基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)

陳婷婷

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)林與服裝學(xué)院,安徽 安慶 246000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的迅速發(fā)展,虛擬試衣技術(shù)逐漸被人們所關(guān)注。 雖然基于體感的試衣技術(shù)已經(jīng)可以滿足用戶在不同動(dòng)作形態(tài)下模擬衣物的穿戴效果,但由于無法獲得衣物與人體之間最直觀的感受,從而導(dǎo)致應(yīng)用效果不理想。 對于虛擬試衣技術(shù),國外比較知名的是試衣網(wǎng)站My Virtual Model。 該網(wǎng)站對人體進(jìn)行測量確定碼數(shù),同時(shí)根據(jù)用戶喜好選擇合適的衣物,展示穿戴效果。 國內(nèi)虛擬試衣技術(shù)也取得了一定的成果。 文獻(xiàn)[1]利用服裝CAD 軟件對褶子的面料、紋樣、配飾進(jìn)行建模,得到2D 樣板圖,同時(shí)結(jié)合CLO3D 技術(shù)對模特的妝容進(jìn)行仿真,將模特與褶子進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)虛擬試衣。 文獻(xiàn)[2]對人體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維測量生成虛擬模特,將預(yù)先定制好的三維服裝樣板與模特相結(jié)合,經(jīng)過虛擬縫合,在考慮服裝變形、透視、壓力與接觸4 個(gè)因素后,完成虛擬模特的試衣體驗(yàn)。 但是,上述兩種方法對于衣服褶皺、彎曲以及衣服與人體之間的碰撞響應(yīng)均沒有進(jìn)行分析,無法給用戶提供最真實(shí)的試衣體驗(yàn)。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興技術(shù),可對衣物與人體之間的碰撞體動(dòng)作進(jìn)行分析計(jì)算,給用戶最真實(shí)的試衣感受,是改變用戶試衣體驗(yàn)的重要轉(zhuǎn)折。 因此,本研究在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,將衣物三維模型與二維人體影像進(jìn)行虛實(shí)融合,結(jié)合碰撞體動(dòng)作仿真,實(shí)現(xiàn)了衣服隨人體動(dòng)作變化而產(chǎn)生褶皺、彎曲等效果。 隨后展開系統(tǒng)性能測試,驗(yàn)證了所提系統(tǒng)的有效性。

1 三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。 系統(tǒng)由模型生成、場景設(shè)置和碰撞體動(dòng)作仿真三部分組成。 模型生成主要包括三維建模、模型融合和導(dǎo)入模型;場景設(shè)置指的是用戶在虛擬試衣時(shí)的場景導(dǎo)入和光照選擇[3];碰撞體動(dòng)作仿真則是通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),將衣物、場景和人體進(jìn)行融合,并將試衣結(jié)果展現(xiàn)在屏幕上。

圖1 三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of 3D virtual fitting simulation system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 骨骼綁定模塊

骨骼綁定模塊采用Kinect 體感互動(dòng)系統(tǒng)的骨骼追蹤技術(shù),對用戶的身體特征點(diǎn)進(jìn)行追蹤,如圖2 所示。 Kinect 可同時(shí)對32 處特征點(diǎn)進(jìn)行識別和追蹤,首先利用特有的紅外線對用戶特征點(diǎn)計(jì)算像素深度值[4],得到景深數(shù)據(jù),然后對每一處關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系,得到三維坐標(biāo)點(diǎn)。

