王朝暉， 吳雨曦， 楊 敏

(東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051)

目前，服裝企業(yè)的生產(chǎn)模式正從大規(guī)模批量化生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向快速反應(yīng)的個(gè)性化定制。為滿足服裝產(chǎn)品多樣化需求，個(gè)性化的服裝樣板生成技術(shù)研究成為行業(yè)的熱點(diǎn)和趨勢(shì)?；谌S人體掃描數(shù)據(jù)，有多種具體的實(shí)現(xiàn)路徑，Yang等[1]利用文化原型結(jié)構(gòu)對(duì)三維人體模型設(shè)置約束特征線，并對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)二維展平得到個(gè)體的服裝原型樣板；Meng等[2]通過幾何重構(gòu)提出了一種網(wǎng)格交叉參數(shù)化的優(yōu)化算法，可對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的三維服裝直接進(jìn)行建模展平。由于三維服裝設(shè)計(jì)到二維樣板的生成通常忽略了面料的真實(shí)性能和人體穿著的舒適性，Bartle等[3]提出了一個(gè)定點(diǎn)優(yōu)化程序來補(bǔ)償虛擬成衣中由于物理受力所發(fā)生的褶皺形變；另一方面，Cichocka等[4]嘗試在三維人體模型上直接進(jìn)行服裝的參數(shù)建模，并模擬不同的服裝面料進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。Hong等[5]為脊椎側(cè)突的殘疾人進(jìn)行三維成衣設(shè)計(jì)，將三維人體模型上的虛擬試衣直接轉(zhuǎn)變?yōu)槎S樣板，進(jìn)一步開闊了個(gè)性化服裝樣板生成的應(yīng)用。

目前服裝樣板的個(gè)性化研究有以下3種思路：1)構(gòu)建參數(shù)化原型樣板，采用參數(shù)定義原型樣板的幾何形狀尺寸數(shù)值并約定其尺寸關(guān)系。2)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)到二維樣板生成，即直接在三維人體模型或數(shù)字人臺(tái)上進(jìn)行服裝款式樣板的參數(shù)化設(shè)計(jì)。該方法依賴參數(shù)化建模，但是幾何約束算法無法解決多樣化服裝款式的生產(chǎn)，其服裝的合體性仍有待完善。3)三維成衣到二維樣板生成，即利用曲面建模技術(shù)直接構(gòu)建服裝三維虛擬實(shí)體，并將三維人體上的虛擬試衣直接轉(zhuǎn)換成二維的服裝樣板。盡管目前很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了多方面研究，三維仿真模擬和曲面展平的算法設(shè)計(jì)仍是業(yè)內(nèi)一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為解決個(gè)性化的服裝樣板生成技術(shù)中合體性的問題，本文基于三維測(cè)量數(shù)據(jù)和個(gè)性化人臺(tái)重構(gòu)，利用曲面展平技術(shù)對(duì)三維數(shù)字人臺(tái)表面進(jìn)行二維展平，提出了一種可行有效的女上裝原型樣板的生成方法，本文研究有望為個(gè)性化的數(shù)字人臺(tái)建立以及服裝量身定制(MTM)提供參考思路。

1 個(gè)性化數(shù)字人臺(tái)的生成

由于人體體表是一個(gè)復(fù)雜的自由曲面，這種曲面難以展平得到可用的服裝樣板。為能夠?qū)θ梭w模型進(jìn)行曲面展平，構(gòu)建具有人體特征的可展的數(shù)字人臺(tái)模型是常用的手段。相關(guān)學(xué)者曾使用逆向工程技術(shù)從現(xiàn)有的對(duì)象構(gòu)建模型，通過調(diào)整曲面再構(gòu)建新的模型[6]，可減少對(duì)象模型的曲面尺寸控制點(diǎn)的輸入最終重構(gòu)模型。本文借助該類方法來構(gòu)建被測(cè)者的個(gè)性化數(shù)字人臺(tái)。

