任 澤，鐘安華

基于男士內(nèi)褲的腰臀襠部點(diǎn)云坐標(biāo)集三維建模

任 澤，鐘安華*

（武漢紡織大學(xué) 服裝學(xué)院，湖北 武漢 430073）

隨著我國人民生活水平向小康轉(zhuǎn)化，合體性和個性化的私人內(nèi)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(shù)據(jù)，使用逆向工程軟件將三角形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，在7個圍度面選取50個等分點(diǎn)表征各截面形態(tài)，從腰圍至大腿圍提取350個點(diǎn)云坐標(biāo)集，將對稱處理后的點(diǎn)云坐標(biāo)集做標(biāo)記導(dǎo)入SOLIDWORKS軟件，構(gòu)建個體的實(shí)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(nèi)褲自動化快速成版做好技術(shù)支撐。

男士內(nèi)褲；腰臀襠部；三維建模；點(diǎn)云坐標(biāo)集

由于物質(zhì)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(fèi)者的選擇，因此私人訂制逐漸成為大眾的高端需求。內(nèi)褲被稱為人體的第二皮膚，由于男性生殖器官的凸起形態(tài)各異，這成為男士內(nèi)褲版型設(shè)計中不可忽視的設(shè)計因素之一，所以設(shè)計出合體的男士內(nèi)褲需要以男性腰臀襠部的形態(tài)為依據(jù)。為解決針對個體男士內(nèi)褲版型設(shè)計的繁瑣步驟，自動化快速成版成為私人定制發(fā)展的趨勢，而自動化快速成版離不開三維建模的曲面形態(tài)，所以企業(yè)要實(shí)現(xiàn)內(nèi)褲版型的自動成版第一步是構(gòu)建出男性腰臀襠部的三維模型。

目前，研究學(xué)者正朝著自動化快速成版方向著力于攻克三維建模技術(shù)。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(shí)體模型和物理模型[1]。學(xué)者們從不同的方向使用不同的研究手段實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建，部分學(xué)者利用攝像機(jī)技術(shù)拍攝不同角度的人體狀態(tài)，對測得的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換，利用計算機(jī)圖形學(xué)擬合人體截面曲線實(shí)現(xiàn)三維建模[2-4]，這種建模方法簡單，但構(gòu)建的三維模型不夠精確，尺寸誤差較大；還有部分學(xué)者提取重要截面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)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(dǎo)入其他軟件進(jìn)行模型功能開發(fā)，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(diǎn)云坐標(biāo)集，通過SOLIDWORKS工程建模軟件構(gòu)建的實(shí)體模型[6]能夠準(zhǔn)確地表達(dá)人體體型，描述男性生殖器官形態(tài)，構(gòu)建的模型更為精確。實(shí)體模型可以直接在試衣軟件進(jìn)行內(nèi)褲的試衣，也可以在軟件中完成實(shí)體模型向曲面模型的轉(zhuǎn)化，使三維曲面模型轉(zhuǎn)為二維版型，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)褲版型快速生成做好充分準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文隨機(jī)選擇一位青年男性作為實(shí)驗(yàn)對象，采用德國的Anthroscan三維人體掃描儀對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行人體掃描。該軟件掃描的點(diǎn)密度達(dá)到了200p/cm2，人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)量達(dá)到 300多萬個，從而獲取到精度高、部位全面、細(xì)節(jié)清晰的人體掃描數(shù)據(jù)[7]。實(shí)驗(yàn)對象按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求穿著零壓極薄的特制隱私內(nèi)褲，雙腳分開與測試臺上的腳印重合，全身放松進(jìn)行三維掃描。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)合手動標(biāo)點(diǎn)測量獲取所需的腰臀襠部三維建模相關(guān)數(shù)據(jù)，因?qū)嶒?yàn)需求只需要獲得高度尺寸，包括腰高、腹高、髖關(guān)節(jié)高、臀高、生殖器官凸起點(diǎn)高、會陰高、囊袋最低點(diǎn)高、大腿圍高，如表1所示為8個所需要的測量項(xiàng)目和尺寸數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

