专利名称：一种处理服装热舒适度的三维可视化方法
技术领域：
本发明涉及计算机仿真研究领域中的功能服装CAD技术领域，尤其涉及用于 功能服装设计中针对服装热舒适度的可视化的实现方法。
技术背景在功能服装设计中，计算机仿真计算的结果是多维时序数据，数值计算产生的 数据量也十分庞大。如果没有进行可视化处理，仅仅依靠图表等统计分析手段，则 难以准确有效地理解数据。而对于服装热舒适度的研究，可视化处理具有重要的意 义。可视化可以在虚拟的着装场景中，实现对服装热舒适度性能的虚拟展示。这对 于帮助研究人员更好地理解数据，进行模型分析和调控仿真计算过程，以及教学、 展示等虚拟现实应用，都具有重要意义。而目前，在服装、建筑、车船等有关人体 热舒适度的研究中，还没有提出专门的可视化处理技术。大多数都是利用Matlab等 商业软件包进行简单的图表可视化处理，存在着可视化方法单一、难以实现系统集 成、不能实现虚拟现实应用等缺陷。 发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种处理服装热舒适度的三维可 视化方法，以实现对人体-服装热湿传递过程和服装舒适度进行虚拟现实环境的可视 化展示，从而获得服装热舒适度仿真良好的可视化效果。本发明的目的通过以下技术方案予以实现本发明提供的一种处理服装热舒适度的三维可视化方法，基于两节点和多节点 的人体-服装热舒适度模型，采用三维真实人体和服装表面映射、网格分割和剖切构造真实人体和服装几何模型；基于三维有限元人体热调节仿真模型，采用单元表面映射、剖切算法构造真实人体和服装几何模型，从而实现虚拟现实环境的可视化展示。本发明所述基于两节点和多节点的人体-服装热舒适度模型的三维可视化方法，包括以下步骤(1) 生成三维表面人体和服装模型，所构造的模型输出定义为DXF格式的三角 网络模型；(2) 模型的分割和剖切；首先针对人体-服装热湿仿真的可视化要求中的25节点模型，将人体和服装模型分割为头、躯干、胳膊、手、大腿、脚等6个部分；分割算法如下设平面方程为ax+by+cz+d = 0，则平面的法向量为n(a,b，c)，平面将三维空间分 割为两个半空间，即处在平面的正法向量方向的半空间A，以及处在平面的负法向 量方向的半空间B;定义空间一点P(X,Y,Z)，并定义距离D= aX+bY+cZ+d，则有a) 若D〉0， P点处在平面的正法向量方向的半空间A;b) 若D二O， P点处在平面上；c) 若0<0， P点处在平面的负法向量方向的半空间B; ' 由距离D判定P点处在平面上、平面的正法向量一侧还是负法向量一侧；检测三维模型每个三角面片的三个定点距离值D，若D值均大于O或均小于O，则三角 面片与剖切平面无交，否则有交；若某一三角面片的边与剖切平面有交，则其边上两个定点的D值有一个大于0，另一个小于0;由该边的两顶点Pi(Xi,y!,Zi)，P2(X2，y2，Z2)确定的直线方程与平面联立即可求得交点Pt(xt, yt, zt);然后对表面模型进行剖切，保留处于剖切平面正法向量一侧半空间A中的部分， 而处在负法向量一侧半空间B中的部分则被剖切掉；遍历被剖切几何模型的所有三 角面片，对三角网格模型进行分割；(3)针对不同人体属性，参数化模型，即采取参数化构造方法，根据人体体重 和皮肤表面积数据，应用OPENGL中的几何变换函数，改变人体模型的高矮胖瘦体 型。本发明所述基于三维有限元人体热调节仿真模型的三维可视化方法，包括以下 步骤(1)单元表面映射三维有限元人体热调节仿真模型包括肌肉、骨骼、皮肤等不同有限元结构，人 体有限元模型的网络模型主要包括五面体和六面体两种单元类型；采用紧凑的基于 模版的数据结构，分别从点、线、面、体四个方面建立有限元模型的拓扑关系，以 建立点、边以及三角形间的快速索引来进行单元表面的映射，其方法如下a) 点表一采用离散点表作为所有点坐标数据的数据库，建立其索引便于以后的 边表和三角形表中点索引的查询；b) 边表一记录剖切期间所使用过的边，以及最后存储的三角形边的信息，包括 边的起点、重点、边的索引等；C)三角形表一记录最终生成的剖切数据模型中的三角网络之间的拓扑关系，包 括三角形各个顶点的坐标索引、各个定点的对边的三角形以及三角形的索引等；d)单元表一记录有限元模型中的单元信息；包括单元号索引、单元中的定点 数、顶点列表等；(2)剖切，其方法如下a) 计算每个单元的中心点；b) 对每个单元围绕中心点进行四面体分割六面体分为12个四面体，五面体 分为8个四面体；C)对每个给定的剖切平面，首先计算每个单元的相交三角形，保存交点坐标、 原边顶点编号以及单元号，然后按模版调整三角形顶点的顺序。