許 珂,王 旭,趙 慧,黃文娟,宣璐佳,曹幸路

(1.河南省纖維檢驗局,河南 鄭州 450042;2.河南工程學(xué)院 服裝學(xué)院,河南 鄭州 451191;3.上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

立裁人臺作為服裝合體性的試金石,在產(chǎn)品設(shè)計、制作工藝、成衣效果展示等過程中起著至關(guān)重要的作用。最早的人臺是由美國John Hall公司開發(fā)的,至今已有140 多年的歷史[1]。我國人臺發(fā)展起步較晚,1987年,研制出了我國第一例可插針立裁人臺[2]。近年來,隨著生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展和服裝產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,相關(guān)行業(yè)對服裝人臺的研究不斷深入,產(chǎn)品類型及其表現(xiàn)方式不斷向前推進,不同性別、年齡的工業(yè)人臺[3-4]發(fā)展迅猛,人體尺寸也更加精準(zhǔn),從固定體態(tài)人臺逐步向可調(diào)式人臺[5-6]和可活動式人臺[7]發(fā)展,從實物人臺到虛擬人臺[8]過渡,人臺種類也不斷豐富,特殊體型人臺[9]、變色人臺[10]、數(shù)控人臺[11]和多功能服裝人體模型[12]相繼涌現(xiàn)出來,逐步滿足當(dāng)前服裝設(shè)計中功能性、合體度、個性化、多樣性以及虛擬試衣的需求。

人臺手臂作為人臺的一個組成部分,在袖型設(shè)計、肩部設(shè)計以及立裁教學(xué)中都起著至關(guān)重要的作用。服裝袖子要根據(jù)人體上肢的自然形態(tài)及運動規(guī)律進行款式和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計[13]。目前,市場上的立裁人臺品牌眾多,產(chǎn)品系列主要以軀干部人臺為主,缺少規(guī)范化配套人臺手臂。長久以來,服裝從業(yè)人員主要使用一些手工制作的絲棉填充手臂,此類產(chǎn)品尺寸不標(biāo)準(zhǔn),外形不美觀,質(zhì)地松軟、易變形,也無法模擬人體手臂進行擺動,這些局限致使服裝設(shè)計、加工過程中出現(xiàn)放松量難以把控、袖身造型不合體、手臂活動不方便等問題。

傳統(tǒng)的立裁人臺制作需要雕刻泥模型,通過泥模型確定人臺的形狀,此類制作方法對人員要求較高、制作周期長[14]。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,服裝產(chǎn)業(yè)向智能化、數(shù)字化方向邁進。近年來,研究人員開始將數(shù)字化人臺建模技術(shù)應(yīng)用于人臺制作領(lǐng)域[15],并借助3D打印技術(shù)實現(xiàn)人臺的加工和制作[16-17],該方法加工效率高、生產(chǎn)成本低,加工的產(chǎn)品的尺寸精準(zhǔn)。由于逆向設(shè)計和正向設(shè)計方法各有所長[18],本文基于2019年最新采集的200個河南省青年男體手臂尺寸數(shù)據(jù),通過三維掃描設(shè)備獲取標(biāo)準(zhǔn)男體手臂點云,分別利用正向建模技術(shù)和逆向建模技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化青年男體手臂模型及可活動式肩部連接件,采用快速成型技術(shù)設(shè)計制作出2種可活動式青年男體立裁人臺手臂,并進行對比分析,探討出最佳的產(chǎn)品加工方式,為標(biāo)準(zhǔn)化服裝立裁人臺手臂的研制提供設(shè)計思路和技術(shù)參考,滿足服裝立裁教學(xué)和成衣制作的要求,實現(xiàn)服裝袖型設(shè)計與制作的合體度與精準(zhǔn)度,提高成衣制作的工作效率,并為服裝的舒適性研究、個性化設(shè)計和服裝效果展示提供基本工具,補充現(xiàn)有的人臺體系,有利于推動服裝立裁設(shè)計朝著更加多樣化方向發(fā)展。

