楊 敏，楊慧芳，王朝暉

(1.鄭州理工職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)傳媒系，河南 鄭州 450000； 2.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051)

數(shù)字化個(gè)性服裝樣板生成技術(shù)是服裝研究的重要方向之一，其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)服裝個(gè)性化定制技術(shù)的發(fā)展和服裝產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展具有重要的促進(jìn)意義。數(shù)字化服裝樣板自動(dòng)生成技術(shù)主要分為二類[1]，一是基于一維人體數(shù)據(jù)的樣板實(shí)現(xiàn)技術(shù)(包括傳統(tǒng)放碼樣板修改法、參數(shù)化設(shè)計(jì)自動(dòng)打板技術(shù)、人工智能樣板設(shè)計(jì)法)；二是三維人體或服裝模型的二維展平技術(shù)。

傳統(tǒng)放碼樣板修改法目前應(yīng)用較為廣泛，但存在很多問(wèn)題：構(gòu)建放碼點(diǎn)的編號(hào)規(guī)則需要消耗大量的時(shí)間，目前尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]?；趨?shù)化設(shè)計(jì)自動(dòng)打板技術(shù)[4-5]以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，確定服裝紙樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束關(guān)系，但由于服裝紙樣的圖形規(guī)律性較差，對(duì)制板技術(shù)人員要求較高，因此該方法難以滿足流行趨勢(shì)影響下版型多樣化的設(shè)計(jì)需求。人工智能樣板設(shè)計(jì)法[6-7]對(duì)服裝流行市場(chǎng)的反應(yīng)速度較遲緩，所以目前該技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)階段，可行性不高。

基于一維人體數(shù)據(jù)的3種樣板實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)人體尺寸信息考慮均不夠全面，難以滿足由流行趨勢(shì)中服裝款式變化引起的個(gè)性化服裝制板技術(shù)的變化。隨著三維掃描技術(shù)和曲面展平技術(shù)的發(fā)展，三維模型的曲面展平技術(shù)成為服裝行業(yè)研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。三維模型的曲面展平技術(shù)能充分考慮人體各個(gè)部位的尺寸數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地解讀人體。

目前已有相關(guān)研究[8-10]證明了以三維測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的服裝樣板自動(dòng)生成技術(shù)的可行性。但現(xiàn)有的三維人體模型曲面展平技術(shù)生成的“樣板”在實(shí)用性上存在不足，與實(shí)際服裝樣板相比存在一定差距，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

本文在對(duì)人體進(jìn)行三維掃描的基礎(chǔ)上，運(yùn)用曲面重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建三維人體模型，借助曲面展平技術(shù)[11]生成女性上體的二維矢量樣板圖，為個(gè)性化定制系統(tǒng)提供有利參考。

1 基于三維測(cè)量數(shù)據(jù)的三維人體模型重構(gòu)

1.1 三維人體模型數(shù)據(jù)的采集

本文用非接觸式三維掃描測(cè)量方法采集三維人體模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。非接觸式測(cè)量方法能快速準(zhǔn)確地獲取人體表面形狀特征數(shù)據(jù)，避免測(cè)量過(guò)程中因姿勢(shì)、外在力等因素對(duì)測(cè)量精度的影響[12-13]。

非接觸式三維掃描測(cè)量采用NX-16 3D Body Scanner三維人體掃描儀(美國(guó)[TC]2公司)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為隨機(jī)選取的一名165/86A女性，以保證完全有效地表達(dá)實(shí)驗(yàn)方法。

三維人體掃描儀獲取受試者右腿、左腿、軀干、左臂、右臂、左手、右手和頭部等部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。每個(gè)部分由二類數(shù)據(jù)構(gòu)成：①三維坐標(biāo)(x，y，z)逐行排列構(gòu)成的順序列表矩陣;②由構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)小平面的坐標(biāo)序列號(hào)索引構(gòu)成的矩陣。

1.2 三維人體模型的重構(gòu)

以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面造型的方法被稱為曲面重構(gòu)[14]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是構(gòu)建三維人體模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，而構(gòu)建三維人體模型是進(jìn)行人體特征提取和分析的基礎(chǔ)和前提。本文采用逆向工程軟件Rapidform XOR3處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并、補(bǔ)洞和光滑處理。

