人體三維模型

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1、二維人體建模 摘要：對當今廣為應(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，通常用計算機或者其它視頻設(shè)備進行顯示。 顯示的物體是可以是 現(xiàn)實世界的實體，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云組成的，通過點云形成三維模型網(wǎng)格。點云包括 三維坐標、激光反射強度和顏色信息，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 同時也包括在物體的光滑表面上的彩色圖案， 也稱紋理貼圖，當把紋理按照特定的方式映射 到物體表面上的時候能使物體看上去更真實。 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。 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)。它是當前使用的對實際物體三維建模的重要工具之一。它能快速 方便的將真實世界的立體彩色信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號， 為實物數(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、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，而是立體的實物。 其次，通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點的 三維空間坐標，彩色掃描還可以獲得每個采樣點的色彩。 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)。而攝像機只能拍攝物體的某一個側(cè)面，且會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采樣點的三維空間坐標和色彩的數(shù)字模型文 件。這可以直接用于CAD或三維動畫。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測量機 (CMM。它將一個探針裝在三自由度 (或更多自由度)的伺服裝 置上，驅(qū)動探針沿三個方向移動。當探針接觸物體表面時，測量其在三個方向的移動， 就可 知道物體表面這一點的三維坐標。 控制探針在物體表面移動和觸碰， 可以完成整個表面的三 維測量。其優(yōu)點是測量精度高；其缺點是價格昂貴，物體形狀復(fù)雜時的控制復(fù)雜，速度慢， 無色彩信息。人們借助雷達原理，發(fā)展了用激光或超聲波等媒介代替探針進行深度測量。 測 距

7、器向被測物體表面發(fā)出信號， 依據(jù)信號的反射時間或相位變化， 可以推算物體表面的空間 位置，稱為“飛點法”或“圖像雷達”。 根據(jù)圖像或視頻建模基于圖像的建模和繪制（Image-Based Modeli ng andRendering,IBMR）是當前計算機圖形學(xué)界一個極其活躍的研究領(lǐng)域。 同傳統(tǒng)的基于幾何的 建模和繪制相比，IBMR技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點?；趫D像的建模和繪制技術(shù)給我們提供 了獲得照片真實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感。 IBMR的最新研究進展已經(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、計算機圖形學(xué)的認識和理念。 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算機圖形學(xué)和計算機 視覺方面的內(nèi)容。由于它的廣闊應(yīng)用前景，如今計算機圖形學(xué)和計算機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，真實感強，自動化程度高，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，

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 標記點或圖像輪廓，根據(jù)標記點和圖像輪廓以及體積不變的約束條件， 估計人體三維變形和 運動參數(shù),最后使用圓球體和旋轉(zhuǎn)圓錐曲面繪制人體模型。 本項發(fā)明在醫(yī)學(xué)圖像、生物醫(yī)學(xué)、 手勢識別、視頻會議、視頻游戲、自動新聞播放、電影制作、材料變形、圖像壓縮等方面都 有實際應(yīng)用價值。 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體的形狀與外觀數(shù)據(jù)。） （1）主要特點 掃描速度快3秒極速掃描

10、，三維數(shù)據(jù)自動匹配融合，一分鐘后可看到拍攝成果。 系統(tǒng)精度高多傳感標定精度能夠達萬分之一， 3D彩色打印600萬色、精度0.1mm 真實感紋理融合 獲取高分辨率彩色紋理， 紋理融合，獲得真實感模型，與真人相似真實度達 95鳩上。 智能化操作人體三維數(shù)字化實現(xiàn)一鍵操作，多套傳感設(shè)備實現(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打印機便可以打印出來，人工上色后連臉上的痘痘等細節(jié) 都能反映出來。= 應(yīng)用領(lǐng)域包含 服裝設(shè)計、虛擬試衣、個性化量身定做。 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，在 3—5秒內(nèi)對人體全身或半身進行多角度多方位的瞬間掃描。人體全身 （半身）掃描系統(tǒng)通過計算機對多臺光學(xué)三維掃描儀進行聯(lián)動控制快速掃描， 再通過計算機軟 件實現(xiàn)自動拼接，獲得精確完整的人體點云數(shù)據(jù)。 人體全身（半身）掃描系統(tǒng)獲取的人體點云數(shù)據(jù)包含了完整人體各個部位的準確的三維 信息（整體精確達到 0.5mm）。基于人體點云數(shù)據(jù)即點云

