李 旭, 李 琴, 張龍琳

(1. 西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市生物質(zhì)材料與現(xiàn)代紡織工程中心，重慶 400715)

設(shè)計(jì)與產(chǎn)品

基于三維掃描技術(shù)的青年女褲紙樣設(shè)計(jì)

李 旭1, 李 琴1, 張龍琳2

(1. 西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市生物質(zhì)材料與現(xiàn)代紡織工程中心，重慶 400715)

通過對(duì)三維人體數(shù)據(jù)的信息采集和處理，以青年女性褲子廓形為研究對(duì)象，從直筒褲廓形入手，進(jìn)而拓展多種款式和廓形。借助三維掃描設(shè)備采集人體著直筒褲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件對(duì)直筒褲進(jìn)行曲面重構(gòu)，Matlab數(shù)學(xué)軟件分析三維凈體特征部位數(shù)據(jù)，并以掃描的直筒褲數(shù)據(jù)為參考，最終形成合理的基本直筒褲型結(jié)構(gòu)，再將其轉(zhuǎn)化為二維平面紙樣。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多種褲型的設(shè)計(jì)研究，同時(shí)加入細(xì)節(jié)模塊化設(shè)計(jì)為褲裝在工業(yè)生產(chǎn)中提供依據(jù)。

3D掃描；NURBS曲線；曲面重構(gòu)；褲子廓形；細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

逆向工程軟件在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，簡(jiǎn)化了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)所需的程序，許多外國學(xué)者在3D曲面展平技術(shù)上做了大量相關(guān)的研究[1-3]，得到了多種復(fù)雜曲面展平的方法，有些方法同時(shí)也在實(shí)踐中得到應(yīng)用；但在國內(nèi)大部分還停留在利用逆向思維軟件來輔助制版，僅在展示新的設(shè)計(jì)思路啟蒙，并沒有在真正意義上體現(xiàn)數(shù)字化服裝設(shè)計(jì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來便利。本文結(jié)合逆向軟件采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)并經(jīng)過逆向軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬重構(gòu)和再設(shè)計(jì)，后期進(jìn)行拓展，理論和算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化打版，縮短了從設(shè)計(jì)到成衣制作的時(shí)間，省去了在傳統(tǒng)制衣中設(shè)計(jì)師和制版師的溝通，從設(shè)計(jì)到制版只需一人即可完成。

1 工作流程

首先通過北京博維恒信3D Camega光學(xué)三維掃描儀獲取下身凈體和穿著直筒褲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在逆向工程軟件GS中對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)并預(yù)處理[4]，提取特征部位的點(diǎn)云層，調(diào)整非均勻有理B樣條曲線形成NURBS曲面[5]。分析下體關(guān)鍵部位的圍度曲面，提取特征尺寸并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到直筒褲對(duì)應(yīng)的省道量及造型量。在設(shè)計(jì)軟件CATIA中，繪制女士直筒褲需要的省道和結(jié)構(gòu)線，并展開得到完整的褲裝紙樣。通過樣褲制作與試穿對(duì)比，驗(yàn)證基于3D掃描人體數(shù)據(jù)制作女褲方法的合理性。最后在基于直筒褲三維曲面的基礎(chǔ)上變化得到多種廓形對(duì)應(yīng)的紙樣，建立褲子廓形庫，如圖1所示。

圖1 工作流程Fig.1 Work process

2 直筒褲3D模型到2D紙樣的轉(zhuǎn)換

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

基于研究課題的特殊性要求為最大化的滿足市場(chǎng)需求，所以目標(biāo)群體為青年女性，在成都師范大學(xué)隨機(jī)抽取一個(gè)掃描樣本(包含凈體掃描和穿著直筒褲掃描)，年齡24歲，號(hào)型160/64A。其中直筒褲款式如圖2所示，實(shí)物具體尺寸見表1。由于本次實(shí)驗(yàn)從直筒褲入手，所以本文主要介紹穿著直筒褲的樣本處理過程，凈體樣本主要為正確地處理省道大小提供幫助，且預(yù)處理過程同直筒褲一致。

