基于幾何約束圖的個(gè)性化服裝樣板生成系統(tǒng)

徐春陽(yáng)，郝礦榮，b，丁永生，b，黃 新

（東華大學(xué)a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

基于幾何約束圖的個(gè)性化服裝樣板生成系統(tǒng)

徐春陽(yáng)a，郝礦榮a，b，丁永生a，b，黃 新a

（東華大學(xué)a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

為滿足服裝個(gè)性化定制生產(chǎn)與銷售，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于幾何約束圖的個(gè)性化服裝樣板生成系統(tǒng).在對(duì)人體特征尺寸提取及特殊體型識(shí)別充分研究的基礎(chǔ)上，提出基于幾何約束圖的參數(shù)化服裝樣板模型，該模型能迅速對(duì)輸入的人體參數(shù)及特殊體型做出反應(yīng)并調(diào)整為適合用戶體型的個(gè)性化樣板，最后通過(guò)C＃編程操作AutoCAD VBA的方法實(shí)現(xiàn)了樣板參數(shù)化模型生成與調(diào)整過(guò)程的自動(dòng)化.

特殊體型；服裝樣板；幾何約束；參數(shù)化模型；AutoCAD VBA

當(dāng)今服裝生產(chǎn)日益關(guān)注服裝的合體性和消費(fèi)者的審美.人體特征千差萬(wàn)別，由于先天或發(fā)育，以及工作性質(zhì)及飲食結(jié)構(gòu)等原因，特殊體型人群的比例相當(dāng)大.為了滿足這部分人對(duì)服裝的合體性、舒適性以及美觀性的需求，需要量身定制服裝.然而，量身定制過(guò)程中服裝樣板的生成對(duì)樣板師的依賴性較大，且效率和精度較低.因此，開發(fā)智能化的服裝樣板自動(dòng)生成系統(tǒng)對(duì)于服裝行業(yè)具有實(shí)際意義［1］.

本課題在前期工作中已獲得比較精確的個(gè)性化三維人體模型，并建立了特殊體型識(shí)別專家系統(tǒng)，能夠提取人體的詳細(xì)尺寸信息，并對(duì)體型進(jìn)行智能識(shí)別［2－3］.在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)男性上半身幾種特殊體型服裝樣板的調(diào)整方法進(jìn)行了分析，并提出一種基于幾何約束圖的參數(shù)化模型設(shè)計(jì)，該模型不但包括特體樣板局部調(diào)整的幾何約束，而且能根據(jù)目標(biāo)人體特征尺寸及特體信息自動(dòng)調(diào)整局部約束條件，從而自動(dòng)生成個(gè)性化服裝樣板.最后通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證該個(gè)性化服裝樣板生成系統(tǒng)的合理性和高效性.系統(tǒng)的流程如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

1 參數(shù)提取及樣板局部修正方法

1.1 人體特征測(cè)量參數(shù)的提取

量身定制強(qiáng)調(diào)服裝的合體性，故本文采用個(gè)性化樣板，即服裝細(xì)節(jié)部分均按照人體實(shí)際參數(shù)進(jìn)行制圖.個(gè)性化樣板對(duì)人體尺寸參數(shù)的全面性和精確性有很高的要求.根據(jù)人體測(cè)量的需要，采用文獻(xiàn)［4］的方法，在本文已獲得的三維人體模型定位測(cè)量人體參數(shù)所需的基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)線，如圖2所示，并完成特征測(cè)量參數(shù)的提取，獲得本文所需的男性軀干特征尺寸，如表1所示.基于這些數(shù)據(jù)，通過(guò)文獻(xiàn)［4－5］提供的方法可識(shí)別人體是否為特殊體型及其特體類別.

圖2 三維人體模型的基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)線定位Fig.2 Reference points and reference lines of 3Dhuman body

表1 構(gòu)建個(gè)性化樣板所需的人體特征測(cè)量參數(shù)Table 1 Measuring parameters for creating individual apparel pattern cm

1.2 胸背部特體及服裝樣板修正方法

胸背部是人體軀干的最主要和最明顯的部位，其變異的主要表現(xiàn)有挺胸體和駝背體.

