文 | 叢洪蓮 沈穎樂(lè) 趙博宇 董智佳
隨著時(shí)代發(fā)展和人們生活水平提高,針織企業(yè)需要從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向高科技型,傳統(tǒng)針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)技術(shù)已無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)快速升級(jí)的需求,數(shù)字化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是紡織行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵要素之一。針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化為企業(yè)產(chǎn)品快速研發(fā)、提升產(chǎn)品質(zhì)量和水平、提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了有力支持。
針織產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)也是當(dāng)前針織技術(shù)的研究熱點(diǎn),從紗線模擬、面料模擬到服裝虛擬展示,均有研究人員和團(tuán)隊(duì)從事相關(guān)方向的研究。對(duì)紗線-面料-服裝數(shù)字化進(jìn)行系統(tǒng)研究,基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建針織全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)(圖 1),可為針織“個(gè)性定制”和“智能制造”提供理論依據(jù)和實(shí)踐支持。
圖1 針織智能化設(shè)計(jì)解決方案
本文將從針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)、針織服裝設(shè)計(jì)與虛擬展示系統(tǒng)以及針織產(chǎn)品定制與推薦系統(tǒng) 3 個(gè)方面討論針織產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。
為滿足對(duì)各類針織產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求,更清楚、全面地表示不同針織產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與工藝,針織CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式必須要靈活、豐富。針織CAD系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)功能包括花型設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和上機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)等。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品工藝原理和工藝方法的研究,提煉出數(shù)學(xué)模型從而實(shí)現(xiàn)針織產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。關(guān)于各種針織產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,如關(guān)于緯編多針道以及提花產(chǎn)品的研究,關(guān)于經(jīng)編間隔織物編織原理和賈卡提花原理的研究等。
隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,針織物設(shè)計(jì)與仿真研究取得快速突破,針對(duì)提花針織物、絨類針織物、三維立體針織物的仿真模型更趨合理,仿真效果更趨逼真??椢锓抡婕夹g(shù)是CAD系統(tǒng)的主要功能之一,根據(jù)設(shè)計(jì)的幾何花型及編織工藝進(jìn)行織物外觀仿真,可以為產(chǎn)品開發(fā)提供虛擬環(huán)境。
1.1.1 線圈結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)
針織物由紗線屈曲串套而成,其最小結(jié)構(gòu)單元為線圈。紗線在線圈中的路徑為空間曲線,根據(jù)空間曲線建模方法不同,針織物線圈的幾何模型分為分段函數(shù)模型和樣條曲線模型。KURBAK將線圈分解成頭、尾、身 3 部分共 8 段,并對(duì)各段分別建模,其中針編弧和沉降弧為橢圓,圈柱為繞圓柱體旋轉(zhuǎn)且螺旋角變化的螺旋線,模型較為真實(shí)地反映了針織線圈的三維形態(tài)(圖 2)。
圖2 分段線圈模型
樣條曲線是一種參數(shù)曲線,具有統(tǒng)一的表達(dá)式,模擬精準(zhǔn),控制靈活。與分段函數(shù)法相比,樣條曲線的形式更適于復(fù)雜織物中紗線形態(tài)控制。常用的樣條曲線包括插值樣條曲線、參數(shù)樣條曲線、Bezier曲線、B樣條曲線、NURBS曲線等。非均勻有理B樣條(NURBS)是一種在B樣條曲線中,采用其次坐標(biāo)來(lái)指定的曲線,其統(tǒng)一了Bezier曲線、有理Bezier曲線、均勻有理B樣條和非均勻有理B樣條。NURBS曲線不僅引入權(quán)因子,可以調(diào)整線圈形狀,并且量化了單個(gè)權(quán)因子的變化對(duì)曲線形狀的影響,具有更加靈活穩(wěn)定的特性,被廣泛地應(yīng)用于線圈三維模擬中。
