葉曉露, 龐程方, 辛意云, 鄒奉元,b

(浙江理工大學 a.服裝學院; b.浙江服裝工程技術研究中心, 杭州 310018)

研究與技術

基于三維掃描的短褲形態(tài)與結構設計關系研究

葉曉露a, 龐程方a, 辛意云a, 鄒奉元a,b

(浙江理工大學 a.服裝學院; b.浙江服裝工程技術研究中心, 杭州 310018)

為研究短褲重要部位結構設計對著裝后的形態(tài)所產生的影響，借助TC2三維掃描技術采集點云數(shù)據，運用RBF神經網絡擬合短褲特征截面曲線，提取短褲各特征截面的褲寬、褲厚及每隔15°人體表面與褲裝表面間距數(shù)值，最后用相關性分析進行數(shù)據處理。結果表明：樣板參數(shù)中落襠量與臀圍截面褲厚呈顯著正相關，而后襠傾斜角增大腹圍截面與臀圍截面分別趨向寬扁和厚窄。落襠量對著裝間隙量的影響部位為襠圍截面和褲口截面。后襠傾斜角對著裝間隙量的影響部位為腰圍、腹圍及臀圍截面。落襠量增大褲管整體有向前傾趨勢，后襠傾斜角增大短褲腰腹臀后側更貼近于人體。

短褲; 著裝形態(tài); 三維掃描; RBF神經網絡; 特征截面曲線; 結構設計

褲裝是包圍人體腰腹臀部，在臀底分開包裹雙腿的下身服裝[1]。其中短褲的結構與基本褲裝相比有較大的差異。短褲對于上襠部位要求不能貼近臀溝，并且具有一定的寬松量，前后褲口距離大腿部位要有一定的空隙，從而提高短褲穿著時的運動功能性和舒適性[2]。將短褲二維樣板與著裝后的三維形態(tài)及與人體間關系建立直觀聯(lián)系將對短褲的設計與加工具有指導意義。

周麗華[2]以短褲為實例構造平面幾何模型研究了褲裝結構中幾個重要參數(shù)與穿著舒適性及造型的相關關系。楊念[3]建立了主觀評價體系對樣板優(yōu)化前后健身短褲著裝舒適性和美觀性進行研究。劉東[4]從臀圍放松量、褲口的大小及不同短褲的款式等方面對短褲襠部形態(tài)的影響進行了討論。韓少杰[5]建立幾何模型模擬短褲落襠量的變化規(guī)律。盡管從平面樣板變化理論分析及主觀評價角度對服裝形態(tài)變化研究具有一定效果，但無法充分且直觀地獲知人體與服裝間多層面的復雜關系。通過三維掃描技術可以獲得服裝截面等非線性數(shù)據，從而能夠更好地分析復雜的著裝形態(tài)問題。Taya等[6]通過超高頻頻譜分析儀測量人體及著裝橫截面形狀，并進一步研究服裝號型和材料對服裝波形的影響。Machiko等[7]運用三維測量系統(tǒng)獲取著裝截面并由此建立服裝樣板設計系統(tǒng)。Wang等[8]通過非接觸式三維掃描儀獲得女士夾克特征截面形狀，并由面料物理力學性能對服裝截面形態(tài)進行預測。Ashdown等[9]對合體褲裝橫截面進行分析，量化了服裝和人體間的關系。

本文將運用三維人體掃描技術獲取短褲特征截面點云數(shù)據，采用RBF神經網絡對特征截面曲線進行擬合，通過相關性分析就短褲重要部位結構設計對著裝后的形態(tài)所產生的影響進行研究，快速、有效地得到不同襠部板型參數(shù)下短褲著裝形態(tài)的效果，揭示短褲造型與結構之間的規(guī)律。

