任 澤, 鐘安華

(武漢紡織大學(xué) 服裝學(xué)院, 湖北 武漢 430073)

服裝數(shù)字化發(fā)展是不可阻擋的發(fā)展趨勢,主要體現(xiàn)在生產(chǎn)工藝、虛擬試衣[1]等方面。傳統(tǒng)的手工制版有著尺寸誤差大、合體服裝版型不貼合人體體表曲面形態(tài)和貼體服裝造成服裝壓力較大等問題。內(nèi)褲與人體皮膚緊密接觸,被稱為人體的第二皮膚,對服裝壓力大小更為敏感,男性由于生殖器官的凸起形態(tài)各異,使得男士內(nèi)褲版型變得復(fù)雜,而數(shù)字化制版可以很好地解決這個問題。

關(guān)于提高男士內(nèi)褲舒適性方面,不少學(xué)者專注于研究面料物理特性與皮膚壓力之間的關(guān)系[2],面料的透濕透氣性對穿著舒適度的影響[3]等。在內(nèi)褲版型的研究方面,對男性第一性征的下體提出了近似測量方法進(jìn)行體型分類[4],分析男士內(nèi)褲不同的分體結(jié)構(gòu)對男性體征的影響[5],還有探究褲裝與男士內(nèi)褲的制圖方式[6],說明研究人員已對男性下肢帶結(jié)構(gòu)與褲裝推導(dǎo)內(nèi)褲版型進(jìn)行了深入分析。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過數(shù)學(xué)表達(dá)設(shè)計算法[7],利用單參數(shù)平面族的包絡(luò)[8],擬合人體體表曲面的展平方法被提出[9],曲面展平技術(shù)已經(jīng)在服裝結(jié)構(gòu)中運用。

本文通過服裝數(shù)字化,對建立的三維曲面模型進(jìn)行體表曲面剝脫展平處理,直接快速得到合體的男士內(nèi)褲版型,實現(xiàn)了模型虛擬試衣與數(shù)字化版型相統(tǒng)一,得到的數(shù)字化版型誤差小,且數(shù)字化版型生成方法不具有針對性,也適用于平均體、虛擬人體的數(shù)字化版型生成。解決目前市場上男士內(nèi)褲版型未對男性生殖器官的凸起形態(tài)進(jìn)行合理分類與版型設(shè)計問題,使男士內(nèi)褲襠部達(dá)到更加合體效果,打破傳統(tǒng)男士內(nèi)褲版型設(shè)計方法,在合體內(nèi)褲版型上使用針織面料,合理地提高內(nèi)褲穿著舒適性,提高企業(yè)制版效率,為合體型服裝制版提供新方法。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 人臺準(zhǔn)備

1.1.1 人臺尺寸參數(shù)

本文為使研究更具有普遍意義,實驗對象選用胸圍為92 cm的人臺。實驗對象的重要項目尺寸參數(shù)為:腰圍78.7 cm,臀圍94.4 cm,大腿根圍58 cm,生殖器官凸起距3.1 cm,前后上襠總長 78 cm。 圖1為人臺的正面、側(cè)面和背面示意圖。通過示意圖可以觀察到人臺男性生殖器官飽滿,凸起量較小。

1.1.2 人臺點云數(shù)據(jù)

獲取實驗對象的點云數(shù)據(jù),并通過Scan WorX Interactive Measure交互測量軟件測量人臺各截面圍度、角度、高度差等數(shù)據(jù)。

設(shè)備:VITUS81540非接觸式三維人體掃描儀,德國 Human Solutions 公司。

實驗要求:將人臺置于無光源密閉空間內(nèi),環(huán)境溫度為(27±3)℃ ,環(huán)境濕度為(60±10)%,擺正人臺位于標(biāo)記線正中,固定人臺避免晃動,進(jìn)行三維人體掃描。

