三維服裝CAD技術發展概況

趙 星

（太原師范學院，山西 晉中 030600）

隨著計算機軟硬件技術的不斷進步，消費者購買產品的手段開始多元化，對品質的要求逐漸提升。現如今，優秀服裝企業對數字化服裝定制的要求也逐漸明朗，不同于傳統的二維服裝計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD），數字化服裝定制中的三維服裝CAD技術集合了三維人體掃描測量和體型分析、三維人體建模、服裝虛擬設計和3D服裝轉2D紙樣等全過程，大大節省了時間和財力，提高了企業生產效率。這也是近年來國內外學術界普遍關注和研究的重點。

1 服裝CAD的發展現狀

自1970年CAD技術被引入服裝行業后，歷經半個世紀的發展，傳統的二維服裝CAD已日漸成熟，實現了服裝的款式設計、結構設計、推檔排料、工藝管理等一系列流程的計算機化，在企業和高校中廣泛應用，改變了傳統的手工生產方式，縮短了服裝的生產周期。目前，國外現有的服裝CAD制版系統比較著名的有：美國格柏、法國力克、西班牙艾維、德國艾斯特、美國PGM；國內主要有：深圳ET、航天、富怡、布易、至尊寶紡、日升天辰等，很多國內外的軟件都具有最基本的款式設計、紙樣繪制、放碼以及排料等核心功能。但是，傳統的二維服裝CAD對成衣穿著效果的立體展現較差，而三維服裝CAD恰好彌補了這一缺點，涵蓋了三維人體掃描測量和體型分析、三維人體建模、服裝虛擬設計和3D服裝轉2D紙樣等全過程。雖然三維服裝CAD因為技術不成熟、很多功能還未完善，在短期內無法實現商業化，但其加快了企業設計和生產進程，提高了用戶體驗和客戶滿意度，是服裝領域技術的又一次飛躍[1-2]。

2 三維人體測量

三維人體測量是利用三維人體測量系統對人體進行全身掃描后實現全身數據的獲取功能，是進行三維虛擬試衣和服裝數字化設計、量身定做等必不可少的環節。相對于傳統的人體測量方法，三維人體測量速度快、數據精準全面，可分為接觸式和非接觸式測量兩種。

2.1 接觸式自動測量

接觸式自動測量一般在測量標準人臺時使用率較高，人臺不同部位型值點的疏密可以反映人臺曲面率的大小。在測量時，所使用的工具是三坐標測量儀，可以直接接觸人臺測量，獲得人臺表面的型值點，再根據型值點的疏密和數量判斷人臺的曲面率。該方法一般用于標準人臺的測量，不適合測量真實人體。

2.2 非接觸式自動測量

不同于接觸式自動測量，非接觸式自動測量主要用來測量真實的人體數據。非接觸式自動測量相對于接觸式自動測量，所使用的儀器更加精密復雜，因此，測量方法可以分為多種類型。在非接觸式三維人體自動測量中，使用的光源有兩類，一類是系統自主提供的光源，另一類是外界的光源，按照光源的來源可以將非接觸式自動測量分為主動式測量和被動式測量兩大類[3]。在主動式測量方法中，系統自動向被測對象發射光束，然后對被測對象進行多角度的拍照分析，根據成像結果，在系統中生成三維人體模型，通過對模型數據的分析，得出被測對象的全身數據，這是使用最廣泛、最方便的一種測量方法，很受企業歡迎。另外，在主動式三維人體測量中，可使用的光線種類較多，如激光、紅外線和普通光等。相對于主動式測量，被動式測量系統沒有自己的照明系統，需要外界提供光源，然后對被測對象進行多角度的拍攝，根據拍攝結果得出測量數據[4-5]。雖然具有簡單、快速、準確的優點，但三維人體掃描系統價格昂貴、測量要求在暗室中進行、設備不便于移動等缺點也導致其在實際生產中應用性不高。

3 三維人體建模

三維人體建模是在三維人體掃描后，利用建模軟件建立三維人體的虛擬模型，可以根據顧客或者廠家的要求實時修改模型各部位數據，得到不同體型的模型，這為私人定制等服務提供了技術上的支持。同時，建立虛擬模型也是展示服裝必不可少的一個環節，是整個三維服裝CAD系統的基礎。三維人體建模按照建模方法的不同可分為4種類型：三維線框建模、三維實體建模、三維曲面建模和基于物理的三維建模[6]。

3.1 三維線框建模

三維線框建模使用的技術原理簡單且易操作，是最早開始使用的建模方法，利用最簡單的點、直線、參數化曲線等對人體的整體輪廓進行模擬，模擬過程快捷簡單，因為模擬時使用的數據少、包含的信息有限等，可以對模型進行快速修改。但是，三維線框建模由于模型數據量有限，不能很好地分析加工模型的剖面圖、明暗色彩圖等。

