服裝松量設計及表征模型構建研究進展

張益潔， 李 濤， 呂葉馨， 杜 磊,3， 鄒奉元,3

(1. 浙江理工大學 服裝學院， 浙江 杭州 310018； 2. 紹興文理學院 上虞分院， 浙江 紹興 312300；3. 浙江理工大學 浙江省服裝工程技術研究中心， 浙江 杭州 310018)

三維服裝CAD技術的興起促進了虛擬試衣系統和服裝動態模擬技術的發展，如何實現服裝良好的舒適性和模擬的真實性，然后根據人體形狀和服裝風格來調整服裝與人體之間的松量，實現不同體型下服裝樣板的智能化設計，仍是三維服裝研究領域面臨的挑戰之一。另外，人們越來越注重服裝的審美，希望通過服裝來表達自身理想的體型，但是凸顯人體曲線的美學滿意度與服裝運動舒適性之間存在著矛盾關系[1]，松量設計可一定程度上調和二者之間的沖突。

服裝松量是服裝與人體間形成的空余量，二維平面松量指服裝與人體在相應特征部位上的尺寸差，三維空間松量對應于人體表面與服裝表面之間的間隙。合理的松量設計及其分布直接影響到服裝的舒適度[2-3]、合體性及造型[4-5]。研究服裝松量分布規律及其表征模型，是提高服裝樣板設計合理性、服裝舒適性及虛擬服裝試衣真實性的重要途徑，也是實現服裝樣板智能設計的關鍵技術之一。本文從松量分類及分布、表征模型、松量與虛擬試衣和服裝樣板設計的關系等方面綜述了國內外相關研究進展，展望了松量研究未來的發展趨勢,以期為三維服裝CAD研究提供參考。

1 松量影響因素及研究方法

1.1 松量影響因素

松量設計要考慮各種因素，通常情況下可歸納為4類[6]：功能性、舒適性、設計風格、面料。功能性是指為滿足穿著者呼吸及基本的運動需考慮的松量需求；舒適性是指為調節衣下空氣流通及熱濕微循環，或防止皮膚與衣服摩擦的松量需求；設計風格是指為滿足服裝特定風格或造型的松量需求，該因素受設計師設計理念影響較大，主觀隨意性強；面料的彎曲、剪切、拉伸變形、懸垂等性能也是松量設計需要考慮的關鍵因素之一。4類因素相互交織，各有側重，共同影響著服裝的松量設計，其相互關系如圖1所示。

圖1 服裝松量設計影響因素之間的關系

1.2 松量分類及研究方法

服裝松量主要分為以下類型：靜態松量，用以滿足人體正常的站姿和坐姿,調節服裝的微循環；動態松量，滿足身體不同運動下所需的空間及著裝舒適度，為人體動作姿勢提供額外運動空間；設計松量，滿足服裝造型、風格或審美需要，體現設計師的創意思維，本文暫不予量化討論。松量通常用圍度差[7]、距離(射線或法線)[8]、面積[9]、體積[10]等參數表征，如圖2所示。

注：圍度差=WCG-WCB; 分段弧長差=SCG-SCB。

1.2.1 靜態松量

靜態松量研究靜態著裝下人體關鍵部位如胸部、腰部、臀部等松量的合理取值范圍及其分布規律,體現出服裝的合體性和美觀性。主要采用專家評定[1]、弧長或角度等分[11]、尺寸加放[12]、相關性分析[13]等方法。最佳松量取值范圍一般采用主觀評定法，Kim[1]經T檢驗及相關分析，采用5級李克特量表對62位男性的原始夾克衫和修改后夾克衫進行主觀評定，指出胸-腰圍最佳松量與胸圍呈負相關，并給出男夾克7個部位最佳松量范圍，同時認為彈性大的面料可在較小的松量值下達到良好的著裝舒適性。織物在緯紗方向的拉伸應變是影響服裝和人體間距離松量的主要因素[14]。

