人體三維模型

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1、二維人體建模 摘要：對當(dāng)今廣為應(yīng)用的線框模型、體 模型和曲面模型等傳統(tǒng)的三維人體建模 方法進(jìn)行了研究和分析，本文通過對三 維人體建模的介紹，它的發(fā)展現(xiàn)況以及 它對服裝行業(yè)的影響，來闡述三維人體 建模。 關(guān)鍵詞：人體建模,發(fā)展，影響 目錄 一：人體（三維）建模定義和內(nèi)涵 1.1. 三維模型（定義） 12三維模型的構(gòu)成 13構(gòu)建三維模型的方法 14人體三維建模（定義） 二：人體建模發(fā)展現(xiàn)狀 2.1. “ 3D人體掃描儀介紹” 22主要人體三維掃描儀3D CaMega DCS系列（人體數(shù)字化系統(tǒng)） 三：對服裝產(chǎn)業(yè)的影響意義 3.1. 三維服裝仿真中的參數(shù)化人體建模技術(shù) 3

2、.2.3D試衣系統(tǒng)中個(gè)性化人體建模方法 33服裝CAD中三維人體建模方法綜述 四?文獻(xiàn)來源 一：人體（三維）建模定義和內(nèi)涵 1.1. 三維模型（定義） 是物體的多邊形表示，通常用計(jì)算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。 顯示的物體是可以是 現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。 1.2. 三維模型的構(gòu)成 (1) 網(wǎng)格網(wǎng)格是由物體的眾多點(diǎn)云組成的，通過點(diǎn)云形成三維模型網(wǎng)格。點(diǎn)云包括 三維坐標(biāo)、激光反射強(qiáng)度和顏色信息，最終繪制成網(wǎng)格。 這些網(wǎng)格通常由三角形、 四邊形或 者其它的簡單凸多邊形組成，這樣可以簡化渲染過程。但是，網(wǎng)格也可以包括帶有空洞

3、的普 通多邊形組成的物體。 (2) 紋理 紋理既包括通常意義上物體表面的紋理即使物體表面呈現(xiàn)凹凸不平的溝紋 同時(shí)也包括在物體的光滑表面上的彩色圖案， 也稱紋理貼圖，當(dāng)把紋理按照特定的方式映射 到物體表面上的時(shí)候能使物體看上去更真實(shí)。 紋理映射網(wǎng)格賦予圖象數(shù)據(jù)的技術(shù)； 通過對物 體的拍攝所得到的圖像加工后，再各個(gè)網(wǎng)格上的紋理映射，最終形成三維模型。 1.3. 構(gòu)建三維模型的方法 目前物體的建模方法， 大體上有三種：第一種方式利用三維軟件建模； 第二種方式通過 儀器設(shè)備測量建模；第三種方式利用圖像或者視頻來建模。 三維軟件建模 目前，在市場上可以看到許多優(yōu)秀建模軟件，比較知名的有

4、 3DMAX,Softlmage, Maya,UG以及AutoCAD等等。它們的共同特點(diǎn)是利用一些基本的幾何元 素，如立方體、球體等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算等來構(gòu)建 復(fù)雜的幾何場景。利用建模構(gòu)建三維模型主要包括幾何建模 (Geometric Model in g)、行為建 模(Kin ematicModel in g)、物理建模(Physical Model in g)、對象特性建模(Object Behavior) 以及模型切分(Model Segmentation)等。其中，幾何建模的創(chuàng)建與描述，是虛擬場景造型的 重點(diǎn)。 儀器設(shè)備建模 三維掃描儀(3 Dim

5、ensional Scanner) 又稱為三維數(shù)字化儀(3 Dime nsio nal Digitizer)。它是當(dāng)前使用的對實(shí)際物體三維建模的重要工具之一。它能快速 方便的將真實(shí)世界的立體彩色信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)， 為實(shí)物數(shù)字化提供 了有效的手段。它與傳統(tǒng)的平面掃描儀、攝像機(jī)、圖形采集卡相比有很大不同：首先，其掃 描對象不是平面圖案，而是立體的實(shí)物。 其次，通過掃描，可以獲得物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的 三維空間坐標(biāo)，彩色掃描還可以獲得每個(gè)采樣點(diǎn)的色彩。 某些掃描設(shè)備甚至可以獲得物體內(nèi) 部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。而攝像機(jī)只能拍攝物體的某一個(gè)側(cè)面，且會(huì)丟失大量的深度信息。 最后，它 輸出