圖2 Kinect 骨骼特征點(diǎn)追蹤圖Fig.2 Kinect bone feature point tracking diagram

為保證虛擬試衣系統(tǒng)中衣物可以隨用戶動(dòng)作改變而做出響應(yīng),在利用3DMAX 建模[5]過程中,將人體骨骼添加到每一件衣物中,經(jīng)過不斷的模型蒙皮和骨骼權(quán)重刷試來提高衣物的真實(shí)性,隨后將FBX 模型代入虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺Unity3D 中。 為保證衣物模型不顯示人體骨骼,在建模時(shí)不將骨骼送入管線中。 FBX模型代入U(xiǎn)nity3D 中之后,會(huì)自動(dòng)生成Avatar 系統(tǒng)[6],進(jìn)而生成與帶骨骼的衣物模型相互匹配的人體模型,如圖3 所示。 將人體模型中的關(guān)節(jié)特征點(diǎn)與Kinect 中的特征點(diǎn)一一對應(yīng),在Kinect SDK 的作用下,實(shí)現(xiàn)對人體模型中骨骼節(jié)點(diǎn)的追蹤。 再將衣物模型與人體模型綁定在一起,即可實(shí)現(xiàn)衣物隨人體動(dòng)作改變而做出相應(yīng)響應(yīng)。

圖3 Avatar 系統(tǒng)中的人體三維模型Fig.3 3D human body model in Avatar system

2.2 三維模型與二維影像虛實(shí)融合模塊

本研究設(shè)計(jì)的三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng)需要將虛擬的衣物三維模型與二維真實(shí)人體影像進(jìn)行虛實(shí)融合[7],達(dá)到衣物模型能精準(zhǔn)覆蓋用戶身體各個(gè)關(guān)節(jié)部位的目的。

在Unity3D 中,衣物模型的任何部位都有各自的三維坐標(biāo)[8]。 衣物三維模型與二維人體影像虛實(shí)融合的基本思想是通過改變衣物三維模型中的坐標(biāo),使其對應(yīng)于二維人體影像。 本研究利用一個(gè)長方體（Overlay Object） 來遮擋人體右手（Pos Joint） ,描述三維模型與二維影像虛實(shí)融合流程,如圖4 所示。

圖4 三維模型與二維影像虛實(shí)融合流程Fig.4 Virtual reality fusion process of 3D model and 2D image

2.3 衣服布料模擬模塊

衣服布料的模擬主要從布料“cloth”屬性設(shè)置和衣服交互屬性設(shè)置兩方面進(jìn)行。 布料“cloth”屬性設(shè)置可使虛擬試衣系統(tǒng)中衣服布料更具真實(shí)性,衣服的交互屬性設(shè)置可使衣服的懸垂和下擺更加自然。 同時(shí),衣服與人體發(fā)生碰撞后,可展現(xiàn)出正常的碰撞響應(yīng)和褶皺彎曲。

2.4 手勢識別模塊

手勢識別模塊共添加了5 種手勢狀態(tài):open、lasso、closed、unknown 和untracked。 手勢識別流程如下:先通過Kinect 獲取用戶的手部關(guān)節(jié)信息,之后讀取手部、肩膀和髖部的位置信息,判斷用戶手勢是否為命令手勢。 在虛擬試衣系統(tǒng)中添加手勢識別模塊,可以提高用戶的交互性和便捷性。

2.5 語音識別模塊

語音識別模塊最重要的就是grxml 語法文件。grxml 語法文件中的語法對象由單詞或者短語構(gòu)成,不包含“a”“the”等詞語。 語音識別模塊可分辨出不同顏色、不同種類的衣服,如果用戶想要一件紅色衣服,直接說“red”,虛擬試衣系統(tǒng)就會(huì)將所有紅色衣服展現(xiàn)在屏幕上。

2.6 光線模擬模塊

光線模擬模塊共設(shè)置了3 種光線模式:強(qiáng)光模式、正常光線模式及陰天模式。 用戶可以在選好服裝后,自由選擇不同的光線模式,觀察同一件衣服在不同光線下的視覺效果,這樣可為用戶提供更加真實(shí)的觀感。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的碰撞體動(dòng)作仿真算法

在虛擬試衣系統(tǒng)中,衣服布料承受的外力主要來自人體活動(dòng),這個(gè)力在三維模型中體現(xiàn)為布料的幾何約束質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),故需要考慮布料質(zhì)點(diǎn)與人體之間的碰撞響應(yīng)。

