三维虚拟服装技术作为信息技术和服装工程的交叉技术领域,是指利用虚拟现实技术和图形学技术、仿真技术等手段对面料和服装进行仿真模拟来实现服装的设计与表现的一个技术门类。因此三维虚拟服装技术具有一定的先进性和创新性。本文首先综述了目前在虚拟服装领域的几大主流方向,其中包括基于虚拟缝合的三维服装生成技术；基于参数化的曲面生成三维虚拟服装的方法；基于服装款式约束的三维虚拟服装生成方法；基于二维服装手绘草图生成的三维虚拟服装的技术。其中第一种三维服装是依靠织物的物理建模方式构建的,主要的技术包括有织物的建模、虚拟缝合、缝合过程中的碰撞检测与响应、应变控制和三维衣片尺寸稳定性的保持等内容。而后三种三维服装的构建主要依靠几何建模的方法,在三维模型表面进行各种几何拓扑结构的变化,以生成具有真实感的三维虚拟服装。基于虚拟缝合技术的三维服装能再现服装的三维真实效果,尤其是动态效果,但是高昂的时间开销和单一的面料材质表现是物理模拟的瓶颈问题。在几何建模方法中,基于参数化曲面构建三维虚拟服装的方法可以利用三维造型软件生成,但自动化程度不高,需要三维设计师花大量的时间绘制；基于服装款式约束的方法可以看成是由服装款式图生成三维服装技术的一种雏形,但是需要对服装外轮廓线和内部款式线进行约束识别,求解复杂并且需要大量的迭代运算。本文立足于服装企业的需求,从服装设计师的角度出发,研究基于二维手绘草图到三维同构造型的虚拟服装生成方法。传统服装设计的最初阶段是设计师利用纸笔在稿纸上手绘出二维的服装效果图以及款式图,整个服装的效果因此可以呈现出来,所以本课题研究的三维虚拟服装设计系统延用设计师习惯的手绘方式,在基于二维手绘草图的界面上完成二维手绘图到三维同构造型的虚拟服装的转化。本文第一次提出了建立基于二维手绘图生成三维同构造型服装的构架,初步研究了基于二维手绘草图的三维同构造型服装的生成方法,目的是创建一个适用于服装设计师的三维虚拟服装CAD系统。从技术角度而言,本课题主要内容包含以下四部分：(1)探讨了交互式的二维服装手绘界面的生成方法。在我们的手绘界面设计中,首先根据三维服装模板表面三角形的法向量判断出三维服装模板的前后片,再分别把三维前后片的网格顶点的z坐标置为0得到二维模板前后片。本文中二维手绘草图都是在二维模板前后片上绘制的,这种界面绘制方式即符合设计师的手绘习惯,也便于后文中二维手绘图与三维服装模板的匹配。对二维手绘线条的识别我们采用了有理二次B样条拟合的方法。由于拟合后的每一条手绘线都是由无数个坐标数据点构成的,手绘线上所有的点都有了坐标信息,所以在进行二维手绘图和三维服装模板匹配的时候,可以通过计算手绘线条上的坐标点和三维模板网格顶点之间的距离给出逼近阈值,从而得到三维模板上的匹配点,这为二维手绘草图和三维服装模板的匹配提供了便利。交互式的设计便于用户对二维手绘图的编辑,本手绘系统可以通过鼠标和键盘让用户对每一条手绘线实时地进行增加、删除、修改、移动、存储等编辑操作。(2)研究了三维服装模板表面重建的方法。本文的二维手绘草图到三维虚拟服装的构建是以三维服装模板为桥梁的,由于初始的三维服装模板来源广泛,有利用虚拟缝合得到的、有三维建模软件构建的、也有通过三维扫描得到的。所以初始的三维服装模板表面网格结构质量参差不齐,对于网格结构杂乱的三维服装模板需要采用表面重采样和表面重建的技术生成流形一致,且网格结构均匀的服装模板,在本文中我们采用了包围圆和射线投影(圆半径-三角形求交)的算法得到三维服装模板表面的重采样顶点,经过重采样之后的表面采样点分布均匀、一致；在表面重建中我们讨论了三维α-shape的表面创建方式,以及在此基础上的转球算法,由于转球算法是基于点插值的方式构建三角形网格表面的,所以重建之后的三维模板表面不仅网格结构规则化了,而且与初始三维模板表面流形一致。(3)提出了二维手绘线条与三维服装模板之间的匹配算法,两者之间的正确匹配是获得良好网格变形效果的基础。在匹配的过程中采用了包含初始匹配和基于方向向量再匹配的合成算法。在初始匹配的过程中,首先根据二维手绘线上的数据点与二维服装模板网格顶点之间的距离阈值,找到与手绘线数据点对应的二维服装模板的网格匹配点,恢复这些匹配点的z坐标,即三维模板网格匹配点,且顶点索引不变。为了数据处理的快速与方便,我们把这些初始匹配点以链表形式存储。由于手绘线的数据点与网格顶点可能出现多对一的匹配,所以需要对初始匹配点序列进行排序与剔除,找到与二维手绘线条基本一致的三维网格顶点集。然而由于初始匹配在三维网格表面找到的匹配点在几何结构上是不连续的,所以我们又采用了基于方向向量的再匹配方法,使最后的三维网格匹配点与二维手绘线条一致且连续。对于穿过三维前后片的同层手绘线条匹配的问题,我们采用了距离最短夹角最小算法自动搜索到使同层手绘线连续的网格顶点。(4)采用了网格细分和表面变形技术生成三维虚拟服装的悬垂与褶皱形态。这种生成方法是以二维手绘线条和三维服装模板之间的正确匹配为前提的,同时也是三维虚拟服装造型千变万化的基础。本文主要采用了Loop网格细分、拉普拉斯网格变形、均值编码/解码、仿射变换、三维服装表面褶皱的平滑等技术生成具有真实感的三维虚拟服装的悬垂和褶皱。Loop网格细分的方法是张量积B样条网格曲面构造方法的一种泛化,采用了逼近初始网格顶点的方法达到网格光滑细分的效果,其细分规则是将每一个多项式曲面片或者三角形面片细分成四个子面片,这样细分的网格表面具有C2阶的连续性,而在网格边缘具有C1阶的连续性。经过网格细分之后,更容易生成服装细碎的褶皱,而且可以平滑由于重采样形成的粗糙表面网格边缘。拉普拉斯表面平滑和均值编码/解码算法都具有局部的保型性,即每一个网格顶点的新坐标都是通过局部信息(相邻点的几何关系)计算得到的,所以在表面网格变形的时候,当匹配点朝着目标函数给出的最终位置移动时,每个网格顶点及其相邻点尽量保持最初的拓扑关系,这样经过网格变形之后的表面依然是平滑的。实验结果表明,这样的变形算法是适合生成服装的悬垂与褶皱等表面细节的。