駱順華 山東工藝美術(shù)學(xué)院

0 前言

服裝專業(yè)作為一門實踐性、應(yīng)用性與技術(shù)性很強的專業(yè),其實踐環(huán)節(jié)(服裝工藝)是培養(yǎng)學(xué)生實際操作技能、服裝設(shè)計創(chuàng)新能力的有機組成部分。當(dāng)前新冠疫情常態(tài)化情況下,線下教學(xué)時常突發(fā)性被打斷,對于實踐性質(zhì)的服裝工藝課程來說,必須充分做好線上教學(xué)的準(zhǔn)備以備不測,然而服飾工藝傳統(tǒng)教學(xué)的模式容易使課堂教學(xué)顯得枯燥,學(xué)生無法保持專注力,已經(jīng)無法吸引學(xué)生對服裝工藝的學(xué)習(xí)興趣,“Z世代”學(xué)生喜歡互動式、啟發(fā)式教學(xué)。服飾工藝學(xué)習(xí)經(jīng)歷了文字結(jié)合圖片到視頻演示形式過程轉(zhuǎn)變,利用Flash制作服裝工藝的模擬動畫等形式。但這些形式使學(xué)習(xí)者無互動的被動接受,而且在表達(dá)較為復(fù)雜的工藝時,存在不連續(xù)、非多維度及易受空間環(huán)境限制等問題。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展,虛擬仿真與三維動畫模擬技術(shù)發(fā)展較快,針對此技術(shù)的應(yīng)用,根據(jù)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn),機械、航空、軍事、船舶、醫(yī)療、體育、建筑等專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)占絕大多數(shù),服裝領(lǐng)域中少數(shù)學(xué)者從趨勢及可行性方面進行了理論研究與服裝款式虛擬展示。另外陳鵬等運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行服裝生產(chǎn)車間模擬。蘇軍強等提出利用增強現(xiàn)實技術(shù)進行信息化、一體化教學(xué)思路和實施方案,在開發(fā)的系統(tǒng)中包括服裝工藝多媒體教學(xué)課件,僅可以進行點播、重播交互功能。雖有學(xué)者提出虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于服裝工藝教學(xué)的觀點,但尚未發(fā)現(xiàn)采用虛擬仿真技術(shù)模擬服裝縫制工藝。

綜上所述,服裝工藝課程教學(xué)方法有較大改進,但尚未從根本上解決效率低、效果差及學(xué)生真正自主學(xué)習(xí)等問題,雖然有學(xué)者提出虛擬仿真技術(shù),但并沒有針對服裝具體款式工藝進行虛擬仿真開發(fā)。筆者前期已對全國服裝院校服裝工藝教學(xué)方法進行廣泛調(diào)研,也與相關(guān)專業(yè)人員對三維動畫模擬服裝工藝技術(shù)進行了大量技術(shù)咨詢及實地考察,論證該項目的可行性以及項目成果在各高?；蛳嚓P(guān)培訓(xùn)機構(gòu)可預(yù)期的廣泛應(yīng)用價值。

三維虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)(Unity3D)是融合了高優(yōu)化度渲染和高效物理引擎的虛擬系統(tǒng)開發(fā)平臺,具備直觀展示服裝工藝具體過程以及交互實現(xiàn)虛擬縫制服裝的基本條件。基于此,提出運用Unity3D虛擬系統(tǒng)平臺開發(fā)服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng),實現(xiàn)工藝的連續(xù)、多維度展示、自主交互學(xué)習(xí),解決服裝工藝學(xué)習(xí)機械無趣與因重復(fù)示范而效率低的缺陷,在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)支持不受縫制工藝硬件條件限制的重復(fù)學(xué)習(xí),為服裝實踐類課程教學(xué)模式改革拋磚引玉。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等,但不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同專業(yè)領(lǐng)域、不同應(yīng)用對象所側(cè)重的技術(shù)有較大差別。服裝工藝開發(fā)主要涉及三維建模、三維動畫和人機交互技術(shù)。

三維建模技術(shù)可以分為基于幾何造型建模、三維掃描建模和基于圖像建模三種方法。這三種方法中三維掃描建模既快捷又準(zhǔn)確,但是需要昂貴的設(shè)備費用;基于圖像建模對照片的拍攝環(huán)境和拍攝精度有相當(dāng)高的要求,目前市場還沒有成熟的技術(shù);基于幾何建模需要使用AutoCAD、3ds Max軟件運用計算機圖形學(xué)構(gòu)建三維模型。考慮到開發(fā)成本及對三維模型精度要求較低,服裝工藝中三維建?；?ds Max軟件采用比較成熟的幾何造型建模,然后生成模型的材質(zhì)紋理。

