基于三維掃描的文胸模杯建模研究

潘雋媛，顧依然，張 梅，潘 力,3，孫 紅，王 軍,3

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院，遼寧 大連 116034； 2.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330201;3.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116034)

合體文胸可以塑造女性完美體型，也能減少運(yùn)動時由于乳房的協(xié)同運(yùn)動而產(chǎn)生的不適[1]。文胸合體性研究是服裝工效學(xué)領(lǐng)域的重要課題，目前已有的相關(guān)研究主要集中在文胸穿著尺碼和舒適性的調(diào)查研究、文胸合體性樣板研究等方面。相關(guān)研究[2]發(fā)現(xiàn)有多達(dá)70%的女性選擇了錯誤的文胸尺碼，超過65%的女性在穿著文胸時感到不適；賈莉等[3]對我國西部地區(qū)女大學(xué)生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文胸合體性已經(jīng)成為影響購買的主要因素。

模杯式文胸是目前女性穿著最為廣泛的內(nèi)衣類型，模杯是決定該類文胸舒適性與合體性的關(guān)鍵。在現(xiàn)有研究中，較多關(guān)注文胸模杯曲面造型與曲面形態(tài)特征[4-7]、文胸模杯復(fù)合材料研究[8-9]等方面；部分文獻(xiàn)關(guān)注文胸模杯的合體性問題。馬靜[10]研究乳房邊界、文胸罩杯與女性乳房匹配問題，構(gòu)建胸部特征點、特征參數(shù)與文胸樣板的映射關(guān)系，設(shè)計個性化文胸樣板。徐瑤瑤等[4]將有限元分析方法引入虛擬試衣中，輔助消費(fèi)者選取相對舒適合體的文胸模杯。高曉曉等[11]探索了基于逆向工程技術(shù)構(gòu)建運(yùn)動文胸模杯模型，運(yùn)用3D打印技術(shù)制作模杯的方法。

本文基于三維掃描與建模技術(shù)，探索合體性文胸模杯的參數(shù)建模方法。通過三維掃描得到數(shù)字化人臺模型，提取胸部形態(tài)特征曲線重建胸部三維模型，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建參數(shù)化文胸模杯模型，所構(gòu)建的模型與人臺胸部特征吻合，可進(jìn)行參數(shù)化三維設(shè)計及合體性模杯的快速制造。

1 人臺掃描與預(yù)處理

本文通過三維掃描儀掃描人臺得到點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，獲得光順、完整的三角面片網(wǎng)格模型。

1.1 人臺掃描

本文以東北地區(qū)青年女性上裝原型人臺為研究對象，該人臺是基于體型特征統(tǒng)計分析與3D打印技術(shù)建立的東北地區(qū)18～25歲女性中間體軀干人臺[12]。采用德國Human Solutions公司Anthroscan Bodyscan彩色三維人體掃描儀掃描人臺得到人臺數(shù)字化模型。

1.2 人臺模型預(yù)處理

對人臺模型點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括點處理和多邊形處理2個階段[13]。在逆向工程軟件中，對點云模型進(jìn)行合并點云、去除孤點雜點、降低噪聲、統(tǒng)一采樣、封裝曲面；多邊型處理主要針對模型表面存在的一些孔洞和凸凹不平，處理后得到光順的三維人臺模型，預(yù)處理三維人臺模型如圖1所示。

圖1 預(yù)處理三維人臺模型Fig.1 Preprocessing 3D mandrel model

1.3 模型精度檢測

應(yīng)用三維曲面檢測對模型整體處理精度進(jìn)行檢測[14]。將處理后的三維軀干人臺模型與原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差比較分析，所得曲面偏差色譜圖如圖2所示。胸部曲面模型的最大正偏差9.509 0 mm，最大負(fù)偏差-0.971 9 mm，平均偏差0.327 6 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.559 9 mm。圖2為曲面偏差色譜圖，由圖2可以看出，模型曲面偏差主要集中在人臺邊緣處，胸部曲面整體偏差很小。

