基于數字化三維人體模型的女裝基礎版型關系模型的建立

段 錦，佘 婕

(1.楊凌職業技術學院 信息工程分院，陜西 楊凌 712100；2.西安工程大學 服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048)

量身定制的服裝版型設計是近年來研究的熱點和難點。傳統量身定制的服裝版型設計存在耗時長、代價高、設計與評價缺乏量化標準等問題，但隨著科技的發展，可以通過計算機輔助技術解決傳統量身定制的服裝版型設計問題。

近年來在數字化量身定制研究中，Yang等[1]提出了基于數字化三維人體的女裝量身定制版型設計方法，討論了在女裝版型中設定不同位置的分割線對女裝版型適體性的影響。張亞君等[2]提出在三維人體模型上提取服裝的原型部分，根據女性人體的曲面曲率對原型進行分塊，并將不同塊面的曲面展平，最終拼合形成服裝紙樣。Hong等[3]進行了基于掃描技術的女裙裝量身定制版型的適體性研究。Huang等[4]提出了在數字化三維人體上建立女裝設計版型的參數化模型思想，并通過建立女連衣裙版型關系模型驗證了關系模型的正確性。陳龍等[5-8]提出了三維服裝參數化設計框架及其實現方法,通過構建參數化三維人體模型實現模型聯動與驅動，并通過擴展傳統的參數化思想，將曲線與曲面作為三維服裝設計的基本要素，同時利用特征信息構建了不精確表達的服裝幾何模型，使用混合維度輸入信息來執行多級幾何模型的多級驅動。Xu等[9]提出了三維人體模型曲線與版型曲線之間具有對應關系，并分析了胸圍和頸圍與版型之間的關系。

本研究以愛華8號女性人臺為例建立女上裝基礎版型關系模型，通過分析愛華8號女性人臺上半身的形態特征與女上裝基礎版型設計中的對應關系，并在數字化三維人體模型上建立該對應關系，從而構建基于三維人體模型的女上裝基礎版型。最后通過樣衣制作與試穿，驗證了女上裝基礎版型關系模型設計方法的可行性。

1 女上裝基礎版型關系模型

1.1 女上裝基礎版型關系模型定義

女上裝版型關系模型是基于量身定制的女裝版型設計標準。為了使女裝版型設計過程更便捷、結果更準確，將女裝版型設計過程分為三個層級：基礎版型、亞基礎版型、款型[10-12]。其中，女上裝基礎版型關系模型是女上裝版型關系模型的第一級，由女性上半身的細部尺寸與特征曲線共同影響生成。女上裝基礎版型可以最大限度地保留女子上半身形態特征，保證最小的呼吸量，沒有款式與功能的變化。

1.2 女上裝基礎版型設計參數與女性上半身形態特征的關系

1.2.1女上裝基本版型特征點與女性上半身特征點的對應關系

女裝版型的構成要素是點、線、面，其中點是構成女上裝基礎版型最基本的要素。在女上裝版型設計中需要考慮的版型特征點有前領點(P_N)、胸寬前點(P_FBF)、窿深線前點(P_AHF)、前胸圍前點(P_B)、腰圍前點(P_WF)、胸寬側點(P_FBC)、胸圍側點(P_BC)、前胸省側點(P_BCC)、腰圍側點(P_WC)、袖窿側點(P_AHC)、肩前點(P_SBF)、肩中點(P_SBM)、肩后點(P_SBB)、胸點(P_BP)、前腰垂點(P_WM)、后領點(P_NB)、背寬前點(P_BBF)、窿深線后點(P_AHB)、胸圍后點(P_BB)、腰圍后點(P_WB)、背寬側點(P_BBC)、后腰垂點(P_WMB)、后肩省點(P_SS)。女上裝基本版型特征點與女性上半身形態特征點存在著一一對應關系，如表1所示。

表1 女上裝基本版型特征點與女性上半身形態特征點對應關系Tab.1 Relationship between feature points of women′s body block and those of women′s upper body

