詹必欽，李玉賢，董智佳，叢洪蓮

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122)

全成形服裝三維虛擬展示技術(shù)是全成形服裝數(shù)字化發(fā)展的重要組成部分，全成形針織服裝虛擬展示包括全成形三維服裝建模及二維面料仿真設(shè)計(jì)，虛擬設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，大大減少了服裝供應(yīng)鏈中的原料浪費(fèi)，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。隨著服裝虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的新算法技術(shù)應(yīng)用于服裝人體特征[1]、服裝建模[2-4]、服裝渲染[5]、服裝縫合碰撞檢測(cè)[6-8]等研究中。針對(duì)樣板的三維仿真利用貼圖映射原理將花型紋理圖案貼在二維樣板上，再將二維樣板網(wǎng)格化形成三維模擬曲面，例如：羅璇等[9-10]基于人體特征點(diǎn)獲取全成形款式模型，通過(guò)區(qū)域劃分構(gòu)建參數(shù)化樣板與成形紋理樣板，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化及包圍約束、碰撞檢測(cè)研究等完成參數(shù)化紋理樣板的三維曲面著裝模擬，最后通過(guò)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的搭建實(shí)現(xiàn)全成形服裝虛擬展示；彭佳佳[11]以線圈模擬設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立各類針織基本組織、花式組織、連接組織的線圈網(wǎng)格模型，實(shí)現(xiàn)全成形毛衫三維線圈的網(wǎng)格成形，包括三維網(wǎng)格形變與線圈物理屬性分析，通過(guò)線圈路徑與線圈材質(zhì)進(jìn)行真實(shí)感研究模擬，最后同樣通過(guò)系統(tǒng)搭建實(shí)現(xiàn)基于線圈結(jié)構(gòu)分析的全成形毛衫虛擬仿真。隨著這些研究的深入，服裝模擬的真實(shí)性效果越來(lái)越顯著，然而針對(duì)全成形異形結(jié)構(gòu)針織服裝快速建模與展示的相關(guān)研究較少，全成形異形結(jié)構(gòu)類服裝通過(guò)虛擬建模能更加直觀地感受到結(jié)構(gòu)的層次感與紋理搭配的設(shè)計(jì)感。

基于以上研究，本文以全成形雙層結(jié)構(gòu)假兩件式針織服裝部件化參數(shù)設(shè)計(jì)、二維樣板紋理設(shè)計(jì)及三維虛擬建模展示為主要研究?jī)?nèi)容，實(shí)現(xiàn)全成形雙層結(jié)構(gòu)類服裝二維-三維虛擬建模與展示，豐富全成形針織服裝快速建模與虛擬展示方式。

1 雙層結(jié)構(gòu)二維樣板參數(shù)化設(shè)計(jì)

數(shù)字化服裝版型部件化設(shè)計(jì)是依據(jù)服裝款式、人體主要控制部位尺寸、工藝要求等，在服裝CAD系統(tǒng)中設(shè)計(jì)繪制出二維服裝樣板。這種參數(shù)化二維服裝樣板設(shè)計(jì)指的是通過(guò)幾何約束或者標(biāo)注約束來(lái)定義制圖中的尺寸規(guī)格和幾何特征,其中標(biāo)注約束和幾何約束的條件和模式可由預(yù)設(shè)的參數(shù)加以驅(qū)動(dòng)[12]。參數(shù)化設(shè)計(jì)以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中將幾何形狀看作是一個(gè)參數(shù)化模型，設(shè)計(jì)者與使用者在使用參數(shù)化模型時(shí)只需要調(diào)整參數(shù)來(lái)對(duì)幾何形狀進(jìn)行修改和控制，因此，參數(shù)化模型存儲(chǔ)的是設(shè)計(jì)的過(guò)程，而并不是單一產(chǎn)品的結(jié)果[13]。

