基于三維視覺的服飾品虛擬設計方法研究

周露露，汪 娜

（長春理工大學光電信息學院，吉林長春 130114）

0 引 言

三維視覺技術(shù)也稱立體視覺技術(shù)，是計算機視覺領(lǐng)域中的一個重要的研究方向。該技術(shù)以計算機作為場景構(gòu)建的工具，采用多視角動態(tài)場景為待設計的物體提供一個呈現(xiàn)環(huán)境[1]。虛擬設計技術(shù)是一項綜合性較強的技術(shù)，以計算機仿真技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品設計的不同階段，模擬產(chǎn)品從設計、開發(fā)再到生產(chǎn)的全過程。在虛擬設計技術(shù)的支持下，使用者能夠使用不同的交互手段，在三維視覺技術(shù)營造的背景下修改待設計的產(chǎn)品，保證虛擬設計得到的虛擬原型能夠達到設計要求[2-3]。在虛擬空間內(nèi)設計一個平臺，以計算機作為操作媒介，可構(gòu)思服裝設計師想要獲得的服飾效果。在虛擬設計技術(shù)的支持下設計獲得的服飾品，能夠為設計師帶來沉浸感，并可通過各個元素的排列表達設計師的訴求。在服飾品虛擬設計方法的研究上，國外結(jié)合了一些專業(yè)設計軟件，將服飾品中突出的設計元素轉(zhuǎn)換為三維模擬特征，在計算機技術(shù)的輔助下，已經(jīng)和工廠端形成了一個完整的生產(chǎn)線[4]。國內(nèi)在服飾品虛擬設計上還處于起步階段，仍需不斷地研究。

基于此，本文提出一種基于三維視覺的服飾品虛擬設計方法。

1 基于三維視覺的服飾品虛擬設計方法研究

1.1 獲取服飾品三維視覺數(shù)據(jù)

本設計在獲取服飾品三維視覺數(shù)據(jù)時，采用貼圖烘焙技術(shù)獲取服飾品的像素點，并將像素點轉(zhuǎn)化為相鄰幾何體的遮擋關(guān)系[5-6]。在光線跟蹤法的參與下，服飾品的可視點發(fā)出若干條光線。服飾品的光線跟蹤過程如圖1 所示。

圖1 光線跟蹤過程

在圖1 所示的光線跟蹤過程下，假設服飾品p點處光線呈均勻分布，n表示服飾品的外部法向量，那么此時p點處的三維數(shù)據(jù)就可表示為：

式中：V表示服飾品的三維可見函數(shù)；ω表示服飾點p發(fā)出的方向向量。離散化處理上述數(shù)值，得到服飾點的顏色數(shù)據(jù)[7-8]，離散化處理可表示為：

式中，Ω表示服飾點所在的顏色空間，其余參數(shù)含義不變。在不同光照度的照射下，服飾品固定的顏色會表現(xiàn)出不同的著色效果[9-10]。根據(jù)蘭伯特光照模型，構(gòu)建服飾品p點的光照效應Ip，可表示為：

式中：IL表示服飾點的入射光強度；Il表示漫反射光強度參數(shù)；θ表示光線與法線的夾角。在上述處理過程得到的服飾品光照數(shù)據(jù)下，獲取不同身材人體的特征數(shù)據(jù)[11-12]，以人體的平均身材測量數(shù)據(jù)均值x以及標準差Sk作為處理對象，計算得到人體的測量尺寸，計算過程可表示為：

式中μ表示測量系數(shù)。將上述計算得到的測量尺寸作為標準測量，構(gòu)建一個比例縮放法滿足不同身材對服飾品的需求，比例縮放法就可表示為：

式中：dx表示身體尺寸；dy表示比例縮放值；E表示縮放比例集合。根據(jù)上述比例縮放得到的尺寸，構(gòu)建一個不同變量的尺寸換算過程，計算公式可表示為：

式中：r表示身體伸縮量的相關(guān)系數(shù)；SX表示變量X的標準差；SY表示變量Y的標準差。以上述獲得的三維視覺數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建服飾品虛擬模型。

1.2 構(gòu)建服飾品虛擬模型

采用多角度的FFD 算法，將上述獲得的三維視覺服飾數(shù)據(jù)處理為一個三維自由變形控制框架，框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三維自由變形控制框架

在圖2 的控制框架內(nèi)，以框架頂點Pi,Pj,Pk作為服飾品虛擬模型的控制點，頂點的數(shù)量關(guān)系可表示為：

式中，S，T，U均表示服飾品模型的變形量。以上述控制點構(gòu)建服飾點虛擬模型，然而設計師在設計過程中，難免會出現(xiàn)后期修改的情況[13]。假設后期修改過程是一個固定的參數(shù)坐標，此時在服飾品的三維變形下，更新后的虛擬服飾品模型就可表示為：

