織物在三維模擬中的懸垂性研究

馮華峰，劉 晨，王剛強，張建立

(1.浙江理工大學科技與藝術學院 紡織服裝學院，浙江 上虞 312369； 2.余姚永堅自控設備有限公司，浙江 余姚 315400)

服裝三維數字化[1]的應用越來越廣泛，虛擬試衣技術吸引了新一代服裝設計者們的關注，許多企業也開始利用三維服裝模擬軟件進行成衣數字化的制作。

在服裝設計與制作的教學過程中，需使三維虛擬服裝盡可能還原真實服裝的形態，但模型的材質參數、光照屬性參數及虛擬織物的懸垂感等都會對虛擬服裝呈現的效果產生影響[2]，其中虛擬織物的懸垂感是特別關鍵的因素。織物懸垂性即織物因自身重力而自然下垂的性能，織物的懸垂性能參數可以反映出該織物的懸垂程度[3-5]。本文采用多元回歸分析等方法進行統計分析，建立了基于虛擬織物屬性參數的懸垂系數回歸模型，旨在探究三維模擬中各屬性參數與虛擬織物懸垂性能的關系，使模擬出的服裝具有更優美的曲面造型和褶皺層次感，表現出真實的視覺效果。

1 模擬織物懸垂性實驗

1.1 模擬織物懸垂性影響參數的確立

本文實驗選擇最新三維模擬軟件CLO 3D 5.0版，在軟件中存在多個可以設置虛擬織物物理特性的參數，根據王會威等[6]建立的三維服裝CAD系統織物懸垂性模型，初步確定虛擬織物懸垂性能與以下10個參數有關：緯/經紗拉伸強度、對角線張力、緯/經紗彎曲強度、緯/經紗變形率、織物密度和緯/經紗變形強度。在三維模擬中，這些參數的設定范圍很大，數據可以在0～99進行調節，很難直接反應所用面料的真實狀態。

經過前期比較實驗可以很直觀地發現這些參數過大或過小都無法呈現虛擬織物的懸垂性能。對CLO 3D系統內預設的虛擬織物細節參數進行多次取值嘗試，發現這10個參數較為合理的取值范圍如表1所示。計算時選用取值區間的兩端和中間值。

表1 織物屬性參數取值Tab.1 Fabrics attribute parameter value

1.2 模型的建立

使用三維模擬軟件MAYA 2018版建模如圖1所示，首先創建一個直徑為12 cm的夾持盤三維模型，將模型保存成obj格式后導入CLO 3D中，然后制作1個直徑為24 cm的虛擬織物(與下文真實織物懸垂實驗相同)，利用假縫功能將織物的圓心與夾持盤的中心進行假縫固定，懸垂儀模型見圖2所示。

圖1 夾持盤 圖2 懸垂儀模型Fig.1 Clamping Fig.2 Pendant model

1.3 測試方法

懸垂系數表征指織物在受到重力條件下其懸垂變形的程度，織物的懸垂系數越大則織物變形越困難，表現為剛硬，反之則變形容易表現為柔軟，一般認為懸垂系數越小懸垂性就好。參照GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測定》測定織物的懸垂系數，其計算公式見式(1)。

(1)

式中：A0為實驗樣品的初始展開面積，cm2，Ad為夾持盤的上平面面積，cm2，As為實驗樣品在懸垂后的俯視投影面積，cm2。

在CLO 3D系統中開啟模擬，使虛擬織物自然垂下穩定后，利用圖像處理軟件對As進行測量，計算虛擬織物的懸垂系數，記錄684組虛擬織物的屬性參數值和懸垂系數。

1.4 結果與分析

為找出影響三維虛擬織物懸垂系數的屬性參數，用SPSS軟件對實驗數據進行分析，懸垂系數與10個屬性參數的相關分析結果見表2。

表2 懸垂系數與10個設置參數的相關性Tab.2 Correlation between drape coefficient and 10 setting parameters