1.1 三維人體模型的重構(gòu)

本文隨機(jī)選取1名青年女性，首先借助[TC]2非接觸式掃描儀對(duì)人體進(jìn)行三維掃描，該測(cè)試者的身高為165.2 cm，胸圍為86.5 cm，腰圍為67.4 cm。在掃描過程中，由于掃描校準(zhǔn)的不精確、測(cè)量系統(tǒng)電荷耦合器件的分辨率、身體部位晃動(dòng)等因素影響，會(huì)使得測(cè)量后的數(shù)據(jù)存在圖像誤差，測(cè)量結(jié)果包含噪聲，導(dǎo)致重構(gòu)曲線繁雜和曲面不平滑等問題。此外，在非接觸式掃描中，盲區(qū)和漏洞的出現(xiàn)造成掃描人體的形狀無法精準(zhǔn)，局部尖銳性突出點(diǎn)也會(huì)影響數(shù)據(jù)的精確性。

本文采用Rapid Form逆向工程軟件對(duì)三維掃描的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云合并處理，如圖1(a)所示。隨后在缺口、突出點(diǎn)構(gòu)造平滑面或與周邊相似的曲面曲率做補(bǔ)洞處理，如圖1(b)所示。最后對(duì)三維人體模型進(jìn)行曲面光滑處理，即得到用于曲面擬合和展平的人體模型，如圖1(c)所示的最終處理后用于曲面展平的人體模型。將處理后的三維人體模型與實(shí)際人體尺寸數(shù)據(jù)作對(duì)比，在圍度方向上選取測(cè)量胸圍、腰圍、臀圍尺寸，在垂直方向上選取測(cè)量背長(zhǎng)、腰圍高及身高尺寸。表1示出經(jīng)點(diǎn)云處理后模型的部分尺寸。數(shù)據(jù)表明，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的模型相對(duì)誤差比點(diǎn)云處理前的相對(duì)誤差小，測(cè)量精度明顯提升，以上點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是保證后續(xù)建模質(zhì)量的必須步驟。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理Fig.1 Procession of point cloud data. (a) Noise reducing and simplifying; (b) Hole filling; (c) Smoothing

部位處理前尺寸/cm處理后尺寸/cm實(shí)際尺寸/cm處理前相對(duì)誤差/%處理后相對(duì)誤差/%胸圍 85.1685.8586.501.550.08腰圍 66.4067.2267.401.490.27臀圍 93.6894.4694.400.760.07背長(zhǎng) 39.7939.3739.500.740.34腰圍高98.4998.1297.600.910.53身高 163.50166.09165.201.030. 54

1.2 數(shù)字人臺(tái)的擬合

為充分反映服裝制版中人體關(guān)鍵部位的尺寸信息，并為后續(xù)的人臺(tái)曲面擬合和三維展平提供相應(yīng)的參考坐標(biāo)，首先需要對(duì)三維人體模型進(jìn)行特征點(diǎn)定位。參考GB/T 23698—2009《三維掃描人體測(cè)量方法的一般要求》，GB/T 16160—2017《服裝人體測(cè)量的尺寸定義與方法》，在三維人體模型軀干上選取了頭部、頸部、肩部、臂根部、胸部、臀部、大腿等包含人、衣對(duì)應(yīng)關(guān)系的47個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，如表2所示。特征點(diǎn)的定位主要通過2種方式：一是通過人體幾何特征形態(tài)，觀測(cè)投影輪廓，找出人體輪廓突出點(diǎn)；二是通過計(jì)算曲面曲率，找出點(diǎn)云斷面圖的拐點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)特征點(diǎn)定位[7-8]。

