基于三維測量數據的個性化女裝原型樣板生成

王朝暉， 吳雨曦， 楊 敏

(東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051)

目前，服裝企業的生產模式正從大規模批量化生產逐步轉向快速反應的個性化定制。為滿足服裝產品多樣化需求，個性化的服裝樣板生成技術研究成為行業的熱點和趨勢。基于三維人體掃描數據，有多種具體的實現路徑，Yang等[1]利用文化原型結構對三維人體模型設置約束特征線，并對每個區域進行劃分，實現二維展平得到個體的服裝原型樣板；Meng等[2]通過幾何重構提出了一種網格交叉參數化的優化算法，可對參數化設計的三維服裝直接進行建模展平。由于三維服裝設計到二維樣板的生成通常忽略了面料的真實性能和人體穿著的舒適性，Bartle等[3]提出了一個定點優化程序來補償虛擬成衣中由于物理受力所發生的褶皺形變；另一方面，Cichocka等[4]嘗試在三維人體模型上直接進行服裝的參數建模，并模擬不同的服裝面料進行開發設計。Hong等[5]為脊椎側突的殘疾人進行三維成衣設計，將三維人體模型上的虛擬試衣直接轉變為二維樣板，進一步開闊了個性化服裝樣板生成的應用。

目前服裝樣板的個性化研究有以下3種思路：1)構建參數化原型樣板，采用參數定義原型樣板的幾何形狀尺寸數值并約定其尺寸關系。2)三維參數化設計到二維樣板生成，即直接在三維人體模型或數字人臺上進行服裝款式樣板的參數化設計。該方法依賴參數化建模，但是幾何約束算法無法解決多樣化服裝款式的生產，其服裝的合體性仍有待完善。3)三維成衣到二維樣板生成，即利用曲面建模技術直接構建服裝三維虛擬實體，并將三維人體上的虛擬試衣直接轉換成二維的服裝樣板。盡管目前很多國內外學者對此做了多方面研究，三維仿真模擬和曲面展平的算法設計仍是業內一個巨大的挑戰。

為解決個性化的服裝樣板生成技術中合體性的問題，本文基于三維測量數據和個性化人臺重構，利用曲面展平技術對三維數字人臺表面進行二維展平，提出了一種可行有效的女上裝原型樣板的生成方法，本文研究有望為個性化的數字人臺建立以及服裝量身定制(MTM)提供參考思路。

1 個性化數字人臺的生成

由于人體體表是一個復雜的自由曲面，這種曲面難以展平得到可用的服裝樣板。為能夠對人體模型進行曲面展平，構建具有人體特征的可展的數字人臺模型是常用的手段。相關學者曾使用逆向工程技術從現有的對象構建模型，通過調整曲面再構建新的模型[6]，可減少對象模型的曲面尺寸控制點的輸入最終重構模型。本文借助該類方法來構建被測者的個性化數字人臺。

1.1 三維人體模型的重構

本文隨機選取1名青年女性，首先借助[TC]2非接觸式掃描儀對人體進行三維掃描，該測試者的身高為165.2 cm，胸圍為86.5 cm，腰圍為67.4 cm。在掃描過程中，由于掃描校準的不精確、測量系統電荷耦合器件的分辨率、身體部位晃動等因素影響，會使得測量后的數據存在圖像誤差，測量結果包含噪聲，導致重構曲線繁雜和曲面不平滑等問題。此外，在非接觸式掃描中，盲區和漏洞的出現造成掃描人體的形狀無法精準，局部尖銳性突出點也會影響數據的精確性。

本文采用Rapid Form逆向工程軟件對三維掃描的人體點云數據進行降噪、數據精簡、點云合并處理，如圖1(a)所示。隨后在缺口、突出點構造平滑面或與周邊相似的曲面曲率做補洞處理，如圖1(b)所示。最后對三維人體模型進行曲面光滑處理，即得到用于曲面擬合和展平的人體模型，如圖1(c)所示的最終處理后用于曲面展平的人體模型。將處理后的三維人體模型與實際人體尺寸數據作對比，在圍度方向上選取測量胸圍、腰圍、臀圍尺寸，在垂直方向上選取測量背長、腰圍高及身高尺寸。表1示出經點云處理后模型的部分尺寸。數據表明，點云數據處理后的模型相對誤差比點云處理前的相對誤差小，測量精度明顯提升，以上點云數據的處理是保證后續建模質量的必須步驟。

圖1 點云數據處理Fig.1 Procession of point cloud data. (a) Noise reducing and simplifying; (b) Hole filling; (c) Smoothing

部位處理前尺寸/cm處理后尺寸/cm實際尺寸/cm處理前相對誤差/%處理后相對誤差/%胸圍 85.1685.8586.501.550.08腰圍 66.4067.2267.401.490.27臀圍 93.6894.4694.400.760.07背長 39.7939.3739.500.740.34腰圍高98.4998.1297.600.910.53身高 163.50166.09165.201.030. 54

