基于交互式遺傳算法的三維服裝款式研究

楊曉波

(浙江樹(shù)人學(xué)院，浙江 杭州 310015)

以往設(shè)計(jì)服裝大都依靠經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定性不夠，現(xiàn)如今，隨著遺傳算法技術(shù)[1-2]的不斷成熟，已經(jīng)有學(xué)者利用其全局優(yōu)化搜索能力設(shè)計(jì)服裝。Sun等[3]采用傳統(tǒng)遺傳算法對(duì)服裝色彩新穎性與款式協(xié)調(diào)性進(jìn)行優(yōu)化；Yeung等[4]在服裝排料引入遺傳算法；Muni等[5]在設(shè)計(jì)織物紋理時(shí)借助遺傳算法實(shí)現(xiàn)；Ogata等[6]將服裝部件進(jìn)行整合并通過(guò)客戶(hù)評(píng)分和遺傳操作確定最佳服裝；Gong等[7]通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)遺傳算法提升服裝設(shè)計(jì)的工作效率；Kim等[8]等利用3D Max軟件設(shè)計(jì)三維服裝模型，款式優(yōu)化亦建立在該模型之上，實(shí)用性較差。上述研究雖在服裝款式設(shè)計(jì)中應(yīng)用遺傳算法，但有些地方還需完善，如面對(duì)平面服裝設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮服裝的立體特性；遺傳操作沒(méi)有與真實(shí)三維服裝設(shè)計(jì)很好結(jié)合，與實(shí)際情況存在差距。鑒于此，本文擬在真實(shí)服裝設(shè)計(jì)中引入交互式遺傳算法，將服裝設(shè)計(jì)的約束機(jī)制引入到遺傳操作之中，以保證設(shè)計(jì)款式的合理性，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)三維服裝款式的審美需求。

1 交互式遺傳模板

1.1 交互式遺傳算法原理

傳統(tǒng)遺傳算法利用編碼方法解決實(shí)際問(wèn)題，是一種模擬進(jìn)化的遍歷算法[9-10]。交互式遺傳算法是將遺傳算法融入到主觀(guān)評(píng)價(jià)之中，這樣可以克服傳統(tǒng)方法的呆板評(píng)價(jià)模式，靈活處理不同個(gè)體的設(shè)計(jì)模式。

交互式遺傳算法利用交互特性為每個(gè)個(gè)體分配不同的適應(yīng)度。前期操作與傳統(tǒng)遺傳算法類(lèi)似，但在進(jìn)化階段引入主觀(guān)評(píng)價(jià)，這樣做更符合實(shí)際評(píng)估過(guò)程，因?yàn)槊课粚?zhuān)家對(duì)相同服裝款式的評(píng)價(jià)會(huì)有所不同，最終計(jì)算的優(yōu)化解是一個(gè)區(qū)間，而非單一解，進(jìn)化結(jié)果可能存在多個(gè)解。交互式遺傳算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

從圖1可知，交互式遺傳算法與傳統(tǒng)遺傳算法相比，增加了人機(jī)交互部分，通過(guò)人工評(píng)價(jià)確定種群中是否存在最優(yōu)個(gè)體，最優(yōu)個(gè)體即為優(yōu)化后的三維服裝款式。

1.2 交互式遺傳模板構(gòu)建

構(gòu)建交互式遺傳模板需要解決服裝款式的三維操作、約束性和復(fù)雜性等難題。三維操作過(guò)程中種族初始化是以款式類(lèi)庫(kù)為基礎(chǔ)，因而在編碼操作時(shí)，部件之間很難做到平滑拼接，運(yùn)用傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼只能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換，對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三維款式，遺傳過(guò)程中需解決三維操作的問(wèn)題；另外，款式庫(kù)中的部件類(lèi)型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果操作不當(dāng)，必然造成部件之間的拼接不合理等情況，因此需要建立相應(yīng)的約束機(jī)制；為了充分發(fā)揮遺傳算法的全局搜索能力，降低算法的復(fù)雜度，需要為種群的遺傳操作提供足夠的搜素空間，以確保最終操作結(jié)果的有效性。

在服裝款式設(shè)計(jì)中引入交互式遺傳算法，需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的遺傳模板，以解決目前存在的問(wèn)題。遺傳模板的構(gòu)建過(guò)程如圖2所示。

圖2 遺傳模板構(gòu)建過(guò)程Fig.2 Genetic template construction process

從圖2可知，遺傳模板的構(gòu)建過(guò)程是：先創(chuàng)建款式類(lèi)庫(kù)，接著將款式進(jìn)行分解，各類(lèi)款式進(jìn)入部件庫(kù)，部件庫(kù)用于創(chuàng)建服裝款式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)款式部件與遺傳操作的對(duì)接，最后利用選擇、交叉、變異等遺傳操作，款式部件得以更新，經(jīng)過(guò)人工評(píng)價(jià)，款式得到優(yōu)化，最終獲得最優(yōu)創(chuàng)意的款式。

