基于青年女性人體圖像的裙褲結構參數化設計

匡才遠，劉國聯

(1.金陵科技學院 藝術學院，江蘇 南京 211169；2.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021)

裙褲作為一種代表優雅女性形象的服裝款式，將褲裝封閉式結構的嚴謹性與裙裝開放式結構的舒適性統一起來，形成獨特的著裝效果。在傳統風格上進行了裙褲的現代風格設計演繹，出現了多層飄逸裙褲、喇叭型裙褲等款式。伴隨服裝設計風格的多元化，裙褲的設計融入了現代設計的時尚元素，運動、嘻哈、另類的設計風格出現在裙褲的設計中[1]。

目前，女性消費者有了日益增長的美好著裝需求，對穿衣的合體性、舒適性提出了更高要求[2]。在傳統的裙褲結構設計過程中，僅將腰圍、臀圍尺寸等分，沒有考慮到人體不同圍度的截面特征對裙褲設計的影響[1]。隨著“大數據、人工智能、物聯網、云計算”時代的到來，女裝消費模式發生了較大的變化。無論是電子商務模式下的服裝銷售，還是個性化的服裝定制，服裝尺寸的合體程度是影響消費者消費行為的重要因素。

本文將通過圖像處理方法獲得青年女性人體數字圖像的輪廓，識別人體圍度對應的寬度、厚度，構建體型細分后的圍度擬合方程，剖析裙褲結構設計的參數規律，以實現合體裙褲結構的參數化設計，贏得青年女性消費者的青睞。

1 人體測量

運用自主研發的非接觸測量系統(蘇州大學紡織與服裝工程學院)[3]和SYMCAD II型三維人體測量系統(法國TELMAT公司)對青年女大學生進行測量，年齡為18～24歲，身高為155～170 cm，測量人數為230人。

為了提高測量數據的精準度，對被測量人員有以下5點要求：①穿著貼身文胸、內褲；②摘除項鏈、耳墜、眼鏡、手表等配飾；③身體直立靜止、眼睛平視前方；④手臂遠離身體，能夠區分人體軀干與腋窩；⑤兩腳要站在測量室中指定的位置。

2 人體圖像處理

2.1 彩色分割

在顏色空間內，彩色圖像是由R、G、B這3個分量構成的，可以用3D數據組表示。因此，建立3D直方圖可進行圖像的彩色分割[4]。

運用C-均值聚類法可進行青年女性人體圖像的彩色分割。假設f=(x1,x2)為1個像素坐標，g(f)為該像素的灰度值，則該聚類法準則見式(1)：

(1)

運用C-均值聚類法提取青年女性人體圖像的主要步驟如下：

③重新計算每個聚類中心的值，見式(2)：

(2)

2.2 輪廓光滑處理

經過彩色分割圖像處理可有效獲取人體圖像。但是，由于人體某些部位的膚色與測量背景的顏色較接近，導致處理后的人體圖像內部存在孔洞。在此基礎上，運用孔洞填充、開運算等算法，平滑青年女性人體圖像的輪廓，刪除人體圖像中小的孤立物，去掉人體圖像中細小的突出部分[5]。

形態學重構從青年女性人體圖像的峰值開始，根據像素的連通性依次計算到圖像的其他部分。運用MatLab軟件，采用函數Bwperim提取出光滑的青年女性人體圖像輪廓，圖像輪廓提取及特征尺寸識別見圖1。

圖1 圖像輪廓提取及特征尺寸識別

2.3 特征尺寸識別

運用圖像處理學中的區域描繪子，得到人體圖像的8個極值點。其中，人體正面圖像中的最高點所在的行，記為Lmax；圖像中最低點所在的行，記為Lmin[3]。根據圖像學知識，人體身高的圖像學尺寸為Lmax行與Lmin行之間間隔行數的絕對值。

提取的人體輪廓屬于二值圖像，用1表示輪廓的二值。由于臀高與身高存在比例關系(R)，該比例關系在一定范圍內浮動，可用區間[R1，R2]表示。就進行圖像處理的某青年女性人體輪廓而言，根據人體的身高、臀高與身高的比例區間，可以得到臀高對應行數的浮動區間[L1，L2]。在區間[L1，L2]內，尋找臀部的二值像素點，以確定臀突的位置。在區間[L1，L2]內，同一行上左、右像素點所在列數差的絕對值的最大值為臀寬的圖像學尺寸。同時，將最大值所在行記為Lp。同理，在人體側面圖像中，Lp行上左、右像素點所在列數差的絕對值為臀厚的圖像學尺寸。按照類似方法，可以得到人體其他圍度對應的寬度、厚度尺寸。