1 男體手臂數(shù)據(jù)采集

人體尺寸是制定服裝號型規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ),也是服裝人臺制作的前提條件。人臺必須在一定的人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和體型分析基礎(chǔ)上來進行設(shè)計,對某一特定人群的體型特征具有高度的代表性[19]。我國的人體數(shù)據(jù)庫更新緩慢,分別在1988年和2008年公布了GB 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》和GB/T 1335.1—2008 《服裝號型 男子》。這2項標(biāo)準(zhǔn)給出了成年男體的上臂長、前臂長、全臂長3個長度方向的參考尺寸,但并未對肘圍、腕圍、臂根圍等圍度尺寸進行標(biāo)定。隨著人民生活水平的提高,我國人體尺寸發(fā)生了一定程度的變化,然而國標(biāo)數(shù)據(jù)并沒有及時更新。為了確保人臺手臂尺寸的精準(zhǔn)性,2019 年2月至6月,研究利用直角規(guī)、彎腳規(guī)、馬丁測量尺、軟尺等工具,采用手工測量的方式對年齡18～25歲,身高165～175 cm,體重55～75 kg的200名河南籍漢族男體的全臂長、前臂長、上臂長、臂根圍、腕圍、肘圍等11 項指標(biāo)進行測量[20],具體指標(biāo)及測量方法見圖1。

a-臂根圍;b-上臂圍;c-圍度一;d-圍度二; e-肘圍;f-圍度三;g-圍度四;h-腕圍; i-全臂長;j-上臂長;k-前臂長圖 1 男體手臂測量指標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement index of male arm

為了構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化男體手臂的三維模型,對獲取的200 組青年男體手臂尺寸數(shù)據(jù)進行處理,研究采用2種方式獲取模型構(gòu)建的參考數(shù)據(jù)。其中對于正向建模所需要的手臂特征指標(biāo),首先利用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)分析,探明手臂的各項測量指標(biāo)與身高(x)及胸圍(y)的關(guān)系,構(gòu)建二元線性回歸模型,如表1所示,p值均遠小于0.05,回歸模型成立;隨后,以170/88A號型的男體為例,將身高(170 cm)和胸圍(88 cm)代入回歸方程,計算出該體型男體11 項手臂測量指標(biāo)的具體數(shù)據(jù),按照就近取整的原則,以0.5 為跨度,對計算值向上或向下取整,得到170/88A體型男體手臂各項特征指標(biāo)的尺寸數(shù)據(jù)。

對于逆向建模所需要的點云數(shù)據(jù),首先通過計算加權(quán)算術(shù)平均值,從200名志愿者中找出最接近170/88A體型的中間體志愿者,如表1所示,作為逆向建模的人體數(shù)據(jù)原型;然后,采用ZGScanTM智能手持式激光三維掃描儀對中間體志愿者的手臂進行掃描,掃描前在志愿者的手臂周圍均勻粘貼上標(biāo)記點,掃描過程中要求志愿者將手臂及周圍皮膚裸露,手掌輕握,掌心向內(nèi),手臂自然下垂,手臂與身體的夾角為15°,肌肉放松,盡量保持手臂靜止,精確獲取中間體志愿者的手臂點云數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖 2 中間體志愿者的手臂點云數(shù)據(jù)Fig.2 Point cloud data of the intermediate volunteer′s arm

表 1 男體手臂測量指標(biāo)的回歸方程

2 手臂及關(guān)節(jié)模型構(gòu)建

2.1 手臂模型構(gòu)建

在手臂模型構(gòu)建的過程中,本文采用正向建模和逆向建模2種方法,分別使用Rhino和Imageware 2種建模軟件,并配合使用SolidWorks軟件進行肩關(guān)節(jié)設(shè)計,完成2個手臂的模型構(gòu)建,對比2種建模方式的構(gòu)建過程及效果差異。

1) 逆向建模方法。在逆向建模過程中,首先將掃描獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware軟件中,通過點云分割、數(shù)據(jù)精簡、去除噪點和點云定位完成對點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理;隨后通過創(chuàng)建平行點云截面,由點云截面擬合出公差曲線,再由公差曲線構(gòu)建放樣曲面。為了確保模型的準(zhǔn)確度和曲面的光順性,通過誤差分析進行模型評估,判斷該模型是否符合要求,如果不符合要求則返回模型重建的各個操作步驟,調(diào)整參數(shù)設(shè)置,重新建模、評估,待模型評估合格,導(dǎo)出IGES格式的曲面模型[21]。最后利用SolidWorks軟件進行曲面的二次設(shè)計,轉(zhuǎn)換成STL格式輸出,方便3D打印,具體的操作步驟如圖3(a)所示。

