交互式三维服装设计研究

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1服装裁片的交互设计

利用CAD工具的裁片导入，系统能够比较容易的实现在服装裁片缝合到虚拟模特身上，再通过力学仿真来验证服装款式在虚拟模特上的悬垂效果。而系统的最大好处是给服装裁片的设计和修改提供了实时性，可以随时修改服装裁片的形状并交互式的预览新的服装裁片缝合到一起后的服装效果。系统可执行的实时编辑主要包括：尺寸调整、改变形状、添加飞镖、开孔、添加缝边、活褶、增加配件以及改变服装面料等。除了服装裁片能够实时编辑外，虚拟模特也能随时改变体态和运动序列等。系统工作界面如图1所示，图1（a）显示的是交互式服装设计的用户接口，图1（b）显示的是对服装裁片的实时修改，及服装款型效果的实时预览。在服装设计与仿真中采用创新的设计方法和工具，本文不但把服装设计与仿真领域相关的计算机图形学的新进展引入到系统中，同时也希望系统能够成为服装行业中实际应用效果良好，作为服装设计领域的一个有价值的服装原型设计工具。本文给出的系统架构，主要着力解决了以下几个问题：

（1）提供一个交互模式的设计环境，能够实时的对服装裁片的2D设计进行修改，并实时的显示修改后的服装裁片在3D视图中对裁片进行缝合后的服装效果。

（2）提供多种模拟技术，实现服装设计过程的优化，如快速服装缝合、着装效果预览、交互编辑、精确模拟和动画。

（3）提供高质量的服装仿真，不仅准确地模拟变形布的弹性行为，并且模型还考虑弹性应力-应变曲线，还能提供布料的耗散行为的精确模拟，产生高质量的动画效果预览。

（4）通过专用的可视化模块，对所设计的服装在动态虚拟模特上的效果进行快速的实时动画预览。此外，该模块还为网络销售的虚拟试衣提供了可能性。

（5）为具有众多裁片、接缝及款型复杂的服装设计提供足够的通用性。

2面料仿真的力学模型

本文在布料仿真模块中采用精确的力学模型，该模型是基于三角型布料表面变形的精确表达，相当于一个一阶有限元描述。模型通过使用精确的力学公式来构建三角型布料模型平面内的拉伸和剪切变形，还能描述布料在外力作用下的变形。模型中使用到的参数都是具有切实的物理学意义，并且适用于任何形状的三角形布料面片网格。而常用的质点-弹簧模型中的弹性系数不具有确切的物理学含义，并且质点弹簧模型只适用于规则的布片网格。

2.1碰撞检测与响应

为了获得逼真的模拟结果，我们需要执行衣服和人体的皮层之间的碰撞的处理。碰撞的处理分为两个阶段：碰撞检测和碰撞响应。碰撞检测算法测试服装模型的轴对齐包围盒（AxisAlignedBoundingBox,AABB）和人体模型的包围盒之间的所有交叉点。对AABB模型进行遍历，直到叶节点被遍历完。一旦发现两个包围盒相交，就应用几何碰撞检测方法来测试三角形之间的碰撞，用同样的方法检测服装的自碰撞。两多边形之间的碰撞检测是通过检查点的三角形相交和接近来完成的，类似于服装与人体的碰撞检测。为了避免边缘的碰撞检测，我们扩大服装裁片模型的包围盒。碰撞检测后，使用速度和位置校正。速度矫正类似于文献中的速度矫正方法，将碰撞检测后的速度修改为：Vres=CfricVt-CreflVn+Vhuman

（1）其中Cfric和Crefl是摩擦系数和反射系数，Vhuman是人体模型的速度，Vt和Vn是布粒子相对于人体的相对速度的切线和法线分量。如果某个点已通过裁片多边形的底部或点到人体表面的距离低于某个阈值，就要使用位置矫正。对于第一种情况，就将点的位置通过公式

