一種基于款式描述符的三維服裝建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于款式描述符的三維服裝建模方法，尤其涉及三維服裝模型的 形狀分析與幾何處理方法，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助圖形設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直接從頭設(shè)計(jì)并快速創(chuàng)建出三維服裝模型并非易事，只能生成有限的三維服裝模 型。在傳統(tǒng)三維服裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，借助專業(yè)服裝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（如Lectra、Gerber、CL0 3D) 等建模工具將二維樣板生成三維服裝模型，但這些工具學(xué)習(xí)難度較高，建模復(fù)雜，要求用戶 具有專業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)。而在逆向工程領(lǐng)域，人們通常使用昂貴的專業(yè)三維掃描設(shè)備在理想的 實(shí)驗(yàn)室場景下獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)備和環(huán)境復(fù)雜性較高。近年來很多工作都致力于如何簡化 這一復(fù)雜的建模過程，例如Wang C. (〈Computer-Aided Design〉，35 (7)，2003, 659 ~672)， Meng Y. (〈Computer-Aided Design〉，44(8)，2012, 721~734)提出的基于人體特征的二維 樣板到三維服裝模型設(shè)計(jì)方法。然而，這些方法仍然需要用戶做大量的二維裁剪以及樣板 制作等工作。這樣從無到有的創(chuàng)建方式，使得基于這類方法生成的三維服裝模型的數(shù)量也 受到了局限。
[0003]目前由于三維服裝獲取技術(shù)的發(fā)展以及在互聯(lián)網(wǎng)三維模型庫、數(shù)字化服裝定制、 計(jì)算機(jī)娛樂角色動(dòng)畫，以及游戲電影制作等領(lǐng)域的需求牽引，對(duì)三維服裝模型的數(shù)量、處理 精度、建模效率、復(fù)雜度、款式變化等方面提出了更高的要求。在不同應(yīng)用領(lǐng)域，常常需要變 換不同風(fēng)格的服裝以滿足人物以及場景的需求。從建模的角度來看，迫切需要提出針對(duì)大 規(guī)模三維服裝的建模方法，以滿足用戶對(duì)衣服款式變化的需求。如何有效地分析、處理三維 服裝模型以及刻畫織物的真實(shí)感模擬效果，成為直接影響高質(zhì)量三維服裝真實(shí)感模型的關(guān) 鍵性問題?；跀?shù)據(jù)生成的角度而言，已有文獻(xiàn)利用現(xiàn)有模型快速生成有創(chuàng)意的大規(guī)模數(shù) 量的三維服裝模型。Brouet R. (〈ACM Transactions on Graphics〉，31(4)，2012, 36:1 ~ 11)提出的保持設(shè)計(jì)的服裝迀移方法就是一種可以基于不同體型下、同一款式設(shè)計(jì)的三 維服裝自動(dòng)生成的方法。充分結(jié)合放碼、縮碼等機(jī)制，盡可能保持二維的變形，可以快速 獲得不同體型下相同款式的具有真實(shí)感的三維服裝。Berthouzo (〈ACM Transactions on Graphics〉，32(4)，2012, 85:1~10)則是提出了生成大規(guī)模三維服裝模型的另一個(gè)有效 思路，利用計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域以及高層次語義理解的理論方法，用概率推理模型可以簡化之 前衣身二維樣板縫合線、輪廓線等復(fù)雜特征之間的關(guān)聯(lián)，自動(dòng)匹配相關(guān)二維衣片的省道、底 邊、褶皺線等，并進(jìn)行建?？焖佾@得三維服裝。然而這些研宄仍然涉及到存儲(chǔ)大量的頂點(diǎn)信 息，涉及放碼等二維樣板的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，建模效率不高等。
