本發(fā)明涉及一種將通過掃描儀獲得的真實(shí)服裝的三維掃描模型穿著在不同人體表面的方法，用于試衣或者三維著裝效果展示。
背景技術(shù)：
真實(shí)服裝通過三維掃描后，可獲得高逼真度的三維服裝模型。但是，該模型只是一個(gè)純粹的幾何模型，缺乏變形能力，無法穿著在不同人體表面，從而達(dá)到虛擬試衣的目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是：將一件三維掃描服裝穿著在不同的人體表面，同時(shí)依然保持三維掃描服裝固有的懸垂風(fēng)格和款式特征。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種三維掃描服裝重構(gòu)與重用方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1、掃描服裝表面網(wǎng)格的拓?fù)渲嘏?，獲得三維掃描服裝，三維掃描服裝采用三角形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
步驟2、將三維掃描服裝通過裁片分割，構(gòu)造縫合關(guān)系，裁片分割遵循以下原則：
原則一、對于無袖上衣，將三維掃描服裝模型切割為前后兩片；
原則二、對于有袖上衣，將三維掃描服裝模型的衣身部分按照真實(shí)服裝的縫合關(guān)系切割為前后兩片，同時(shí)將三維掃描服裝模型的袖子部分切割為前后兩片；
原則三、對于褲裝，分為前后左右四片；
原則四、對于無袖裙裝按照原則一實(shí)施切割，對于有袖裙裝按照原則二實(shí)施切割；
步驟3、根據(jù)試衣模特的姿態(tài)和體型，通過手工以旋轉(zhuǎn)和/或平移裁片的方式，將步驟2得到的三維掃描服裝的各個(gè)裁片在試衣模特表面進(jìn)行排放；
步驟4、建立三維掃描服裝物理仿真模型：
采用結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的力學(xué)模型，求解三維掃描服裝的各三角形單元的面內(nèi)變形，并采用基于兩面彎曲角表征的彎曲力計(jì)算方法，對于求解過程中的未知參數(shù)，采用最小化目標(biāo)函數(shù)的方法求解，從而建立一個(gè)與真實(shí)服裝面料在力學(xué)行為上高度接近的織物模型，作為三維掃描服裝物理仿真模型，包括以下步驟：
步驟4.1、面內(nèi)受力模型
采用三維掃描服裝的三角形單元作為基本的受力單元，其面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別包括經(jīng)緯方向以及剪切方向，沿著經(jīng)、緯方向建立正交歸一的參數(shù)化坐標(biāo)系，其基準(zhǔn)矢量在三維世界坐標(biāo)系中以u(píng)和v表示，每個(gè)三角形單元由頂點(diǎn)的二維參數(shù)坐標(biāo)(ua，va)、(ub，wb)、(uc，vc)來描述，變形單元的當(dāng)前位置由頂點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)pa、pb、pc定義，其動(dòng)態(tài)情況下的速度坐標(biāo)為p′a、p′b、p′c，將參數(shù)坐標(biāo)的基準(zhǔn)矢量(1，0)和(0，1)看作是與平移無關(guān)的三個(gè)頂點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo)的權(quán)重之和，計(jì)算得到三個(gè)頂點(diǎn)所對應(yīng)的權(quán)重值wui及wvi，i∈(a，b，c)，(a，b，c)為三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)編號(hào)，在仿真過程中，變形后的三維矢量u和v用當(dāng)前頂點(diǎn)位置pi與權(quán)重的乘積之和計(jì)算如下：
格林-拉格朗日應(yīng)變張量g由uv表征如下：
式中，i為單位矩陣；
對任何三角形單元δpapbpc中的粒子j，其面內(nèi)受力fj由三角形單元相對于粒子位置pj的總彈性能w在經(jīng)向、緯向以及斜向分量進(jìn)行差分得到：
式中，at為三角形單元的面積，σuu為緯向應(yīng)力分量，σvv為經(jīng)向應(yīng)力分量，σuv為斜向應(yīng)力分量；
步驟4.2、面間受力模型
對于共享一條邊的兩個(gè)三角形，構(gòu)造其彎曲力f為產(chǎn)生純彎曲變形的兩面角的函數(shù)：
