服裝三維虛擬展示的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

蔣高明， 劉海桑

(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

服裝三維虛擬展示技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)方法模擬在動(dòng)態(tài)人體上逼真的三維服裝效果技術(shù)[1]。服裝三維虛擬展示融合了多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)建模與仿真、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等[2]。在計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)中，基于標(biāo)準(zhǔn)人體模型，根據(jù)實(shí)際人體尺寸對(duì)人體模型進(jìn)行重構(gòu)；將現(xiàn)有服裝儲(chǔ)存于系統(tǒng)中，利用人工智能技術(shù)建立服裝與人體模型之間的空間關(guān)系，將服裝穿著于人體模型上，并隨人體模型的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)服裝虛擬展示。

服裝三維虛擬展示是為了模擬人體在不同姿勢(shì)下的服裝形態(tài)和變形情況，改變傳統(tǒng)真人試衣方式，可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行服裝立體展示。服裝三維虛擬展示在服裝CAD軟件中的應(yīng)用，使柔性化織物仿真更加真實(shí)，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)可視化服裝開(kāi)發(fā)；該技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)領(lǐng)域，使虛擬人物的衣著貼近現(xiàn)實(shí)；應(yīng)用于服裝電子商務(wù)領(lǐng)域，幫助消費(fèi)者快速判斷合適的服裝并進(jìn)行搭配，減少售后服務(wù)流程?？傊b三維虛擬展示能夠提高服裝和織物在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、展示、銷售等各流程的效率，對(duì)服裝產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)作用[3-5]。

1 服裝三維虛擬展示研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

服裝精確的模擬技術(shù)，首次于1990年由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)MIRALAB實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)，結(jié)合虛擬織物和人體建模、動(dòng)態(tài)展示等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬穿衣功能[6]。隨后，他們開(kāi)發(fā)了多個(gè)典型的虛擬試衣系統(tǒng)，如Virtual Try On[7]和Fit-me.com[8]，以及基于人體模型構(gòu)建服裝的MIRACloth系統(tǒng)，能夠通過(guò)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穿著效果展示。

加拿大研究人員開(kāi)發(fā)了My Virtual Model(MVM)在線試衣系統(tǒng)，可根據(jù)用戶身體尺寸數(shù)據(jù)如身高、三圍等實(shí)現(xiàn)三維人體模型動(dòng)態(tài)重構(gòu)。與之相似，瑞典H&M服裝公司也推出了網(wǎng)上試衣間[9]。為了使所選服裝尺寸更加貼近消費(fèi)者實(shí)際尺寸，一些個(gè)性化定制尺碼推薦系統(tǒng)如The Right Size，F(xiàn)it me 等[10]也相繼問(wèn)世，根據(jù)消費(fèi)者尺寸進(jìn)行紙樣計(jì)算與尺寸推斷，并根據(jù)消費(fèi)者喜好等個(gè)人因素推薦合適的服裝。服裝的個(gè)性化定制，不僅給消費(fèi)者帶來(lái)視覺(jué)體驗(yàn)，還使服裝更加貼近實(shí)際，使得虛擬穿著效果更加逼真。英國(guó)倫敦大學(xué)Bidynertics[11]也是將體型尺寸數(shù)字化，通過(guò)系統(tǒng)判斷選擇的服裝是否與當(dāng)前體型匹配。除了能夠根據(jù)特定的尺寸進(jìn)行服裝定制，德國(guó)弗勞恩霍夫?qū)W會(huì)[12]通過(guò)三維掃描技術(shù)直接獲取人體體型特征生成三維人體模型，根據(jù)1∶1的人體尺寸推薦合適的服裝。

通過(guò)對(duì)人體尺寸的匹配，能夠使消費(fèi)者快速獲得尺寸對(duì)應(yīng)的服裝，并實(shí)現(xiàn)服裝的即時(shí)模擬與虛擬展示。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于服裝三維虛擬展示的研究起步較晚，但近年來(lái)逐漸得到廣泛應(yīng)用。最開(kāi)始的阿里淘寶、騰訊qq秀等，使用Flash展示服裝搭配，以二維圖片展示居多，真實(shí)感較低，無(wú)法全方位體現(xiàn)服裝的立體效果[13]。隨著全球最新3D科技、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、體感技術(shù)的引進(jìn)，2011年杭州森動(dòng)數(shù)碼科技發(fā)布了“3D互動(dòng)虛擬試衣間”[14]，減少了線下?lián)Q衣時(shí)間，提高了空間利用率，減少大量人力。江南大學(xué)為解決文物難以保存并提供展覽的問(wèn)題，將服裝三維虛擬展示與民間服飾融合，把民族服飾以逼真的形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)[15]。中國(guó)研究人員對(duì)于服裝三維虛擬展示一直在深入研究中，并不斷推進(jìn)國(guó)內(nèi)三維虛擬展示技術(shù)的發(fā)展。

