基于男士內褲的腰臀襠部點云坐標集三維建模

任 澤，鐘安華

基于男士內褲的腰臀襠部點云坐標集三維建模

任 澤，鐘安華*

（武漢紡織大學 服裝學院，湖北 武漢 430073）

隨著我國人民生活水平向小康轉化，合體性和個性化的私人內褲訂制成為男士更加追求的一種時尚。自動化快速成版是提高個性化定制效率的前提，而三維建模又是自動化快速成版的先決條件。通過三維掃描儀獲得個體三角形數據，使用逆向工程軟件將三角形數據轉換為點云數據進行優化處理，在7個圍度面選取50個等分點表征各截面形態，從腰圍至大腿圍提取350個點云坐標集，將對稱處理后的點云坐標集做標記導入SOLIDWORKS軟件，構建個體的實體模型。以個體為例提出男性腰臀襠部三維建模的方法，為男士內褲自動化快速成版做好技術支撐。

男士內褲；腰臀襠部；三維建模；點云坐標集

由于物質生活的豐富，私人訂制不再局限于小部分群體，合體性和個性化需求讓私人定制成為更多消費者的選擇，因此私人訂制逐漸成為大眾的高端需求。內褲被稱為人體的第二皮膚，由于男性生殖器官的凸起形態各異，這成為男士內褲版型設計中不可忽視的設計因素之一，所以設計出合體的男士內褲需要以男性腰臀襠部的形態為依據。為解決針對個體男士內褲版型設計的繁瑣步驟，自動化快速成版成為私人定制發展的趨勢，而自動化快速成版離不開三維建模的曲面形態，所以企業要實現內褲版型的自動成版第一步是構建出男性腰臀襠部的三維模型。

目前，研究學者正朝著自動化快速成版方向著力于攻克三維建模技術。三維人體建模分為軟件建模、圖形建模、圖像建模三種建模方法，圖形建模包括曲面模型、實體模型和物理模型[1]。學者們從不同的方向使用不同的研究手段實現三維模型的構建，部分學者利用攝像機技術拍攝不同角度的人體狀態，對測得的二維數據進行三維轉換，利用計算機圖形學擬合人體截面曲線實現三維建模[2-4]，這種建模方法簡單，但構建的三維模型不夠精確，尺寸誤差較大；還有部分學者提取重要截面的點云數據，將點云數據導入MATLAB軟件中進行三維建模[5]，該方法通過擬合曲線的曲面建模方法，建立的模型無法導入其他軟件進行模型功能開發，使用局限性較大。本文從腰至大腿圍選取重要圍度截面獲取350個點云坐標集，通過SOLIDWORKS工程建模軟件構建的實體模型[6]能夠準確地表達人體體型，描述男性生殖器官形態，構建的模型更為精確。實體模型可以直接在試衣軟件進行內褲的試衣，也可以在軟件中完成實體模型向曲面模型的轉化，使三維曲面模型轉為二維版型，為后續實現內褲版型快速生成做好充分準備。

1 實驗方法

1.1 實驗準備

本文隨機選擇一位青年男性作為實驗對象，采用德國的Anthroscan三維人體掃描儀對實驗對象進行人體掃描。該軟件掃描的點密度達到了200p/cm2，人體點云數據量達到 300多萬個，從而獲取到精度高、部位全面、細節清晰的人體掃描數據[7]。實驗對象按照實驗設計要求穿著零壓極薄的特制隱私內褲，雙腳分開與測試臺上的腳印重合，全身放松進行三維掃描。

1.2 實驗數據獲取

三維人體掃描儀可以自動提供超過100個人體部位尺寸測量，并結合手動標點測量獲取所需的腰臀襠部三維建模相關數據，因實驗需求只需要獲得高度尺寸，包括腰高、腹高、髖關節高、臀高、生殖器官凸起點高、會陰高、囊袋最低點高、大腿圍高，如表1所示為8個所需要的測量項目和尺寸數據。并且三維人體掃描儀會自動生成EXCEL格式的人體尺寸表格和OBJ格式的人體數據。

表1 測量項目和尺寸數據（單位：cm）

2 人體建模點云坐標集提取

2.1 三維掃描人體數據補缺

將三維人體掃描儀得到的OBJ格式的人體數據導入逆向工程軟件進行處理，由于在測量過程人體搖晃，以及人體站姿位的遮擋，導致非接觸式三維人體掃描儀掃描的點云數據雜亂，人體表面可能出現孔洞，人體體表不光滑等問題。因此需要對掃描后的人體進行補缺處理以保證人體數據的準確性，如圖1所示為三維掃描人體數據處理前的人體，圖2為三維掃描人體數據補缺后的人體，經對比可以看出補缺后的人體表面更加光滑，體表外無雜亂點，人體體表無孔洞缺失，具體處理步驟如下所示：