式中，ui表征折疊過程中的運(yùn)動(dòng)模式；n1、n2為基于面積權(quán)重的法向，n1＝(x1-x3)×(x1-x4)，n2＝(x2-x4)×(x2-x3)，x1、x2、x3、x4為構(gòu)成兩面角的兩個(gè)三角形的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；e＝x4-x3為兩個(gè)三角形的公共邊的矢量；fie為彈性分量，fid為粘性分量；ke為彈性系數(shù)；
為了保持固有變形形態(tài)，令彎曲兩面角的初始值θ0≠π，即有：
式中，θ0為來自于掃描成型時(shí)刻的相鄰三角形間的夾角，該值不為0則意味著形狀的保持
步驟5、三維掃描服裝的重用過程，包括：
步驟5.1、三維掃描服裝裁片的虛擬縫合仿真
參考步驟2得到的相應(yīng)縫合邊上的縫合關(guān)系，每一對待縫合的質(zhì)點(diǎn)間的縫合力fsew采用如下形式表達(dá)：
式中，csew為[0，1]之間的無量綱系數(shù)，用于調(diào)節(jié)縫合過程的快慢，xab為待縫合的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)a和b之間的距離矢量；
步驟5.2、三維掃描服裝的虛擬懸垂仿真
縫合完成的三維掃描服裝，還需在重力作用下自然懸垂在試衣模特表面，完成最終的試衣效果展示，在這個(gè)過程中，外力只有重力g和服裝與人體之間的摩擦力fc，分別為：
g＝mg，式中，m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，g為重力加速度；
fc＝-μn，式中，μ為服裝與人體表面的摩擦系數(shù)，n為作用在質(zhì)點(diǎn)上的法向力；
步驟5.3、仿真計(jì)算
在建立了步驟5.1及步驟5.2的各種力學(xué)模型之后，三維掃描服裝裁片首先經(jīng)過虛擬縫合成型，然后再通過懸垂計(jì)算獲得最終的三維懸垂形態(tài)，此時(shí)，虛擬服裝的運(yùn)動(dòng)方程表示為：
式中，m為服裝模型各頂點(diǎn)構(gòu)成的質(zhì)量矩陣，f(x，v)為合力矩陣，x為頂點(diǎn)位置矩陣，v為頂點(diǎn)速度矩陣；
定義x0＝x(t0)，v0＝v(t0)，δx＝x(t0+h)，δv＝v(t0+h)-v(t0)，x(t0)為t0時(shí)刻的位置，v(t0)為t0時(shí)刻的速度，h為時(shí)間步長，采用隱式積分表達(dá)，用共軛梯度法求解下面兩個(gè)方程：
δx＝h(v0+δv)；
其中涉及三角形δpapbpc中任意質(zhì)點(diǎn)i和質(zhì)點(diǎn)j的彈性雅可比矩陣具有如下形式：
式中，φ＝(uu，vv，uv)，m∈(uu，vv，uv)，n∈(uu，vv，uv)，σm為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)力分量(uv)的不同取值，εm為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)變分量(uv)不同取值，εn為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)變分量(uv)不同取值；
忽略彈性雅可比矩陣中應(yīng)變率對粒子位置的依賴性，從而將彈性和粘性項(xiàng)徹底地分解開來，該逼近方案在非常大的變形下也不會(huì)影響雅可比矩陣的精確性，對于粘性的雅可比矩陣采用同樣的做法，通過前述的參數(shù)坐標(biāo)系得到這兩者的雅可比矩陣求解方法：
優(yōu)選地，在所述步驟2中，對三維掃描服裝模型進(jìn)行裁片分割時(shí)，將分割線與三維掃描服裝模型的交點(diǎn)分別賦予被分割的兩個(gè)裁片，從而構(gòu)成對應(yīng)裁片的分割邊緣均具有相同數(shù)目和相同初始三維位置的縫合點(diǎn)。
優(yōu)選地，在所述步驟3中，排放遵循以下原則：
原則一、身體部位的裁片與試衣模特的軀干部位對齊，且以不產(chǎn)生穿透為宜；
原則二、四肢部位的裁片與試衣模特的四肢部位對齊，且以不產(chǎn)生穿透為宜。
優(yōu)選地，在所述步驟5.1中，當(dāng)待縫合的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離小于閾值0.01m的時(shí)候，人為地終止這兩點(diǎn)間的縫合計(jì)算，并將兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)位置賦予這兩個(gè)點(diǎn)，作為縫合結(jié)束的結(jié)果。
通過本發(fā)明可以將一件三維掃描服裝穿著在不同的人體表面，同時(shí)依然保持三維掃描服裝固有的懸垂風(fēng)格和款式特征。
附圖說明
圖1(a)為表征局部坐標(biāo)系的三角形單元；
圖1(b)為圖1(a)中的三角形單元在世界坐標(biāo)系中的變形；