采用3ds Max軟件建立的靜態(tài)三維建模,需要利用三維動畫技術(shù)來實現(xiàn)模擬現(xiàn)實中的動作過程,三維動畫技術(shù)又稱三維預(yù)渲染回放技術(shù)。三維動畫首先需要定義與繪制關(guān)鍵幀,然后模擬實際動作過程設(shè)定運動路徑,最后需要設(shè)計逼真的視覺效果并輸出,常用的工具有 3ds Max、AutoCAD、Maya等軟件。服裝工藝仍然采用3ds Max完成三維動畫。

僅僅完成三維動畫,不可稱之為虛擬仿真技術(shù),虛擬仿真的另一關(guān)鍵特征是人與機器之間的互動,即交互技術(shù)。只有交互才能仿真真實場景中用戶與對象的活動過程。交互技術(shù)是將輸入設(shè)備(鼠標(biāo)、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等傳感器設(shè)備)獲取的用戶動作信息映射為虛擬環(huán)境中的動作,交互技術(shù)分為直接用戶交互技術(shù)、物理控制技術(shù)和虛擬控制技術(shù)。服裝工藝采用虛擬頭盔作為交互的輸入設(shè)備的沉浸式體驗。

2 服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 服裝工藝特點

服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)有明確的專業(yè)需求,被開發(fā)對象有不同特點,服裝工藝與其他工藝材料、工具和制作工序等方面有獨特之處,因此在服裝工藝的虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)之前需要了解服裝工藝特點。

2.1.1 服裝材料

服裝材料與其他材料相比,最大的區(qū)別是具有柔性、可塑性,在虛擬環(huán)境中,柔性材料的力觸覺建模比剛性材料建模更復(fù)雜,因為面料的各項異性特點不同于剛性體的同性特點,即使準(zhǔn)確定義面料屬性也難以模擬實際的面料力學(xué)特征。因此如何模擬真實面料柔性特征及實現(xiàn)二維衣片至三維柔性曲面的變換是服裝工藝虛擬仿真的難點。服裝面料的虛擬仿真方法有很多,鑒于面料表面及性能的復(fù)雜,所有這些仿真算法與實際面料動態(tài)效果存在較大差別。此系統(tǒng)中面料模型需要根據(jù)工藝模擬要求建為剛性體或柔性體。比如排料工藝,柔性模型難以直觀展示排料工藝,因為衣片模型為柔性體,在抓取衣片排料時,因為重力作用,衣片會自然下垂,無法展平,因此這種情況下面料模型定義為剛性體更為合適。但在袖山縫制工藝模擬時,面料需要建為柔性體才能實現(xiàn)“吃縫”的縫制過程。

精確配制濃度分別為0.00、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50和3.00 mmol/L的苯基異硫氰酸鹽標(biāo)準(zhǔn)液,以苯基異硫氰酸鹽濃度為0的標(biāo)準(zhǔn)液作為空白對照,在365 nm處測定不同濃度(X)苯基異硫氰酸鹽的吸光度(Y)。對數(shù)據(jù)進行回歸分析,得到方程Y=0.9953X-0.0051 (R2=0.998 9)。

2.1.2 不同長度衣片縫合

服裝工藝過程中存在不同長度的衣片縫合工藝,服裝袖窿與袖山、褲裝前片內(nèi)側(cè)縫與后片內(nèi)側(cè)縫縫合時,需要縫制的縫邊長度不一致,在縫合時需要利用面料的可塑性特點進行袖山吃縫,如何在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)不同長度衣片縫合是服裝工藝不同于其他工藝的特別之處。

2.1.3 服裝熨燙變形

服裝工藝中的熨燙工藝是服裝造型的主要造型手段之一,因人體外形復(fù)雜,僅依靠服裝紙樣結(jié)構(gòu)的立體造型是無法滿足服裝與人體合體的要求,而服裝材料有熱塑性,因此可以運用高溫熨燙的歸、拔工藝實現(xiàn)二維面料局部三維化,比如西服、西褲、西服裙等合體服裝很多部位涉及到歸、拔工藝。因此在熨燙工藝的虛擬仿真過程中如何再現(xiàn)歸、拔工藝也是服裝工藝的難點。

以上這些服裝工藝特點,在服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)過程中如何合理實現(xiàn)還需要不斷改進。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

游行服飾既要展示國家文化、地域特征,也要和當(dāng)代技術(shù)相結(jié)合。“國旗”方陣的白色男西服,選用漢白玉色,融入當(dāng)代數(shù)碼印花,使色塊與長安街地磚色相協(xié)調(diào),并能隨著光線的變化而調(diào)整,體現(xiàn)出層次感與動感?！吧裰埏w天”方陣對航天服進行差異化處理,服飾所具備的科技性與整體的隊列陣形相符合,以適應(yīng)整體游行面貌。