傳統平面制圖裁衣多將松量視為均勻分布處理[5]，而實際上合理的松量分布在三維空間應呈非均勻狀態，其分布與人體幾何形態[11]、織物性能[14]、服裝設計特點[15](服裝尺寸、款式和合身性)、穿著方式[16]等有關。三維掃描技術能夠直接測量人體和服裝三維數據，通過服裝和人體橫截面輪廓疊加可直觀顯示松量的分布狀態。徐繼紅等[11]采用三次多項式分段擬合、弧長等分法，構建人體與服裝曲線等分點間面積松量的計算模型，指出面積松量分布隨人體角度變化，面積松量與放松量在胸圍處存在線性關系，在腰圍處存在非線性關系。Castro等[17]指出胸圍處前胸寬、后背寬、側寬所占胸部松量比例分別為43%、14%、43%；張愛萍[13]經相關分析認為，胸圍距離松量的分配與體表的凹凸密切相關，胸圍截面側面的距離松量較大，后中部分和胸凸處的距離松量較小；李濤等[12]采用檔差加放松量認為，著裝靜態下褲裝臀圍、襠圍處距離松量主要向后中部及兩側累積，當給定松量增大時，截面寬度的增量多于厚度增量，截面形狀趨于寬扁化。

1.2.2 動態松量

動態松量對服裝合體性設計、運動服的設計和防護服改進具有重要作用。動態松量的研究方法有三維掃描、三維動態測量和三維虛擬試衣模擬等。三維掃描法主要對不同姿態下人體和服裝進行掃描，對比分析每個動作下特征部位松量的分布。三維動態測量法[18]基于三維動態捕捉儀采集人體運動狀態下各部位松量分布，分析松量與人體動作姿態、行進幅度、頻率的關系。虛擬試衣模擬[19]基于可視化技術分析松量與身體姿態之間的交互作用，研究動態松量。

Zhang等[20]經三維掃描不同離散姿勢下標記點處著裝松量變化認為，動態姿勢下袖窿松量需求較大。類似地，Wang等[21]利用量化分析技術，通過三維掃描對比不同松量下人體7個動作的距離松量和服裝覆蓋面積變化表明，身體姿態對松量的影響主要體現在腿部，運動時下體距離松量變化大于上體，這意味著對下裝動態松量設計比上裝更有挑戰性。此外，在關鍵部位如臀部、膝蓋需增加額外放松量以保證合適的距離松量滿足身體運動。Petrak等[22]采用三維掃描儀量化研究上肢伸展運動時總體和局部空氣層變化，為精確設置特定部位(如胸部、肩部)的松量提供參考。

三維動態捕捉儀可捕捉運動狀態下各姿勢的三維數據。Liu等[18]使用三維動態捕捉儀(3DMCS)捕捉女性以2或6 km/h走路狀態下松量分布指出，動靜態松量呈現不同的分布規律，運動中人體截面同一區域的松量變化呈正相關，前后松量變化呈弱相關，左右松量變化呈負相關，松量變化頻率和幅度隨行走速度的增加而增加。

另有學者[23]用三維服裝向量場(3DGVF)定量表示動態虛擬服裝的標量和方向變化，將動態幀中成對對應向量之間的每個向量投影到由靜止幀對應的向量上，并通過余弦相似度計算服裝運動方向變化，如圖3所示。Mert等[24]使用虛擬試衣軟件研究行走過程中運動身體和衣服之間的空氣層厚度和接觸面積的變化，為運動服裝舒適性優化提供借鑒。

圖3 三維服裝向量場

在防護服裝中，動態松量體現為人體與服裝間空氣層的動態變化。在設計防護服裝款式結構時，應分析空氣層的形狀及運動狀態，并研究空氣層對熱傳遞的影響，進而優化防護服的放松量，提高其防護性能。Udayraj等[25]采用動態網格技術模擬人體熱環境下勻速跑動時動態空氣層變化，將動態空氣層厚度隨時間的周期性變化近似為正弦函數，如圖4所示。y為動態空氣層厚度, mm;y0為t時間內平均空氣層厚度，mm;Δy為空氣層厚度變化振幅，mm;f1和f2為運動頻率，Hz。

圖4 運動時防護服動態空氣層變化

三維掃描法研究動態松量時，僅考慮離散的人體模型或人體固定位置，每幀動作的橫截面都需要單獨計算，不能描述服裝在運動過程中與人體之間的滑動，且對微小距離松量的變化反應不敏感[23-24]。動態捕捉方法依賴于人體關鍵部位標記點，時變的動作或者姿態可能會帶來標記點位移，進而帶來服裝尺寸、樣板誤差[26]?；谔摂M試衣模擬的三維服裝向量場法、動網格技術可實現自動測量或模擬服裝與人體動態距離松量變化，但僅針對于固定運動形式，難以表達復雜運動形式下的松量變化，且模型依賴于服裝在運動過程中的幾何形狀，受織物物理性能的影響[23]。