1.1.2 紗線真實(shí)感模擬技術(shù)
紗線一般具有一定捻度,且表面粗糙,若用光滑柱面代替則缺乏真實(shí)感。如何重現(xiàn)紗線的表面特性使織物模型更貼近真實(shí),很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。XU等在型值點(diǎn)中間插入亮度隨機(jī)變化的切片Lumislic,這個(gè)切片由隨機(jī)的點(diǎn)組成,根據(jù)捻度角旋轉(zhuǎn)切片,得到了真實(shí)感較強(qiáng)的股線效果。ZHAO等將規(guī)則纖維結(jié)合浮于表面的纖維建立了具有纖維級(jí)細(xì)節(jié)的高質(zhì)量紗線模型。KASPAR等在對(duì)橫機(jī)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模擬中也有對(duì)成形的針織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。盧致文等建立了適用于橫編針織物CAD快速設(shè)計(jì)的真實(shí)感較強(qiáng)的線圈圖元,對(duì)線圈模型以及線圈表面紋理變化等進(jìn)行了研究,圖 3 所示為加入不同明暗變化的線圈。
圖3 不同明暗變化的線圈
1.1.3 力學(xué)建模
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和針織組織結(jié)構(gòu)的三維模擬日趨真實(shí),針織物的物理模擬逐漸成為學(xué)者們研究的重點(diǎn),其中彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型和有限元模型的應(yīng)用最為廣泛。
PROVOT利用彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行針織物仿真的基本思路是:將織物看作由彈簧連接的四邊形質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格,建立彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型網(wǎng)格與線圈的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在織物尺度上通過(guò)模型模擬受力變形情況,再根據(jù)網(wǎng)格變形求解線圈控制點(diǎn)的坐標(biāo);同時(shí)為了解決彈簧超彈性的問(wèn)題,提出以顯示歐拉方法為基礎(chǔ)的反向動(dòng)力學(xué)方法對(duì)彈簧的過(guò)度拉伸進(jìn)行修正。在彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上,不僅有許多學(xué)者對(duì)針織物受力變形進(jìn)行模擬,還有部分學(xué)者對(duì)組織結(jié)構(gòu)改變引起的組織變形現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究。SHA等提出了一種改進(jìn)的長(zhǎng)方體模型和可生成新的輔助點(diǎn)的插值算法,并采用Velocity-Verlet數(shù)值積分法更新質(zhì)點(diǎn)的空間位移,實(shí)現(xiàn)了花式緯編織物的三維動(dòng)態(tài)仿真。張愛軍等針對(duì)壓紗賈卡與襯緯賈卡設(shè)定虛擬質(zhì)點(diǎn),建立了雙套彈簧系統(tǒng),改善了雙賈卡提花經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)形變仿真效果。
有限元方法是一種解決工程和數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值方法,用來(lái)解決數(shù)學(xué)領(lǐng)域和有關(guān)工程的典型問(wèn)題。使用有限元模型能夠很容易地模擬出不規(guī)則物體的結(jié)構(gòu),因此被應(yīng)用在了織物模擬中。PERUMALSAMY等針對(duì)雙羅紋織物在橫向、縱向和前后方向上的拉伸應(yīng)變現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。WU等在微觀尺度上建立虛擬纖維模型,模擬了針織物纖維間相互作用和紗線在大變形下的非線性特性。除此之外,KALDOR等將紗線看作不可伸展的B樣條管道,在此基礎(chǔ)上考慮紗線的彎曲、摩擦等進(jìn)行仿真,取得了很好的仿真效果。CIRIO等將紗線與紗線間的接觸視為持久的滑動(dòng),將仿真處理速度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
