在虚拟三维环境中的人体模型上创建和编辑表示服装的曲面的计算机化方法与流程

本发明属于计算机化方法领域。本发明涉及一种在三维虚拟介质中创建和可视化服装的计算机化方法。

本发明方法中所采用的技术在被称为计算机图形学的领域中进行研究，计算机图形学是计算机科学的一个分支。更具体地，使用了数字雕刻技术和基于物理的动画技术，而数字雕刻技术和基于物理的动画技术是计算机图形学的研究主题。

背景技术：

服装通常由织物(如，棉花、羊毛或丝绸)制成的平整布面组成。这些平整布面被称为布模。将不同布模缝制在一起就形成了服装。而服装应当与穿着该服装的人士的体量相贴合。

服装开发通常从设计贴合人体的服装成品开始。然后，为了制成真正的服装，应创建布模并确定布模之间的接缝，以制造出所设计的服装。

负责服装初始设计的人与创建布模的并非一定是同一个人。因此，设计者应当对创建者的意图毫无怀疑，这是很重要的。设计者必须尽可能以最有效的方式与创建者就真实服装必须是怎样的问题进行交流。

已设计有几款计算机软件程序可用于帮助创建服装的初始设计。也有支持创建服装二维或三维再现图像的软件程序。这些软件程序支持创建服装二维图，展示服装在空间中的固定点上的图像，这与在纸张上用铅笔绘制服装相类似。支持创建三维图的软件程序可提供更加精确的体积图像，使得用户可在不同视角点操控和可视化管理服装。

专利号为7409259B2的美国专利教导了一种在虚拟人体模型的身体上创建三维再现图像的方法及计算机软件程序。该软件程序中展示了一个最初已身着紧身衣且紧身衣已覆盖身体大部分的人体模型。根据所述方法，服装曲面由通过一组控制点描述的参数曲面表示。这些点用于定义人体模型上的服装曲面。用户可通过改变这些控制点的位置改变曲面形状，从而随意扩展或收紧服装部分。

根据专利号为7409259B2的美国专利中所述的方法，用户无法改变服装的拓扑曲面，服装的拓扑曲面是最初给定的。这对创建不同类型服装的数量形成了限制。为了克服这一问题，上述美国专利中所示的软件程序为用户提供了三种不同的服装曲面初始模型：裤模、裙子模型或披风模型。

本申请中所述的计算机化方法与专利号为7409259B2的美国专利中所述的计算机化方法的目标相同，即在虚拟介质中设计服装在人体模型上的三维再现。

然而，与上述美国专利中所述的方法相反的是，本发明的方法并未使用参数曲面表示服装。因此，在本发明中，其再现技术使得用户可自由操控服装曲面，甚至是修改初始曲面的拓扑结构。正如下文描述中所呈现的一样，使用本发明中所述的方法将使得在虚拟人体模型的身体上设计三维服装变成了一项简单、直观的任务。

技术实现要素：

一种在三维虚拟介质中的人体模型上创建和编辑用于表示服装的曲面的计算机化方法。

本发明方法的运行和应用均基于计算机程序，由计算机程序在计算机中实现对服装的设计、编辑和可视化管理。

该方法的目的旨在使计算机程序的三维虚拟介质中的用于描述人体模型上的服装的曲面的操控任务变得更为简单和直观。

应当注意的是，当服装穿着在人体模型身体上时，其体积是受限定的，而由于服装所覆盖的身体部分的体积，其在底部的大小也是受限的。

众所周知，数字雕刻软件程序为在计算机中创建和编辑体积对象提供了一种直观的方式。该软件程序提供了可数字化操控任何三维物体的工具，使得这些物体像实际可塑性物质(如，粘土)制成的一样。Pixologic公司的ZBrush软件就是其中最流行的软件程序之一。

本方法采用了与数字雕刻软件程序相似的技术与工具。在本方法中，服装曲面表现得就像由粘土制造的一样。因此，用户可拉动、推动和软化人体模型身体上的服装曲面，并且可自由地改变其形状。人体模型的身体就是服装曲面可移动的边界，也就是说，不可向人体模型的身体内移动服装。

在现有技术中，数字雕刻软件程序支持采用计算机化方法在虚拟介质中创建和编辑服装，但却无法检测设计所用材料的实际类型，这是因为这些软件程序为通用程序，旨在使创建由任何材料制成的对象变得可行。