1 實 驗

1.1 實驗對象與研究方法

實驗用樣褲的規(guī)格尺寸為：腰圍70 cm，臀圍102 cm，立襠25.5 cm，褲長36 cm，腰頭寬3 cm?；狙澠瑯影宓穆湟d量是1 cm[10]，短褲的造型與長褲基本相同，只是短褲的落襠量會大于長褲，一般大于2.5 cm左右，這是為加大后褲片傾斜量而作的調整[11]，但落襠量過大將會發(fā)展為極態(tài)形式，如三角褲、泳褲[12]。因此，本文根據所確定的女西短褲款式，將西短褲的落襠量定為1～5 cm，以2 cm為檔差設置落襠量來研究其變化對短褲形態(tài)所產生的影響。在基本褲裝結構中，對于女褲來說，后襠斜線傾斜量通常在15︰2.5～15︰4 cm內[1]，而15︰2.5 cm相當于10°，15︰4 cm相當于15°，因此本文在后襠傾斜角范圍設置時取一般取值范圍內的最大與最小值以代表這一范圍內的變化情況。將參與實驗的樣褲進行編號，根據每個變量的取值范圍、實驗方法及檔差的確定，進行組合設計得到六件樣褲，具體參數(shù)設計如表1所示。

實驗采用白坯布制作六件樣褲，為了減少縫制過程中不同縫制人員縫制手法和操作不同而對實驗造成誤差，所有樣褲的裁剪和縫制均由同一縫制人員進行操作且采用同樣的設備和工序。實驗樣褲的款式及所選取的特征部位如圖1所示。

表1 樣褲樣板參數(shù)設計

圖1 特征截面部位Fig.1 Typical cross-section parts of shorts

本研究采用的測量儀器為美國TC2三維人體掃描儀，實驗中使用經改造的160/68A女下身人臺(GB/T 1335.2—2008《服裝號型 女子》)作為穿著對象。首先運用三維掃描儀分別對凈身人臺及穿著六件樣褲著裝狀態(tài)下的人臺進行掃描，在3DMax中用獲取截面功能分別得到圖像的腰圍、腹圍、臀圍、襠圍及褲口五個人體下半身特征部位的截面部位，運用Matlab(R2010a)軟件獲取所需要的廓形參數(shù)。

1.2 服裝特征截面曲線提取

由TC2三維掃描所得的多面網格數(shù)據大約有(30～50)億個像素點，從而形成了每層均勻間隔為1.5 cm的點云數(shù)據[9]，點云數(shù)據以三維坐標(x，y，z)的形式儲存。服裝特征截面為一閉合曲線，閉合曲線中一個x值無法對應唯一的y值，因此本文將原數(shù)據坐標用Matlab中的cart2pol函數(shù)轉化為極坐標系下的(θ，r)，使得極角與極徑一一對應，得到離散的極坐標數(shù)據。然后運用RBF神經網絡擬合極坐標數(shù)據，將離散的極坐標數(shù)據θ及r分別作為輸入值及輸出值對神經網絡進行訓練，使神經網絡通過權值記憶極角與極徑之間存在的對應關系。再由訓練好的神經網絡，將截面曲線上每隔0.01°所取的數(shù)據點為自變量加到神經網絡的輸入端，相應地得到該點所對應的極徑，即預測除原始數(shù)據外截面上其他坐標點數(shù)據，如此，最終計算仿真精度為0.01°的數(shù)據點對，將離散的極坐標數(shù)據點擬合為連續(xù)的極坐標曲線。其中，網絡的輸入層到隱含層實現(xiàn)x→Fi(x)的非線性映射，隱含層節(jié)點的作用函數(shù)為高斯基函數(shù)；隱含層到輸出層實現(xiàn)Fi(x)→yk的線性映射，網絡結構如圖2所示。經訓練的RBF神經網絡輸出均方誤差MSE符合目標10-4的要求，如圖3所示。

