專利名稱：一種虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新的三維服裝CAD系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以在三維虛擬環(huán)境中直接設計出三維貼體服裝衣片。
背景技術：
綜觀國內和國外的服裝CAD系統(tǒng)，其中絕大部分屬于平面服裝CAD系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都是根據服裝平面裁剪的原型計算公式來自動設計服裝衣片，然后再將衣片虛擬縫合到計算機人體模型，觀察它的懸垂效果，目前更進一步的工作著重于實現虛擬服裝的動態(tài)懸垂效果。平面服裝CAD簡單、靈活，具有一定的優(yōu)越性，但缺點是不夠直觀，要設計出合體美觀的衣片需要豐富的經驗。立體裁剪不是一門新學科或新技術，她有悠久的發(fā)展和應用歷史。在服裝文化的發(fā)展史中，東方服飾與西方服飾發(fā)展的最大差異性之一就是東方服飾的平面特征較強，而西方服飾的立體特征鮮明，因此我國的服裝裁剪技術以平面方法為主，西方的服裝裁剪技術以立體方法為主。這些年來，我國的服裝裁剪技術受到西方的很大影響，以適應日新月異的服裝款式變化。立體裁剪方法也就是在這么一個大環(huán)境下逐漸的走近我們的。本發(fā)明是利用虛擬現實技術提供的三維交互手段，在計算機生成的虛擬環(huán)境中生成具有一定適體度的三維衣片，然后將三維衣片展開成二維衣片，隨后將二維衣片輸出，在現實環(huán)境中用布料在人臺上進行驗證。
虛擬現實技術是一種最有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種模擬具有“臨境感”(immersive)和“交互性”(interactive)。虛擬現實技術也將使傳統(tǒng)CAD技術發(fā)生革命性的變化，目前虛擬現實技術在汽車設計、飛機設計、虛擬廚房設計等方面都有應用，并且國外已將虛擬現實技術應用在了服裝CAD上，較有成果的主要有兩家一是英國Nottingham Trent University在1996年推出的VirtuOsi項目，據報道該項目的目標是給設計者提供一組計算機工具使得設計者能在虛擬現實環(huán)境中生成和展示服裝，它包括生成精確的有關節(jié)連接的人體和測量工具、各種織物類型的表達、衣片裁剪工具的模擬以及能在其中演示的討論服裝的虛擬現實環(huán)境的生成；另外一家是法國力克(Lectra)公司在2000年推出的e-design、e-manufacturing、e-sales和LectraOnline項目[12-14]，其中e-design就是使設計者在虛擬環(huán)境中設計虛擬服裝(目前主要是服裝原型)、內衣、手提袋和沙發(fā)。上述兩家只見到其介紹性的文章，具體的實現方法和思路并未涉及。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，主要解決衣片平面設計不夠直觀的技術問題，有利于實現服裝的立體裁剪。
為解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現的一種虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，包括三維服裝CAD系統(tǒng)其特征是，具體步驟是①在虛擬環(huán)境中利用鼠標和三維空間交互球選取并控制人體模型上的點；③將上述選取的點作為三維衣片邊界上的點，結合相應的數據結構，賦給三維衣片輪廓線的點、邊、衣片結構；③利用插置的方法生成邊界內的點，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并將之演示出來。
該三維服裝CAD系統(tǒng)包括PC機、小型立體顯示觀察系統(tǒng)和三維空間交互球，其中小型立體顯示觀察系統(tǒng)包括高檔專業(yè)3D圖形加速器、紅外中央控制發(fā)射器、無線立體眼鏡，在該系統(tǒng)生成的的三維虛擬環(huán)境中，設計者引入美國TC2公司的三維人體測量系統(tǒng)的生成真實人體模型。