3 青年女性人體圍度擬合

3.1 青年女性人體體型分類

將青年女性人體的3D點云圖導入Imageware軟件中，提取腰圍、臀圍截面，得到不同形狀的腰圍、臀圍截面。分析發現，腰圍截面、臀圍截面的寬厚比差異較大。因此，將青年女性人體的腰部寬度與腰部厚度的比值、臀部寬度與臀部厚度的比值作為分類指標，完成體型細分[6]。230名受試者中有20人的體型分類比較分散，本文不予以考慮。按照一級、二級分類指標將剩余的210名受試者進行體型分類，體型細分結果分布見表1。

表1 體型細分結果分布

3.2 圍度擬合分析

3.2.1 基于點云數據的臀圍測量

按照臀高與身高的比例關系，在3D點云圖中確定臀圍的位置，臀圍測量的步驟如下：①使用Imageware軟件輸入三維點云數據，切換到視角“Front”；②通過工具“Parallel Cloud Cross Sections”選擇Y軸方向的臀圍截面；③利用工具“3D-Spline”在“Left”視角下繪制臀圍的曲線，再利用工具“Object Information”測量臀圍值。點云圖中臀圍尺寸量取見圖2。通過類似的操作，可以量取腰圍的尺寸。

圖2 點云圖中臀圍尺寸量取

3.2.2 圍度擬合方程

由于圍度和相應寬度、厚度存在相關關系[7]，可以構建對應的擬合方程。青年女性人體體型細分后，占比較低的類別不統計在內。借助SPSS統計軟件，構建的圍度擬合方程如下：

①若W1/W2=1.3，H1/H2=1.4，則

W前=1.149×W1+0.946×W2-11.675

W后=0.896×W1+0.601×W2+0.737

H前=3.467×H1-2.639×H2-8.691

H后=1.588×H2+9.335

②若W1/W2=1.3，H1/H2=1.5，則

W前=3.108×W2-1.602×W1+14.275

W后=3.451×W1-1.953×W2-11.932

H前=3.798×H1-4.026×H2+4.561

H后=1.31×H1+3.533

③若W1/W2=1.4，H1/H2=1.4，則

W前=1.119×W1+5.506

W后=1.297×W1+2.521

H前=5.81×H2-3.435×H1+21.07

H后=5.48×H1-6.108×H2+10.46

④若W1/W2=1.4，H1/H2=1.5，則

W前=1.875×W2+0.577

W后=0.965×W1+9.843

H前=0.829×H1+1.125×H2-10.025

H后=0.722×H2+31.004

⑤若W1/W2=1.4，H1/H2=1.6，則

W前=2.827×W1-2.09×W2+0.897

W后=1.753×W1-9.116

H前=5.282×H2-2.165×H1+4.835

H后=3.523×H1-5.035×H2+32.462

⑥若W1/W2=1.5，H1/H2=1.5，則

W前=1.524×W1-0.776×W2+7.992

W后=2.735×W1-2.63×W2+11.811

H前=0.983×H1+9.198

H后=1.042×H1+12.502

式中：W前為前腰圍尺寸，cm；W后為后腰圍尺寸，cm；W1為腰部寬度，cm；W2為腰部厚度，cm；H前為前臀圍尺寸，cm；H后為后臀圍尺寸，cm；H1為臀部寬度，cm；H2為臀部厚度，cm。

另外挑選50名受試者進行人體尺寸測量，將50人的實際三維測量值與不同體型分類后的擬合值進行對比分析。鑒于人體圍度的差異性，本文利用相對誤差(絕對誤差與三維測量值的比值)來檢驗擬合結果精準度，|±1|表示相對誤差在±1.25%到0之間；|±2|表示相對誤差在±2.50%到±1.25%之間；|±3|表示相對誤差在±3.75%到±2.50%之間；|±4|表示相對誤差小于-3.75%或者大于3.75%；相對誤差分析結果見表2。

表2 相對誤差分析結果

驗證結果表明，基于人體圍度寬度與厚度比值分類的擬合方程預測精準度比較高，預測值相對誤差小于2的百分比超過85%，圍度擬合方程具有較好的實用價值。

4 裙褲結構的參數化設計

4.1 裙褲原型結構參數

假設標準女體的凈臀圍為H。其中，凈臀圍H為前臀圍與后臀圍的和。在裙褲結構設計時，橫襠部位對前后褲片中縫的牽制力需要減小到零[8]。當總襠寬(X)達到最大值時，X裙褲=0.21H[9]，此時的襠寬系數(總襠寬與凈臀圍的比值)K裙褲=0.21。裙褲后腰線與裙裝后腰線設計相似，即后中心下降H/96，即裙褲后翹量h裙褲=-H/96。同時，后中線傾角α裙褲=0°，下襠縫夾角β裙褲=0°[10]。裙褲原型結構及參數值見圖3。