圖2 RBF神經網絡基本結構Fig.2 Basic architecture of RBF neural network

圖3 RBF誤差性能曲線Fig.3 Error performance curve of RBF

1.3 特征截面形態(tài)參數(shù)選取

為了消除掃描時穿著不對稱的誤差，對截面做對稱化處理后，提取外輪廓指標和著裝間隙量指標作為形態(tài)指標，特征截面形態(tài)指標選取如圖4所示。

褲寬和褲厚分別為特征截面曲線外接矩形的長和寬，從0°到360°每隔15°提取人體表面與褲裝表面間距數(shù)值，從而反應人體著裝后短褲真實變形情況。軀干部位截面由于左右對稱取90～270°，褲口部位取0～345°。

圖4 特征截面形態(tài)指標選取Fig.4 Selection of typical shape parameters

2 數(shù)據處理與分析

2.1 外輪廓指標

采用相關性分析法考察短褲各形態(tài)指標與樣板參數(shù)之間的關系。Pearson簡單相關分析用于計算連續(xù)變量或等間距測度的變量間的相關分析。利用相關系數(shù)進行變量間線性關系的分析通常需要完成以下兩個步驟：1)計算樣本相關系數(shù)，當0<|r|<1時，表示兩變量存在一定程度的線性相關，且r越接近1，兩變量間線性關系密切；r越接近于0，表示兩變量的線性相關微弱[13]；2)對樣本來自的兩總體是否存在顯著的線性關系進行推斷。結合相關系數(shù)及顯著性的驗證對相關關系進行判定。

人體下半身原型展開與人體的配置[14]如圖5所示，臀圍線上的FH至BH點為人體的腹臀寬，點FH”至點BH”為褲裝襠寬，短褲落襠量的增加使得前片與后片拼接后短褲的腹臀寬增加，如圖6所示，F(xiàn)H”BH”1

圖5 人體下半身原型展開與人體的配置Fig.5 Unfolding of lower-body prototype and body configuration

后襠傾斜線的設計是為了吻合人體臀大肌的凸出與后腰部形成一定坡度的生理特征[2]。如圖7所示，從二維樣板上看，后襠傾斜線由BW”1BH”變化到BW”2BH”傾斜度增加。由表2可知，該變化反映到三維形態(tài)，其對三維外輪廓的影響主要發(fā)生在腹部以及臀部。后襠傾斜角與腹圍褲寬造型在0.01水平(雙側)上顯著相關，關系系數(shù)為0.986，說明后襠傾斜角變大則腹圍褲寬將隨之顯著變大；而后襠傾斜角與腹部褲厚造型在0.05水平(雙側)上顯著相關，關系系數(shù)為-0.877，說明后襠傾斜角變大則腹部褲厚將隨之顯著變小。由此可見，后襠傾斜角對腹圍截面褲子造型的影響為其值越大，褲子厚度減小、寬度增大，后襠傾斜角越大后襠線將靠近人體從而使得褲子后片也貼近人體，褲厚在腹圍截面因此而減小，褲寬則得到了增加。

表2 外輪廓指標與樣板參數(shù)相關性分析

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

圖6 落襠量變化Fig.6 Change of crotch

圖7 后襠傾斜角變化Fig.7 Change of back crotch angle

臀圍截面后襠傾斜角在0.05水平(雙側)上與褲寬和褲厚顯著相關，關系系數(shù)分別為-0.869和0.849，說明后襠傾斜角增大時臀圍截面褲子厚度增加、寬度減小，整體造型趨向厚窄，從而表明增加后襠傾斜角能夠增加褲裝的腹臀寬以適應臀部較厚的體型。后襠傾斜角對于其他部位的褲寬與褲厚影響不顯著。