從上表可以看出，虛擬織物的經/緯紗拉伸強度、對角線張力、緯/經紗彎曲強度和織物密度 6個屬性參數在回歸模型中的sig.值均小于0.05，因此可將其假設為線性關系。

根據P值的影響規則，其絕對值在0.8～1.0一般定義為極強相關，0.6～0.8則表現為強相關，0.4～0.6則視為中等相關，0.2～0.4可認定為弱相關，0.0～0.2呈現極弱相關，如果系數為0則表明二者沒有關系，因此虛擬織物的懸垂系數與緯/經紗彎曲強度呈極強相關性，與織物密度呈中等相關性，與對角線張力呈弱相關性，與緯/經紗拉伸強度呈極弱相關性。

2 真實織物懸垂性實驗

2.1 實驗方法和織物樣品

懸垂性測試儀的實驗原理是將織物試樣的懸垂影像投射到儀器中的白色片材上，利用計算機圖像處理數碼相機獲取到的懸垂投影影像[8]。本次實驗所使用儀器為YG811F型電腦式織物懸垂性測試儀, 在儀器夾持臺的下方是凹面鏡焦點的位置，該位置反射出垂直向上的平行光并將夾持盤上的試樣照射出來，計算得到織物的懸垂系數、波紋數以及平均懸垂半徑這幾項參數。

選取2組共8種織物作為研究對象，進行不同材質、不同面密度織物的懸垂性研究。采用的面料包括雪紡、喬其紗、水晶絲綢、素色布、中平布、印花布、色丁、素緞。為使本次實驗更具有科學性，選用的2組織物樣本面密度相差范圍在40 g/m2以內，其中第1組樣本面密度范圍在50～80 g/m2，第2組樣本面密度范圍在140～180 g/m2，所有試樣均在GB/T 6529-2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣環境》規定條件下測試其懸垂性能，實驗面料樣品見表3。

表3 實驗面料樣品Tab.3 Fabric samples for test

2.2 織物懸垂性評價

計算真實織物的懸垂系數與平均懸垂半徑并用圖片記錄靜態的懸垂效果，再與CLO 3D中虛擬面料的懸垂效果進行對比。

①懸垂系數。實驗用8種面料的懸垂系數根據式(1)進行計算。

②平均懸垂半徑。平均懸垂半徑是指紡織品織物在完全懸垂的狀態下，各懸垂產生的波紋凹凸點到夾持盤外圓的距離取算術平均值，該數值表示織物的抗彎能力的大小，計算公式見式(2)。

(2)

式中:Ri為凹點到夾持盤外圓的距離，cm，Rj為凸點到夾持盤外圓的距離，cm，n則為波紋數，個。

2.3 測量結果

其測定結果表明M1～M3懸垂系數相對較小，波紋數較多；M4～M8懸垂系數相對較大，波紋數相對較少，詳見表4。

表4 面料懸垂性測試數值Tab.4 Drapability test result of fabric samples

3 虛擬織物的懸垂性關系

3.1 虛擬織物與真實織物懸垂狀態對比

參考真實織物懸垂性物理實驗中得到的投影圖像，根據投影的波數、波幅等形態，在CLO 3D三維視窗的俯視圖視角下，開啟模擬并調節屬性窗口中織物的物理屬性參數數值，將三維虛擬織物模擬成與真實織物懸垂投影圖像相一致，讓虛擬織物靜待3～5 min，待其懸垂形態穩定后，記錄各項物理屬性參數值并用回歸分析法進行研究[9]。真實織物懸垂性測試儀獲得的投影圖像與在CLO 3D中模擬出來的虛擬織物懸垂性的對比結果如圖2所示。

圖2 真實與虛擬織物的懸垂狀態Fig.2 Drape state of real fabric and virtual fabric.(a)Real fabric; (b)Virtual fabric

3.2 確定虛擬織物的各項參數值

根據1.4結論可知虛擬織物的懸垂性與緯紗彎曲強度、經紗彎曲強度、織物密度、對角線張力、 緯紗強度、經紗強度這6個參數呈現出相關性，因此在對比實驗中通過調節虛擬織物的以上6項屬性參數來表現不同織物的懸垂性能。