1.2 建模數(shù)據(jù)提取

實驗對象經(jīng)過單次三維人體掃描后輸出點云數(shù)據(jù),運用逆向工程軟件對實驗對象腰圍至大腿圍進(jìn)行點云數(shù)據(jù)截取,圖2(a)示出實驗對象腰至大腿根圍的點云數(shù)據(jù)。從截取部位的點云數(shù)據(jù)中選取腰圍、腹圍、髖關(guān)節(jié)、臀圍、生殖器官凸起處、會陰、大腿根圍7個特征截面,從每個特征截面圍度的點云數(shù)據(jù)中提取50個等距點的坐標(biāo)信息表示截面形態(tài),對各截面點坐標(biāo)進(jìn)行對稱處理,獲取構(gòu)建模型所需的點云坐標(biāo)集。使用Solidworks工程建模軟件在草圖中輸入點云坐標(biāo)集,點云坐標(biāo)集的提取為曲面模型的構(gòu)建提供了控制頂點位置信息,圖2(b)示出導(dǎo)入Solidworks軟件中的點云坐標(biāo)集。

圖2 點云坐標(biāo)集的提取Fig. 2 Extraction of point cloud coordinates set.(a)Point cloud data;(b)Point cloud coordinate set

2 NURBS曲面模型與展平

2.1 NURBS曲面構(gòu)建

NUBRS曲面建模技術(shù)是專為曲面復(fù)雜物體三維模型重建而設(shè)計的,能基于曲線和曲面的形式對三維模型的輪廓和外形進(jìn)行準(zhǔn)確精細(xì)的表達(dá)[10]。提取腰圍、臀圍、會陰圍、大腿根圍4個圍度的點云坐標(biāo)集,以點云坐標(biāo)集為控制頂點。一條k次NURBS曲線可表示為一分段有理多項式矢函數(shù)[11]：

式中:wi(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點權(quán)因子;di(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點;n為曲線上控制頂點的數(shù)量;u為曲線的參變量;k為曲線的次數(shù)或階次;Ni,k(u)是k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。

圖3(a)示出由控制頂點di連接起來組成的NURBS控制曲線。在u方向和v方向,使用NURBS曲線的方法,構(gòu)造一張NURBS曲面,一張k×l次NURBS曲面[11],圖3(b)示出由控制頂點dij連接起來組成的NURBS控制曲面,公式如下:

(u,v)∈[0,1]×[0,1]

式中:wi,j為曲面上控制頂點權(quán)因子;dij是曲面上第(i,j)個控制頂點;m為曲面上控制頂點行的數(shù)量;n為曲面上控制頂點列的數(shù)量;u為曲面橫向方向上的參變量;v為曲面縱向方向上的參變量,k為曲面在u方向上的階次;l為曲面在v方向上的階次;Ni,k(u)和Nj,l(v)分別為u向k次和v向l次的規(guī)范B樣條基函數(shù)。

圖3 NURBS曲面構(gòu)建Fig. 3 Construction of NURBS surface. (a)NURBS curve; (b)NURBS surface

2.2 腰臀襠部曲面模型建立

腰圍是人體軀干上下部分的隔帶[12],內(nèi)褲腰圍的選擇通常會低于人體的腰圍線,高于人體的臀圍線。臀圍是男性下半身圍度最大的部位,是褲裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中必不可少的尺寸參數(shù),因此臀圍尺寸的獲取尤為重要。前后上襠總長將男性人體分為左右對稱的兩部分,因此曲面區(qū)域劃分主要以腰圍、臀圍、前后上襠總長為劃分依據(jù)。

依據(jù)腰圍、臀圍、前后上襠總長將男性腰臀襠部劃分為16塊區(qū)域,依次構(gòu)建出16塊NURBS曲面,相鄰區(qū)域使用同一NURBS曲線,因此16塊區(qū)域依據(jù)曲面拼接連續(xù)性原理,相鄰曲面選擇公共連接線,組成如圖4所示的男性腰臀襠部曲面模型。對比人臺,曲面模型與人臺體表曲面彎曲程度一致,生殖器官凸起程度相同,曲面模型能夠準(zhǔn)確表達(dá)人臺的體表曲面。另外,曲面模型表面光滑、內(nèi)部中空,曲面厚度小,證明曲面展平的可實施性。

圖4 腰臀襠部曲面模型Fig. 4 Waist hip crotch surface model

2.3 NURBS曲面模型展平

由于人體曲面左右對稱,并且大腿形態(tài)近似于圓柱體,不影響內(nèi)褲結(jié)構(gòu)設(shè)計,因此選擇人臺左邊7塊曲面進(jìn)行版型研究,為方便辨認(rèn)曲面,對7塊曲面進(jìn)行了編號,如圖5所示。使用曲面展平工具實現(xiàn)NURBS曲面到二維平面的轉(zhuǎn)變,展平邊線線條為側(cè)縫線和前后上襠線,產(chǎn)生的二維平面與曲面本體邊線相切,圖6為編號4的曲面沿側(cè)縫線的展開圖。以垂直于平面的視角,將展平的曲面制成工程圖,按1∶1的比例將工程圖導(dǎo)出為DXF格式,獲得7片二維平面圖。