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪。在掃描過(guò)程中，由于掃描設(shè)備輕微震動(dòng)、掃描校準(zhǔn)不精確、身體部位晃動(dòng)以及測(cè)量系統(tǒng)本身影響等因素，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果重構(gòu)的曲線和曲面不平滑[15]。因此降噪是保證后續(xù)準(zhǔn)確建模的必須步驟。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并。合并了三維人體掃描儀輸出的頭部、左腿、右腿和軀干的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其在融合時(shí)，重疊的區(qū)域被有效地刪除，相鄰的邊界被縫合在一起。

③點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。非接觸測(cè)量往往會(huì)得到相當(dāng)大的數(shù)據(jù)量，但過(guò)多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)易影響計(jì)算機(jī)處理效率。為保證計(jì)算機(jī)的處理效率，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)間互相連接形成的聚面數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，在各個(gè)部位表面的平滑位置保留足夠數(shù)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在高曲率變化位置則保留足以保證其細(xì)部特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量。

④補(bǔ)洞。受人體站立姿勢(shì)、三維人體掃描儀感應(yīng)裝置放置位置等因素影響，封裝后的多邊形三維人體模型上常會(huì)出現(xiàn)部位盲區(qū)，即出現(xiàn)不同程度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題。因此在缺口處需以“補(bǔ)洞”形式構(gòu)建盡可能和周?chē)孢B續(xù)光滑或曲率相似的曲面，以此建造平滑的面。

⑤光滑處理。由于光學(xué)遮擋等原因，在三維人體模型上，人體大腿部、會(huì)陰部、肩部等處的表面存在局部尖銳性的突出，影響數(shù)據(jù)的精確性。所以需要對(duì)局部和整體的多面型曲面進(jìn)行光滑處理，得到較順滑的重建模型,即獲得可以用于擬合與曲面展平的三維人體模型。

2 三維人體模型的擬合

2.1 人體特征點(diǎn)

由于人體體表曲面是具有復(fù)雜特征的自由曲面，因此三維人體模型的擬合需要對(duì)其體表曲面的頸部、肩部、腋部、胸部、腰部和臀部等部位進(jìn)行定位。

人體體表特征由一定數(shù)量的特征線構(gòu)成，特征線則是由人體特征點(diǎn)組成。特征點(diǎn)是指位于特征曲面之間的公共邊界處具有特殊曲率特性的數(shù)據(jù)點(diǎn)[16]。通常情況下，特征點(diǎn)的檢測(cè)依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)在特性，比如曲率、法矢等的變化，即可找到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的突出特征。

根據(jù)GB/T 16160—2008《服裝用人體測(cè)量的部位與方法》、GB/T 23698—2009《三維掃描人體測(cè)量方法的一般研究》以及實(shí)際條件，選取47個(gè)人體特征點(diǎn)，定位人體復(fù)雜曲面。該方法區(qū)域劃分合理，保證了相鄰曲面之間的內(nèi)置連續(xù)性，因此能夠得到整體性能良好的曲面模型。

為了充分滿足服裝制板的需要，本文選取的47個(gè)人體特征點(diǎn)所在部位為：頭部、頸部、肩部、臂根部、胸部、腰部、臀部、大腿、膝蓋、小腿和手臂。此處各部位數(shù)據(jù)為三維人體掃描儀得到人體各部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的細(xì)化。47個(gè)人體特征點(diǎn)分布見(jiàn)表1。

表1 47個(gè)人體特征點(diǎn)分布

在嚴(yán)格遵守人體特征點(diǎn)定義的前提下，借助逆向工程軟件Rapidform XOR3，分別在三維人體模型上標(biāo)記上述47個(gè)人體特征點(diǎn)，得到各人體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,z)。

2.2 三維人體模型數(shù)據(jù)與人體特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

由于Rapidform XOR3中的三維坐標(biāo)系與后續(xù)三維人體模型擬合軟件中的三維坐標(biāo)系不同，因此需對(duì)47個(gè)人體特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)Rapidform XOR3產(chǎn)生三維人體模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)為(x,y,z)，轉(zhuǎn)換結(jié)果坐標(biāo)設(shè)為(u,r,w)，其數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

得出：

依照上述關(guān)系式轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，得到擬合所需人體特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。人體體表曲面較復(fù)雜，難以通過(guò)直接展平得到可用的服裝樣板。本文基于三維人體模型，重構(gòu)具有人體特征的虛擬服裝人臺(tái)，將該人臺(tái)曲面展平得到可用作服裝樣板的圖形。

