全成形雙層結構針織服裝部件化虛擬展示研究

詹必欽，李玉賢，董智佳，叢洪蓮

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

全成形服裝三維虛擬展示技術是全成形服裝數字化發展的重要組成部分，全成形針織服裝虛擬展示包括全成形三維服裝建模及二維面料仿真設計，虛擬設計與實際生產聯動，大大減少了服裝供應鏈中的原料浪費，為可持續發展做出貢獻。隨著服裝虛擬設計的發展，越來越多的新算法技術應用于服裝人體特征[1]、服裝建模[2-4]、服裝渲染[5]、服裝縫合碰撞檢測[6-8]等研究中。針對樣板的三維仿真利用貼圖映射原理將花型紋理圖案貼在二維樣板上，再將二維樣板網格化形成三維模擬曲面，例如：羅璇等[9-10]基于人體特征點獲取全成形款式模型，通過區域劃分構建參數化樣板與成形紋理樣板，再經過網格化及包圍約束、碰撞檢測研究等完成參數化紋理樣板的三維曲面著裝模擬，最后通過虛擬設計系統的搭建實現全成形服裝虛擬展示；彭佳佳[11]以線圈模擬設計為基礎，通過建立各類針織基本組織、花式組織、連接組織的線圈網格模型，實現全成形毛衫三維線圈的網格成形，包括三維網格形變與線圈物理屬性分析，通過線圈路徑與線圈材質進行真實感研究模擬，最后同樣通過系統搭建實現基于線圈結構分析的全成形毛衫虛擬仿真。隨著這些研究的深入，服裝模擬的真實性效果越來越顯著，然而針對全成形異形結構針織服裝快速建模與展示的相關研究較少，全成形異形結構類服裝通過虛擬建模能更加直觀地感受到結構的層次感與紋理搭配的設計感。

基于以上研究，本文以全成形雙層結構假兩件式針織服裝部件化參數設計、二維樣板紋理設計及三維虛擬建模展示為主要研究內容，實現全成形雙層結構類服裝二維-三維虛擬建模與展示，豐富全成形針織服裝快速建模與虛擬展示方式。

1 雙層結構二維樣板參數化設計

數字化服裝版型部件化設計是依據服裝款式、人體主要控制部位尺寸、工藝要求等，在服裝CAD系統中設計繪制出二維服裝樣板。這種參數化二維服裝樣板設計指的是通過幾何約束或者標注約束來定義制圖中的尺寸規格和幾何特征,其中標注約束和幾何約束的條件和模式可由預設的參數加以驅動[12]。參數化設計以約束造型為核心，以尺寸驅動為特征，在設計的過程中將幾何形狀看作是一個參數化模型，設計者與使用者在使用參數化模型時只需要調整參數來對幾何形狀進行修改和控制，因此，參數化模型存儲的是設計的過程，而并不是單一產品的結果[13]。

服裝樣板中輪廓曲線主要以C形曲線和S形曲線為基礎曲線段繪制而成，這2種曲線均采用圓弧分段擬合方式，將C形弧線或S形弧線分為若干小段直線，由這些直線近似擬合形成曲線。首先利用直線擬合圓弧來形成服裝樣板中的輪廓曲線，然后通過幾何約束和端點約束來約束服裝樣板中的直線和圓弧，從而構建參數化二維服裝樣板。如圖1所示，在擬合C形曲線和S形曲線時，可將S形曲線分割為多段C形曲線，圖1中L1～L4分別表示每小段C形曲線分割段，最后利用貝塞爾曲線進行多段C形曲線擬合。

圖1 C形曲線和S形曲線分段擬合圖Fig.1 Segment fitting diagram of C-shaped curve (a) and S-shaped curve(b)

采用貝塞爾曲線模型準確繪制曲線[14]。貝塞爾曲線B(t)模型方程為

式中:Pi為貝塞爾曲線上的控制點(a,b)，其確定貝塞爾曲線狀態；P0為起點(x0,y0)；Pn為終點(xn,yn)；n為點的順序標簽，從0開始；i為標簽中的第i個點；t為時間，取值為[0,1]。根據貝塞爾曲線模型繪制出全成形典型雙層結構針織服裝部件參數化，如圖2所示。

圖2 全成形典型雙層結構針織服裝部件參數化樣板設計Fig.2 Parametric design of full-formed typical double-layer knitted clothing parts.(a) Tops version;(b) Bottoms version

圖2中貝塞爾曲線關鍵點集{A}為由C或S形曲線組成的服裝樣板輪廓端點集合，形成端點約束。圖2(a)示出雙層結構典型上裝部件中大身后片里外層關鍵點A1～A16，對應大身前片里外層關鍵點A′1～A′16；大身左袖片關鍵點A17～A21，對應大身右袖片關鍵點A′17～A′21。圖2(b)示出雙層結構典型下裝部件中大身后片里外層關鍵點A1～A9，對應大身前片里外層關鍵點A′1～A′9。根據貝塞爾曲線模型進行設計，形成幾何約束，通過端點約束與幾何約束共同調整版型輪廓，最終得到全成形雙層結構變化版型部件庫。

