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3D人体建模技术特点与方法对比

来源:原创论文网 添加时间:2020-09-16

  摘    要: 针对手机端虚拟试衣镜APP的3D人体建模需求,文章借鉴目前常见的建模方式,从中选择合适的3D建模技术来构建适合于虚拟试衣镜APP的人体模型。通过对建模方法进行表格分析得出,应选择几何建模与物理建模相结合的方式构建人体模型,以达到人体模型和服装造型统一的效果。

  关键词: 3D人体建模; 几何建模; 分析; 虚拟试衣镜APP;

  Abstract: In view of the 3D human body modeling requirements of the mobile phone virtual fitting mirror APP, this paper refers to the current common used modeling methods, and selects the appropriate 3D modeling technologies to construct the human body model suitable for the virtual fitting mirror APP. Through the table analysis of the modeling methods, it is concluded that the method combined with geometric modeling and physical modeling should be selected to construct the human body model, so as to achieve the unified effect of human body model and clothing modeling.

  Keyword: 3D human body modeling; geometric modeling; analysis; virtual fitting mirror APP;

  0 、引言

  随着人们生活水平的提高以及互联网的发展,网购用户不断增多,占据了现在极大一部分消费市场,而在网购的商品中,服装是现代年轻人网购商品中的重要一部分。但是在选购服装时,总会出现各种各样的问题,如大小不合适、颜色有色差,衣服不合身等等。虚拟试衣APP的出现可以很好的解决试衣的问题。虚拟试衣APP开发中最重要的部分就是人体模型的建立,正如一台好电脑需要一个好CPU一样,一个好的试衣APP必须要一个好的建模方式来建立人体模型。由于手机的使用比电脑更加普及、人们的网购绝大部分也是在手机上进行的;因此,手机端的虚拟试衣镜的需求也更加急切。

  1 、3D人体建模技术发展状况

  当今的建模技术发展已经相对成熟,而人体建模技术也已经有了大量的研究成果。下面我们对建模技术的发展与特征进行总结及对比。

  伴随着CAD技术从二维建模发展到三维产品建模,产生了线框建模,曲面建模和实体建模几种几何建模方式,而参数化和变量化的设计思想与特征模型的出现,为当前CAD建模技术的发展指明了方向。3D建模技术的产生最开始于线框建模,这是一种基于线框和多边形的建模方式,之后人们在线框建模的基础上发展了曲面建模,即在线框建模的基础上,增加可形成立体面的各种相关数据后构成。这两种建模方式都属于表面建模方式,由于表面建模方式只能表达人体的表面信息,难以表达其他特性,于是人们又发展了实体建模技术。实体建模可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。它是一个全封闭(实体)的三维形体,具有完整性和无二义性。特征参数化技术和变量化技术的出现,更为3D实体建模技术的发展提供了新的方法与思路[1]。
 

3D人体建模技术特点与方法对比
 

  虽然传统的建模方法对静态人体的建模技术十分成功,但是却不能准确地建立动态人体。针对这个问题,人们尝试着将人体受到的外部环境引入到传统的几何建模方式中,于是出现了基于物理的建模方式,从而弥补了传统的几何建模方式的不足之处,得到了广泛的应用。

  2、 建模技术的特点及对比

  2.1 、线框建模

  线框建模是采用点、直线、圆弧以及样条曲线等来构造三维物体的图形表示技术。三维物体的形状全部是由顶点与边的集合来描述的,所以称为线框。它只用点和线的信息来表示形体,需要定义的数据量少,定义过程简单,是图形学领域中最早用来表示形体的模型[2],目前仍然在广泛使用。许多的复杂的形体设计都是用线框建模的方法勾画出基本的轮廓然后再进行细化,由于线框建模的存储数据少,因此对其进行编辑修改也是非常便捷的[3]。但是,由于线框建模只用了点与线来表示形体,包含信息有限,所以这种建模方式在对人体建模时有着非常大的缺陷。

  2.2、 曲面建模

  曲面建模又称为NURBS[4]建模,主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的数学描述。曲面建模是通过在线框建模的数据基础上,增加立体面的相关数据后形成的。曲面建模通过不同曲线之间的关系构建相应的曲面,将人体表面划分成多块曲面,通过拼接的方法构建三维人体模型。曲面对于人体进行建模时,有以下几种不同的具体方法。