6、的不是二維圖像，而是包含物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)和色彩的數(shù)字模型文 件。這可以直接用于CAD或三維動(dòng)畫。彩色掃描儀還可以輸出物體表面色彩紋理貼圖。 早期 用于三維測量的是坐標(biāo)測量機(jī) (CMM。它將一個(gè)探針裝在三自由度 (或更多自由度)的伺服裝 置上，驅(qū)動(dòng)探針沿三個(gè)方向移動(dòng)。當(dāng)探針接觸物體表面時(shí)，測量其在三個(gè)方向的移動(dòng)， 就可 知道物體表面這一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 控制探針在物體表面移動(dòng)和觸碰， 可以完成整個(gè)表面的三 維測量。其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高；其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，物體形狀復(fù)雜時(shí)的控制復(fù)雜，速度慢， 無色彩信息。人們借助雷達(dá)原理，發(fā)展了用激光或超聲波等媒介代替探針進(jìn)行深度測量。 測 距

7、器向被測物體表面發(fā)出信號(hào)， 依據(jù)信號(hào)的反射時(shí)間或相位變化， 可以推算物體表面的空間 位置，稱為“飛點(diǎn)法”或“圖像雷達(dá)”。 根據(jù)圖像或視頻建?；趫D像的建模和繪制（Image-Based Modeli ng andRendering,IBMR）是當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界一個(gè)極其活躍的研究領(lǐng)域。 同傳統(tǒng)的基于幾何的 建模和繪制相比，IBMR技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?；趫D像的建模和繪制技術(shù)給我們提供 了獲得照片真實(shí)感的一種最自然的方式，采用 IBMR技術(shù)，建模變得更快、更方便，可以獲 得很高的繪制速度和高度的真實(shí)感。 IBMR的最新研究進(jìn)展已經(jīng)取得了許多豐碩的成果，并 有可能從根本上改變我們對

8、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí)和理念。 由于圖像本身包含著豐富的場景信 息，自然容易從圖像獲得照片般逼真的場景模型。 基于圖像的建模的主要目的是由二維圖像 恢復(fù)景物的三維幾何結(jié)構(gòu)。由二維圖像恢復(fù)景物的三維形體原先屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī) 視覺方面的內(nèi)容。由于它的廣闊應(yīng)用前景，如今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺方面的研究人員 都對這一領(lǐng)域充滿興趣。與傳統(tǒng)的利用建模軟件或者三維掃描儀得到立體模型的方法相比， 基于圖像建模的方法成本低廉，真實(shí)感強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。 4.人體三維建模（定義） 涉及一種基于圖像的人體三維建模方法。 它針對現(xiàn)有人體三維模型代表皮膚變形的參數(shù) 過多的不足和缺點(diǎn)，

9、提出了一種新的旋轉(zhuǎn)圓錐曲面建立人肢體三維模型的方法， 在技術(shù)方案 中首先使用雙目立體視覺系統(tǒng)拍攝人體擺姿勢的圖像序列， 并從雙目圖像序列中提取、 匹配 標(biāo)記點(diǎn)或圖像輪廓，根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)和圖像輪廓以及體積不變的約束條件， 估計(jì)人體三維變形和 運(yùn)動(dòng)參數(shù),最后使用圓球體和旋轉(zhuǎn)圓錐曲面繪制人體模型。 本項(xiàng)發(fā)明在醫(yī)學(xué)圖像、生物醫(yī)學(xué)、 手勢識(shí)別、視頻會(huì)議、視頻游戲、自動(dòng)新聞播放、電影制作、材料變形、圖像壓縮等方面都 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 1:人體建模發(fā)展現(xiàn)狀 2.1.“ 3D人體掃描儀介紹” （一種新型科學(xué)儀器， 用來偵測和分析人類個(gè)體的形狀與外觀數(shù)據(jù)。） （1）主要特點(diǎn) 掃描速度快3秒極速掃描