2 雙層結構部件化建模與拼接

根據上述部件參數化設計而成的樣板，將二維樣板與三維構造建立拓撲幾何映射關系，形成全成形雙層結構服裝部件庫，分類分別對應里外層服裝部件各自的原型。上身服裝里層(袖子、大身、門襟、衣領等)對應外層(袖子、大身、門襟、衣領等)；下身服裝里層(褲腰、褲筒、褲腳、裙筒、裙腰等)對應外層(裙筒、裙腰、褲筒、褲腰等)。里外層部件各自對應組合配對成新的全成形雙層結構服裝。

對雙層結構典型上裝的數字化服裝二維版型進行三角網格化劃分，本文采用三角網格生長法進行剖分，選取任一質點集合中x坐標與y坐標(x,y)作為三角網格的第1個頂點P1，設定粒子間距m，即設定三角網格第2個和第3個頂點P2、P3與第1個頂點間距離為m，劃分出第1個三角網格△P1P2P3，再分別以P2、P3作為下一個三角形的第1個頂點，同樣保持粒子間距m不變，衍生劃分出△P2P4P5、△P3P6P7，依次類推劃分出整個二維樣板的三角網格，通過改變不同的粒子間距m，可劃分出密度不同的三角網格，不同樣板部件可以進行不同密度的三角劃分，三角網格劃分越精細，即粒子間距m值越小，樣板后期的面料效果越柔軟，不同粒子間距下三角網格劃分后的服裝二維樣板示例如圖3所示。

圖3 不同粒子間距下三角網格劃分精細度對比Fig.3 Comparison of fineness of triangular meshing under different particle spacing

二維樣板劃分成網格后，將網格點映射到三維曲面上實現近似轉化，需保持二維轉三維前后曲面上所有網格點之間距離變化最小。且需保證里外層服裝對應點的相對位置轉化前后變化最小，在初始幾何三角化樣板的基礎上建立彈簧-質點模型，因二維樣板在轉換為三維曲面后，樣板三角網格中彈簧連接如PP2、PP3之間發生伸長或壓縮變形，從而會產生一定的彈性能量聚集。圖4(a)為二維樣板-三維曲面轉化彈簧-質點模型圖。其中：P為轉化前的質點；Pr為轉化變形后的質點。質點Pi與Pr之間視為彈簧連接。彈簧連接長度為d，在轉化變形過程中d拉長或縮短。當質點Pi與Pr之間的間距小于或大于彈簧原長，在Pi和Pr之間呈現力的作用，積聚能量。圖4(b)為里外層樣板轉換后的三維曲面圖。

圖4 彈簧-質點模型下二維樣板-三維曲面轉化Fig.4 Transformation of 2-D template to 3-D surface under spring-particle model.(a) Spring-particle model principle;(b) Transformation diagram of 3-D surface of inner and outer templates

質點的運動用拉格朗日表達式表示為

式中：M、D與K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；gq為局部自由度與全局自由度之差引起的系統內力；q和fq為系統外力。

圖5 雙層結構典型上裝部件自適應融合效果圖Fig.5 Image of adaptive fusion of typical two-layer structure upper parts

3 雙層結構面料虛擬紋理設計

3.1 紗線設計

全成形雙層結構針織服裝面料虛擬展示采用花型設計和紋理貼圖的方法。面料花型設計要綜合考慮結構、原料、顏色、組織、織造工藝等因素，分為紗線數字化設計與織物組織數字化設計2部分。從紗線數字化設計開始，模擬單根紗線或組合紗線。單根紗線模擬是在確定紗線原料后，主要通過設定紗線顏色、線密度等數值來獲取對應的外觀特征；組合紗線模擬是通過不同外觀風格的單根紗線模擬完成后，選擇組合模擬混合紗線。圖6示出全成形機型下不同設置紗線模擬效果。圖6(a)為機號15針，線密度為31 tex×2的雙股毛紗；圖6(b)為機號15針，線密度為33 tex×2的雙股馬海毛；圖6(c)為機號12針，線密度為13.3 tex的金銀絲；圖6(d)為機號5針，線密度為38 tex×3的混色花式紗；圖6(e)為機號12針，線密度為80 tex的泡泡紗；圖6(f)為機號14針，線密度為71 tex的圈圈紗。

圖6 紗線數字化模擬圖Fig.6 Yarn digital simulation diagram.(a) Double strand wool yarn;(b) Mohair yarn;(c) Metallic yarn;(d) Mixed fancy yarn;(e) Seersucker;(f) Loop yarn

