，结束运算。否则，返回步骤（3）。
采用VC++，OpenGL对布料进行悬垂模拟，结果如图3所示。
2.2 二维衣片到三维曲面的变换
二维衣片到三维曲面的变换过程中，需要采用基于正则栅格法的四边域网格剖分算法[6]对二维衣片离散，剖分生成基于弹簧?质点模型的网格形式，实现二维衣片到三维服装的变换。
基于正则栅格法的四边域网格剖分算法，在目标范围上部署完全包含目标区域的正则栅格，而那些处于目标范围外的栅格单元将被过滤掉，进而确保栅格单元同目标范围间的距离最小化[7]。最终采用合理的样式将全部的栅格单元分割成大量的网格单元，并通过光滑技术对网格单元进行再次处理，实现二维样片到三维柔性曲面的变换，结果如图4所示。
图3 布料网络和悬垂模拟
图4 基于正则栅格法的四边域网格剖分实例
2.3 虚拟服装的三维缝合过程
进行虚拟服装的三维缝合时，采用空间几何转换手段以及交互手段，分别设置衣片的初始坐标以及缝合的初始坐标，并将衣片部署在三维人体表面模型相关的合理位置，完成二维到三维的转换[8]，再依据相应的工艺顺序完成虚拟服装的缝制，如图5所示。
图5 虚拟服装的三维缝合
2.4 碰撞检测
模拟人体试穿三维虚拟服装时，将形成大量的碰撞现象。因此有效处理碰撞问题才可真实地实现虚拟穿衣的模拟。本文采用OBB树算法将向性包围盒当成物体的包围盒，构成OBB树进行碰撞检测。通过“分割轴”方法检测两个包围盒是否相交，并确保包围盒通物体紧密相连，增强包围盒检测的命中率。一个OBB是三维空间内某任意方向的长方体包围盒，多个OBB集成的层次结构则为OBB树。
2.4.1 塑造人体的OBB方向包围盒
基于获取的三维人体表面重建模型，将人体分割成15个部分，分割结果如图6所示。
按照人体分割的结果，塑造人体的OBB方向包围盒，如图7所示。
2.4.2 碰撞检测算法
碰撞检测算法的伪代码为：
//个对象
//检测时间从to依据步长计算
Simulation（）
{
…
for {
//update 個对象的行为；
bool flag =CollisionDetect
If（flag）
Calculate collision response；
描述个对象
}
}
//碰撞检测过程，其中Tprev为全局变量，设置初值为
//dt is Sampling step size of collision detection，且
CollisionDetect（Tcurr，）
{
for（t=Tprev to Tcuur， 步长为）
{
for（中每个对象）
将放置在时间的点上；
for（中每个对象）
for（中每个对象）
If（与相交）
时刻完成碰撞检测；
}
Tprev=Tcuur；
}
2.5 人体虚拟穿衣的仿真和合理性分析
2.5.1 虚拟穿衣模拟过程
（1） 采集二维服装CAD系统制定的衣片；
（2） 提取全部待缝合衣片的缝合边；
（3） 将二维衣片剖分成弹簧?质点模型，实现二维衣片到三维柔性曲面的变换；
（4） 将衣片交互式部署在三维人体表面模型的原始位置；
（5） 塑造三维人体表面模型的OBB树；
（6） 对衣片进行缝合，同时进行三维人体表面模型?衣片以及衣片?衣片间的碰撞检测处理，同时做出相应的碰撞响应[9]。
2.5.2 人体虚拟穿衣实现以及合理性分析
人体虚拟穿衣的仿真实现过程也就是实现二维服装样板到三维服装的转化过程，如图8所示。从中能够看出，转化过程实现了平面衣片到立体服装的变换，真实模拟出服装的自然垂感，可对服装设计的合理性进行准确分析。
图8 人体虚拟穿衣的实现过程
3 实验分析
