基于數(shù)字化三維人體模型的女裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型的建立

段 錦，佘 婕

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程分院，陜西 楊凌 712100；2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048)

量身定制的服裝版型設(shè)計(jì)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)量身定制的服裝版型設(shè)計(jì)存在耗時(shí)長(zhǎng)、代價(jià)高、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)缺乏量化標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，但隨著科技的發(fā)展，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)解決傳統(tǒng)量身定制的服裝版型設(shè)計(jì)問(wèn)題。

近年來(lái)在數(shù)字化量身定制研究中，Yang等[1]提出了基于數(shù)字化三維人體的女裝量身定制版型設(shè)計(jì)方法，討論了在女裝版型中設(shè)定不同位置的分割線對(duì)女裝版型適體性的影響。張亞君等[2]提出在三維人體模型上提取服裝的原型部分，根據(jù)女性人體的曲面曲率對(duì)原型進(jìn)行分塊，并將不同塊面的曲面展平，最終拼合形成服裝紙樣。Hong等[3]進(jìn)行了基于掃描技術(shù)的女裙裝量身定制版型的適體性研究。Huang等[4]提出了在數(shù)字化三維人體上建立女裝設(shè)計(jì)版型的參數(shù)化模型思想，并通過(guò)建立女連衣裙版型關(guān)系模型驗(yàn)證了關(guān)系模型的正確性。陳龍等[5-8]提出了三維服裝參數(shù)化設(shè)計(jì)框架及其實(shí)現(xiàn)方法,通過(guò)構(gòu)建參數(shù)化三維人體模型實(shí)現(xiàn)模型聯(lián)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)擴(kuò)展傳統(tǒng)的參數(shù)化思想，將曲線與曲面作為三維服裝設(shè)計(jì)的基本要素，同時(shí)利用特征信息構(gòu)建了不精確表達(dá)的服裝幾何模型，使用混合維度輸入信息來(lái)執(zhí)行多級(jí)幾何模型的多級(jí)驅(qū)動(dòng)。Xu等[9]提出了三維人體模型曲線與版型曲線之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并分析了胸圍和頸圍與版型之間的關(guān)系。

本研究以愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)為例建立女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型，通過(guò)分析愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)上半身的形態(tài)特征與女上裝基礎(chǔ)版型設(shè)計(jì)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在數(shù)字化三維人體模型上建立該對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而構(gòu)建基于三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型。最后通過(guò)樣衣制作與試穿，驗(yàn)證了女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型

1.1 女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型定義

女上裝版型關(guān)系模型是基于量身定制的女裝版型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了使女裝版型設(shè)計(jì)過(guò)程更便捷、結(jié)果更準(zhǔn)確，將女裝版型設(shè)計(jì)過(guò)程分為三個(gè)層級(jí)：基礎(chǔ)版型、亞基礎(chǔ)版型、款型[10-12]。其中，女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型是女上裝版型關(guān)系模型的第一級(jí)，由女性上半身的細(xì)部尺寸與特征曲線共同影響生成。女上裝基礎(chǔ)版型可以最大限度地保留女子上半身形態(tài)特征，保證最小的呼吸量，沒(méi)有款式與功能的變化。

1.2 女上裝基礎(chǔ)版型設(shè)計(jì)參數(shù)與女性上半身形態(tài)特征的關(guān)系

1.2.1女上裝基本版型特征點(diǎn)與女性上半身特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