1.2 數字人臺的擬合

為充分反映服裝制版中人體關鍵部位的尺寸信息，并為后續的人臺曲面擬合和三維展平提供相應的參考坐標，首先需要對三維人體模型進行特征點定位。參考GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》，GB/T 16160—2017《服裝人體測量的尺寸定義與方法》，在三維人體模型軀干上選取了頭部、頸部、肩部、臂根部、胸部、臀部、大腿等包含人、衣對應關系的47個特征點坐標，如表2所示。特征點的定位主要通過2種方式：一是通過人體幾何特征形態，觀測投影輪廓，找出人體輪廓突出點；二是通過計算曲面曲率，找出點云斷面圖的拐點，進而對特征點定位[7-8]。

表2 三維人體模型的47個特征點定位Tab.2 47 landmarks of 3-D human model

隨后，從日本東麗(ACS)CreacompoⅡTorso軟件系統中，選取1個與實驗人體尺寸信息較為接近的系統數字人臺，該人臺的尺寸為：身高160 cm，胸圍83 cm，腰圍64 cm，臀圍89 cm。在將三維人體模型與系統數字人臺進行重疊時，采用手工操作保證人體與人臺的中心軸重合，使得人體胸圍線(BL)、腰圍線(WL)和臀圍線(HL)與人臺上相應的水平面大致重疊，如圖2(a)所示。在曲面調整中，以三維人體模型為基底模板，通過調整相應的空間點坐標使得數字人臺非均勻有理B樣條(NURBS)曲面逼近三維人體模型表面，見圖2(b)。

臀圍線以上部分擬合的標準是使曲面盡可能貼近人體模型表面，以達到數字人臺與人體形狀和尺寸的吻合。對于臀圍線以下部分，按前中心線以腹凸點為基準豎直向下，后中心線以臀凸點為基準豎直向下來調整點坐標。側面位置則擬合貼近人體表面，使得側面到后中心線、側面到前中心線的區域保持平滑狀態即可。圖3為最終曲線擬合結果及生成的個性化人臺。

圖2 三維人體模型與數字人臺的重疊擬合Fig.2 3-D coordinate adjustment of body model and digital mannequin. (a) Overlapping;(b) Adjustting coordinates

圖3 擬合的個性化數字人臺模型Fig.3 Fitted personalized digital mannequin. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

表3示出實驗人體和擬合人臺的部分尺寸對比。根據GB/T 23698—2009中三維人體測量允許出現橫向圍度上平均差異最大值為4～9 mm，縱向體段長度上的最大差異值為5 mm，可知此擬合人臺的構建能夠良好地還原人體的特征尺寸信息。

表3 人體與擬合人臺尺寸表Tab.3 Size table between human body andfitted mannequin

2 數字人臺的展平

在服裝CAD中，實現三維模型向二維衣片的轉換是樣板生成的關鍵，國內外許多研究試圖通過引入圖形處理的參數約束條件[9-10]來構建數字模型的近似可展曲面[11]，或引入能量模型并優化曲面展開算法[12]來減少三維展平的失真。Huang等[13]提出了一種可展曲面邊界的三角化算法，可將三維模型劃分若干個規整的模塊，以減少三維服裝模塊在嵌入二維平面中的失真。基于以上在人體模型上建立服裝特征線框進行曲面展平的研究，本文提出一種在數字人臺上按特征線直接分割成若干模塊，進行曲面展平的操作方法。由于在Creacompo Ⅱ Torso軟件上重構的數字人臺保留了系統自帶的29條人體重要維度信息的NURBS曲線，可直接作為分割線進行曲面展平。為確保展平后的樣板構造不影響人體穿著的舒適性和美觀性，并且后續能適用于工業成衣化生產，需對數字化人臺的曲面分割線進行篩選。

在參考人體重要尺寸信息以及繼承傳統服裝原型結構規律的基礎上[14-15]，本文在數字人臺的緯向上保留頸圍線、肩線、胸圍線、腰圍線、臀圍線和大腿中央線(經過大腿中央點的水平線)這6條曲線；在經向上分別保留前中心線、經 BP 點的分割線(前公主線)、經前腋點至胯骨突出點垂直向下分割線、體側線、經過后腋點垂直向下分割線、經過肩線1/2 處至肩胛骨突出點垂直向下分割線(后公主線)和后中心線這7條曲線。除前中心線(FCL)、后中心線(BCL)以及體側線外，對于人體非定義區域，其余4條經向線可參考47個人體特征點的坐標或近似垂直平分各緯向線圈的方法來找到各連線交點，最終選取得到數字人臺的展平特征線，如圖4(a)所示。

圖4 數字人臺的樣板曲面展平Fig.4 Flat surface flattening of digital mannequin. (a) Division wire of digital mannequin; (b) 12 initial pieces of prototype