Creacompo II Torso軟件(日本東麗(ACS)公司)內(nèi)置可自由調(diào)節(jié)尺寸的Kjiya系列和ACS系列數(shù)字人臺(tái)。該人臺(tái)是由減少了控制點(diǎn)和精簡(jiǎn)ISO后的NURBS曲面構(gòu)成，為手工擬合數(shù)字人臺(tái)和三維人體模型的曲面提供便利。因此本文采用Creacompo II Torso軟件，調(diào)整數(shù)字人臺(tái)的NURBS曲面并實(shí)施曲面擬合操作。

2.3 三維人體模型的擬合

將三維人體模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件后，形成初始虛擬人臺(tái)。初始虛擬人臺(tái)與軟件內(nèi)人臺(tái)朝向和位置大致相同。由于該軟件內(nèi)數(shù)字人臺(tái)型號(hào)有限，擬合時(shí)應(yīng)選取身高、胸圍、腰圍、臀圍尺寸與三維掃描得到的人體數(shù)據(jù)尺寸最相近的數(shù)字人臺(tái)?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)，選取Creacompo II Torso軟件中的kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺(tái)進(jìn)行后續(xù)的擬合。該人臺(tái)尺寸信息分別是：身高160 cm，胸圍83 cm，腰圍64 cm，臀圍89 cm。

人體體型的多樣性和人臺(tái)體型的單一性，導(dǎo)致人體和人臺(tái)同一部位的局部形態(tài)并不相同，因此三維人體模型曲面和數(shù)字人臺(tái)曲面并不十分吻合。為得到逼近三維人體模型曲面的虛擬服裝人臺(tái)，需要在已知處理好的三維人體模型的位置，將數(shù)字人臺(tái)的曲面調(diào)整到通過(guò)或貼近三維人體模型表面的過(guò)程即為擬合過(guò)程。

當(dāng)kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺(tái)與初始虛擬人臺(tái)的胸圍線(BL)、腰圍線(WL)、臀圍線(HL)分別均不在同一水平線時(shí)，需要調(diào)整初始虛擬人臺(tái)的準(zhǔn)確位置，使其BL、WL和HL盡量靠近數(shù)字人臺(tái)的BL、WL和HL位置。在保證人體中心軸與人臺(tái)中心軸位置相同的前提下，以0.1 cm的精度上下移動(dòng)初始虛擬人臺(tái)，使其中心軸與數(shù)字人臺(tái)中心軸完全相同、其三圍線與數(shù)字人臺(tái)BL、WL和HL高度對(duì)應(yīng)大致相同。這樣的調(diào)整為后續(xù)擬合奠定了基礎(chǔ)。人體特征點(diǎn)導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件中并調(diào)整其三維坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 人體特征點(diǎn)導(dǎo)入Creacompo II Torso軟件中并調(diào)整其三維坐標(biāo)

從圖1可以看出，調(diào)節(jié)數(shù)字人臺(tái)上每個(gè)人體特征點(diǎn)和空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以達(dá)到局部擬合的狀態(tài)。上述的人體特征點(diǎn)和空間點(diǎn)(即擬合點(diǎn))共計(jì)249個(gè)，擬合點(diǎn)有2種，第1種為2條及2條以上非均勻有理B樣條曲線(Non-Uniform Rational B-Splines，以下簡(jiǎn)稱NURBS)[17]的交點(diǎn)，第2種為只在一條NURBS曲線上的點(diǎn)。其中NURBS常用于車(chē)輛的外形設(shè)計(jì)、人體體型模擬等領(lǐng)域，能夠在復(fù)雜的自由曲面設(shè)計(jì)中得到各種曲面造型的特殊效果。初始虛擬人臺(tái)與kjiya_Newkypris_9AR數(shù)字人臺(tái)擬合的目的是生成高度符合三維人體模型特征的新的人臺(tái)模型。

由于在第三方軟件Rapidform XOR3中預(yù)先處理過(guò)初始虛擬人臺(tái)表面，因此導(dǎo)入到Creacompo II Torso軟件中時(shí)，初始虛擬人臺(tái)表面為不可更改狀態(tài)。這種狀態(tài)為擬合過(guò)程提供良好的基底模板。擬合形成的網(wǎng)格曲面顯示部分為使用者提供了可調(diào)節(jié)的虛擬人臺(tái)。