駝背體人體背部突出且寬，頭部略前傾，前胸則平且窄.穿上一般上衣，前片過(guò)長(zhǎng)而懸垂，胸部松弛起皺，后片緊繃起吊，且袖窿口后側(cè)緊繃.常見的對(duì)駝背體樣板的調(diào)整方法：為使背部衣片貼合駝背體的彎曲背型及較長(zhǎng)的背長(zhǎng)，后片剪開并少量展放；為避免胸前褶皺，前片剪開并少量折疊縮??；適當(dāng)前移袖窿口.在本系統(tǒng)中，駝背體樣板修正如圖3所示.

圖3 駝背體樣板修正Fig.3 Modification of humpback apparel pattern

將AO1和CO2的長(zhǎng)度定為lFW／2和lBW／2，O1和O2的高度則設(shè)為后腋點(diǎn)高lBSD和前腋點(diǎn)高lFSD，這樣可以充分體現(xiàn)由于駝背體胸背寬度變化對(duì)袖窿口的影響，并確定切展和折疊的位置.展放量AB和折疊量CD作為一組有向線段，其長(zhǎng)度設(shè)為展開長(zhǎng)度h和折疊長(zhǎng)度l，有經(jīng)驗(yàn)的樣板師根據(jù)駝背程度的不同，一般選擇h為0.7～2.2cm，l為0.5～1.7cm［6］.夾角α確定了衣片上方部分的旋轉(zhuǎn)程度，由余弦定理易算出其角度.

挺胸體的情況與駝背體剛好相反，挺胸體表現(xiàn)為前胸突出而寬，后背及頭部略后傾.其樣板處理方式為前片進(jìn)行切展，后片折疊縮小，袖窿口后移，與駝背體樣板的調(diào)整位置及方法類似，這里不再詳細(xì)描述.

1.3 肩部特體及服裝樣板修正方法

肩部的常見變異為端肩體與溜肩體，表現(xiàn)為肩部線條過(guò)平或下傾程度過(guò)大，對(duì)服裝整體造型的美觀性與合體性影響很大.

端肩體人體穿上常規(guī)服裝易導(dǎo)致后背領(lǐng)窩褶皺，領(lǐng)子上沖，肩頭上翹，肩峰受到裹壓，袖窿口不合適導(dǎo)致抬身困難等問(wèn)題.常見對(duì)端肩體樣板調(diào)整方法為前后肩斜、袖窿、前后袖山頭均相應(yīng)抬高.在本系統(tǒng)中，端肩體樣板修正如圖4所示，B點(diǎn)和D點(diǎn)的水平位置由總肩寬lS決定，分別在水平方向上距背中線和前中線lS／2處，其縱向位置由肩斜角θ決定，肩斜角為頸肩點(diǎn)向外肩外緣與從頸肩點(diǎn)外伸的水平線的夾角，由前期測(cè)量的人體數(shù)據(jù)容易求得.端肩體的肩部較平，導(dǎo)致肩斜角較小，因此θ變小，前后肩線也隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn)以貼合肩部線條.F點(diǎn)由腋窩點(diǎn)高決定，根據(jù)腋窩點(diǎn)高lSD調(diào)整F的高度可解決袖窿口過(guò)低的問(wèn)題.

圖4 端肩體樣板修正Fig.4 Modification of flat shoulder apparel pattern

溜肩體的情況與端肩體相反，其樣板處理方式為前后肩斜、袖窿、前后袖山頭均相應(yīng)降低，調(diào)整方法與端肩體類似，不再詳細(xì)描述.