圖1 服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

1) 利用3ds Max建模軟件建立裁剪、熨燙與縫制設(shè)備模型,C4D構(gòu)建毛呢面料模型。并在模型基礎(chǔ)上運用3ds Max三維動畫軟件分別制作每個裁剪、熨燙和縫制工藝動畫;

2) 以Unity3D為開發(fā)平臺,C#語言交互腳本,采用MVC框架搭建高擴展性的客戶端,并將三維模型和動畫導(dǎo)入Unity3D引擎,按照事先制定的工藝規(guī)范編輯素材庫;

3) 通過Unity3D引擎驅(qū)動素材庫,依次進行加載、優(yōu)化、實時渲染,對裁剪、熨燙、縫紉工藝過程進行三維呈現(xiàn),并且根據(jù)服飾工藝學(xué)習(xí)過程中互動需求,擬定互動腳本,策劃工藝互動點及互動內(nèi)容;

4) 建立基于J2EE技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)、Java語言開發(fā)、MYSQL數(shù)據(jù)庫、Tomcat應(yīng)用服務(wù)器的服務(wù)端,存儲設(shè)備與衣片素材的圖文信息、三維模型信息、系統(tǒng)信息與用戶信息,并將信息與客戶端的相關(guān)元素進行關(guān)聯(lián),為用戶提供編輯后臺、相關(guān)信息的維護與更新。

2.3 西服裙工藝虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 設(shè)計虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)界面

界面是用戶與系統(tǒng)進行互動的基礎(chǔ),也是虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)功能完整性的重要因素。友好的界面便于用戶操作。服裝工藝虛擬仿真交互學(xué)習(xí)平臺包括西服裙工藝、女襯衫工藝、女西褲工藝和女西服工藝四個工藝模塊,界面采用人臺下面的文字展示四個工藝模塊,因為每個模塊的開發(fā)思路和腳本邏輯結(jié)構(gòu)完全一致,這里僅選擇西服裙工藝實例來進一步詳細(xì)分析服裝工藝的虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)過程。首先設(shè)置西服裙工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)的界面及整體內(nèi)容架構(gòu)(如圖2),整個界面為一個服裝工藝操作空間,是整個工藝學(xué)習(xí)場景中的環(huán)境、工具、機器設(shè)備的三維模型展示,通過場景漫游可以全方位瀏覽裁剪臺、熨燙臺、縫紉機、縫紉工具(剪刀、尺子等)以及場景裝飾。每個工藝模塊設(shè)定為課程簡介、制作流程、知識問答、成衣展示四個部分,形成了練習(xí)、考核、再練習(xí)閉環(huán)自主學(xué)習(xí)模式。

圖2 服裝工藝虛擬仿真交互學(xué)習(xí)平臺界面

2.3.2 構(gòu)建素材庫

1) 建立場景模型

西服裙工藝涉及的設(shè)備有:燙臺、熨斗、裁剪刀、平縫機、三線包縫機、滾邊壓腳、隱形拉鏈壓腳,西服裙衣片有:西服裙腰頭、前面片、后左面片、后右面片、前里片、后左里片、后右里片、腰頭粘合襯,其他輔料有:縫紉線、拉鏈、搭扣。這里以平縫機為例闡述三維建模過程,首先收集以上設(shè)備、衣片與輔料的尺寸、參數(shù)、紋理及材料等素材,根據(jù)平縫機尺寸使用3ds Max創(chuàng)建平縫機立體幾何模型,在該模型各部位添加點進行形狀細(xì)節(jié)修改,添加顏色,采用法線貼圖結(jié)合材質(zhì)貼圖實現(xiàn)平縫機模型的立體效果(如圖3)。需要建模的衣片和輔料是柔性材料,采用C4D軟件建模,根據(jù)毛呢面料參數(shù)進行面料屬性設(shè)定,并根據(jù)模擬效果與同條件下面料試驗效果差異進行微調(diào),以接近毛呢面料實際動態(tài)效果。

