[發明專利]一種三維掃描服裝重構與重用方法

有效

• 申請號: 201710147790.X
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN107025688B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 鐘躍崎;李端;毋戈
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G06T19/20
• 分類號: G06T19/20;G06T15/30;G06T17/30
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

1.一種三維掃描服裝重構與重用方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、掃描服裝表面網格的拓撲重排，獲得三維掃描服裝，三維掃描服裝采用三角形網格拓撲結構；

步驟2、將三維掃描服裝通過裁片分割，構造縫合關系，裁片分割遵循以下原則：

原則一、對于無袖上衣，將三維掃描服裝模型切割為前后兩片；

原則二、對于有袖上衣，將三維掃描服裝模型的衣身部分按照真實服裝的縫合關系切割為前后兩片，同時將三維掃描服裝模型的袖子部分切割為前后兩片；

原則三、對于褲裝，分為前后左右四片；

原則四、對于無袖裙裝按照原則一實施切割，對于有袖裙裝按照原則二實施切割；

步驟3、根據試衣模特的姿態和體型，通過手工以旋轉和/或平移裁片的方式，將步驟2得到的三維掃描服裝的各個裁片在試衣模特表面進行排放；

步驟4、建立三維掃描服裝物理仿真模型：

采用結合應力應變關系的力學模型，求解三維掃描服裝的各三角形單元的面內變形，并采用基于兩面彎曲角表征的彎曲力計算方法，對于求解過程中的未知參數，采用最小化目標函數的方法求解，從而建立一個與真實服裝面料在力學行為上高度接近的織物模型，作為三維掃描服裝物理仿真模型，包括以下步驟：

步驟4.1、面內受力模型

采用三維掃描服裝的三角形單元作為基本的受力單元，其面內的應力應變關系分別包括經緯方向以及剪切方向，沿著經、緯方向建立正交歸一的參數化坐標系，其基準矢量在三維世界坐標系中以U和V表示，每個三角形單元由頂點的二維參數坐標(u_a,v_a)、(u_b,v_b)、(u_c,v_c)來描述，變形單元的當前位置由頂點的三維世界坐標p_a、p_b、p_c定義，其動態情況下的速度坐標為p'_a、p'_b、p'_c，將參數坐標的基準矢量(1,0)和(0,1)看作是與平移無關的三個頂點參數坐標的權重之和，計算得到三個頂點所對應的權重值w_ui及w_vi，i∈(a,b,c)，(a,b,c)為為三角形單元的三個頂點編號，在仿真過程中，變形后的三維矢量U和V用當前頂點位置p_i與權重的乘積之和計算如下：

格林-拉格朗日應變張量G由UV表征如下：

式中，I為單位矩陣；

對任何三角形單元Δp_ap_bp_c中的粒子j，其面內受力F_j由三角形單元相對于粒子位置p_j的總彈性能W在經向、緯向以及斜向分量進行差分得到：

式中，a_t為為三角形單元的面積，σ_uu為緯向應力分量，σ_vv為經向應力分量，σ_uv為斜向應力分量；

步驟4.2、面間受力模型

對于共享一條邊的兩個三角形，構造其彎曲力F為產生純彎曲變形的兩面角的函數：

式中，u_i表征折疊過程中的運動模式；N₁、N₂為基于面積權重的法向，N₁＝(x₁-x₃)×(x₁-x₄)，N₂＝(x₂-x₄)×(x₂-x₃)，x₁、x₂、x₃、x₄為構成兩面角的兩個三角形的四個頂點坐標；E＝x₄-x₃為兩個三角形的公共邊的矢量；F_i^e為彈性分量，F_i^d為粘性分量；k_e為彈性系數；

為了保持固有變形形態，令彎曲兩面角的初始值θ₀≠π，即有：

式中，θ₀為來自于掃描成型時刻的相鄰三角形間的夾角，該值不為0則意味著形狀的保持；

步驟5、三維掃描服裝的重用過程，包括：

步驟5.1、三維掃描服裝裁片的虛擬縫合仿真

參考步驟2得到的相應縫合邊上的縫合關系，每一對待縫合的質點間的縫合力f_sew采用如下形式表達：

式中，C_sew為[0,1]之間的無量綱系數，用于調節縫合過程的快慢，x_ab為待縫合的兩個質點a和b之間的距離矢量；

步驟5.2、三維掃描服裝的虛擬懸垂仿真

縫合完成的三維掃描服裝，還需在重力作用下自然懸垂在試衣模特表面，完成最終的試衣效果展示，在這個過程中，外力只有重力G和服裝與人體之間的摩擦力f_c，分別為：

G＝mg，式中，m為質點的質量，g為重力加速度；

f_c＝-μN，式中，μ為服裝與人體表面的摩擦系數，N為作用在質點上的法向力；

步驟5.3、仿真計算

在建立了步驟5.1及步驟5.2的各種力學模型之后，三維掃描服裝裁片首先經過虛擬縫合成型，然后再通過懸垂計算獲得最終的三維懸垂形態，此時，虛擬服裝的運動方程表示為：

式中，M為服裝模型各頂點構成的質量矩陣，f(x,v)為合力矩陣，x為頂點位置矩陣，v為頂點速度矩陣；

定義x₀＝x(t₀)，v₀＝v(t₀)，Δx＝x(t₀+h)，Δv＝v(t₀+h)-v(t₀)，x(t₀)為t₀時刻的位置，v(t₀)為t₀時刻的速度，h為時間步長，采用隱式積分表達，用共軛梯度法求解下面兩個方程：

Δx＝h(v₀+Δv)；

其中涉及三角形Δp_ap_bp_c中任意質點i和質點j的彈性雅可比矩陣具有如下形式：

式中，Φ＝(uu,vv,uv)，m∈(uu,vv,uv)，n∈(uu,vv,uv)，σ_m為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應力分量(uv)的不同取值，ε_m為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應變分量(uv)不同取值，ε_n為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應變分量(uv)不同取值；

忽略彈性雅可比矩陣中應變率對粒子位置的依賴性，從而將彈性和粘性項徹底地分解開來，該逼近方案在非常大的變形下也不會影響雅可比矩陣的精確性，對于粘性的雅可比矩陣采用同樣的做法，通過前述的參數坐標系得到這兩者的雅可比矩陣求解方法：