专利名称：一种虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法
技术领域：
本发明涉及一种新的三维服装CAD系统，利用该系统可以在三维虚拟环境中直接设计出三维贴体服装衣片。
背景技术：
综观国内和国外的服装CAD系统，其中绝大部分属于平面服装CAD系统。这些系统都是根据服装平面裁剪的原型计算公式来自动设计服装衣片，然后再将衣片虚拟缝合到计算机人体模型，观察它的悬垂效果，目前更进一步的工作着重于实现虚拟服装的动态悬垂效果。平面服装CAD简单、灵活，具有一定的优越性，但缺点是不够直观，要设计出合体美观的衣片需要丰富的经验。立体裁剪不是一门新学科或新技术，她有悠久的发展和应用历史。在服装文化的发展史中，东方服饰与西方服饰发展的最大差异性之一就是东方服饰的平面特征较强，而西方服饰的立体特征鲜明，因此我国的服装裁剪技术以平面方法为主，西方的服装裁剪技术以立体方法为主。这些年来，我国的服装裁剪技术受到西方的很大影响，以适应日新月异的服装款式变化。立体裁剪方法也就是在这么一个大环境下逐渐的走近我们的。本发明是利用虚拟现实技术提供的三维交互手段，在计算机生成的虚拟环境中生成具有一定适体度的三维衣片，然后将三维衣片展开成二维衣片，随后将二维衣片输出，在现实环境中用布料在人台上进行验证。
虚拟现实技术是一种最有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。这种模拟具有“临境感”(immersive)和“交互性”(interactive)。虚拟现实技术也将使传统CAD技术发生革命性的变化，目前虚拟现实技术在汽车设计、飞机设计、虚拟厨房设计等方面都有应用，并且国外已将虚拟现实技术应用在了服装CAD上，较有成果的主要有两家一是英国Nottingham Trent University在1996年推出的VirtuOsi项目，据报道该项目的目标是给设计者提供一组计算机工具使得设计者能在虚拟现实环境中生成和展示服装，它包括生成精确的有关节连接的人体和测量工具、各种织物类型的表达、衣片裁剪工具的模拟以及能在其中演示的讨论服装的虚拟现实环境的生成；另外一家是法国力克(Lectra)公司在2000年推出的e-design、e-manufacturing、e-sales和LectraOnline项目[12-14]，其中e-design就是使设计者在虚拟环境中设计虚拟服装(目前主要是服装原型)、内衣、手提袋和沙发。上述两家只见到其介绍性的文章，具体的实现方法和思路并未涉及。
发明内容
本发明提供一种虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，主要解决衣片平面设计不够直观的技术问题，有利于实现服装的立体裁剪。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的一种虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，包括三维服装CAD系统其特征是，具体步骤是①在虚拟环境中利用鼠标和三维空间交互球选取并控制人体模型上的点；③将上述选取的点作为三维衣片边界上的点，结合相应的数据结构，赋给三维衣片轮廓线的点、边、衣片结构；③利用插置的方法生成边界内的点，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并将之演示出来。
该三维服装CAD系统包括PC机、小型立体显示观察系统和三维空间交互球，其中小型立体显示观察系统包括高档专业3D图形加速器、红外中央控制发射器、无线立体眼镜，在该系统生成的的三维虚拟环境中，设计者引入美国TC2公司的三维人体测量系统的生成真实人体模型。
该插值方法是利用虚拟现实系统VR3800L提供的三维空间交互球(SPACEBALL)和鼠标，获得距离虚拟人体表面一定距离的一些点I(1-14)，把它们作为三维虚拟衣片边界上的一些点和中心点，三维空间中的点，具有坐标(xi，yi，zi，ki)，其中ki是点与人体的间距。对每一条边，插值变量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每条边的两个端点；(xc，yc，zc，kc)是中心点；对于插值得到的每一个点，寻找人体模型上与它距离最近的点，计算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的点，(xmi，ymi，zmi)是模型上的点；下一步，假设人体表面是连续的，即(x，y)临近的点的z坐标相差很小，接着，用相应的距离最小的人体模型上的点的z坐标替换相应的插值点z坐标，再加上相应的间距k，就得到了三维衣片内的点，并且这是符合人体轮廓的具有一定空隙的衣片，这样就得到衣内各点的(xi，yi，zi，ki)。