(a) 逆向建模步驟

2) 正向建模方法。與逆向建模方法不同,正向建模需要根據(jù)手臂的大致形狀,結(jié)合手臂圍度和長度尺寸進行正向設(shè)計[22],具體的操作步驟如圖3(b)所示。在正向建模過程中,首先在Rhino軟件里插入繪有手臂輪廓的骨骼肌肉底圖。打開T-Splines插件,通過BOX布局,構(gòu)建手臂的基礎(chǔ)造型,如圖4(a)所示。框選點云縮小和放大手臂不同部位,調(diào)整手臂尺寸,并擠出肩頭部分。研究表明,人體上肢自然下垂?fàn)顟B(tài)時,從肩端點豎直向下做垂線,手臂垂線到手腕中點之間的水平間距為4.99 cm,手臂垂線與手腕中線的夾角為6.18°,手臂肘部鉛垂線與手腕中線的夾角為12.41°[23]。為方便調(diào)整手臂的長度和前臂的傾斜角度,插入幾條角度線和圓形參考線,如圖4(b)所示。根據(jù)計算出來的170/88A 體型男體手臂的尺寸數(shù)據(jù),分別框選肘部和腕部點云數(shù)據(jù)移動至長度參考線,以此調(diào)整模型的前臂長和上臂長,并通過調(diào)整布線,調(diào)整腕部位置、肩部切面、手臂傾斜角度等,確保曲面的圓順度,如圖4(c)所示。再根據(jù)手臂圍度尺寸,調(diào)整手臂的特征圍度和截面造型,然后按照人體手臂線條走向和肌肉狀態(tài),調(diào)整控制點修繕設(shè)計曲線,綜合分析并調(diào)整長度及圍度尺寸;檢查物件并運行網(wǎng)格修復(fù)精靈命令,自動修復(fù)網(wǎng)格;調(diào)整BOX的控制點,調(diào)節(jié)網(wǎng)格的勻整性,并使用網(wǎng)格工具對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)線和邊緣進行修調(diào)。最后進行NURBS曲面轉(zhuǎn)化,如圖4(d)所示,并對模型進行評估,如果不符合標(biāo)準(zhǔn),需要對網(wǎng)格進行再次移動和縮放調(diào)整,直至模型符合手臂的長度和圍度標(biāo)準(zhǔn),輸出STL格式的數(shù)據(jù)模型。

(a) BOX布局 (b) 插入?yún)⒖季€

2.2 肩部關(guān)節(jié)模型構(gòu)建

目前,市場上的立裁人臺手臂主要采用珠針或磁石與人臺進行連接,手臂姿勢固定,難以實現(xiàn)對绱袖角度的調(diào)整參考,以及對廣袖、插肩袖、連身袖等特殊袖型的設(shè)計參考。為此,本文利用SolidWorks軟件設(shè)計出一套可活動式的肩部連接件用于正向建模手臂的制作,與人臺連接后實現(xiàn)手臂上下抬起和前后擺動,并保證足夠的活動空間,如圖5所示。連接件包括2個肩部臂根切面的盤片、1對阻尼鉸鏈和1個碗狀物,其中2個盤片的長半軸為50.0 mm、短半軸為42.5 mm、厚度為2.0 mm。碗狀物嵌套粘貼在手臂臂根部位,通過自攻螺絲固定在盤片B上,選用阻尼鉸鏈將2個盤片連接起來,盤片A中間設(shè)計一個直徑為20 mm的圓臺突起,可吸附在人臺袖窿處的凹型磁石上,實現(xiàn)手臂和人臺的自由裝配。通過調(diào)整阻尼鉸鏈的開合,可將手臂抬起任意角度,通過旋轉(zhuǎn)盤片和手臂,可實現(xiàn)手臂前后擺動。逆向建模手臂僅使用盤片A和碗狀物的組合裝置,然后直接吸附在人臺肩部磁石上,完成手臂的前后擺動。

(a) 盤片連接側(cè)視圖 (b) 碗狀物側(cè)視圖圖 5 肩部連接件示意圖Fig.5 Schematic diagram of shoulder connector

3 人體手臂成品制作

3.1 關(guān)節(jié)連接件加工與選擇

在連接件加工過程中,2種手臂均采用快速成型技術(shù)實現(xiàn)模型輸出,使用CNC泡沫雕刻機直接讀取手臂的三維模型數(shù)據(jù)對泡沫板進行雕刻,采用3D打印機制作出光敏樹脂材質(zhì)的碗狀物,如圖6(a)所示。利用激光切割技術(shù)和金屬沖壓技術(shù)制作出2個金屬盤片。連接盤片所需的阻尼鉸鏈可從市場上直接采購。為確保鉸鏈開合的穩(wěn)定性和順暢性,根據(jù)手臂的自重和長度,實驗選用0.2～0.7范圍內(nèi)不同扭矩的鉸鏈進行安裝試用,觀察手臂抬起的難易程度及穩(wěn)定效果,最終選用扭矩值為0.5 N·m的雙孔S型阻尼鉸鏈,滿足手臂自由靈活抬起并穩(wěn)定固定的要求,最后通過螺絲將2個盤片連接起來,如圖6(b)所示。