10、，三維數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配融合，一分鐘后可看到拍攝成果。 系統(tǒng)精度高多傳感標(biāo)定精度能夠達(dá)萬分之一， 3D彩色打印600萬色、精度0.1mm 真實(shí)感紋理融合 獲取高分辨率彩色紋理， 紋理融合，獲得真實(shí)感模型，與真人相似真實(shí)度達(dá) 95鳩上。 智能化操作人體三維數(shù)字化實(shí)現(xiàn)一鍵操作，多套傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互 （2）原理 人只要站在3D人體掃描儀的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤上緩緩旋轉(zhuǎn)幾分鐘后，就可以在電腦上建立出三維 的數(shù)據(jù)模型，再使用連接好的 3D打印機(jī)便可以打印出來，人工上色后連臉上的痘痘等細(xì)節(jié) 都能反映出來。= 應(yīng)用領(lǐng)域包含 服裝設(shè)計(jì)、虛擬試衣、個(gè)性化量身定做。 2.2. 主要人體三維掃描儀 3D CaMe

11、ga DCS系 列（人體數(shù)字化系統(tǒng)） 3D CaMega DCS^列人體全身（半身）掃描系統(tǒng)是國內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人體三維 數(shù)字化測量系統(tǒng)。 3D CaMega DCS^列人體全身（半身）掃描系統(tǒng)充分利用光學(xué)三維掃描的快速以及白光對 人體無害的優(yōu)點(diǎn)，在 3—5秒內(nèi)對人體全身或半身進(jìn)行多角度多方位的瞬間掃描。人體全身 （半身）掃描系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)對多臺(tái)光學(xué)三維掃描儀進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制快速掃描， 再通過計(jì)算機(jī)軟 件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，獲得精確完整的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 人體全身（半身）掃描系統(tǒng)獲取的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了完整人體各個(gè)部位的準(zhǔn)確的三維 信息（整體精確達(dá)到 0.5mm）?；谌梭w點(diǎn)云數(shù)據(jù)即點(diǎn)云

12、數(shù)據(jù)模型可生成完整的人體網(wǎng)格模 型即面片模型；基于人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過人體參數(shù)化數(shù)字處理軟件可獲得不同部位的準(zhǔn)確人 體參數(shù)尺寸。 人體三維掃描系統(tǒng)也稱三維人體測量系統(tǒng)，人體數(shù)字化系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于服裝，動(dòng)畫， 人機(jī)工程以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。是發(fā)展人體（人臉）模式識(shí)別，特種服裝設(shè)計(jì)（如航空航天服， 潛水服），人體特殊裝備（人體假肢，個(gè)性化武器裝備），以及開展人機(jī)工程研究的理想工 具。 2.2.1主要特點(diǎn) 1 、安全可靠 采用普通白光光源（非激光），對人體和人眼沒有任何傷害， 可睜眼測量； 2 、瞬間測量 單次測量時(shí)間0.4 — 0.1秒，多機(jī)測量時(shí)間3.0 — 5.0秒，快速掃描能有效 避免人體晃

13、動(dòng)造成的誤差； 3 、自動(dòng)拼接 多機(jī)系統(tǒng)從前后不同方向依次自動(dòng)快速完成人體三維數(shù)據(jù)的采集， 自動(dòng)拼 接完成不同方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的點(diǎn)云模型； 4 、真實(shí)色彩 系統(tǒng)不僅可以獲得人體表面精確的空間信息（ X、Y、Z）,而且同時(shí)獲得 每一個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的色彩信息 （R、G B），避免了利用貼圖的方式而產(chǎn)生的色彩和位置發(fā)生 錯(cuò)位的現(xiàn)象； 5 、多種格式輸出 ASC,OBJ,WRL,STL,TXT,IGS等，可以和 UG,PRO/E,CATIA,Geomagic,lmageware,MAYA 等軟件接口； 222應(yīng)用范圍 1 、建立人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)庫、軍隊(duì)制服型號(hào)分析； 2 、服裝設(shè)計(jì)、