對應表4中8種不同真實織物的懸垂狀態影像和參數值，在CLO 3D中對虛擬織物的物理參數特征值進行比對調節以獲得與真實織物最接近的懸垂表現[10]，同時對6項調節參數值進行記錄，結果詳見表5。

表5 虛擬織物的6項參數值Tab.5 Drapability test result of fabric samples

3.3 建立虛擬織物懸垂系數的回歸方程

多元回歸分析是根據多個自變量的最優組合建立回歸方程預測因變量的分析方法[11]。通過表5中的數據結合真實織物的懸垂系數，利用SPSS軟件得到多元線性回歸分析結果，詳見表6和表7。其中因變量Y為懸垂系數，自變量X1為緯紗彎曲強度、X2為經紗彎曲強度、X3為織物密度、X4為對角線張力、X5為緯紗拉伸強度、X6為經紗拉伸強度，建立線性回歸模型。

表6 回歸分析模型Tab.6 Regression analysis model

表7 系數值Tab.7 Coefficient value

從表7數據可知，常量及模擬織物的6個屬性參數值所對應回歸分析中的P值均小于0.05，因此可以建立回歸方程如下：

Y=5.069-0.479X1+1.213X2+0.323X3+

0.144X4-0.496X5+0.347X6

(3)

從中可以看出各自變量相互之間不存在共線性特點，且分析模型中的R2為0.985，大于0.8，表明上式擬合程度較好，變量中緯紗彎曲強度對懸垂系數的影響最大，經紗彎曲強度、織物密度和拉伸緯紗強度對其也存在影響。

綜合以上研究可以得出：

①經紗、緯紗的彎曲強度主要影響織物的硬挺程度，數值越大，面料越硬；數值越小，面料垂感越好。

②經、緯紗拉伸強度、對角線張力主要反映了模擬織物水平、垂直、對角線方向的伸縮反彈的強度。當經紗、緯紗拉伸強度與對角線張力同比例減少時，模擬織物呈現柔軟的狀態，懸垂效果越好；反之，就會顯得硬挺，懸垂效果也越差。

③織物密度的大小能直觀地反映出模擬織物的質量，密度值越大，面料越厚重，織物越容易下垂；反之，面料越輕薄，懸垂效果越差。

3.4 回歸方程的應用

在MatLab中，令Y=[真實面料懸垂系數]，X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6],然后用fitlm(X,Y)函數建立回歸模型Y～1+X1+X2+X3+X4+X5+X6，最后用plotSlice(model) 命令繪制預測切片圖如圖3所示。當前預測的即為懸垂系數48.351 9，緯紗彎曲強度X1設置值為46.5，經紗彎曲強度X2設置值為45，織物密度X3設置值為31，對角線張力X4設置值36，緯紗拉伸強度X5設置值34，經紗拉伸強度X6設置值為36.5。

圖3 預測切片圖Fig.3 Predictive slice figure

4 結束語

本文基于真實面料特性，首先將紡織品在實驗室獲得真實織物的懸垂投影，然后再進行CLO 3D的計算機模擬實驗，通過虛擬織物懸垂投影的比對分析，調節虛擬織物三維物理屬性參數來還原其真實性，從而得到虛擬織物的各項屬性參數，并通過回歸分析得到虛擬織物懸垂性與物理屬性參數之間的關系及線性方程。最后分析得出在CLO 3D中調節出各種面料的真實效果，同時得到各項物理屬性參數對虛擬織物懸垂效果的具體影響，實驗結果表明虛擬織物的經緯紗彎曲強度、密度及對角線張力這幾個參數與懸垂性表現密切相關。

本文實驗模擬結果基本符合預期，為今后在三維服裝數字化教學中提供了設置虛擬面料的調整方法，但仍有一些不足之處，如選取的實驗織物其經緯紗線的性能比較接近。希望能夠在今后的服裝數字化模擬研究中用經緯紗性能差異較大的織物進行實驗，同時可以嘗試結合其他分析方法進行研究。