(a)碗狀物 (b)盤片組件圖 6 肩部關(guān)節(jié)連接組件Fig.6 Shoulder joint connection assembly

3.2 成品組裝與包覆

為了便于安插珠針,進行立裁操作,還需要選擇合適的外包材料對泡沫手臂進行包覆,以確保立裁人臺手臂的彈性、柔軟度和造型效果。實驗選用不同厚度和密度的海綿材料,3 mm和5 mm厚的低密、中密和高密共計6 種海綿襯墊材料,對比組合包覆材料(外包棉布和海綿襯墊材料)與人臺的硬度及彈性,最終選擇3 mm厚的中密度海綿和0.4 mm厚的純棉布對泡沫手臂進行組合包覆,確保最終成品的硬度及彈性與人臺接近。然后使用弧形針進行縫合。最后把金屬盤片組件、碗狀物和包覆過的泡沫手臂組裝起來,并在手臂的上臂圍、肘圍、腕圍、臂長方向貼上標(biāo)記帶,如圖7和圖8所示,最終完成手臂的制作。

(a) 側(cè)向抬起45° (b) 前擺45°圖 7 正向手臂成品Fig.7 Forward arm of dress form

(a) 前擺90° (b) 后擺45°圖 8 逆向手臂成品Fig.8 Reverse arm of dress form

4 成品評價與對比分析

實驗采用主觀評價和客觀評價的方法對比分析2種加工方式制作的手臂成品,以期探討最佳的產(chǎn)品制作方案。

4.1 主觀評價

實驗邀請了30名18～25歲的服裝從業(yè)人員(高校研究人員、服裝設(shè)計師等),對產(chǎn)品的美觀性、功能性及實用性進行5級評價,1 級為性能差,2 級為性能較差,3 級為性能一般,4 級為性能較好,5 級為性能好,依次用1～5表示。功能性主要表征手臂的活動性,通過旋轉(zhuǎn)、擺動手臂,根據(jù)手臂活動范圍及固定效果對手臂做出評分;實用性包括插針效果、彈性等,通過使用珠針分別多次插在2款手臂及普通男體人臺上,根據(jù)插針難易程度、面料固定效果以及按壓手感進行綜合評判;美觀性主要通過觀察2款手臂的外觀、手臂與人臺的連接效果進行評分。

主觀評價對比如圖9所示。由圖9可知,正向手臂的功能性明顯比逆向手臂優(yōu)異,實用性和美觀性差異不大。正向手臂由于使用阻尼鉸鏈,可以實現(xiàn)手臂的側(cè)向抬起和前后擺動,在人體冠狀面可側(cè)向抬起90°,在人體矢狀面可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。而逆向手臂僅能實現(xiàn)人體矢狀面的旋轉(zhuǎn),無法實現(xiàn)手臂抬起動作,難以作為廣袖、琵琶袖、插肩袖等特殊服裝袖型的立裁參考和成衣展示。2種手臂的實用性均比較好,手感柔軟,彈性適中,珠針插拔容易,面料固定牢固,便于立裁操作。由于手工縫制經(jīng)驗不足,人臺手臂的袖窿弧線與人臺肩部切面沒有完全吻合,2種手臂的美觀性有待進一步提高。

圖 9 主觀評價對比Fig.9 Comparison of subjective evaluation

4.2 客觀評價

1) 模型對比。為了對比2種模型的差異性,利用Could Compare軟件將正向建模和逆向建模的模型放在同一個坐標(biāo)系下,通過模型配準(zhǔn)將2個模型調(diào)整為相似的尺寸并對齊,通過計算模型與點云之間的距離,分析2個模型之間的差異,如圖10所示。

