






摘 要:曲面展平技術是三維虛擬技術中生成二維服裝樣板的常見方法,主要包括三維服裝曲面模型構建和二維服裝樣板獲取兩大部分。文章簡述了三維服裝曲面模型構建的兩種常見方法,根據操作流程系統介紹了二維服裝樣板中服裝曲面分割、曲面展開及省道生成和二維樣板后處理3個步驟。將其中的曲面展開分為基于曲面參數化展開、基于幾何特性展開和基于物理能量展開3種方式,分別梳理了不同方式的研究進展??偨Y了技術應用方面存在的問題,為二維樣板生成系統改進提供研究方向。
關鍵詞:三維服裝模型;曲面展平;曲面分割;服裝樣板生成
中圖分類號:TS941.61" " " " " " "文獻標識碼:A" " " " " " " 文章編號:1674-2346(2024)02-0012-08
doi:10.3969/j.issn.1674-2346.2024.02.003
Research on the Applications of Curved Surface Flattening Technology in the Generation of Garment Pattern
LIU Yijia1" " YANG Yunchu2
(1.School of Fashion Design amp; Engineering;2.School of International Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang 310018,China)
Abstract: Curved surface flattening technology is a common method to generate 2D garment pattern in 3D virtual technology,which mainly includes 3D garment curved surface model construction and 3D garment pattern acquisition. This paper briefly describes two common methods for constructing 3D garment curved surface model, and introduces three steps of 2D garment curved surface segmentation,curved surface flattening, dart generation and 2D pattern post-processing according to the operation process.The curved surface flattening is divided into three types:parametric curved surface flattening,geometric property flattening and physical energy flattening,and the research progress of different methods is reviewed respectively.This paper summarizes the existing problems in technology application and provides research direction for the improvement of 2D pattern generation system.
Key words: 3D garment model;curved surface flattening;curved surface segmentation;garment pattern generation
隨著人們對服裝合體度的要求越來越高,服裝個性化定制成為服裝行業發展的趨勢。但在傳統的手工制作服裝樣板中,從人體測量到紙樣設計需要耗費大量時間。為提高樣板制作的效率,三維虛擬技術與服裝的結合逐漸廣泛應用,其中曲面展平技術可以將服裝曲面模型轉化為二維服裝樣板,實現個性化樣板生成,節省樣板制作的時間。本文總結了幾種三維服裝曲面構建和二維樣板生成的方法,分析了不同的曲面展開方式,指出了目前曲面展平技術的局限性,為進一步提高紙樣展平質量提供研究思路。