盡管在掃描之前，掃描探頭的標(biāo)定是正確的，但人體的凹凸不平使掃描后的人體數(shù)據(jù)不能直接使用，所以要對(duì)因儀器掃描不到產(chǎn)生孔洞的部位，采用逆向工程軟件Geomagic Studio進(jìn)行修復(fù)對(duì)位。繼而采用觀察法與偏差過濾法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理[6]，過程中用肉眼將與實(shí)物偏差過大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，反復(fù)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云，找出噪點(diǎn)和孔洞進(jìn)行刪除和修復(fù)。

圖2 直筒褲款式Fig.2 Style of straight-leg pants

褲子部位尺寸/cm腰圍68.0腹圍78.5臀圍92.0大腿根51.0膝圍33.0褲腳32.0前襠長(zhǎng)28.0后檔長(zhǎng)37.0

2.2 曲線的提取及三維曲面重構(gòu)

直筒褲曲線的提取及曲面重構(gòu)需要經(jīng)過點(diǎn)云分層、曲線生成和曲面重構(gòu)這三個(gè)階段。褲子本身是由多個(gè)不同的曲面構(gòu)成的，若采用傳統(tǒng)的圖元建模形成的曲面會(huì)存在較大的誤差，所以本實(shí)驗(yàn)主要采用的是構(gòu)建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines非均勻有理B樣條)曲面的建模方式。

本實(shí)驗(yàn)的研究目的是得出下半身著直筒褲紙樣，為了研究方便將人體的左腿等多余部分刪掉，在GS軟件中根據(jù)采集數(shù)據(jù)時(shí)在前后腰部、臀部、腹部做的標(biāo)志點(diǎn)為參考，反復(fù)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云圖；依據(jù)判斷腰、腹、臀位置的方法(如臀圍線位于下半身尺寸最大、最突出的位置，腰圍線則位于腰部最窄的部位等)確定腰圍線、臀圍線、腹圍線及下襠弧線，截取下半身點(diǎn)云；并依次完成襠部的點(diǎn)云截取，腳踝處因無法確定直筒褲的邊緣線，使用“基于點(diǎn)云的曲線”的方法操作，沿著標(biāo)志點(diǎn)和地平線平行地繪制曲線，截取曲線內(nèi)的點(diǎn)云來實(shí)現(xiàn)直筒褲腳口邊緣線的截取。

2.2.1 點(diǎn)云分層

點(diǎn)云分層是構(gòu)成NURBS曲面的基本元素，直接影響成型后曲面的形態(tài)。由于直筒褲遮蓋了人體的部分特征，所以要與掃描的凈體點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)位來確保穿著直筒褲點(diǎn)云的準(zhǔn)確性。之后把腰圍線、臀圍線、腹圍線、襠弧線、大腿根圍線、膝圍線等在尺寸和形態(tài)上具有明顯特征的點(diǎn)云層提取出來[7]；其次為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要過人體中心線提取人體矢狀截面線點(diǎn)云層；直筒褲腳邊緣線的點(diǎn)云層，在后期進(jìn)行擬合曲線時(shí)使用基于點(diǎn)云層曲線的操作直接生成。特征提取完成后，為保證曲面的精確和順滑，還需提取出與其平行的不明顯特征的點(diǎn)云層，以此共同構(gòu)成完整的NURBS曲面。

2.2.2 曲線生成

曲線的生成是采用“基于點(diǎn)云的曲線”工具直接在點(diǎn)云上選擇代表性的點(diǎn)連接生成曲線，若曲線不能滿足要求，使用“使曲線經(jīng)過點(diǎn)”工具反復(fù)調(diào)整后得到符合人體曲面的曲線，掃描后的直筒褲門襟及膝蓋處的點(diǎn)云有凹凸?fàn)?。為了避免尺寸誤差，通過“調(diào)整其控制點(diǎn)的位置”工具參照周圍曲線來調(diào)整點(diǎn)云位置，減少曲線的凹凸現(xiàn)象。由于襠部弧線人體曲面的曲度變化較大，所以臀圍及大腿跟圍周圍的曲線長(zhǎng)度呈現(xiàn)不規(guī)則的加大，生成的曲面也容易發(fā)生扭曲。為避免出現(xiàn)較大差值，參照直筒褲尺寸和凈體點(diǎn)云的數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，使形成的曲面更加貼合人體，截取后的非均勻有理B樣條曲線如圖3所示。