(a) 正向手臂模型 (b) 逆向手臂模型

顏色柱子越靠近中間區(qū)域表明模型差異越小,靠近兩端的說明模型差異較大。對比發(fā)現(xiàn),大部分顏色柱子落在中間區(qū)域,但也存在一定范圍的顏色柱子分布在兩端。根據(jù)2個模型對比區(qū)域的顏色變化情況可知,正向建模所得模型與逆向建模所得模型在圍度方面存在一定的差異,在整體形態(tài)和曲線變化上也有不同。分析認為,正向建模使用的計算數(shù)據(jù)與逆向建模使用的掃描數(shù)據(jù)本身存在一定誤差;在肘點、腕點等曲率變化明顯的部位,正向建模方法難以精確地控制模型的凹凸形狀;為了保證人臺手臂的順滑性,正向建模方法沒有模擬肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌等肌肉的真實形態(tài),手臂的線條流暢性較好,并在肘關(guān)節(jié)處設(shè)計了人體手臂自然下垂時前臂的傾斜角度,逆向建模則完全按照人體手臂真實的形態(tài)進行模型重構(gòu),手臂形態(tài)更加真實自然,因此2個模型的曲面形態(tài)存在一定程度的差異。

對比2種建模過程,正向建模方法的可控性較好,操作者可以自由設(shè)計長度方向、圍度方向的尺寸,可對模型形狀進行合理調(diào)控,但建模過程相對復(fù)雜,對人體曲率變化較大的部位較難把握,精度不易控制。在確保掃描數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上,逆向建模方法可以快速實現(xiàn)模型重構(gòu),對人體形態(tài)的還原性較高,但不同人體的個體差異性也比較大。此外,如果人體掃描數(shù)據(jù)存在較大面積的漏洞,則首先需要進行漏洞修補,然后再構(gòu)建模型,為確保模型的精準(zhǔn)性,需要反復(fù)進行模型評估和修改。由此可見,2種建模方法各有優(yōu)勢,為此在今后的產(chǎn)品開發(fā)過程中,建議使用高精度激光掃描設(shè)備獲取點云數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上采用正逆向混合建模技術(shù),確保模型的構(gòu)建精度,同時提高工作效率。

2)尺寸和重量對比。在尺寸控制方面,對正向、逆向成品手臂的臂長、肘圍、臂根圍等項目進行測量,并與原始的手臂數(shù)據(jù)進行對比,其中正向建模采用的是軟件計算數(shù)據(jù),逆向建模采用的是中間體手臂測量數(shù)據(jù)。由表2可知,2種方法制作的成品人臺手臂與原始數(shù)據(jù)差異不大,均控制在1 cm以內(nèi),相對誤差控制在3%以內(nèi)。此外,除了前臂長和腕圍2個指標(biāo)有一定的誤差,2種手臂的其他尺寸差異均比較小,產(chǎn)品的制作效果較為理想。在產(chǎn)品重量上,2個產(chǎn)品的重量均比較輕,其中正向手臂的質(zhì)量為292.5 g,逆向手臂為242.1 g,方便運輸和使用。

表 2 成品手臂尺寸的對比

5 結(jié) 論

在立體裁剪中,服裝人臺手臂作為袖型設(shè)計的工具,大部分存在尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、易變形、無法模擬人體手臂基礎(chǔ)動作等缺陷,影響袖身設(shè)計的合體度和精準(zhǔn)度。本文采用2種方法研制青年男體立裁人臺手臂,并進行對比分析,以期探討出最佳的產(chǎn)品設(shè)計和制作方法,為標(biāo)準(zhǔn)化立裁人臺手臂的開發(fā)提供技術(shù)參考。

1) 對比2種建模方法發(fā)現(xiàn),正向建模技術(shù)具有尺寸操控性強、模型光順度高等優(yōu)點,逆向建模技術(shù)具有建模速度快、數(shù)據(jù)還原度高等優(yōu)點,同時2種方法也各有缺點。建議在進行立裁人臺手臂研制時,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸,采用正逆向混合建模技術(shù)進行模型構(gòu)建,適當(dāng)修正手臂形態(tài),既考慮手臂尺寸的科學(xué)性及合理性,又兼顧手臂形態(tài)的美觀性。

2) 采用阻尼鉸鏈進行肩關(guān)節(jié)連接的正向手臂可實現(xiàn)冠狀面90°、矢狀面360°旋轉(zhuǎn)。逆向手臂沒有使用阻尼鉸鏈,僅能實現(xiàn)矢狀面360°旋轉(zhuǎn),其功能性不及正向手臂,難以完成插肩袖、連身袖等特殊袖型的試衣參考、結(jié)構(gòu)調(diào)整和展示。因此,有阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)的手臂功能優(yōu)于無阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)的手臂。