基于三維掃描技術的青年女褲紙樣設計

李 旭, 李 琴, 張龍琳

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

設計與產品

基于三維掃描技術的青年女褲紙樣設計

李 旭1, 李 琴1, 張龍琳2

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

通過對三維人體數據的信息采集和處理，以青年女性褲子廓形為研究對象，從直筒褲廓形入手，進而拓展多種款式和廓形。借助三維掃描設備采集人體著直筒褲的點云數據，通過逆向工程軟件對直筒褲進行曲面重構，Matlab數學軟件分析三維凈體特征部位數據，并以掃描的直筒褲數據為參考，最終形成合理的基本直筒褲型結構，再將其轉化為二維平面紙樣。在此基礎上進行多種褲型的設計研究，同時加入細節模塊化設計為褲裝在工業生產中提供依據。

3D掃描；NURBS曲線；曲面重構；褲子廓形；細節設計

逆向工程軟件在服裝領域的應用發展，簡化了從設計到生產所需的程序，許多外國學者在3D曲面展平技術上做了大量相關的研究[1-3]，得到了多種復雜曲面展平的方法，有些方法同時也在實踐中得到應用；但在國內大部分還停留在利用逆向思維軟件來輔助制版，僅在展示新的設計思路啟蒙，并沒有在真正意義上體現數字化服裝設計給工業生產帶來便利。本文結合逆向軟件采集點云數據并經過逆向軟件對產品進行虛擬重構和再設計，后期進行拓展，理論和算法相結合，實現了智能化打版，縮短了從設計到成衣制作的時間，省去了在傳統制衣中設計師和制版師的溝通，從設計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光學三維掃描儀獲取下身凈體和穿著直筒褲的點云數據，然后在逆向工程軟件GS中對掃描的點云數據進行修復并預處理[4]，提取特征部位的點云層，調整非均勻有理B樣條曲線形成NURBS曲面[5]。分析下體關鍵部位的圍度曲面，提取特征尺寸并進行數據分析，得到直筒褲對應的省道量及造型量。在設計軟件CATIA中，繪制女士直筒褲需要的省道和結構線，并展開得到完整的褲裝紙樣。通過樣褲制作與試穿對比，驗證基于3D掃描人體數據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上變化得到多種廓形對應的紙樣，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紙樣的轉換

2.1 點云數據的預處理

基于研究課題的特殊性要求為最大化的滿足市場需求，所以目標群體為青年女性，在成都師范大學隨機抽取一個掃描樣本(包含凈體掃描和穿著直筒褲掃描)，年齡24歲，號型160/64A。其中直筒褲款式如圖2所示，實物具體尺寸見表1。由于本次實驗從直筒褲入手，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，且預處理過程同直筒褲一致。

盡管在掃描之前，掃描探頭的標定是正確的，但人體的凹凸不平使掃描后的人體數據不能直接使用，所以要對因儀器掃描不到產生孔洞的部位，采用逆向工程軟件Geomagic Studio進行修復對位。繼而采用觀察法與偏差過濾法對點云數據進行去噪處理[6]，過程中用肉眼將與實物偏差過大的點云數據刪除，后將點云數據進行渲染，反復旋轉點云，找出噪點和孔洞進行刪除和修復。

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28.0后檔長37.0

2.2 曲線的提取及三維曲面重構

直筒褲曲線的提取及曲面重構需要經過點云分層、曲線生成和曲面重構這三個階段。褲子本身是由多個不同的曲面構成的，若采用傳統的圖元建模形成的曲面會存在較大的誤差，所以本實驗主要采用的是構建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines非均勻有理B樣條)曲面的建模方式。

本實驗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軟件中根據采集數據時在前后腰部、臀部、腹部做的標志點為參考，反復旋轉點云圖；依據判斷腰、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，截取下半身點云；并依次完成襠部的點云截取，腳踝處因無法確定直筒褲的邊緣線，使用“基于點云的曲線”的方法操作，沿著標志點和地平線平行地繪制曲線，截取曲線內的點云來實現直筒褲腳口邊緣線的截取。

2.2.1 點云分層

點云分層是構成NURBS曲面的基本元素，直接影響成型后曲面的形態。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云進行對位來確保穿著直筒褲點云的準確性。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上具有明顯特征的點云層提取出來[7]；其次為了保證數據的準確性，需要過人體中心線提取人體矢狀截面線點云層；直筒褲腳邊緣線的點云層，在后期進行擬合曲線時使用基于點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云層，以此共同構成完整的NURBS曲面。