基于專家建議和經(jīng)驗(yàn)，此初始虛擬人臺(tái)提供了：緯向線12條(前片6條，后片6條)，經(jīng)向線12條(前片6條，后片6條)，維向線5條(頸部1條，臂根部1條，BL1條，WL1條，HL1條)。這29條NURBS曲線分別對(duì)應(yīng)服裝用人體特征的曲線，其所組成的曲面能準(zhǔn)確反映服裝用人體特征曲面。165/86A初始虛擬人臺(tái)擬合后的NURBS曲面如圖2所示。

圖2 165/86A初始虛擬人臺(tái)擬合后的NURBS曲面

在擬合過(guò)程中，臀圍線以上的擬合標(biāo)準(zhǔn)是NURBS曲面盡可能在或者貼近三維人體模型表面，以滿足女上裝制板對(duì)人體形狀和尺寸的需求。本文研究女上裝，對(duì)臀圍以下部位的具體需求較小，因此臀圍以下部位的前中心線以腹凸點(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，側(cè)面位置擬合人體表面，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。擬合得到的虛擬服裝人臺(tái)，保留擬合時(shí)的經(jīng)向線和緯向線。165/86A虛擬服裝人臺(tái)見(jiàn)圖3。

圖3 165/86A虛擬服裝人臺(tái)

為驗(yàn)證虛擬服裝人臺(tái)的有效性，選取虛擬服裝人臺(tái)的21項(xiàng)指標(biāo)尺寸與人體數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這些尺寸分別涵蓋了體表實(shí)長(zhǎng)、高度和寬度等。165/86A人體與虛擬服裝人臺(tái)尺寸對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 165/86A人體與虛擬服裝人臺(tái)尺寸對(duì)比

人體數(shù)據(jù)和虛擬服裝人臺(tái)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，絕對(duì)誤差在0.6 cm以內(nèi)，相對(duì)誤差值在2.11%以內(nèi)。根據(jù)服裝設(shè)計(jì)余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[18]，可知此虛擬服裝人臺(tái)的構(gòu)建能夠良好的反映人體的特征。

3 三維人體模型的展平

3.1 虛擬服裝人臺(tái)的曲面展平

人體表面的復(fù)雜曲面從三維到二維的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該滿足以下要求：①展平前后，三維曲面與二維衣片的面積近似相等；②展平前后，三維曲面與二維衣片的邊界曲線長(zhǎng)度應(yīng)該一致；③展平前后，三維曲面與二維衣片的關(guān)鍵點(diǎn)位置互相對(duì)應(yīng)。

滿足以上要求，合理的曲面展平方式能有效提高曲面的展平效果和效率。在曲面造型過(guò)程中，當(dāng)曲面兩兩相交時(shí)，一般以曲面間的交線為分割邊界實(shí)施切割。這類技術(shù)在均勻變化的幾何形態(tài)明顯的曲面交互造型擁有廣泛的應(yīng)用。

本文借助Creacompo II Torso軟件，在曲面不同部位繪制分割線，構(gòu)成的分割線網(wǎng)能夠有效地進(jìn)行曲面展平。

女裝原型普遍以右半身原型形式展示，且除個(gè)別特殊情況外人體左、右半身基本保持對(duì)稱狀態(tài)。為方便研究，本文以在構(gòu)成面上的網(wǎng)格線為切開(kāi)位置，展平虛擬服裝人臺(tái)的右半身曲面，得到右半身的二維矢量樣板圖。

制定分割線位置具體如下，緯向6條分割線分別為：頸圍線、肩線、胸圍線、腰圍線、臀圍線和大腿中央線(經(jīng)過(guò)特征點(diǎn)中大腿中央點(diǎn)的水平線)；經(jīng)向7條分割線分別為：前中心線、經(jīng)過(guò)BP點(diǎn)的分割線、經(jīng)過(guò)胸寬點(diǎn)胯骨突出點(diǎn)的分割線、體側(cè)線、經(jīng)過(guò)背寬點(diǎn)的分割線、經(jīng)過(guò)肩胛骨突出點(diǎn)的分割線和后中心線。165/86A虛擬服裝人臺(tái)的展平分割線位置見(jiàn)圖4。