1" " 三維服裝曲面模型構建
在利用三維虛擬技術獲取服裝紙樣的研究中,三維曲面模型構建是曲面展開的基礎工作,根據生成元素可以將構建方法大致分為基于三維人體數據的直接構建法和基于特征點和輪廓線的間接構建法。
1.1" " 基于三維人體數據的直接構建法
基于三維人體數據的構建是利用三維掃描系統直接獲取人體或人臺的點云數據,再進行預處理,進一步生成服裝曲面模型。Yang等[1]使用[TC]2人體掃描儀獲取三維人體數據并截取出軀干部分,對各個截面數據進行重采樣、對稱化和凸包處理,使用3次B樣條曲線創建曲面模型。Jeong等[2]196和Kim等[3]143使用Delaunay三角剖分法和Garland算法直接在掃描獲取的人體數據上獲取三角曲面,在保持原始形狀的前提下對三角形面作簡化處理,減少面片數量。馬飛[4]使用VitusSmart三維激光人體掃描硬件系統獲取女性人臺點云數據,導入到逆向工程軟件中進行去噪、精簡和對齊處理,在處理好的點云基礎上構建三角網格面。以上研究是利用人體或人臺模型直接生成曲面,沒有加入放松量,因此這類模型主要用于獲取服裝基礎樣板和貼身服裝樣板,如圖1(a)所示。為了構建包含放松量的成衣曲面模型,Zhang等[5]將夾克穿著在女體假人上,通過掃描獲取夾克三維模型并去除衣領和袖子,在模型表面確定織物經緯紗方向,以此為基礎形成網狀結構曲面,生成的服裝曲面模型如圖1(b)所示。這種方式適用于在指定服裝款式的情況下,根據用戶的體型數據生成個性化樣板。
1.2" " 基于特征點和輪廓線的間接構建法
基于特征點和輪廓線的構建是在人體模型基礎上定義服裝輪廓形狀的特征點和輪廓線,通過連接后的線框直接生成服裝曲面模型,通常選取規則需要根據服裝類型來制定。Wang等[6]根據不同服裝樣式,以人體網格模型上的點和線為參考,將服裝模型與人體模型之間的關系進行編碼,調用不同人體模型后解碼可生成用于服裝模型構建的特征點,使用交互工具將特征點沿邊緣連接起來并生成多邊形面。Wang等[7]為服裝模型定義了輪廓曲線和截面曲線,通過約束的方法控制曲線變形,將曲線作為服裝邊界生成初始服裝模型。Huang等[8]682建立了由B樣條曲線表示的參數化人體軀干模型,根據服裝樣板需要定義21個特征點,在胸圍、腰圍和臀圍上設定不同的松量規則,通過連接特征點獲得服裝線框模型并構建出三角形曲面。Liu等[9]116直接繪制出服裝輪廓,使用虛擬試穿技術將樣片縫合,創建三維服裝模型。Zhang等[10]4在人體模型的輪廓線和橫截面線基礎上,生成可以編輯的3次B樣條曲線作為初始服裝模型的控制曲線,通過調整控制曲線可以創建不同的服裝曲面模型。這類方法的優點是可直接生成包含松量的服裝樣板,款式種類多,對不同體型模型適應力強(圖2)。
2" " 二維服裝樣板獲取
按照操作流程,三維曲面展開包括服裝曲面分割、曲面展開及省道生成和二維服裝樣板后處理3個步驟。
2.1" " 服裝曲面分割
服裝曲面模型構建完成后表面缺少邊界曲線,需要根據服裝款式將曲面模型分成若干個樣板塊。樣板邊界曲線根據曲面模型表面特征可作不同的處理,使用三維人體數據獲取服裝模型時表面沒有參考,需要先定義參考點或線來確定分割線。由于人體特征與服裝結構特征有密切的關系,因此在對服裝模型進行劃分時,可以參考服裝行業中人體測量的相關標準獲取身體特征點,通過連接和變形獲得服裝線框,最終根據線框確定分割邊界[8]683;或者參考服裝網格曲面上的點,直接使用網格邊線作為分割線或者使用3次B樣條曲線擬合后映射到服裝曲面上[10]6;或者在人體模型上預先定義分割線和特征點,再投影到服裝模型上[11]。Pietroni等[12]提出一種適用于機織物的服裝分割線生成方法,以最大拉伸和剪切量作為主要參數,同時考慮設計師繪制曲線和樣板允許最大角數來生成分割線,不同參數設置可生成不同分割方案。在特殊情況下,比如研究不對稱人體模型穿著的服裝時,分割線設計要根據人體模型表面特征進行調整。Kim等[3]143使用RapidForm軟件在不對稱人體模型上繪制緊身胸衣的結構線,根據身體曲率將服裝劃分成22個樣板塊;Hong等[13]使用相同的軟件為脊柱側彎的殘疾人設計特殊服裝,將上衣分成8個樣板塊,減少服裝穿著時產生的多余褶皺,如圖3(a)所示。除此之外,根據服裝款式可以在服裝模型上直接劃分。Liu等[9]115先將三維連衣裙模型表面的褶皺作拉伸處理,使用DesignConcept軟件在處理后的服裝表面繪制曲線,劃分出了上衣、裙子和袖子三部分,如圖3(b)所示。Sook等[14]沿半身裙模型的縱向設置同間隔排列的紋理線,再使用網格和服裝模型表面貼合,選擇合適的紋理線與網格相交獲得服裝切割線,從而獲得半身裙樣板塊,如圖3(c)所示。直接繪制分割線的方式更加直觀,但通常需要操作者具備一定的專業知識。而使用特征點和特征線建模時,模型上的點和線可以直接用于樣板邊界,或者通過使用可編輯的3次B樣條曲線擬合獲取。