2 服裝三維虛擬展示應(yīng)用技術(shù)

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的服裝動(dòng)態(tài)三維虛擬展示從三維人體重建、人體動(dòng)態(tài)變形、三維著裝模擬和服裝動(dòng)畫(huà)模擬4個(gè)方面展開(kāi)探討。

2.1 三維人體重建

目前針對(duì)三維人體重建的研究中，非參數(shù)化的掃描融合方法和參數(shù)化的模型匹配方法是最常見(jiàn)的(見(jiàn)圖1)。以Kinect Fusion[16]為例，利用Kinect 相機(jī)采集深度圖像和彩色圖像，并將其轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云位姿估計(jì)和融合，得到整體點(diǎn)云。Dynamic Fusion[17]在此基礎(chǔ)上加入非剛性變形估計(jì)，實(shí)現(xiàn)非剛性體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建。Body Fusion[18]方法在Dynamic Fusion的研究基礎(chǔ)上提出骨架嵌入式表面融合，增加了人體骨骼約束，利用圖形節(jié)點(diǎn)和骨架之間的附加信息實(shí)現(xiàn)形變 [見(jiàn)圖1(a)]。之后，他們提出Double Fusion[19]，構(gòu)建了雙層表面表示模型，外層利用相機(jī)獲取的深度信息進(jìn)行融合得到人體表面，內(nèi)層則根據(jù)人體外形和獲得的關(guān)節(jié)點(diǎn)信息推測(cè)人體骨架模型[見(jiàn)圖1(b)]。

圖1 非參數(shù)化的掃描融合法Fig.1 Nonparametric scanning fusion methods

參數(shù)化的模型匹配法是基于三維人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)展開(kāi)的。ANGUELOV D等[20]提出了SCAPE(shape completion and animation of people)人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)習(xí)人體姿勢(shì)參數(shù)的線性系數(shù)，通過(guò)主成分分析法從SCAPE人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)中學(xué)習(xí)得到身材空間中各個(gè)基的系數(shù)。CHEN Y P等[21]通過(guò)結(jié)合形狀建模和姿勢(shì)變形來(lái)解決由于姿態(tài)變形與人體形狀有關(guān)引起的不準(zhǔn)確性。CHENG K L等[22]提出自動(dòng)參數(shù)化人體重建，該方法利用回歸分析的方法，在掃描距離數(shù)據(jù)和一些帶注釋的訓(xùn)練數(shù)據(jù)之間找到對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，用戶的體形和姿勢(shì)將在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)構(gòu)建。

2.2 人體動(dòng)態(tài)變形

日常生活中人體復(fù)雜多變的姿勢(shì)動(dòng)作給虛擬仿真帶來(lái)了一定困難。計(jì)算機(jī)需要對(duì)模型進(jìn)行處理，構(gòu)造具有真實(shí)感的人體模型。目前主要有3種方法對(duì)人體模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬：專業(yè)軟件設(shè)計(jì)角色模型并驅(qū)動(dòng)、骨骼驅(qū)動(dòng)人體模型變形和基于統(tǒng)計(jì)樣本的人體變形[23]。

分為保守手術(shù)及根治手術(shù),前者可保存患側(cè)輸卵管,后者要切除患側(cè)輸卵管。手術(shù)治療適用于:1.生命體征不穩(wěn)或腹腔中有出血征象2.診斷不明確者。3.異位妊娠病情發(fā)展者(如血HCG>3000IU/L或持續(xù)升高、有胎心搏動(dòng)、附件區(qū)大包塊等)4.隨診不按時(shí)者5.藥物禁忌或無(wú)效者[1]。

目前常用設(shè)計(jì)角色模型的專業(yè)軟件有Maya和3Ds Max等，能夠設(shè)計(jì)構(gòu)造三維人體模型，建立三維人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)改變模型姿態(tài)，通過(guò)軟件的蒙皮功能建立骨骼與模型表面網(wǎng)格頂點(diǎn)的關(guān)系。MAYA人體動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程如圖2所示。但使用商用軟件制作人體動(dòng)畫(huà)造型，耗時(shí)長(zhǎng)，效率較低。

圖2 MAYA人體動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程Fig.2 Human animation production process by MAYA

