一种基于款式描述符的三维服装建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于款式描述符的三维服装建模方法，尤其涉及三维服装模型的 形状分析与几何处理方法，属于计算机图形学及计算机辅助图形设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 直接从头设计并快速创建出三维服装模型并非易事，只能生成有限的三维服装模 型。在传统三维服装设计领域，借助专业服装辅助设计系统（如Lectra、Gerber、CL0 3D) 等建模工具将二维样板生成三维服装模型，但这些工具学习难度较高，建模复杂，要求用户 具有专业设计知识。而在逆向工程领域，人们通常使用昂贵的专业三维扫描设备在理想的 实验室场景下获取点云数据，设备和环境复杂性较高。近年来很多工作都致力于如何简化 这一复杂的建模过程，例如Wang C. (〈Computer-Aided Design〉，35 (7)，2003, 659 ~672)， Meng Y. (〈Computer-Aided Design〉，44(8)，2012, 721~734)提出的基于人体特征的二维 样板到三维服装模型设计方法。然而，这些方法仍然需要用户做大量的二维裁剪以及样板 制作等工作。这样从无到有的创建方式，使得基于这类方法生成的三维服装模型的数量也 受到了局限。
[0003]目前由于三维服装获取技术的发展以及在互联网三维模型库、数字化服装定制、 计算机娱乐角色动画，以及游戏电影制作等领域的需求牵引，对三维服装模型的数量、处理 精度、建模效率、复杂度、款式变化等方面提出了更高的要求。在不同应用领域，常常需要变 换不同风格的服装以满足人物以及场景的需求。从建模的角度来看，迫切需要提出针对大 规模三维服装的建模方法，以满足用户对衣服款式变化的需求。如何有效地分析、处理三维 服装模型以及刻画织物的真实感模拟效果，成为直接影响高质量三维服装真实感模型的关 键性问题。基于数据生成的角度而言，已有文献利用现有模型快速生成有创意的大规模数 量的三维服装模型。Brouet R. (〈ACM Transactions on Graphics〉，31(4)，2012, 36:1 ~ 11)提出的保持设计的服装迀移方法就是一种可以基于不同体型下、同一款式设计的三 维服装自动生成的方法。充分结合放码、缩码等机制，尽可能保持二维的变形，可以快速 获得不同体型下相同款式的具有真实感的三维服装。Berthouzo (〈ACM Transactions on Graphics〉，32(4)，2012, 85:1~10)则是提出了生成大规模三维服装模型的另一个有效 思路，利用计算机视觉领域以及高层次语义理解的理论方法，用概率推理模型可以简化之 前衣身二维样板缝合线、轮廓线等复杂特征之间的关联，自动匹配相关二维衣片的省道、底 边、褶皱线等，并进行建模快速获得三维服装。然而这些研宄仍然涉及到存储大量的顶点信 息，涉及放码等二维样板的设计专业知识，建模效率不高等。
[0004] 与刚性物体、人造物体建模（〈ACMTransactions on Graphics〉，27(3)，2008, 42:1~8)等方法不同，保持服装款式以及款式部件感知的重新组 合成为三维服装建模的最大难点。此外，三维服装作为一种非刚性模型，由于其款式复杂 多样等特点，除了要计算柔性形变、对齐、部分对应等问题，还要关注提升建模效率和准确 率。目前三维服装模型的几何建模的研宄还比较少，而且所做的研宄主要是针对物理建模 方面，在三维几何建模方面，由于涉及到的服装是复杂的柔性模型，在面对几何形状和拓扑 结构较为复杂的三维服装模型时，很难得到有意义的分析和处理结果。而形状分析和处理 (〈EurographicsStateoftheArtReports〉，2013, 175 ~197)主要研宄三维几何模型 的分析、描述、分类和解释，即在人类知识的驱动或辅助下对三维模型的结构和语义进行分 析。其优势主要表现在易用性强，智能化高，用户参与程度低，能方便实现用户的建模意图。 正是在这样的技术背景与应用发展趋势下，本发明将服装的款式知识、形状知识与高效的 编辑技术有机地结合起来，利用已有的三维服装模型作为输入，提供了一种基于款式描述 符的三维服装建模方法，快速构建新的三维服装。对满足目前大规模三维服装数量的需求 具有重要的研宄意义。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于款式描述符的三维服装建模方法，以用于有效地分析、处 理、生成新的三维服装模型，从而满足目前大规模三维服装模型数量的需求。
[0006] 本发明基于款式描述符的三维服装建模方法是这样实现的：首先输入三维服装模 型集，通过形状款式分析，将具有款式结构一致的三维服装部件分割出来，实现语义分割； 将分割后的三维服装部件模型聚类为四大类，形成三维服装部件库；再以服装部件模型的 面积和边界周长比例作为主要的几何形状特征，定义度量服装部件重新组合的款式描述 符；根据定义好的款式描述符，再根据目标模型，对三维服装部件模型聚类后的源模型进行 全局优化；最后通过自然拼接输出新的三维服装。
[0007] 所述基于款式描述符的三维服装建模方法的具体步骤如下：
[0008]St印1、输入三维服装模型集合G，对三维服装模型集合G进行形状款式分析，将具 有款式结构一致的三维服装部件分割出来，用于实现语义分割；
[0009] 其中，Gi是基于三角网格表示的三维服装模型，G: ={GilGiGM，i=l，...，n};