14、虛擬試衣、個(gè)性化量身定做； 3 、美體塑身行業(yè)體型分析評價(jià)； 4、 三維影視動(dòng)畫真人建模； 5、 醫(yī)學(xué)工程、生理解剖； 6、 人機(jī)工效學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)； 7、 專業(yè)人群選材（運(yùn)動(dòng)員、特種部隊(duì)、藝術(shù)專業(yè) ）； 2.2.3應(yīng)用案例 案例1――寧波某紡織有限公司 該公司看準(zhǔn)人們對服裝大批量定制的市場， 推出服裝量身定制車， 通過我公司的數(shù)字化 三維人體測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了縫前段自動(dòng)化和縫制段自動(dòng)化的高科技信息轉(zhuǎn)換及自動(dòng)排版剪裁， 讓科技支撐時(shí)尚，促成傳統(tǒng)行業(yè)嫁接現(xiàn)代科技之上。 2011年3月27在北京國展的服裝展， 就是采用我們的設(shè)備來進(jìn)行展示。 案例2—— 2008年中國載人航天中心—

15、—神七宇航員的體型數(shù)據(jù)采集 三：對服裝產(chǎn)業(yè)的影響意義 3.1.三維服裝仿真中的參數(shù)化人體建模 技術(shù) 三維服裝仿真中，通常需要以不同體態(tài)特征的人體來展示穿著效果 ，例如服裝的立體感 以及合體性等。考慮到這一實(shí)際應(yīng)用 ，提出了一種參數(shù)化人體建模的新方法。特征參數(shù)的確 定依據(jù)人體測量學(xué)理論，模板和結(jié)果模型都表示為空間多邊形網(wǎng)格 ，底層幾何處理基于計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)軸變形技術(shù)，同時(shí)引入了徑向變形權(quán)重曲線來增加調(diào)整的靈活性。該方法具有操作 簡單,輸入直觀以及建模速度快的優(yōu)點(diǎn) ，能夠有效滿足三維服裝仿真環(huán)境對個(gè)性化人體模型 的需求。 傳統(tǒng)人體建模方法主要是利用三維造型軟件進(jìn)行手工交互式編輯 ，雖

16、然可以得到較為細(xì) 致的曲面或網(wǎng)格模型，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且一般都由專業(yè)技術(shù)人員來完成。 非接觸式三維測量技 術(shù)的出現(xiàn)使這一情況有所改善 ，直接對人體進(jìn)行掃描能夠采集到精確的表面信息 ，但該方法 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大?？焖賲?shù)化人體建模方法更側(cè)重于特定形態(tài)人體的生成而非重建。 在特 征參數(shù)選取方面，該方法結(jié)合了人體測量學(xué)相關(guān)理論 ，對人體模板的修改則基于圖形學(xué)軸變 形技術(shù)，所實(shí)現(xiàn)的建模系統(tǒng)操作簡單直觀，非常適合三維服裝仿真應(yīng)用（例如虛擬服裝展示系 統(tǒng)）對個(gè)性化人體模型的需求。 3.2.3D試衣系統(tǒng)中個(gè)性化人體建模方法 從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中用三角片重建人體曲面的方法 ?首先對人體的各部位采用基于曲率變化

17、的 方法采樣，提取和保存了人體的特征點(diǎn)、特征輪廓線 ，克服了三角片無語義的缺點(diǎn)，并且生成 人體骨架，為后期的動(dòng)態(tài)展示服裝打下了基礎(chǔ) ?然后采用輪廓同步前進(jìn)法繪制三角片 ，重建 3D人體模型.該建模方法數(shù)據(jù)量小，能快速生成逼真的人體模型 ，滿足3D虛擬試衣的要求. 無論是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬試衣、3D服裝CAD還是電子化量身定制，首要的問題都是如何解 決在目前計(jì)算機(jī)軟、硬件條件下 ，快速、方便地生成與客戶人體體形相似的虛擬三維人體模 型人體的建模方法直接影響后期三維虛擬試衣實(shí)現(xiàn)的難易程度和表現(xiàn)效果 ?重建人體表面常 用的有多面體片、有理B樣條曲面和NURBS面.目前NURBSft面比較常見?但

