服裝三維虛擬縫合技術ABC

彭珺 胡創耀 黃銘昶 勞宇聰 陳小林 鄭東源

摘要：隨著計算機3D設計技術更新換代的速度日益加快，基于此技術而構建的服裝3D系統的發展也趨于成熟，在服裝設計領域具有廣泛應用。在服裝三維虛擬縫合技術的幫助下，服裝制作的流程和時間得以顯著地縮短，對服裝行業來說具有顛覆性意義。本文從三維縫合技術本身出發，研究其發展現狀并對其未來前景進行展望，以期對未來服裝行業的發展提供參考性意見。

關鍵詞：服裝;三維虛擬;服裝縫合技術

中圖分類號：TS941.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2019）03-0275-02

一、三維虛擬縫合技術概述

三維虛擬縫合技術是一項基于物理造型方法去實現精確地描述織物、真實地表現出織物的各種狀態的技術。將力以及能量等一系列物理量進行引入，可將紡織品的各個部分在各種作用力下的質點運動狀態模仿并表現出來，最后通過將模擬生成的二維衣片用三維軟件真實在穿衣模特的模型上真實的表現出來。

三維虛擬縫合技術涉及到的物理模型主要有兩種：

其中一種便是使用幾何造型，也就是說，對于衣片曲面等信息予以合理應用，并將其作為建模的基本信息，最終完成服裝模型的構建工作。這種方法直觀、高效，而且不需要事先對縫合信息進行設置就可以完成服裝模型的構建工作，可依據此方法所構建的模型不能夠對面料的質感以及垂墜感進行有效的模擬，模擬效果和實際效果之間具有較大的差異;

二是將物質拆分成為一個個點的質子一彈簧模型，在這個模型中，可以將服裝的曲面離散成排列規則的網格狀，各個網格之間存在一些交叉點，這些交叉點被統稱為系統質點，每一個系統質點可以構成一種近似于彈簧的結構，因此便完成了質子-彈簧所組成的的網格系統的構建工作。這一種模型可以在外界受力的情況下產生運動，由此達到模擬織物真實的下垂感，但是這項技術在計算上比較耗時并且縫合過程也相對復雜。

三維虛擬縫合分為以下七步驟：一是導入對應的人體模型和2D裁片;二是將2D裁片進行網格剖分;三是按照所需要縫制的具體服裝的特性初始化它們在人體模型上的位置;四是設定縫合信息;五是構建2D裁片的質點一彈簧模型;六是給質點-彈簧模型施加縫合力，將要縫合的衣片貼合靠攏，同步更新質點的位置，使2D裁片產生彎曲變形，并靠近人體模型;七是將二維的衣片縫合成3D服裝，調整服裝至與模型真實狀態相吻合，制作出逼真的服裝穿著效果。

二、三維虛擬縫合的國內外研究現狀

在此之前，國內外的服裝虛擬縫合的技術水平仍主要停留在二維層次上，虛擬試衣間多為二維系統，但多年來無數人在研究三維虛擬縫合技術及其應用。如國內的眾多研究機構和高校，國外有美國的Gerber、法國的Lectra、日本旭化成的AGMS3D、美國PGM的Unway 3D和韓國CLO的CLO 3D等都一直在研究三維虛擬縫合技術及其應用。總體來說，國外在此領域的研究處于領先水平。

（一）國內狀況分析

經過多年的研究探索，國內的和炫試衣軟件等商業軟件都展示了自己的虛擬試衣系統。我國有很多研究機構對于三維虛擬裝配技術展開了深入的研究，如東華大學的服裝學院、北京服裝學院和中山大學的計算機研究所等機構都對三維虛擬裝配技術的研究投入了大量的時間和精力，并取得了豐富的研究成果。楊國行通過對BP神經網絡模型的應用，完成了三維人體建模的構建工作，該模型可以將人體截面的網絡參數有效地反映出來，而且可以參考這些參數來改變人體的形態，也就是說，其可以使用提四層的BP神經網絡模型，該模型可以運用網格數據來對自身進行調試，數據庫中儲有大量的網格數據可供使用;匡亞偉對于自己的研究成果進行總結，推出了一種全新的三維人體模型變形的方法，這種方法可以根據人體輪廓的變化而不斷變化。這個算法是根據隱馬爾可夫鏈的匹配方法發展而來的，其在研究的過程中將人體輪廓和模型二者的聯系予以明確，并且使用均值坐標將模型內部的幾何坐標存儲下來;楊開泰在局部活動標架的幫助下完成了坐標軸的構建工作，從而可以將曲線和人體定點之間的集合關系進行確定，當操作者對軸曲線進行調整時，其可以帶動人體輪廓發生變化，通過對軸變形技術的應用，可以保障輪廓的調整具備一定的靈活性，而且軸向以及徑向的參數權重都可以被引入到模型當中;朱廣舟等人歸納了服裝二維裁片的虛擬模擬技術，運用構建質一彈簧模型，將已經被系統所記錄的裁片的四邊予以編輯，把四邊形的兩條對角線進行連接，進而實現三角網格的剖分。