3.2 三維實體建模

相對于只有外部線框的三維線框建模，三維實體建模在線框的基礎上結合了對內部實心的表達，可以對所建成的模型進行剖面的分析描述，也可以展現比三維線框模型更多的模型數據。但由于模型更加復雜、計算效率更低，在模擬更復雜的人體表面時，仍存在一定的限制[7]。

3.3 三維曲面建模

曲面建模是目前最常用的一種人體建模方法，不僅可以很好地模擬人體體表形態，還可以對模擬的人體進行隱藏線消除等操作，大大提高了所建模型的真實感。但是曲面建模不能分析剖面圖，這是曲面建模亟需彌補的缺陷。

3.4 基于物理的三維建模

基于物理的三維建模建立在傳統建模方法之上，此方法將人體所處的外部環境因素引入傳統的幾何建模方法中，可以獲得更真實的人體建模效果。但是，這種方法采用微分方程組數值求解的方法計算人體的動態，與其他人體建模方法相比，在計算上要復雜得多。

4 三維服裝模擬技術

在三維服裝CAD中，虛擬展示是關鍵技術。服裝虛擬模擬技術是將設計好的二維服裝紙樣在三維虛擬人體上進行縫合、填充面料材質后再展示三維服裝。服裝模擬技術可以模擬服裝的面料、色澤、在不同動態下的褶皺以及不同的穿著場合等。將設計好的二維衣片自動縫合模擬三維成衣效果，這一過程的關鍵是三維服裝模型的建立。目前，服裝建模方法主要有幾何建模、物理建模和混合建模三大類[8]。3種建模方法都有優缺點。其中，幾何建模在模擬面料的質感時，效果有待提高，但是服裝的整體外觀形態可以很好地模擬出來；物理建模雖然在運算過程中速度較慢，但能很好地模擬面料質感；混合建模結合了幾何建模、物理建模的優點，織物面料的質感模擬效果較好，且模擬用時較短，是目前使用最多的方法。

國內外已經研發了幾款比較成熟的三維服裝展示軟件，如美國GERBER的V-stitcher，可以根據用戶的要求調節三維人體尺寸，并提供響應2D變化的實時3D圖像，可通過互聯網平臺遠程查看[9-10]；韓國設計的Marvelous Designer擁有強大的拆線功能，可以實現自由曲線繪制與三維立體裁剪同步互動，而且在修改二維紙樣的同時，三維服裝設計界面也會產生相應的改變。

三維服裝模擬技術涉及紋理理論、動力學模型等多個高技術領域，雖然模擬服裝的真實感還有待提高，但是在很大程度上彌補了二維服裝CAD存在的設計結果直觀性差、缺乏立體感、穿著效果不明顯的缺點。

5 三維服裝樣板

三維服裝和二維紙樣之間的轉換是服裝數字化的關鍵問題，也是難點之一。三維服裝轉二維紙樣運用了多種技術手段，比較通用的有網格平面法、幾何展開法、中心點法等。在網格平面法中，用四邊形的網格面對服裝曲面進行模擬，并用四邊形來代替相應的服裝區域，衣片邊界則用B樣條函數來擬合，該方法一般應用于復雜曲面，如半球面的模擬。幾何展開法，顧名思義，是將人體表面用簡單的幾何圖形來模擬，然后將模擬效果近似地展開成平面。中心點法主要適用于簡單曲面，如圓錐曲面等的模擬[11]。

目前，比較成熟的三維樣板生成系統比較多，如加拿大PAD公司生產的三維服裝系統，包括服裝制版、二維服裝樣板放碼、三維虛擬試衣等基礎模塊，可有效地在二維平面紙樣和三維立體服裝間實現互換功能。

6 結語

三維服裝CAD系統在圖形、圖像處理技術方面涉及光照理論、色彩理論、紋理理論、動力學模型等高技術領域，很多技術還停留在理論階段，因此，建立的人體模型不理想、服裝模擬真實感差、二維紙樣和三維服裝之間的轉換難度大。同時，軟件之間樣板文件的兼容性有待進一步加強，樣板文件的互不兼容影響了各企業間的資源共享和技術交流。另外，盲目購買軟件、后期維護成本高、服裝企業相關技術人員數量少等因素，導致服裝企業對三維服裝CAD存在很大顧慮，致使國內企業對三維服裝CAD軟件的使用率不高。因此，我國需要培養大量的服裝三維CAD技術人員，增加專業技術人員的數量并提升技術水平，開發并完善符合國內使用規范的相關軟件，這是我國服裝行業亟待解決的問題。雖然三維服裝CAD有許多關鍵性的技術難題需要解決，但其在便捷性、直觀性、真實感等方面的優勢足以說明三維設計的確是服裝CAD技術的發展方向，這一技術的成熟將會給服裝產業及相關領域帶來一場重大革命。