表2 三維人體模型的47個(gè)特征點(diǎn)定位Tab.2 47 landmarks of 3-D human model

隨后，從日本東麗(ACS)CreacompoⅡTorso軟件系統(tǒng)中，選取1個(gè)與實(shí)驗(yàn)人體尺寸信息較為接近的系統(tǒng)數(shù)字人臺(tái)，該人臺(tái)的尺寸為：身高160 cm，胸圍83 cm，腰圍64 cm，臀圍89 cm。在將三維人體模型與系統(tǒng)數(shù)字人臺(tái)進(jìn)行重疊時(shí)，采用手工操作保證人體與人臺(tái)的中心軸重合，使得人體胸圍線(BL)、腰圍線(WL)和臀圍線(HL)與人臺(tái)上相應(yīng)的水平面大致重疊，如圖2(a)所示。在曲面調(diào)整中，以三維人體模型為基底模板，通過調(diào)整相應(yīng)的空間點(diǎn)坐標(biāo)使得數(shù)字人臺(tái)非均勻有理B樣條(NURBS)曲面逼近三維人體模型表面，見圖2(b)。

臀圍線以上部分?jǐn)M合的標(biāo)準(zhǔn)是使曲面盡可能貼近人體模型表面，以達(dá)到數(shù)字人臺(tái)與人體形狀和尺寸的吻合。對(duì)于臀圍線以下部分，按前中心線以腹凸點(diǎn)為基準(zhǔn)豎直向下，后中心線以臀凸點(diǎn)為基準(zhǔn)豎直向下來調(diào)整點(diǎn)坐標(biāo)。側(cè)面位置則擬合貼近人體表面，使得側(cè)面到后中心線、側(cè)面到前中心線的區(qū)域保持平滑狀態(tài)即可。圖3為最終曲線擬合結(jié)果及生成的個(gè)性化人臺(tái)。

圖2 三維人體模型與數(shù)字人臺(tái)的重疊擬合Fig.2 3-D coordinate adjustment of body model and digital mannequin. (a) Overlapping;(b) Adjustting coordinates

圖3 擬合的個(gè)性化數(shù)字人臺(tái)模型Fig.3 Fitted personalized digital mannequin. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

表3示出實(shí)驗(yàn)人體和擬合人臺(tái)的部分尺寸對(duì)比。根據(jù)GB/T 23698—2009中三維人體測(cè)量允許出現(xiàn)橫向圍度上平均差異最大值為4～9 mm，縱向體段長(zhǎng)度上的最大差異值為5 mm，可知此擬合人臺(tái)的構(gòu)建能夠良好地還原人體的特征尺寸信息。

表3 人體與擬合人臺(tái)尺寸表Tab.3 Size table between human body andfitted mannequin

2 數(shù)字人臺(tái)的展平

在服裝CAD中，實(shí)現(xiàn)三維模型向二維衣片的轉(zhuǎn)換是樣板生成的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外許多研究試圖通過引入圖形處理的參數(shù)約束條件[9-10]來構(gòu)建數(shù)字模型的近似可展曲面[11]，或引入能量模型并優(yōu)化曲面展開算法[12]來減少三維展平的失真。Huang等[13]提出了一種可展曲面邊界的三角化算法，可將三維模型劃分若干個(gè)規(guī)整的模塊，以減少三維服裝模塊在嵌入二維平面中的失真?；谝陨显谌梭w模型上建立服裝特征線框進(jìn)行曲面展平的研究，本文提出一種在數(shù)字人臺(tái)上按特征線直接分割成若干模塊，進(jìn)行曲面展平的操作方法。由于在Creacompo Ⅱ Torso軟件上重構(gòu)的數(shù)字人臺(tái)保留了系統(tǒng)自帶的29條人體重要維度信息的NURBS曲線，可直接作為分割線進(jìn)行曲面展平。為確保展平后的樣板構(gòu)造不影響人體穿著的舒適性和美觀性，并且后續(xù)能適用于工業(yè)成衣化生產(chǎn)，需對(duì)數(shù)字化人臺(tái)的曲面分割線進(jìn)行篩選。