18、NURBS曲面不 能很好地解決復(fù)雜曲面的拼接問題 [3,4];而且在后期虛擬試衣過程中采用 NURBS曲面很難 進(jìn)行碰撞檢測。 用于重建人體的數(shù)據(jù)來自于 3D人體點(diǎn)云，首先針對3D掃描儀獲得的人體數(shù)據(jù)點(diǎn)密集散 亂的問題，在參考前人算法的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的切片采樣稀疏法提出改進(jìn)措施 ，采用基于曲率 的雙向采樣方法.設(shè)計(jì)了合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，克服三角片只能表達(dá)坐標(biāo)信息 ，而不包含與人體模 型相關(guān)的語義信息的缺點(diǎn)，保存了人體的特征點(diǎn)、特征輪廓線 ，生成了人體骨架，為后期動(dòng)態(tài) 展示服裝打下了基礎(chǔ).最后，采用相鄰輪廓線同步前進(jìn)法連接三角片重建人體表面 3.3. 服裝CAD中三維人體建模方法綜述 三維人體

19、建模方法劃分為線框建模、實(shí)體建模、曲面建模、基于物理的建模等方法。 應(yīng)用于三維服裝 CAC中的人體建模方法：三維服裝CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括三 維人體測量、三維人臺(tái)造型、三維服裝造型、三維衣片設(shè)計(jì)和修改、三維衣片二維展開、衣 片結(jié)構(gòu)圖生成、排料等模塊。三維服裝設(shè)計(jì)是在人臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的 ，因此在測量獲得數(shù)據(jù) 后，就必須完成計(jì)算機(jī)人臺(tái)造型。因服裝設(shè)計(jì)的特殊性 ，對人體模型提出了更具體的要求 ， 比如既要考慮構(gòu)成人體的不同部位的組織特點(diǎn)及呼吸所需的基本度 ，還要考慮人體正常活 動(dòng)所需的運(yùn)動(dòng)度等，因此，服裝人體建模是一個(gè)復(fù)雜形體的幾何造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿 4種：多面體建模、基于特征 真的綜

20、合問題。當(dāng)前在服裝人體建模中主要使用的方法有以下 的服裝人體曲面建模、參數(shù)化的曲面建模和以網(wǎng)格邊界線為連續(xù)條件的三維人體建模。 查閱渠道 網(wǎng)絡(luò)搜索引擎: 文獻(xiàn)題目/刊物名稱 人體三維建模 作者 http://baike.baidu .com/li nk?url=M63S KK-UAJc7duVpk n8bKr 6LM9mKTEwrmutkzaYe b_dtR7BDoU9lpHJVRg Neb5RfQ6_iQkiMxT na 7Sixe90cLa 發(fā)表時(shí)間 3D人體掃描儀 http://baike.baidu .co m/link?url=Q9_M cGkljDkxP5jb

21、kfLOOJ fAd_J3cDC95vWpmDkW -GLgEaw28fGVeQUAPd PqxuJxpoopGKoZVfJ9 dmvCfOZC 三維模型 http://baike.baidu .com/li nk?url=ALXP qnU z7-DeABhb15M0Aa RMB0demSzAH-K6tkyG mkzQ7WtN-kGT64ZMT5 WbGzvP385Q276NiSiV u7ccDdW9Sq 人體三維掃描儀3D CaMega DCS http://baike.baidu .com/li nk?url=CZdx DtYsQHKeU17tODPvxS 7

22、BuA6xSS59OS4ZKXy6 GUgL1zCjYdzXDg--o4 2R7GjW1hORoQheR_s_ O4T3-Uvpj 中國知 網(wǎng) 三維服裝仿真中的參 數(shù)化人體建模技術(shù) 孫守遷，徐愛國 杭州） 2007年12月 四?文獻(xiàn)來源 http:// www .cnk 服裝CAD中個(gè)性化 王棟1 高成英2 2009 年第8 三維人體建模 高月芳1 梁云1 期 (1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信 息學(xué)院廣東 廣州 510642; 2.中山大學(xué)j 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 廣東廣州 510275) 服裝CAD中三維人體]： 谷林，張欣(西安 2006年5月 建模方法綜述 工程科技學(xué)院，陜西 西安 710048) 3D試衣系統(tǒng)中個(gè)性j 崔樹芹1,2 余勝生 2009年 10月 化人體建模方法 1胡新榮2(1華中 科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué) 與技術(shù)學(xué)院，湖北武 漢430074;2武漢科 技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與 技術(shù)學(xué)院，湖北武漢| 430074)]