[0004] 與剛性物體、人造物體建模（〈ACMTransactions on Graphics〉，27(3)，2008, 42:1~8)等方法不同，保持服裝款式以及款式部件感知的重新組 合成為三維服裝建模的最大難點(diǎn)。此外，三維服裝作為一種非剛性模型，由于其款式復(fù)雜 多樣等特點(diǎn)，除了要計(jì)算柔性形變、對(duì)齊、部分對(duì)應(yīng)等問題，還要關(guān)注提升建模效率和準(zhǔn)確 率。目前三維服裝模型的幾何建模的研宄還比較少，而且所做的研宄主要是針對(duì)物理建模 方面，在三維幾何建模方面，由于涉及到的服裝是復(fù)雜的柔性模型，在面對(duì)幾何形狀和拓?fù)?結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三維服裝模型時(shí)，很難得到有意義的分析和處理結(jié)果。而形狀分析和處理 (〈EurographicsStateoftheArtReports〉，2013, 175 ~197)主要研宄三維幾何模型 的分析、描述、分類和解釋，即在人類知識(shí)的驅(qū)動(dòng)或輔助下對(duì)三維模型的結(jié)構(gòu)和語義進(jìn)行分 析。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在易用性強(qiáng)，智能化高，用戶參與程度低，能方便實(shí)現(xiàn)用戶的建模意圖。 正是在這樣的技術(shù)背景與應(yīng)用發(fā)展趨勢下，本發(fā)明將服裝的款式知識(shí)、形狀知識(shí)與高效的 編輯技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，利用已有的三維服裝模型作為輸入，提供了一種基于款式描述 符的三維服裝建模方法，快速構(gòu)建新的三維服裝。對(duì)滿足目前大規(guī)模三維服裝數(shù)量的需求 具有重要的研宄意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于款式描述符的三維服裝建模方法，以用于有效地分析、處 理、生成新的三維服裝模型，從而滿足目前大規(guī)模三維服裝模型數(shù)量的需求。
[0006] 本發(fā)明基于款式描述符的三維服裝建模方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：首先輸入三維服裝模 型集，通過形狀款式分析，將具有款式結(jié)構(gòu)一致的三維服裝部件分割出來，實(shí)現(xiàn)語義分割； 將分割后的三維服裝部件模型聚類為四大類，形成三維服裝部件庫；再以服裝部件模型的 面積和邊界周長比例作為主要的幾何形狀特征，定義度量服裝部件重新組合的款式描述 符；根據(jù)定義好的款式描述符，再根據(jù)目標(biāo)模型，對(duì)三維服裝部件模型聚類后的源模型進(jìn)行 全局優(yōu)化；最后通過自然拼接輸出新的三維服裝。
[0007] 所述基于款式描述符的三維服裝建模方法的具體步驟如下：
[0008]St印1、輸入三維服裝模型集合G，對(duì)三維服裝模型集合G進(jìn)行形狀款式分析，將具 有款式結(jié)構(gòu)一致的三維服裝部件分割出來，用于實(shí)現(xiàn)語義分割；
[0009] 其中，Gi是基于三角網(wǎng)格表示的三維服裝模型，G: ={GilGiGM，i=l，...，n};
[0010]St印2、通過高斯混合模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，按照服裝部件款式原型的分類，將分割 后的三維服裝部件模型聚類為四大類，包括上身服裝部件T、下身服裝部件B、袖子部件S和 配飾部件A，形成三維服裝部件庫；
[0011] Step3、在三維服裝部件模型聚類后的各類中，對(duì)每個(gè)部件模型m賦予一個(gè)用于描 述其款式特征的幾何屬性r(m)，幾何屬性r(m)是以服裝部件模型的面積和邊界周長比例 作為主要的幾何形狀特征；然后再定義三維服裝部件模型聚類后的源模型的款式描述符， 用來評(píng)價(jià)三維服裝快速建模過程中合成新模型的優(yōu)劣；并進(jìn)一步定義配搭關(guān)聯(lián)，縫合關(guān)聯(lián)， 以及融合關(guān)聯(lián)三種服裝部件的組合關(guān)系；
[0012] Step4、根據(jù)定義好的款式描述符，再根據(jù)目標(biāo)模型，對(duì)三維服裝部件模型聚類后 的源模型進(jìn)行全局優(yōu)化：
[0013] 首先通過基于ICP求解計(jì)算出最優(yōu)變換（R，t)，來實(shí)現(xiàn)三維服裝部件模型聚類后 的源模型的形狀優(yōu)化；
[0014] 其中，R是三維服裝部件模型聚類后的源模型的融合邊界區(qū)域大小，t是優(yōu)化的迭 代次數(shù)；
[0015] 再使形狀優(yōu)化后的源模型與目標(biāo)模型滿足最小二乘下的最佳匹配，來實(shí)現(xiàn)三維服 裝部件的位置優(yōu)化；
[0016]St印5、然后通過自適應(yīng)的服裝部件自然拼接方法來實(shí)現(xiàn)三維服裝部件模型聚類 后的源模型和目標(biāo)模型的自然拼接，使得服裝部件的網(wǎng)格融合效果更符合柔性服裝的特 征；
[0017]St印6、通過合理選擇部件間的成對(duì)分配，進(jìn)行合理相對(duì)變換后，實(shí)現(xiàn)新的服裝模 型合成，在此過程中，不破壞服裝模型的語義，然后再輸出新的三維服裝模型，即得到三維 服裝快速建模模型。
[0018] 所述步驟Stepl中，所述對(duì)三維服裝模型集合G進(jìn)行語義分割的具體步驟如下：
[0019]St印1. 1、對(duì)輸入三維服裝模型集合G進(jìn)行形狀分析，選取三維服裝模型集合G的 網(wǎng)格曲面的局部幾何信息描述算子特征、服裝部件結(jié)構(gòu)上下文特征作為特征向量，通過隨 機(jī)場CRF方法進(jìn)行語義標(biāo)注；