1.2.2女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線的對應關系

女性上半身特征線由兩個或者兩個以上的女性上半身形態特征點構成，而女上裝基本版型特征線由兩個或者兩個以上的版型設計點構成。由于女上裝基本版型特征點與女性上半身特征點存在著一一對應關系，所以女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線在版型設計中同樣存在著一一對應的關系，如表2所示。

表2 女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線對應關系Tab.2 Relationship between feature lines of women′s body block and those of women′s upper body

2 建立數字化服裝設計人體模型

2.1 數字化三維人體模型數據獲取

選取愛華8號女性人臺為研究對象，獲取數字化三維人體模型，首先要對愛華8號女性人臺的特征點進行標定。特征點的標定方法分為兩類：一類是根據GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》[13]確定的人臺特征點；另一類是為了方便三維人體掃描以后特征線的構建，在弧線曲度較大的地方添加特征輔助點。本研究利用德國TecMath非接觸式三維光學掃描儀對愛華8號女性人臺進行數字化三維人體模型的獲取和數據測量，見圖1。圖1(a)為已經標定好的愛華8號女性人臺，圖1(b)為愛華8號女性人臺的掃描圖。同時，利用ScanWorX軟件對愛華8號女性人臺尺寸進行人機交互測量，獲取的愛華8號女性人臺的尺寸見表3。

圖1 數字化三維人體模型獲取Fig.1 Scanning image of Alva 8 female

表3 愛華8號女性人臺測量尺寸Tab.3 Measurements of Alva 8 female form

2.2 女上裝數字化三維人體模型構建

根據點云數據不能直接進行三維人體模型的構建，因為使用非接觸三維人體光學掃描儀獲得的數據點還包含噪聲和雜點[14]。本次掃描獲取的282 270個點云數據，首先需要過濾冗余點云，如果不進行冗余點云的過濾，龐大的數據會拖慢計算機的處理速度，在進行點云重構曲面的時候導致光順性變差。

掃描愛華8號人臺獲取點云數據時，人臺支架在激光掃描時會出現光線散射，獲得的點云數據中包含噪聲(數據雜點)，故首先需要人工甄別和刪除點云數據中的噪聲。愛華8號女性人臺體表數據變化均勻，無棱角邊緣，所以選擇公差球算法對點云數據進行精簡。所謂公差球算法就是以起始點為球心，指定半徑，形成一個球空間，在這個球空間內，除了球心其他點被隱藏的點云過濾方式。表4是公差球算法不同半徑的點云精簡結果。經過公差球算法過濾，點云趨向于均勻分布。

表4 公差球算法不同半徑的點云精簡結果Tab.4 The tolerance ball algorithm was employed to streamline the point clouds

由表4可以看出，點云經過過濾后依然非常密集，無法通過直接觀察的方法來確定結構中所包含的全部細部幾何形狀。為了確定精簡的點云既能夠滿足曲面的光順性，同時還能夠兼具精確性，要對點云進行網格化。圖2為不同公差球算法精簡下的點云網格化效果圖。通過圖2可以看出在半徑R=8 mm時，愛華8號女性人臺體表光滑、表面標記點保留較好。

3 基于數字化三維人體模型的女上裝基礎版型設計

3.1 基于數字化三維人體模型的女上裝特征曲線設計

由于女上裝基本版型特征線與女性上半身特征線存在一一對應的關系，所以需要在數字化三維人體模型上構建與女上裝基本版型特征線相關的女性上半身特征線，包括前中線、后中線、側縫線、頸圍線、袖窿深線、胸圍線、腰圍線、袖籠弧線。圖3為與女上裝基本版型特征相關的女性上半身特征線。表5是基于數字化三維人體模型的女上裝特征曲線的設計要點。

圖2 公差球算法點云網格化效果圖Fig.2 Constructed via griddization of point clouds

圖3 與女上裝基本版型特征相關的女性上半身特征線Fig.3 The characteristic curves concerning woman upper body and block

表5 基于數字化三維人體模型的女上裝特征曲線的設計要點Tab. 5 Design points of characteristic curves of woman upper body and block based on 3D body model

