基于男性腰臀襠部NURBS曲面模型的內褲數字化制版

任 澤, 鐘安華

(武漢紡織大學 服裝學院, 湖北 武漢 430073)

服裝數字化發展是不可阻擋的發展趨勢,主要體現在生產工藝、虛擬試衣[1]等方面。傳統的手工制版有著尺寸誤差大、合體服裝版型不貼合人體體表曲面形態和貼體服裝造成服裝壓力較大等問題。內褲與人體皮膚緊密接觸,被稱為人體的第二皮膚,對服裝壓力大小更為敏感,男性由于生殖器官的凸起形態各異,使得男士內褲版型變得復雜,而數字化制版可以很好地解決這個問題。

關于提高男士內褲舒適性方面,不少學者專注于研究面料物理特性與皮膚壓力之間的關系[2],面料的透濕透氣性對穿著舒適度的影響[3]等。在內褲版型的研究方面,對男性第一性征的下體提出了近似測量方法進行體型分類[4],分析男士內褲不同的分體結構對男性體征的影響[5],還有探究褲裝與男士內褲的制圖方式[6],說明研究人員已對男性下肢帶結構與褲裝推導內褲版型進行了深入分析。隨著計算機技術的發展,通過數學表達設計算法[7],利用單參數平面族的包絡[8],擬合人體體表曲面的展平方法被提出[9],曲面展平技術已經在服裝結構中運用。

本文通過服裝數字化,對建立的三維曲面模型進行體表曲面剝脫展平處理,直接快速得到合體的男士內褲版型,實現了模型虛擬試衣與數字化版型相統一,得到的數字化版型誤差小,且數字化版型生成方法不具有針對性,也適用于平均體、虛擬人體的數字化版型生成。解決目前市場上男士內褲版型未對男性生殖器官的凸起形態進行合理分類與版型設計問題,使男士內褲襠部達到更加合體效果,打破傳統男士內褲版型設計方法,在合體內褲版型上使用針織面料,合理地提高內褲穿著舒適性,提高企業制版效率,為合體型服裝制版提供新方法。

1 數據準備

1.1 人臺準備

1.1.1 人臺尺寸參數

本文為使研究更具有普遍意義,實驗對象選用胸圍為92 cm的人臺。實驗對象的重要項目尺寸參數為:腰圍78.7 cm,臀圍94.4 cm,大腿根圍58 cm,生殖器官凸起距3.1 cm,前后上襠總長 78 cm。 圖1為人臺的正面、側面和背面示意圖。通過示意圖可以觀察到人臺男性生殖器官飽滿,凸起量較小。

1.1.2 人臺點云數據

獲取實驗對象的點云數據,并通過Scan WorX Interactive Measure交互測量軟件測量人臺各截面圍度、角度、高度差等數據。

設備:VITUS81540非接觸式三維人體掃描儀,德國 Human Solutions 公司。

實驗要求:將人臺置于無光源密閉空間內,環境溫度為(27±3)℃ ,環境濕度為(60±10)%,擺正人臺位于標記線正中,固定人臺避免晃動,進行三維人體掃描。

1.2 建模數據提取

實驗對象經過單次三維人體掃描后輸出點云數據,運用逆向工程軟件對實驗對象腰圍至大腿圍進行點云數據截取,圖2(a)示出實驗對象腰至大腿根圍的點云數據。從截取部位的點云數據中選取腰圍、腹圍、髖關節、臀圍、生殖器官凸起處、會陰、大腿根圍7個特征截面,從每個特征截面圍度的點云數據中提取50個等距點的坐標信息表示截面形態,對各截面點坐標進行對稱處理,獲取構建模型所需的點云坐標集。使用Solidworks工程建模軟件在草圖中輸入點云坐標集,點云坐標集的提取為曲面模型的構建提供了控制頂點位置信息,圖2(b)示出導入Solidworks軟件中的點云坐標集。

圖2 點云坐標集的提取Fig. 2 Extraction of point cloud coordinates set.(a)Point cloud data;(b)Point cloud coordinate set

2 NURBS曲面模型與展平

2.1 NURBS曲面構建

NUBRS曲面建模技術是專為曲面復雜物體三維模型重建而設計的,能基于曲線和曲面的形式對三維模型的輪廓和外形進行準確精細的表達[10]。提取腰圍、臀圍、會陰圍、大腿根圍4個圍度的點云坐標集,以點云坐標集為控制頂點。一條k次NURBS曲線可表示為一分段有理多項式矢函數[11]：