2 三維服裝款式的遺傳耦合

2.1 服裝款式部件庫(kù)建立

服裝款式的基本單元是部件，在進(jìn)行選擇、交叉、變異等遺傳操作中，服裝部件保存在部件庫(kù)中，可以作為遺傳操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了在三維服裝部件庫(kù)中融入遺傳操作，本文款式部件庫(kù)主要包括衣身、衣袖和衣領(lǐng)三部分，各部分建立相應(yīng)的類(lèi)庫(kù)，可以很好的實(shí)現(xiàn)款式拼接等操作。

設(shè)計(jì)服裝款式部件需根據(jù)部件庫(kù)的分類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。衣身類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括衣身主體類(lèi)、款式線(xiàn)類(lèi)以及與衣袖、衣領(lǐng)的關(guān)聯(lián)；衣袖類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)除了包含衣袖主體類(lèi)等基礎(chǔ)特征，還包含與其他類(lèi)庫(kù)的拼接屬性；衣領(lǐng)類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括衣領(lǐng)主體類(lèi)、衣領(lǐng)基線(xiàn)類(lèi)和領(lǐng)口線(xiàn)類(lèi)等。各個(gè)部件所建立相應(yīng)的類(lèi)庫(kù)如圖3所示。

圖3 服裝部件設(shè)計(jì)類(lèi)庫(kù)Fig.3 Clothing component design class library.(a)Sleeve body class;(b) Collar body class;(c) Garment body class

從圖3可知，衣袖主體類(lèi)用于保存衣袖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、調(diào)整袖孔線(xiàn)、檢測(cè)衣袖輪廓與袖孔接口，為三維拼接做準(zhǔn)備；衣領(lǐng)主體類(lèi)用于獲取人體特征值、重建衣領(lǐng)輪廓、調(diào)整衣領(lǐng)線(xiàn)等，為遺傳操作奠定基礎(chǔ)；衣身主體類(lèi)用于融合衣袖和衣領(lǐng)，方便后期的約束檢測(cè)。服裝部件各子類(lèi)之間相互聯(lián)系，同時(shí)保留與外部的接口，以便后期的部件拼接和遺傳操作。同時(shí)利用約束檢測(cè)等方法保證衣身的完整性。

設(shè)計(jì)服裝類(lèi)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要目的是在遺傳操作時(shí)靈活使用各類(lèi)部件，更好的實(shí)現(xiàn)款式編碼和拼接等流程。

2.2 染色體類(lèi)結(jié)構(gòu)建立

以往大都采用二進(jìn)制編碼進(jìn)行遺傳運(yùn)算[11]，該方法具有簡(jiǎn)單、方便且編碼高效等優(yōu)點(diǎn)，但只適用于平面服裝部件，在操作立體服裝部件時(shí)，則暴露出編碼方式單一等缺點(diǎn)。

為了滿(mǎn)足復(fù)雜度較高的三維款式部件遺傳操作，本文采用染色體指針對(duì)款式部件進(jìn)行編碼，每個(gè)染色體分配不同的指針，指向?qū)?yīng)的款式部件或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣在遺傳操作中可通過(guò)染色體指針對(duì)三維部件進(jìn)行操作。染色體指針的編碼過(guò)程如圖4所示。

圖4 染色體指針的編碼過(guò)程Fig.4 Encoding process of chromosome

由圖4可知，染色體定義為{X1,X2,X3,X4,X5,X6}，編碼過(guò)程中，不同的部件分配不同的染色體指針，通過(guò)指針可以從類(lèi)庫(kù)中提取相應(yīng)的部件，染色體指針指向所對(duì)應(yīng)的部件類(lèi)，這樣就形成了完整的三維服裝款式。

染色體指針存儲(chǔ)在哈希表中，不同的id號(hào)代表不同的部件染色體指針，初始化種群時(shí)，隨機(jī)選取染色體指針并進(jìn)行組合，將獲得的染色體與款式個(gè)體進(jìn)行匹配，若滿(mǎn)足相應(yīng)的約束條件便接收，否則就放棄。

在程序中，染色體的類(lèi)結(jié)構(gòu)定義如下：

class Chrom

{

public:

Sleeve *m_pSleeve; //衣袖指針

Collar *m_pCollar; //衣領(lǐng)指針

Garment *m_pGarment; //衣身指針

STexture *m_pSTexture; //衣袖紋理指針

CTexture *m_pCTexture; //衣領(lǐng)紋理指針

GTexture *m_pGTexture; //衣身紋理指針

}

從染色體的類(lèi)結(jié)構(gòu)可以看出，部件指針指向相應(yīng)的款式部件，并能從部件庫(kù)中提取相應(yīng)的部件數(shù)據(jù)。