2.2.2 曲線生成

曲線的生成是采用“基于點云的曲線”工具直接在點云上選擇代表性的點連接生成曲線，若曲線不能滿足要求，使用“使曲線經過點”工具反復調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云有凹凸狀。為了避免尺寸誤差，通過“調整其控制點的位置”工具參照周圍曲線來調整點云位置，減少曲線的凹凸現象。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度呈現不規則的加大，生成的曲面也容易發生扭曲。為避免出現較大差值，參照直筒褲尺寸和凈體點云的數據反復進行調整，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

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調整到一致，依次連接曲線上的節點構成下半身曲面，或利用一般褲子的形態結構建成模擬模型輸出的參數(如褲長、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,這是NURBS曲面建模的關鍵，結束后反復檢查修改。曲面構建完成后導入CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)軟件[8]，把初構建曲面時為曲線順滑而延長的多余部分進行裁剪，達到理想的曲面，如圖4所示。

圖4 曲面重構數據Fig.4 Surface reconstruction data

2.3 三維重構曲面到二維紙樣的轉換

2.3.1 腰部省道位置和省道量確定

建立腰部松量模型，并設置曲率中心，根據腰帶位置與外包圍線的距離大小關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。利用公式進行Matlab編程后得出外包圍為91.96cm，計算結果與直筒褲實物數據92cm差距不大，由此可證明實驗模型的準確性，根據該方法，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

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

直筒褲的四個省道量分別用D1、D2、D3、D4表示，如表2所示。

表2 單個省道量數據

根據確定的省道位置，在重構的前后片曲面上繪制分割線的位置，并調整好形狀。

2.3.2 紙樣展開

一般來說，較復雜的曲面(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，也發生一定量的形變；對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修正法將展開后的誤差縮到最小[10]。

對三維直筒褲到二維紙樣的轉換前后應滿足以下要求：1)衣片的面積應近似相等；2)界曲線長度相等；3)關鍵點位置相互對應；4)省道大小一致。

將已繪制好分割線的直筒褲曲面導入CATIA軟件——線框和曲面設計模塊[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，反復檢驗對比需要展開紙樣的省道大小、曲線長度等。

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，紙樣拼合后發現省量大小合適，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彎曲現象，這是由于人體曲線彎曲形成的直筒褲褶皺導致的，在誤差范圍內可以接受。調整后的前后片再次展開結果如圖8所示，通過與掃描直筒褲的數據對比，腰圍、臀圍、中檔等關鍵部位的尺寸在展開前后誤差相對小，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

應用上述模型，對展平的紙樣進行拼接，拓版縫合后的修正樣板如圖9所示。從圖9的效果看，因實驗采用的坯布面料質感偏軟，彈性和垂度高，使得臀部下方產生少許皺浪，縱向前后中心線、內外側縫線均在人體相對應的位置；橫向看腰圍線、臀圍線、橫檔線、中檔線均在人體相對應的位置，呈水平狀；對比腰部、臀部、橫檔等部位尺寸(表3)，均和實物差距不大。由上可說明紙樣的合理性，達到了本次實驗的目的。

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行分割后展開，也可在已有的紙樣上進行線條的裁割。如圖10所示，三款褲子廓形相同，分割線、省位的不同使其風格也大相徑庭，實驗中采用第一種方法，可更直觀地表現需要分割的部位，展現設計效果和調整展開后的樣板[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整后的紙樣展開Fig.10 Style developed based on straight-leg silhouette and paper pattern after adjustment

4 結 語

在直筒褲廓形的基礎上，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。后者即是通過改變B樣條曲線縱向數值，調整褲子長短；改變NURBS曲線的橫向數值，調整褲子外廓形。同時運用此方法調整褲子的合體度，建立完善的褲子廓形庫。

在實驗中運用逆向思維，驗證了基于3D掃描技術獲得紙樣可行性，后期運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驗的目標。同時三維服裝曲面展平技術的研究，對推動三維虛擬服裝設計、三維虛擬試衣、三維虛擬縫合技術的進步將起到重要作用。

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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

中央高校基本業務費專項資金資助項目(XDJK2016C100、XDJK2014A011)

李旭(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為數字化服裝設計。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