（1）網格醫生優化：網格醫生可以自動修復體表三角形網格的部分缺陷。

（2）剔除噪音：將人體三角形對象轉為點云數據。利用減少噪音工具將偏移的點移至統計的正確位置以彌補掃描誤差，使點的排列更平滑。然后將點云數據封裝成三角形數據。

（3）填充孔洞：腋下、會陰處等不易掃描到的位置會出現孔洞，為不影響后期數據獲取，對缺失部位進行填充孔洞，經過上述點處理后的人體孔洞更容易填充。

圖1 補缺前的人體圖

圖2 補缺后的人體圖

2.2 腰臀襠位截面獲取

2.3 截面點云坐標集提取

（1）將修正的截面轉為點云數據，使用統一工具可以規定點的數目，通過不斷嘗試，當截面點密度為50時最為合適。過少的點無法表征截面形態，過多的點會造成數據繁雜。

（2）如圖3所示將50個等距離排列的點按順序導出點坐標信息，式中x為點的橫坐標，y為點的縱坐標，i為點的標記號碼。

（3）將截面點坐標信息導入EXCEL里，點1和點26橫坐標做歸零處理，其余24個點如公式（2）所示對截面進行對稱處理，使截面得到26個點坐標信息，腰圍截面點對稱處理后的點坐標信息如表2所示。

表2 腰圍曲線擺正處理前、擺正處理后、對稱處理后點坐標對比

圖3 腰部50個等距點

3 三維實體模型構建與對比

3.1 三維實體模型的構建

依據逆向工程軟件中的中心點，分別建立腰、腹、髖、臀、生殖器官凸起點、會陰以及大腿圍部7個基準面。將每個圍度26個點坐標信息導入基準面，使用鏡像實體工具進行點對稱，每個面生成50個點，如圖4所示使用樣條曲線工具將50個點連成平滑的曲線，如圖5所示生成7個圍度的閉合曲線，使用3D草圖工具，連接圍度面上相對應的點，將面構成體，使用放樣凸體工具，生成腰臀襠部實體模型。

圖4 腰部曲線

圖5 7個圍度的閉合曲線

3.2 三維實體模型與掃描人體的對比

從外觀形態上看，如圖6所示為掃描人體與三維實體模型正面、側面及后面的形態對比圖，從正、后面看，實體模型能夠準確表征男性生殖器官形態和臀部翹起程度，勾畫出人體體表曲線彎曲狀態；從側面看，腰部至臀部側面彎曲弧度一致，生殖器官凸起程度一致，能夠表達出男性人體腰臀襠部特征部位。因此，實體模型體與掃描人體在外觀上極其相似，形態相符度極高。

表3 掃描人體與三維實體模型重要尺寸對比（單位：cm）

表4 不同成品服裝規格誤差（單位：cm）

圖6 掃描人體與實體模型正面、側面、后面形態對比圖

4 三維建模的實際應用

4.1 自動化快速成版

自動化快速成版是服裝數字化發展的新方向，是實現私人定制產業化發展的必經之路。而男士內褲自動化快速成版離不開男性腰臀襠部的三維形態，所以男性腰臀襠部的三維建模是自動化快速成版的前提。使用SOLIDWORKS建立的實體模型可以直接轉換成曲面模型，如圖7所示為該實驗對象腰臀襠部的曲面模型，將三維模型的曲面進行虛擬剝離，剝離的曲面進行展平處理，實現三維曲面向二維版型的轉化，如圖8所示為整合處理后獲得該模型的二維版型，打破了原有制版的局限性，直接生成的版型為數字化版型生成提供新方法。

圖7 三維曲面模型

圖8 二維版型

4.2 虛擬試衣間

隨著電子商業的快速發展，遠程網絡購物已經成為時代的潮流。三維精準建模實現了對消費者的真實三維模擬，模擬精度較高[8]。顧客只需要完成一次三維人體掃描就能建立顧客的三維模型，通過三維建模技術實現消費者體型形態重現，構建出私人訂制品牌自己的顧客體型數據庫，遠程完成后期顧客體型數據尺寸采集，利用CLO3D軟件在線進行虛擬試衣。解決了高端私人訂制量體裁衣的麻煩，避免了顧客尺寸數據的二次采集和多次改版再試衣的麻煩，節省大量的人力物力。如圖9為平角內褲的基礎版型[9]，將平角內褲版型和實體模型導入CLO3D中，圖10為三維模型穿著平角內褲的正面效果圖，從效果圖上可以看出，實體模型可以完成虛擬試衣效果。