女裝版型的構(gòu)成要素是點(diǎn)、線、面，其中點(diǎn)是構(gòu)成女上裝基礎(chǔ)版型最基本的要素。在女上裝版型設(shè)計(jì)中需要考慮的版型特征點(diǎn)有前領(lǐng)點(diǎn)(P_N)、胸寬前點(diǎn)(P_FBF)、窿深線前點(diǎn)(P_AHF)、前胸圍前點(diǎn)(P_B)、腰圍前點(diǎn)(P_WF)、胸寬側(cè)點(diǎn)(P_FBC)、胸圍側(cè)點(diǎn)(P_BC)、前胸省側(cè)點(diǎn)(P_BCC)、腰圍側(cè)點(diǎn)(P_WC)、袖窿側(cè)點(diǎn)(P_AHC)、肩前點(diǎn)(P_SBF)、肩中點(diǎn)(P_SBM)、肩后點(diǎn)(P_SBB)、胸點(diǎn)(P_BP)、前腰垂點(diǎn)(P_WM)、后領(lǐng)點(diǎn)(P_NB)、背寬前點(diǎn)(P_BBF)、窿深線后點(diǎn)(P_AHB)、胸圍后點(diǎn)(P_BB)、腰圍后點(diǎn)(P_WB)、背寬側(cè)點(diǎn)(P_BBC)、后腰垂點(diǎn)(P_WMB)、后肩省點(diǎn)(P_SS)。女上裝基本版型特征點(diǎn)與女性上半身形態(tài)特征點(diǎn)存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 女上裝基本版型特征點(diǎn)與女性上半身形態(tài)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between feature points of women′s body block and those of women′s upper body

1.2.2女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線的對(duì)應(yīng)關(guān)系

女性上半身特征線由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的女性上半身形態(tài)特征點(diǎn)構(gòu)成，而女上裝基本版型特征線由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的版型設(shè)計(jì)點(diǎn)構(gòu)成。由于女上裝基本版型特征點(diǎn)與女性上半身特征點(diǎn)存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線在版型設(shè)計(jì)中同樣存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如表2所示。

表2 女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Relationship between feature lines of women′s body block and those of women′s upper body

2 建立數(shù)字化服裝設(shè)計(jì)人體模型

2.1 數(shù)字化三維人體模型數(shù)據(jù)獲取

選取愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)為研究對(duì)象，獲取數(shù)字化三維人體模型，首先要對(duì)愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)的特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。特征點(diǎn)的標(biāo)定方法分為兩類：一類是根據(jù)GB/T 5703—2010《用于技術(shù)設(shè)計(jì)的人體測(cè)量基礎(chǔ)項(xiàng)目》[13]確定的人臺(tái)特征點(diǎn)；另一類是為了方便三維人體掃描以后特征線的構(gòu)建，在弧線曲度較大的地方添加特征輔助點(diǎn)。本研究利用德國(guó)TecMath非接觸式三維光學(xué)掃描儀對(duì)愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化三維人體模型的獲取和數(shù)據(jù)測(cè)量，見(jiàn)圖1。圖1(a)為已經(jīng)標(biāo)定好的愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)，圖1(b)為愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)的掃描圖。同時(shí)，利用ScanWorX軟件對(duì)愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)尺寸進(jìn)行人機(jī)交互測(cè)量，獲取的愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)的尺寸見(jiàn)表3。

圖1 數(shù)字化三維人體模型獲取Fig.1 Scanning image of Alva 8 female

表3 愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)測(cè)量尺寸Tab.3 Measurements of Alva 8 female form

2.2 女上裝數(shù)字化三維人體模型構(gòu)建

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行三維人體模型的構(gòu)建，因?yàn)槭褂梅墙佑|三維人體光學(xué)掃描儀獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)還包含噪聲和雜點(diǎn)[14]。本次掃描獲取的282 270個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先需要過(guò)濾冗余點(diǎn)云，如果不進(jìn)行冗余點(diǎn)云的過(guò)濾，龐大的數(shù)據(jù)會(huì)拖慢計(jì)算機(jī)的處理速度，在進(jìn)行點(diǎn)云重構(gòu)曲面的時(shí)候?qū)е鹿忭樞宰儾睢?/p>

掃描愛(ài)華8號(hào)人臺(tái)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，人臺(tái)支架在激光掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)光線散射，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含噪聲(數(shù)據(jù)雜點(diǎn))，故首先需要人工甄別和刪除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲。愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)體表數(shù)據(jù)變化均勻，無(wú)棱角邊緣，所以選擇公差球算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。所謂公差球算法就是以起始點(diǎn)為球心，指定半徑，形成一個(gè)球空間，在這個(gè)球空間內(nèi)，除了球心其他點(diǎn)被隱藏的點(diǎn)云過(guò)濾方式。表4是公差球算法不同半徑的點(diǎn)云精簡(jiǎn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)公差球算法過(guò)濾，點(diǎn)云趨向于均勻分布。