2.2 著裝間隙量指標

2.2.1 腰圍截面

由表3可見：1)樣板參數(shù)中落襠量的變化對腰圍截面各角度著裝間隙量不產生影響。2)后襠傾斜角在腰圍截面的90～180°位置，即在人體腰部后半部分分別產生不同程度的影響。由圖8可知1—3號樣褲后襠傾斜角為10°均比4—6號后襠傾斜角為15°的樣褲在90～180°位置間隙量要大。3)90°、105°及135°即后腰中心與后腰偏側部位在0.01水平(雙側)上與后檔傾斜角相關性相對較高，說明腰圍截面在后中附近及后偏側部位受后襠傾斜角的影響最為顯著。其次在0.05水平(雙側)上為120°、150°及人體側面的180°。隨著后襠傾斜角的增大，腰后側的距離減小，褲子在腰部更貼近人體。這是由于后襠傾斜角增大后直襠線的斜度增大，直襠線在腰節(jié)處的撇進量增大使得褲子在后腰節(jié)距離減小，BW”與BW更為靠近。4)腰圍截面的前側255°位置的間隙量在0.05水平(雙側)上與后襠傾斜角呈正相關，由此可見后襠傾斜角增大時腰部前中附近間隙量得到了增加。

表3 各特征部位截面間隙量與樣板參數(shù)相關性分析

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

圖8 腰圍截面曲線Fig.8 Cross-section curve graph of waist

2.2.2 腹圍截面

由表3可見：1)落襠量與腹圍截面各角度間隙量不具有相關性；2)后襠傾斜角在90～105°處，即后中附近在0.05水平(雙側)上與間隙量高度相關且呈負相關，后襠傾斜角增大時腹圍截面后中處間隙量將減小，褲子在后中處將更貼近人體；3)在150°處為后方偏側部位及側縫180°處，間隙量分別在0.05和0.01水平(雙側)上與后襠傾斜角均呈高度負相關；4)由于前側腹凸點A的支撐作用，腹圍截面前側間隙量變化不顯著(圖9)，前中腹凸點附近截面曲線均比較接近；5)后襠傾斜角對于前側間隙量不產生影響。

圖9 腹圍截面曲線Fig.9 Cross-section curve graph of abdomen

2.2.3 臀圍截面

由表3可見：1)落襠量與臀圍截面各角度間隙量低度相關，即落襠量的變化對臀圍截面著裝間隙量的影響不顯著；2)而后襠傾斜角對臀圍截面著裝間隙量的影響主要發(fā)生在90～150°，并在0.05水平(雙側)上與著裝間隙量具有高度負相關關系。由上述分析可知后襠傾斜角增大褲厚增大，但褲裝在臀部后方更貼近人體，增大的褲厚使得褲子與人體后臀部形狀更為吻合；3)由于135°位置受臀凸點B支撐的影響，后襠傾斜角所引起的人體與褲裝在此角度的位置關系變化不大。如圖10所示，臀凸點附近截面曲線均比較接近。從側縫到前中，褲裝間隙量均與后襠傾斜角低度相關或不存在關系。

圖10 臀圍截面曲線Fig.10 Cross-section curve graph of hip

2.2.4 襠圍截面

由表3可見：1)落襠量對著裝間隙量從襠部截面開始產生影響，襠部截面135～150°處及225°處分別為襠部后方偏側部位和襠部前方偏側部位，在0.05水平(雙側)上顯著相關，說明落襠量對襠部截面間隙量的影響主要發(fā)生在前后方的偏側部位；2)此外，在前中270°處，落襠量與間隙量在0.05水平(雙側)上顯著相關，相關系數(shù)為0.867，說明襠部前中位置間隙量與落襠量正相關，落襠量增大襠部前中處間隙量也將增大。襠圍截面曲線如圖11所示。落襠量增大，后方偏側部位間隙量減小，使得褲子更貼近于人體，前方偏側部位及前中處間隙量增加，襠部前側活動量增大。由此可見，落襠量的增大由二維樣板反映到三維著裝形態(tài)褲管整體有向前傾趨勢，使得短褲褲腿后方貼合人體，前方增加了其活動量。如圖12所示，落襠量越大樣板拼接后腹臀寬增大，穿著在人體后前片在襠底處牽扯后片，襠底CR”向前發(fā)生移動使得襠部著裝間隙量在前側增多。后襠傾斜角則對襠部截面各角度間隙量不產生影響。