該插值方法是利用虛擬現實系統(tǒng)VR3800L提供的三維空間交互球(SPACEBALL)和鼠標，獲得距離虛擬人體表面一定距離的一些點I(1-14)，把它們作為三維虛擬衣片邊界上的一些點和中心點，三維空間中的點，具有坐標(xi，yi，zi，ki)，其中ki是點與人體的間距。對每一條邊，插值變量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y(tǒng)1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(tǒng)(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每條邊的兩個端點；(xc，yc，zc，kc)是中心點；對于插值得到的每一個點，尋找人體模型上與它距離最近的點，計算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的點，(xmi，ymi，zmi)是模型上的點；下一步，假設人體表面是連續(xù)的，即(x，y)臨近的點的z坐標相差很小，接著，用相應的距離最小的人體模型上的點的z坐標替換相應的插值點z坐標，再加上相應的間距k，就得到了三維衣片內的點，并且這是符合人體輪廓的具有一定空隙的衣片，這樣就得到衣內各點的(xi，yi，zi，ki)。
對Delaunay三角化生成的三角衣片，去掉了位于三維衣片凹邊外的部分。
本發(fā)明的創(chuàng)新點主要有一下幾方面(1)開發(fā)了一個三維衣片設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成1一套小型虛擬現實系統(tǒng)(小型立體現實觀察系統(tǒng)和三維空間交互球)，在該系統(tǒng)生成的三維虛擬環(huán)境中，設計者可以引入由美國(TC2)公司的三維人體測量系統(tǒng)的生成真實的人體模型，在此基礎上自由設計三維衣片，該系統(tǒng)提供了一些交互手段，使設計者可以象在真實三維環(huán)境中設計衣片一樣，提供了直觀的設計效果，該系統(tǒng)是用VC++6.0和OpenGL開發(fā)的。
(2)設計了一種新的插值方法，利用這種特定的方法，可以得到符合人體且具有一定空隙量的貼體三維衣片，具體方法請參照文中所述。
(3)對Delaunay三角化生成的三角衣片，進行了改進，去掉了位于三維衣片凹邊外的部分，從而得到了完全符合衣片設計輪廓的三維衣片。
本發(fā)明的優(yōu)點主要有以下幾方面(1)開發(fā)了一個三維衣片設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成1一套小型虛擬現實系統(tǒng)(小型立體現實觀察系統(tǒng)和三維空間交互球)，在該系統(tǒng)生成的三維虛擬環(huán)境中，設計者可以引入由美國(TC2)公司的三維人體測量系統(tǒng)的生成真實的人體模型，在此基礎上自由設計三維衣片，該系統(tǒng)提供了一些交互手段，使設計者可以象在真實三維環(huán)境中設計衣片一樣，提供了直觀的設計效果，該系統(tǒng)是用VC++6.0和OpenGL開發(fā)的。
(2)設計了一種新的插值方法，利用這種特定的方法，可以得到符合人體且具有一定空隙量的貼體三維衣片，具體方法請參照文中所述。
(3)對Delaunay三角化生成的三角衣片，進行了改進，去掉了位于三維衣片凹邊外的部分，從而得到了完全符合衣片設計輪廓的三維衣片。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖。
圖2是開發(fā)的三維衣片設計系統(tǒng)的界面。
圖3-11是利用本發(fā)明的三維衣片的形成步驟。
具體實施例方式本發(fā)明使用北京黎明公司提供的VR3800L系統(tǒng)，如圖1所示，它包括小型立體顯示觀察系統(tǒng)和三維空間交互球2。小型立體顯示觀察系統(tǒng)包括高檔專業(yè)3D圖形加速器(逐行立體加速顯示、VR專用)3、紅外中央控制發(fā)射器4、無線立體眼鏡5。利用三維空間交互球可以實現三維物體6自由度的空間交互，是一種真正的三維輸入設備，它能將微小的手指的壓力轉換成X、Y、Z方向的平移和旋轉量，同時實時的移動3D圖像，這樣它就對圖形模型進行了直觀的六個自由度的交互。