1.4 腹部特體及服裝樣板修正方法

腹部常見變異為凸肚體，穿上正常服裝易導(dǎo)致前片下擺開裂，胸空腹緊，背長(zhǎng)下垂裹臀，腹部位置偏緊且周邊多皺褶.常見對(duì)凸肚體樣板的調(diào)整方法：為修正衣片前短后長(zhǎng)的情況，將前片中部剪開并少量展放，后片中部剪開并少量縮小，最后依據(jù)凸肚程度延長(zhǎng)腰圍線并畫順前中線.在本系統(tǒng)中，凸肚體樣板修正如圖5所示，依據(jù)凸肚程度，將樣板袖窿深線以上部位繞袖窿深點(diǎn)X向后旋轉(zhuǎn)ε角度（一般取1°～3°），并在腰圍線處作延長(zhǎng)線AB，AB由A與B的差值決定，取AB＝（lW－lA＋15）／2＝w，最后畫順前中線O2B.

圖5 凸肚體樣板修正Fig.5 Modification of big－belly apparel pattern

2 個(gè)性化服裝樣板自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合1.2～1.4節(jié)討論的特體樣板調(diào)整方法，本文運(yùn)用CAD的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服裝樣板的生成，這樣不僅使樣板修正設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，其設(shè)計(jì)效果也相對(duì)提高.

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的表示與約束求解方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本原理是系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中自動(dòng)捕獲用戶的意圖，從而將用戶設(shè)計(jì)中各個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象以及與其他對(duì)象之間的關(guān)系記錄下來(lái)，當(dāng)用戶修改設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)對(duì)圖樣進(jìn)行必要的修改，使圖樣中各對(duì)象間的關(guān)聯(lián)得以維持.

參數(shù)化設(shè)計(jì)中關(guān)聯(lián)的維持可以表示為幾何約束求解問(wèn)題.給定幾何實(shí)體（點(diǎn)、直線、矩形、曲線等）集合O和一個(gè)關(guān)于集合O中幾何實(shí)體之間的幾何約束（點(diǎn)與點(diǎn)間距離、線與線間角度、兩線平行、垂直等）的集合C，將二元組（O，C）稱為幾何約束問(wèn)題.幾何約束的求解是指根據(jù)一定算法確定滿足集合C的幾何實(shí)體圖形.

目前參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的表示與約束求解的方法主要有基于數(shù)值的方法、基于符號(hào)的方法、基于規(guī)則的幾何推理法和基于圖論的約束求解法［7］，其中，基于圖論的方法相對(duì)于其他方法速度快，且比大部分算法有較低的計(jì)算復(fù)雜度，應(yīng)用廣泛.本文提出了一個(gè)基于圖論的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，此模型是建立在幾何約束圖的基礎(chǔ)之上.約束圖的定義為G＝（V，E），其中V代表幾何約束圖的頂點(diǎn)的集合，也就是幾何實(shí)體集，邊E代表幾何實(shí)體之間的約束的集合.邊E有嚴(yán)格的方向性，故用有向圖表示.

2.2 個(gè)性化樣板約束的建立

圖6 男裝上身個(gè)性化樣板Fig.6 Individual pattern of men's body

圖6為本系統(tǒng)使用的男裝上身個(gè)性化樣板參數(shù)化設(shè)計(jì)模型.采用本文第一部分描述的樣板設(shè)計(jì)方法，選取模型庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行參數(shù)提取，得到胸圍、背長(zhǎng)、頸圍等所需參數(shù)，結(jié)合特殊體型的修正方法，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的初始化.其他體型只需將相應(yīng)的尺寸代入設(shè)計(jì)模型.此模型在服裝樣板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，記錄了樣板師的具體設(shè)計(jì)意圖，如表2所示，幾何實(shí)體的代碼表示了幾何實(shí)體生成的先后順序.

由表2的描述可知，代號(hào)4和10與胸背部的變異相關(guān)，代號(hào)2，8，14與肩部變異相關(guān)，代號(hào)3和18與腹部變異相關(guān).模型中的幾何約束可以根據(jù)輸入的人體測(cè)量參數(shù)識(shí)別特體類型并自動(dòng)調(diào)整約束條件，從而為各種特殊體型樣板提供幾何約束.以胸背部變異為例，4和10中的參數(shù)與胸背部的特殊體型相關(guān)，若為正常體，則使α，β，h，l均為0；若為駝背體，則使α和β為正；若為挺胸體，則使α和β為負(fù)，并由特體程度確定h，l，α和β的值的大小，從而初始化約束條件.