圖11 襠圍截面曲線Fig.11 Cross-section curve graph of crotch

圖12 短褲著裝形態(tài)Fig.12 Dressing form of shorts

2.2.5 褲口截面

本文統(tǒng)一選取右大腿截面作為分析對象，因此0～180°即為腿部內側從后部方到腿部外側，180～360°為腿部外側從前部方向到腿部內側。由表2可見：1)105°與90°位置間隙量分別在0.01和0.05水平(雙側)上與落襠量顯著負相關，說明落襠量增大時大腿后側與短褲間隙量將減小，因此能夠解釋增大短褲的落襠量可以達到后褲口吸腿的效果[1]；2)由于褲裝穿著后外側縫稍偏后方發(fā)生移動，165°處即為腿部外側縫，該角度間隙量與落襠量在0.05水平(雙側)上顯著相關，且落襠量增大時外側縫處的空隙量將會減小而更多地分布于側縫的前后；3)240～315°為大腿前側，該部位間隙量在0.01和0.05水平(雙側)上與落襠量高度相關，落襠量增大時腿部前側的空隙量也將隨之增大，人體與褲口間活動量增大使得穿著更為舒適；4)落襠量與大腿部位其他角度相關性不顯著。褲口截面曲線如圖13所示。由相關性分析可知，后襠傾斜角與大腿部位間隙量不相關，由此可以說明后襠傾斜角只對腰部、腹部、臀部造型產生影響。

圖13 大腿圍截面曲線Fig.13 Cross-section curve graph of thigh circumference

3 結 論

將RBF神經網絡曲線擬合方法運用于服裝特征截面曲線擬合中，提取了短褲腰圍、腹圍、臀圍、襠圍及褲口截面輪廓曲線，并選取褲寬、褲厚及每隔15°提取人體表面與褲裝表面間距數(shù)值作為衡量截面形態(tài)變化指標。

采用Pearson相關性分析法考察短褲各截面造型指標與樣板參數(shù)之間的關系。對于外輪廓指標，落襠量增大時短褲在臀圍截面厚度方向也隨之增大；后襠傾斜角對腹圍截面褲子造型的影響為其值越大褲厚減小、褲寬增大，后襠傾斜角增大臀部截面褲厚增加、褲寬減小，整體造型趨向厚窄。對于間隙量指標，落襠量增大使得褲管整體有向前傾趨勢，短褲褲腿后方貼合人體，前方增加了其活動量。后襠傾斜角對著裝間隙量的影響部位為腰圍、腹圍及臀圍截面。

根據所得短褲各截面著裝形態(tài)指標與樣板參數(shù)之間的關系為短褲結構設計提供參考，對短褲中落襠量及后襠傾斜角的值做合理的設置。

[1]陳明艷.褲子結構設計與紙樣[M].上海:東華大學出版社,2009:105. CHEN Mingyan. Trouser Pattern & Structure Design[M]. Shanghai: Donghua University Press,2009:105.

[2]周麗華.關于褲裝結構與舒適性的相關關系研究[J].北京紡織,2005,26(2):50-54. ZHOU Lihua. Study the relationship between the construction and comfort of pants[J]. Beijing Textile Journal,2005,26(2):50-54.

[3]楊念.男子貼體健身短褲版型研究與結構優(yōu)化[D].上海:東華大學,2007:70-72. YANG Nian. Study on the Structure of Fitted and Healthy Male Shorts and the Block Optimization[D]. Shanghai: Donghua University,2007:70-72.

[4]劉東.影響短褲襠位的因素及結構分析[J].東華大學學報,2010,10(1):74-76.

