專利名稱：分部位組合式三維參數化數字人臺構建方法
技術領域：
本發明屬于服裝設計學技術領域，涉及一種服裝用人臺的構建方法，特別涉及一種按照人體各部位的曲線變化特點，組合各部位，構建三維參數化數字化人臺的方法。
背景技術：
人臺是人體體型的標準模型。由于人種不同，體型分布也不同，如歐美人、日本人和我國的人體體型分布就存在著顯著差別。另外，現有的人體體型分類的慣用方法是通過人體的一些關鍵長度和圍度的尺寸將整個人體體型進行整體分類。比如我國國家號型標準GB/T 1335-1997中，將成年女子的胸圍與腰圍兩個尺寸作為服裝號型的基本尺寸，用胸腰差的大小來劃分人體體型。這種分類方法無法區分女性胸部、腰腹部、臀部等部位的圍度曲線形狀變化，即使胸腰差完全相同的三個同齡女性，其胸部、腰腹部和臀部的圍度曲線形狀也存在明顯不同的情況。若按照該分類方法劃分出的人體體型建立數字化人體模型，將無法真實反映女性圍度曲線特征及變化，更不能對產品形態人機參數的計算、選擇與確定起到評價與輔助決策的作用。
如果不按照人體體型對人臺進行區分，或以現有人體體型分類的方法設計人臺，就會使服裝企業生產的服裝型號不能和人體很好的適應，造成服裝的型號、數量、尺寸等方面不合理，產生浪費。
發明內容
本發明的目的是提供一種分部位組合式三維參數化數字人臺的構建方法，先按照人體曲線變化的關鍵部位分別分類，再按照各部位的不同類別組合構建參數化數字人臺，并通過各關鍵部位的參數來調節人臺，解決了現有方法構建的人臺與人體不能很好適應的問題。
本發明所采用的技術方案是，一種分部位組合式三維參數化數字人臺構建方法，根據人體尺寸數據選出描述人體曲線特征的基本部位；按各基本部位的曲線特征對各基本部位分別分類；將不同類別基本部位自由組合構成整體人臺，包括以下步驟，a)采集特定年齡段的人體表面數據，并對獲得的數據進行識別、分析、運算，得到人體各部位的長度和圍度尺寸數據；b)按照人體曲線變化規律及服裝設計的關鍵部位選擇人體基本部位，并確定基本部位數據；c)根據各基本部位的結構和形狀特點分別制定曲線特征分類指標，并按照分類指標分別進行分類；d)選擇原形體，按部位、分類別求出各分類指標的中間值，按中間值找到樣本中的人體原形；e)選取各基本部位特征截面位置，選取各截面曲線關鍵點位置；按照各基本部位的結構和形狀特點選取特征截面，定制決定特征截面曲線形狀的關鍵點，并按部位、分類別截取所有被測樣本的特征截面，讀取截面曲線上的關鍵點的三維坐標；f)對測得的數據進行水平調整；
判斷通過曲線的背側中點和面側中點的X、Y軸坐標是否為零，若不為零，則該數據即為需要回調的量；g)在各關鍵點與身高、圍度、對應部位各分類指標、被測體與對應原形體關鍵點坐標之差之間建立三維坐標的多元回歸方程，求解關鍵點三維坐標；h)利用回歸方程，根據各參數值計算待構建人臺的各關鍵點的三維坐標與原形體對應點坐標差值，然后加上原形體對應關鍵點坐標得到人臺實際點坐標；i)通過分層計算各特征截面曲線關鍵點的三維坐標，逐層利用關鍵點構建各特征圍度曲線，從而構成人臺。
本發明通過人體曲線變化的關鍵部位分別分類的體型分類方法明確區分人體的圍度曲線形狀類別，將各基本部位的不同類別組合，按照各自類別的計算公式計算出關鍵點坐標，構建參數化人臺，從而更加真實地反映現實人體的多種體型變化。通過本發明的人臺構建方法，可以實現計算機模擬人臺三圍曲線的合理變化，為實體人臺的設計制造，以及服裝等產品的計算機輔助設計軟件的開發提供技術參考，為服裝生產相關的企業提供更加可靠的方法和依據。