（二）國外狀況分析

在國外，Micheal等把2D的服裝紙樣進行可視化處理，使其變成一個空間立體結構，并對其予以三角剖分處理，使其最終形成一個3D模型。除此之外，他還發明了一種全新的服裝組合技術，該技術具備縫合的特性，可以將邊緣線以及定位線這些位置的裁片予以處理，使其具備“縫合”的特性，這可以保障每一塊裁片都能具備數量一致的有限元網格，進而保障“縫合”工作可以順利地開展;Garignan等人在采用了牛頓運動定律的基礎上，提出了一種通用于二維衣片到三維的映射算法。借助縫合力，在二維空間的衣片可以自動地發生形狀變化，進而被縫合在三維空間中的人體模型當中。三維服裝基型法的應用，可以幫助使用者在交互式光標的幫助下來對三維空間的基礎形狀予以修改，進而獲得既定的三維服裝的紙樣。

除此之外，該技術可以提供松量，使得人們可以對服裝是否合體予以檢驗;Howlcher等對于服裝設計以及模擬仿真問題進行深入探討，指出設計時應當先完成2D服裝衣片的構建工作，然后再對這個衣片的頂點予以編輯處理，并能夠對縫合的信息進行重新定義，最終把設計的2D服裝進行仿真模擬，使其能夠穿在人體模型身上，并對其進行縫合。上述解決方案的推出可以有效地降低設計師的壓力，提升服裝設計的效率。

三、三維虛擬縫合的縫制流程和關鍵技術

依據縫制流程，虛擬服裝縫紉技術可以將網格剖分、幾何變換、控制約束以及運動方程求解等問題囊括在內。其中，空間幾何變換和運動方程數值求解均己有了較為成熟的解決方案。故在此只論述服裝的網格剖分和縫合約束處理，這兩方面是實現復雜服裝虛擬縫制的關鍵。

（一）2D衣片的網格剖分

2d到3d轉換的第一步——Zd程序集離散化。即將2D衣片離散為基于質子一彈簧模型的規則的四邊域網格形式。在開展網格剖分工作時，因為質子一彈簧網格結構具備一定的約束性，而邊界對位的位置也具備一定的縫合約束，因此設計師應當對下述問題格外留意：

首先，網格結構應當符合四邊域形式的要求;

其次，在進行邊界離散時，應當保障縫合點之間構成映射關系，從而實現邊界約束;

最后，四邊域網格單元的四個角應當為直角，使其能夠滿足材料的結構特性的要求。

因為要達到縫合對位的要求，因此縫合邊界上會生成一些三角域，除此之外，由于四邊區域網格單元的四個角是直角，因此構建了基于四邊形網格的一種全新的算法，實現了二維服裝切片的生成。剖分生成的網格結構充分滿足了2D衣片轉化為3D服裝的特殊要求。

（二）縫合對位的邊界處理

之所以會對二維空間中的衣片予以網格剖分，是因為設計師要構建基于質子一彈簧結構的3D服裝模型。在完成剖分工作后，全新的網格結構不但要符合質子一彈簧模型的條件，而且還應當使縫合邊之間存在映射關系。隨著縫合線呈現出不同的特點，那么邊界方案也應當實時進行調整。

首先是對位縫合。在對服裝進行縫合時，對位縫合是最為基礎的一種縫合工藝。在開展該縫合工作時，縫合邊的長度應當保持一致，而且縫合點的數量和位置應當相同，而離散單位也應當具備一致的長度。

在此之后，便是開展抽褶縫合的工作。如果縫合邊的長度不相等，那么縫合師就應當對于長度較長的一邊予以抽褶，使縫合邊的長度保持一致，在此之后，再開展縫合工作。然而，縫合邊上的無約束網格節點將導致縫合后關節處的不合理空隙。