本發(fā)明中用到的人體模型是利用東華大學服裝學院從美國(TC2)公司引進的三維人體測量系統(tǒng)來生成。該系統(tǒng)的原理是利用前后四個攝像頭同時采集到四幅人體不同方位的圖像，然后利用莫爾條紋干涉的方法計算出人體模型的三維點陣數據，接著利用三維點陣數據進行三角曲面擬合，得到三維人體模型，最后進行尺寸提取操作，得到單位人體尺寸。
圖2是開發(fā)的三維衣片設計系統(tǒng)的界面。
本發(fā)明中用到的數據結構主要有四種，包括點結構、邊結構、三角形結構、三維衣片結構，如下所示以上四個結構是課題設計的衣片數據結構，利用鼠標和三維空間交互球選取并控制人體模型上的點，將之作為三維衣片邊界上的點，結合設計的相應的數據結構，得到三維衣片輪廓線的點、邊、衣片結構，接著利用插值的方法生成邊界內的點，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，得到完整的衣片。
在生成三維衣片之前，首先得生成衣片的輪廓線。在實際工作中，常用的擬合曲線有三次參數樣條曲線、Bezier曲線、B樣條曲線等；所謂的曲線擬合是指在曲線設計過程中，用插值或逼近的方法使生成的曲線達到某些要求，如在允許的范圍內貼近原始的型值點或控制點序列；如曲線看上去要“光滑”、“光順”等。Bezier曲線和B樣條曲線是以逼近為基礎的參數曲線，它們具有直觀和凸包性等優(yōu)點，但是它們一般不通過給定的特征多邊形，運用重節(jié)點的方法僅能使它們通過個別的點，因此它們主要用于自由型曲線的設計，雖然通過使用它們的反算擬合方法[16-18]，也可以使它們通過給定的型值點，但畢竟繞了一個大彎子；本發(fā)明中用的三次樣條插值曲線，直接運用了插值的方法使擬合曲線通過給定的型值點，并且滿足了曲線光滑的要求，可以很好的滿足需要。三維衣片輪廓線由直線和曲線組成，選取點并生成相應衣片結構是按照如下思路(1)若是邊由兩個點組成，則確定該邊是直線；(2)若是邊由多于兩個點組成，則確定該邊是曲線；對于直線，很顯然兩點確定一條直線；而對于曲線，系統(tǒng)中用的是三次樣條插值方法，通過它可以生成的上前衣片，邊界控制點有14個{1，2，3，……14}；邊共有7條，分別是，line1{1 2}，line2{2 3}，line3{3 4 5 6}，line4{6 7}，line5{7 8 9 10}，line6{10 11}，line7{1112 13 1}，中心點是14。
注系統(tǒng)中可任一旋轉和平移模型和衣片，本文中選了三個角度。
如圖4所示，是系統(tǒng)生成的前裙片，邊界控制點有9個{1，2，3，……，9}；邊共有5條，分別是，line1{1 2}，line2{2 3}，line3{3 4 5 6}，line4{6 7}，line5{7 8 9 1}，中心點是10。
在得到衣片的輪廓線后，再通過插值得到衣片內的點。B.K Hinds和J.McCartney在1990、1992發(fā)表的兩篇文章中介紹了一種利用數字化儀實現三維交互，生成具有一定適體度三維衣片的方法。其具體過程是將數字化儀映射到計算機中三維人體表面，數字化儀上的移動對應計算機中三維人體表面的移動，另外提供一定的自由度，來確定距人臺表面的偏移量(定義為人體法面到人體外某點的距離，即服裝的合體度offset)。生成三維衣片時，首先確定具有一定偏移量的衣片邊線上的各點，運用曲線擬合得到衣片的各邊曲線，然后運用插值方法得到衣片內各點的偏移量，進行曲面擬合就得到了符合人體形狀的三維衣片。