优选地，在本发明的计算机化方法中，假设创建的对象由织物制造。因此，本方法提供的工具仍然利用物理布料仿真来操控服装曲面。

根据所选工具，人体模型身体上的服装曲面表现得像粘土或真实织物。用户不需要了解粘土或织物的二元性。用户只需选择并使用一种可用工具来操控服装曲面。更多有关可用工具的详细情况将在本说明书的下文中进行介绍。

附图说明

图1是创建三维服装的软件程序的界面截图，用于说明本发明的计算机化方法；

图2是根据本发明的计算机化方法设计的服装原型的截图；

图3是收缩工具的应用示意图；

图4是带收缩环的收缩工具的应用示意图；

图5是带收缩环的收缩工具和裁剪工具的应用示意图；

图6是褶皱工具的应用示意图；

图7是带布料仿真工具的拖动元件的应用示意图；以及

图8是用于再现服装曲面的三角网格的示图。

具体实施方式

本发明提供的方法基于用于设计服装的计算机程序(计算机辅助设计软件)。该方法允许用户直接在插入三维虚拟介质的人体模型的身体上设计和浏览任何类型的服装。

在本发明中，“方法”用于表示所使用的设计技术以及如何通过本文中所述的服装设计程序组合使用该项技术。

下面将结合附图对本发明进行说明。

应当注意的是，附图中并未示出用户。

图1是基于本发明中提供的方法的计算机程序的截图(标号为20)。

截图20示出了被用户视为三个不同区域(21、24和25)的图形程序用户界面或图形用户界面(GUI)。中心区域(21)是带人体模型(22)的三维虚拟介质。用户可通过使用鼠标光标(36)以及点击区域(21)来自由地控制观看人体模型(22)的位置、角度和距离，还可设置虚拟相机(未示出)，用于在特定方位或角度从三维空间中的某个点观察人体模型(22)。

首先，为人体模型(22)穿着可覆盖身体大部分的简单、紧贴服装(23)。像这样的一整件服装被作为网格。一件服装由一个或多个网格组成。

右侧的区域(24)为网格(23)列表(初始网格数仅为一个，这种情况可参见图1)。用户可创建新网格(23)或移除现有网格。

左侧的区域(25)是可供用户修改所选网格(23)的工具列表。有关这些工具的更多详细信息将在下文中做介绍。

图2亦是与上文中所述相同的计算机程序的截图(30)，其示出了编辑过程中的进阶步骤(即用户执行一些修改后的步骤)。在该图中，对称平面被激活，通过这种方式使得用户在平面一侧的任何操作也将在另一侧被复制。

用左侧区域(25)中提供的可用工具可裁剪和调整图1中所示的初始网格或服装(23)，从而获得由两个网格组成的服装，即如图2中所示的上衣(26)和裙子(27)。这两个网格显示在右侧区域(33)的列表中。

从截图(30)中可看出裙子(27)是从右侧区域(33)的列表中选择的。用户在左侧区域(25)中选择了编辑工具(28a)，而鼠标光标(36)定位在应用示意图的中心区域(21)的所选网格(28b)上。

编辑工具(28a)的工作区域(28b)在软件程序的中心区域突出显示。用户激活对称平面(29)，通过这种方式可使每个工具的工作区域和行为在平面(28c)的相对侧以镜像方式重复。

在图2中，右侧区域(33)还示出了所选网格(31)的一些视觉属性(如，颜色、光泽和纹理)，以供用户修改。例如，中心区域(21)的裙子(27)上所示的纹理同样也在区域(32)中示出。

从图1中所示的配置开始，用户可使用左侧区域(25)中所示的一组工具设计出任何类型的服装(如，图2中所示的服装)。

图3示出了收缩工具或扫描工具的运行，这类工具常用于ZBrush等数字雕刻程序中。

收缩工具设计用于拉动或拖动网格曲面区域。用户以一阶矩(34)将鼠标光标(36)定位在想要拖动的区域。工具工作区域(37a)(即将被改变的网格区域)在网格上突出显示。然后，在(35)，用户点击鼠标按钮(未示出)并将鼠标光标(36)拖向所需方向。网格曲面上的突出显示区域(37b)随鼠标光标(36)的移动而改变自身形状。

通过使用收缩工具使得用户感觉网格是由类似于粘土的材质制成的。

恰当地设置虚拟相机使得用户可通过收缩工具操控网格曲面的任意点。

然而，根据本发明的独特方面，基于本方法的软件程序不允许向人体模型的(22)的体内移动网格曲面。结果，人体模型(22)自然成为了网格曲面的模具。

可采用另一种方式拉动和拖动网格曲面，即环形收缩工具。当用户操作鼠标光标(36)穿过人体模型(22)时，通过使用该工具可在人体模型(22)上的某个点上出现一个环形(圆周线)，随着鼠标光标(35)移动。