圖5 曲面編號Fig. 5 Surface number

圖6 曲面展平過程圖Fig. 6 Surface flattening process diagram. (a)Surface flattening diagram; (b)Plan view

三維曲面展平到二維平面,應(yīng)當(dāng)滿足曲面展平后面積與曲面面積近似相等,且邊界長度盡量保持不變,為驗證曲面展平效果,計算表面積差和邊界長度差來檢查曲面展平的準(zhǔn)確度。表1示出曲面與其對應(yīng)展開平面的表面積差,表2示出曲面與其對應(yīng)展開平面的邊界長度差。表中編號5的表面積和編號6的邊界長度誤差值較大是由于臀部翹起量造成曲面彎曲程度較大,從尺寸數(shù)據(jù)上看面積誤差小于等于1 cm2,邊界長度誤差小于等于1 cm,誤差范圍在規(guī)格尺寸誤差的接受范圍內(nèi),因此展平的平面能夠準(zhǔn)確表達(dá)曲面形態(tài)。

表1 曲面展平的面積誤差Tab. 1 Area error of curved surface spreading

表2 曲面展平的邊界長度誤差Tab. 2 Boundary length error of surface spreading

2.4 內(nèi)褲數(shù)字化版型生成

使用ET服裝CAD軟件同時打開DXF格式的7張工程圖圖紙,對圖紙進(jìn)行整理,獲得合體的男士內(nèi)褲版型,如圖7所示。版型整理步驟如下。

1)如圖7(a)為經(jīng)過平移工具整理后的初始平面圖,將整理后的工程圖使用對稱工具和多功能繪圖工具將曲線點簡化處理得到圖7中(b)。

2)使用擺正工具將各個版片進(jìn)行擺正處理,將處理后的版片進(jìn)行形狀對接,襠底留出2 cm作為褲腳,得到圖7(c)。

圖7 內(nèi)褲版型處理流程圖Fig. 7 Flow chart of underwear pattern processing. (a)Initial floor plan;(b)Step one pattern of the processing chart;(c)Step two pattern of the processing chart;(d)Step three pattern of the processing chart

3)使用智能筆工具將后襠進(jìn)行對接,現(xiàn)底襠長=原底襠長-后襠對接長,使用平移和旋轉(zhuǎn)工具對接前襠,后腰頭降低1 cm,調(diào)順后襠曲線,得到圖7(d)。

4)確定褲腰位置[13],即褲腰高=臀圍線高+立襠長/3+1,使用平移工具分開前片與后片,獲得圖8所示的最終合體男士內(nèi)褲數(shù)字化版型。

3 數(shù)字化版型驗證

3.1 數(shù)字化版型試衣效果

內(nèi)褲版型在ET服裝CAD軟件中進(jìn)行縫份刷新,將OBJ格式的腰臀襠部三維掃描人體模型和DXF格式的數(shù)字化內(nèi)褲版型導(dǎo)入CLO3D中,對內(nèi)褲版型進(jìn)行虛擬縫合,在人體模型上進(jìn)行內(nèi)褲版型虛擬試衣。圖9(a)為人體模型穿著內(nèi)褲版型的效果圖。從效果圖上看,內(nèi)褲版型十分貼合人體體表皮膚,內(nèi)褲與人體模型之間無較大空隙量,內(nèi)褲版型的臀圍線與實體模型的臀圍線重合,進(jìn)一步驗證了曲面展平的準(zhǔn)確性,虛擬試衣效果滿足合體性內(nèi)褲版型設(shè)計。為進(jìn)一步驗證內(nèi)褲版型的合體性,使用白坯布制作內(nèi)褲樣衣。圖9(b)為人臺穿著內(nèi)褲樣衣的效果圖。從效果圖上看,內(nèi)褲版型襠部完全貼合象鼻凸起的形態(tài),滿足男性生殖器官凸起量,整體布面平整,無明顯鼓包、褶皺現(xiàn)象,內(nèi)褲不下墜并且面料不緊繃,驗證了內(nèi)褲版型的合理性。