目前,比較成功的針織CAD軟件都來(lái)自于國(guó)外的紡織企業(yè)或國(guó)內(nèi)的高校。國(guó)外關(guān)于針織CAD的研究起步早、發(fā)展快,仿真系統(tǒng)功能完善。如MAO等提出了一種基于仿真的針織物套袋性能評(píng)價(jià)與評(píng)定CAD系統(tǒng),從而設(shè)計(jì)出具有理想力學(xué)功能的針織產(chǎn)品。NARAYANAN等提出了通用的可視化針織物設(shè)計(jì)界面,可以從3D模型生成可編織的針織網(wǎng)格,并可允許用戶編輯網(wǎng)格保證織物的可編織性;圖 4 所示為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心 —— augmented stitch mesh,這是系統(tǒng)可視化和仿真功能建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在每個(gè)面都可添加紗線走向跟蹤和本地機(jī)器編織指令。
圖4 增廣編織網(wǎng)格示意圖
國(guó)內(nèi)高校已經(jīng)將織物仿真帶入到教學(xué)當(dāng)中,采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)織物的編織規(guī)律進(jìn)行建模,便于學(xué)生對(duì)于織物組織結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),使學(xué)生在上機(jī)操作之前,能夠直觀地觀察到織物組織形態(tài)、理解織物組織結(jié)構(gòu),而不是僅僅會(huì)通過(guò)織物的簡(jiǎn)易圖示進(jìn)行上機(jī)操作。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái),為提升紡織行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力,江南大學(xué)將之前研發(fā)的單機(jī)版CAD系統(tǒng)融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開發(fā)了網(wǎng)頁(yè)版CAD系統(tǒng),拓寬了系統(tǒng)適用范圍,系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)大,織物模擬功能更逼真(圖 5),為針織CAD系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的思路與平臺(tái)。
圖5 不同類型針織產(chǎn)品仿真效果
隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的高速發(fā)展,利用CAD軟件進(jìn)行針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)和展示成為必然趨勢(shì),智能化設(shè)計(jì)避免了反復(fù)打樣過(guò)程,促進(jìn)了針織服裝的高效化生產(chǎn)。在推進(jìn)服裝CAD智能化的進(jìn)程中,有許多學(xué)者做出了深入研究,如陳曉東等提出運(yùn)用模式識(shí)別理論,使之能自動(dòng)識(shí)別服裝款式圖,并充分利用已有的結(jié)構(gòu)圖繪制新的結(jié)構(gòu)圖。服裝智能化設(shè)計(jì)主要通過(guò)人體建模技術(shù)與服裝建模技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)更具真實(shí)感的針織服裝虛擬展示。
2.1.1 人體建模技術(shù)
三維人體建模作為計(jì)算機(jī)人體仿真的一個(gè)組成部分,一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。自交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誕生之日起,就有學(xué)者不斷探索計(jì)算機(jī)人體建模技術(shù)。從線框建模、實(shí)體建模、曲面建模發(fā)展到基于物理的建模,已取得重大進(jìn)展。
例如,PENG等提出了一種快速參數(shù)化人體造型的方法,根據(jù)不同類型的特征信息提取樣本模型的特征參數(shù),再將軸向變形法與徑向權(quán)重相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的變形,最終實(shí)現(xiàn)服裝三維在線仿真并可展示不同體型的穿著效果。
2.1.2 服裝建模技術(shù)
目前的CAD軟件多采用二維仿真模式對(duì)針織服裝進(jìn)行建模設(shè)計(jì),織物效果缺乏真實(shí)感。因此,研究快速、通用的三維建模算法具有重要意義。
MENG等使用橢圓球來(lái)近似表示人體模型,其中橢球邊界被遞歸優(yōu)化;同時(shí)還提出了一種包含接觸摩擦和解決碰撞的新方案,從而在人體模型上虛擬縫制復(fù)雜的服裝圖案,通過(guò)基于物理的實(shí)時(shí)仿真將設(shè)計(jì)效果可視化。蔣高明等使用Alpha-Shapes算法和RBF徑向基函數(shù)實(shí)現(xiàn)了人體模型的建模,在此基礎(chǔ)上擬合三維人體模型上特征線,建立了基于三維人體模型的二維衣片模型,最后通過(guò)紋理映射實(shí)現(xiàn)虛擬展示功能。圖 6 展示了將衣片部件拼接到衣身上的原理圖。
圖6 組件拼接原理圖
2.1.3 服裝虛擬展示技術(shù)