圖1是女體胸腰臀部圍度截面曲線圖，其中，a女體1胸圍截面圖，b女體2胸圍截面圖，c女體3胸圍截面圖，d女體1腰圍截面圖，e女體2腰圍截面圖，f女體3腰圍截面圖，g女體1臀圍截面圖，h女體2臀圍截面圖，i女體3臀圍截面圖；
圖2是本發明方法的流程示意圖；圖3是本發明方法中以女體為例基本部位胸、腰腹和臀部選擇的分類指標圖；圖4是本發明方法中胸腰部特征截面選取位置實例圖；圖5是本發明方法中胸部(胸上圍水平截面)關鍵點選取實例圖；圖6是本發明方法中給出的繪制人臺算法流程的實例。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
圖1是女體胸腰臀部圍度截面曲線，通過該圖可清楚地看出按照目前慣用的人體分類方法分出的屬于同一體型的女體的三維曲線形狀明顯不同，以此為基礎構建人臺必然會存在很大誤差。
本發明提出將人體按不同部位分別分類以區分人體圍度曲線的形狀，如圖2所示流程，a.采集人體表面數據并獲取人體各部位的長度和圍度尺寸數據。
可以利用非接觸式三維人體掃描儀掃描獲得足夠數量(大于500人)的特定年齡段的人體表面數據，利用自動測量軟件(通常是與掃描儀配套的軟件，如ScanWorX)對掃描獲得的數據自動進行識別、分析、運算，報告出人體各部位的長度和圍度尺寸數據，如表1所示。
表1ScanWorX軟件自動報告的人體各部位的長度和圍度尺寸數據
b.確定反映人體形狀的基本部位，選擇基本部位數據并分別存儲。
反映人體形狀的基本部位可按照人體曲線變化規律及服裝等產品設計的關鍵部位進行選擇，選的基本部位越多，構建的人臺越與人體接近，基本上主要確定胸部、腰腹部和臀部作為基本部位。
基本部位數據的選擇如下胸部數據有胸高、胸前高點水平距、胸后點水平距、前胸寬、乳間距、左肩頸點至乳峰點長、右肩頸點至乳峰點長、胸圍、胸腔帶圍、下胸圍、后背寬、背長；腰腹部數據有腰高、腰圍水平距、腹高、腹部前突點高、腹前突點水平距、腹后高點水平距離、腰節長、腰臀距、腰圍、左腰臀長、右腰臀長、腹圍、腹部前突圍；臀部數據有臀高、臀后突點高、臀前突點水平距、上臀圍、臀圍、臀部后突圍。
c.根據各基本部位的結構和形狀特點分別制定分類指標，并按照分類指標分別進行分類。
基本部位曲線特征分類指標，是按照人體的特征標志點與反應基本部位形狀的尺寸計算公式間的相關程度來進行選擇的，制定分類指標的方法如下首先，分別按照各部位形狀、形態的特點，利用以上測得的尺寸數據制定衡量其形狀、形態特點的比值或差值等形式的運算數據。例如為了反映女性胸部的不同形態，可以制定以下比值胸寬乳間距之比、胸前后背寬之比、胸圍與下胸圍之比、胸圍與乳間距之比、胸圍與前胸寬之比、胸前后點水平距之比、胸圍與胸腔帶圍之比。
其次，通過各部位的關鍵點數據(關鍵點的選取方法，如下e步驟所述)與制定的特征尺寸比值或差值之間進行相關性分析，選擇顯著性水平較大(如大于50％)的特征尺寸比值或差值作為分類指標。例如胸部選擇胸圍與下胸圍之比、胸圍與乳間距之比、胸圍與前胸寬之比、胸前后點水平距之比作為胸部形狀分類指標。
最后，利用快速聚類法(K-Means Cluster)，按照各部位分類指標，分別將各部位分為7或8類。
本發明中的分類指標是先通過各特征圍度的特征點數據來描述胸部形狀，經過對胸部特征尺寸與胸部數據之間進行相關性分析，選取相關系數較大的數據制定的，且選用的特征尺寸多采用比值形式，比以往的差值受身高等因素的影響較小，圖3所示是根據女性的結構和形狀特點制定的分類指標。
d.選擇原形體，按部位、分類別求出各分類指標的中間值，按中間值找到樣本中的人體原形。
可使用均值作為中間值。