[0020]St印L2、再用懲罰條件似然函數(shù)定義在CRF模型下有標(biāo)注的三維服裝模型集合G 中的三維服裝網(wǎng)格模型集民、未標(biāo)注過的服裝網(wǎng)格模型集Eu為在CRF模型下的負(fù)熵條件形 式，通過求解最大化能量函數(shù)獲得基于CRF模型學(xué)習(xí)的分割；
[0021] Stepl. 3、通過修改JointBoost分類器來訓(xùn)練CRF模型：
[0022] 具體的首先使用基于馬爾可夫隨機(jī)場MRF下的置信傳播BP近似推理算法，再利用 JiontBoost方法訓(xùn)練這些輸入網(wǎng)格模型的分類器；
[0023]Stepl. 4、對(duì)CRF模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：
[0024] 通過窮舉查找的方式在參數(shù)空間對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，并從網(wǎng)格上最小的點(diǎn)開始，用 MATLAB的預(yù)條件共軛梯度的數(shù)值估計(jì)梯度方式實(shí)現(xiàn)繼續(xù)優(yōu)化。
[0025] 所述步驟Step2中，所述三維服裝部件模型聚類的具體步驟如下：
[0026] 在步驟St印1. 3的基礎(chǔ)上，根據(jù)三維服裝的幾何形狀分析，以語義分割后的不同 類別的服裝部件模型集作為輸入，基于高斯混合模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將分割后的服裝部件 按款式原型自動(dòng)聚類為四類：上身服裝部件T、下身服裝部件B、袖子部件S和配飾部件A， 形成三維服裝部件庫。
[0027] 所述步驟St印3中，所述定義三維服裝部件模型聚類后的源模型的款式描述符的 具體步驟如下：
[0028]St印3. 1、在三維服裝部件模型聚類后的各類中，對(duì)每個(gè)部件模型m賦予一個(gè)用于 描述其款式特征的幾何屬性r(m)，其中幾何屬性r(m)是以服裝部件模型的面積和邊界周 長比例作為主要的幾何形狀特征；
[0029]St印3. 2、以步驟St印2中的語義分割后的不同類別的服裝部件模型集作為輸入， 用服裝部件的面積和邊界周長比例作為連續(xù)款式描述符，對(duì)這些服裝部件形狀間的相似度 進(jìn)行度量，進(jìn)而度量服裝部件重新組合的合理性；
[0030]St印3. 3、通過服裝設(shè)計(jì)知識(shí)以及服裝部件之間的關(guān)聯(lián)概率，進(jìn)一步定義了配搭關(guān) 聯(lián)，縫合關(guān)聯(lián)，以及融合關(guān)聯(lián)三種服裝部件的組合關(guān)系。
[0031] 所述步驟Step5中，所述三維服裝部件自然拼接的具體步驟如下：
[0032] St印5. 1、根據(jù)Neumann邊界條件對(duì)目標(biāo)模型、三維服裝部件模型聚類后的源模型 求解拉普拉斯表面函數(shù)，通過調(diào)整源網(wǎng)格的內(nèi)點(diǎn)使得鄰接于融合邊界的三角形面片的切向 量_1^與nti-致；
[0033]其中，nsi是三維服裝部件模型聚類后的源模型三角形面片的切向量，nti是目標(biāo)部 件模型三角形面片的切向量；服裝部件自然拼接中的幾何變換是在高維空間中，且源網(wǎng)格 和目標(biāo)網(wǎng)格的融合邊界拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致并且空間位置相等；
[0034] St印5. 2、先計(jì)算目標(biāo)模型、三維服裝部件模型聚類后的源模型的邊界線上的垂直 切向量的平均值，此平均值再與目標(biāo)模型、三維服裝部件模型聚類后的源模型的邊界線上 的每個(gè)頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)；
[0035] Step5. 3、除了調(diào)整內(nèi)點(diǎn)v相對(duì)于邊界點(diǎn)v'si所做出的切向量方向調(diào)整外，對(duì)于其 它的邊界點(diǎn)，按照先計(jì)算目標(biāo)模型、三維服裝部件模型聚類后的源模型的邊界線上的垂直 切向量的平均值，再計(jì)算該內(nèi)點(diǎn)相對(duì)于平均值的偏移量，再計(jì)算出其它邊界點(diǎn)的總的偏移 量，再與內(nèi)點(diǎn)v的坐標(biāo)相加后作為內(nèi)點(diǎn)v沿切向量方向調(diào)整后的位置，從而實(shí)現(xiàn)三維服裝部 件自然拼接中的保形變換；
[0036] 其中總的偏移量是將所有內(nèi)點(diǎn)的偏移量根據(jù)均值坐標(biāo)加權(quán)求和得到。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是：
[0038] 1、對(duì)三維服裝模型集合進(jìn)行形狀款式分析，將