实验使用最小二乘一元先行回归法对本文设计的基于三维图像分析的服装设计合理性方法以及基于BP预测模型的服装设计合理性分析方法的预测性能进行验证。设置着装皮肤舒适性指数预测值，也就是不同方法的预测结果是期望值也就是实测值再使用该最小二乘一元回归法对以及进行线性回归分析，获取直线若获取的两条直线相似度高，说明模型预测准确度较高，并分析预测值同实测值的相关性，若相关系数高于0.7，则说明相应方法对服装设计合理性的预测精度高。
3.1 棉质服装设计合理性预测
实验样本集是10个受试者穿着三种不同类型棉质服装进行舒适性测试，也就是服装的合理性检测获取的数据。从中选择15个样本作为样本集检验不同方法的预测效果，结果如图9和图10所示。
图9 棉质服装设计合理性BP预测模型预测
图10 棉质服装设计合理性本文方法预测
从图9，图10中可得，BP预测模型预测值同实测值的相关系数为62.37%，而本文方法的相关系数为87.64%，说明本文方法的预测效果更好。采用检验法对相关系数进行显著性检验，结果如表1所示。
分析表1可得，两种方法的相关系数都是显著性相关，而本文方法的相关系数最显著。说明本文方法对棉质服装设计合理性的预测能力优于BP预测方法。
3.2 丝质服装设计合理性预测
实验样本集是10个受试者穿着三种不同类型丝质服装进行舒适性测试，也就是服装的合理性检测获取的数据。从中选择15个样本作为检验样本集检验不同方法的预测效果，结果如图11和图12所示。
分析圖11，图12可得，BP预测模型的预测值同实测值间的相关系数为71.25%，而本文方法的相关系数为90.58%，说明本文方法对丝质服装设计合理性的预测效果更优。进一步采用检验法对相关系数做显著性检验，结果如表2所示。
分析表2可得，两种方法的相关系数都是显著性相关，而本文方法的相关系数更为显著。说明相对于BP预测方法，本文方法对丝质服装设计合理性具备良好的预测性能。
4 结 论
本文进行了基于三维图像分析的服装设计合理性仿真，完成服装设计合理性的准确分析。实验结果证明，所提方法可对不同类型服装设计合理性进行准确预测。
参考文献
[1] 周小溪，梁惠娥.基于感性意象的服装面料设计效果评价[J].纺织学报，2015，36（4）：60?64.
[2] 李祖华.服装设计用三维人体扫描系统[J].纺织学报，2014，35（1）：144?150.
[3] 王凯，支煜，张毅坤，等.一种检测摄像机与被测物间三维轴线求解方法[J].现代电子技术，2015，38（18）：22?25.
[4] 张朝阳，窦俊霞.基于三维交互式服装设计系统[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：117?120.
[5] 戴炳，朱欣娟.图像浮雕算法在二维虚拟服装展示中的应用[J].西安工程大学学报，2016，30（1）：93?96.
[6] 谌湘倩，马绍惠，须文波.基于有序子集加速拆分算法的三维CT图像重建[J].现代电子技术，2016，39（6）：104?107.
[7] 叶晓露，庞程方，辛意云，等.基于三维扫描的短裤形态与结构设计关系研究[J].丝绸，2015，52（1）：35?41.
[8] 张向宇，吕伟，周怀春，等.基于辐射图像处理的单火嘴三维温度场测量[J].燃烧科学与技术，2014，20（2）：115?120.
[9] 王双虎，丁亚茹.基于三维人体测量的文胸模杯定制系统研究[J].国际纺织导报，2014，42（12）：51?52.
[10] 王珊珊，王蕾，朱博，等.基于SolidWorks的在职男性颈部三维模型[J].纺织学报，2015，36（4）：107?112.
