三维虚拟试衣系统的相关技术及发展

何宇雯 尚笑梅

摘 要：对三维虚拟试衣系统的应用现状及国内外发展做了总结，比较了三维虚拟试衣系统与二维虚拟试衣系统的特点，简要介绍了三维虚拟试衣系统的相关技术构成，包括三维人体测量技术、人体建模技术、三维虚拟试衣操作技术。分析了现阶段存在的难点，提出今后系统发展的方向，及对三维虚拟试衣系统的展望。

关键词：三维虚拟试衣;人体测量;人体建模

中图分类号：TS941.17              文献标识码：A          文章编号：1674-2346（2019）02-0025-05

0    引言

随着数字化与计算机交互应用的快速发展，在服装消费领域，人们越来越青睐于“便捷购物”模式，其中最具代表性的就是“网购”这一消费模式。与在特定商场购物相比，方便快捷、省时省力是服装网购的最大优点。[1]但足不出户的消费方式也带来了新的问题，由于在购买前难以接触到服装实物，导致顾客最终的穿着效果与其预期产生较大偏差。差评率高、退货率高也是服装网购这一消费模式带来的最大问题。另外，实体店购买的消费模式也存在选择困难、试衣繁琐等问题，为了优化这些因素带来的购物体验，三维虚拟试衣系统应运而生。

三维虚拟试衣系统，简单来说就是根据用户所测得的人体三维数据，以计算机为辅助工具，建立人体三维模型，[2]并构建相应的服装衣片模型，使顾客能够在不接触服装实物的情况下，根据自己的喜好，方便快捷地更换不同的服装，得到相应的着装立体效果模拟图。[3]

当下，三维虚拟试衣系统是新兴的、服务于电子商务的实时互动平台，也是为顾客在实体店购买提供兼具娱乐性与便捷性的平台。一方面，虚拟试衣系统的不断发展为顾客提供了更多便利，大大减少了顾客在网购时因担心服装不合身或达不到预期效果而犹豫是否购买的顾虑;另一方面，在实体购买模式下，虚拟试衣系统不仅为商家减少人工成本，也给顾客提供更加方便精准的服务：顾客只需站立在由三维虚拟试衣技术支持下的试衣镜前，动动手指就能方便地更换不同款式的服装，并选择合适的尺码，减去反复试衣的繁琐。

三维虚拟试衣系统在国外的发展更为成熟。应用较为广泛的三维虚拟试衣系统有瑞士MIRALab实验室研发的MIRACloth系统，法国力克公司的E-Design系统，以及加拿大PAD公司开发的跨平台系统等，[4]大大扩展了虚拟试衣的应用范围，也为消费者带来便利。

国内对三维虚拟试衣系统的研究尚处于探索阶段，大部分还处于二维虚拟试衣阶段，具有代表性的试衣网站有face72、和炫试衣等。如东华大学、北京服装学院等都在积极探索三维虚拟试衣领域。

1    3D与2D虚拟试衣的比较

在目前市场上，二维虚拟试衣系统的应用相比较于三维虚拟试衣会更加普遍一些。国内外一些发展较为成熟的购物网站都相应推出了二维虚拟试衣系统，通过顾客自己对自身体型的大致描述，由系统自动生成的模特来完成试衣过程。虽比单纯的图片展示直观，但由于其精确度不够高、效果不够逼真、技术不够成熟等缺陷，容易给顾客带来呆板的体验，这也是不能被广泛应用的主要原因。对整个服装市场而言，二维虚拟试衣系统带来的经济效益并不大。

二维虚拟试衣的种种不足也让研究者致力于对三维虚拟试衣系统的开发。三维虚拟试衣系统将试衣过程细分为人体数据测量、人体建模、服装仿真以及展示等几个部分，每个部分都有相应的技术支持，在拥有二维虚拟试衣优点的基础上，更是大大提升了精确性与逼真性，拥有高效便捷、娱乐与实用并兼、个性化突出等优点，[5]使其应用更加灵活，市场前景更加广阔。

2    三维虚拟试衣系统的技术构成

三维虚拟试衣系统的技术框架，如图1。

2.1    三维人体测量技术

三维人体测量是三维虚拟试衣系统的基础，有了精确的数据支撑，才有了建立人体模型的可能。三维人体测量技术从刚开始的接触式、二维测量等发展到现在的非接触式、三维测量等，且还在不断向着自动测量及计算机分析方向发展。[6]传统的接触式手工人体测量法虽然简单，但耗时太久，而且不稳定因素多，精确度不够高;非接触式三维测量方法方便快捷，所得数据更加精准。

目前，在三维人体测量方面，应用较为广泛的有莫尔条纹法、激光测量法、立体摄影测量法等。[7]