对Delaunay三角化生成的三角衣片，去掉了位于三维衣片凹边外的部分。
本发明的创新点主要有一下几方面(1)开发了一个三维衣片设计系统，该系统集成1一套小型虚拟现实系统(小型立体现实观察系统和三维空间交互球)，在该系统生成的三维虚拟环境中，设计者可以引入由美国(TC2)公司的三维人体测量系统的生成真实的人体模型，在此基础上自由设计三维衣片，该系统提供了一些交互手段，使设计者可以象在真实三维环境中设计衣片一样，提供了直观的设计效果，该系统是用VC++6.0和OpenGL开发的。
(2)设计了一种新的插值方法，利用这种特定的方法，可以得到符合人体且具有一定空隙量的贴体三维衣片，具体方法请参照文中所述。
(3)对Delaunay三角化生成的三角衣片，进行了改进，去掉了位于三维衣片凹边外的部分，从而得到了完全符合衣片设计轮廓的三维衣片。
本发明的优点主要有以下几方面(1)开发了一个三维衣片设计系统，该系统集成1一套小型虚拟现实系统(小型立体现实观察系统和三维空间交互球)，在该系统生成的三维虚拟环境中，设计者可以引入由美国(TC2)公司的三维人体测量系统的生成真实的人体模型，在此基础上自由设计三维衣片，该系统提供了一些交互手段，使设计者可以象在真实三维环境中设计衣片一样，提供了直观的设计效果，该系统是用VC++6.0和OpenGL开发的。
(2)设计了一种新的插值方法，利用这种特定的方法，可以得到符合人体且具有一定空隙量的贴体三维衣片，具体方法请参照文中所述。
(3)对Delaunay三角化生成的三角衣片，进行了改进，去掉了位于三维衣片凹边外的部分，从而得到了完全符合衣片设计轮廓的三维衣片。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是开发的三维衣片设计系统的界面。
图3-11是利用本发明的三维衣片的形成步骤。
具体实施例方式本发明使用北京黎明公司提供的VR3800L系统，如图1所示，它包括小型立体显示观察系统和三维空间交互球2。小型立体显示观察系统包括高档专业3D图形加速器(逐行立体加速显示、VR专用)3、红外中央控制发射器4、无线立体眼镜5。利用三维空间交互球可以实现三维物体6自由度的空间交互，是一种真正的三维输入设备，它能将微小的手指的压力转换成X、Y、Z方向的平移和旋转量，同时实时的移动3D图像，这样它就对图形模型进行了直观的六个自由度的交互。
本发明中用到的人体模型是利用东华大学服装学院从美国(TC2)公司引进的三维人体测量系统来生成。该系统的原理是利用前后四个摄像头同时采集到四幅人体不同方位的图像，然后利用莫尔条纹干涉的方法计算出人体模型的三维点阵数据，接着利用三维点阵数据进行三角曲面拟合，得到三维人体模型，最后进行尺寸提取操作，得到单位人体尺寸。
图2是开发的三维衣片设计系统的界面。
本发明中用到的数据结构主要有四种，包括点结构、边结构、三角形结构、三维衣片结构，如下所示以上四个结构是课题设计的衣片数据结构，利用鼠标和三维空间交互球选取并控制人体模型上的点，将之作为三维衣片边界上的点，结合设计的相应的数据结构，得到三维衣片轮廓线的点、边、衣片结构，接着利用插值的方法生成边界内的点，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，得到完整的衣片。
在生成三维衣片之前，首先得生成衣片的轮廓线。在实际工作中，常用的拟合曲线有三次参数样条曲线、Bezier曲线、B样条曲线等；所谓的曲线拟合是指在曲线设计过程中，用插值或逼近的方法使生成的曲线达到某些要求，如在允许的范围内贴近原始的型值点或控制点序列；如曲线看上去要“光滑”、“光顺”等。Bezier曲线和B样条曲线是以逼近为基础的参数曲线，它们具有直观和凸包性等优点，但是它们一般不通过给定的特征多边形，运用重节点的方法仅能使它们通过个别的点，因此它们主要用于自由型曲线的设计，虽然通过使用它们的反算拟合方法[16-18]，也可以使它们通过给定的型值点，但毕竟绕了一个大弯子；本发明中用的三次样条插值曲线，直接运用了插值的方法使拟合曲线通过给定的型值点，并且满足了曲线光滑的要求，可以很好的满足需要。三维衣片轮廓线由直线和曲线组成，选取点并生成相应衣片结构是按照如下思路(1)若是边由两个点组成，则确定该边是直线；(2)若是边由多于两个点组成，则确定该边是曲线；对于直线，很显然两点确定一条直线；而对于曲线，系统中用的是三次样条插值方法，通过它可以生成的上前衣片，边界控制点有14个{1，2，3，……14}；边共有7条，分别是，line1{1 2}，line2{2 3}，line3{3 4 5 6}，line4{6 7}，line5{7 8 9 10}，line6{10 11}，line7{1112 13 1}，中心点是14。