图4示出了在(38、39和40)三种情况下该工具的可能用法。

首先，在(38)情况下，用户向人体模型(22)的一个区域移动鼠标光标(36)以定位收缩环(41a)。收缩环(41a)随人体模型移动，而不是特定的网格。然而，当用户移动鼠标光标(36)时，收缩环(41a)将对距环平面某一距离的选定网格造成影响，即与收缩工具类似，收缩环(41a)的工作区域(41b)将出现在网格曲面上。

在图4中所示的第二步(39)中，用户用鼠标按钮点击并向所需方向拖动光标(36)，拉动突出显示的网格曲面(41b)，使得用户可选择收缩环(41a)的打开角度，通过这种方式，用户不仅可将网格曲面(41b)拖向所需方向，也可在拖移过程中逐渐增大收缩环(41a)的半径，使得网格曲面(41b)离开人体模型(22)并以圆锥(42b)形式打开。

如上所述，收缩工具(图3)和收缩环工具(图4)使得网格与粘土类似，用户可自由移动和改变其曲面形状。而且也可使网格呈现出真实织物的状态。

图4示出了这一属性在第三步(40)中的可能用法。用户用收缩环工具(38和39)拉动和打开网格后，物理布料仿真实施例被激活。因此，网格(42b)在重力作用下下落调整，使其与人体模型(22)相适应。这使织物(43)自动生成褶皱，从而使网格(42b)具备真实服装的外观。

收缩环工具和物理仿真的其他可能的组合用法，如图5中的(44、45、46和47)四个步骤中所示。

首先，在步骤(44)中，如图4中所示，用户将收缩环定位在人体模型(22)上想要修改的网格(49)上。

在下一步—步骤(45)中，用户点击鼠标按钮并向上拖移光标(36)和打开所选网格的区域。收缩环的半径在拖移过程中逐渐增大，使得网格的修改区域(49)变为圆锥形(50)，并覆盖人体模型(22)的头部。

在步骤(46)中，用户用裁剪工具裁剪网格曲面(48a)。为了进行裁剪，用户需点击屏幕上的两个点(51a和51b)以确定一条直线段。这条直线在网格曲面上投影，生成限定裁剪部分(48a)的曲线。

最后，在步骤(47)中，用户激活物理布料仿真，使得织物在重力作用下下落，并分离在之前步骤(46)中裁剪的部分(48b)。

也可在没有重力的情况下激活物理布料仿真实施例(即服装在零重力环境中将呈现出真实织物的状态)。这可改变网格曲面的形状。

图6中所示的褶皱工具就是利用了这一属性。

首先，在步骤(52)中，用户点击屏幕上的两个点(54a和54b)以确定在网格曲面上投影的直线段，从而生成如上述裁剪工具中所述的曲线(55a)。

然后，在步骤(53)中，用户滚动鼠标滚轮(未示出)以缩短曲线(55b)。物理布料仿真在没有重力的情况下被激活，仅使用户创建的曲线区域内的织物变形，并在位置(56)处生成褶皱。

在使用褶皱工具时，用户不需要意识到网格是否呈现出真实织物状态(即物理布料仿真已被激活)。就用户的角度而言，该工具只是施加了一种效果，即在用户拖动曲线选定的网格曲面区域上生成了褶皱。

另一种可在无重力情况下使用物理布料仿真实施例的工具是拖动工具。该工具的运行在图7中通过三个步骤(57、58和59)进行了说明。

在第一步(57)中，用户将鼠标光标(36)定位在网格(60a)的区域(60b)上。

然后，在步骤(58)中，通过点击鼠标按钮，在没有重力的情况下激活物理布料仿真实施例(未对用户示出)。通过屏蔽按钮移动鼠标，以拖动网格上由点击选定的点，从而仅改变区域(61)中的网格曲面的形状。松开鼠标按钮，自动中断布料仿真实施例(同样未向用户示出)。

用户可根据需要多次重复点击和拖动过程。这可用户调整网格形状或在网格曲面上生成褶皱。例如，在图7中，用户第二次(59)点击和拖动以创建一个“异形领”(62)。

利用本发明中提供的方法的程序在其内部以网格曲面表示，网格曲面具有使其离散的几个三角形构成的结构。从现在起，这种表示方式在本说明书中用“三角网格”进行表述。

图8示出了在运用上文中所述的收缩工具过程中的三角网格(67)的结构。

在第一步(63)中，用户将鼠标光标(36)定位在想要拉动的网格区域(65)上。然后，在步骤(64)中，用户点击鼠标按钮并将光标(36)拖向所需方向。由用户移动鼠标光标(36)自动创建和删除三角形(66)来表示新网格曲面。