2 松量表征模型

為便于量化表征松量，研究者們建立了多種松量模型，以指導樣板設計、虛擬服裝模型構建及功能服裝設計，總體可分為直接表征模型和間接表征模型。

2.1 直接表征模型

直接表征模型基于人體和著裝特征部位或特征點上的測量數據，建立松量表征的數學表達式。其表征模型主要有回歸方程、乘法因子、模糊邏輯、最陡下降法、向量法等。

Gu等[27]分別計算了各特征橫截面特征點的距離松量，建立基于橫截面間隔區域化分割的各點距離松量非線性回歸預測方程。Li等[28]通過回歸分析，構建了服裝與人體間空氣層厚度、體積與服裝給定松量、面料性能之間的線性回歸模型。Zhang等[29]提出利用服裝和人體橫截面的半軸長之比構建松量乘法因子，并將其應用于不同號型的人臺，得到具有相似形狀、輪廓、松量，但尺寸不同的服裝模型，實現了在三維空間的放碼。

Huang等[30]利用參數化算法建立松量運算模型，設定閾值和初始化放縮參數，分段計算各截面曲線加放量，根據胸腰松量由線性函數推導出其他部位松量，減少了特征截面提取及相應的計算量。Thomassey等[31]提出利用橢圓法簡化計算特征截面最大軸、最小軸頂點處的距離松量，并將距離松量定量化應用于構建虛擬服裝，降低了計算的復雜度，為松量量化和控制提供了一種方法。

Chen等[32]基于專家主觀評價得分提出一種服裝松量模糊邏輯優化方法，該方法可估計松量的合適取值，但存在一定的主觀性。Liu等[18]利用最陡下降法計算服裝與人體間的最短距離以表征松量，經迭代求取松量值，并給出了受試者以2 km/h的速度行進時的動態松量變化。Hu等[23]提出一種基于余弦相似度計算服裝運動方向變化的動態虛擬服裝運動矢量場度量方法，通過三維梯度向量流(3-D GVF)方程式計算動態間隙厚度,為計算動態松量提供新的方法。

2.2 間接表征法

合體或寬松類服裝形成服裝離體形態，此時服裝與人體間的距離松量為正數，便于通過直接測量數據表征。對于緊身服、泳裝、整形內衣等貼體或束身服裝，服裝與人體間的間隙量可視為零或負數，致使著裝后人體會受到服裝壓力而產生形變，因此，服裝壓力分布是研究此類松量的關鍵[5]。間接表征法是利用力學仿真模型來研究服裝與人體的間隙量，以服裝壓力為指標間接反映服裝松量大小并用于指導優化服裝設計。

Wang等[33]基于橢圓力學模型和拉普拉斯方程構建服裝壓力計算模型，分析服裝壓力與人體截面形狀、織物力學性能之間的關系，指出服裝壓力隨著身體曲率的增大而增大，在身體兩側壓力最大，前中心和后中心壓力最小。該方法可為緊身無縫內衣松量設計提供參考。

Wang等[34]采用基于Mindlin-Reissner殼理論的有限元力學接觸模型表示三維人體和服裝之間的關系，進而通過數值計算求解得到著裝松量，如圖5所示。通過計算外力、接觸力、慣性力作用下的虛功，構建殼理論下服裝與人體間的接觸平衡方程，其隱形求解條件為距離松量計算函數，圖5 (b)所示為t時刻服裝與人體間距離松量gN。該模型可模擬人體在著裝過程中服裝與人體間的接觸應變和位移，反映出松量變化，進而可用于指導服裝版型優化。

Fig.5 服裝與人體有限元力學接觸模型

基于物理方法可間接表現松量大小，但不能直接描述服裝與人體間的具體空間關系量，難以應用于寬松類服裝松量的表征。

3 虛擬試衣與樣板設計

三維服裝設計中松量主要在以下2個方面起作用：一是基于松量的三維虛擬服裝構建及虛擬試衣動態模擬；二是基于松量的服裝樣板設計。其相互關系如圖6所示。

圖6 松量與三維服裝設計

3.1 基于松量的虛擬服裝設計

虛擬服裝曲面可基于三維人體曲面重建獲得。將服裝-人體間隙量分別添加至人體表面相應特征點得到初始服裝曲面特征點，經曲面重建獲得初始虛擬服裝[35]，融合面料懸垂、褶皺等物理特性可獲得較為真實的虛擬服裝。對間隙量設計可改變三維服裝造型，實現服裝款式的再造設計。動態松量可真實模擬動態下服裝與人體間的相互關系，動態松量空間分布研究可提高虛擬服裝動態模擬的真實性。