表4 公差球算法不同半徑的點(diǎn)云精簡(jiǎn)結(jié)果Tab.4 The tolerance ball algorithm was employed to streamline the point clouds

由表4可以看出，點(diǎn)云經(jīng)過(guò)過(guò)濾后依然非常密集，無(wú)法通過(guò)直接觀察的方法來(lái)確定結(jié)構(gòu)中所包含的全部細(xì)部幾何形狀。為了確定精簡(jiǎn)的點(diǎn)云既能夠滿足曲面的光順性，同時(shí)還能夠兼具精確性，要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化。圖2為不同公差球算法精簡(jiǎn)下的點(diǎn)云網(wǎng)格化效果圖。通過(guò)圖2可以看出在半徑R=8 mm時(shí)，愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)體表光滑、表面標(biāo)記點(diǎn)保留較好。

3 基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型設(shè)計(jì)

3.1 基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝特征曲線設(shè)計(jì)

由于女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以需要在數(shù)字化三維人體模型上構(gòu)建與女上裝基本版型特征線相關(guān)的女性上半身特征線，包括前中線、后中線、側(cè)縫線、頸圍線、袖窿深線、胸圍線、腰圍線、袖籠弧線。圖3為與女上裝基本版型特征相關(guān)的女性上半身特征線。表5是基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝特征曲線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖2 公差球算法點(diǎn)云網(wǎng)格化效果圖Fig.2 Constructed via griddization of point clouds

圖3 與女上裝基本版型特征相關(guān)的女性上半身特征線Fig.3 The characteristic curves concerning woman upper body and block

表5 基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝特征曲線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)Tab. 5 Design points of characteristic curves of woman upper body and block based on 3D body model

3.2 基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型獲取

建立數(shù)字化三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型，首先需要在數(shù)字化三維人體模型上建立女上裝基礎(chǔ)版型特征線。由于女上裝基礎(chǔ)版型特征線與女性上半身特征線存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以數(shù)字化三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型特征線與圖3建立的女性上半身特征線對(duì)應(yīng)。

本研究在CATIA軟件中根據(jù)建立的女上裝基礎(chǔ)版型特征線與點(diǎn)云趨勢(shì)構(gòu)建擬合曲面。第一步，在CATIA軟件“quick surface reconstruction”中運(yùn)用“clean contour”對(duì)女上裝基礎(chǔ)版型特征線進(jìn)行邊緣輪廓的抽提。第二步，在“surfaces network”中根據(jù)版型邊緣輪廓內(nèi)的點(diǎn)云趨勢(shì)，對(duì)女上裝基礎(chǔ)版型進(jìn)行曲面的重新構(gòu)建。第三步，在“surfaces network”中利用女上裝基礎(chǔ)版型特征線對(duì)重構(gòu)曲面進(jìn)行調(diào)整。具體過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 女上裝數(shù)字化三維人體模型基礎(chǔ)版型獲取Fig.4 Obtainment of women′s body block of 3D digital human model

3.3 確定數(shù)字化三維人體模型女上裝基礎(chǔ)版型分割線

人體是一個(gè)不規(guī)則曲面體，女性體表胸部和肩胛骨的窿起使得女性體表在胸部與肩胛骨處存在增加量，而這個(gè)增加量使得獲取的數(shù)字化三維人體模型女上裝基礎(chǔ)版型成為一個(gè)不可展的曲面。女上裝基礎(chǔ)版型擬合曲面不能直接從三維狀態(tài)展平成為二維版型，直接展平則會(huì)在胸部和肩胛骨的周邊產(chǎn)生多余的褶皺，使得生成的二維版型不能夠貼合人體表面。為了使服裝二維版型能夠較好地貼合人體表面，需要在女性體表窿起處進(jìn)行分割，這時(shí)需要對(duì)生成的女上裝基礎(chǔ)版型擬合曲面圖的分割位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。分割尖位需要指向體表的窿起凸點(diǎn)，分割線需要容易獲得與修正。