因此，有必要對服裝褶皺接頭中網格單元的拓撲結構進行進一步的修改。我們采用構造無彈力相連特性的四邊域，而且對其空隙予以插補，以求得上述問題的解決。

（三）縫合過程中約束處理

依據縫合信息，縫線力加載在相應的縫合邊緣的服裝樣片上。在縫合力的作用下，可使兩片2D衣片發生形變并逐漸被縫合在一起。對于縫合過程所處的階段不同，我們采用的約束方法也是存在差異的。

其中一種情況便是裁片是相互分割開來的，在縫合信息的作用下，縫合力會對縫合邊產生作用，便質于一彈簧系統發生空間變化，這會使得裁片的形狀發生變化，使其按照力的作用而彼此接近，最終縫合。

在這個過程中，縫合點的位置以及力的系數往往會對縫合力的大小以及方向進行決定;

二是服裝衣片已經縫合。當衣片縫合邊之間足夠靠近時，則認為衣片縫合。在這個過程中，縫合約束可以忽略不計，同時可以使用動量守恒定律來保障縫合點的運動狀態符合既定的要求。

四、三維虛擬縫合技術的應用前景

目前服裝三維虛擬縫合技術主要應用在三維CAD和三維虛擬試衣兩大領域。經近些年的研究探索，二者都有一定的發展。

（一）三維CAD技術

伴隨著經濟水平的提升以及計算機技術日趨成熟，人們對于衣服的質量以及個性化設計的重視程度顯著提升，現存的2D服裝CAD技術已經不能夠滿足服裝設計的需要，因此我們應當基于現有的CAD技術開發出可以滿足三維服裝設計的CAD技術。而三維服裝CAD的發展需要以三維人體建模技術、2D裁片虛擬縫合技術為基礎。

現階段，我國已經研制出了仿三維的CAD設計，可是和世界領先水平之間仍然存在較大的差距。現在國內比較知名的一款三維設計軟件就是圖易，這款軟件成功的將三維虛擬縫合技術應用到了服裝設計上面，該軟件可以根據服裝的造型以及風格等信息，將曲面平攤開來，使其能夠在二維空間中成像，然后將軟件縫入虛擬三維服裝中，模擬服裝的懸垂情況，并測試服裝的契合度。不僅如此，該軟件的應用可以拉近設計師以及紙樣師之間的距離，增進雙方的溝通，提升工作效率。

（二）三維虛擬試衣

從上個世紀九十年代Miralab實驗室問世之后，該實驗時一直將三維布動畫的構建工作作為自己的主要任務，該實驗室在對3D虛擬服裝進行研究研究時，其研究成果代表著世界的最高水平。在2012年，Microdanmn等人構建了全新的虛擬裝配系統，該系統具備較強的交互性，各種用戶都可以在觸摸屏技術的幫助下來完成服裝的試穿工作。

除此之外，該系統可以構建三維虛擬時裝模型，這個模型可以將用戶著裝后的效果進行仿真模擬。同時，鮑威埃構建了一種虛擬服裝商城，這個商城具備較強的交互性。使用者可以額對于自己的參數進行測定，并對人體模型予以調整，使其和自己的人體輪廓相近，然后可以借助該模型來完成衣物的選購以及試穿工作。網上服裝店Web服務器可對多種數據庫中的數據進行調用，當用戶挑選出與自己條件相近的模型以及服裝之后，服務器可以對模型以及服裝予以處理，進而使龐大的數據得以壓縮，顯著地降低程序相應所花費的時間。

五、結語

三維虛擬縫合技術作為一項新興技術，它的出現對服裝行業來說無疑有著顛覆性的影響，目前，國內外研究人員就服裝三維虛擬縫合與仿真技術展開的一系列研究已取得了令人驚異的結果。

就發展現狀而言，不僅要對現階段研究的成果參考其理論方法與基礎，同時也要對傳統的經典縫合方法進行拓展，對三維虛擬服裝技術不斷完善，針對其中產生的問題加以重視并提出相應對策，進而達到三維虛擬服裝仿真的要求。盡管現在的技術尚未成熟，但其發展前景非常美好。這項技術的成熟應用勢必會大大縮短傳統服裝行業傳統的加工時長，起到流程創新的作用。同時，該項技術還可以應用于三維CAD系統的完善以及三維虛擬試衣領域。

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