莫尔条纹是指光在通过光栅时发生干涉或衍射得到的条纹。[8]莫尔条纹测量就是指通过对莫尔效应在被测物体表面形成的特殊条纹获取测量信息的方法。在人体三维测量中，莫尔条纹法就是利用这种轨迹来进行人体测量，通过图像分布规律推演出人体轮廓数值。这种方法更适用于人体曲面的测量，但存在测量数据精确度不够高的问题。为了改进这一不足，研究者提出了投影光栅相位测量技术，[9]简单来说就是向被测者投射一定的光，人体表面对该光进行调制使其发生形变变化，可利用相机记录变化后的條纹，通过相关规则来确定被测者的三维数据。在人体三维测量技术中，莫尔条纹测量法属于最早应用的一种，也为后来不断发展起来的新的测量方法奠定了基础。

激光测量法是利用激光测距仪来进行人体数据测量的方法，根据激光发射和反射的时间计算出与被测物体之间的距离。激光测量法通过多个激光测距仪来收集数据，在不同位置对被测者进行数据测量。计算机通过测距仪接收到的反射光的时间、位置、角度等，同步计算出被测者人体表面各点的坐标值，进而测得人体表面的所有有效数据。[10]此方法大大提高了数据精确度，但成本较高，而且需要被测者保持较长时间的静止，容易给被测者带来心理压力。

立体摄影测量法是一种利用被测物体的立体像来对模型进行摄影测量的方法。利用2台摄影机对被测者进行不同方位的摄影，通过计算机分析得到人体表面同一点在不同摄影图像上的对应关系，并得到该点的具体三维坐标，可分为主动式与被动式2种测量系统。此方法在三维人体测量过程中包括：人体表面图像的获取、数字信号转化与处理、系统定标、完成人体轮廓图像的采集与处理并进行数据计算。[11]但是这种方法对凹面的测量精度不高，故使用范围比较有限。

2.2    三维人体建模技术

通过对三维人体测量得到的有效数据进行计算机处理，模拟出人体3D形态，这是三维虚拟试衣系统的第二大关键技术。三维人体建模是一种以图像为基础不断发展起来的人体三维建模方法，由线框建模、实体建模到曲面建模，三维人体建模技术不断提高。

线框建模法应用相对较早，也是CAD几何框架模型构建技术中应用最早的建模方法。该方法利用人体表面的一些特征性点、线、弧，构建人体框架模型，所需要的参考数据较少，计算量相对较小，操作过程简易方便，但随着三维建模技术的不断发展，线框建模也渐渐暴露出它的缺点，线框模型多采用直线来勾勒，所涵盖的信息有限，无法进行剖面处理，对曲面描述不足，在人体建模中所建立的三维人体模型真实感较差。[12]但线框建模作为三维人体建模的基础，仍不可或缺，此方法比较适用于人体骨骼模型的建立。

实体建模是计算机通过对基本体积元素进行集合运算，减少运算难度，并生成相应形体的一种建模技术。实体建模不仅能够建立框架模型，还能建立物体内部的结构形状模型，因此比线框建模更能够完整地表达物体信息，包括物体的点、线、面、体的信息。这种建模方法还能判断可见边，进行消隐或显示操作。常用的实体建模法包括体素法、扫描法以及空间单元表示法等，三者的特点如表1所示。在构建人体模型时，实体建模法相比较于线框建模在真实感方面有了大大提升，且剖切操作方便，但对人体曲面形态拟合性较差。[13]

曲面建模又称NURBS建模，是专门用于建立曲面物体模型的一种方法。曲面建模通过不同曲线关系构建相应的曲面，将人体表面划分成多块曲面，通过拼接的方法构建三维人体模型，具有运算速度快等优点。其中，曲面建模也包括三角曲面法、B样条曲面法、散乱点插值法等，三者的特点如表2所示。目前，应用较为广泛的是B样条曲面法。B样条曲线是贝塞尔曲线的一种，非常灵活，曲线形状随顶点的变化而变化，[14]通过对顶点的控制，可以使B样条曲线完美刻画人体不同部位。曲面建模对于建立人体皮肤模型方面有着绝对优势，相比较于前两种建模方式，曲面建模得到的人体模型会更加流畅。

2.3    三维虚拟试衣操作技术

三维虚拟试衣操作技术是整个系统的核心。虚拟试衣操作包括服装型号的选择、款式以及面料的选择、色彩搭配等。[15]三维虚拟试衣操作的关键技术包括面料仿真、虚拟缝合以及试穿效果展示3部分。

面料仿真包括服装质感仿真以及服装悬垂性仿真。[16]对真实的服装面料进行计算机数字化操作，扫描达到相应要求。几十年来，国内外研究者都致力于研究这方面，研究出了许多算法和建模方法，其中包括几何建模和物理建模2种方法。[17]几何建模重在对服装本身外观的表达，在相关几何、拓扑信息基础上建立服装模型，关键及难点就在于服装外观造型的表现，包括其褶皱性等;物理建模重在对服装力学及运动过程的表达，对相关节点、节点与节点间的关系等分别建模。基于质点弹簧模型的物理建模方法也是目前面料建模应用最为广泛的一种方法。[18]服装面料不同的原因之一是纱线织造方式的不同，[19]根据面料织物的各向异性特征，将各质点由不同的弹簧连接，中心质点与其周围的质点建立相关连接，真实地模拟面料，且连接的相邻质点越多，面料仿真效果越好。未来要不断加快这些方面的研究才能将三维虚拟试衣系统推向更深入的发展。