技术文
摘 要： 为了实现企业的大规模量体定制的服装生产，提升企业经济效益，进行了基于三维图像分析的服装设计合理性仿真。采用 Marching Cubes 方法重建三维人体表面模型，基于弹簧?质点模型完成布料虚拟仿真，采用基于正则栅格法的四边域网格剖分算法实现二维衣片到三维柔性曲面的变换。给出了三维虚拟服装的缝合过程，并塑造人体模型的OBB树进行虚拟服装同人体模型间的碰撞检测，并在碰撞过程中及时解决响应问题，最终实现三维服装虚拟试穿，完成服装设计合理性的准确分析。实验结果证明所提方法可对不同类型服装设计合理性进行准确预测。
关键词： 三维图像； 服装设计； 合理性仿真； 缝合过程
中图分类号： TN911.73?34； TP339 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0076?04
Clothing design rationality simulation based on 3D image analysis
ZHANG Qing
（College of Art and Design， Huanghe Science & Technology College， Zhengzhou 450000， China）
Abstract： In order to realize the large?scale fully?tailored clothing production， and improve the enterprise economic benefit， the clothing design rationality simulation based on 3D image analysis was performed. The Marching Cubes method is used to reconstruct the 3D human body surface model to realize the fabric virtual simulation based on the spring?particle model. The quadrilateral mesh generation algorithm based on regular grid method is adopted to convert the two?dimensional clothing parts into the three?dimensional flexible surface. The seaming process of 3D virtual clothing is given. The OBB tree of human body model is constructed to perform the collision detection between the virtual clothing and human body model. The response problem is solved timely in the collision process to realize the 3D clothing virtual fitting， and analyze the rationality of clothing design accurately. The experimental results show that the method can predict the design rationality of different clothing types accurately.
Keywords： 3D image； clothing design； rationality simulation； seaming process
0 引 言
当前数字化技术广泛应用于服装行业，促进了服装企业信息采集的效率，进而进行大规模的量体定制的服装生产计划，给各用户带来个性化的服务，提高企业的经济效益，增强企业的竞争力[1]。三维全身扫描技术、虚拟服装试穿技术以及人体尺寸的自主采集都是大规模量体定制技术，而融合三种技术的基于三维图像分析的服装设计合理性仿真分析过程为企业准确分析不同客户对服装的个性需求和意见[2]，提升企业经济效益，具有重要的应用意义。
1 重建三维人体表面模型