表2 個(gè)性化樣板參數(shù)化模型設(shè)計(jì)過(guò)程Table 2 Design procedure of individual apparel pattern

2.3 幾何約束圖的建立及圖的存儲(chǔ)表示

由表2的描述可以得到如圖7所示的幾何約束圖［8］，頂點(diǎn)代表表2中的幾何實(shí)體，而有向邊表示的是幾何實(shí)體之間的約束關(guān)系.

圖7所示的幾何約束圖中的頂點(diǎn)數(shù)為n＝20，有向邊條數(shù)為m＝33.使用鄰接矩陣存儲(chǔ)圖，其空間復(fù)雜度為O（n2），瀏覽完所有邊的時(shí)間復(fù)雜度為O（n2）；使用鄰接表存儲(chǔ)圖，空間復(fù)雜度為O（n＋m），瀏覽所有邊的時(shí)間復(fù)雜度為O（m），且m相對(duì)于n2較小，使用鄰接矩陣會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存較多無(wú)用信息.故采用圖8所示的鄰接表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示幾何約束圖.

當(dāng)某一幾何實(shí)體的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，從約束鏈表上可以準(zhǔn)確確定受其約束的所有幾何實(shí)體，并根據(jù)約束條件更新其他幾何實(shí)體.

2.4 約束求解

當(dāng)輸入樣板的草圖時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)識(shí)別建立幾何約束圖.草圖可通過(guò)使用CAD二次開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成，免去手動(dòng)設(shè)計(jì).人體特征尺寸及體型信息作為輸入?yún)?shù)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可根據(jù)已初始化的鄰接表搜索需要關(guān)聯(lián)變化的幾何實(shí)體，并根據(jù)具體的幾何約束更新整個(gè)樣板.求解算法如下：

2.5 結(jié)合AutoCAD VBA實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制板

參數(shù)化設(shè)計(jì)并不是完全自動(dòng)化的，需要手動(dòng)繪制草圖，在此過(guò)程中識(shí)別幾何實(shí)體并建立約束.為了解決這個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)采用C＃操作AutoCAD VBA的方法在AutoCAD環(huán)境中繪制樣板.

AutoCAD VBA是一種嵌入AutoCAD內(nèi)部基于對(duì)象的集成編程環(huán)境，可以執(zhí)行并訪問(wèn)AutoCAD環(huán)境的大部分資源，具有強(qiáng)大的開發(fā)能力［9］.通過(guò)程序語(yǔ)言操作VBA可以實(shí)現(xiàn)在AutoCAD中繪制各種復(fù)雜圖形和調(diào)用功能命令.本系統(tǒng)中，通過(guò)C＃編程操作VBA，按照表2所示流程自動(dòng)繪制20個(gè)幾何實(shí)體，即可取代以往手動(dòng)繪制草圖的過(guò)程.約束判斷及幾何實(shí)體的更新同樣也采用C＃操作VBA進(jìn)行.這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)制板的自動(dòng)化，還能保證約束判斷的準(zhǔn)確性和樣板繪制的美觀性.

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方法，以模型庫(kù)中的某個(gè)現(xiàn)有身高180cm的男性模型為例，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，模型如圖9所示.

提取圖9中三維人體模型的特征測(cè)量參數(shù)，并通過(guò)輸入關(guān)鍵部位尺寸計(jì)算判斷此模型為端肩體和凸肚體的組合特殊體型.其中涉及特殊體型的關(guān)鍵尺寸：計(jì)算所得的肩斜角為18.2°，腹圍為97cm，腰圍為90cm，w＝AB＝4cm.為進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)兩種方式生成圖9所示模型的服裝樣板如圖10所示，圖10（a）為一般制板方式繪制的樣板，圖10（b）為本系統(tǒng)自動(dòng)生成的個(gè)性化樣板.