圖9 內(nèi)褲數(shù)字化版型試衣效果Fig. 9 Underwear digital version of the fitting effect. (a)Model virtual fitting effect;(b)Man-table fitting effect

3.2 試衣壓力測試

實驗設(shè)備:AM-8051K氣囊式接觸壓力測試儀,AMI TECHNO CO. LTD公司,測量范圍為0～34 kPa, 測量精度在0～14 ℃為±0.1 kPa、在14～34 ℃ 為±0.25 kPa。

實驗要求:測量環(huán)境溫度為(27±3)℃,環(huán)境濕度為(60±10)%,使用氣囊充氣工具對傳感器進(jìn)行充氣,傳感器充氣后厚度小于1 mm,能夠精準(zhǔn)測量固定點的壓力值,將傳感器放置在人臺上需要測試的固定點,使用包覆膠帶進(jìn)行固定,包覆膠帶開孔處露出氣囊正中紅心,連接數(shù)據(jù)采集器,讀取采集數(shù)據(jù)。

設(shè)定壓力測量點,綜合考慮腰臀襠部曲率變化程度、腰臀襠部形態(tài)、內(nèi)褲重要測量部位,測量點選定象鼻凸起的前襠線、后襠線和臀圍線,如圖10所示選取7個壓力測量點。選用氣囊式接觸壓力測量儀對7個測量點測量壓力,由于人臺為靜態(tài)試衣,壓力測量值隨時間變化較小,因此選取前20 s壓力值的平均值為最終壓力值數(shù)據(jù)。

圖10 樣衣壓力測量點Fig. 10 Sample clothing pressure measuring points

文獻(xiàn)[14]顯示,服裝壓強(qiáng)范圍在 0～2.4 kPa 時,人體對服裝壓強(qiáng)無感覺或者無不適感,服裝壓強(qiáng)在 2.744～3.626 kPa 時,人體對服裝壓強(qiáng)的感覺微弱或者略有不適感,當(dāng)服裝壓強(qiáng)超過 3.92 kPa 時,人體對服裝的壓強(qiáng)感覺明顯或不適感明顯。經(jīng)測試人臺試衣在A～G7個壓力測量點的壓力值分別為0.086 0、0.174 5、0、0.163 0、0.058 5、0.154 5、0.225 0 kPa,服裝壓強(qiáng)范圍在0～2.4 kPa,所有測量點壓力均符合服裝舒適性的要求。通過7個測量點的壓力值分析驗證了該內(nèi)褲版型的合體性。

4 結(jié) 論

針對合體性的男士內(nèi)褲版型研究,本文提出了數(shù)字化生成男士內(nèi)褲版型的方法,解決了男士內(nèi)褲象鼻凸處不貼合的問題,為合體性男士內(nèi)褲版型快速生成提供了新的辦法。

1)使用三維人體掃描儀獲取人臺點云數(shù)據(jù),從點云數(shù)據(jù)中提取腰臀襠部7個特征截面的點云坐標(biāo)集;

2)確定控制點,構(gòu)建NURBS曲線和NURBS曲面,將男性腰臀襠部合理劃分為16塊區(qū)域,使用Solidworks工程建模軟件建立男性腰臀襠部曲面模型;

3)將NURBS曲面展平成二維平面,驗證曲面展平的準(zhǔn)確性。按1∶1的比例輸出DFX格式的工程圖;使用ET服裝CAD軟件對導(dǎo)出的工程圖進(jìn)行處理得到合體男士內(nèi)褲數(shù)字化版型;

4)使用腰臀襠部人體模型模型進(jìn)行虛擬試衣驗證,內(nèi)褲版型貼合人體。使用白坯布制作內(nèi)褲樣衣,無明顯鼓包或褶皺部位,并使用氣囊式接觸壓力測試儀檢測7個測量點的壓力值,證明該內(nèi)褲版型的合體性。

本文的男士內(nèi)褲數(shù)字化快速成版,解決了傳統(tǒng)版型尺寸誤差大、版型不貼體等問題,為服裝行業(yè)合體和貼體服裝版型生成提供了新的解決辦法,不在拘泥于傳統(tǒng)的工業(yè)版型,是智能化服裝發(fā)展的新方向,實現(xiàn)了合體型服裝的快速成版。