[0010]St印2、通过高斯混合模型和贝叶斯网络，按照服装部件款式原型的分类，将分割 后的三维服装部件模型聚类为四大类，包括上身服装部件T、下身服装部件B、袖子部件S和 配饰部件A，形成三维服装部件库；
[0011] Step3、在三维服装部件模型聚类后的各类中，对每个部件模型m赋予一个用于描 述其款式特征的几何属性r(m)，几何属性r(m)是以服装部件模型的面积和边界周长比例 作为主要的几何形状特征；然后再定义三维服装部件模型聚类后的源模型的款式描述符， 用来评价三维服装快速建模过程中合成新模型的优劣；并进一步定义配搭关联，缝合关联， 以及融合关联三种服装部件的组合关系；
[0012] Step4、根据定义好的款式描述符，再根据目标模型，对三维服装部件模型聚类后 的源模型进行全局优化：
[0013] 首先通过基于ICP求解计算出最优变换（R，t)，来实现三维服装部件模型聚类后 的源模型的形状优化；
[0014] 其中，R是三维服装部件模型聚类后的源模型的融合边界区域大小，t是优化的迭 代次数；
[0015] 再使形状优化后的源模型与目标模型满足最小二乘下的最佳匹配，来实现三维服 装部件的位置优化；
[0016]St印5、然后通过自适应的服装部件自然拼接方法来实现三维服装部件模型聚类 后的源模型和目标模型的自然拼接，使得服装部件的网格融合效果更符合柔性服装的特 征；
[0017]St印6、通过合理选择部件间的成对分配，进行合理相对变换后，实现新的服装模 型合成，在此过程中，不破坏服装模型的语义，然后再输出新的三维服装模型，即得到三维 服装快速建模模型。
[0018] 所述步骤Stepl中，所述对三维服装模型集合G进行语义分割的具体步骤如下：
[0019]St印1. 1、对输入三维服装模型集合G进行形状分析，选取三维服装模型集合G的 网格曲面的局部几何信息描述算子特征、服装部件结构上下文特征作为特征向量，通过随 机场CRF方法进行语义标注；
[0020]St印L2、再用惩罚条件似然函数定义在CRF模型下有标注的三维服装模型集合G 中的三维服装网格模型集民、未标注过的服装网格模型集Eu为在CRF模型下的负熵条件形 式，通过求解最大化能量函数获得基于CRF模型学习的分割；
[0021] Stepl. 3、通过修改JointBoost分类器来训练CRF模型：
[0022] 具体的首先使用基于马尔可夫随机场MRF下的置信传播BP近似推理算法，再利用 JiontBoost方法训练这些输入网格模型的分类器；
[0023]Stepl. 4、对CRF模型中的参数进行优化：
[0024] 通过穷举查找的方式在参数空间对网格进行优化，并从网格上最小的点开始，用 MATLAB的预条件共轭梯度的数值估计梯度方式实现继续优化。
[0025] 所述步骤Step2中，所述三维服装部件模型聚类的具体步骤如下：
[0026] 在步骤St印1. 3的基础上，根据三维服装的几何形状分析，以语义分割后的不同 类别的服装部件模型集作为输入，基于高斯混合模型和贝叶斯网络，将分割后的服装部件 按款式原型自动聚类为四类：上身服装部件T、下身服装部件B、袖子部件S和配饰部件A， 形成三维服装部件库。
[0027] 所述步骤St印3中，所述定义三维服装部件模型聚类后的源模型的款式描述符的 具体步骤如下：
[0028]St印3. 1、在三维服装部件模型聚类后的各类中，对每个部件模型m赋予一个用于 描述其款式特征的几何属性r(m)，其中几何属性r(m)是以服装部件模型的面积和边界周 长比例作为主要的几何形状特征；
[0029]St印3. 2、以步骤St印2中的语义分割后的不同类别的服装部件模型集作为输入， 用服装部件的面积和边界周长比例作为连续款式描述符，对这些服装部件形状间的相似度 进行度量，进而度量服装部件重新组合的合理性；
[0030]St印3. 3、通过服装设计知识以及服装部件之间的关联概率，进一步定义了配搭关 联，缝合关联，以及融合关联三种服装部件的组合关系。
[0031] 所述步骤Step5中，所述三维服装部件自然拼接的具体步骤如下：
[0032] St印5. 1、根据Neumann边界条件对目标模型、三维服装部件模型聚类后的源模型 求解拉普拉斯表面函数，通过调整源网格的内点使得邻接于融合边界的三角形面片的切向 量_1^与nti-致；
[0033]其中，nsi是三维服装部件模型聚类后的源模型三角形面片的切向量，nti是目标部 件模型三角形面片的切向量；服装部件自然拼接中的几何变换是在高维空间中，且源网格 和目标网格的融合边界拓扑结构一致并且空间位置相等；
[0034] St印5. 2、先计算目标模型、三维服装部件模型聚类后的源模型的边界线上的垂直 切向量的平均值，此平均值再与目标模型、三维服装部件模型聚类后的源模型的边界线上 的每个顶点关联；
[0035] Step5. 3、除了调整内点v相对于边界点v'si所做出的切向量方向调整外，对于其 它的边界点，按照先计算目标模型、三维服装部件模型聚类后的源模型的边界线上的垂直 切向量的平均值，再计算该内点相对于平均值的偏移量，再计算出其它边界点的总的偏移 量，再与内点v的坐标相加后作为内点v沿切向量方向调整后的位置，从而实现三维服装部 件自然拼接中的保形变换；
[0036] 其中总的偏移量是将所有内点的偏移量根据均值坐标加权求和得到。
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] 1、对三维服装模型集合进行形状款式分析，将