  2.2.1 、特征化的曲面建模

  特征化的曲面建模[5]是一种基于特征及其相关尺寸的参数化建模方法。根据人体的整体结构,将人体模型划分为几个基本的结构特征。再根据不同结构特征和不同的几何特征,选择具体不同的建模方法。

  2.2.2 参数化的曲面建模

  参数化建模[6]又称为变量建模,它采用几何约束来表达人体模型的形状特征,从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。

  表1对两种曲面建模的方式进行了总结对比。

  表1 两种曲面建模方式的区别
表1 两种曲面建模方式的区别

  2.3 、实体建模[7]

  实体建模是利用一些基本的体素,例如长方形、圆柱形、球形或者扫描体等通过集合运算(布尔运算)或基本变形操作生成复杂形体的一种建模技术。实体建模不仅能够建立框架模型,还能建立物体内部的结构形状模型。

  2.4 、基于物理的建模[8]

  建模技术发展到实体建模时已经将人体的几何信息描述的基本完备。物理建模重在对人体力学及运动过程中的表达,在建模过程中引入了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素、时间变量,根据人体动态运动规律,采用微分方程组的形式表达。在基于物理的建模过程中,通常采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统的计算。

  3、 经典建模方法对比

  以上是经典建模方式的具体概况,表2对其具体的特点与优缺点进行了总结、对比。

  从表1中可以看出,线框建模的方法在对人体骨骼或者大体框架构建方面优势明显,适用于初始绘制人体基本构架,例如只是构建人体的基本骨架系统,或者是对人体大小的框架进行限定时使用。曲面建模方法在绘制人体表面信息方面优势明显,适用于在对人体表面要求比较高的环境使用,例如需要对人体表面皮肤进行研究时,可以采用这种方式。实体建模方法可以构建人体的内部,不属于表面建模,可以对模型进行剖面操作,因此适用于某种需要剖面的环境,例如医学人体实验时建模。基于物理的建模则是结合了人体自身的物理特性与环境因素,适用于某些运动的人体建模环境。在使用线框建模时一般都要与其他建模技术相结合,在线框建模的基础上运用其他的建模技术进行改进与完善。

  表2 经典建模方法对比
表2 经典建模方法对比

  在对人体建模时,一般都会采用基本的线框建模来进行人体的基本构架,之后根据具体的需求与应用环境,同时结合建模技术的特点来选择合适的建模方式来对基本的骨架或者框架进行扩充。因为不同的建模方式有着不同的特点,所以在选取采用哪种建模技术需要考虑建模环境的特点和要求,并根据建模技术的适应性来改进和调整。

  4 、结论

  基于手机端虚拟试衣APP的需求,对于顾客来说是否真正符合自己的实际,是否能在试衣时显现出最真实的自己是该APP最需要考量的。对于静态人体模型的建立,主要是应用曲面建模技术中的参数化的建模技术,重点在于描述人体的外表面即人体的外形。为了实现人体模型动态仿真,必须从人体的物理特性并结合基于物理的建模技术来考虑。此外,虚拟试衣不仅要考虑人体模型,还要考虑人体模型与服装模型之间的碰撞,所以在选取建模方法时,需要结合几何建模和物理建模方式各自的优点,把最外层设置为服饰层的多层次模型,以达到人体模型和服装造型统一的效果。

  参考文献

  [1] 张卫亮.三维人体建模技术的研究[D].北京科技大学,2009.
  [2]吴义山,徐增波.虚拟试衣系统关键技术[J].丝绸,2014.51(12):24-29
  [3]宫可想,周淑秋,常宪平等.三维人体建模技术探讨[J].首都师范大学学报,2003.24(4):17-20
  [4]黄海赟,戚飞虎,姚志洪.基于NURBS白由变形的腿部运动建模方法[J].计算机研究与发展,2000.37(6):12-16
  [5]武剑洁,王启付,樊劲等.基于特征的服装人体模型参数化建模方法[J].华中理工50大学学报,2000.28(1):29-32
  [6]付世波,袁修干.基于B样条曲面的人体模型的建立[J].计算机学报,1998.21(12):131-135
  [7]郭战锋,宁涛,张兆璞.三维服装人台曲面建模技术研究[J].工程图学学报,2008.29(3):7-81
  [8]崔树芹.三维虚拟试衣系统中参数化人体建模技术的研究[D].华中科技大学,2006.

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