人体三维重建（二）——AR/VR应用

近年来，随着计算机硬件设备性能的不断提高以及三维软件技术的蓬勃发展，三维数据的生成与处理难度已经大幅度下降，与此同时，人们对于三维数据的兴趣也开始日益增加。三维数据，相比于文本、图像、视频等其它数字媒体媒介，具有更加丰富的立体呈现，与三维世界更为贴合。在多种三维数据中，三维人体与服装是最常见的三维数据，也一直是计算机图形学领域的重点研究对象，目前已被广泛用于电影、游戏、服装设计、虚拟试衣等领域。

三维人体与服装在影视中的应用

从第一部三维动画长片《玩具总动员》(1995)（如图1(a)）诞生起，三维人体与服装建模已经在三维电影领域中发展了近三十年，期间不断发挥着重要的作用。去年，一部CG（ComputerGraphic，计算机图形）与真人结合的三维电影《阿丽塔：战斗天使》为观众带来了震撼的视觉体验。该电影使用了大量的三维建模技术。电影的主角是一个名为阿丽塔（如图1(c)）的虚拟角色，但是该角色精细的人物细节几乎使人难以区分这是真人还是CG模型。这背后是维塔工作室顶级的人体建模技术。为了真实地表现阿丽塔的眼睛，制作团队使用了多达830万个多边形来建模眼睛虹膜。此外，逼真的三维服装则进一步提升了虚拟角色的真实感与视觉效果。在动画电影《冰雪奇缘》中，主人公穿着的民俗服装别具北国特色，其中最惊艳当属女主的魔法长裙，以其灵动飘逸的模拟效果为观众带来了一场特别的视觉盛宴，如图1(c)所示。

建立角色的三维模型是第一步，只有让三维模型动起来才能够真正为角色赋予生命。早期的角色动画依赖于动画师使用Maya等三维动画软件为角色手动设计动作，虽然耗费了大量精力，但是仍然无法真实而又自然地重现角色动作。动作捕捉技术的出现大大改变了这一现状。当前，动画制作公司广泛采用动作捕捉技术来捕捉并数字化真实演员的动作（包括角色表情），随后将这些动作迁移给虚拟角色，从而为这些虚拟角色赋予十分丰富、真实而又细腻的动作表演，如图1(d)所示。

图1 三维人体与服装建模在三维电影中的应用

三维人体与服装在游戏中的应用

由于游戏的交互性需求，游戏中的人物需要快速变形至特定姿态，同时需要实时的服装模拟。但是受限于客户端的硬件性能，三维游戏通常优先选择游戏体验感，而非画面真实感，例如早期的三维游戏《反恐精英》（图2(a)），基本忽略了角色服装的褶皱细节与动态模拟效果。近年来，随着硬件性能的不断提高以及三维技术的发展，出现了许多追求高质量画面的游戏，例如2020年的《赛博朋克2077》（图2(b)）。除了传统的三维游戏，体感游戏的出现则为玩家带来了新的游戏体验。他们依靠传感器（如Kinect）感知人体的三维肢体动作，进而来控制游戏中的虚拟人物运动，例如舞蹈类游戏《JustDance》（图2(c)）。

图2 三维人体与服装建模在游戏中的应用。

三维人体与服装在服装辅助设计中的应用

在服装设计领域中，早期的服装设计需要设计师具备多项专业技能，比如制版、放码、缝合等。服装设计师需要手工设计并裁剪服装裁片，最后将其缝合成成衣。该过程不仅制作周期较长，同时在成衣制作完成之前，设计师都难以看到服装缝合后的整体样式。

三维服装辅助设计的出现则改变了这一现状。对于一般的虚拟服装设计制作流程，首先设计二维服装裁片并进行网格化，随后将其缝合并试穿到标准姿态的虚拟人体身上，并对服装进行布料物理模拟，生成真实的服装悬垂状态与褶皱细节，最后经过渲染呈现出试穿后的效果。目前已成功商用的三维服装设计软件包括OptiTex（图3(a)）、日本DigitalFashion公司的DressingSim以及韩国推出的MarvelousDesigner（图3(b)）、CLO3D等。