圖2 曲面偏差色譜圖Fig.2 Curved deviation chromatogram

2 胸部模型重建

通過提取人體胸部特征曲線重新構(gòu)建胸部模型，該模型是參數(shù)化模杯建模的基礎(chǔ)。

2.1 胸部特征曲線提取

圖1預(yù)處理后的三維人臺模型坐標(biāo)系中前后身方向為X軸，身高即垂直方向為Y軸，左右即水平方向為Z軸。沿Y軸方向，以XZ水平面截取胸部人臺得到胸部特征曲線。胸部形態(tài)特征曲線密度應(yīng)適中，過密集則增加后續(xù)模型重建的工作量，甚至對建模造成干擾；過稀薄又很難保證模型的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致模型失真。經(jīng)過多次試驗，最終確定以5 mm間距截取特征曲線。圖3為胸部形態(tài)特征曲線，由圖3可知，從下胸圍線開始到上胸圍線截止，每隔5 mm向上截取曲線，共提取29條胸部形態(tài)特征曲線。

圖3 胸部形態(tài)特征曲線Fig.3 Chest shape characteristic curve

2.2 確定BP點

BP點是胸部曲面的最高點，也是模杯形態(tài)造型的關(guān)鍵點。人臺模型BP點肉眼較難確定，可通過胸圍線和胸切線的交點來確定。胸圍線和胸切線分別是水平和垂直方向曲率最大的乳房形態(tài)曲線。BP點位置見圖4，由圖示出以右側(cè)胸部為例，通過曲率分析初步確定人臺模型BP點區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)以1 mm間距分別截取XZ、XY方向截面曲線，比較曲線曲率，得到曲率最大的胸圍線與胸切線，2條曲線的交點即為BP點。

圖4 BP點位置Fig.4 BP point location

2.3 胸部曲線模型重建與精度檢測

由胸圍線與29條胸部形態(tài)特征曲線M共同構(gòu)建胸部三維曲線模型，如圖5所示。對模型曲線精度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，30條胸部形態(tài)特征曲線的誤差均小于1 mm，平均誤差為0.719 mm，最大誤差0.923 mm，最小誤差為0.325 mm。

圖5 胸部曲線模型Fig.5 Breast curve model

表1 胸部模型曲線精度檢測Tab.1 Accuracy detection of breast model curve mm

3 模杯形態(tài)曲線設(shè)計

模杯建模以人體胸部模型為依據(jù)設(shè)計模杯形態(tài)特征曲線，進(jìn)而構(gòu)建三維模杯模型。在人體建模研究中，假設(shè)乳房左右形態(tài)對稱，以右乳房為例進(jìn)行模杯設(shè)計。

文胸模杯根據(jù)罩杯上弧線的位置和形狀通?？煞譃槿直?、3/4罩杯和1/2罩杯；根據(jù)功能可分為基礎(chǔ)薄模杯、功能性模杯、塑形性模杯等。本文以3/4模杯為例，基于人體胸部模型設(shè)計文胸模杯，模杯內(nèi)表面與人體胸部相吻合，輪廓曲線依據(jù)胸部曲面形態(tài)與模杯造型特征進(jìn)行設(shè)計。

3.1 胸部參考線

圖6示出在人體模型上的胸部參考線。其中，曲線a為下胸圍線；曲線b為胸圍線，是經(jīng)過BP點的胸部形態(tài)特征曲線；曲線c為上胸圍線，是乳房及模杯上邊界參考線；曲線d為乳房內(nèi)側(cè)邊緣參考線；曲線e為胸切線，是經(jīng)過BP點的縱向胸部形態(tài)曲線；曲線f為前后身分界線；曲線g為腋窩曲線；曲線h為文胸肩帶位置曲線，經(jīng)過單肩1/3點與BP點[13]。