注系统中可任一旋转和平移模型和衣片，本文中选了三个角度。
如图4所示，是系统生成的前裙片，边界控制点有9个{1，2，3，……，9}；边共有5条，分别是，line1{1 2}，line2{2 3}，line3{3 4 5 6}，line4{6 7}，line5{7 8 9 1}，中心点是10。
在得到衣片的轮廓线后，再通过插值得到衣片内的点。B.K Hinds和J.McCartney在1990、1992发表的两篇文章中介绍了一种利用数字化仪实现三维交互，生成具有一定适体度三维衣片的方法。其具体过程是将数字化仪映射到计算机中三维人体表面，数字化仪上的移动对应计算机中三维人体表面的移动，另外提供一定的自由度，来确定距人台表面的偏移量(定义为人体法面到人体外某点的距离，即服装的合体度offset)。生成三维衣片时，首先确定具有一定偏移量的衣片边线上的各点，运用曲线拟合得到衣片的各边曲线，然后运用插值方法得到衣片内各点的偏移量，进行曲面拟合就得到了符合人体形状的三维衣片。
结合系统的特定情况，发展了一种新的插值方法，通过它能获得符合人体表面具有一定间距的衣片内各点，从而根据这些点得到符合人体形状的三维衣片，下面具体介绍一下这个算法利用虚拟现实系统VR3800L提供的三维空间交互球(SPACEBALL)和鼠标，获得距离虚拟人体表面一定距离的一些点I(1-14)，把它们作为三维虚拟衣片边界上的一些点和中心点，如图5所示。该插值方法是利用虚拟现实系统VR3800L提供的三维空间交互球(SPACEBALL)和鼠标，获得距离虚拟人体表面一定距离的一些点I(1-14)，把它们作为三维虚拟衣片边界上的一些点和中心点，三维空间中的点，具有坐标(xi，yi，zi，ki)，其中ki是点与人体的间距。如图5所示，对每一条边，插值变量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；
k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每条边的两个端点；(xc，yc，zc，kc)是中心点；对于插值得到的每一个点，寻找人体模型上与它距离最近的点，计算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的点，(xmi，ymi，zmi)是模型上的点；下一步，假设人体表面是连续的，即(x，y)临近的点的z坐标相差很小，接着，用相应的距离最小的人体模型上的点的z坐标替换相应的插值点的z坐标，再加上相应的间距k，就得到了三维衣片内的点，并且这是符合人体轮廓的具有一定空隙的衣片，这样就得到衣内各点的(xi，yi，zi，ki)，如下图6所示。
在通过插值得到衣片内的点之后，将这些点Delaunay三角化，得到点之间的三角关系。Delaunay三角化是一种针对离散点三角化的方法，先介绍一下Voronoi图一组几何对象的Voronoi图是将值域分成一系列区间，每个空间包含的点与某一个几何对象的Voronoi图是将值域分成一系列区间，每个空间包含的点与某一个几何对象的距离小于其他的几何对象，如图7所示。给定一组平面点(1-10)，每个Voronoi多边形内的点与各个多边形包含的平面点的距离小于与其它平面点的距离；Delaunay三角化得到的三角形，并且这些三角形的外接圆内不包含给定的平面点，外接圆的圆心是Voronoi多边形的顶点。
Delaunay三角化是对二维平面点的三角化，在系统中它是对三维插值点的(x，y)坐标进行插值化，相当于对平面点(x，y)进行三角化，得到它们的三角关系，即一系列的三角形，将这种三角关系应用到三维点上，就得到了三维三角面片；如图8所示图左边是插值得到的衣片各点，图中间是未经改进的Delaunay三角化，由图所示Delaunay三角化默认对凸型区域进行三角化，由图所示Delaunay三角化得到的衣片有一部分位于衣片轮廓线之外，这是因为Delaunay三角化默认对凸型区域进行三角化，因此对于衣片上凹边，Delaunay三角化得到的三角形超出了边界。为了得到完全符合衣片轮廓线的三角面，结合课题的实际情况，对Delaunay三角化得到的三角形做了一些改进处理，去掉了衣片轮廓外的三角形；具体的判断条件是如果三角形的三个顶点都位于衣片轮廓线上，则将此三角形去掉，图8右面是改进后得到的衣片三角面。