國(guó)內(nèi)外學(xué)者就如何提高三維服裝展示的真實(shí)性展開了一系列研究,并取得了一定成果。LAG?等研究了在服裝放松量均勻變化的情況下,根據(jù)所使用的面料進(jìn)行基本衣片的修改,避免胸部、腰部和臀圍處二維和三維測(cè)量線不匹配的情況。DONG等采用Alpha-Shapes算法提取人體的特征點(diǎn)及特征面并建立了相應(yīng)的截面凸包,實(shí)現(xiàn)人體特征尺寸提取與人體模型參數(shù)化,通過(guò)在三維場(chǎng)景模型建立的基礎(chǔ)上,設(shè)定燈光、場(chǎng)景風(fēng)格等,完成真實(shí)場(chǎng)景效果的模擬(圖 7)。
圖7 針織無(wú)縫服裝虛擬展示
此外,也有研究者結(jié)合虛擬展示環(huán)境對(duì)服裝視覺效果的影響,進(jìn)一步推動(dòng)了仿真服裝與虛擬空間的融合。WU等為了降低渲染纖維級(jí)服裝模型的內(nèi)存成本,減少了柵格化操作,將構(gòu)成紗線結(jié)構(gòu)的每個(gè)層中心附近的纖維集合起來(lái)表示,并提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于距離的環(huán)境遮擋以及環(huán)境光照預(yù)計(jì)算方法,提高了實(shí)時(shí)渲染的幀率,并且保證了展示效果的真實(shí)感。
面向設(shè)計(jì)師的服裝設(shè)計(jì)展示平臺(tái)在人體三維建模、服裝建模與真實(shí)感渲染等方面做出大量工作。其中,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)操作、優(yōu)化服裝3D虛擬展示和增強(qiáng)真實(shí)感渲染是推進(jìn)展示平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)的工作重心。
國(guó)外服裝CAD/CAM公司在服裝的數(shù)字化虛擬展示系統(tǒng)中起步較早,并領(lǐng)先進(jìn)入市場(chǎng)。如德國(guó)Assyst公司研發(fā)的3D Vidya具有強(qiáng)大的CAD制版功能,根據(jù)設(shè)計(jì)師的草稿就能方便地開發(fā)新款紙樣,并能實(shí)時(shí)預(yù)先看到每個(gè)樣片縫合起來(lái)的服裝三維效果。韓國(guó)CLO虛擬服飾公司研發(fā)的CLO 3D和Marvelous Designer服裝制作軟件可以同時(shí)為專業(yè)設(shè)計(jì)者或者業(yè)余愛好者提供精細(xì)化的設(shè)計(jì)操作,實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)服裝制作方法應(yīng)用到3D建模中。
近年來(lái),為了滿足服裝設(shè)計(jì)生產(chǎn)的快節(jié)奏與設(shè)計(jì)師對(duì)服裝智能化設(shè)計(jì)的要求,國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出了許多數(shù)字化服裝設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái),例如凌迪Style3D(圖 8)、云衣定制和酷特云藍(lán)等,但大部分平臺(tái)僅主打單一類別的服裝設(shè)計(jì)。由于技術(shù)限制,在這些以面向消費(fèi)者為主的服裝定制及虛擬展示平臺(tái)中,還存在可供設(shè)計(jì)展示的服裝種類較少、展示角度不全面等問(wèn)題,仍具有較大的發(fā)展空間。
圖8 凌迪Style3D界面
隨著電子商務(wù)與虛擬成像技術(shù)的發(fā)展,針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)逐漸成熟,用戶在足不出戶的情況下,就能在網(wǎng)頁(yè)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)客戶端上完成挑選、試衣、付款過(guò)程,讓用戶在網(wǎng)上享受到量身定制衣服的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。舒適合體的服裝版型,精準(zhǔn)的個(gè)性化定制服務(wù)是未來(lái)服裝消費(fèi)的趨勢(shì)。通過(guò)挖掘用戶數(shù)據(jù)顯示,服裝尺寸不合適是造成網(wǎng)購(gòu)?fù)素浀闹匾绊懸蛩?,而借助機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的號(hào)型推薦功能使網(wǎng)購(gòu)?fù)素浡拭黠@下降。針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)的流程如圖 9 所示。
圖9 針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)流程
針織產(chǎn)品定制與推薦功能以三維服裝CAD技術(shù)為基礎(chǔ),逐漸向智能與集成階段發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,以大數(shù)據(jù)與云計(jì)算為代表的一系列技術(shù)使服裝CAD系統(tǒng)的推薦功能日臻完善。