女上裝基礎(chǔ)版型的前片版型分割尖位為胸點(diǎn)，后片版型分割尖位為肩胛骨窿起點(diǎn)。女上裝基礎(chǔ)版型前片分割線設(shè)計(jì)為前胸省、前肩省、袖窿省，后片分割線設(shè)計(jì)為后肩省、后腰省。圖5為女上裝基礎(chǔ)版型分割線設(shè)計(jì)圖。

圖5 女上裝基礎(chǔ)版型分割線設(shè)計(jì)圖Fig.5 Split lines design of body block in women′s tops

4 女上裝數(shù)字化三維人體模型基礎(chǔ)版型展平

由于獲取的數(shù)字化三維人體模型女上裝基礎(chǔ)版型是一個(gè)不可展的曲面，Duan等[15-16]在2016年提出了基于特征點(diǎn)與特征線的新型展平方法，將展平問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一個(gè)求無(wú)約束極值問(wèn)題。第一步將三維網(wǎng)格點(diǎn)向二維平面做映射，在映射的時(shí)候保持展開(kāi)前與展開(kāi)后的曲面所有網(wǎng)格點(diǎn)距離變化最小，實(shí)現(xiàn)第一次近似展平；第二步在第一次近似展平的基礎(chǔ)上建立彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，釋放能量獲得展平結(jié)果；最后對(duì)幾何展平結(jié)果進(jìn)行版型修正。

4.1 曲面網(wǎng)格的初始展開(kāi)

4.2 曲面展開(kāi)的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型

對(duì)于初始展平的網(wǎng)格曲面，為了減少初始展平誤差，在初始展平的基礎(chǔ)上建立彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型(見(jiàn)圖7)。彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型將網(wǎng)格上的點(diǎn)看作質(zhì)點(diǎn)、邊看作彈簧，邊長(zhǎng)在不可展曲面的展平過(guò)程中產(chǎn)生伸長(zhǎng)或者壓縮形變，彈性能量積累就形成彈性形變能，在展開(kāi)的過(guò)程中，不斷釋放系統(tǒng)的彈性形變能，最終得到展平曲面。圖7中，Pi為質(zhì)點(diǎn),Pi與Pj之間可視為彈簧連接，原始曲面上的初始邊長(zhǎng)可看作彈簧原長(zhǎng)。展平過(guò)程中，如果平面上質(zhì)點(diǎn)Pi與Pj的間距大于彈簧原長(zhǎng)，則Pi與Pj之間呈現(xiàn)吸引力，反之呈現(xiàn)排斥力[19-20]。

圖6 曲面網(wǎng)格的初始展開(kāi)Fig.6 Initial developing of the surface meshes

圖7 彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型Fig.7 Spring-mass model

質(zhì)點(diǎn)Pi處變形前后能量和力的積聚形式可用如下方程表示：

(1)

在曲面展開(kāi)過(guò)程中，可以用拉格朗日方程來(lái)描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，即

(2)

式中：M是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；D是系統(tǒng)的阻尼矩陣；K是系統(tǒng)的剛度矩陣；gq是局部自由度與全局自由度之差引起的系統(tǒng)內(nèi)力；fq是系統(tǒng)外力。通過(guò)分析可知，數(shù)字化三維人體模型女上裝基礎(chǔ)版型的彈簧-質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)中，阻尼項(xiàng)可以忽略且gq與fq為0，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化公式(2)：

(3)

在數(shù)字化三維人體模型女上裝基礎(chǔ)版型的彈簧-質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中的時(shí)間間隔Δt很小，質(zhì)點(diǎn)Pi的加速度可被認(rèn)為是常量，整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)處于平衡。利用歐拉法求解拉格朗日方程：

(4)