服裝樣板中輪廓曲線主要以C形曲線和S形曲線為基礎(chǔ)曲線段繪制而成，這2種曲線均采用圓弧分段擬合方式，將C形弧線或S形弧線分為若干小段直線，由這些直線近似擬合形成曲線。首先利用直線擬合圓弧來(lái)形成服裝樣板中的輪廓曲線，然后通過(guò)幾何約束和端點(diǎn)約束來(lái)約束服裝樣板中的直線和圓弧，從而構(gòu)建參數(shù)化二維服裝樣板。如圖1所示，在擬合C形曲線和S形曲線時(shí)，可將S形曲線分割為多段C形曲線，圖1中L1～L4分別表示每小段C形曲線分割段，最后利用貝塞爾曲線進(jìn)行多段C形曲線擬合。

圖1 C形曲線和S形曲線分段擬合圖Fig.1 Segment fitting diagram of C-shaped curve (a) and S-shaped curve(b)

采用貝塞爾曲線模型準(zhǔn)確繪制曲線[14]。貝塞爾曲線B(t)模型方程為

式中:Pi為貝塞爾曲線上的控制點(diǎn)(a,b)，其確定貝塞爾曲線狀態(tài)；P0為起點(diǎn)(x0,y0)；Pn為終點(diǎn)(xn,yn)；n為點(diǎn)的順序標(biāo)簽，從0開(kāi)始；i為標(biāo)簽中的第i個(gè)點(diǎn)；t為時(shí)間，取值為[0,1]。根據(jù)貝塞爾曲線模型繪制出全成形典型雙層結(jié)構(gòu)針織服裝部件參數(shù)化，如圖2所示。

圖2 全成形典型雙層結(jié)構(gòu)針織服裝部件參數(shù)化樣板設(shè)計(jì)Fig.2 Parametric design of full-formed typical double-layer knitted clothing parts.(a) Tops version;(b) Bottoms version

圖2中貝塞爾曲線關(guān)鍵點(diǎn)集{A}為由C或S形曲線組成的服裝樣板輪廓端點(diǎn)集合，形成端點(diǎn)約束。圖2(a)示出雙層結(jié)構(gòu)典型上裝部件中大身后片里外層關(guān)鍵點(diǎn)A1～A16，對(duì)應(yīng)大身前片里外層關(guān)鍵點(diǎn)A′1～A′16；大身左袖片關(guān)鍵點(diǎn)A17～A21，對(duì)應(yīng)大身右袖片關(guān)鍵點(diǎn)A′17～A′21。圖2(b)示出雙層結(jié)構(gòu)典型下裝部件中大身后片里外層關(guān)鍵點(diǎn)A1～A9，對(duì)應(yīng)大身前片里外層關(guān)鍵點(diǎn)A′1～A′9。根據(jù)貝塞爾曲線模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成幾何約束，通過(guò)端點(diǎn)約束與幾何約束共同調(diào)整版型輪廓，最終得到全成形雙層結(jié)構(gòu)變化版型部件庫(kù)。

2 雙層結(jié)構(gòu)部件化建模與拼接

根據(jù)上述部件參數(shù)化設(shè)計(jì)而成的樣板，將二維樣板與三維構(gòu)造建立拓?fù)鋷缀斡成潢P(guān)系，形成全成形雙層結(jié)構(gòu)服裝部件庫(kù)，分類分別對(duì)應(yīng)里外層服裝部件各自的原型。上身服裝里層(袖子、大身、門襟、衣領(lǐng)等)對(duì)應(yīng)外層(袖子、大身、門襟、衣領(lǐng)等)；下身服裝里層(褲腰、褲筒、褲腳、裙筒、裙腰等)對(duì)應(yīng)外層(裙筒、裙腰、褲筒、褲腰等)。里外層部件各自對(duì)應(yīng)組合配對(duì)成新的全成形雙層結(jié)構(gòu)服裝。