結(jié)合骨骼追蹤技術(shù),控制碰撞體模型來模擬人體動(dòng)作。 Kinect 的骨骼追蹤技術(shù)就是通過真實(shí)人體骨骼動(dòng)作來控制虛擬人體執(zhí)行相同的動(dòng)作。 虛擬人體模型由蒙皮和骨骼兩部分組成,蒙皮指的是虛擬人體模型網(wǎng)格[9],對網(wǎng)格中的頂點(diǎn)賦予不同的權(quán)值,即可將虛擬人體骨骼與真實(shí)人體骨骼進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 隨著真實(shí)人體骨骼位置的變化,可通過計(jì)算權(quán)值的方式對虛擬人體骨骼頂點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。 蒙皮從本質(zhì)上來說屬于形變模型,碰撞體模型則不同,只需要對模型的剛體部分進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和旋轉(zhuǎn),即可獲取骨骼位置信息,實(shí)現(xiàn)對碰撞體運(yùn)動(dòng)的控制。

人體關(guān)節(jié)部分通常被看作球形碰撞體,將球心坐標(biāo)定義為Oi,通過對應(yīng)關(guān)節(jié)骨骼的位置Jk進(jìn)行模擬:

由于球形碰撞體具有特殊的幾何性質(zhì),旋轉(zhuǎn)信息可通過單位矩陣[10]進(jìn)行描述:

式中:Ri為碰撞體模型的旋轉(zhuǎn)信息;I為單位矩陣。

對于圓柱體模擬的人體軀干和關(guān)節(jié),需要對圓柱體的重心移動(dòng)位置和旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。 圓柱體中的關(guān)節(jié)有著父子節(jié)點(diǎn)的關(guān)系,Kinect 通常采用四元數(shù)的方式記錄子節(jié)點(diǎn)相對于父節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)。 也可將這種旋轉(zhuǎn)方式看作角軸對稱,即將父節(jié)點(diǎn)作為基點(diǎn),以父子節(jié)點(diǎn)所在的骨骼為軸進(jìn)行肢體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)可看作該骨骼上的任意一點(diǎn),而重心只有一個(gè),就是骨骼的中點(diǎn)。 子節(jié)點(diǎn)以父節(jié)點(diǎn)為基點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),得到重心的旋轉(zhuǎn)信息。 圓柱體碰撞體的位置更新公式如下:

式中:PI、RI分別為圓柱體碰撞體更新前后的位置信息;、分別為子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn);為碰撞體模型旋轉(zhuǎn)信息。

通過上述計(jì)算,可實(shí)時(shí)更新任意一個(gè)碰撞體動(dòng)作的位置和旋轉(zhuǎn)信息,模擬真實(shí)的人體動(dòng)作,并與衣物模型完美融合,從而給用戶提供最真實(shí)的試衣體驗(yàn)。具體流程如圖5 所示。

圖5 碰撞體動(dòng)作仿真流程Fig.5 Collision body motion simulation process

3.2 三維模型制作軟件

三維模型制作是整個(gè)虛擬試衣系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),本研究選擇3DMAX 來完成。 在3DMAX 的操作視窗中,可以使用各種便捷工具完成衣物三維模型的建立。 該軟件最大的優(yōu)勢就是實(shí)現(xiàn)過程簡單,初學(xué)者也能很好地操作。 并且,采用3DMAX 建立的三維模型可以完美嵌入U(xiǎn)nity3D 中,進(jìn)行其他項(xiàng)的操作和編輯。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺

本研究選擇Unity3D 作為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺。Unity3D 可以幫助用戶在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出實(shí)時(shí)三維互動(dòng)內(nèi)容。 Unity3D 具有非常強(qiáng)大的兼容性,用戶用其他軟件制作的模型都可嵌入其中。 Unity3D 包含場景窗口、工程窗口、層次結(jié)構(gòu)窗口和游戲窗口。 場景窗口是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的窗口,用戶可在該窗口中進(jìn)行屬性設(shè)置、建模,軟件內(nèi)置的模型也可在該窗口中進(jìn)行編輯;工程窗口主要的作用是存儲(chǔ)用戶使用的資源;層次結(jié)構(gòu)窗口服務(wù)于場景窗口,用來存儲(chǔ)場景窗口中的物料,與工程窗口不同的是,該窗口可顯示在場景中,顯示的層次關(guān)系由窗口元素的父子關(guān)系決定;游戲窗口是顯示平臺,對于模型的整體效果、運(yùn)行流程都可進(jìn)行展示,對于本研究來說,該窗口主要顯示用戶的試衣效果。