2.3 款式部件的拼接

傳統(tǒng)的服裝部件拼接采用重心坐標(biāo)方法來(lái)完成[12]，但該方法的前提是保持衣身網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，當(dāng)進(jìn)行款式部件拼接時(shí)，不同的服裝款式會(huì)形成不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，利用重心坐標(biāo)法很難得到同一的拼接模式。本文采用接口提取匹配的方法進(jìn)行款式部件拼接，下面以衣袖接口生成方法為例，分析接口提取匹配方法的工作流程，衣袖接口生成圖自主手工繪制完成，如圖5所示。

圖5 衣袖接口生成圖Fig.5 Sleeve interface generation diagram

由圖5分析，衣袖接口的生成過(guò)程分3個(gè)步驟完成。首先，確定衣袖切割曲面的法向量，計(jì)算衣袖切割曲面法向量可采用三邊面插值法[14]，切割面法向量的計(jì)算公式如下：

n=pi+1-pi,n=RotateX(n,π/2)

(1)

式中:n為切割面法向量；pi表示衣袖款式線(xiàn)Ls的點(diǎn)，pi+1表示pi的相鄰點(diǎn)，切割法向量n的值可通過(guò)兩點(diǎn)之間的差值獲得，X軸和切割法向量n如圖5所示，利用RotateX(n,π/2)將切割向量沿切割面的垂直方向繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到法向量n。

款式部件初步拼接完畢后，還需增加相應(yīng)的約束條件，目的是確保拼接的平滑過(guò)渡，本文參考徐文鵬等[15]提出的服裝約束條件，并加以改進(jìn)，定義約束如下：

Ci={Ti,(E1,E2)}

(2)

式中：Ti表示約束類(lèi)型，如共點(diǎn)約束、對(duì)稱(chēng)約束等；(E1,E2)表示涉及約束的元素集合。

具體求解過(guò)程為：先將E1設(shè)為已知約束元素集，再根據(jù)E1,E2所需滿(mǎn)足的條件選擇合適的約束類(lèi)型，依據(jù)約束條件選擇對(duì)稱(chēng)約束較為適宜，該方法從已知約束點(diǎn)集E1出發(fā)，利用對(duì)稱(chēng)法則獲得未知約束點(diǎn)集E2，實(shí)現(xiàn)全局約束。

當(dāng)部件拼接的結(jié)果超過(guò)設(shè)定的約束條件時(shí)，可以調(diào)整部分約束元素，如適當(dāng)改變碰撞相應(yīng)值等，調(diào)整后再次進(jìn)行部件拼接，當(dāng)拼接結(jié)果達(dá)到設(shè)定的約束條件時(shí)，則認(rèn)為此次拼接結(jié)果有效，否則，再次調(diào)整約束元素，直到滿(mǎn)足條件為止。

3 款式優(yōu)化與對(duì)比實(shí)驗(yàn)

款式部件完成拼接后，還需結(jié)合遺傳算法，利用三維款式部件庫(kù)對(duì)服裝款式進(jìn)行優(yōu)化，生成的三維服裝種群應(yīng)側(cè)重于用戶(hù)的偏好，最終符合用戶(hù)的需求。

3.1 交互式遺傳算法的款式優(yōu)化流程

利用交互式遺傳算法進(jìn)行款式優(yōu)化，是在遺傳操作過(guò)程中利用約束機(jī)制實(shí)現(xiàn)服裝款式個(gè)體的合理性，通過(guò)不斷改進(jìn)以適應(yīng)三維服裝設(shè)計(jì)的要求。款式優(yōu)化流程如圖6所示。

圖6 款式優(yōu)化算法流程圖Fig.6 Style optimization algorithm flow chart

從圖6可知，款式優(yōu)化的主要流程是：首先，設(shè)定初始參數(shù)，如種群數(shù)等，對(duì)種群進(jìn)行初始化，然后，對(duì)初始種群進(jìn)行交叉評(píng)價(jià)，如果評(píng)價(jià)結(jié)果滿(mǎn)足種群適應(yīng)度等條件，則獲得最優(yōu)解，反之，利用選擇、交叉、變異等遺傳操作對(duì)種群進(jìn)行優(yōu)化；最后，為了確保款式的有效性，還需利用約束條件對(duì)種群不斷優(yōu)化。