d)渲染输出读取当前时间点的数据；再插值计算各个三角形交点的数据值， 根据原边顶点的数据值，按分段线性插值，计算交点的数据值；再进行颜色映射计 算；最后绘制整个表面网格。本发明具有以下有益效果针对人体-服装热湿仿真的可视化要求中的模型，通过对其实施三维可视化处理，实现了对人体-服装热湿传递过程和服装舒适度进行虚 拟现实环境的可视化展示，便于实现系统集成以及虚拟现实应用，从而获得服装热 舒适度仿真良好的可视化效果。
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述图1是本发明实施例中基于两节点和多节点的人体-服装热舒适度模型可视化过程的流程框图；图2是本发明实施例中25节点的人体-服装热舒适度模型示意图；图3是本发明实施例中25节点人体-服装热舒适度模型剖切平面与三角面片的剖切示意图；图4是本发明实施例中25节点人体-服装热舒适度模型分割剖切后的网格模型 可视化效果；图5是本发明实施例中基于三维有限元人体-服装热舒适度模型的三维可视化 过程的流程框图；图6是本发明实施例中基于有限元的人体-服装热舒适度模型沿Z轴方向的剖切 实例示意图；图7是本发明实施例中基于有限元的人体-服装热舒适度模型沿X轴方向的剖 切实例示意图。
具体实施方式
图1 图7所示为本发明的实施例。本实施例针对基于两节点和25节点的人体 -服装热舒适度模型，所提出的釆用三维真实人体和服装表面映射、网格分割和剖切 进行的对人体-服装热湿传递过程和服装热舒适度可视化的具体步骤如下(如图1所 示)(1)进行模型构造以生成三维表面人体和服装模型，本实施例采用Poser软件中 的高分辨率三维表面人体和服装模型。a) 选择裸体的男女模型；b) 对应不同的服装覆盖皮肤比例分别选择不同的服装款式；c) 利用Poser软件的匹配功能，将选取的服装模型配准到人体模型上，实现人 体着装效果；d) 利用椭球体构造人体内核模型，使用的椭球体方程为以上所构造的模型输出为DXF格式的三角网络模型。所选择的人体模型为站 立姿势，服装模型选择内衣、T一SHIRT、短裤以及夹克长裤三种款式，从而构造出 人体着装可视化几何模型。(2)模型分割和剖切首先针对人体-服装热湿仿真的可视化要求中的25节点模型，如图2所示，将 人体和服装模型分割为头、躯干、胳膊、手、大腿、脚等6个部分。分割算法如下:设平面方程为ax+by+cz+d = 0,则平面的法向量为n(a，b，c)，平面将三维空间分 割为两个半空间A和B (参见图3)，其中半空间A处在平面的正法向量方向。定 义空间一点P(X,Y,Z)，并定义距离D= aX+bY+cZ+d，则有a) 若DX),P点处在半空间A;b) 若D岣，P点处在平面上；c) 若DO， P点在半空间B;由距离D可以判定，P点处在平面上、平面的正法向量一侧还是负法向量一侧。检测三维模型每个三角面片的三个定点距离值D，若D值均大于0或均小于0，则 三角面片与剖切平面无交，否则有交。若某一三角面片的边与剖切平面有交，则其 边上两个定点的D值有一个大于0，另一个小于0。由该边的两顶点P"Xb",zD，P2(X2,y2,Z2)确定的直线方程与平面联立即可求得交点Pt(Xt, yt， zt)。然后对表面模型进行剖切，保留处于剖切平面正法向量一侧的部分，即处在半 空间A中的部分，而处在负法向量一侧的部分则被剖切掉。遍历被剖切几何模型的 所有三角面片，如图2所示，三角形切面具体遍历如下a) 如果三角面片三个顶点的"距离"值DX)，则该三角面片保留在原模型中；b) 如果三角面片三个顶点的"距离"值D〈0，或者三角面片两个顶点"距离" 值D〈0，而另一个顶点D-O，则该三角面片从原模型中清除；c) 如果三角面片两个顶点"距离"值0 = 0，而另一个顶点的D〉0，则该三角 面片保留在原模型中，并将等于0的两点及其所在边写入边表及顶点表中；d) 对于三角面片顶点既有D〉0，同时又有D〈0的情况，按以下e) g)处理；e) 对于三角面片的三个顶点， 一个顶点的0 = 0， 一个顶点的D〉0， 一个顶点 