圖3 裙褲原型結構及參數值

4.2 裙褲結構參數取值規律

就裙褲結構設計而言，隨著裙褲外輪廓幅度增加，總襠寬的數值也逐漸增大，二者之間的函數關系為X=KH，K為襠寬系數，取值區間為K∈[0.16，0.21][11]。后中線傾角、后翹量以及下襠縫夾角都與襠寬系數存在函數關系[11-12]，分別見式(3)～(5)：

α=42-200K

(3)

h=29H/240-5KH/8

(4)

β=798/5-760K

(5)

式中：α為褲裙后中線傾角，K∈[0.16，0.21]；h為褲裙后翹量，K∈[0.16，0.21]；β為褲裙下襠縫夾角，K∈[0.16，0.21]。

4.3 裙褲省量的確定

省道是解決人體圍度差、將2D面料塑造成3D服裝的重要工藝形式。為了避免服裝在人體凸起部位出現尖點，通常將單個省量的最大值約束為3 cm。根據合體裙裝、褲裝放松量的加放規則，平分到1/4衣片中，腰圍的放松量設為0.5 cm，臀圍的放松量設為1 cm。就某類青年女性體型而言，裙褲前片的省量=2/3[H前+1-(W前+0.5)]；裙褲后片的省量=2/3[H后+1-(W后+0.5)]。如果計算的省量在3 cm以內，則設置1個省道；如果計算的省量超過3 cm，則需要設置2個省道。

5 裙褲結構設計的現代演繹

為了滿足青年女性個性化的著裝需求，設計師在裙褲原型基礎上進行現代設計，比如，改變裙褲長度、腰線結構，增加褶裥、分割線或者衩等結構變化。

5.1 斜裙褲的結構設計

斜裙褲最明顯的特征是裙擺量比較大。在裙褲原型的底擺處剪開，合并腰部的省道，通過省道轉移技術將腰部的省道轉移到底擺處，增加底擺量。為實現結構的平衡，內、外側縫分別向外撇出1.5、3.0 cm擺量。斜裙褲結構設計見圖4。

單位：cm,下同。

5.2 褶裥連腰裙褲的結構設計

褶裥連腰裙褲的襠寬系數取值為0.16H，按照前、后襠寬的結構合理性進行分配。該裙褲屬于高腰裙褲，需要在裙褲原型上將腰線抬高4 cm。裙褲前片有3個褶裥，形狀為陰裥，單個褶裥量16 cm，運用切展法分別在前中線位置、橫襠線1/2處增加褶裥量。裙褲前片的省量也合并為褶裥量。將裙褲后片的腰臀差，設置為2個省道，按照對稱原則將省道補齊到高腰位置[13]。為了實現結構的平衡，內、外側縫分別向外撇出1.5、4.5 cm擺量。褶裥連腰裙褲結構設計見圖5。

圖5 褶裥連腰裙褲結構設計

5.3 圓弧形裙擺裙褲的結構設計

按照45°四片斜裙褲結構設計的方法完成裙褲的腰線、底擺等結構設計[14]。根據襠寬系數的取值合理分配裙褲的前襠寬、后襠寬。圓弧形裙擺裙褲結構設計見圖6。

圖6 圓弧形裙擺裙褲結構設計

6 結 論

為實現青年女性裙褲結構的參數化設計，通過數字圖像處理方法提取人體輪廓并識別特征尺寸，構建不同體型的圍度擬合方程，剖析裙褲結構的參數設計規律，結論如下：

①綜合運用數字圖像處理的各種方法，運用MatLab軟件編程有效地提取了青年女性人體正、側面圖像的輪廓，識別出腰圍、臀圍截面對應的寬度、厚度等特征尺寸。運用Imageware軟件量取青年女性人體3D點云圖中對應位置的腰圍、臀圍尺寸，減小了人體圍度尺寸測量誤差。

②基于腰部寬度與腰部厚度的比值、臀部寬度與臀部厚度的比值完成了青年女性體型細分，構建了不同體型基于寬度、厚度的前后腰圍、前后臀圍的回歸方程，得到的回歸方程擬合精準度比較高，預測值相對誤差小于2的比例超過85%。

③歸納出裙褲前后腰圍、臀圍，后中線傾角、后翹量、前后下襠縫夾角以及省量等參數設計規律，可實現現代裙褲結構的參數化設計，能夠滿足青年女性消費者的個性化消費需求。