基于三維人體形態的織物立體懸垂測試方法與表征

韓劍虹， 周衡書， 武世鋒， 劉向榮， 劉晉夫

(1. 湖南工程學院 紡織服裝學院， 湖南 湘潭 411104; 2. 湖南省新型纖維面料及加工工程技術研究中心， 湖南 益陽 413000; 3. 湖南省新馬制衣有限公司， 湖南 益陽 413100)

面料懸垂性能對服裝整體造型效果有著顯著影響，因此，如何以客觀的方式反映面料懸垂性能便顯得尤為必要。當前對織物懸垂性能的測試方法仍處在平面數據分析上，且測試試樣面積小，該方法存在無法真實反映織物受力情況和懸垂形態的固有局限[1]；因此，本文提出一種基于人體三維形態且僅在重力作用下客觀反映面料附著于人體時的懸垂性能與形態的測試方法。通過客觀反映面料的懸垂形態，來輔助設計師對服裝造型進行最佳詮釋。

1 織物立體懸垂研究基礎

1.1 三維人體形態

本文中織物三維立體懸垂形態測試裝置以人體三維形態為出發點，如圖1所示。通過對女性身體三維形態進行觀察，并提取胸、腰、臀處橫截面曲線，發現女性人體三維截面可近似視為圓形，如圖2所示。

圖1 女性三維人體建模Fig.1 Female 3-D human body modeling.(a)Front;(b)Front-right; (c)Right; (d)Right-rear; (e)Rear

圖2 女性胸腰臀橫截面Fig.2 Cross section of female breasts (a) , waist (b) and hip (c)

盡管性別、年齡、種族、遺傳、地域、生活方式、飲食結構等因素會影響人體體型特征[2]；但人體各部位圍度是相互聯系的，胸、腰、臀、大腿等部位的橫切面均呈現較為規則的弧狀，因此，該三維立體懸垂測試儀選擇以弧形對人體橫切面模擬。圖3示出不同胸型、腰型、臀型的人體模型簡圖。

圖3 不同胸型、腰型、臀型的人體模型簡圖Fig.3 Human body model diagram of different chests, waists and buttocks. (a) Front view; (b)Side view

1.2 傳統織物懸垂性測試法

傳統的懸垂性能測試原理[4]：即采用傘式投影法測定織物的平面懸垂系數F，將直徑為240 mm的圓形試樣水平放置于直徑為120 mm的圓形實驗臺上，由正上方對試樣進行平行光源照射[3]，圖4示出試樣的正面投影。懸垂系數的計算公式為

式中：A0為圓臺面積；A1為試樣面積；A2為投影面積。

圖4 傘式懸垂測試法示意圖Fig.4 Schematic diagram of umbrella hanging test

傘式投影法將三維懸垂織物的輪廓投影到二維平面上，結合投影圖像得出諸如波紋數、波寬不均勻系數、動態美感指數、波長不均勻等指標，借此評估織物的懸垂形態[5]，該方法對織物三維懸垂形態是基于二維投影評價；因此，可重復性不高，精度欠缺，而且實驗結果往往與主觀評價相悖，同時受測試機制的限制，此方法并非適用于全部織物。總體而言，傘式投影法存在如下缺陷：1)現實情況下，絕大多數織物懸垂形態均由鉛錘重力主導，而傳統測試法中織物受到垂直于織物經緯交織面附加力的影響[6]；2)被測試試樣尺寸較小，邊界效應明顯，無法真實反映織物懸垂形態；3)對柔軟、輕薄類織物進行測試時，上端固定處會使織物褶皺偏向投影區內，導致系統誤差產生；4)測試過程中無法完全避免輕薄類織物的透光性；5)不同織物試樣的三維懸垂投影形態并非絕對不同，傳統方式在反映織物懸垂狀態下的三維特性時缺乏客觀性，亦得不到直觀的三維懸垂狀態[7]；6)拋物面反射光發生散射或漫反射，對實驗也可造成顯著誤差[8]。

2 織物三維立體懸垂測試方法與表征

2.1 織物三維立體懸垂儀的測試原理

織物懸垂性是指織物在自重作用下的形態，作為織物風格評價的主要指標，它是懸垂形態的集中體現。三維立體懸垂測試儀原理如圖5所示。

圖5 三維懸垂示意圖Fig.5 3-D Drape schematic diagrams. (a)Original specimen;(b) Specimen′s 3-D drape

1)三維曲向懸垂系數的計算公式。

式中：L0為試樣長度；L1為折疊寬度；L2為懸垂寬度。當L2等于L0時，F等于0，試樣硬挺；當L2等于L1時，F等于100%，試樣柔軟，100%懸垂。

2)波紋數n的定義：織物底部的懸垂投影中所形成波紋的個數。

定義：相鄰2個峰谷之間的曲線長度l與水平距離d之間的比值。

定義：峰頂到相鄰2個波谷的平均高度間的距離，如圖6所示。

圖6 峰寬和峰高等相關描述圖Fig.6 Description figure of peak width and height

定義：用1/2峰高處的寬度來表示峰寬，如圖6所示。

2.2 懸垂儀簡易模型與懸垂指標測試結果

三維立體懸垂儀裝置細部構造[9]為：頂端中空半圓弧形桿和3根豎直實心支撐桿；頂桿等距布16個夾子，且每2個夾子間設置彈簧以調節間距，近地側等距布設噴氣孔，在桿一端接空氣壓縮機時，氣流通過噴氣孔作用于織物試樣上，試樣懸垂總寬由兩端固定夾控制；支撐桿固結于頂桿端部及中部3處，以確保整個實驗裝置不失穩，如圖7所示。