4.3 版型修正

通過(guò)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型展平版型同樣具有誤差，這個(gè)誤差可以用長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行矯正，故需要對(duì)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型展平結(jié)果再次進(jìn)行版型修正，見(jiàn)圖9。如圖9(a)所示,首先對(duì)展平結(jié)果導(dǎo)入?yún)⒖季€，將展平結(jié)果中的前中線、后中線、窿深線、胸圍線、腰圍線與坐標(biāo)參考線對(duì)齊。再將展平的曲線修正為直線，同時(shí)利用愛(ài)華8號(hào)女性人臺(tái)的測(cè)量尺寸(見(jiàn)表2)對(duì)版型進(jìn)行第一次復(fù)核修正。為了繪制方便，將肩部省量轉(zhuǎn)移到胸部省量。圖9(b)是女上裝基礎(chǔ)版型的第一次復(fù)核修正。人體需要呼吸與運(yùn)動(dòng)，服裝版型必須設(shè)計(jì)有保證人體生理機(jī)能正常所應(yīng)放松的量值，包括呼吸、血液循環(huán)等需要的余量。吳志明[21]指出女裝基礎(chǔ)版型需要包含生理最低允許量，人體最小生理舒適量為4 cm。王璇[22]指出版型圍度放松量可以分為后背寬放松量、袖窿放松量和胸寬放松量，其分配方式為30%、40%、30%。因此，女上裝基礎(chǔ)版型的第一次復(fù)核修正之后要進(jìn)行第二次復(fù)核修正，即在第一次修正的基礎(chǔ)上在胸圍部分增加人體最小生理舒適量(4 cm)，其中后背寬放松量分配30%、袖窿放松量分配40%、胸寬放松量分配30%。圖9(c)為第二次復(fù)核修正，即增加放松量后的女上裝基礎(chǔ)版型。

圖8 版型展開(kāi)圖Fig.8 Approximate deve-coping pattern

圖9 女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型修正Fig.9 The modified patterns

5 女上裝基礎(chǔ)版型關(guān)系模型及其驗(yàn)證

將第二次復(fù)核修正后的女上裝版型按照1∶1的比例打印并拓印在白坯布上,手工裁剪縫制，在愛(ài)華8號(hào)人臺(tái)進(jìn)行試穿(愛(ài)華8號(hào)人臺(tái)是無(wú)任何放松量的人臺(tái))。女上裝基礎(chǔ)版型樣衣穿著效果如圖10所示。

(1)版型試穿主觀效果

圖10 女上裝基礎(chǔ)版型人臺(tái)試穿效果Fig.10 Samples of body block

橫向：女上裝基礎(chǔ)版型的領(lǐng)口弧線沿頸根圍較為圓順；胸圍線、腰圍線、窿深線、胸寬線、背寬線均位于人體相應(yīng)位置，呈水平狀態(tài)；肩線位于頸側(cè)點(diǎn)與肩點(diǎn)連線位置，肩縫順直，肩斜度適中。

縱向：樣衣布紋順直，前中心線、后中心線和側(cè)縫線均在人體相應(yīng)位置。

貼體程度：胸圍線、腰圍線貼合，胸省量剛好能夠消除胸部余量，能夠較好地展現(xiàn)女性的胸部形態(tài)。

(2)版型試穿客觀評(píng)價(jià)

衣下空間狹義上指人體凈體曲面與最內(nèi)層服裝內(nèi)表面之間的空隙，可以表征為特征截面上人體凈體與服裝內(nèi)表面之間對(duì)應(yīng)位置的距離差。衣下空間的整體差量可以作為試穿的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用公式表示為

d=C2-C1，

(5)

式中：d為服裝寬松量；C1為人體凈圍度；C2為服裝圍度。因此，服裝寬松度φd可以表示為

(6)

用馬丁測(cè)量?jī)x對(duì)樣衣進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算腰圍與胸圍部分的服裝寬松度，腰圍寬松度φdw=5.5%，胸圍寬松度φdB=4.3%，表現(xiàn)為在人體靜止時(shí)無(wú)束縛力，與應(yīng)力接觸時(shí)依然會(huì)產(chǎn)生束縛。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究建立了基于數(shù)字化三維人體模型的女上裝基礎(chǔ)版型，通過(guò)曲面展平的方法獲取了女上裝基礎(chǔ)版型，對(duì)女上裝基本版型進(jìn)行樣衣試制，并通過(guò)試穿驗(yàn)證了女上裝基礎(chǔ)版型具有良好的貼體性及設(shè)計(jì)方法的可行性，為亞基礎(chǔ)版型設(shè)計(jì)與女裝款型設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。