e.按照各部位的結構和形狀特點定制特征截面，定制決定特征截面曲線形狀的關鍵點，并按部位、分類別截取所有被測樣本的特征截面，讀取截面曲線上的關鍵點的三維坐標。
特征截面選取位置如圖4所示，胸部選取胸上圍、胸上圍至乳峰距離中點、胸圍、乳峰點至下胸圍距離中點和下胸圍截面為特征截面。腰部選取腰圍、過臍點水平面、腹突圍為特征截面。臀部選取臀圍和臀突圍為特征截面。
如圖5所示是胸部(胸上圍水平截面)關鍵點的選取圖，截面曲線前方(即面部朝向)向下，比較左右兩邊，選取形狀較對稱、優美的一邊作為數據來源，另一邊的數據將通過對稱算法計算獲得。
例如女體胸部乳房形狀具有如下特點和規律(1)乳房上下隆起起點明顯。結合人體測量及服裝設計中的關鍵尺寸，將胸上圍和下胸圍作為兩條關鍵截面，這樣做也為日后在服裝CAD軟件中應用于服裝關鍵部位的制作創造了方便條件。
(2)乳峰點是構成乳房上下輪廓和左右輪廓的分界點。因此，胸圍線也被選作一條關鍵截面線。
(3)從胸上圍至乳峰點間曲線光滑，且約在其1/2處為曲線最為飽滿點。因此選擇胸上圍至乳峰曲線中點作為一條關鍵截面線。
(4)從乳峰點至下胸圍間曲線光滑，且約在其1/2處為曲線最為飽滿點。因此選擇乳峰點至下胸圍曲線中點作為一條關鍵截面線。
因此，本案對胸部圍度曲線形狀的提取是通過對胸上圍、胸上圍至乳峰曲線中點、胸圍、乳峰點至下胸圍曲線中點和下胸圍截面獲得，如圖4中對應胸部各截面位置所示。同理，根據腰部的形狀特點提取腰圍線水平截面、過臍點水平截面和腹突圍水平截面。臀部提取臀圍線水平截面和臀突圍水平截面。
為了真實描述被測人體各基本部位的圍度形狀，必須合理地選取決定曲線形狀的關鍵數據點也稱特征點。對于不同的圍度，關鍵點所在位置各異，但選取原則相似，即選取樣本曲線統一變化位置點。以胸部為例，胸部曲線變化豐富，對胸部各層圍度曲線而言，決定其形狀的主要部位是背部中線、肩胛骨高點、乳房以乳尖點位分界的左右弧線、前胸中點。因此，對胸部各層曲線的特征點選取均圍繞以上幾個部位。為了更細致地描述曲線，再在各曲線段內選取一個中間特征點，共11個點。以胸上圍線為例，介紹特征點選取方法。如圖5所示，使截面曲線前方(即面部朝向)向下，比較左右兩邊，選取形狀較對稱、光滑優美的一邊作為數據來源，另一邊的關鍵點數據將來通過對稱算法計算獲得。如圖5所示，自上方中心點開始選取H1至H11共11個點，各點說明如表2。
表2胸上圍截面曲線特征點選取說明
利用ScanWorX軟件，讀出關鍵點的三維坐標，并保存。
f.對測得的數據進行水平調整。
由于測量時部分被測者的站位存在一定范圍內的水平偏移。因此，在進行回歸分析前，先要對有偏移的數據進行水平調整。對數據偏移的判別是通過曲線的背側中點和面側中點的X、Y軸坐標是否為零決定的，若不為零，則該數據即為需要回調的量。
g.求解關鍵點三維坐標，通過在各關鍵點與身高、對應部位各分類指標、被測體與對應原形體關鍵點坐標之差之間建立多元回歸方程得到。
按部位、分體型分別在對應特征點坐標與原體形關鍵點對應坐標差值與身高、各分類指標(即參數)及主要圍度尺寸(其中胸部的主要圍度是胸圍，腰部的主要圍度是腰圍，臀部的主要圍度是臀圍)之間進行多元回歸分析，建立回歸方程。
如采用spss軟件進行多元線性回歸分析，建立胸型3的胸上圍截面曲線的特征點H1的三維坐標回歸方程，求其余所有點坐標的回歸方程建立方法與該點同理。具體步驟如下(1)在spss 12軟件中分類別輸入被測樣本的身高、胸圍、各分類指標值、樣本H1點的三維坐標與對應原形體的H1點的三維坐標差值。