圖7 織物三維立體懸垂測試儀簡易模型Fig.7 3-D Fabric drape tester model

在試樣裝置定型前，通過大量實驗分析，最終確定試樣夾持深度為10 mm、夾持間距為50 mm，同時以人身高為基準確定試樣豎向1 000 mm,以達到模擬與人體實穿時懸垂形態相吻合的目的。

考慮到數據可能的離散性，隨機選取10塊織物進行懸垂性測試。測試前須對織物組織結構、厚度及影響織物懸垂性能的其他因素進行實測，結果如表1所示。通過對織物物理性能和結構參數的研究后發現，織物的懸垂形態是由其本質特性決定的。

利用三維立體懸垂儀測試10塊同尺寸織物的懸垂形態與懸垂性能。為減少誤差，重復5次進行實驗，所得懸垂參數指標如表2所示。

表1 10種織物的物理性能與結構參數Tab.1 Physical properties and structure parameters of 10 kinds of fabrics

表2 織物三維立體懸垂儀測試數據Tab.2 3-D fabric drape test data

試樣保持自然懸垂，將其投影曲線勾勒到白紙上，通過CAD每隔30 mm取一個點作圖，采樣密度如表3所示，擬合曲線如圖8所示。

表3 控制點個數及密度Tab.3 Control points number and density

2.3 織物三維立體懸重測試指標分析

織物試樣在5次實驗中呈現一定的懸垂規律性，各被測試樣的波紋數、峰高變異指數、峰寬變異指數值變化區間較小。

本次實驗所選織物面密度區間為63.04～290.85 g/m2，在對被測試樣面密度處于2個極值的試樣6(最輕)與試樣5(最重)進行分析后發現：峰高變異指數與峰寬變異指數離散顯著，較為符合織物自身結構參數與物理性能；試樣2的懸垂性最差，這是由于它是平紋組織的麻類成分，雖然厚度較薄，面密度較小，但織物成分與機構特性綜合作用導致抗彎剛度最大所致；其余試樣組織結構基本為平紋與縐組織(試樣4為針織物)，大部分面密度在100～200 g/m2之間，整體懸垂形態較均勻，具備懸垂美感。

同時將上述10塊試樣經YG811-F型電腦織物懸垂儀進行多次靜態懸垂測試求均值，在實驗過程中，應避免同一塊織物短期內進行多次實驗，而應在測試后靜置一段時間以確保織物原始屬性的恢復。表4示出電腦織物懸垂儀測試結果。

對10組織物投影圖進行分析，2種不同測試方法所得懸垂系數如圖9所示，二者相關系數為-0.90，呈強負相關。傳統YG811-F型懸垂儀測得的懸垂系數與懸垂形態呈負相關，本文三維立體懸垂測試法測得的懸垂系數與懸垂形態呈正關，因此，三維立體懸垂測試法可靠性高，直觀表征性強。

圖10為不同測試方式波紋圖。可知，2種測試方法所得波紋數相關性高達0.90，進一步表明三維立體懸垂性能測試儀對織物懸垂性能測試已初具可行性。基于此，三維立體懸垂性能測試儀所測數據可更為客觀地反映織物的真實形態與懸垂性能。

圖8 試樣投影仿真圖Fig.8 Projection simulation figures of samples. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5; (f) Sample 6; (g) Sample 7; (h) Sample 8; (i) Sample 9; (j) Sample 10

試樣編號懸垂系數/%最小波幅/cm最大波幅/cm平均波幅/cm波紋數134.725.7811.068.216271.147.4212.7510.312346.856.4611.788.994420.545.279.797.278543.546.2711.818.775632.965.4911.008.096727.065.5310.587.705821.325.249.917.327923.235.3310.307.4571022.675.2410.077.417

圖9 不同測試方法懸垂系數圖Fig.9 Drape coefficient graghs of different test methods

圖10 不同測試方法波紋圖Fig.10 Corrugated figures of different testing ways

3 結束語

基于人體三維形態，研制了一種能直觀反映織物在自重狀態下附著于人體時的三維立體懸垂形態測試裝置，并通過大量實驗分析證明該三維立體懸垂測試儀對織物試樣懸垂形態與懸垂性能判定上更具真實性。同時該測試儀避免了傳統測試方法的局限，從而更加直觀、真實地反映出服裝面料的實際懸垂效果和造型能力。本文測試方法和測試指標可為虛擬試衣系統中面料的表現形態提供新的檢測手段和可靠的表征方法。

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