（2）带到裁片表面上。P=Π+Npolygon（2）其中，P是最终位置，Π是粒子在三角形区域上的投影，Npolygon是碰撞平面的法向量。对于第二种情况，点的位置按照公式（3）进行修正。P=P+Npolygon

（3）通过上述的碰撞检测和响应方法，系统具有足够的通用性来处理复杂的多层服装效果仿真，如图2所示。

2.2动态网格仿真

一个具有交互式设计功能的系统，显然需要具有对力学模型的快速模拟和碰撞检测与处理的能力，并能对设计过程中的任何修改，做出快速的响应。只有能够对任何裁片的改动，做出及时的响应，这样的交互性才能被用户接受。系统的关键思想是利用布片网格的自动构建，对服装裁片的形状和特征的改变，都能快速自动生成修改后的服装裁片。也就是在2D环境中的裁片形状和大小的改变，能够在3D环境中实时的显示相应的效果。

3服装裁片的修改

服装裁片的修改主要是改变裁片的尺寸或形状，让裁片更好的贴合人体。裁片网格顶点的坐标，织物的改变都是为了匹配新的形态。当服装裁片做了修改后，系统利用映射更新算法，来更新2D网格的位置。为了达到这个目的，我们开发了一个扩展的网格表示方法，每个网格顶点会存储它之前的位置，也就是说新的网格顶点知道自己从哪个网格顶点变换而来。当其中一个顶点移位，所有相关的网格顶点是根据存储数据结构中的系数加权求和来更新，如图3所示。图3裁片的交互编辑这个方法的最大好处是：2D环境中服装裁片的任何改变，都不会改变3D环境中的服装的表面形态。这样就允许设计师对服装裁片的形状或尺寸做任意的调整和修改，无论在服装设计的任何阶段，都能根据修改后的裁片来生成相应的服装款式效果，服装最终的布料效果是不变的，如图4中的A-C所示。

4服装表面的重新定位

当对服装裁片做了比较大的修改或裁片的拓扑结构发生变化时（新特性、添加飞镖和孔），那么上述进程不能被应用于服装裁片的网格更新。为了避免服装重建和着衣效果的二次生成，需要一个自动的网格替换过程，用旧网格来替换新网格，这个过程如图4中的C-F所示。当对服装裁片有任何修改和调整时，服装裁片设计模块能够自动的将修改之前的裁片网格顶点位置依据对裁片的调整和修改进行更新，也能很直观的显示新设计的效果。同样的过程也可用于动态地从将一个网格分辨率切换到另一个，这主要取决于一个特定的设计步骤所需的互动性或准确性，如图4中F-G所示。要让衣服和人体恰当配合，就需要在设计服装时考虑到人体的姿态及身体尺寸等相关的人体信息。系统必须具有依据人体来调整服装尺寸的功能，而不是对不同的人体重新设计和生成相应的服装。服装变形数据可以很容易的从服装面料的力学模型中提取出来，然后依据提取出来的数据和人体尺寸的相关信息，生成新的服装版型。不但如此，系统还允许根据人体相关信息生成对应的虚拟人体模型。将三维服装模型与虚拟人体模型进行匹配，很直观的展示服装的着衣效果，如图5所示。系统除了能够根据不同的人体，生成相应尺寸的服装，直观展示着衣效果外，还能根据人体姿势改变，显示动态的着衣效果，如图6所示。6总结随着计算机图形学的发展，计算机辅助设计（CAD）软件被广泛的使用到服装设计中。本文针对服装的交互设计需求，提出了一种交互式的服装设计方法，并将其应用到三维CAD服装设计系统中。该系统将2D环境的裁片设计与3D环境的服装款式效果展示进行智能集成，允许设计师对服装款式与服装裁片进行实时的修改，并能在3D环境中实时的显示修改后的服装的着衣效果。（本文来自于《轻工科技》杂志。《轻工科技》杂志简介详见）

作者：于芳单位：惠州学院服装系