圖3 平縫機三維模型

2) 制作工藝動畫

三維動畫可以生動復(fù)原工藝的操作動作,貫穿于虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)始終。服裝工藝的相關(guān)動畫通過3ds Max軟件與Animation動畫系統(tǒng)完成制作,根據(jù)西服裙工藝需要制作的動畫有:排料、劃樣、打剪口、裁剪衣片、熨燙衣片、腰省打線丁、包縫機鎖邊、平縫機縫紉衣片、腰頭滾邊、绱拉鏈、分燙側(cè)縫縫份、折燙后開衩、折燙腰頭、绱腰、釘扣、折燙底擺縫份、繰邊。其中绱腰工序在西服裙工藝中難度較大,以绱腰為例說明三維動畫制作過程,绱腰是腰頭與裙腰旋轉(zhuǎn)縫合,0°、90°、180°、270°、360°等 5 個關(guān)鍵幀設(shè)置旋轉(zhuǎn)改變的位置,利用3ds Max時間軸形成一個绱腰縫制360°的連續(xù)動畫(如圖4),并在關(guān)鍵幀以文字形式提示工藝操作要素。這樣的設(shè)置,可以讓學(xué)習(xí)者不僅能直觀查看绱腰的過程,而且能夠交互進行工藝操作,以達(dá)到練習(xí)的效果。把所有三維模型、貼圖、動畫文件復(fù)制到Unity的資源文件中。

圖4 绱腰工序

2.3.3 編制工藝交互腳本

虛擬仿真的關(guān)鍵特征是人與機器之間的互動,因此交互實現(xiàn)是服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心,每個工藝步驟的交互流程構(gòu)思決定交互學(xué)習(xí)效果。設(shè)計每一個工藝的交互流程的基本原則是最大限度貼近真實的工藝操作過程,同時考慮工藝學(xué)習(xí)要點考核。

西服裙工藝分為19個制作流程步驟,每個工藝步驟分為視頻和虛擬仿真操作,兩種學(xué)習(xí)模式相輔相成。每個工藝步驟設(shè)定三維動畫及交互環(huán)節(jié),每個工藝虛擬仿真操作環(huán)節(jié)分為三維動畫演示工藝,交互模式讓學(xué)習(xí)者手持手柄進行工藝操作。以排料交互練習(xí)(如圖5)為例,交互腳本的設(shè)置需要明確該工藝步驟的學(xué)習(xí)要點,排料是為了讓學(xué)生掌握按布紋方向、先排大片后排小片的排料基本原則,同時要實現(xiàn)最大節(jié)約面料。因此在交互腳本的設(shè)計邏輯中需要在衣片和布料上確定布紋方向,當(dāng)衣片布紋方向與布料布紋方向一致時才判定排料準(zhǔn)確,針對最大節(jié)約面料的問題,需要設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)排料耗量,當(dāng)學(xué)習(xí)者完成排料后,計算所耗費面料長度,根據(jù)耗費面料長度是否超過標(biāo)準(zhǔn)判定交互學(xué)習(xí)是否合格。

圖5 交互排料

2.3.4 搭建客戶端與服務(wù)端

在Unity中打包所有西服裙工藝制作流程的動畫組件及交互腳本生成exe后綴的虛擬仿真系統(tǒng)可執(zhí)行的程序文件,即建立西服裙工藝虛擬仿真系統(tǒng)的客戶端。

Unity3D系統(tǒng)在服務(wù)端中保存三維模型、工藝過程的動畫及交互腳本代碼,以存儲信息并將信息與客戶端對應(yīng)元素關(guān)聯(lián),后期還可以在此基礎(chǔ)上擴展模型和動畫片段?？刂苿赢嫿M件的代碼源文件可以添加、擴展新內(nèi)容。服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)搭建完成后,需要在Unity3D平臺上進行整體調(diào)試,對于不合理的交互流程進行優(yōu)化。

調(diào)試涉及到界面跳轉(zhuǎn)是否正確,控件觸發(fā)動作和信息是否準(zhǔn)確,交互腳本和動畫是否執(zhí)行,操作是否完整,系統(tǒng)運行是否具有實時性。

3 結(jié)論

基于Unity3D引擎的服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)圍繞服裝四大基礎(chǔ)工藝,系統(tǒng)論述了服裝工藝虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)教學(xué)模式的虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)過程。

1) 此系統(tǒng)探索服裝工藝的虛擬仿真交互學(xué)習(xí)模式的可行性,開發(fā)方法可以為其他服裝工藝實踐類似虛擬仿真試驗教學(xué)提供參考。

2) 參與測試的學(xué)生反饋虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)方式寓教于樂,可以替代教師的現(xiàn)場演示,交互操作過程體驗友好,該模式可以作為服裝專業(yè)工藝實踐類課程的示范。

后續(xù)研究在工藝細(xì)節(jié)的藝術(shù)效果、面料三維模型等方面需要進一步優(yōu)化,虛擬現(xiàn)實交互輸入設(shè)備結(jié)合也需進一步擴展性試驗,使系統(tǒng)具有更好的體驗感與沉浸性。