的D<0，如图2中A012，求出交点5的三维坐标，将顶点0、 5和边界边05写 入顶点链表及边链表；原模型中的A012置换成A052,顶点1置换成5;f) 对于三角面片两顶点的D<0，另一顶点的D>0，如图1中A123，求出两 交点5、 6的三维坐标，将顶点5、 6和边界边56写入顶点链表及边链表；原模型中 的A123置换成A526，顶点1、 3分别置换成5、 6;g) 对于三角面片两顶点的D〉0，另一顶点的D〈0，如图1中A243，求出两 交点6、 7的三维坐标，将顶点6、 7和边界边67写入顶点链表及边链表；原模型的 △243变为四边形2674，需将此四边形剖分成两个三角形，如剖分成A267和厶274， 或者A264和A674。按照上述操作遍历模型的所有三角面片后，按照图1所示的1 7平面顺序依次 对三角网络模型进行分割，其分割后的网络模型可视化效果见图4。 (3)针对不同人体属性，参数化模型采取参数化构造方法，根据人体体重和皮肤表面积数据，应用OPENGL中的几 何变换函数，改变人体模型的高矮胖瘦体型。考虑到服装的真实性，采取改变服装 款式的方法来表示不同的皮肤覆盖率。本实施例针对基于有限元的人体-服装热舒适度模型，所提出的采用单元表面映 射、剖切算法进行的对人体-服装热湿传递过程和服装热舒适度可视化的具体步骤如 下(如图5所示)(1)单元表面映射三维有限元人体热调节仿真模型包括肌肉、骨骼、皮肤等不同有限元结构，人 体有限元模型的网络模型主要包括五面体和六面体两种单元类型；采用紧凑的基于 模版的数据结构，分别从点、线、面、体四个方面建立有限元模型的拓扑关系，以 建立点、边以及三角形间的快速索引来进行单元表面的映射，其方法如下a) 点表采用离散点表作为所有点坐标数据的数据库，建立其索引便于以后的边表和三 角形表中点索引的查询。class Points: public Object { float x,y,z; 〃离散点的坐标 int index; 〃点的索引}b) 边表记录剖切期间所使用过的边，以及最后存储三角形边的信息，包括边的起点、 重点、边的索引等。Class CIipEdges: public Object{intStart;〃边的起点intEnd;〃边的终点int LeftTriangle; 〃边的左三角形索弓Iint RightTriangle; 〃边的右三角形索弓Iint index; 〃边的索引}c) 三角形表记录最终生成的剖切数据模型中的三角网络之间的拓扑关系，包括三角形各 个顶点的坐标索引、各个定点的对边的三角形以及三角形的索引等。 class ClipTriangles: public Object{intNodel ; 〃三角形的顶点1的坐标索引intNode2 ; 〃三角形的顶点2的坐 标索弓lintNode3 ;〃三角形的顶点3的坐标索引intAdjTrianglel ;〃三角形的顶点1的对边相邻的三角形 int AdjTriangle2 ; 〃三角形的顶点2的对边相邻的三角形 intAdjTriangle3;〃三角形的顶点3的对边相邻的三角形 int index ;〃三角形的索引} d)单元表记录有限元模型中的单元信息，包括单元号索引、单元中的定点数、顶点列 表等。class Elements : public Object {int index; 〃单元号索弓lint TotalNode; 〃单元中的顶点数 Points *VertexList; 〃单元中的顶点列表) (2)剖切，其方法如下a) 计算每个单元的中心点；b) 对每个单元围绕中心点进行四面体分割六面体分为12个四面体，五面体 分为8个四面体；C)对每个给定的剖切平面首先计算每个单元的相交三角形，保存交点坐标、原边顶点编号以及单元号，然后按模版调整三角形顶点的顺序。d)渲染输出读取当前时间点的数据；再插值计算各个三角形交点的数据值， 根据原边顶点的数据值，按分段线性插值，计算交点的数据值；再进行颜色映射计 算(不同的温度用不同的颜色表示)；最后绘制整个表面网格，如图6所示，为沿Z 轴方向的剖切实例；如图7所示，为沿X轴方向的剖切实例。
权利要求
1、一种处理服装热舒适度的三维可视化方法，其特征在于基于两节点和多节点的人体-服装热舒适度模型，采用三维真实人体和服装表面映射、网格分割和剖切构造真实人体和服装几何模型；基于三维有限元人体热调节仿真模型，采用单元表面映射、剖切算法构造真实人体和服装几何模型，从而实现虚拟现实环境的可视化展示。