3.2 紋理設計

織物紋理數字化設計是在紗線設計的基礎上，利用設計好的紗線生成組織模擬。在組織設計時，設計師根據具有對應動作的色碼塊進行編碼圖繪制，模擬編織組織外觀形態，紋理組織模擬流程如圖7所示。色碼塊動作包含了所有針織編織動作，基本編織動作包括成圈、集圈、移圈、翻針等，這些動作可形成的不同針織組織有平針組織、羅紋組織、正反針組織、圓筒組織、集圈組織、移圈組織、提花組織、襯墊組織等。織物組織從成圈三角、針舌運動和紗線變形仿真3個方面模擬基本組織編織過程，最終呈現出織片效果圖。設計師根據紗線的質地性能、手感、圖案特點等進行構思，充分挖掘出紗線特性，呈現出雙層結構的透視感或其他特殊視覺效應，詮釋針織服裝的個性與本質美。

圖7 紋理組織模擬流程Fig.7 Texture organization simulation process

3.3 花型對位

針織組織線圈對位具有極高的要求，因此，部件樣板進行貼合時花型的對位匹配非常重要。以衣身側縫邊緣線圈對位為例，圖8示出線圈花型對位過程。圖8(a)示出二維樣板花型對位起止點；圖8(b) 示出二維到三維質點坐標轉化；圖8(c)示出線圈花型對位示意圖。

圖8 花型對位過程Fig.8 Pattern contraption process.(a) Starting and ending points of pattern counterpoint;(b)Transformation of particle coordinates;(c)Schematic diagram of coil pattern alignment

為實現更具真實感的全成形針織服裝數字化模擬效果，每片織物上組織對應的線圈相對位置在經過二維至三維轉換后產生一定的位置偏移，織片邊界上邊緣線圈需對應融合，邊緣花紋需對條對位，且里外層線圈二維樣板與三維曲面上坐標相對位置不變。設二維織片上外層線圈a坐標為(x1,y1)，相同位置里層線圈b坐標為(x2,y2)，通過函數關系F(x,y,z)映射到三維曲面上線圈a對應坐標為(x′1,y′1,z1)，線圈b對應坐標為(x′2,y′2,z2)。織片邊緣線圈對位時，為使得線圈對位不影響織片自適應融合的效果，織片邊緣曲線上每一列線圈都要進行對齊檢查，根據線圈花高標記橫列對齊線位置，設置線圈對齊起止點，快速校對邊緣線圈對位關系，如有線圈錯行排列沒有對準的情況，則需針對貼圖進行上下調整直至對準。

4 全成形雙層結構針織服裝虛擬應用

基于以上樣板部件參數化設計方法和針織組織紋理設計及花型對位調整方法，可完成部件化變化款式的快速建模，呈現豐富的全成形雙層結構針織服裝虛擬展示效果，以更高質量實現產品開發的數字化、高速化。圖9示出基于不同紗線、不同組織花型、不同款式的雙層結構全成形針織服裝模擬效果展示圖。圖9(a)示出不同紗線效果圖，其中款式1原料為羊毛紗，款式2原料為純棉紗，款式3原料為花式紗。圖9(b)示出不同組織花型效果圖，其中款式1為緯平針組織，款式2為方形提花組織，款式3為菱形提花組織。圖9(c)示出不同款式效果圖，其中款式1為肩袖局部雙層效果，款式2為領部雙層效果，款式3為下裝雙層效果。

圖9 全成形雙層結構服裝效果模擬圖Fig.9 Simulation figure of fully formed double-layer structure clothing effect.(a) Effect of different yarn styles;(b) Effect of different organization pattern;(c) Effect of different styles

5 結 論

本文研究了全成形雙層結構針織服裝虛擬快速建模展示方法。對雙層結構針織服裝版型參數化設計、二維樣板三角網格劃分、二維樣板-三維部件轉化、三維部件融合、面料紋理設計與貼圖映射等進行研究，驗證全成形雙層結構服裝虛擬建模的可行性，得出如下結論。

1) 雙層結構樣板利用貝塞爾曲線模型進行參數化設計，設計時根據控制里外層樣板端點集合與曲線段變化進行繪制與調整。

2) 二維樣板通過三角網格劃分法生成三維曲面部件。網格中粒子間距越小，三維曲面視覺上越柔軟；粒子間距越大，三維曲面視覺上越生硬。

3) 里外層三維部件包括里外層連接處邊界三角網格拼接融合采取自適應的自然拼接融合法，實現無縫連接。

4) 通過紗線模擬織片進行二維-三維紋理映射時，為保證三維曲面樣板紋理間的連接對應，采用花型起止對位點檢查的方式保持花型連續性。

在全成形針織服裝設計與生產中，基于所建立的服裝快速制版與建模方法，可獲得用戶滿意的個性化全成形針織三維服裝，實現基于用戶導向的全成形針織三維服裝快速交付機制。

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