對(duì)雙層結(jié)構(gòu)典型上裝的數(shù)字化服裝二維版型進(jìn)行三角網(wǎng)格化劃分，本文采用三角網(wǎng)格生長(zhǎng)法進(jìn)行剖分，選取任一質(zhì)點(diǎn)集合中x坐標(biāo)與y坐標(biāo)(x,y)作為三角網(wǎng)格的第1個(gè)頂點(diǎn)P1，設(shè)定粒子間距m，即設(shè)定三角網(wǎng)格第2個(gè)和第3個(gè)頂點(diǎn)P2、P3與第1個(gè)頂點(diǎn)間距離為m，劃分出第1個(gè)三角網(wǎng)格△P1P2P3，再分別以P2、P3作為下一個(gè)三角形的第1個(gè)頂點(diǎn)，同樣保持粒子間距m不變，衍生劃分出△P2P4P5、△P3P6P7，依次類推劃分出整個(gè)二維樣板的三角網(wǎng)格，通過(guò)改變不同的粒子間距m，可劃分出密度不同的三角網(wǎng)格，不同樣板部件可以進(jìn)行不同密度的三角劃分，三角網(wǎng)格劃分越精細(xì)，即粒子間距m值越小，樣板后期的面料效果越柔軟，不同粒子間距下三角網(wǎng)格劃分后的服裝二維樣板示例如圖3所示。

圖3 不同粒子間距下三角網(wǎng)格劃分精細(xì)度對(duì)比Fig.3 Comparison of fineness of triangular meshing under different particle spacing

二維樣板劃分成網(wǎng)格后，將網(wǎng)格點(diǎn)映射到三維曲面上實(shí)現(xiàn)近似轉(zhuǎn)化，需保持二維轉(zhuǎn)三維前后曲面上所有網(wǎng)格點(diǎn)之間距離變化最小。且需保證里外層服裝對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相對(duì)位置轉(zhuǎn)化前后變化最小，在初始幾何三角化樣板的基礎(chǔ)上建立彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，因二維樣板在轉(zhuǎn)換為三維曲面后，樣板三角網(wǎng)格中彈簧連接如PP2、PP3之間發(fā)生伸長(zhǎng)或壓縮變形，從而會(huì)產(chǎn)生一定的彈性能量聚集。圖4(a)為二維樣板-三維曲面轉(zhuǎn)化彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型圖。其中：P為轉(zhuǎn)化前的質(zhì)點(diǎn)；Pr為轉(zhuǎn)化變形后的質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)Pi與Pr之間視為彈簧連接。彈簧連接長(zhǎng)度為d，在轉(zhuǎn)化變形過(guò)程中d拉長(zhǎng)或縮短。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)Pi與Pr之間的間距小于或大于彈簧原長(zhǎng)，在Pi和Pr之間呈現(xiàn)力的作用，積聚能量。圖4(b)為里外層樣板轉(zhuǎn)換后的三維曲面圖。

圖4 彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型下二維樣板-三維曲面轉(zhuǎn)化Fig.4 Transformation of 2-D template to 3-D surface under spring-particle model.(a) Spring-particle model principle;(b) Transformation diagram of 3-D surface of inner and outer templates

質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)用拉格朗日表達(dá)式表示為

式中：M、D與K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；gq為局部自由度與全局自由度之差引起的系統(tǒng)內(nèi)力；q和fq為系統(tǒng)外力。

圖5 雙層結(jié)構(gòu)典型上裝部件自適應(yīng)融合效果圖Fig.5 Image of adaptive fusion of typical two-layer structure upper parts

3 雙層結(jié)構(gòu)面料虛擬紋理設(shè)計(jì)

3.1 紗線設(shè)計(jì)