隨后采用CreacompoⅡTorso軟件自帶的曲面展平工具，依據展平特征線進行曲面自動切割，可將三維人體模型的數字人臺右半部分劃分為12片，如圖4(b)所示，BL為胸圍線，WL為腰圍線，HL為臀圍線。最終得到的二維平面矢量圖即為服裝款式變化的初始樣板。對于復雜曲面三維到二維的轉換，展平前后應該滿足3點要求：三維曲面與二維衣片樣板的面積近似相等；邊界曲線長度保持一致；衣片間關鍵點的位置互相對應[16]。可通過以上原則對展平的二維矢量圖進行適當調整。

3 構建個性化原型樣板規則

從個性化數字人臺得到的12片二維矢量圖保留了大量的人體特征曲面信息，為后續三維虛擬成衣的款式開發奠定了基礎，但由于初始樣板形制上簡單粗糙，且樣片分散無規則，并不能直接用于服裝平面制版和款式設計，須進一步對初始樣板進行調整，其中樣板松量的大小和省道的配置是服裝制版最為關鍵的問題。

3.1 原型樣板的松量分配

將上述12片展平的二維矢量圖作為研究對象，并將矢量圖按人體順序部位進行拼合。為保持衣身原型在BL、HL的水平方向上，拼合時要注意各矢量圖的BL、HL水平吻合，并將前后中心線修正為豎直的水平線。由于人體臀圍線以下樣板的部分對女上裝結構影響度較小，因此在樣板原型的拼合中忽略臀圍線以下的樣板造型。

圖6 原型前、后衣片的省道調整Fig.6 Dart volume adjustment of prototype. (a) Dart adjustment in front and back; (b) Final personalized female prototype

圖5 樣板拼合及衣片松量調整Fig.5 Prototype adjustment of loose volume

3.2 原型樣板的省道調整

原始樣板上的省道是在數字人臺的7條縱向基礎線上分割獲得的，由于原始省道形態不完全符合人體解剖學與衣身美學，應予以細微調整。如圖6(a)所示，在后衣片中，修正肩胛省CGC′，使得省尖點落在肩胛骨的骨點S上。在后片腰圍線上，移動2個腰省的省尖點，使省道成豎直狀態，以達到較好的視覺平衡。在后側片上，降低袖窿底點O約1 cm的高度，使得衣身袖窿底部離開腋窩以達到穿著舒適的效果。

在前衣片中，調整肩胸省QBQ′使其與后片的肩胛省位置對應一致。在腰圍線上，將指向BP點處的胸腰省和肩胸省的省尖點偏離胸圍線2～3 cm，使得衣身胸部造型飽滿豐潤。修正過于傾斜的腰省WUW′，使省道成豎直形態，并且省尖點落在胸圍線上。最后，前側片的袖窿底點O′與后側片的袖窿底點同樣降低1 cm。對于前后衣片腰線以下部分，根據人體的骨點位置修正省道的方向，最終可得到個性化的女上裝原型樣板，其中S為肩胛省尖點，F′為后腋點，U為前腋點，O與O′為衣身袖窿底點，如圖6(b)所示。

4 原型樣板的驗證

為驗證原型樣板的可靠性，將調整后的原型樣板按照1∶1的比例打印輸出，用白坯布制作樣衣，最后由該三維人體測量的實驗對象進行試穿，驗證原型樣衣是否合體，如圖7所示。表4示出原型樣衣與人體的部分尺寸對比數據。

圖7 樣衣試穿效果Fig.7 Sample views of prototype. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

部位人體尺寸/cm樣衣尺寸/cm松量/cm衣長58.858.80.0頸圍43.843.80.0胸圍86.592.56.0背長39.540.00.5腰圍67.467.80.4臀圍94.496.01.6

從著裝效果圖可以觀察到：原型衣領口弧線順延，頸根圍圓順，不起伏且無繃緊現象。肩線基本處于身體肩棱線的上方，順延肩斜度保持順暢。袖窿弧線順延，臂根圍或衣身周邊位置不起浮，無壓迫。腰圍線保持水平狀態，前、側、后衣身的身幅松量適中，且前寬、后寬、袖窿寬的比例合適。衣身表面整體順暢，沒有局部或整體的斜褶和掉綹現象，體型適合度良好。綜上所述，生成的個性化原型能夠良好地展現實驗對象的軀干形態，適合度較好。

5 結束語

本文以服裝產品的個性化需求為出發點，基于三維掃描數據，建立了一種從三維人體模型到二維服裝原型樣板的新方法。首先將點云處理后的三維人體模型與系統中的數字人臺進行擬合，建立了個性化數字人臺模型。隨后將數字人臺模型的特征線直接分割進行曲面展平，獲得人體二維矢量圖；最后根據衣身平衡原則，調整初始樣板的松量和省道，構建了個性化女裝原型。其原型樣板試穿效果展示了良好的合體性和美觀性。以上研究對于未來特殊體型定制服裝樣板和個性化樣板自動生成技術具有重要的參考意義。

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