3.2 基于數字化三維人體模型的女上裝基礎版型獲取

建立數字化三維人體模型的女上裝基礎版型，首先需要在數字化三維人體模型上建立女上裝基礎版型特征線。由于女上裝基礎版型特征線與女性上半身特征線存在一一對應關系，所以數字化三維人體模型的女上裝基礎版型特征線與圖3建立的女性上半身特征線對應。

本研究在CATIA軟件中根據建立的女上裝基礎版型特征線與點云趨勢構建擬合曲面。第一步，在CATIA軟件“quick surface reconstruction”中運用“clean contour”對女上裝基礎版型特征線進行邊緣輪廓的抽提。第二步，在“surfaces network”中根據版型邊緣輪廓內的點云趨勢，對女上裝基礎版型進行曲面的重新構建。第三步，在“surfaces network”中利用女上裝基礎版型特征線對重構曲面進行調整。具體過程見圖4。

圖4 女上裝數字化三維人體模型基礎版型獲取Fig.4 Obtainment of women′s body block of 3D digital human model

3.3 確定數字化三維人體模型女上裝基礎版型分割線

人體是一個不規則曲面體，女性體表胸部和肩胛骨的窿起使得女性體表在胸部與肩胛骨處存在增加量，而這個增加量使得獲取的數字化三維人體模型女上裝基礎版型成為一個不可展的曲面。女上裝基礎版型擬合曲面不能直接從三維狀態展平成為二維版型，直接展平則會在胸部和肩胛骨的周邊產生多余的褶皺，使得生成的二維版型不能夠貼合人體表面。為了使服裝二維版型能夠較好地貼合人體表面，需要在女性體表窿起處進行分割，這時需要對生成的女上裝基礎版型擬合曲面圖的分割位置進行設計。分割尖位需要指向體表的窿起凸點，分割線需要容易獲得與修正。

女上裝基礎版型的前片版型分割尖位為胸點，后片版型分割尖位為肩胛骨窿起點。女上裝基礎版型前片分割線設計為前胸省、前肩省、袖窿省，后片分割線設計為后肩省、后腰省。圖5為女上裝基礎版型分割線設計圖。

圖5 女上裝基礎版型分割線設計圖Fig.5 Split lines design of body block in women′s tops

4 女上裝數字化三維人體模型基礎版型展平

由于獲取的數字化三維人體模型女上裝基礎版型是一個不可展的曲面，Duan等[15-16]在2016年提出了基于特征點與特征線的新型展平方法，將展平問題轉換為一個求無約束極值問題。第一步將三維網格點向二維平面做映射，在映射的時候保持展開前與展開后的曲面所有網格點距離變化最小，實現第一次近似展平；第二步在第一次近似展平的基礎上建立彈簧-質點模型，釋放能量獲得展平結果；最后對幾何展平結果進行版型修正。

4.1 曲面網格的初始展開

4.2 曲面展開的彈簧-質點模型

對于初始展平的網格曲面，為了減少初始展平誤差，在初始展平的基礎上建立彈簧-質點模型(見圖7)。彈簧-質點模型將網格上的點看作質點、邊看作彈簧，邊長在不可展曲面的展平過程中產生伸長或者壓縮形變，彈性能量積累就形成彈性形變能，在展開的過程中，不斷釋放系統的彈性形變能，最終得到展平曲面。圖7中，Pi為質點,Pi與Pj之間可視為彈簧連接，原始曲面上的初始邊長可看作彈簧原長。展平過程中，如果平面上質點Pi與Pj的間距大于彈簧原長，則Pi與Pj之間呈現吸引力，反之呈現排斥力[19-20]。

圖6 曲面網格的初始展開Fig.6 Initial developing of the surface meshes

圖7 彈簧-質點模型Fig.7 Spring-mass model

質點Pi處變形前后能量和力的積聚形式可用如下方程表示：

(1)

在曲面展開過程中，可以用拉格朗日方程來描述質點的運動，即

(2)