表1 測量項(xiàng)目和尺寸數(shù)據(jù)（單位：cm）

2 人體建模點(diǎn)云坐標(biāo)集提取

2.1 三維掃描人體數(shù)據(jù)補(bǔ)缺

將三維人體掃描儀得到的OBJ格式的人體數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件進(jìn)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(dǎo)致非接觸式三維人體掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)雜亂，人體表面可能出現(xiàn)孔洞，人體體表不光滑等問題。因此需要對掃描后的人體進(jìn)行補(bǔ)缺處理以保證人體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖1所示為三維掃描人體數(shù)據(jù)處理前的人體，圖2為三維掃描人體數(shù)據(jù)補(bǔ)缺后的人體，經(jīng)對比可以看出補(bǔ)缺后的人體表面更加光滑，體表外無雜亂點(diǎn)，人體體表無孔洞缺失，具體處理步驟如下所示：

（1）網(wǎng)格醫(yī)生優(yōu)化：網(wǎng)格醫(yī)生可以自動修復(fù)體表三角形網(wǎng)格的部分缺陷。

（2）剔除噪音：將人體三角形對象轉(zhuǎn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用減少噪音工具將偏移的點(diǎn)移至統(tǒng)計的正確位置以彌補(bǔ)掃描誤差，使點(diǎn)的排列更平滑。然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成三角形數(shù)據(jù)。

（3）填充孔洞：腋下、會陰處等不易掃描到的位置會出現(xiàn)孔洞，為不影響后期數(shù)據(jù)獲取，對缺失部位進(jìn)行填充孔洞，經(jīng)過上述點(diǎn)處理后的人體孔洞更容易填充。

圖1 補(bǔ)缺前的人體圖

圖2 補(bǔ)缺后的人體圖

2.2 腰臀襠位截面獲取

2.3 截面點(diǎn)云坐標(biāo)集提取

（1）將修正的截面轉(zhuǎn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用統(tǒng)一工具可以規(guī)定點(diǎn)的數(shù)目，通過不斷嘗試，當(dāng)截面點(diǎn)密度為50時最為合適。過少的點(diǎn)無法表征截面形態(tài)，過多的點(diǎn)會造成數(shù)據(jù)繁雜。

（2）如圖3所示將50個等距離排列的點(diǎn)按順序?qū)С鳇c(diǎn)坐標(biāo)信息，式中x為點(diǎn)的橫坐標(biāo)，y為點(diǎn)的縱坐標(biāo)，i為點(diǎn)的標(biāo)記號碼。

（3）將截面點(diǎn)坐標(biāo)信息導(dǎo)入EXCEL里，點(diǎn)1和點(diǎn)26橫坐標(biāo)做歸零處理，其余24個點(diǎn)如公式（2）所示對截面進(jìn)行對稱處理，使截面得到26個點(diǎn)坐標(biāo)信息，腰圍截面點(diǎn)對稱處理后的點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)坐標(biāo)對比

圖3 腰部50個等距點(diǎn)

3 三維實(shí)體模型構(gòu)建與對比

3.1 三維實(shí)體模型的構(gòu)建

依據(jù)逆向工程軟件中的中心點(diǎn)，分別建立腰、腹、髖、臀、生殖器官凸起點(diǎn)、會陰以及大腿圍部7個基準(zhǔn)面。將每個圍度26個點(diǎn)坐標(biāo)信息導(dǎo)入基準(zhǔn)面，使用鏡像實(shí)體工具進(jìn)行點(diǎn)對稱，每個面生成50個點(diǎn)，如圖4所示使用樣條曲線工具將50個點(diǎn)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(yīng)的點(diǎn)，將面構(gòu)成體，使用放樣凸體工具，生成腰臀襠部實(shí)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(shí)體模型與掃描人體的對比