三维人体表面形状复杂，为了提高人体表面模型重建的质量，应将多轮廓线间的形体重构过程看成人体数据的等值面构建过程，具体过程为：采用三维全身扫描部件间隔高度，对人体进行扫描，采集人体轮廓线，并设置轮廓线平面中的采样网络为大小，获取元规格是的立方体。对人体轮廓线进行分区域处理，将其分割成二维数据场[3]，再基于高度信息获取体数据[4]，采用特殊方法获得等值面，进而完成三维人体表面模型的构建，如图1所示。
图1 重建三维人体表面模型
2 虚拟服装试穿
虚拟设计是服装企业实现大批量生产的重要技术。通过利用虚拟设计服装试穿技术，顾客可依据自身的三维人体模型体验服装的试穿效果，分析服装设计的合理性，进而提出修改意见[5]，获取个性化的服装。本文基于弹簧质点模型完成服装穿着的动态仿真，分析虚拟服装试穿技术。
2.1 服装布料仿真
2.1.1 弹簧?质点模型
弹簧?质点模型由四边形质点网格组成，其行和列的粒子间距是1，布料由不透明的三角形网格组成，这些多边形顶点通过质点的区域。如图2所示的网格结构由质点、结构弹簧、剪切弹簧以及弯曲弹簧构成。其中，结构弹簧可确保布料的四边形状态的稳定性，剪切弹簧能够完成外表力的传递，弯曲弹簧避免了布料被撕裂。
图2 弹簧质点模型
2.1.2 基于弹簧?质点模型的布料模拟仿真实现
在上述分析的弹簧?质点模型的基础上，进行布料模拟仿真，其具体实现过程如下：
（1） 给出各质点的质量以及各弹簧的弹性系数；
（2） 运算获取各质点受到的力；
（3） 运算获取各质点的加速度
（4） 运算获取各质点的速度；
（5） 运算获取各质点的位移；
（6） 如果各质点达到平衡，结束运算。否则，返回步骤（3）。
采用VC++，OpenGL对布料进行悬垂模拟，结果如图3所示。
2.2 二维衣片到三维曲面的变换
二维衣片到三维曲面的变换过程中，需要采用基于正则栅格法的四边域网格剖分算法[6]对二维衣片离散，剖分生成基于弹簧?质点模型的网格形式，实现二维衣片到三维服装的变换。
基于正则栅格法的四边域网格剖分算法，在目标范围上部署完全包含目标区域的正则栅格，而那些处于目标范围外的栅格单元将被过滤掉，进而确保栅格单元同目标范围间的距离最小化[7]。最终采用合理的样式将全部的栅格单元分割成大量的网格单元，并通过光滑技术对网格单元进行再次处理，实现二维样片到三维柔性曲面的变换，结果如图4所示。
图3 布料网络和悬垂模拟
图4 基于正则栅格法的四边域网格剖分实例
2.3 虚拟服装的三维缝合过程
进行虚拟服装的三维缝合时，采用空间几何转换手段以及交互手段，分别设置衣片的初始坐标以及缝合的初始坐标，并将衣片部署在三维人体表面模型相关的合理位置，完成二维到三维的转换[8]，再依据相应的工艺顺序完成虚拟服装的缝制，如图5所示。
图5 虚拟服装的三维缝合
2.4 碰撞检测
模拟人体试穿三维虚拟服装时，将形成大量的碰撞现象。因此有效处理碰撞问题才可真实地实现虚拟穿衣的模拟。本文采用OBB树算法将向性包围盒当成物体的包围盒，构成OBB树进行碰撞检测。通过“分割轴”方法检测两个包围盒是否相交，并确保包围盒通物体紧密相连，增强包围盒检测的命中率。一个OBB是三维空间内某任意方向的长方体包围盒，多个OBB集成的层次结构则为OBB树。
2.4.1 塑造人体的OBB方向包围盒
基于获取的三维人体表面重建模型，将人体分割成15个部分，分割结果如图6所示。
按照人体分割的结果，塑造人体的OBB方向包围盒，如图7所示。
2.4.2 碰撞检测算法
碰撞检测算法的伪代码为：
//个对象
//检测时间从to依据步长计算
Simulation（）
{
…
for {
//update 個对象的行为；
bool flag =CollisionDetect
If（flag）
Calculate collision response；
描述个对象
}
}
//碰撞检测过程，其中Tprev为全局变量，设置初值为
//dt is Sampling step size of collision detection，且
CollisionDetect（Tcurr，）
{
for（t=Tprev to Tcuur， 步长为）
{
for（中每个对象）
将放置在时间的点上；
for（中每个对象）
for（中每个对象）
If（与相交）
时刻完成碰撞检测；
}
Tprev=Tcuur；
}
2.5 人体虚拟穿衣的仿真和合理性分析
2.5.1 虚拟穿衣模拟过程