2.2" " 曲面展開及省道生成
曲面按照是否可展可以劃分為可展曲面和不可展曲面,服裝模型表面曲率較大,大部分屬于不可展曲面,需要利用省道來生成平面樣板[15]。每個樣板塊在展開前通常先用矩形塊或三角網格表示,再根據小面片的邊界確定省道位置,在曲面展開的過程中省道可以作為曲面內部的分割線處理,服裝曲面展開主要有基于曲面參數化展平、基于幾何特性展平和基于物理能量展平3種方法。
基于曲面參數化的曲面展開方法是將樣板塊劃分為獨立網格,根據三維模型中網格之間的連接關系,通過映射的方式在二維平面上構建服裝樣板。Jeong等[2]198和Kim等[3]144將三維服裝曲面上的每個獨立網格縮減1/4的面積,利用自由落體的方式在二維平面上投影三維曲面,保留每個獨立三角形之間的連接線,用戶可以通過軟件操作將獨立三角形再次拼接起來,如圖4(a)所示。Au等[16]在襯衫模型上引入水平胸省,根據身體各維度基準面生成離散化可展曲面,通過控制曲面點之間的測地線距離映射到平面上,如圖4(b)所示。但拼接過程中面片之間可能會產生重疊或者空隙,需要通過修剪等方式調整樣板形狀。
基于幾何特性的曲面展開方法是控制面片的節點角、邊界長度和面積等幾何特性,確保二維平面與相應的三維曲面的特性值差異最大程度減少。Kang等[17]將單個服裝樣板分成4塊展開,調整二維樣板中網格的邊長和對角線與三維曲面相同,通過設定彈性余量和剪切余量作為誤差允許范圍值,在誤差范圍內則結束調整過程,調整后樣板如圖5(a)所示。Wang[18]提出了保持特征曲線長度不變且邊緣線間表面角變化最小的曲面扁平化方式,根據服裝表面曲率分為漸進翹曲和全局翹曲兩種方式,圖5(b)為使用漸進式翹曲方法展開后的襯衫樣板。但是對于緊身運動服等這類具有高度不可展性的服裝模型,在特征曲線完全不變的情況下展開曲面容易造成二維樣板變形,因此Zhang等[19]提出了一種具有彈性特征的新型特征曲線,在展開過程中控制曲線的變化范圍,有效改善了服裝二維樣板形狀,圖5(c)為潛水服模型展開后的效果。為增加樣板的多樣性,Zhou等[20]將三維人體下肢模型分為16個板塊展開,拼合時以下擺寬度、腰省量、襠彎曲線3個結構參數變化對褲子進行合體性實驗,提出了一種面片變形算法來獲取合體性較高的褲子樣板,其中通過參數變化可獲取不同褲裝版型樣板。
基于物理能量的曲面展開通常是根據等面積或等長度原理展開三角面片,展開過程中會出現重疊而產生應變能,需要通過能量釋放來獲取二維樣板。McCartney等[21]將三角形展平前后的邊長差作為應變能,展平過程中不斷比較二維樣板與曲面中三角形對應邊緣的長度,通過移動節點位置最大程度減少樣板展開產生的殘余應變,從而獲取最優展平樣板。應變減少法可用于生成帶有省道的基礎服裝樣板[15,22]。基于 McCartney的研究,Wang等[6,23]引入了彈簧質點模型,每個小三角面片的頂點和邊長被看作質點和彈簧,如圖6(a)所示。展平過程中彈簧積累的力帶動質點移動,釋放能量過程使用了拉格朗日方程。彈簧質點模型在后期應用中被不斷優化,比如Yeung等[24]引入共軛梯度法求出模型展開能量的最優解,在變形較大的區域插入省道來進一步減少能量;Li等[25]提出帶有交叉彈簧的彈簧質點模型,并使用三角形帶展開來提高扁平化效率和減少面片重疊率, 如圖6(b)所示;Zhong等[26]使用模型表示曲面,通過碰撞過程獲取二維樣板,使用應變控制來保持樣板形狀。此外,Peng等[27]提出一種部分展開的能量織物變形模型,更加適合復雜曲面展開。Wei等[28]還提出了一種利用局部剛性變換和全局能量優化的展平方式,引入旋轉和平移兩個平面參數,將每個三角形或四邊形面片進行變形,利用線彈性有限元能量求得內力的平衡狀態。能量獲取與釋放的計算優化是后期基于能量展平樣板的研究重點,Zhu等[29]提出一種統一軸系統獲取變形能量,將二維和三維三角面片中的一個頂點放置在坐標原點處,通過夾角和三角形邊長計算獲得能量。Yi等[30]利用拉伸和彎曲能量構建復雜曲面的物理殼模型,并簡化了局部展開時求解彎曲能量的過程,提高了運算效率。