LIU Dong. Analysis of the factors affecting shorts crotch position and structure[J]. Journal of Donghua University,2010,10(1):74-76.

[5]韓少杰.褲裝落襠量的影響因素分析[J].國際紡織導報,2010(12):74. HAN Shaojie. Analysis of influencing factors for pants inside leg length[J]. Melliand-China,2010(12):74.

[6]TAYA Y, SHIBUYA A, NAKAJIMA T. Evaluation method of clothing fitness with body, part 6: evaluation of clothing waveforms by wavelet transform[J]. Sen-I Kikai Gakkaishi,1996,49(6):140-152.

[7]MACHIKO M, TAEKO H. Study on the method of measuring a vacant space distance in a worn jacket for clothing pattern design[J]. Journal of the Japan Research Association for Textile End-Uses,2001,42(4):37-46.

[8]WANG Z H, NG R , NEWTON E, et al. Modeling of cross-sectional shape for women’s jacket design[J]. The Society of Fiber Science and Technology,2007,63(4):87-96.

[9]ASHDOWN S, LOKER S. Use of body scan data to design sizing systems based on target markets[J]. National Textile Center Annual Report,2004(12):1-10.

[10]閻玉秀,章永紅.服裝樣板設計與應用技巧[M].北京:中國紡織出版社,2000:166. YAN Yuxiu, ZHANG Yonghong. Pattern Design and Application Skills[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press,2000:166.

[11]呂學海.服裝制圖[M].北京:中國紡織出版社,2000:91. Lü Xuehai. Pattern-Making[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press,2000:91.

[12]甘應進,陳東生.新編服裝結構設計[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2002:35. GAN Yingjin, CHEN Dongsheng. New Clothing Structure Design[M]. Beijing: China Light Industry Press,2002:35.

[13]余建英,何旭宏.數(shù)據統(tǒng)計分析與SPSS應用[M].2版.北京:人民郵電出版社,2005:164. YU Jianying, HE Xuhong. Data Statistical Analysis and Application of SPSS[M]. 2nd ed. Beijing: Posts & Telecom Press,2005:164.

[14]中澤俞.人體與服裝[M].袁觀洛,譯.北京:中國紡織出版社,2000:33. ZHONG Zeyu. The Human Body and Clothing[M]. Translated by YUAN Guanluo. Beijing: China Textile & Apparel Press Press,2000:33.

Study on the Relationship Between Form of Shorts and Structural Design Based on 3D Scanning

YE Xiaolua, PANG Chengfanga, XIN Yiyuna, ZOU Fengyuana,b

(a.School of Fashion Design and Engineering; b.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In order to study the impact of structural design of important parts of shorts on the dressing shape, TC23D scanning technique was used to collect point cloud data. The typical cross-section curve was fitted by RBF neural network. Then we extracted the width and thickness of each typical cross section of the shorts as well as the distance value between body surface and shorts at every 15°. Finally, correlation analysis was used for data processing. The results show that: among sample parameters, the crotch quantity has significant positive correlation with the thickness of hip cross-section. As the crotch angle increases, the cross section of abdomen circumference and the cross section of hip circumference tend to wider & flatter and thicker & narrower, respectively. For ease allowance, crotch quantity has influence on crotch and thigh sections, while crotch angle has influence on waist, abdomen and hip section. As the crotch quantity increases, trouser legs have forward tendency. As crotch angle increases, waist, abdomen and the back side of hip of trousers are closer to body.

shorts; dressing form; 3D scanning; RBF neural network; typical cross-section curve; structural design

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.01.007

2014-06-16;

2014-10-16

國家國際科技合作專項項目(2011DFB51570)；浙江理工大學研究生創(chuàng)新研究項目(YCX13016)

葉曉露(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為人體工程與數(shù)字服裝。通信作者：鄒奉元，教授，zfy166@zstu.edu.cn。

TS941.17

A

1001-7003(2015)01-0035-07 引用頁碼: 011106