全成形雙層結(jié)構(gòu)針織服裝面料虛擬展示采用花型設(shè)計(jì)和紋理貼圖的方法。面料花型設(shè)計(jì)要綜合考慮結(jié)構(gòu)、原料、顏色、組織、織造工藝等因素，分為紗線數(shù)字化設(shè)計(jì)與織物組織數(shù)字化設(shè)計(jì)2部分。從紗線數(shù)字化設(shè)計(jì)開(kāi)始，模擬單根紗線或組合紗線。單根紗線模擬是在確定紗線原料后，主要通過(guò)設(shè)定紗線顏色、線密度等數(shù)值來(lái)獲取對(duì)應(yīng)的外觀特征；組合紗線模擬是通過(guò)不同外觀風(fēng)格的單根紗線模擬完成后，選擇組合模擬混合紗線。圖6示出全成形機(jī)型下不同設(shè)置紗線模擬效果。圖6(a)為機(jī)號(hào)15針，線密度為31 tex×2的雙股毛紗；圖6(b)為機(jī)號(hào)15針，線密度為33 tex×2的雙股馬海毛；圖6(c)為機(jī)號(hào)12針，線密度為13.3 tex的金銀絲；圖6(d)為機(jī)號(hào)5針，線密度為38 tex×3的混色花式紗；圖6(e)為機(jī)號(hào)12針，線密度為80 tex的泡泡紗；圖6(f)為機(jī)號(hào)14針，線密度為71 tex的圈圈紗。

圖6 紗線數(shù)字化模擬圖Fig.6 Yarn digital simulation diagram.(a) Double strand wool yarn;(b) Mohair yarn;(c) Metallic yarn;(d) Mixed fancy yarn;(e) Seersucker;(f) Loop yarn

3.2 紋理設(shè)計(jì)

織物紋理數(shù)字化設(shè)計(jì)是在紗線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)好的紗線生成組織模擬。在組織設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師根據(jù)具有對(duì)應(yīng)動(dòng)作的色碼塊進(jìn)行編碼圖繪制，模擬編織組織外觀形態(tài)，紋理組織模擬流程如圖7所示。色碼塊動(dòng)作包含了所有針織編織動(dòng)作，基本編織動(dòng)作包括成圈、集圈、移圈、翻針等，這些動(dòng)作可形成的不同針織組織有平針組織、羅紋組織、正反針組織、圓筒組織、集圈組織、移圈組織、提花組織、襯墊組織等。織物組織從成圈三角、針舌運(yùn)動(dòng)和紗線變形仿真3個(gè)方面模擬基本組織編織過(guò)程，最終呈現(xiàn)出織片效果圖。設(shè)計(jì)師根據(jù)紗線的質(zhì)地性能、手感、圖案特點(diǎn)等進(jìn)行構(gòu)思，充分挖掘出紗線特性，呈現(xiàn)出雙層結(jié)構(gòu)的透視感或其他特殊視覺(jué)效應(yīng)，詮釋針織服裝的個(gè)性與本質(zhì)美。

圖7 紋理組織模擬流程Fig.7 Texture organization simulation process

3.3 花型對(duì)位

針織組織線圈對(duì)位具有極高的要求，因此，部件樣板進(jìn)行貼合時(shí)花型的對(duì)位匹配非常重要。以衣身側(cè)縫邊緣線圈對(duì)位為例，圖8示出線圈花型對(duì)位過(guò)程。圖8(a)示出二維樣板花型對(duì)位起止點(diǎn)；圖8(b) 示出二維到三維質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化；圖8(c)示出線圈花型對(duì)位示意圖。

圖8 花型對(duì)位過(guò)程Fig.8 Pattern contraption process.(a) Starting and ending points of pattern counterpoint;(b)Transformation of particle coordinates;(c)Schematic diagram of coil pattern alignment