式中：M是系統的質量矩陣；D是系統的阻尼矩陣；K是系統的剛度矩陣；gq是局部自由度與全局自由度之差引起的系統內力；fq是系統外力。通過分析可知，數字化三維人體模型女上裝基礎版型的彈簧-質點系統中，阻尼項可以忽略且gq與fq為0，從而進一步簡化公式(2)：

(3)

在數字化三維人體模型女上裝基礎版型的彈簧-質點系統中，質點運動中的時間間隔Δt很小，質點Pi的加速度可被認為是常量，整個系統中的各個質點處于平衡。利用歐拉法求解拉格朗日方程：

(4)

4.3 版型修正

通過彈簧-質點模型展平版型同樣具有誤差，這個誤差可以用長度來進行矯正，故需要對彈簧-質點模型展平結果再次進行版型修正，見圖9。如圖9(a)所示,首先對展平結果導入參考線，將展平結果中的前中線、后中線、窿深線、胸圍線、腰圍線與坐標參考線對齊。再將展平的曲線修正為直線，同時利用愛華8號女性人臺的測量尺寸(見表2)對版型進行第一次復核修正。為了繪制方便，將肩部省量轉移到胸部省量。圖9(b)是女上裝基礎版型的第一次復核修正。人體需要呼吸與運動，服裝版型必須設計有保證人體生理機能正常所應放松的量值，包括呼吸、血液循環等需要的余量。吳志明[21]指出女裝基礎版型需要包含生理最低允許量，人體最小生理舒適量為4 cm。王璇[22]指出版型圍度放松量可以分為后背寬放松量、袖窿放松量和胸寬放松量，其分配方式為30%、40%、30%。因此，女上裝基礎版型的第一次復核修正之后要進行第二次復核修正，即在第一次修正的基礎上在胸圍部分增加人體最小生理舒適量(4 cm)，其中后背寬放松量分配30%、袖窿放松量分配40%、胸寬放松量分配30%。圖9(c)為第二次復核修正，即增加放松量后的女上裝基礎版型。

圖8 版型展開圖Fig.8 Approximate deve-coping pattern

圖9 女上裝基礎版型關系模型修正Fig.9 The modified patterns

5 女上裝基礎版型關系模型及其驗證

將第二次復核修正后的女上裝版型按照1∶1的比例打印并拓印在白坯布上,手工裁剪縫制，在愛華8號人臺進行試穿(愛華8號人臺是無任何放松量的人臺)。女上裝基礎版型樣衣穿著效果如圖10所示。

(1)版型試穿主觀效果

圖10 女上裝基礎版型人臺試穿效果Fig.10 Samples of body block

橫向：女上裝基礎版型的領口弧線沿頸根圍較為圓順；胸圍線、腰圍線、窿深線、胸寬線、背寬線均位于人體相應位置，呈水平狀態；肩線位于頸側點與肩點連線位置，肩縫順直，肩斜度適中。

縱向：樣衣布紋順直，前中心線、后中心線和側縫線均在人體相應位置。

貼體程度：胸圍線、腰圍線貼合，胸省量剛好能夠消除胸部余量，能夠較好地展現女性的胸部形態。

(2)版型試穿客觀評價

衣下空間狹義上指人體凈體曲面與最內層服裝內表面之間的空隙，可以表征為特征截面上人體凈體與服裝內表面之間對應位置的距離差。衣下空間的整體差量可以作為試穿的客觀評價標準，用公式表示為

d=C2-C1，

(5)

式中：d為服裝寬松量；C1為人體凈圍度；C2為服裝圍度。因此，服裝寬松度φd可以表示為

(6)

用馬丁測量儀對樣衣進行測量，計算腰圍與胸圍部分的服裝寬松度，腰圍寬松度φdw=5.5%，胸圍寬松度φdB=4.3%，表現為在人體靜止時無束縛力，與應力接觸時依然會產生束縛。

6 結語

本研究建立了基于數字化三維人體模型的女上裝基礎版型，通過曲面展平的方法獲取了女上裝基礎版型，對女上裝基本版型進行樣衣試制，并通過試穿驗證了女上裝基礎版型具有良好的貼體性及設計方法的可行性，為亞基礎版型設計與女裝款型設計奠定了基礎。