(2)在spss 12軟件中使用Analyze->regression->linear命令，對數據進行多元線性回歸分析。
其中，特征點坐標與原體形特征點對應坐標差值為Dependent Variable，身高、胸圍、下胸圍、各分類指標值為Independent。分析結果如下表3所示表3H1點三維坐標值回歸分析表
(3)由以上分析結果，獲得H1點的與原形體對應點的三維坐標差值回歸方程組如下方程組1所示H1x＝-9.201+0.029*SG+0.061*XW-0.180*SPJ+0.100*XRJ+0.035*XQK-0.211*XXWB
H1Y＝-2.542+0.009*SG+0.030*XW-0.147*SPJ+0.054*XRJ+0.037*XQK-0.149*XXWBH1Z＝0.329+0.005*SG-0.005*XW-0.011*SPJ-0.013*XRJ+0.017*XQK-0.010*XXWB方程組1其中，公式中H1x，H1y，H1z分別為H1點的與原形體對應點的三維坐標差值；參數SG為身高；參數XW為胸圍；參數SPJ為胸前后點水平距差；參數XRJ為胸圍乳間距比；參數XQK為胸圍前胸寬比；參數XXWB為胸圍下胸圍比。
h.利用回歸方程，根據各參數值計算待構建人臺的各關鍵點的三維坐標與原形體對應點坐標差值，然后加上原形體對應關鍵點坐標即得人臺實際點坐標。
參數值即為特征點坐標與原體形特征點對應坐標差值、身高、各分類指標(即參數)及主要圍度尺寸(其中胸部的主要圍度是胸圍和下胸圍，腰部的主要圍度是腰圍，臀部的主要圍度是臀圍)。
如用方程組1計算身高為162.7，胸圍為80.1，下胸圍為69.7，胸前后點水平距差為21.5，胸圍乳間距比為49.44，胸圍前胸寬比為21.25，胸圍下胸圍比為11.49，則與原形體H2點對應點的坐標差值計算公式為H1x＝-9.201+0.029*162.7+0.061*80.1-0.180*21.5+0.100*49.44+0.035*21.25-0.211*11.49H1Y＝-2.542+0.009*162.7+0.030*80.1-0.147*21.5+0.054*49.44+0.037*21.25-0.149*11.49H1Z＝0.329+0.005*162.7-0.005*80.1-0.011*21.5-0.013*49.44+0.017*21.25-0.010*11.49用求得的差值與原形體對應坐標值相加即得人臺實際坐標。
i.按照計算所得的關鍵點繪制三維人臺。
根據關鍵點構建人臺，通過分層計算各特征截面曲線關鍵點的三維坐標，逐層構建各特征圍度曲線。
通過計算所得的關鍵點坐標繪制人臺的方法有多種，可采用線框模型或曲面模型。線框模型又可分為通過特征點的直線段線框、曲線線框和不通過特征點的擬合曲線線框。
例如，以最為簡單的直線段線框為例，繪制人臺的算法流程如圖6所示。其中，“設置畫線線條”主要設置畫線線條的顏色、粗細等屬性；“設置畫線模式”主要設置OpenGL圖形系統的幾何繪元，有獨立點模式、線段模式、三角型模式、四邊形模式和凸多邊形模式等，這些模式可以通過OpenGL函數的參數進行設置，如glBegin(GL_POLYGON)，其中參數GL_POLYGON將畫線模式設為凸多邊形模式。
本發明實現三維參數化數字人臺的建模方法，可用于服裝用人臺的設計與制作、三維服裝CAD軟件的設計開發、服裝的定制生產，以及在英特網上進行網上試衣、展銷等與人體軀干部體型及圍度曲線相關的應用領域。
權利要求