在以上曲面展開的過程中,省道通常是根據不同服裝款式手動定義,且省道大小需要通過不斷調整來確定。特別對于殘疾人士的穿著服裝,通常需要通過虛擬試衣技術觀察常規服裝穿著狀態,結合穿著壓力分布圖,調整服裝上的省道大小和位置[31]。為了在曲面展開過程中更方便地獲取省道數量和位置,Wang等[23]830使用插值函數計算曲面展開的能量,根據能量分布圖確定省道位置和大小。Kim等[32]開發了一種自動生成省道的算法,將每個樣板劃為細小網格結構,沿網格的邊線從樣板邊界向內繪制,繪制規則是計算網格變形前后內角差,與預定義的織物剪切裕量值比較,若超出剪切裕量值的范圍則可以作為省道,原理如圖7所示。
2.3" " 二維服裝樣板后處理
為了獲得可用于工業生產的服裝樣板,曲面展開后生成的二維樣板需要進行調整。首先需要檢驗樣板的準確度,分別將二維樣板與三維模型的邊界線長度和樣板塊面積進行比對[33]。在誤差允許的情況下調整樣板邊界,使邊緣更加光滑,同時確保需要縫合的兩個面片邊界長度相等。在形狀調整完成后,根據織物彈性對樣板進行收縮。
3" " 曲面展平技術應用系統
曲面展平技術應用系統為服裝樣板制作提供了高效便捷的工具,比如3D-LookStailorX系統具有比較成熟的三維服裝轉二維紙樣技術,界面同時包含三維模型和二維紙樣,操作過程更加直觀[34]。馬靜[35]在利用青年女性胸部三維模型生成個性化文胸樣板的研究中,使用犀牛軟件中的“壓平”命令展開經過分割的乳房曲面,展開后的樣板曲面邊緣需要進行修正。王英[36]使用法國力克的Design Concept Auto軟件設置緊身胸衣的分割線,每個展開區域的輪廓進行重新繪制,制定區域內的曲面可以轉化為二維樣板。王朝暉等[37]在日本東麗的Creacompo II Torso軟件系統中將系統人臺與掃描人體模型進行擬合來獲取個性化人臺,利用系統人臺中自帶的曲線作為分割線進行曲面展平,生成的樣板再經過調整使二維樣板與三維模型的面積近似相等、邊界曲線相等、特征點位置相互對應。宋瑩等[38]在CLO3D虛擬試衣軟件中構建基礎連衣裙曲面,根據服裝款式進行省道設計,利用軟件中的展平為板片工具生成連衣裙二維樣板。在以上研究中,曲面展開生成的二維紙樣大部分存在樣板需要后期調整的問題,比如輪廓線優化、樣板與模型的比對,在之后的研究中可以將樣板自動調整部分納入系統。
4" " 總結
在數字化服裝應用中,曲面展平技術包括三維服裝模型構建和二維樣板獲取兩大部分。三維服裝模型主要是基于三維人體掃描數據直接或間接地獲取,其中直接構建法是將人體點云數據進行一系列處理后直接用于分割,因此該方法適用于基礎服裝或者緊身服裝;間接構建法是在人體模型上定義服裝特征點或特征線,再根據服裝款式構建服裝模型線框或輪廓曲線,由于線框和曲線在空間中可以調整,因此該方法適用于連衣裙、襯衫等帶有松量的日常服裝。二維樣板獲取中曲面展開部分是技術的關鍵,根據展開原理可以分為3種方法,其中基于曲面參數化的展開方法主要是將三角網格映射到二維平面中,需要控制三角形面積以及相互連接關系,在二維平面組合三角時容易出現邊緣不匹配問題;基于幾何特性的展開方法是通過迭代比對網格的邊長或面積來確保二維樣板與三維模型的差異達到最??;基于物理能量的曲面展開是將產生的能量釋放并達到平衡的過程,展平后可能會出現重疊問題,需要使用懲罰函數調整。
曲面展平技術在服裝生產過程中大大提高了制板效率,使樣板制作過程更加直觀。但在實際應用中還存在局限性,比如大部分研究的服裝款式只有分割線和省道,帶有褶皺或褶裥的復雜款式服裝展開難度大;三維曲面直接展開后獲取的樣板存在邊緣不順滑的問題,需要后期手動調整;展平過程中缺少考慮面料特性。在后期三維服裝轉化二維樣板的研究中,可以針對不同體型人群設計制作不同服裝款式樣板,將曲面展平技術更好地應用于個性化、多樣化的服裝結構設計中。
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基金項目:浙江省自然科學基金項目(LY17E06007);浙江理工大學基本科研項目(2020Q083)
作者簡介:劉藝佳,女,碩士研究生。研究方向:服裝數字化技術
通訊作者:楊允出,男,教授,博士。研究方向:服裝數字化技術、服裝舒適性與功能