圖3 截取后的B樣條Fig.3 Captured B spline

2.2.3 曲面重構(gòu)

通過“放樣曲面”的方法，以臀圍線為參考將所有曲線的方向和參數(shù)調(diào)整到一致，依次連接曲線上的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成下半身曲面，或利用一般褲子的形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模擬模型輸出的參數(shù)(如褲長(zhǎng)、腰圍、腹圍、臀圍等)來建立褲腰的幾何模型，從而確定前后褲腰的控制點(diǎn),這是NURBS曲面建模的關(guān)鍵，結(jié)束后反復(fù)檢查修改。曲面構(gòu)建完成后導(dǎo)入CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)軟件[8]，把初構(gòu)建曲面時(shí)為曲線順滑而延長(zhǎng)的多余部分進(jìn)行裁剪，達(dá)到理想的曲面，如圖4所示。

圖4 曲面重構(gòu)數(shù)據(jù)Fig.4 Surface reconstruction data

2.3 三維重構(gòu)曲面到二維紙樣的轉(zhuǎn)換

2.3.1 腰部省道位置和省道量確定

建立腰部松量模型，并設(shè)置曲率中心，根據(jù)腰帶位置與外包圍線的距離大小關(guān)系分析模型中的曲率變化，并參照直筒褲省道分布確定省道位置，如圖5(a)所示。利用公式進(jìn)行Matlab編程后得出外包圍為91.96cm，計(jì)算結(jié)果與直筒褲實(shí)物數(shù)據(jù)92cm差距不大，由此可證明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，根據(jù)該方法，依次得出腰帶位置和省道總量的大小。

圖5 曲面模型Fig.5 Surface model

為了計(jì)算每個(gè)省道量大小，需在各省道之間確定中間位置，即省道間中點(diǎn)，如圖5(b)虛線所示。從省道間中點(diǎn)到下一個(gè)省道間中點(diǎn)及前后中心線到下一個(gè)省道間中點(diǎn)，利用上述省道量計(jì)算公式，分別計(jì)算外包圍與對(duì)應(yīng)腰帶位圍的弧長(zhǎng)，并計(jì)算兩者差值，該差值即為對(duì)應(yīng)省道上的省道量。

直筒褲的四個(gè)省道量分別用D1、D2、D3、D4表示，如表2所示。

表2 單個(gè)省道量數(shù)據(jù)

根據(jù)確定的省道位置，在重構(gòu)的前后片曲面上繪制分割線的位置，并調(diào)整好形狀。

2.3.2 紙樣展開

一般來說，較復(fù)雜的曲面(如非均勻有理B樣條曲面)大多為不可展開曲面，只能做到近似展開，也發(fā)生一定量的形變；對(duì)于不可展開曲面主要使用化曲為直的方法，繪制切割線，采用幾何展開和力學(xué)修正法將展開后的誤差縮到最小[10]。

對(duì)三維直筒褲到二維紙樣的轉(zhuǎn)換前后應(yīng)滿足以下要求：1)衣片的面積應(yīng)近似相等；2)界曲線長(zhǎng)度相等；3)關(guān)鍵點(diǎn)位置相互對(duì)應(yīng)；4)省道大小一致。

將已繪制好分割線的直筒褲曲面導(dǎo)入CATIA軟件——線框和曲面設(shè)計(jì)模塊[11]，需要注意前后片選擇的均是ZX平面，展開的方向也需均是Z軸方向，如圖6所示，這樣才能保證得到的曲面都分布在同一平面上。依照上述要求，反復(fù)檢驗(yàn)對(duì)比需要展開紙樣的省道大小、曲線長(zhǎng)度等。

圖6 展平參考Fig.6 Flattening reference

2.3.3 初始展平版的修正及驗(yàn)證

前后片紙樣展開后獲得的紙樣如圖7所示，整體曲線比較流暢，紙樣拼合后發(fā)現(xiàn)省量大小合適，各部位的尺寸也基本一致。但圖7顯示襠部曲線及前后片省道曲線出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，這是由于人體曲線彎曲形成的直筒褲褶皺導(dǎo)致的，在誤差范圍內(nèi)可以接受。調(diào)整后的前后片再次展開結(jié)果如圖8所示，通過與掃描直筒褲的數(shù)據(jù)對(duì)比，腰圍、臀圍、中檔等關(guān)鍵部位的尺寸在展開前后誤差相對(duì)小，所以展開的曲面是成功的。