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，動畫， 人機工程以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。是發(fā)展人體（人臉）模式識別，特種服裝設(shè)計（如航空航天服， 潛水服），人體特殊裝備（人體假肢，個性化武器裝備），以及開展人機工程研究的理想工 具。 2.2.1主要特點 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 單次測量時間0.4 — 0.1秒，多機測量時間3.0 — 5.0秒，快速掃描能有效 避免人體晃

13、動造成的誤差； 3 、自動拼接 多機系統(tǒng)從前后不同方向依次自動快速完成人體三維數(shù)據(jù)的采集， 自動拼 接完成不同方位的點云數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的點云模型； 4 、真實色彩 系統(tǒng)不僅可以獲得人體表面精確的空間信息（ X、Y、Z）,而且同時獲得 每一個像素點對應(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 、建立人體尺寸標準庫、軍隊制服型號分析； 2 、服裝設(shè)計、

14、虛擬試衣、個性化量身定做； 3 、美體塑身行業(yè)體型分析評價； 4、 三維影視動畫真人建模； 5、 醫(yī)學(xué)工程、生理解剖； 6、 人機工效學(xué)、工業(yè)設(shè)計； 7、 專業(yè)人群選材（運動員、特種部隊、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)實現(xiàn)了縫前段自動化和縫制段自動化的高科技信息轉(zhuǎn)換及自動排版剪裁， 讓科技支撐時尚，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?？紤]到這一實際應(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算 機圖形學(xué)軸變形技術(shù)，同時引入了徑向變形權(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 ，能夠有效滿足三維服裝仿真環(huán)境對個性化人體模型 的需求。 傳統(tǒng)人體建模方法主要是利用三維造型軟件進行手工交互式編輯 ，雖

16、然可以得到較為細 致的曲面或網(wǎng)格模型，但費時費力，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)）對個性化人體模型的需求。 3.2.3D試衣系統(tǒng)中個性化人體建模方法 從點云數(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、特征輪廓線 ，克服了三角片無語義的缺點，并且生成 人體骨架，為后期的動態(tài)展示服裝打下了基礎(chǔ) ?然后采用輪廓同步前進法繪制三角片 ，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 決在目前計算機軟、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 進行碰撞檢測。 用于重建人體的數(shù)據(jù)來自于 3D人體點云，首先針對3D掃描儀獲得的人體數(shù)據(jù)點密集散 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措施 ，采用基于曲率 的雙向采樣方法.設(shè)計了合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，克服三角片只能表達坐標信息 ，而不包含與人體模 型相關(guān)的語義信息的缺點，保存了人體的特征點、特征輪廓線 ，生成了人體骨架，為后期動態(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)計系統(tǒng)包括三 維人體測量、三維人臺造型、三維服裝造型、三維衣片設(shè)計和修改、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)計是在人臺的基礎(chǔ)上進行的 ，因此在測量獲得數(shù)據(jù) 后，就必須完成計算機人臺造型。因服裝設(shè)計的特殊性 ，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及呼吸所需的基本度 ，還要考慮人體正常活 動所需的運動度等，因此，服裝人體建模是一個復(fù)雜形體的幾何造型、參數(shù)化設(shè)計和運動仿 4種：多面體建模、基于特征 真的綜

20、合問題。當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?文獻來源 http:// www .cnk 服裝CAD中個性化 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 計算機應(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)計算機科學(xué) 與技術(shù)學(xué)院，湖北武 漢430074;2武漢科 技學(xué)院計算機科學(xué)與 技術(shù)學(xué)院，湖北武漢| 430074)]