除了静态的服装设计，这些三维服装设计软件能够支持人体运动数据导入，从而展示角色的动态着装效果。相比于传统的服装设计，三维服装设计软件能够为设计师节省大量人力与时间成本，并且缩短了服装从设计到成衣展示的周期。但是在实际操作时，仍然需要大量的手动交互。例如设计一件T-shirt的原型，即使是最简单的样式，通常也需要耗费至少30分钟至1小时。另外，对虚拟服装的复用成本也相对较高，例如服装模型的缝制一般都是在特定姿态、体型的人体模型（一般为T-Pose的标准人体）进行，当将服装试穿到其它人体模型进行个性化服装定制时，又需要设计师的大量手工调整工作。

图3 商业服装设计软件的交互式界面。

三维人体与服装在虚拟试衣中的应用

在网络购物迅猛发展的今天，用户只要动动手指就可完成购物操作。一方面，网络购物可以随时随地操作，不受营业时间限制，另一方面，网络购物平台的运营成本较低，使得商品价格更具有竞争优势。在所有的网购商品中，服装类商品占有较大比例。但是由于服装类商品的特殊性，在大量服装类商品订单的背后，是居高不下的退货率。

以国内的天猫商城为例，服装类商品的30天平均退货率高达15.07%。除去商品本身的质量问题，究其原因主要有两点：第一，网购的服装与购买者的身材不符合，目前购买者只能通过简单的身材-尺寸对照表来选择服装尺码。虽然对照表中给出了其它的人体身材参数，但是购买者基本仅关注于“身高”这一指标。第二，购买者在试穿完网购服装后，发觉着装的视觉效果远远低于预期。高水平线的退货率不但无故增加了商家的人力成本，也消耗了消费者的精力，更是造成社会物流资源的极大浪费。而虚拟试衣目前看来是解决服装类商品高退货率的一个极具吸引力的解决方案。

图4 现有的商业虚拟试衣产品。

业内从很早开始就对虚拟试衣应用进行了探索。德国弗劳恩霍夫学会开发出一套“网上试衣间”系统。他们首先利用手持式三维激光扫描仪对顾客体型进行扫描，随即利用扫描数据生成用户的虚拟三维人体。用户可将服装厂商提供的服装模型试穿到该虚拟人体身上。此外，用户还可通过鼠标操作交互式地调整人体姿态，方便查看服装是否合身。

著名的在线试衣网站My Virtual Model（MVM）也开发了一套在线试衣系统，用户通过输入身高、体重、三维等信息生成一个虚拟的人体模特，接着将预先设置的三维服装试穿到该人体上展示着装效果。与此同时，通过对人体与服装尺寸的分析，该网站能够显示出当前服装是否合身的二值判断。这一模式也被后续的很多服装品牌厂商所沿用，例如优衣库推出的4D试衣间（如图4(a)）以及瑞典的H&M公司推出的在线试衣间等等。

除了数字化的虚拟试衣，国内创业公司好买衣则推出了自家的试衣机器人，用户通过输入人体关键部位的参数，试衣机器人便能够通过变形来拟合用户的身材曲线，随后可以将真实服装试穿到试衣机器人来模拟实际的试穿效果，该方案避免了对三维服装进行模拟，但是由于其硬件设计的限制，目前的试衣机器人对于体型模拟效果较差、精度较低，同时实体机器人的造价较高，并不利于大规模推广。

和炫试衣系统是国内为数不多的三维试衣软件。该系统通过加载不同的人体模型，并将预先设置好的三维服装试穿到人体模型上。用户可输入一些参数，如腰围、胸围等人体模型进行调整。

其它国内的虚拟试衣平台还包括淘宝试衣间、天猫魔塔、深圳云之梦的虚拟试衣间（如图4(b)）等等。但是这些虚拟试衣平台或多或少存在着诸如真实感模拟效果差，交互体验感不佳等问题。

综上所示，虽然三维人体与服装建模已经发展了很多年，但是仍然可以感受到业内对于三维人体与服装建模进一步发展的迫切需求。特别是在服装设计和虚拟试衣应用中，其中涉及到的相关技术仍有巨大的提升空间与研究价值，值得进一步挖掘与探索。列举出三个具体的研究热点与技术难点：1）快速、低成本以及准确的三维人体模型重建方法研究，包括三维姿态与人体几何形状模型；2）虚拟服装试穿，即快速、稳定地将服装试穿到不同体型、姿态的人体身上；3）真实感的动态试穿效果呈现，包括快速、低成本的人体运动捕捉以及高效的着装模拟技术