圖8 修改后的直筒褲紙樣Fig.8 Modified paper pattern of straight-leg trousers

2.3.4 樣衣試穿

應(yīng)用上述模型，對(duì)展平的紙樣進(jìn)行拼接，拓版縫合后的修正樣板如圖9所示。從圖9的效果看，因?qū)嶒?yàn)采用的坯布面料質(zhì)感偏軟，彈性和垂度高，使得臀部下方產(chǎn)生少許皺浪，縱向前后中心線、內(nèi)外側(cè)縫線均在人體相對(duì)應(yīng)的位置；橫向看腰圍線、臀圍線、橫檔線、中檔線均在人體相對(duì)應(yīng)的位置，呈水平狀；對(duì)比腰部、臀部、橫檔等部位尺寸(表3)，均和實(shí)物差距不大。由上可說明紙樣的合理性，達(dá)到了本次實(shí)驗(yàn)的目的。

圖9 樣褲效果多維展示Fig.9 Multi-dimensional display of sample trousers

基于相同廓形基礎(chǔ)上的款式拓展，在虛擬模型和紙樣精確度較高的情況下，可以直接在虛擬曲面上進(jìn)行分割后展開，也可在已有的紙樣上進(jìn)行線條的裁割。如圖10所示，三款褲子廓形相同，分割線、省位的不同使其風(fēng)格也大相徑庭，實(shí)驗(yàn)中采用第一種方法，可更直觀地表現(xiàn)需要分割的部位，展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果和調(diào)整展開后的樣板[12]。圖10(c)的褶裥也是通過繪制分割線得到。

表3 樣褲尺寸

圖10 基于直筒褲廓形的拓展款式及調(diào)整后的紙樣展開Fig.10 Style developed based on straight-leg silhouette and paper pattern after adjustment

4 結(jié) 語

在直筒褲廓形的基礎(chǔ)上，可通過兩種方法得到其他款式的廓褲：一是可直接在紙樣上改變褲子廓形；二是通過改變直筒褲非均勻有理B樣條曲線的曲率參數(shù)。后者即是通過改變B樣條曲線縱向數(shù)值，調(diào)整褲子長(zhǎng)短；改變NURBS曲線的橫向數(shù)值，調(diào)整褲子外廓形。同時(shí)運(yùn)用此方法調(diào)整褲子的合體度，建立完善的褲子廓形庫。

在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用逆向思維，驗(yàn)證了基于3D掃描技術(shù)獲得紙樣可行性，后期運(yùn)用該方法得到更多部位的紙樣，最終建立款式廓形庫是本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。同時(shí)三維服裝曲面展平技術(shù)的研究，對(duì)推動(dòng)三維虛擬服裝設(shè)計(jì)、三維虛擬試衣、三維虛擬縫合技術(shù)的進(jìn)步將起到重要作用。

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Paper pattern design of young female trousers based on 3D scanning technology

LI Xu1, LI Qin1, ZHANG Longlin2

(1. College of Textile & Garment, Southwest University, Chongqing 400715, China； 2.Chongqing Biomass Materials and Modern Textile Engineering Center, Chongqing 400715, China)

The paper focuses on silhouette of straight-leg trousers of young women based on collection and processing of 3D somatic data, with a purpose to develop more styles and silhouettes. Point cloud data of human body in straight-leg pants was collected with 3D scanning equipment, surface reconstruction of straight-leg pants was conducted with reverse engineering software,3D bare body characteristic data was analyzed with Matlab mathematical software, a rational basic straight-leg trousers structure was finally formed based on the scanned straight-leg data, and the structure was transformed into 2D plane paper pattern. On this basis, designs of various trousers type were studied, and detail modular design was considered, to provide a basis for industrial production of trousers.

3D Scanning; NURBS curve; surface reconstruction; trousers silhouette; detail design

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.09.011

2016-10-20;

2017-06-27

中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XDJK2016C100、XDJK2014A011)

李旭(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化服裝設(shè)計(jì)。通信作者：張龍琳，副教授，465052681@qq.com。

TS941.26

A

1001-7003(2017)09-0061-06 引用頁碼: 091202