式中，S′，T′，U′表示三維變形后的虛擬模型位置。為了控制服飾品虛擬模型的修改時間，設定一個備選模型后，構(gòu)建一個變形操作流程，如圖3 所示。

在圖3 所示的變形操作流程控制下，設定服飾品的紋理展示過程，最終實現(xiàn)虛擬方法的設計。

1.3 完成虛擬設計

使用上述構(gòu)建的服飾品虛擬模型，以控制點出現(xiàn)重合的點作為服飾品的紋理特征，將該重復點作為隱節(jié)點，輸出過程就可表示為：

式中：wij表示隱節(jié)點的坐標；α表示隱節(jié)點的網(wǎng)絡權(quán)值；其余參數(shù)含義不變。將上述輸出的隱節(jié)點集合yi整合為一個功能塊數(shù)據(jù)庫，不同的字段對應不同的紋理特征，則服飾品在不同透明度的控制下，能夠呈現(xiàn)出不同的視覺效果[14]。以相同字段的紋理特征作為處理對象，計算該紋理特征的粒子透明度，計算公式可表示為：

式中：K表示粒子的透明度；ε表示淡入?yún)?shù)；t表示時間變化值。在時間參數(shù)的變化下，紋理特征的透明度變化如圖4 所示。

在圖4 所示的透明度變化下，結(jié)合不同服飾品的設計需求，選定不同的透明度數(shù)值。在透明度數(shù)值的控制下，構(gòu)建服飾品實際虛擬設計時紋理特征的繪制速度，可表示為：

圖4 紋理特征的透明度變化

式中A(fi)表示粒子的加速度。將計算得到的繪制速度作為虛擬幀移動速度，虛擬幀此時在三維空間中的位置就可表示為：

上述計算公式中各項參數(shù)含義保持不變。不斷整合虛擬幀在三維空間中的位置[15]，最終形成一個虛擬裝飾品。綜合上述處理過程，最終完成三維視覺的服飾品虛擬設計方法的研究。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

選定一個中等配置的計算機，搭建虛擬設計方法的實驗環(huán)境，計算機的配置參數(shù)如表1 所示。

表1 計算機的配置參數(shù)

在表1 各項參數(shù)控制下，采用可視化編程語言工具VB.NET 開發(fā)服飾品的虛擬環(huán)境，構(gòu)建的開發(fā)環(huán)境如圖5 所示。

在圖5 所示的開發(fā)環(huán)境下，以相同的設計服飾作為虛擬設計的對象，以二維呈現(xiàn)出的基準點和基準線為設計基準，設置的基準點及其基準線如圖6 所示。

圖5 虛擬設計的開發(fā)環(huán)境

圖6 設置的基準點及基準線

在圖6 所示的基準點及基準線上設置一定服飾數(shù)值后，分別采用傳統(tǒng)虛擬設計方法、文獻[11]方法以及本文方法進行實驗，對比三種虛擬設計方法的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實驗準備，在相同的實驗環(huán)境內(nèi)，分別使用三種虛擬方法標定服飾基準線及基準點上的數(shù)據(jù)，在虛擬線及虛擬點上設置5 個信息數(shù)值后，以該信息數(shù)值作為實驗對象，根據(jù)顯示得到的信息數(shù)值作為信息量結(jié)果，統(tǒng)計三種虛擬設計方法的實驗結(jié)果，如表2 所示。

由表2 可知，三種虛擬設計方法針對相同的服飾呈現(xiàn)出不同的信息量結(jié)果。標定相同數(shù)量的信息數(shù)據(jù)后，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)值可知，傳統(tǒng)虛擬設計方法能夠得到1～2 個服飾信息，文獻[11]方法能夠得到3～4 個服飾信息，而本文方法能夠得到全部的服飾信息。

表2 服飾包含的信息量個

在上述實驗環(huán)境下，以設定的基準線數(shù)據(jù)作為實驗對象，修改基準線上的各項數(shù)據(jù)，統(tǒng)計三種虛擬設計方法下所需的修改時間，結(jié)果如表3 所示。

表3 基準線的修改時間s

由表3 所示的修改時間結(jié)果可知：以設定服飾的基準線作為修改對象，在三種虛擬設計方法中，傳統(tǒng)虛擬設計方法所需的修改時間最長，平均修改時間在2.8 s左右；文獻[11]方法產(chǎn)生的修改時間較短，平均修改時間在1.5 s 左右；而本文方法產(chǎn)生的平均修改時間在0.7 s左右。

保持上述實驗環(huán)境不變，以肩點、側(cè)頸點、頸椎點、乳凸點、腹凸點以及臀后凸點作為檢測點，以實際服飾模特的尺寸作為標準量，統(tǒng)計三種虛擬設計方法下，各個檢測點產(chǎn)生的尺寸誤差，誤差結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知：三種虛擬設計方法表現(xiàn)出了不同的誤差結(jié)果，傳統(tǒng)虛擬設計方法得到的服飾虛擬設計結(jié)果要大于標準尺寸0.15 mm 左右；文獻[11]方法產(chǎn)生的誤差小于標準尺寸0.1 mm 左右；而本文方法產(chǎn)生的誤差數(shù)值在合理的控制范圍內(nèi)，符合服飾設計的實際標準。綜合上述實驗結(jié)果可知，本文方法能夠包含的信息量最多，實際的誤差尺寸最小，修改設定服飾基準線所需的時間最短。

圖7 三種虛擬設計方法尺寸誤差結(jié)果

3 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展為服飾品虛擬設計帶來了全新的創(chuàng)作方式。文中以三維視覺為基礎(chǔ)，設計一種服飾品虛擬設計方法，能夠改善現(xiàn)有虛擬設計方法修改信息時間過長、尺寸誤差較大的不足，為今后虛擬設計服飾品提供研究方向。