基于數字技術的可充電保暖登山服設計

李國安,任祥放,2,沈 雷

(1.江南大學 設計學院,江蘇 無錫 214122; 2.新加坡國立大學 設計與工程學院,新加坡 119077)

隨著社會的不斷發展和物質生活水平的提高,走進自然、追求健康的生活方式越來越成為人們關注的焦點。在這種背景下,戶外登山運動成為了現代人休閑娛樂的一種流行方式,尤其在北上廣深等一線城市較為凸顯。戶外登山運動給人們帶來了豐富的精神滿足,但是復雜多變的山體環境存在很多安全隱患,因此設計戶外登山服時,需在滿足登山人員戶外體驗的同時盡可能保障其人身安全,如在保證登山服具備防風、保暖等基本服用性能的基礎上添加可定位、可充電放電等功能支持。

周幸子等[1]利用人體5大關節運動特點所確定的20種實驗姿勢分析人體體表形變對登山服結構設計的影響。丁滿等[2]提出一種應用生成對抗網絡來實現產品色彩智能設計的方法。何碧霞等[3]從服裝結構和服裝面料角度完成了登山運動服裝的設計。通過相關文獻研究可以發現,以往登山服的研究主要集中在服裝結構設計[4]、材質設計[5]、色彩設計[6]的研究上,在數字化設計和功能性方面較少涉及。

基于此,本文擬設計具有可充電、保暖和定位功能的智能戶外登山服,通過數字技術制作生成三維可視化登山服,直觀展示登山服的設計效果,以期對國內戶外登山運動的智能化、一體化的發展提供參考。

1 登山服的數字化實現方法

服裝數字化技術[7]是指基于數學、網絡技術、計算機等相關技術開展服裝設計、加工、銷售等環節的全方位數據收集、存儲、傳輸和應用,以高效實現資源的合理優化配置。戶外登山服的數字三維可視化設計一般在服裝廓形、面料紋理、內部結構3個部分實現,其中服裝廓形的數字化實現是依托Style 3D軟件在人體平面模特陰影上使用2D畫筆繪制工具繪制二維樣板結構圖,有效還原登山服數據尺寸和結構造型;服裝面料紋理的數字化實現方法是利用系統自帶的面料紋理進行填充,同時根據所需面料調整其面料顏色與屬性;服裝內部結構的數字化實現是通過3D可視化功能,快速在服裝版片內部設計必要的內部結構線,從而建立完整的三維可視化模型,最終實現可充電保暖登山服的數字化三維虛擬仿真。

2 可充電登山服設計思路

2.1 登山服功能設計

可充電保暖登山服不同于普通的服裝產品,產品與消費者之間的交互關系應便捷且容易操作,這就要求登山服的款式設計要符合人體工程學,面輔料的柔軟度要好、功能性要強,充電線路需合理布局,智能元件大小要舒適且貼合人體等。

柔性非晶硅薄膜太陽能板[8]作為新型的技術產品,具有質量輕、可彎曲、易裁剪、轉化率高的特點,其常以魔術貼形式和服裝本體復合在一起構成功能服裝。

本文對國內生產和出售太陽能電池板的品牌進行調研,對篩選出的3家國內公司(天合光能股份有限公司、協鑫集團、漢能控股集團有限公司)的主銷產品、項目類型等信息進行對比分析,整理出國內太陽能品牌調研表見表1。

漢能控股集團有限公司開發的柔性太陽能電池板使用的是非微晶硅基雙結疊層結構電池組件,是目前市場上轉化率最好的材料,光電轉換效率可以達到10%。經比對選擇漢能控股集團有限公司生產的柔性太陽能電池板作為本文設計登山服所需的材料。

本文設計的登山服功能模塊由柔性太陽能電池板、鋰電池、GPS模塊、發熱模塊、溫控開關、USB接口等部分組成。系統設計原理見圖1。

圖1 系統設計原理Fig.1 System design principle

柔性非晶硅薄膜太陽能板主要用于收集光能并轉化為電能;鋰電池組件用于連接柔性太陽能電池板,達到儲存電能并將電輸出到設備其他輸出元件的目的;USB接口作為終端輸出元件,可以為手機、收音機、對講機等常用登山電子設備提供電源;GPS模塊在特定時候能夠觸發緊急報警和語音通話功能,通過在平臺上設置SOS號碼,可實時發送位置信息給緊急聯系人,最大限度保障登山者的安全;電能發熱模塊[9]是保證登山服保暖性能的核心,包括溫控開關、溫度控制裝置和安全保護系統。元件通過導線連接,共同實現將電能轉化為熱能的過程。電能發熱模塊原理圖見圖2。可充電保暖登山服有2種穿著狀態可供選擇,一種是正常穿著狀態,衣服上沒有安裝太陽能板;另一種是功能性穿著狀態,可以裝備各種功能性配件,提供更多便利安全性。

圖2 電能發熱模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of electric heating module