結合系統(tǒng)的特定情況，發(fā)展了一種新的插值方法，通過它能獲得符合人體表面具有一定間距的衣片內各點，從而根據這些點得到符合人體形狀的三維衣片，下面具體介紹一下這個算法利用虛擬現實系統(tǒng)VR3800L提供的三維空間交互球(SPACEBALL)和鼠標，獲得距離虛擬人體表面一定距離的一些點I(1-14)，把它們作為三維虛擬衣片邊界上的一些點和中心點，如圖5所示。該插值方法是利用虛擬現實系統(tǒng)VR3800L提供的三維空間交互球(SPACEBALL)和鼠標，獲得距離虛擬人體表面一定距離的一些點I(1-14)，把它們作為三維虛擬衣片邊界上的一些點和中心點，三維空間中的點，具有坐標(xi，yi，zi，ki)，其中ki是點與人體的間距。如圖5所示，對每一條邊，插值變量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y(tǒng)1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(tǒng)(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；
k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每條邊的兩個端點；(xc，yc，zc，kc)是中心點；對于插值得到的每一個點，尋找人體模型上與它距離最近的點，計算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的點，(xmi，ymi，zmi)是模型上的點；下一步，假設人體表面是連續(xù)的，即(x，y)臨近的點的z坐標相差很小，接著，用相應的距離最小的人體模型上的點的z坐標替換相應的插值點的z坐標，再加上相應的間距k，就得到了三維衣片內的點，并且這是符合人體輪廓的具有一定空隙的衣片，這樣就得到衣內各點的(xi，yi，zi，ki)，如下圖6所示。
在通過插值得到衣片內的點之后，將這些點Delaunay三角化，得到點之間的三角關系。Delaunay三角化是一種針對離散點三角化的方法，先介紹一下Voronoi圖一組幾何對象的Voronoi圖是將值域分成一系列區(qū)間，每個空間包含的點與某一個幾何對象的Voronoi圖是將值域分成一系列區(qū)間，每個空間包含的點與某一個幾何對象的距離小于其他的幾何對象，如圖7所示。給定一組平面點(1-10)，每個Voronoi多邊形內的點與各個多邊形包含的平面點的距離小于與其它平面點的距離；Delaunay三角化得到的三角形，并且這些三角形的外接圓內不包含給定的平面點，外接圓的圓心是Voronoi多邊形的頂點。
Delaunay三角化是對二維平面點的三角化，在系統(tǒng)中它是對三維插值點的(x，y)坐標進行插值化，相當于對平面點(x，y)進行三角化，得到它們的三角關系，即一系列的三角形，將這種三角關系應用到三維點上，就得到了三維三角面片；如圖8所示圖左邊是插值得到的衣片各點，圖中間是未經改進的Delaunay三角化，由圖所示Delaunay三角化默認對凸型區(qū)域進行三角化，由圖所示Delaunay三角化得到的衣片有一部分位于衣片輪廓線之外，這是因為Delaunay三角化默認對凸型區(qū)域進行三角化，因此對于衣片上凹邊，Delaunay三角化得到的三角形超出了邊界。為了得到完全符合衣片輪廓線的三角面，結合課題的實際情況，對Delaunay三角化得到的三角形做了一些改進處理，去掉了衣片輪廓外的三角形；具體的判斷條件是如果三角形的三個頂點都位于衣片輪廓線上，則將此三角形去掉，圖8右面是改進后得到的衣片三角面。
如圖9所示，是Delaunay三角化后得到的上前衣片；如圖10所示，是Delaunay三角化后得到的前裙片；如圖11所示，是Delaunay三角化后得到的后上衣片。
立體裁剪的優(yōu)勢在于能設計出對于平面裁剪來說比較困難的款式，比如加上褶、波浪、垂蕩等式樣，只是目前的系統(tǒng)功能還無法實現；至于懸垂，在設計系統(tǒng)時，也曾考慮過在衣片幾何模型的基礎上，生成衣片的粒子物理模型，從而得到懸垂的效果，這也是為什么用插值的方法得到衣片內的點，然后三角化生成衣片，通過同樣的插值思想，也可以達到衣片矩形點陣，從而可以加上粒子模型，，因此系統(tǒng)后期是可以加入懸垂功能的，只是目前受時間和精力的約束，這部分工作還未展開；至于款式的變化，完全可以通過邊界控制點來達到一定的要求，但該系統(tǒng)通過插值生成的是符合人體三維衣片，比較適合生成合體服裝，要生成寬松類的服裝，可能效果不大好，要換一種插值方法才能實現。