式中:wi(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點權因子;di(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點;n為曲線上控制頂點的數量;u為曲線的參變量;k為曲線的次數或階次;Ni,k(u)是k次規范B樣條基函數。

圖3(a)示出由控制頂點di連接起來組成的NURBS控制曲線。在u方向和v方向,使用NURBS曲線的方法,構造一張NURBS曲面,一張k×l次NURBS曲面[11],圖3(b)示出由控制頂點dij連接起來組成的NURBS控制曲面,公式如下:

(u,v)∈[0,1]×[0,1]

式中:wi,j為曲面上控制頂點權因子;dij是曲面上第(i,j)個控制頂點;m為曲面上控制頂點行的數量;n為曲面上控制頂點列的數量;u為曲面橫向方向上的參變量;v為曲面縱向方向上的參變量,k為曲面在u方向上的階次;l為曲面在v方向上的階次;Ni,k(u)和Nj,l(v)分別為u向k次和v向l次的規范B樣條基函數。

圖3 NURBS曲面構建Fig. 3 Construction of NURBS surface. (a)NURBS curve; (b)NURBS surface

2.2 腰臀襠部曲面模型建立

腰圍是人體軀干上下部分的隔帶[12],內褲腰圍的選擇通常會低于人體的腰圍線,高于人體的臀圍線。臀圍是男性下半身圍度最大的部位,是褲裝結構設計中必不可少的尺寸參數,因此臀圍尺寸的獲取尤為重要。前后上襠總長將男性人體分為左右對稱的兩部分,因此曲面區域劃分主要以腰圍、臀圍、前后上襠總長為劃分依據。

依據腰圍、臀圍、前后上襠總長將男性腰臀襠部劃分為16塊區域,依次構建出16塊NURBS曲面,相鄰區域使用同一NURBS曲線,因此16塊區域依據曲面拼接連續性原理,相鄰曲面選擇公共連接線,組成如圖4所示的男性腰臀襠部曲面模型。對比人臺,曲面模型與人臺體表曲面彎曲程度一致,生殖器官凸起程度相同,曲面模型能夠準確表達人臺的體表曲面。另外,曲面模型表面光滑、內部中空,曲面厚度小,證明曲面展平的可實施性。

圖4 腰臀襠部曲面模型Fig. 4 Waist hip crotch surface model

2.3 NURBS曲面模型展平

由于人體曲面左右對稱,并且大腿形態近似于圓柱體,不影響內褲結構設計,因此選擇人臺左邊7塊曲面進行版型研究,為方便辨認曲面,對7塊曲面進行了編號,如圖5所示。使用曲面展平工具實現NURBS曲面到二維平面的轉變,展平邊線線條為側縫線和前后上襠線,產生的二維平面與曲面本體邊線相切,圖6為編號4的曲面沿側縫線的展開圖。以垂直于平面的視角,將展平的曲面制成工程圖,按1∶1的比例將工程圖導出為DXF格式,獲得7片二維平面圖。

圖5 曲面編號Fig. 5 Surface number

圖6 曲面展平過程圖Fig. 6 Surface flattening process diagram. (a)Surface flattening diagram; (b)Plan view

三維曲面展平到二維平面,應當滿足曲面展平后面積與曲面面積近似相等,且邊界長度盡量保持不變,為驗證曲面展平效果,計算表面積差和邊界長度差來檢查曲面展平的準確度。表1示出曲面與其對應展開平面的表面積差,表2示出曲面與其對應展開平面的邊界長度差。表中編號5的表面積和編號6的邊界長度誤差值較大是由于臀部翹起量造成曲面彎曲程度較大,從尺寸數據上看面積誤差小于等于1 cm2,邊界長度誤差小于等于1 cm,誤差范圍在規格尺寸誤差的接受范圍內,因此展平的平面能夠準確表達曲面形態。