與現(xiàn)有商用相似，BARAN I等[24]提出的骨骼直接驅(qū)動(dòng)法為熱傳導(dǎo)法，通過(guò)熱平衡方程計(jì)算骨骼對(duì)頂點(diǎn)的權(quán)重；基于樣本的骨骼驅(qū)動(dòng)法[25-27]是在已有的人體動(dòng)畫(huà)模型的姿態(tài)樣本基礎(chǔ)上計(jì)算骨骼的權(quán)重(見(jiàn)圖3[25])。以上方法使用線性關(guān)系對(duì)模型進(jìn)行蒙皮，只考慮單個(gè)頂點(diǎn)，而忽略曲面屬性。但人體表面以及骨骼之間的關(guān)系是非線性的，因此兩者并不是完全匹配的。

圖3 骨骼直接驅(qū)動(dòng)基于樣本法Fig.3 Direct driving of bone-based on sample method

隨著對(duì)大數(shù)據(jù)研究的廣泛開(kāi)展，基于統(tǒng)計(jì)樣本的人體變形方法的研究也在不斷深入。ALLEN B等[28]將人體掃描數(shù)據(jù)和分布可變形關(guān)節(jié)模板匹配，通過(guò)相似關(guān)節(jié)角的樣本模型插值得到新的模型(見(jiàn)圖4)。除此之外，類似的還有姿態(tài)空間變形方法[29]，該方法可對(duì)人體模型進(jìn)行任意變形，并且無(wú)需對(duì)人體不同部位單獨(dú)處理。從樣本得到模型則是利用徑向基函數(shù)進(jìn)行線性插值，實(shí)現(xiàn)人體骨骼位移和姿態(tài)形變[30]。

2.3 三維著裝模擬

三維著裝模擬主要是針對(duì)面料的模擬，可分為幾何模型、物理模型和混合模型3類[31]。

幾何模型主要利用數(shù)學(xué)函數(shù)和幾何變換的方法，只能簡(jiǎn)單模擬布料外觀，而忽略了布料本身屬性。在WEIL J[32]對(duì)幾何方法初步探索的基礎(chǔ)上，HINDS B K等[33-34]與NG H N等[35]利用純幾何方法對(duì)特殊情況下的布料變形進(jìn)行仿真。之后，HADAP S等[36]將幾何與紋理結(jié)合模擬布料的褶皺。幾何模型方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，效率高，但只能簡(jiǎn)單模擬布料外觀，而忽略了布料本身的屬性，如布料質(zhì)量、彈性等。

物理模型方法主要包括有限元法、彈性變形模型、粒子系統(tǒng)以及彈簧質(zhì)點(diǎn)模型等?；谟邢拊姆b模型如圖5所示。ASCOUGH J等[37]用有限元網(wǎng)格來(lái)表示織物，利用幾何剛度分析大位移，模擬出服裝被穿著時(shí)的虛擬動(dòng)態(tài)效果 [見(jiàn)圖5(a)]。ETZMUSS O[38]利用有限元法建立了具有黏彈性和高度撓性的曲面模型。該方法可將非線性彈性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面線性問(wèn)題，適用于柔性織物建模，對(duì)織物作出快速且精準(zhǔn)的變形模擬[見(jiàn)圖5(b)]。

圖5 基于有限元的服裝模型Fig.5 Garment models based on finite element method

彈性變形模型[39-40]考慮了布料的物理屬性，并將動(dòng)力學(xué)理論應(yīng)用到布料的離散粒子結(jié)構(gòu)和彈性模型中，構(gòu)建高度真實(shí)的布料仿真系統(tǒng)?；谟邢拊拿媪夏Ｐ腿鐖D6所示，在連續(xù)體力學(xué)模型基礎(chǔ)和Kirchhoff-Love薄殼理論基礎(chǔ)上，YUAN W R等[41]提出無(wú)網(wǎng)格模型參數(shù)化的織物仿真方法，利用共旋法解決織物較大的形變問(wèn)題[見(jiàn)圖6(a)]。但該方法計(jì)算量大，仿真效率低。JIANG C等[42]同樣利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立了物理模型，其方法是將布料當(dāng)作沙子等連續(xù)物質(zhì)，但是仿真細(xì)節(jié)多，計(jì)算量巨大，不適用于實(shí)時(shí)性與精度高的布料模擬[圖6(b)]。

圖6 基于有限元的面料模型Fig.6 Fabric models based on finite element method

2.4 服裝動(dòng)畫(huà)模擬

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人體-服裝動(dòng)畫(huà)模擬是實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線3D虛擬服裝動(dòng)畫(huà)展示的關(guān)鍵。此模擬需要考慮人體動(dòng)作序列預(yù)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)鍵幀的提取、前后幀對(duì)當(dāng)前幀的影響和服裝動(dòng)態(tài)變形等。HARVEY F G等[43]探討了用于半監(jiān)督序列分類和重建的遞歸編碼器多解碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以搜索和快速標(biāo)記新的序列，比較人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中特征點(diǎn)與地面真值(見(jiàn)圖7[43])。LI Y R等[44]設(shè)計(jì)了一種新的卷積層次模塊，將該模塊作為編碼器，構(gòu)建了一個(gè)自動(dòng)編碼器系統(tǒng)(見(jiàn)圖8[44])。該模型能夠有效地提取時(shí)間和空間信息，大大降低了模型的計(jì)算復(fù)雜度和規(guī)模。