上述说明书中阐述了根据本发明用于在三维虚拟介质中的人体模型上创建和编辑表示服装的曲面的计算机化方法，该方法，包括以下步骤：

a、用三角网格(67)表示人体模型(22)上的服装(23)曲面；

b、将步骤a)中的三角网格(67)放置到人体模型(22)上；

c、通过使用数字雕刻工具，使得表示服装(23)曲面的三角网格(67)可像粘土一样被操控；

d、通过物理布料仿真，使得表示服装(23)曲面的三角网格(67)可像真实织物一样被操控；

e、允许依照服装版式认为适合的所需次数以任何顺序执行步骤c)和步骤d)中所述操控；以及

f、随时防止三角网格(67)向人体模型(22)的内部区域移动。

如上所述，利用本发明中提供的方法的程序具有两种不同的实施例，其在某些网格的表现形式上有所不同：

a)“雕刻”：网格表现得像由粘土类材料制成。其允许用户自由改变网格曲面。例如，收缩工具和收缩环工具就使用了该实施例。

b)“仿真”：网格表现得像由真实布料制成。用户可显式激活布料仿真实施例(在有重力或无重力的情况下)，或者隐式激活和撤销激活布料仿真，例如，在使用拖动和褶皱工具时。

在本说明书中上文所述的拖动和褶皱工具要求程序在用户未意识到的情况下快速进入和退出布料仿真实施例。

这种在实施例之间的快速、自动切换(即在不向程序用户发出警告提示的情况下)是本方法的一个关键方面。

基于本程序的计算机化方法不会明确通知用户服装的实际状态，也不会通知用户服装状态的变化。用户只需选择一种工具用于向网格曲面施加特定效果。

要想实现一种能够在雕刻与仿真实施例之间有效切换的计算机程序并非易事，并且在任何现有技术中也是不可想象的。

想要实现这种可能就要求状态切换不能涉及大量计算成本。根据本发明提供的方法，这是有可能实现的，因为雕刻和布料仿真实施例所使用的数据结构相同，均为三角网格。

Stanculescu,L.等人在“Freestyle:Sculpting meshes with self-adaptive topology(自由式：具有自适应拓扑结构的雕刻网格)”(Computers&Graphics，2001年，第1～12页)一文中报道了一种直接使用三角网格表示法来雕刻体积对象的方法。本方法中的雕刻实施例就是基于Stanculescu,L.等人在该文章中所述的方法。

如在本说明书上文中所述，本程序所用的计算机化方法中的布料仿真实施例也是通过使用相同的三角网格结构开发的。Baraff,D.和Witkin,A.在“Large steps in cloth simulation(布料仿真的大步骤)”(Computer Graphics Proceedings，1998年，年会系列，第43～54页)及后续文章中描述了计算机物理布料仿真中采用三角网格表示织物的用法。

在程序内部，雕刻实施例可改变用于表示服装曲面的三角网格的结构，也就是说，可在应用工具过程中添加或移除三角形。相反地，在布料仿真实施例中，只改变三角形的顶点位置时，即表示不增添或移除三角形。

专利号为7409259B2的美国专利采用了参数曲面来表示服装，并且允许用户通过操控曲面的控制点来调整人体模型上的服装。与该美国专利相比，本发明中所述方法的雕刻实施例为用户提供了更为直观的方式，因为该实施例是基于已有的数字雕刻程序(如，“ZBrush”)，这使得用户可在服装曲面上进行所需修改。

本发明中所述方法的布料仿真实施例反过来又为用户创建织物褶皱提供了更多的灵活性。织物上的褶皱为服装赋予了更真实的一面。这种通过布料仿真实施例在服装曲面上灵活创建褶皱的特性无法通过专利号为7409259B2的美国专利或通用数字雕刻程序实现。

与专利号为7409259B2的美国专利中所述的计算机化方法及程序不同的是，本计算机化方法允许：

1)根据单个初始配置创建任何拓扑结构的服装(而无需像上述引用的专利号为7409259B2的美国专利中所述的技术一样，需要三种初始类型的服装)；

2)通过使用布料仿真实施例易于在服装曲面上生成褶皱；以及

3)易于使用通用数字雕刻程序的用户学习，因为其工具的功能与同类程序中的工具功能相似。

通过这种方式可表明，本发明中所述的计算机化方法是一种专门用于服装设计的数字雕刻方法，在现有技术中尚未有提及或暗含。