圖2為彎曲兩面角為θ的兩相鄰三角形。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
本發(fā)明提供了一種三維掃描服裝重構(gòu)與重用方法，包括以下步驟：
步驟1、掃描服裝表面網(wǎng)格的拓?fù)渲嘏?，獲得三維掃描服裝，三維掃描服裝采用三角形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中所涉及的三維掃描服裝，均采用三角形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格密度在20000～30000之間，依據(jù)服裝類型及款式不同而不同。
為了便于將三維掃描服裝穿著在不同人體表面，首先將三維掃描服裝通過裁片分割，構(gòu)造縫合關(guān)系，然后再在目標(biāo)人體表面重新排放，通過虛擬縫合與懸垂計(jì)算，形成新的著裝形態(tài)，包括以下步驟：
步驟2、將三維掃描服裝通過裁片分割，構(gòu)造縫合關(guān)系，裁片分割遵循以下原則：
原則一、對于無袖上衣，將三維掃描服裝模型切割為前后兩片；
原則二、對于有袖上衣，將三維掃描服裝模型的衣身部分按照真實(shí)服裝的縫合關(guān)系切割為前后兩片，同時(shí)將三維掃描服裝模型的袖子部分切割為前后兩片；
原則三、對于褲裝，分為前后左右四片；
原則四、對于無袖裙裝按照原則一實(shí)施切割，對于有袖裙裝按照原則二實(shí)施切割；
對三維掃描服裝模型進(jìn)行裁片分割時(shí)，將分割線與三維掃描服裝模型的交點(diǎn)分別賦予被分割的兩個(gè)裁片，從而構(gòu)成對應(yīng)裁片的分割邊緣均具有相同數(shù)目和相同初始三維位置的縫合點(diǎn)。
步驟3、由于三維掃描服裝在掃描過程中所采取的姿態(tài)與試衣模特的姿態(tài)未必完全相同，因此，在對原始三維掃描服裝進(jìn)行了裁片分割之后，可根據(jù)試衣模特的姿態(tài)和體型，通過手工以旋轉(zhuǎn)和/或平移裁片的方式，將原始三維掃描服裝的各個(gè)裁片在試衣模特表面進(jìn)行排放，排放遵循以下原則：
原則一、身體部位的裁片與試衣模特的軀干部位對齊，且以不產(chǎn)生穿透為宜；
原則二、四肢部位的裁片與試衣模特的四肢部位對齊，且以不產(chǎn)生穿透為宜。
步驟4、建立三維掃描服裝物理仿真模型：
采用結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的力學(xué)模型，求解三維掃描服裝的各三角形單元的面內(nèi)變形，并采用基于兩面彎曲角表征的彎曲力計(jì)算方法，對于求解過程中的未知參數(shù)，采用最小化目標(biāo)函數(shù)的方法求解，從而建立一個(gè)與真實(shí)服裝面料在力學(xué)行為上高度接近的織物模型，作為三維掃描服裝物理仿真模型，包括以下步驟：
步驟4.1、面內(nèi)受力模型
采用圖1(a)及圖1(b)所示的三維掃描服裝的三角形單元作為基本的受力單元，其面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別包括經(jīng)緯方向以及剪切方向，沿著經(jīng)、緯方向建立正交歸一的參數(shù)化坐標(biāo)系，其基準(zhǔn)矢量在三維世界坐標(biāo)系中以u(píng)和v表示，每個(gè)三角形單元由頂點(diǎn)的二維參數(shù)坐標(biāo)(ua，va)、(ub，vb)、(uc，vc)來描述，變形單元的當(dāng)前位置由頂點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)pa、pb、pc定義，其動(dòng)態(tài)情況下的速度坐標(biāo)為p′a、p′b、p′c，將參數(shù)坐標(biāo)的基準(zhǔn)矢量(1，0)和(0，1)看作是與平移無關(guān)的三個(gè)頂點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo)的權(quán)重之和，計(jì)算得到三個(gè)頂點(diǎn)所對應(yīng)的權(quán)重值wui及wvi，i∈(a，b，c)，(a，b，c)為為三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)編號(hào)，在仿真過程中，變形后的三維矢量u和v用當(dāng)前頂點(diǎn)位置pi與權(quán)重的乘積之和計(jì)算如下：
格林-拉格朗日應(yīng)變張量g由uv表征如下：
式中，i為單位矩陣；
對任何三角形單元δpapbpc中的粒子j，其面內(nèi)受力fj由三角形單元相對于粒子位置pj的總彈性能w在經(jīng)向、緯向以及斜向分量進(jìn)行差分得到：