1.一種分部位組合式三維參數化數字人臺構建方法，根據人體尺寸數據選出描述人體曲線特征的基本部位；按各基本部位的曲線特征對各基本部位分別分類；將不同類別基本部位自由組合構成整體人臺，其特征在于，包括以下步驟，a)采集特定年齡段的人體表面數據，并對獲得的數據進行識別、分析、運算，得到人體各部位的長度和圍度尺寸數據；b)按照人體曲線變化規律及服裝產品設計的關鍵部位選擇人體基本部位，并確定基本部位數據；c)根據各基本部位的結構和形狀特點分別制定曲線特征分類指標，并按照分類指標分別進行分類；d)選擇原形體，按部位、分類別求出各分類指標的中間值，按中間值找到樣本中的人體原形；e)選取各基本部位特征截面位置，選取各截面曲線關鍵點位置；按照各部位的結構和形狀特點選取特征截面，定制決定特征截面曲線形狀的關鍵點，并按部位、分類別截取所有被測樣本的特征截面，讀取截面曲線上的關鍵點的三維坐標；f)對測得的數據進行水平調整；判斷通過曲線的背側中點和面側中點的X、Y軸坐標是否為零，若不為零，則該數據即為需要回調的量；g)在各關鍵點與身高、圍度、對應部位各分類指標、被測體與對應原形體關鍵點坐標之差之間建立三維坐標的多元回歸方程，求解關鍵點三維坐標；h)利用回歸方程，根據各參數值計算待構建人臺的各關鍵點的三維坐標與原形體對應點坐標差值，然后加上原形體對應關鍵點坐標得到人臺實際點坐標；i)通過分層計算各特征截面曲線關鍵點的三維坐標，逐層利用關鍵點構建各特征圍度曲線，從而構成人臺。
2.根據權利要求1所述的人臺構建方法，其特征在于，所述步驟b中的基本部位至少包括胸部、腰腹部和臀部。
3.根據權利要求1所述的人臺構建方法，其特征在于，所述步驟c中的基本部位曲線特征分類指標，是按照人體的特征標志點與反應基本部位形狀的尺寸計算公式間的相關程度來進行選擇的，包括以下步驟，首先，分別按照各部位形狀、形態的特點，利用獲得的尺寸數據制定衡量其形狀、形態特點的比值或差值的運算數據；其次，通過各基本部位的關鍵點數據與制定的特征尺寸比值或差值之間進行相關性分析，選擇顯著性水平大于50％的特征尺寸比值或差值作為分類指標；最后，利用聚類法，按照各基本部位分類指標，分別將各部位分類。
4.根據權利要求2所述的人臺構建方法，其特征在于，所述步驟e中的各基本部位特征截面的選取，是按照各基本部位的橫向和縱向曲線變化特點確定，胸部至少選取5條基本線，胸上圍、胸上圍至乳峰曲線中點、胸圍、乳峰點至下胸圍曲線中點和下胸圍；腰部至少選取3條基本線，腰圍、過臍點水平面、腹突圍，臀部至少選取2條基本線，臀圍和臀突圍。
5.根據權利要求1所述的人臺構建方法，其特征在于，所述步驟e中選取各截面曲線關鍵點，是選取樣本曲線統一變化的位置點，先選取影響曲線形變光滑優美的一側數據點作關鍵點，再通過對稱計算獲得另一側關鍵點。
全文摘要
本發明公開了一種分部位組合式三維參數化數字人臺構建方法，根據人體尺寸數據選出描述人體曲線特征的基本部位；按各基本部位的曲線特征對各基本部位分別分類；將不同類別基本部位自由組合構成整體人臺。本發明中人臺的構建是通過各部位的特征圍度截面上的多個關鍵點描述的，各關鍵點通過參數回歸方程求得，因此可以達到通過參數調節人臺各部位的體型、尺寸的目的。為現代服裝、人臺以及人機工程設計減少設計成本，縮短設計周期，同時獲得更加滿意的效果創造了條件。
文檔編號A41H5/00GK101013508SQ200710017408
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月12日 優先權日2007年2月12日
發明者谷林, 張欣 申請人:西安工程大學