為自動調整服裝尺寸以適應不同體型顧客，Meng等[36]采用隱式定義映射函數構建服裝與人體曲面上的點之間的對應關系，其實質是記錄服裝-人體空間間隙量；然后通過徑向基函數構建空間映射并將服裝轉移至目標人體身上，同時采用特征曲線和離散曲面形狀優化算法自動控制及調整服裝形狀，以防止服裝遷移過程中產生扭曲。該方法通過空間松量實現為不同形體尺寸的人體構建相同款式的服裝。

為避免不同的人體模型采用相同的間隙量分布，Li等[37]提出一種同時支持服裝松量重復利用和服裝造型編輯的方法——基于特征曲線網的服裝定制設計方法。該方法應用雙三次Coons曲面技術實現三維服裝模型參數化，通過編碼和解碼含距離松量或間隙量的基于特征曲線的服裝模型頂點，經自動轉移及交互式編輯，使服裝模型由參考人體向目標人體傳遞過程中保持相同的拓撲連接性，同時可靈活編輯特征網格線以調整服裝模型的尺寸和形狀。該方法易于操作且可重復利用，便于服裝定制設計。

基于松量的三維虛擬服裝設計，可根據虛擬人體直接生成個性化服裝，并實現對不同人體同款服裝的批量設計，降低設計成本，直觀高效。

3.2 基于松量的服裝樣板設計

構建三維虛擬服裝模型經曲面展開可獲得二維樣板，該思想在個性化樣板生成中已被廣泛研究。三維服裝展開為二維樣板過程中不可避免會出現變形，有學者提出將三維與二維樣板相結合的方法。Tao等[38]提出一種傳統打板與三維CAD結合的服裝設計方法，其中二維樣板上每個部位的松量偏移值都通過三維服裝模型進行校正，進而控制松量分布，實現了三維空間褲子原型樣板轉換。

依據三維服裝和人體各特征部位截面輪廓距離松量分布，將松量值轉化為樣板增量，并添加至二維基礎樣板結構線的相對應位置，可實現由基礎樣板到成衣樣板的轉化。Gu等[28]與Su等[39]通過三維掃描儀獲得凈體、著裝人體的體表數據，對橫截面分段采點，建立女西裝、褲裝距離松量與給定松量回歸模型，并計算出分段距離松量，再由距離松量-樣板增量模型傳導得到基礎樣板特征部位的增量，然后將增量值添加至樣板結構線相應位置完成樣板轉換。

4 總結與展望

松量在服裝樣板設計、虛擬試衣及服裝舒適性中起著重要作用，文章從松量分布規律出發綜述了靜態松量、動態松量及其影響因素；從松量解析角度介紹了松量直接及間接表征模型；最后討論了松量與虛擬試衣、服裝樣板設計的關系。

然而，現有研究多基于提取人體和服裝特征截面分析松量，其實質仍是在二維平面內表征松量，難以體現松量的空間分布特性；基于離散姿勢下的動態松量模型不能充分表達人體與服裝各部位的整體聯動性；現存松量模型多針對某一服裝款式或標準人體而構建，其適用性具有一定的局限性。隨著虛擬試衣和服裝智能化制造技術的興起，人們對服裝個性化設計及舒適性的要求越來越高，未來松量研究趨勢有以下方面。

1) 三維空間松量的表征。三維服裝設計需充分考慮松量的三維分布特性，引用空間向量角、向量模長等空間參數表征三維空間松量，實現三維服裝松量的精確加放，提高樣板設計的合理性。

2) 松量連續動態變化研究。突破基于離散姿勢的動態松量研究方式，結合服裝和人體形變及運動特征，改進三維服裝向量場、服裝受力和形變有限元分析技術，提高分析動態松量的實時連續性及三維動態虛擬試衣的真實性。

3) 服裝三維空間松量預測模型構建。聚集與融合人體、服裝、面料特征信息，探索運用深度神經網絡、圖卷積神經網絡等，建立考慮人體形態、服裝風格和面料性能的服裝三維空間松量智能預測模型。