式中，at為為三角形單元的面積，σuu為緯向應(yīng)力分量，σvv為經(jīng)向應(yīng)力分量，σuv為斜向應(yīng)力分量；
步驟4.2、面間受力模型
對于共享一條邊的兩個(gè)三角形，構(gòu)造其彎曲力f為產(chǎn)生純彎曲變形的兩面角的函數(shù)：
式中，ui表征折疊過程中的運(yùn)動(dòng)模式；n1、n2為基于面積權(quán)重的法向，n1＝(x1-x3)×(x1-x4)，n2＝(x2-x4)×(x2-x3)，x1、x2、x3、x4為構(gòu)成兩面角的兩個(gè)三角形的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；e＝x4-x3為兩個(gè)三角形的公共邊的矢量；fie為彈性分量，fid為粘性分量；ke為彈性系數(shù)；
為了保持固有變形形態(tài)，令彎曲兩面角的初始值θ0≠π，即有：
式中，θ0為來自于掃描成型時(shí)刻的相鄰三角形間的夾角，該值不為0則意味著形狀的保持
步驟5、三維掃描服裝的重用過程
三維掃描服裝的重用過程是指將三維掃描服裝在不同于掃描時(shí)的試衣模特表面再次著裝，并形成新的著裝效果的過程，分為兩個(gè)步驟。
步驟5.1、三維掃描服裝裁片的虛擬縫合仿真
參考步驟2得到的相應(yīng)縫合邊上的縫合關(guān)系，每一對待縫合的質(zhì)點(diǎn)間的縫合力fsew采用如下形式表達(dá)：
當(dāng)待縫合的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離小于閾值0.01m的時(shí)候，人為地終止這兩點(diǎn)間的縫合計(jì)算，并將兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)位置賦予這兩個(gè)點(diǎn)，作為縫合結(jié)束的結(jié)果。
步驟5.2、三維掃描服裝的虛擬懸垂仿真
縫合完成的三維掃描服裝，還需在重力作用下自然懸垂在試衣模特表面，完成最終的試衣效果展示，在這個(gè)過程中，外力只有重力g和服裝與人體之間的摩擦力fc，分別為：
g＝mg，式中，m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，g為重力加速度；
fc＝-μn，式中，μ為服裝與人體表面的摩擦系數(shù)，n為作用在質(zhì)點(diǎn)上的法向力；
步驟5.3、仿真計(jì)算
在建立了步驟5.1及步驟5.2的各種力學(xué)模型之后，三維掃描服裝裁片首先經(jīng)過虛擬縫合成型，然后再通過懸垂計(jì)算獲得最終的三維懸垂形態(tài)，此時(shí)，虛擬服裝的運(yùn)動(dòng)方程表示為：
式中，m為服裝模型各頂點(diǎn)構(gòu)成的質(zhì)量矩陣，f(x，v)為合力矩陣，x為頂點(diǎn)位置矩陣，v為頂點(diǎn)速度矩陣；
定義x0＝x(t0)，v0＝v(t0)，δx＝x(t0+h)，δv＝v(t0+h)-v(t0)，x(t0)為為t0時(shí)刻的位置，v(t0)為t0時(shí)刻的速度，h為時(shí)間步長，采用隱式積分表達(dá)，用共軛梯度法求解下面兩個(gè)方程：
δx＝h(v0+δy)；
其中涉及三角形δpapbpc中任意質(zhì)點(diǎn)i和質(zhì)點(diǎn)j的彈性雅可比矩陣具有如下形式：
式中，φ＝(uu，vv，uv)，，m∈(uu，vv，uv)，n∈(uu，vv，uv)，σm為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)力分量(uv)的不同取值，εm為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)變分量(ur)不同取值，εn為緯向(uu)，經(jīng)向(vv)，以及斜向應(yīng)變分量(uv)不同取值；
忽略彈性雅可比矩陣中應(yīng)變率對粒子位置的依賴性，從而將彈性和粘性項(xiàng)徹底地分解開來，該逼近方案在非常大的變形下也不會(huì)影響雅可比矩陣的精確性，對于粘性的雅可比矩陣采用同樣的做法，通過前述的參數(shù)坐標(biāo)系得到這兩者的雅可比矩陣求解方法：
可以看到，用這樣的近似方法，彈性和粘性的雅可比貢獻(xiàn)是對稱的。對應(yīng)在數(shù)值求解過程中采用共軛梯度算法而言，這是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢。而且這兩個(gè)矩陣還擁有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，從而使得高效計(jì)算和稀疏存儲(chǔ)更為可行。