（1） 采集二维服装CAD系统制定的衣片；
（2） 提取全部待缝合衣片的缝合边；
（3） 将二维衣片剖分成弹簧?质点模型，实现二维衣片到三维柔性曲面的变换；
（4） 将衣片交互式部署在三维人体表面模型的原始位置；
（5） 塑造三维人体表面模型的OBB树；
（6） 对衣片进行缝合，同时进行三维人体表面模型?衣片以及衣片?衣片间的碰撞检测处理，同时做出相应的碰撞响应[9]。
2.5.2 人体虚拟穿衣实现以及合理性分析
人体虚拟穿衣的仿真实现过程也就是实现二维服装样板到三维服装的转化过程，如图8所示。从中能够看出，转化过程实现了平面衣片到立体服装的变换，真实模拟出服装的自然垂感，可对服装设计的合理性进行准确分析。
图8 人体虚拟穿衣的实现过程
3 实验分析
实验使用最小二乘一元先行回归法对本文设计的基于三维图像分析的服装设计合理性方法以及基于BP预测模型的服装设计合理性分析方法的预测性能进行验证。设置着装皮肤舒适性指数预测值，也就是不同方法的预测结果是期望值也就是实测值再使用该最小二乘一元回归法对以及进行线性回归分析，获取直线若获取的两条直线相似度高，说明模型预测准确度较高，并分析预测值同实测值的相关性，若相关系数高于0.7，则说明相应方法对服装设计合理性的预测精度高。
3.1 棉质服装设计合理性预测
实验样本集是10个受试者穿着三种不同类型棉质服装进行舒适性测试，也就是服装的合理性检测获取的数据。从中选择15个样本作为样本集检验不同方法的预测效果，结果如图9和图10所示。
图9 棉质服装设计合理性BP预测模型预测
图10 棉质服装设计合理性本文方法预测
从图9，图10中可得，BP预测模型预测值同实测值的相关系数为62.37%，而本文方法的相关系数为87.64%，说明本文方法的预测效果更好。采用检验法对相关系数进行显著性检验，结果如表1所示。
分析表1可得，两种方法的相关系数都是显著性相关，而本文方法的相关系数最显著。说明本文方法对棉质服装设计合理性的预测能力优于BP预测方法。
3.2 丝质服装设计合理性预测
实验样本集是10个受试者穿着三种不同类型丝质服装进行舒适性测试，也就是服装的合理性检测获取的数据。从中选择15个样本作为检验样本集检验不同方法的预测效果，结果如图11和图12所示。
分析圖11，图12可得，BP预测模型的预测值同实测值间的相关系数为71.25%，而本文方法的相关系数为90.58%，说明本文方法对丝质服装设计合理性的预测效果更优。进一步采用检验法对相关系数做显著性检验，结果如表2所示。
分析表2可得，两种方法的相关系数都是显著性相关，而本文方法的相关系数更为显著。说明相对于BP预测方法，本文方法对丝质服装设计合理性具备良好的预测性能。
4 结 论
本文进行了基于三维图像分析的服装设计合理性仿真，完成服装设计合理性的准确分析。实验结果证明，所提方法可对不同类型服装设计合理性进行准确预测。
参考文献
[1] 周小溪，梁惠娥.基于感性意象的服装面料设计效果评价[J].纺织学报，2015，36（4）：60?64.
[2] 李祖华.服装设计用三维人体扫描系统[J].纺织学报，2014，35（1）：144?150.
[3] 王凯，支煜，张毅坤，等.一种检测摄像机与被测物间三维轴线求解方法[J].现代电子技术，2015，38（18）：22?25.
[4] 张朝阳，窦俊霞.基于三维交互式服装设计系统[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：117?120.
[5] 戴炳，朱欣娟.图像浮雕算法在二维虚拟服装展示中的应用[J].西安工程大学学报，2016，30（1）：93?96.
[6] 谌湘倩，马绍惠，须文波.基于有序子集加速拆分算法的三维CT图像重建[J].现代电子技术，2016，39（6）：104?107.
[7] 叶晓露，庞程方，辛意云，等.基于三维扫描的短裤形态与结构设计关系研究[J].丝绸，2015，52（1）：35?41.
[8] 张向宇，吕伟，周怀春，等.基于辐射图像处理的单火嘴三维温度场测量[J].燃烧科学与技术，2014，20（2）：115?120.
[9] 王双虎，丁亚茹.基于三维人体测量的文胸模杯定制系统研究[J].国际纺织导报，2014，42（12）：51?52.
[10] 王珊珊，王蕾，朱博，等.基于SolidWorks的在职男性颈部三维模型[J].纺织学报，2015，36（4）：107?112.
技术文