為實(shí)現(xiàn)更具真實(shí)感的全成形針織服裝數(shù)字化模擬效果，每片織物上組織對(duì)應(yīng)的線圈相對(duì)位置在經(jīng)過(guò)二維至三維轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生一定的位置偏移，織片邊界上邊緣線圈需對(duì)應(yīng)融合，邊緣花紋需對(duì)條對(duì)位，且里外層線圈二維樣板與三維曲面上坐標(biāo)相對(duì)位置不變。設(shè)二維織片上外層線圈a坐標(biāo)為(x1,y1)，相同位置里層線圈b坐標(biāo)為(x2,y2)，通過(guò)函數(shù)關(guān)系F(x,y,z)映射到三維曲面上線圈a對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為(x′1,y′1,z1)，線圈b對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為(x′2,y′2,z2)?？椘吘壘€圈對(duì)位時(shí)，為使得線圈對(duì)位不影響織片自適應(yīng)融合的效果，織片邊緣曲線上每一列線圈都要進(jìn)行對(duì)齊檢查，根據(jù)線圈花高標(biāo)記橫列對(duì)齊線位置，設(shè)置線圈對(duì)齊起止點(diǎn)，快速校對(duì)邊緣線圈對(duì)位關(guān)系，如有線圈錯(cuò)行排列沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)的情況，則需針對(duì)貼圖進(jìn)行上下調(diào)整直至對(duì)準(zhǔn)。

4 全成形雙層結(jié)構(gòu)針織服裝虛擬應(yīng)用

基于以上樣板部件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法和針織組織紋理設(shè)計(jì)及花型對(duì)位調(diào)整方法，可完成部件化變化款式的快速建模，呈現(xiàn)豐富的全成形雙層結(jié)構(gòu)針織服裝虛擬展示效果，以更高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的數(shù)字化、高速化。圖9示出基于不同紗線、不同組織花型、不同款式的雙層結(jié)構(gòu)全成形針織服裝模擬效果展示圖。圖9(a)示出不同紗線效果圖，其中款式1原料為羊毛紗，款式2原料為純棉紗，款式3原料為花式紗。圖9(b)示出不同組織花型效果圖，其中款式1為緯平針組織，款式2為方形提花組織，款式3為菱形提花組織。圖9(c)示出不同款式效果圖，其中款式1為肩袖局部雙層效果，款式2為領(lǐng)部雙層效果，款式3為下裝雙層效果。

圖9 全成形雙層結(jié)構(gòu)服裝效果模擬圖Fig.9 Simulation figure of fully formed double-layer structure clothing effect.(a) Effect of different yarn styles;(b) Effect of different organization pattern;(c) Effect of different styles

5 結(jié) 論

本文研究了全成形雙層結(jié)構(gòu)針織服裝虛擬快速建模展示方法。對(duì)雙層結(jié)構(gòu)針織服裝版型參數(shù)化設(shè)計(jì)、二維樣板三角網(wǎng)格劃分、二維樣板-三維部件轉(zhuǎn)化、三維部件融合、面料紋理設(shè)計(jì)與貼圖映射等進(jìn)行研究，驗(yàn)證全成形雙層結(jié)構(gòu)服裝虛擬建模的可行性，得出如下結(jié)論。

1) 雙層結(jié)構(gòu)樣板利用貝塞爾曲線模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)控制里外層樣板端點(diǎn)集合與曲線段變化進(jìn)行繪制與調(diào)整。

2) 二維樣板通過(guò)三角網(wǎng)格劃分法生成三維曲面部件。網(wǎng)格中粒子間距越小，三維曲面視覺(jué)上越柔軟；粒子間距越大，三維曲面視覺(jué)上越生硬。

3) 里外層三維部件包括里外層連接處邊界三角網(wǎng)格拼接融合采取自適應(yīng)的自然拼接融合法，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

4) 通過(guò)紗線模擬織片進(jìn)行二維-三維紋理映射時(shí)，為保證三維曲面樣板紋理間的連接對(duì)應(yīng)，采用花型起止對(duì)位點(diǎn)檢查的方式保持花型連續(xù)性。

在全成形針織服裝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，基于所建立的服裝快速制版與建模方法，可獲得用戶滿意的個(gè)性化全成形針織三維服裝，實(shí)現(xiàn)基于用戶導(dǎo)向的全成形針織三維服裝快速交付機(jī)制。

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