圖6 胸部參考線Fig.6 Chest reference

3.2 乳房邊界曲線

乳房邊界曲線如圖7所示。根據(jù)胸部參考線與人體模型曲面形態(tài)特征，確定乳房邊界點BU、BF、BD、BR，構(gòu)建乳房邊界曲線M[3、15]。曲線c與e的交點BU為乳房上邊界點；曲線a與e的交點BD為乳房下邊界點；曲線b與d的交點BF為乳房內(nèi)側(cè)邊界點；依據(jù)曲線f和g的位置及胸部模型曲面特征，確定乳房外側(cè)邊界點BR。在人體胸部模型上，依次連接BU、BF、BD、BR 4個邊界點，調(diào)整得到閉合的光順曲線，即為乳房邊界曲線。

圖7 乳房邊界曲線Fig.7 Breast boundary curve

3.3 模杯形態(tài)曲線設(shè)計

以乳房邊界線為參考，結(jié)合3/4模杯的造型特征，設(shè)計構(gòu)建模杯輪廓曲線，圖8為3/4 模杯輪廓曲線。模杯輪廓曲線的3個關(guān)鍵特征點分別標(biāo)記為A、B、C，其中A點為乳房上邊界線與曲線h的交點；B點與BF點重合；C點位于乳房邊界曲線上，距腋窩曲線g與乳房邊界線交點約1 cm處?；【€AB沿胸部表面形態(tài)設(shè)計成光順的S形曲線；弧線BC與乳房下邊界線完全重合；弧線AC沿胸部模型表面向BP點方向彎曲，弧度較小形態(tài)自然，弧線最大凹進(jìn)處距乳房邊界線AC約1 cm。

圖8 3/4 模杯輪廓曲線Fig.8 3/4 mold cup profile curve

4 三維模杯建模

在SolidWorks軟件中輸入胸部形態(tài)特征曲線模型。圖9為右胸部曲線與曲面模型，將人臺模型前中線所在截面定義為基準(zhǔn)面XY，前后身分界線所在截面定義為基準(zhǔn)面YZ，用2個基準(zhǔn)面剪切胸部模型截取右胸部特征曲線模型，如圖9(a)所示；通過曲線放樣即可得到右胸部曲面模型，如圖9(b)所示。

圖9 右胸部曲線與曲面模型Fig.9 Right chest curve and surface model.(a) Curvilinear models;(b) Surface model

將圖8中的模杯輪廓曲線導(dǎo)入SolidWorks軟件系統(tǒng)，剪切圖9(b)右胸部曲面模型得到模杯三維模型，如圖10三維模杯模型所示。模杯曲面模型通過加厚可得到模杯實體模型，可用于3D打印快速成型。

圖10 三維模杯模型Fig.10 3D mold cup model

5 結(jié)束語

胸部形態(tài)特征是文胸模杯曲面造型與合體性設(shè)計的依據(jù)和基礎(chǔ)，本文應(yīng)用逆向工程技術(shù)與三維曲面建模方法，研究基于人臺胸部特征曲線的合體型文胸模杯建模問題。應(yīng)用三維人體掃描儀掃描人臺模型，經(jīng)逆向工程建模及預(yù)處理技術(shù)得到光順的三維人臺模型，精度檢測證明模型胸部曲面尺寸偏差較小。根據(jù)人體胸部曲面特征在三維人臺模型上提取30條特征曲線，重建胸部模型。以女性乳房形態(tài)特征及人臺胸部模型為基礎(chǔ)，設(shè)計3/4罩杯文胸模杯結(jié)構(gòu)特征曲線，構(gòu)建三維模杯模型。

數(shù)字化三維模杯模型具有參數(shù)化及可復(fù)用設(shè)計的特征。基于文胸合體性設(shè)計的需求，本文提出了以人臺重建模型為基礎(chǔ)構(gòu)建模杯模型，使模杯形態(tài)與人臺模型高度吻合，為文胸模杯合體性研究提供了技術(shù)參考，為后續(xù)模杯的功能性與創(chuàng)新設(shè)計奠定了研究基礎(chǔ)。