本發明涉及一種將通過掃描儀獲得的真實服裝的三維掃描模型穿著在不同人體表面的方法，用于試衣或者三維著裝效果展示。
背景技術：
真實服裝通過三維掃描后，可獲得高逼真度的三維服裝模型。但是，該模型只是一個純粹的幾何模型，缺乏變形能力，無法穿著在不同人體表面，從而達到虛擬試衣的目的。
技術實現要素：
本發明的目的是：將一件三維掃描服裝穿著在不同的人體表面，同時依然保持三維掃描服裝固有的懸垂風格和款式特征。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了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(ua，va)、(ub，wb)、(uc，vc)來描述，變形單元的當前位置由頂點的三維世界坐標pa、pb、pc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wui及wvi，i∈(a，b，c)，(a，b，c)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pi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δpapbpc中的粒子j，其面內受力fj由三角形單元相對于粒子位置pj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，at為三角形單元的面積，σuu為緯向應力分量，σvv為經向應力分量，σuv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，ui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；fie為彈性分量，fid為粘性分量；ke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fsew采用如下形式表達：
式中，csew為[0，1]之間的無量綱系數，用于調節縫合過程的快慢，xab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fc，分別為：
g＝mg，式中，m為質點的質量，g為重力加速度；
fc＝-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δpapbpc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)，σm為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應力分量(uv)的不同取值，εm為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應變分量(uv)不同取值，εn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：
優選地，在所述步驟2中，對三維掃描服裝模型進行裁片分割時，將分割線與三維掃描服裝模型的交點分別賦予被分割的兩個裁片，從而構成對應裁片的分割邊緣均具有相同數目和相同初始三維位置的縫合點。
優選地，在所述步驟3中，排放遵循以下原則：
原則一、身體部位的裁片與試衣模特的軀干部位對齊，且以不產生穿透為宜；
原則二、四肢部位的裁片與試衣模特的四肢部位對齊，且以不產生穿透為宜。
優選地，在所述步驟5.1中，當待縫合的兩個質點間的距離小于閾值0.01m的時候，人為地終止這兩點間的縫合計算，并將兩個點的中點位置賦予這兩個點，作為縫合結束的結果。
通過本發明可以將一件三維掃描服裝穿著在不同的人體表面，同時依然保持三維掃描服裝固有的懸垂風格和款式特征。
附圖說明
圖1(a)為表征局部坐標系的三角形單元；
圖1(b)為圖1(a)中的三角形單元在世界坐標系中的變形；
圖2為彎曲兩面角為θ的兩相鄰三角形。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
本發明提供了一種三維掃描服裝重構與重用方法，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。
本發明中所涉及的三維掃描服裝，均采用三角形網格拓撲結構，其網格密度在20000～30000之間，依據服裝類型及款式不同而不同。
為了便于將三維掃描服裝穿著在不同人體表面，首先將三維掃描服裝通過裁片分割，構造縫合關系，然后再在目標人體表面重新排放，通過虛擬縫合與懸垂計算，形成新的著裝形態，包括以下步驟：
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；
對三維掃描服裝模型進行裁片分割時，將分割線與三維掃描服裝模型的交點分別賦予被分割的兩個裁片，從而構成對應裁片的分割邊緣均具有相同數目和相同初始三維位置的縫合點。
步驟3、由于三維掃描服裝在掃描過程中所采取的姿態與試衣模特的姿態未必完全相同，因此，在對原始三維掃描服裝進行了裁片分割之后，可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，將原始三維掃描服裝的各個裁片在試衣模特表面進行排放，排放遵循以下原則：
原則一、身體部位的裁片與試衣模特的軀干部位對齊，且以不產生穿透為宜；
原則二、四肢部位的裁片與試衣模特的四肢部位對齊，且以不產生穿透為宜。
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
采用圖1(a)及圖1(b)所示的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(ua，va)、(ub，vb)、(uc，vc)來描述，變形單元的當前位置由頂點的三維世界坐標pa、pb、pc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wui及wvi，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pi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δpapbpc中的粒子j，其面內受力fj由三角形單元相對于粒子位置pj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，at為為三角形單元的面積，σuu為緯向應力分量，σvv為經向應力分量，σuv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，ui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；fie為彈性分量，fid為粘性分量；ke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
三維掃描服裝的重用過程是指將三維掃描服裝在不同于掃描時的試衣模特表面再次著裝，并形成新的著裝效果的過程，分為兩個步驟。
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fsew采用如下形式表達：
當待縫合的兩個質點間的距離小于閾值0.01m的時候，人為地終止這兩點間的縫合計算，并將兩個點的中點位置賦予這兩個點，作為縫合結束的結果。
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fc，分別為：
g＝mg，式中，m為質點的質量，g為重力加速度；
fc＝-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+δy)；
其中涉及三角形δpapbpc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)，σm為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應力分量(uv)的不同取值，εm為緯向(uu)，經向(vv)，以及斜向應變分量(ur)不同取值，εn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：
可以看到，用這樣的近似方法，彈性和粘性的雅可比貢獻是對稱的。對應在數值求解過程中采用共軛梯度算法而言，這是一個非常重要的優勢。而且這兩個矩陣還擁有規則的結構，從而使得高效計算和稀疏存儲更為可行。