在參考人體重要尺寸信息以及繼承傳統(tǒng)服裝原型結(jié)構(gòu)規(guī)律的基礎(chǔ)上[14-15]，本文在數(shù)字人臺(tái)的緯向上保留頸圍線、肩線、胸圍線、腰圍線、臀圍線和大腿中央線(經(jīng)過大腿中央點(diǎn)的水平線)這6條曲線；在經(jīng)向上分別保留前中心線、經(jīng) BP 點(diǎn)的分割線(前公主線)、經(jīng)前腋點(diǎn)至胯骨突出點(diǎn)垂直向下分割線、體側(cè)線、經(jīng)過后腋點(diǎn)垂直向下分割線、經(jīng)過肩線1/2 處至肩胛骨突出點(diǎn)垂直向下分割線(后公主線)和后中心線這7條曲線。除前中心線(FCL)、后中心線(BCL)以及體側(cè)線外，對(duì)于人體非定義區(qū)域，其余4條經(jīng)向線可參考47個(gè)人體特征點(diǎn)的坐標(biāo)或近似垂直平分各緯向線圈的方法來找到各連線交點(diǎn)，最終選取得到數(shù)字人臺(tái)的展平特征線，如圖4(a)所示。

圖4 數(shù)字人臺(tái)的樣板曲面展平Fig.4 Flat surface flattening of digital mannequin. (a) Division wire of digital mannequin; (b) 12 initial pieces of prototype

隨后采用CreacompoⅡTorso軟件自帶的曲面展平工具，依據(jù)展平特征線進(jìn)行曲面自動(dòng)切割，可將三維人體模型的數(shù)字人臺(tái)右半部分劃分為12片，如圖4(b)所示，BL為胸圍線，WL為腰圍線，HL為臀圍線。最終得到的二維平面矢量圖即為服裝款式變化的初始樣板。對(duì)于復(fù)雜曲面三維到二維的轉(zhuǎn)換，展平前后應(yīng)該滿足3點(diǎn)要求：三維曲面與二維衣片樣板的面積近似相等；邊界曲線長(zhǎng)度保持一致；衣片間關(guān)鍵點(diǎn)的位置互相對(duì)應(yīng)[16]?？赏ㄟ^以上原則對(duì)展平的二維矢量圖進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 構(gòu)建個(gè)性化原型樣板規(guī)則

從個(gè)性化數(shù)字人臺(tái)得到的12片二維矢量圖保留了大量的人體特征曲面信息，為后續(xù)三維虛擬成衣的款式開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，但由于初始樣板形制上簡(jiǎn)單粗糙，且樣片分散無規(guī)則，并不能直接用于服裝平面制版和款式設(shè)計(jì)，須進(jìn)一步對(duì)初始樣板進(jìn)行調(diào)整，其中樣板松量的大小和省道的配置是服裝制版最為關(guān)鍵的問題。

3.1 原型樣板的松量分配

將上述12片展平的二維矢量圖作為研究對(duì)象，并將矢量圖按人體順序部位進(jìn)行拼合。為保持衣身原型在BL、HL的水平方向上，拼合時(shí)要注意各矢量圖的BL、HL水平吻合，并將前后中心線修正為豎直的水平線。由于人體臀圍線以下樣板的部分對(duì)女上裝結(jié)構(gòu)影響度較小，因此在樣板原型的拼合中忽略臀圍線以下的樣板造型。

圖6 原型前、后衣片的省道調(diào)整Fig.6 Dart volume adjustment of prototype. (a) Dart adjustment in front and back; (b) Final personalized female prototype