綜上所述，在虛擬環(huán)境中利用鼠標和三維空間交互球選取并控制人體模型上的點，將之作為三維衣片邊界上的點，結合相應的數據結構，得到三維衣片輪廓線的點、邊、衣片結構，接著利用特定的插值方法生成邊界內的點，然后使用經過改進的Delaunay三角化算法，得到了符合人體表面且具有一定空隙度的三維衣片，結果是令人鼓舞的。
權利要求
1.一種虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，具體步驟是①在虛擬環(huán)境中利用鼠標和三維空間交互球選取并控制人體模型上的點；②將上述選取的點作為三維衣片邊界上的點，結合相應的數據結構，賦給三維衣片輪廓線的點、邊、衣片結構；③利用插值的方法生成邊界內的點，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并將之演示出來。
2.根據權利要求1所述的虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，其特征是該三維服裝CAD系統(tǒng)包括PC機(1)、小型立體顯示觀察系統(tǒng)和三維空間交互球(2)，其中小型立體顯示觀察系統(tǒng)包括高檔專業(yè)3D圖形加速器(3)、紅外中央控制發(fā)射器(4)、無線立體眼鏡(5)，在該系統(tǒng)生成的的三維虛擬環(huán)境中，設計者引入美國TC2公司的三維人體測量系統(tǒng)的生成真實人體模型。
3.根據權利要求1或2所述的虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，其特征是是利用虛擬現實系統(tǒng)VR3800L提供的三維空間交互球(SPACEBALL)和鼠標，獲得距離虛擬人體表面一定距離的一些點I(1-14)，把它們作為三維虛擬衣片邊界上的一些點和中心點，三維空間中的點，具有坐標(xi，yi，zi，ki)，其中ki是點與人體的間距。對每一條邊，插值變量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y(tǒng)1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(tǒng)(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每條邊的兩個端點；(xc，yc，zc，kc)是中心點；對于插值得到的每一個點，尋找人體模型上與它距離最近的點，計算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的點，(xmi，ymi，zmi)是模型上的點；下一步，假設人體表面是連續(xù)的，即(x，y)臨近的點的z坐標相差很小，接著，用相應的距離最小的人體模型上的點的z坐標替換相應的插值點的z坐標，再加上相應的間距k，就得到了三維衣片內的點，并且這是符合人體輪廓的具有一定空隙的衣片，這樣就得到衣內各點的(xi，yi，zi，ki)。
4.根據權利要求1或2所述的虛擬環(huán)境中設計三維貼體衣片的方法，其特征是對Delaunay三角化生成的三角衣片，去掉了位于三維衣片凹邊外的部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新的三維服裝CAD系統(tǒng)，它包括三維服裝CAD系統(tǒng)其特征是，具體步驟是①在虛擬環(huán)境中利用鼠標和三維空間交互球選取并控制人體模型上的點；③將上述選取的點作為三維衣片邊界上的點，結合相應的數據結構，賦給三維衣片輪廓線的點、邊、衣片結構；③利用插置的方法生成邊界內的點，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并將之演示出來。利用該系統(tǒng)可以在三維虛擬環(huán)境中直接設計出三維貼體服裝衣片。
文檔編號G06F17/50GK1540555SQ20031010815
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權日2003年10月24日
發(fā)明者陸永良, 李汝勤, 馮毅力, 張瑞云, 紀峰 申請人:東華大學