以上方法雖然能夠有效地從運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵幀序列，但是具有較大重建誤差，計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。XU C X等[45]提出了一種新的關(guān)鍵幀提取算法和一種基于多重二項(xiàng)式擬合的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)重建方法(見(jiàn)圖9[45])，進(jìn)一步降低了運(yùn)動(dòng)序列重建的誤差，不足之處為關(guān)鍵幀壓縮率較大。

獲取人體運(yùn)動(dòng)序列并重建人體模型后，需要根據(jù)動(dòng)態(tài)人體將服裝模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)擬合。YAN Y F等[46]提出了一個(gè)虛擬試穿系統(tǒng)的框架，將服裝模型調(diào)整到身體的外部，并將骨骼嵌入身體內(nèi)部。身體網(wǎng)孔的任何變形都會(huì)導(dǎo)致衣服網(wǎng)孔的相應(yīng)變形，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)骨骼、身體網(wǎng)格和服裝網(wǎng)格，并創(chuàng)建穿著人體角色的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，如圖10所示[46]。BERTICHE H等[47]提出了一種基于無(wú)監(jiān)督深度學(xué)習(xí)的服裝動(dòng)畫(huà)方法(見(jiàn)圖11[47])，可自動(dòng)獲取姿態(tài)空間變形和服裝形變，具有更廣泛的適用性，但是沒(méi)有考慮到多層面料的碰撞檢測(cè)問(wèn)題。

圖7 人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中特征點(diǎn)與地面真值的比較Fig.7 Comparison of the true value between the feature points and the ground in the process of human movement

圖8 卷積層次自編碼器模型的架構(gòu)Fig.8 Architecture of convolutional hierarchical self encoder model

圖9 關(guān)鍵幀提取與運(yùn)動(dòng)重構(gòu)Fig.9 Key frame extraction and motion reconstruction

圖10 虛擬試衣動(dòng)畫(huà)Fig.10 Virtual animation for garment

圖11 基于無(wú)監(jiān)督深度學(xué)習(xí)的服裝動(dòng)畫(huà)原理與結(jié)果Fig.11 Principle and results of garment animation based on unsupervised deep learning

3 服裝三維虛擬展示發(fā)展趨勢(shì)

服裝三維虛擬展示綜合了大量應(yīng)用技術(shù)，其中存在的一些局限性，限制了服裝三維虛擬技術(shù)的超前發(fā)展。

由于織物是柔性體，服裝所展現(xiàn)的物理特性是動(dòng)態(tài)的，如懸垂性、服裝褶皺等，給模擬服裝實(shí)際穿著的動(dòng)態(tài)效果帶來(lái)了一定阻礙。這涉及柔性織物的力學(xué)測(cè)試、服裝三維建模、碰撞響應(yīng)等技術(shù)，且穿著厚度與服裝層次緊密相關(guān)，這些都給服裝三維虛擬仿真帶來(lái)困難。目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，對(duì)于面料性能的仿真也有不少的研究，但如何更為精確細(xì)致地表現(xiàn)服裝的褶皺、皺紋等非線性和大變形性特點(diǎn)，仍需進(jìn)行深入探索。

服裝三維虛擬展示中涉及人體動(dòng)畫(huà)模擬，因此需要對(duì)服裝以及人體動(dòng)畫(huà)模擬的計(jì)算量進(jìn)行簡(jiǎn)化。在三維虛擬展示過(guò)程中，不僅要考慮服裝與動(dòng)態(tài)人體模擬的真實(shí)性和精確性，還要考慮運(yùn)行設(shè)備的性能、仿真運(yùn)行時(shí)間和速度，確保服裝三維虛擬展示系統(tǒng)的精確度和效率之間達(dá)到平衡。

4 結(jié)語(yǔ)

服裝三維虛擬展示通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)服裝設(shè)計(jì)與展示給予技術(shù)輔助，改變了傳統(tǒng)線下試穿的展示模式。它是信息技術(shù)、紡織技術(shù)、服裝技術(shù)等多學(xué)科融合發(fā)展的產(chǎn)物。該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將對(duì)服裝的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、銷售等流程產(chǎn)生重要影響，促進(jìn)服裝行業(yè)快速發(fā)展。