如图9所示，是Delaunay三角化后得到的上前衣片；如图10所示，是Delaunay三角化后得到的前裙片；如图11所示，是Delaunay三角化后得到的后上衣片。
立体裁剪的优势在于能设计出对于平面裁剪来说比较困难的款式，比如加上褶、波浪、垂荡等式样，只是目前的系统功能还无法实现；至于悬垂，在设计系统时，也曾考虑过在衣片几何模型的基础上，生成衣片的粒子物理模型，从而得到悬垂的效果，这也是为什么用插值的方法得到衣片内的点，然后三角化生成衣片，通过同样的插值思想，也可以达到衣片矩形点阵，从而可以加上粒子模型，，因此系统后期是可以加入悬垂功能的，只是目前受时间和精力的约束，这部分工作还未展开；至于款式的变化，完全可以通过边界控制点来达到一定的要求，但该系统通过插值生成的是符合人体三维衣片，比较适合生成合体服装，要生成宽松类的服装，可能效果不大好，要换一种插值方法才能实现。
综上所述，在虚拟环境中利用鼠标和三维空间交互球选取并控制人体模型上的点，将之作为三维衣片边界上的点，结合相应的数据结构，得到三维衣片轮廓线的点、边、衣片结构，接着利用特定的插值方法生成边界内的点，然后使用经过改进的Delaunay三角化算法，得到了符合人体表面且具有一定空隙度的三维衣片，结果是令人鼓舞的。
权利要求
1.一种虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，具体步骤是①在虚拟环境中利用鼠标和三维空间交互球选取并控制人体模型上的点；②将上述选取的点作为三维衣片边界上的点，结合相应的数据结构，赋给三维衣片轮廓线的点、边、衣片结构；③利用插值的方法生成边界内的点，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并将之演示出来。
2.根据权利要求1所述的虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，其特征是该三维服装CAD系统包括PC机(1)、小型立体显示观察系统和三维空间交互球(2)，其中小型立体显示观察系统包括高档专业3D图形加速器(3)、红外中央控制发射器(4)、无线立体眼镜(5)，在该系统生成的的三维虚拟环境中，设计者引入美国TC2公司的三维人体测量系统的生成真实人体模型。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，其特征是是利用虚拟现实系统VR3800L提供的三维空间交互球(SPACEBALL)和鼠标，获得距离虚拟人体表面一定距离的一些点I(1-14)，把它们作为三维虚拟衣片边界上的一些点和中心点，三维空间中的点，具有坐标(xi，yi，zi，ki)，其中ki是点与人体的间距。对每一条边，插值变量u(0-1)，v(0-1)x(u)＝x1+u(x2-x1)，x(u，v)＝x(u)+v*(xc-x(u))；y(u)＝y1+u(y2-y1)，y(u，v)＝y(u)+v*(yc-y(u))；z(u)＝z1+u(z2-z1)，z(u，v)＝z(u)+v*zc-z(u))；k(u)＝k1+u(k2-k1)，k(u，v)＝k(u)+v*(kc-k(u))；其中，(x1，y1，z1，k1)，(x2，y2，z2，k2)是每条边的两个端点；(xc，yc，zc，kc)是中心点；对于插值得到的每一个点，寻找人体模型上与它距离最近的点，计算 其中，(xi，yi，zi)是插值得到的点，(xmi，ymi，zmi)是模型上的点；下一步，假设人体表面是连续的，即(x，y)临近的点的z坐标相差很小，接着，用相应的距离最小的人体模型上的点的z坐标替换相应的插值点的z坐标，再加上相应的间距k，就得到了三维衣片内的点，并且这是符合人体轮廓的具有一定空隙的衣片，这样就得到衣内各点的(xi，yi，zi，ki)。
4.根据权利要求1或2所述的虚拟环境中设计三维贴体衣片的方法，其特征是对Delaunay三角化生成的三角衣片，去掉了位于三维衣片凹边外的部分。
全文摘要
本发明涉及一种新的三维服装CAD系统，它包括三维服装CAD系统其特征是，具体步骤是①在虚拟环境中利用鼠标和三维空间交互球选取并控制人体模型上的点；③将上述选取的点作为三维衣片边界上的点，结合相应的数据结构，赋给三维衣片轮廓线的点、边、衣片结构；③利用插置的方法生成边界内的点，然后Delaunay三角化，生成衣片的三角面片，并将之演示出来。利用该系统可以在三维虚拟环境中直接设计出三维贴体服装衣片。
文档编号G06F17/50GK1540555SQ20031010815
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年10月24日
发明者陆永良, 李汝勤, 冯毅力, 张瑞云, 纪峰 申请人:东华大学