4 系統(tǒng)性能測試

將3DMAX 建立的三維模型置入U(xiǎn)nity3D 中,用戶可以在Unity3D 中自由選擇場景與光線條件。 在用戶自定義的場景模式中進(jìn)行試衣體驗(yàn),可以排除其他外界因素的干擾。 為驗(yàn)證所提系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是否可以給用戶提供最真實(shí)的試衣體驗(yàn),需要對其進(jìn)行性能測試。 測試主要從服裝大小的調(diào)整和骨骼追蹤技術(shù)應(yīng)用效果兩方面進(jìn)行。

4.1 服裝大小的調(diào)整

由于用戶的身材不同,所以需要對服裝大小的調(diào)整功能進(jìn)行測試。 選取兩位身材相差較大的用戶進(jìn)行試衣,所提系統(tǒng)取得的測試結(jié)果如圖6 所示。 用戶A 的身高、體重分別為168 cm、50 kg,用戶B 的身高、體重分別為174 cm、64 kg。

圖6 所提系統(tǒng)服裝大小調(diào)整功能測試結(jié)果Fig.6 Test results of the clothing sizing function of the proposed system

對比圖6（a） 、（b） 可以看出,所提系統(tǒng)可根據(jù)用戶身材的不同,調(diào)節(jié)衣物三維模型中的服裝比例,展現(xiàn)出量體裁衣的試衣效果,為用戶提供更加真實(shí)的試衣體驗(yàn)。

4.2 骨骼追蹤技術(shù)應(yīng)用效果

為驗(yàn)證所提系統(tǒng)是否可以根據(jù)用戶肢體動(dòng)作變化展現(xiàn)出不同形態(tài),對骨骼追蹤技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行測試,結(jié)果如圖7 所示。

圖7 所提系統(tǒng)骨骼追蹤技術(shù)應(yīng)用效果Fig.7 Application effect of bone tracking technology of the proposed system

由圖7 可以看出,所提系統(tǒng)可以精準(zhǔn)檢測到人體肢體的變化和位置,根據(jù)用戶的動(dòng)作展現(xiàn)出不同的形態(tài),大大增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)感和真實(shí)感。

4.3 系統(tǒng)性能對比

為驗(yàn)證本方法的可行性,將本方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法以服裝接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,服裝接觸點(diǎn)越多,動(dòng)作跟蹤效果越好,對比結(jié)果如表1 所示。

表1 3 種方法服裝接觸點(diǎn)對比結(jié)果Tab.1 Comparison results of three methods for clothing contact points

從表1 中可以看出,本方法的服裝接觸點(diǎn)平均為12.6 個(gè),說明本方法可為用戶提供契合度高、速度快且精準(zhǔn)的試衣體驗(yàn)。 文獻(xiàn)[1]方法的服裝接觸點(diǎn)平均為10 個(gè),文獻(xiàn)[2]方法平均為9.6 個(gè),均低于本方法。 由此可知,本方法的動(dòng)作跟蹤效果更好,更具可行性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的實(shí)用性,分別以試衣契合度、試衣效率、面料變形率作為指標(biāo),采用本方法及文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行性能測試,對比結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種方法用戶試衣效果對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of user fitting effects of the three methods

從表2 中可以看出,與其他兩種方法相比,本方法的試衣契合度與試衣效率最高,面料變形率最低,更具實(shí)用性。

5 結(jié)語

本研究在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上,建立了三維虛擬試衣仿真模擬系統(tǒng),使衣服可隨人體肢體動(dòng)作改變做出不同的響應(yīng),增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)感和真實(shí)感。