圖5 樣板拼合及衣片松量調(diào)整Fig.5 Prototype adjustment of loose volume

3.2 原型樣板的省道調(diào)整

原始樣板上的省道是在數(shù)字人臺(tái)的7條縱向基礎(chǔ)線上分割獲得的，由于原始省道形態(tài)不完全符合人體解剖學(xué)與衣身美學(xué)，應(yīng)予以細(xì)微調(diào)整。如圖6(a)所示，在后衣片中，修正肩胛省CGC′，使得省尖點(diǎn)落在肩胛骨的骨點(diǎn)S上。在后片腰圍線上，移動(dòng)2個(gè)腰省的省尖點(diǎn)，使省道成豎直狀態(tài)，以達(dá)到較好的視覺平衡。在后側(cè)片上，降低袖窿底點(diǎn)O約1 cm的高度，使得衣身袖窿底部離開腋窩以達(dá)到穿著舒適的效果。

在前衣片中，調(diào)整肩胸省QBQ′使其與后片的肩胛省位置對(duì)應(yīng)一致。在腰圍線上，將指向BP點(diǎn)處的胸腰省和肩胸省的省尖點(diǎn)偏離胸圍線2～3 cm，使得衣身胸部造型飽滿豐潤(rùn)。修正過于傾斜的腰省WUW′，使省道成豎直形態(tài)，并且省尖點(diǎn)落在胸圍線上。最后，前側(cè)片的袖窿底點(diǎn)O′與后側(cè)片的袖窿底點(diǎn)同樣降低1 cm。對(duì)于前后衣片腰線以下部分，根據(jù)人體的骨點(diǎn)位置修正省道的方向，最終可得到個(gè)性化的女上裝原型樣板，其中S為肩胛省尖點(diǎn)，F(xiàn)′為后腋點(diǎn)，U為前腋點(diǎn)，O與O′為衣身袖窿底點(diǎn)，如圖6(b)所示。

4 原型樣板的驗(yàn)證

為驗(yàn)證原型樣板的可靠性，將調(diào)整后的原型樣板按照1∶1的比例打印輸出，用白坯布制作樣衣，最后由該三維人體測(cè)量的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試穿，驗(yàn)證原型樣衣是否合體，如圖7所示。表4示出原型樣衣與人體的部分尺寸對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖7 樣衣試穿效果Fig.7 Sample views of prototype. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

部位人體尺寸/cm樣衣尺寸/cm松量/cm衣長(zhǎng)58.858.80.0頸圍43.843.80.0胸圍86.592.56.0背長(zhǎng)39.540.00.5腰圍67.467.80.4臀圍94.496.01.6

從著裝效果圖可以觀察到：原型衣領(lǐng)口弧線順延，頸根圍圓順，不起伏且無繃緊現(xiàn)象。肩線基本處于身體肩棱線的上方，順延肩斜度保持順暢。袖窿弧線順延，臂根圍或衣身周邊位置不起浮，無壓迫。腰圍線保持水平狀態(tài)，前、側(cè)、后衣身的身幅松量適中，且前寬、后寬、袖窿寬的比例合適。衣身表面整體順暢，沒有局部或整體的斜褶和掉綹現(xiàn)象，體型適合度良好。綜上所述，生成的個(gè)性化原型能夠良好地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的軀干形態(tài)，適合度較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以服裝產(chǎn)品的個(gè)性化需求為出發(fā)點(diǎn)，基于三維掃描數(shù)據(jù)，建立了一種從三維人體模型到二維服裝原型樣板的新方法。首先將點(diǎn)云處理后的三維人體模型與系統(tǒng)中的數(shù)字人臺(tái)進(jìn)行擬合，建立了個(gè)性化數(shù)字人臺(tái)模型。隨后將數(shù)字人臺(tái)模型的特征線直接分割進(jìn)行曲面展平，獲得人體二維矢量圖；最后根據(jù)衣身平衡原則，調(diào)整初始樣板的松量和省道，構(gòu)建了個(gè)性化女裝原型。其原型樣板試穿效果展示了良好的合體性和美觀性。以上研究對(duì)于未來特殊體型定制服裝樣板和個(gè)性化樣板自動(dòng)生成技術(shù)具有重要的參考意義。

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