圖10（a）所示的樣板能夠滿足人們對(duì)服裝結(jié)構(gòu)的基本要求，但穿在圖9所示模型身上時(shí)，服裝會(huì)現(xiàn)肩部褶皺、前片下擺開裂等多處不美觀現(xiàn)象；而圖10（b）所示的樣板根據(jù)本文研究的方法，自動(dòng)將前片擴(kuò)出4cm，袖窿線以上部分向后旋轉(zhuǎn)，以避免凸肚體導(dǎo)致的服裝變形，同時(shí)自動(dòng)將袖窿線提升，調(diào)平肩線，避免肩部出現(xiàn)褶皺.

將肩斜角的值調(diào)整到20°，其他參數(shù)不變，重新生成樣板.為突出效果，將調(diào)整后的樣板與圖10（b）的樣板重疊起來(lái)進(jìn)行比較，如圖11所示，其中實(shí)線為調(diào)整后的樣板.可以看到，當(dāng)肩斜角調(diào)整后，袖窿深點(diǎn)下降，肩線下斜.

由此可知，當(dāng)給出的人體測(cè)量尺寸和體型發(fā)生變化時(shí)，一般樣板只能對(duì)尺寸做出反應(yīng)，變更樣板大小，而本系統(tǒng)的基于幾何約束圖的個(gè)性化樣板系統(tǒng)所生成的樣板可以同時(shí)對(duì)尺寸和體型做出反應(yīng)，不但樣板中幾何實(shí)體的大小發(fā)生變化，其幾何拓?fù)潢P(guān)系也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，從而生成適合用戶體型的個(gè)性化樣板.

圖11 調(diào)整前后的服裝個(gè)性化樣板Fig.11 Individual apparel pattern before and after adjustment

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在前期對(duì)三維人體模型、人體尺寸提取等研究的基礎(chǔ)上，分析特體樣板調(diào)整方法并基于幾何約束圖，通過(guò)C＃操作AutoCAD VBA的方法實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化服裝樣板的自動(dòng)生成.該樣板自動(dòng)生成系統(tǒng)具有速度快、效果好、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn).

在今后的研究中，可通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)提高生成樣板的精度，在約束中添加與服裝款式有關(guān)的約束，豐富自動(dòng)生成樣板的樣式，并通過(guò)坯布試樣進(jìn)一步驗(yàn)證自動(dòng)生成樣板的合理性.

參 考 文 獻(xiàn)

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Automatic Individual Pattern－Generated System Based on Geometric Constraint Graph

XUChun－yanga，HAOKuang－ronga，b，DINGYong－shenga，b，HUANGXina
（a.College of Information Science and Technology；b.Engineering Research Center of Digitized Textile ＆Fashion Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

In order to meet the needs of the production and sales of individual apparels，an automatic individual pattern－generated system based on geometric constraint graph is designed and developed.On the basis of the ample preliminary studies on body measurements，feature extracting and special body shapes recognition，aparametric apparel pattern model is introduced based on constraint graph，this model can be automatically adjusted to fit customers'body shape according to the body measurements parameters and special body shapes.Finally，the automatic process of generation of parametric apparel pattern model and adjustment of the model are implemented by AutoCAD VBA operated by C＃.

special body shapes；apparel pattern；geometric constraint；parametric model；AutoCAD VBA

TS 131.9

A

1671－0444（2012）06－0707－06

2011－09－20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（61134009）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60975059，60775052）；國(guó)家ITER計(jì)劃國(guó)內(nèi)配套研究資助項(xiàng)目（2010GB108004）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20090075110002）；上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃資助項(xiàng)目（11XD1400100）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目（11XD1400100，11JC1400200，10JC1400200，10DZ0506500）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（10DZ0506500）

徐春陽(yáng)（1987—），男，山東青島人，碩士，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、智能系統(tǒng)、數(shù)字化紡織服裝.E－mail：xuchunyang＿3310＠163.com

郝礦榮（聯(lián)系人），女，教授，E－mail：krhao＠dhu.edu.cn