面料是服装的载体。在三维虚拟试衣系统中，将三维人体模型与面料模型结合起来，通过缝合裁片，实现虚拟试衣。虚拟缝合过程包括预先设定缝合信息，即缝合对位关系;衣片初始位置摆放;施加缝合力;质点位置设置;缝合结束以及三维转化等。[20]在虚拟缝合中，关键性操作是将二维衣片进行网格化剖分操作，将包含缝合对位信息的二维衣片进行四边域划分，生成具有质子弹簧结构的柔性曲面网格。[21]

虚拟试衣系统的最后一步是对试穿效果进行展示。将设计的虚拟服装试穿在三维人体模型上，进行静态与动态的效果展示，[22]能够让試穿者更加直观地感受到服装面料质感、悬垂性、颜色、图案等的表现效果，对实体服装作真实的还原，方便快捷地为顾客提供参考及精准服务。

3    技术难点及发展方向

目前三维虚拟试衣技术还存在以下难点，笔者在研究的基础上提出一些未来三维虚拟试衣系统的发展方向：1）三维人体测量数据的存储问题。每个个体都有自己独一无二的人体尺寸数据，这些数据如何保存也是接下来的研究需要解决的一个问题。笔者认为数据存储不仅可以使顾客避免在以后的试衣过程中再次进行繁琐的测量过程，另一方面也方便商家或研究者对数据进行统计分析，设计出更符合大众体型需求的服装。[23]随着电子信息的发展，未来计算机配置及内存的不断提高有望解决这一问题。2）三维人体测量在网购时的智能化应用。随着“试衣魔镜”的开发和应用，在服装实体店，顾客站在试衣镜前系统就能自动扫描出人体数据;然而在网购过程中，人体数据测量并不方便，如何实现服装网购的高智能化三维人体测量也是接下来需要完善的一方面。笔者认为顾客可以通过线下平台进行三维人体测量，将得到的尺寸数据上传给商家，再进行一系列操作，但此方法较为繁琐;葛彦等[24]运用照相人体测量法，对拍摄结果进行分析，得到相应长度尺寸，通过相关回归方程计算得到人体围度尺寸，并验证了数据可靠性。随着网络技术的发展，提高网购人体测量的便捷性及智能化也可以通过摄像技术来完善：顾客在互联网一端完成相应的照相要求，商家或第三方平台通过相关算法及公式计算得到顾客的所有相关人体数据。3）三维人体建模繁琐。直接建模需要专业性极强的相关人员以及较高成本的设备支持;由于人体表面比较复杂，单一的线性放缩不能满足建模需求，而模型重建法实时性又比较差。笔者认为可将人体建模拆分成人体骨骼以及皮肤2个方面的建模，各自采用相对简易的建模方式并进行结合，在构建面料模型时，可多考虑一些外部影响因素（温度、湿度等），提高模型精确性。4）虚拟服装仿真性不够。[25]数字化处理的服装面料会与实物存在一定差异，无论是质感还是悬垂性都难以达到完全真实的状态。且为了达到更加逼真的状态，采用物理建模法对面料进行建模，往往会存在计算量过大以及质点弹簧模型存在超弹性和抖动现象。由于服装面料的纤维呈非连续状态，所以可以考虑离散方法进行模型的建立。5）在虚拟缝合中，缝合信息不够精确，自动化程度偏低。整个虚拟缝合过程需要相关专业的人员和专门的交互软件设定详细的缝合信息才能完成，未来研究方向也可致力于相关软件的开发和应用。

4    总结与展望

随着计算机交互科技的发展，三维虚拟试衣系统必将进军服装行业，提高服装销售的效率，增加电子商务的效益。三维虚拟试衣系统目前还不成熟，有待解决的技术难点与缺陷仍然存在。研究者们仍然需要在已有技术的基础上探索出更高效的新方法。三维虚拟试衣系统是一个庞大且需要不断完善的系统，它能將服装消费的整块内容整理成一条秩序井然的长链，从数据采集、建模、虚拟缝合到最终试穿展示。三维虚拟试衣是时代发展下的产物，也将为未来实现服装个性化定制奠定基础。目前，三维虚拟试衣系统还处于探索阶段，属于新兴产物，而据调查研究发现，对于新鲜事物，75.2%的人都乐意接受，这就利于三维虚拟试衣系统的推广，[26]也意味着三维虚拟试衣系统拥有广阔的市场前景。随着科技的进步，未来它也将成为服装实体店及网购中不可或缺的一部分。

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Abstract： This paper summarizes the application status and development of 3D virtual garment fitting system， compares the characteristics of 3D and 2D virtual garment fitting，and briefly introduces the related technical composition of 3D virtual garment fitting system，which includes 3D anthropometric techniques，human body modeling techniques，and 3D virtual fitting operation techniques.The paper analyzes the difficulties at the current stage，puts forward the direction of future development，and looks forward to the prospect of 3D virtual garment fitting system.

Key words： three-dimensional;virtual fitting;anthropometric measurement;human body modeling