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

表3 掃描人體與三維實(shí)體模型重要尺寸對比（單位：cm）

表4 不同成品服裝規(guī)格誤差（單位：cm）

圖6 掃描人體與實(shí)體模型正面、側(cè)面、后面形態(tài)對比圖

4 三維建模的實(shí)際應(yīng)用

4.1 自動化快速成版

自動化快速成版是服裝數(shù)字化發(fā)展的新方向，是實(shí)現(xiàn)私人定制產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路。而男士內(nèi)褲自動化快速成版離不開男性腰臀襠部的三維形態(tài)，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(shí)體模型可以直接轉(zhuǎn)換成曲面模型，如圖7所示為該實(shí)驗(yàn)對象腰臀襠部的曲面模型，將三維模型的曲面進(jìn)行虛擬剝離，剝離的曲面進(jìn)行展平處理，實(shí)現(xiàn)三維曲面向二維版型的轉(zhuǎn)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(shù)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(yè)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)購物已經(jīng)成為時代的潮流。三維精準(zhǔn)建模實(shí)現(xiàn)了對消費(fèi)者的真實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者體型形態(tài)重現(xiàn)，構(gòu)建出私人訂制品牌自己的顧客體型數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程完成后期顧客體型數(shù)據(jù)尺寸采集，利用CLO3D軟件在線進(jìn)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(shù)據(jù)的二次采集和多次改版再試衣的麻煩，節(jié)省大量的人力物力。如圖9為平角內(nèi)褲的基礎(chǔ)版型[9]，將平角內(nèi)褲版型和實(shí)體模型導(dǎo)入CLO3D中，圖10為三維模型穿著平角內(nèi)褲的正面效果圖，從效果圖上可以看出，實(shí)體模型可以完成虛擬試衣效果。

圖9 平角內(nèi)褲版型

圖10 實(shí)體模型試衣圖

4.3 版型優(yōu)化分析

三維實(shí)體模型可以精準(zhǔn)的模擬人體體表曲面起伏狀態(tài)，腰臀襠部模型在CLO3D虛擬試衣時可以通過壓力圖檢測內(nèi)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(yè)后續(xù)版型優(yōu)化帶來了便利。另外，實(shí)體模型可以測量實(shí)驗(yàn)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(jù)曲率的局部半徑以不同顏色顯示，公式3為該部位點(diǎn)的曲率，公式4為該部位點(diǎn)的曲率半徑，精確描述男性腰臀襠部每一點(diǎn)的彎曲變化程度，更為細(xì)致的了解模型體表特征，為男士內(nèi)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(jié)論

本文提出男性腰臀襠部三維模型的構(gòu)建方法，通過三維人體掃描儀獲得男性人體三角形數(shù)據(jù)和高度尺寸數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件對掃描的三角形數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理后，截取7個圍度截面轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，共選取350個等距點(diǎn)云坐標(biāo)集進(jìn)行對稱處理，將處理后點(diǎn)云坐標(biāo)集導(dǎo)入SOLDWORKS軟件，利用放樣工具構(gòu)建男性腰臀襠部實(shí)體模型。經(jīng)過重要部位尺寸數(shù)據(jù)和外觀形態(tài)的對比，得出通過點(diǎn)云坐標(biāo)集構(gòu)建的實(shí)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(yè)品牌自己的客戶體型數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)顧客的在線虛擬試衣，觀測試衣狀態(tài)和試衣服裝壓，及時對版型進(jìn)行調(diào)節(jié)，為企業(yè)反復(fù)量體裁衣提供了解決方案；并且通過工程建模軟件構(gòu)建的實(shí)體模型可以轉(zhuǎn)化成曲面模型，三維曲面向二維平面的轉(zhuǎn)化為后續(xù)的自動化快速成版提供了新思路。

[1] 艾容羽, 莊梅玲, 張蒙蒙, 等. 基于圖形和圖像的人體曲面建模研究[J]. 針織工業(yè), 2020, (06): 72-76.

[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(yè), 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(shù)研究[D]. 西安：西安工程大學(xué), 2018.

[4] 王婷, 顧冰菲. 基于圖像的人體頸肩部三維模型構(gòu)建[J]. 紡織學(xué)報, 2021, 42(01): 125-132.

[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(xué), 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(xué), 2017.

[7] 舒?zhèn)? 60-75歲老年女性肩臂部形態(tài)分析及衣袖版型研究[D]. 武漢：武漢紡織大學(xué), 2020.

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

[9] 印建榮，常建亮. 內(nèi)衣結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)師，研究方向：服裝人體工學(xué)和服裝數(shù)字化.

湖北省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（D141091003）；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（S202010495025X）.

TS941.2

A

2095－414X(2022)06－0059－05