2.2 電路設計原理

圖3所示為可充電保暖登山服的電路設計原理圖,柔性非晶硅薄膜太陽能板正極與電阻(R1)連接,R1與P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)相連;Q1與芯片控制器(U1)的COMP端和CC端相連;U1的VCC端與電容器(C2)連接并接地;U1的VSS端與電阻(R6)相連并接地。Q1與肖特基二極管(D1)連接,D1與2節串聯的單體鋰電池(BT1、BT2)連接;電容(C1)分別與BT1的正極端、BT2的負極端相連,且負極端接地;BT1、BT2與熱敏電阻器(RT1)連接,RT1與溫控器電阻(R5、R6)連接;D1與開關(S1、S2)連接;S2與穩壓芯片(U2)輸入端以及穩壓線路的電容器(C3)端連接,U2的輸入端IN、輸出端OUT分別于穩壓線路的電容器C3、C4端連接;U2的輸出端OUT與多功能USB插口裝置(P2)連接,P2的4號端接地。

圖3 電路設計圖Fig.3 Circuit design drawing

圖4所示為GPS定位電路圖。圖5所示為GPS模塊設計原理圖,具體包含開關按鈕、TF內存卡、SIM卡/全網通、GPS、信號終端、MIC、安卓充電口等多個元件,各元件布局合理,排列緊湊,易與服裝貼合。

圖4 GPS定位電路圖Fig.4 Circuit diagram of GPS positioning

圖5 GPS模塊設計原理圖Fig.5 Schematic diagram of GPS module design

3 可充電保暖登山服的設計

3.1 登山服本體設計

基于戶外登山時人體的運動特點和服裝穿著舒適性的要求,對登山服的廓形進行設計。登山服的廓形采用H型,H型廓形有著更寬松的穿著感,能增加穿著舒適度和活動自由度。登山服款式設計見圖6,款式圖的灰色部分安裝了柔性超薄太陽能板,主要設計在帽子和袖子部位。袖子上的太陽能板展平后的總面積為1 980cm2,帽子展開后的面積達到3 180cm2,總面積為5 160cm2。為了有效吸收太陽能光照,采用雙層結構設計,并在連接部位安裝了隱形拉鏈,以便更好地收納太陽能板。太陽能板將吸收到的太陽能轉化為電能,將其供給服裝內的發熱模塊,從而實現登山服保暖功能。針對人體易著涼部位設計登山服發熱區域,發熱區域分別設置在肩部、背部、腹部、腰部,每個發熱區域面積為90cm2,共360cm2。

圖6 款式設計圖Fig.6 Style design drawing

圖6中“1”“2”是口袋,可以容納手機、收音機等裝備;“3”“9”是袖部的隱形拉鏈,其完全隱藏在服裝內部,隱形設計在輔助收納太陽能板的同時可保證服裝的整潔和美觀;“4”是袖部反光條,既具有警示功能,又具備裝飾效果;“5”是GPS觸發元件,在遇到緊急情況時可通過按壓觸發緊急報警功能,保證登山人員的安全;“6”是紐扣開關,用于控制服裝發熱模塊的運行,同時具備紐扣裝飾功能;“7”是帽子隱形拉鏈,拉開拉鏈可以將太陽能板展開,不使用太陽能板時可以將拉鏈拉上,兼具美觀性與功能性[10];“8”是袖口魔術貼,主要起到防灌風和方便穿著者活動的目的。

3.2 登山服面料和色彩的設計

為應對多變的氣候和環境,登山服裝本體采用戈爾泰克斯面料(Gore-tex),戈爾泰克斯面料是一種輕薄、堅固和耐用的薄膜,它具有防水、透氣和防風功能,這種薄膜夾在高性能襯里和表層面料之間,由每平方英寸超過90億個孔組成,這些孔比水滴小2萬倍,具有出色的防水性能,同時具備良好的透氣性,但這些孔比水蒸氣分子大700倍,汗水可以透出,因此能夠有效排汗,廣泛用于戶外服裝、鞋履、手套、帽子中[11]。登山服發熱區域采用石墨烯新科技面料[12]。石墨烯結構的核心成分是由碳原子單層構成的石墨烯。這些碳原子以六角形的晶格排列在一起,形成了單層的石墨烯結構,具有良好的導電性和力學強度。石墨烯新科技面料具有輕薄透氣和迅速發熱的特性,這些特點改善了登山服在極端氣候下的穿著舒適性和安全性,為戶外運動者提供保障,面料主要應用于運動服、家用紡織品、健康服裝等。

在顏色方面,登山服不再局限于傳統的單一色調[13],選擇中性色灰色和綠色為主色彩,搭配白色反光條以發揮警示作用。

4 登山服三維可視化設計

4.1 登山服三維曲面構建

采用Style 3D平臺構建登山服基礎曲面造型[14]。Style 3D是一款基于數字技術的專業三維虛擬設計軟件,主要應用于時尚和服裝設計領域。Style 3D平臺構建服裝主要有以下幾個特點:

①速度快。對一款全新服裝的設計,從設計三維服裝形狀至設計二維服裝紙樣,半小時之內就可以完成,每片紙樣的展開可以在數秒之內完成,一件服裝樣衣的全部流程一般可在幾個小時內完成。

②高準確度。基于立體裁剪的原理,在三維人體模型上設計出來的服裝紙樣相當于電子立裁,有較高的合身性和精準性。

③低成本。利用電腦制圖,可以減少服裝樣衣試做次數,省時、省料、省力。

登山服廓形構建的流程為:首先,在三維窗口添加一個多維度男體模型,隨后在2D視圖窗口中,使用2D畫筆繪制工具在人體平面模特陰影上繪制出登山服所需的各個版片造型;其次,調出模特身上的安排點,將各個版片安排在模特相應部位;將安排好的版片進行縫合,在此過程中要特別注意縫紉線的方向,如有誤需及時進行調整;版片縫合完畢后,執行模擬命令,使登山服呈現在三維人體模特的身上;最后,將二維試圖窗口與三維視圖窗口相對應,隨時調整服裝立體造型,最終完成登山服的曲面擬合,擬合過程見圖7。

圖7 登山服曲面擬合過程Fig.7 Fitting process of mountaineering suit surface.(a)Clothes piece generation;(b)Clothes piece generation

4.2 登山服的曲面展開

登山服的設計涉及復雜的服裝結構和多種電子元件的組合,而且需要考慮人體曲線,尤其是胸部、肩胛和肘部等區域的曲線和運動形變,因此需在4.1節的基礎上進一步優化服裝內部的結構設計,即進行登山服的曲面展開。

內部結構設計具體步驟為:通過使用Style 3D平臺的3D可視化功能,快速在版片內部再設計必要的內部結構線,在戶外登山運動狀態下體表形變最大的肘關節、肩關節位置設置合理的松量或減量分割線以實現立體結構。肘部采用斜向分割線設計,肩部采用豎向分割,使用輪廓線工具對肘部、膝部內部分割線進行勾勒調整和裁剪縫紉,生成新的版片;然后將所有版片排列在2D視圖中;最后生成成衣樣版。內部結構的再設計提升了登山服的美觀性和穿著舒適性,最大化滿足了穿著者在運動過程中的自由度,優化了穿著者在運動狀態下的舒適性。登山服曲面展開見圖8。

圖8 登山服曲面展開Fig.8 Surface unfolding of mountaineering suit.(a)Front garment piece;(b)Rear garment piece;(c)Garment sample

4.3 登山服效果展示

將在Style 3D平臺生成好的試衣樣板進行面料紋理及色彩填充,然后渲染生成三維效果圖。面料紋理填充步驟為:首先,利用Style 3D平臺面料庫內提供的面料,采用面密度為150g/m2機織白色布棉面料代替服裝本體面料進行虛擬模擬;其次,在實驗過程中根據實際面料應用效果對其面料紋理屬性進行調整,既要保證美觀性又要達到穿著舒適性;最后對服裝進行渲染,得到完整的未佩戴元件的登山服三維可視化效果圖(見圖9)。調整面料屬性后的登山服在服裝完整度和美觀性方面得到了較大的提升。

圖9 三維可視化效果Fig.9 3D visualization effect.(a)Front;(b)Side;(c)Back

4.4 登山服3D靜、動態展示驗證

圖10所示為佩戴元件效果的登山服三維可視化展示效果,可直觀看到服裝展開調整后的整體效果。其中,肩部兩側、袖子兩側以及背部的黑色面料即為展開后的柔性太陽能板,門襟底部黑色紐扣即為溫控開關,左胸靠下黑色元件為GPS元件。通過動態走秀展示還可全方位觀察服裝的合體程度,為了搭配登山服以及展示的整體性,繪制了與登山服配套的褲子,三維可視化動態效果如圖11所示。

圖10 三維可視化佩戴元件效果Fig.10 3D visual effect of wearing components

圖11 三維可視化動態效果Fig.11 3D visualization dynamic effect

5 結束語

本文基于服裝數字化技術,從太陽能資源的開發利用及戶外登山人員的需求出發,從登山服功能設計、電子原件電路設計、登山服服裝本體3個板塊展開,探索基于數字技術的可充電保暖登山服具體設計、實現方法。

針對登山服的功能性、穿著舒適性和安全性,分別從登山服本體、面料及色彩設計3個方面介紹登山服的原理和設計思路,使設計的登山服能夠更加舒適美觀。借助Style 3D軟件在曲面構建、曲面展開內部結構設計、靜動態設計效果呈現的優勢,通過進行3D可視化模擬,得到更加舒適的服裝款式、版型,提高服裝整體的美觀性、舒適性。

綜上,利用Style 3D平臺的3D可視化技術進行的登山服設計,可設計出舒適、美觀且具有可充電、保暖等多功能的智能戶外登山服,可以解決企業前端設計修改繁復與周期長的問題,節省了打樣成本,為智能戶外登山服設計轉型升級提供方向。