服裝款式推薦系統(tǒng)可根據(jù)用戶的歷史消費(fèi)、興趣及需求等對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化的款式推薦,有助于用戶在短時(shí)間內(nèi)獲得心儀的服裝產(chǎn)品,提升用戶購(gòu)物體驗(yàn)?,F(xiàn)有的推款系統(tǒng)所依據(jù)的算法主要有改進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法、本體理論、模糊集合理論、關(guān)鍵點(diǎn)理論、決策樹算法與協(xié)同過(guò)濾算法等。LI等為了改善服裝電子定制系統(tǒng)并滿足消費(fèi)者在電子定制中的個(gè)性化需求,開發(fā)了一種針對(duì)服裝設(shè)計(jì)的電子定制協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ECS-GD),使用戶能夠共同設(shè)計(jì)服裝并與利益相關(guān)者進(jìn)行溝通。但這種定制系統(tǒng)仍需與用戶建立實(shí)時(shí)聯(lián)系,無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)服裝的個(gè)性化推薦。
近年來(lái),有學(xué)者將智能優(yōu)化算法中的交互式遺傳進(jìn)化算法引入款式設(shè)計(jì)與推薦系統(tǒng)中。張卓等提出了一種基于交互遺傳算法的Polo衫個(gè)性化三維建模和快速風(fēng)格推薦的設(shè)計(jì)方法,可以實(shí)現(xiàn)為客戶提供所見即所得的量身定制Polo衫款式推薦。在保證一定搜索空間的同時(shí),逐漸傾向用戶的心理偏好,實(shí)現(xiàn)用戶導(dǎo)向的Polo衫個(gè)性化快速款式生成與推薦,降低服裝設(shè)計(jì)的門檻。
為了推進(jìn)針織服裝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的集成化,有必要將服裝CAD系統(tǒng)與生產(chǎn)實(shí)踐建立聯(lián)系。高陽(yáng)設(shè)計(jì)了基于ERP系統(tǒng)的針織服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng),解決了針織服裝廠采用手工填寫報(bào)表和產(chǎn)品信息的統(tǒng)計(jì)工作繁瑣、數(shù)據(jù)不精確、管理混亂等問(wèn)題;JI等則從服裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和庫(kù)存管理的潛在問(wèn)題入手,區(qū)分服裝虛擬設(shè)計(jì)(GVD)和個(gè)性化服裝定制(PGC),提出一種實(shí)用的服裝CAD和生產(chǎn)過(guò)程的方法。
目前虛擬展示技術(shù)已在科研層面取得了大量成果,基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬試衣系統(tǒng)也在眾多服裝品牌的線上店鋪中得到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)資源與數(shù)據(jù)的快速傳遞和共享。
Design U平臺(tái)是YUAN等研發(fā)的一個(gè)讓客戶參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中的平臺(tái),提供從服裝計(jì)劃、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的全流程服務(wù)。顧客不僅可以根據(jù)自己的視覺興趣來(lái)選擇服裝版型,還可以實(shí)現(xiàn)各部件的尺碼選擇,用戶可持續(xù)跟進(jìn)參與服裝在各階段的自主設(shè)計(jì),以此提高服裝產(chǎn)品的個(gè)性化與附加價(jià)值。研究結(jié)果表明,只有將針織產(chǎn)品的階段性交互體驗(yàn)作為智能化針織服裝定制的消費(fèi)者個(gè)性化需求依據(jù),才能更好地提高針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)的交互式體驗(yàn)。
本文介紹了國(guó)內(nèi)外針織產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展以及應(yīng)用情況,分析了智能化設(shè)計(jì)技術(shù)在針織產(chǎn)品開發(fā)中的重要意義。快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等,為針織產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)提供了必要支撐。針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能化是針織智能制造的有機(jī)組成部分,國(guó)內(nèi)針織行業(yè)智能化水平的提升,有利于將我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模和生產(chǎn)體系優(yōu)勢(shì),轉(zhuǎn)化為參與國(guó)際合作和競(jìng)爭(zhēng)的新優(yōu)勢(shì),符合當(dāng)下以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局的發(fā)展趨勢(shì)。