圖9 平角內褲版型

圖10 實體模型試衣圖

4.3 版型優化分析

三維實體模型可以精準的模擬人體體表曲面起伏狀態，腰臀襠部模型在CLO3D虛擬試衣時可以通過壓力圖檢測內褲對人體體表造成的服裝壓，觀測各個部位的壓力值，為企業后續版型優化帶來了便利。另外，實體模型可以測量實驗對象體表表面各個部位的彎曲程度，如圖11所示為男性腰臀襠部曲面曲率圖，根據曲率的局部半徑以不同顏色顯示，公式3為該部位點的曲率，公式4為該部位點的曲率半徑，精確描述男性腰臀襠部每一點的彎曲變化程度，更為細致的了解模型體表特征，為男士內褲虛擬立體裁剪提供了可能性。

圖11 男性腰臀襠部曲面曲率圖

5 結論

本文提出男性腰臀襠部三維模型的構建方法，通過三維人體掃描儀獲得男性人體三角形數據和高度尺寸數據，利用逆向工程軟件對掃描的三角形數據進行優化處理后，截取7個圍度截面轉化為點云數據，共選取350個等距點云坐標集進行對稱處理，將處理后點云坐標集導入SOLDWORKS軟件，利用放樣工具構建男性腰臀襠部實體模型。經過重要部位尺寸數據和外觀形態的對比，得出通過點云坐標集構建的實體模型更為精確。通過簡便的三維人體掃描就可以形成企業品牌自己的客戶體型數據庫，遠程實現顧客的在線虛擬試衣，觀測試衣狀態和試衣服裝壓，及時對版型進行調節，為企業反復量體裁衣提供了解決方案；并且通過工程建模軟件構建的實體模型可以轉化成曲面模型，三維曲面向二維平面的轉化為后續的自動化快速成版提供了新思路。

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[2] 陳利珍, 鄧中民. 基于圖像序列的三維人體建模方法研究[J]. 針織工業, 2013, (01): 54-56.

[3] 王力. 基于圖像的非接觸式人體測量與建模技術研究[D]. 西安：西安工程大學, 2018.

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[5] 蔡曉裕. 青年女性腰腹臀特征分析及建模研究[D]. 杭州：浙江理工大學, 2021.

[6] 王珊珊. 基于男子頸部三維模型的服裝壓感舒適性研究[D]. 無錫：江南大學, 2017.

[7] 舒偉偉. 60-75歲老年女性肩臂部形態分析及衣袖版型研究[D]. 武漢：武漢紡織大學, 2020.

[8] 李亞男, 周捷. 虛擬試衣間應用進展研究[J]. 針織工業, 2021, (10): 54-58.

[9] 印建榮，常建亮. 內衣結構設計教程[M]. 北京：中國紡織出版社有限公司，2021. 57-58.

Three-dimensional Modeling of Point Cloud Coordinate Set of Waist, Hip and Crotch based on Men's Underwear

REN Ze, ZHONG An-hua

(College of Clothing, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

With the transformation of people's living standards to a well-off society in China, tailored and personalized private underwear has become a fashion that men are increasingly pursuing. Automatic and rapid edition is the premise of improving the efficiency of personalized customization, and 3D modeling is the prerequisite of automatic and rapid edition. The individual triangle data was obtained by 3D scanner, and the triangle data was converted into point cloud data for optimization using reverse engineering software. 50 aliquot points were selected to characterize the morphology of each section in 7 circumference planes, and 350 point cloud coordinate sets were extracted from waist circumference to thigh circumference. Marking the symmetrically processed point cloud coordinate set and importing it into SolidWorks software is necessary to build an individual entity model. Taking an individual as an example, this paper puts forward the three-dimensional modeling method of male waist, hip and crotch, which provides technical support for the automatic and rapid plate forming of men's underwear.

men's underwear；waist hip crotch；three-dimensional modeling；point cloud coordinate set

鐘安華（1967-），女，教授，碩士生導師，研究方向：服裝人體工學和服裝數字化.

湖北省虛擬仿真實驗室建設項目（D141091003）；湖北省大學生創新創業訓練計劃項目（S202010495025X）.

TS941.2

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2095－414X(2022)06－0059－05