2、 根据权利要求1所述的处理服装热舒适度的三维可视化方法，其特征在于 所述基于两节点和多节点的人体-服装热舒适度模型的三维可视化方法，包括以下步 骤(1) 生成三维表面人体和服装模型，所构造的模型输出定义为DXF格式的三角 网络模型；(2) 模型的分割和剖切；首先针对人体-服装热湿仿真的可视化要求中的25节点模型，将人体和服装模型分割为头、躯干、胳膊、手、大腿、脚等6个部分；分割算法如下设平面方程为ax+by+cz+d = 0，则平面的法向量为n(a,b,c)，平面将三维空间分 割为两个半空间，即处在平面的正法向量方向的半空间A，以及处在平面的负法向 量方向的半空间B;定义空间一点P(X，Y,Z)，并定义距离D= aX+bY+cZ+d,则有a) 若D〉0， P点处在平面的正法向量方向的半空间A;b) 若D二O， P点处在平面上；c) 若D〈0， P点处在平面的负法向量方向的半空间B;由距离D判定P点处在平面上、平面的正法向量一侧还是负法向量一侧；检测 三维模型每个三角面片的三个定点距离值D，若D值均大于O或均小于O，则三角 面片与剖切平面无交，否则有交；若某一三角面片的边与剖切平面有交，则其边上 两个定点的D值有一个大于0，另一个小于0;由该边的两顶点P"Xi,y!，Zi)，P2(x2,y2，z2) 确定的直线方程与平面联立即可求得交点Pt(xt， yt, zt);然后对表面模型进行剖切，保留处于剖切平面正法向量一侧半空间A中的部 分，而处在负法向量一侧半空间B中的部分则被剖切掉；遍历被剖切几何模型的所 有三角面片，对三角网格模型进行分割；(3) 针对不同人体属性，参数化模型，即采取参数化构造方法，根据人体体重 和皮肤表面积数据，应用OPENGL中的几何变换函数，改变人体模型的高矮胖瘦体型。
3、根据权利要求1所述的处理服装热舒适度的三维可视化方法，其特征在于-所述基于三维有限元人体热调节仿真模型的三维可视化方法，包括以下步骤-(1)单元表面映射三维有限元人体热调节仿真模型包括肌肉、骨骼、皮肤等不同有限元结构，人 体有限元模型的网络模型主要包括五面体和六面体两种单元类型；采用紧凑的基于 模版的数据结构，分别从点、线、面、体四个方面建立有限元模型的拓扑关系，以 建立点、边以及三角形间的快速索引来进行单元表面的映射，其方法如下a) 点表一采用离散点表作为所有点坐标数据的数据库，建立其索引便于以后的 边表和三角形表中点索引的查询；b) 边表一记录剖切期间所使用过的边，以及最后存储的三角形边的信息，包括 边的起点、重点、边的索引等；C)三角形表一记录最终生成的剖切数据模型中的三角网络之间的拓扑关系，包 括三角形各个顶点的坐标索引、各个定点的对边的三角形以及三角形的索引等；d)单元表一记录有限元模型中的单元信息；包括单元号索引、单元中的定点 数、顶点列表等；(2)剖切，其方法如下a) 计算每个单元的中心点；b) 对每个单元围绕中心点进行四面体分割六面体分为12个四面体，五面体 分为8个四面体；C)对每个给定的剖切平面，首先计算每个单元的相交三角形，保存交点坐标、 原边顶点编号以及单元号，然后按模版调整三角形顶点的顺序。d)渲染输出读取当前时间点的数据；再插值计算各个三角形交点的数据值， 根据原边顶点的数据值，按分段线性插值，计算交点的数据值；再进行颜色映射计 算；最后绘制整个表面网格。
全文摘要
本发明公开了一种处理服装热舒适度的三维可视化方法，基于两节点和多节点的人体-服装热舒适度模型，采用三维真实人体和服装表面映射、网格分割和剖切构造真实人体和服装几何模型；基于三维有限元人体热调节仿真模型，采用单元表面映射、剖切算法构造真实人体和服装几何模型，从而实现虚拟现实环境的可视化展示。本发明针对人体-服装热湿仿真的可视化要求中的模型，通过对其实施三维可视化处理，实现了对人体-服装热湿传递过程和服装舒适度进行虚拟现实环境的可视化展示，便于实现系统集成以及虚拟现实应用，从而获得服装热舒适度仿真良好的可视化效果。
文档编号G06F17/50GK101216863SQ20081002583
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者侯文邦, 颖 曹, 罗笑南 申请人:中山大学