美觀(guān)度是評(píng)價(jià)服裝款式的重要指標(biāo)，在遺傳操作中決定個(gè)體的優(yōu)勝劣汰，美觀(guān)度可通過(guò)人機(jī)交互評(píng)分方式獲得，這樣可更加合理地體現(xiàn)用戶(hù)對(duì)服裝款式的喜好。本文采用對(duì)服裝部件分別打分的方法來(lái)計(jì)算美觀(guān)度，計(jì)算公式如下：

F=IgFg+IsFs+IcFc

(3)

式中：F代表美觀(guān)度；Fg、Fs、Fc分別代表用戶(hù)對(duì)款式個(gè)體的衣身、衣袖和衣領(lǐng)的評(píng)分；Ig、Is、Ic則表示衣身、衣袖和衣領(lǐng)的權(quán)重系數(shù)，權(quán)重系數(shù)可根據(jù)用戶(hù)的喜好設(shè)定。

當(dāng)用戶(hù)完成款式美觀(guān)度的評(píng)價(jià)后，需要在群體重選擇優(yōu)勝的個(gè)體，目的是將優(yōu)良基因遺傳到下一代，服裝個(gè)體的優(yōu)選采用式(4)完成。

(4)

式中：P代表獲勝個(gè)體在群體中的概率；Fi表示單個(gè)個(gè)體的美觀(guān)度；∑Fi表示個(gè)體美觀(guān)度的總和。一般而言，個(gè)體美觀(guān)度越高，獲勝的概率就越大。

3.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的初始種群數(shù)量為8組，部件選用采取單點(diǎn)交叉方式，初始交叉概率Pc和初始變異概率Pm分別取值為0.7和0.9,利用本文的遺傳算法進(jìn)行迭代運(yùn)算，迭代次數(shù)達(dá)到第10代時(shí)運(yùn)算結(jié)果趨于收斂，輸出運(yùn)算結(jié)果，10名用戶(hù)可根據(jù)自身喜好，結(jié)合部件重要程度對(duì)每種服裝款式進(jìn)行評(píng)分，遺傳算法根據(jù)用戶(hù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)不斷優(yōu)化種群。

系統(tǒng)的初始種群由各款式部件隨機(jī)產(chǎn)生，種群序號(hào)代表用戶(hù)的評(píng)價(jià)順序，部件序號(hào)代表款式部件在款式庫(kù)中的順序，初始種群的構(gòu)成如表1所示。

表1 初始種群構(gòu)成Tab.1 Initial population composition

進(jìn)化至第10代時(shí)種群趨于收斂，進(jìn)化種群的構(gòu)成如表2所示。

表2 進(jìn)化種群構(gòu)成Tab.2 Evolutionary population composition

對(duì)比表1和表2，種群初始階段，系統(tǒng)根據(jù)已有的款式部件庫(kù)形成多個(gè)款式部件組合，當(dāng)用戶(hù)根據(jù)個(gè)人喜好為每種款式進(jìn)行評(píng)分后，交互式遺傳算法根據(jù)評(píng)分美觀(guān)度進(jìn)行進(jìn)化，到達(dá)第10代種群時(shí)，服裝款式逐漸收斂于用戶(hù)喜好。

為了驗(yàn)證交互式遺傳算法服裝款式優(yōu)化效果，本文選用二維裁片法[13]、粒子群法[16]、模擬退火法[17]、傳統(tǒng)遺傳算法與交互式遺傳算法進(jìn)行實(shí)例對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 5種方法的實(shí)例對(duì)比Fig.7 Example comparision of five methods

從圖7可知，隨著交互代數(shù)的增加，美觀(guān)度值也隨之增加，當(dāng)交互代數(shù)相同時(shí)，本文提出的交互式遺傳算法可以比傳統(tǒng)遺傳算法與二維裁片法獲得更高的美觀(guān)度值，平均提高比率分別達(dá)到18%和35%，從而通過(guò)交互進(jìn)化快速達(dá)到用戶(hù)的滿(mǎn)意結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文提出基于交互式遺傳算法對(duì)服裝款式進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)算法分析和對(duì)比性實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1) 構(gòu)建交互式遺傳模板，可以不斷改進(jìn)款式部件庫(kù)，通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)款式部件與遺傳操作的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)款式的最優(yōu)創(chuàng)意。

2) 通過(guò)建立服裝款式類(lèi)庫(kù)，采用染色體指針對(duì)款式部件進(jìn)行編碼，借助約束條件獲得較優(yōu)的款式部件，同時(shí)，利用接口提取匹配的方法進(jìn)行款式部件拼接，完成三維服裝款式的遺傳耦合。

3) 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，本文提出的交互式遺傳算法可以獲得比傳統(tǒng)遺傳算法和二維裁片法更高的美觀(guān)度值，平均提高比率分別達(dá)到18%和35%，從而通過(guò)交互進(jìn)化快速達(dá)到用戶(hù)的滿(mǎn)意結(jié)果。

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