圖4 165/86A虛擬服裝人臺(tái)的展平分割線位置

根據(jù)曲面展平分割線，虛擬服裝人臺(tái)的前半身分為6個(gè)部分，上下各3部分；后半身分為6個(gè)部分，上下各3部分，共計(jì)12部分。從前中心線至側(cè)縫位置，從圖4可以看出，前半身腰圍線以上部分依次為第1、2、3部分，腰圍線以下部分依次為第7、8、9部分；從后中心線至側(cè)縫位置，后半身腰圍線以上部分依次為第4、5、6部分，后半身腰圍線以下部分依次為第10、11、12部分。

由此虛擬服裝人臺(tái)右半部分被劃分為12個(gè)部分，且每個(gè)部分分別可展開(kāi)?；趯?duì)每個(gè)部分在保持表面邊長(zhǎng)不變、面積不變的前提下，進(jìn)行三維到二維的轉(zhuǎn)換。每個(gè)部分以上述展平分割線為切開(kāi)展平的位置，將虛擬服裝人臺(tái)曲面展平，生成不規(guī)則多邊形矢量圖形。這些不規(guī)則多邊形矢量圖形即組成二維矢量樣板圖。165/86A人體的二維矢量樣板圖見(jiàn)圖5。

BL—胸圍線；HL—臀圍線；CBL—后中心線；CFL—前中心線。圖5 165/86A人體的二維矢量樣板圖

3.2 160/84A人臺(tái)曲面展平

本文選擇160/84A人臺(tái)，并對(duì)人臺(tái)曲面進(jìn)行展平，用于標(biāo)準(zhǔn)樣板生成規(guī)則的開(kāi)發(fā)。

160/84A人臺(tái)只有軀干部分，無(wú)手臂和下肢，由于掃描儀器的需要，需要將人臺(tái)裝上假肢(用白色全開(kāi)紙制作)。對(duì)于掃描得到的人臺(tái)數(shù)據(jù)，首先對(duì)其進(jìn)行降噪、合并、精簡(jiǎn)、補(bǔ)洞和光滑，再提取人體特征點(diǎn)的坐標(biāo)，最后擬合得到虛擬服裝人臺(tái)。160/84A人臺(tái)的虛擬服裝人臺(tái)見(jiàn)圖6。

圖6 160/84A人臺(tái)的虛擬服裝人臺(tái)

根據(jù)測(cè)量得知，160/84A人臺(tái)數(shù)據(jù)與其虛擬服裝人臺(tái)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差值控制在0.5 cm以內(nèi)，相對(duì)誤差控制在2.36%以內(nèi)，根據(jù)服裝設(shè)計(jì)余量中0.5～2.0 cm范圍的要求[19]，可知此虛擬人臺(tái)的構(gòu)建能夠良好的反應(yīng)人體的特征。

將160/84A人臺(tái)的虛擬服裝人臺(tái)進(jìn)行曲面展平，得到展平矢量圖。160/84A人臺(tái)的二維矢量樣板圖見(jiàn)圖7。

圖7 160/84A人臺(tái)的二維矢量樣板圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用三維掃描技術(shù)進(jìn)行人體掃描，將得到的三維人體數(shù)據(jù)在Rapidform XOR3軟件中進(jìn)行降噪、合并、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、補(bǔ)洞和光滑處理等操作，建立了光滑的三維人體模型，重構(gòu)了人體表面?；贕B/T 16160—2008、GB/T 23698—2009，挑選并提取47個(gè)人體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維人體模型進(jìn)行特征部位的定位。通過(guò)NURBS曲面逼近三維人體模型表面的方法進(jìn)行三維人體模型的擬合，獲得了符合個(gè)體特征的虛擬服裝人臺(tái)。最后，對(duì)虛擬服裝人臺(tái)模型設(shè)置緯向6條、經(jīng)向7條的切割線，把虛擬服裝人臺(tái)表面按照分割線的位置進(jìn)行曲面展平，得到12片二維矢量樣板圖。本文得到的二維矢量樣板圖是構(gòu)建個(gè)性化服裝原型的重要依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)從矢量樣板圖到服裝原型的研究奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)研究可從矢量樣板圖到款式個(gè)性化版型的實(shí)現(xiàn)入手，針對(duì)研究現(xiàn)狀及行業(yè)未來(lái)發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)從三維數(shù)據(jù)到三維服裝的個(gè)性化定制。