表1 曲面展平的面積誤差Tab. 1 Area error of curved surface spreading

表2 曲面展平的邊界長度誤差Tab. 2 Boundary length error of surface spreading

2.4 內褲數字化版型生成

使用ET服裝CAD軟件同時打開DXF格式的7張工程圖圖紙,對圖紙進行整理,獲得合體的男士內褲版型,如圖7所示。版型整理步驟如下。

1)如圖7(a)為經過平移工具整理后的初始平面圖,將整理后的工程圖使用對稱工具和多功能繪圖工具將曲線點簡化處理得到圖7中(b)。

2)使用擺正工具將各個版片進行擺正處理,將處理后的版片進行形狀對接,襠底留出2 cm作為褲腳,得到圖7(c)。

圖7 內褲版型處理流程圖Fig. 7 Flow chart of underwear pattern processing. (a)Initial floor plan;(b)Step one pattern of the processing chart;(c)Step two pattern of the processing chart;(d)Step three pattern of the processing chart

3)使用智能筆工具將后襠進行對接,現底襠長=原底襠長-后襠對接長,使用平移和旋轉工具對接前襠,后腰頭降低1 cm,調順后襠曲線,得到圖7(d)。

4)確定褲腰位置[13],即褲腰高=臀圍線高+立襠長/3+1,使用平移工具分開前片與后片,獲得圖8所示的最終合體男士內褲數字化版型。

3 數字化版型驗證

3.1 數字化版型試衣效果

內褲版型在ET服裝CAD軟件中進行縫份刷新,將OBJ格式的腰臀襠部三維掃描人體模型和DXF格式的數字化內褲版型導入CLO3D中,對內褲版型進行虛擬縫合,在人體模型上進行內褲版型虛擬試衣。圖9(a)為人體模型穿著內褲版型的效果圖。從效果圖上看,內褲版型十分貼合人體體表皮膚,內褲與人體模型之間無較大空隙量,內褲版型的臀圍線與實體模型的臀圍線重合,進一步驗證了曲面展平的準確性,虛擬試衣效果滿足合體性內褲版型設計。為進一步驗證內褲版型的合體性,使用白坯布制作內褲樣衣。圖9(b)為人臺穿著內褲樣衣的效果圖。從效果圖上看,內褲版型襠部完全貼合象鼻凸起的形態,滿足男性生殖器官凸起量,整體布面平整,無明顯鼓包、褶皺現象,內褲不下墜并且面料不緊繃,驗證了內褲版型的合理性。

圖9 內褲數字化版型試衣效果Fig. 9 Underwear digital version of the fitting effect. (a)Model virtual fitting effect;(b)Man-table fitting effect

3.2 試衣壓力測試

實驗設備:AM-8051K氣囊式接觸壓力測試儀,AMI TECHNO CO. LTD公司,測量范圍為0～34 kPa, 測量精度在0～14 ℃為±0.1 kPa、在14～34 ℃ 為±0.25 kPa。

實驗要求:測量環境溫度為(27±3)℃,環境濕度為(60±10)%,使用氣囊充氣工具對傳感器進行充氣,傳感器充氣后厚度小于1 mm,能夠精準測量固定點的壓力值,將傳感器放置在人臺上需要測試的固定點,使用包覆膠帶進行固定,包覆膠帶開孔處露出氣囊正中紅心,連接數據采集器,讀取采集數據。

設定壓力測量點,綜合考慮腰臀襠部曲率變化程度、腰臀襠部形態、內褲重要測量部位,測量點選定象鼻凸起的前襠線、后襠線和臀圍線,如圖10所示選取7個壓力測量點。選用氣囊式接觸壓力測量儀對7個測量點測量壓力,由于人臺為靜態試衣,壓力測量值隨時間變化較小,因此選取前20 s壓力值的平均值為最終壓力值數據。

圖10 樣衣壓力測量點Fig. 10 Sample clothing pressure measuring points

文獻[14]顯示,服裝壓強范圍在 0～2.4 kPa 時,人體對服裝壓強無感覺或者無不適感,服裝壓強在 2.744～3.626 kPa 時,人體對服裝壓強的感覺微弱或者略有不適感,當服裝壓強超過 3.92 kPa 時,人體對服裝的壓強感覺明顯或不適感明顯。經測試人臺試衣在A～G7個壓力測量點的壓力值分別為0.086 0、0.174 5、0、0.163 0、0.058 5、0.154 5、0.225 0 kPa,服裝壓強范圍在0～2.4 kPa,所有測量點壓力均符合服裝舒適性的要求。通過7個測量點的壓力值分析驗證了該內褲版型的合體性。

4 結 論

針對合體性的男士內褲版型研究,本文提出了數字化生成男士內褲版型的方法,解決了男士內褲象鼻凸處不貼合的問題,為合體性男士內褲版型快速生成提供了新的辦法。

1)使用三維人體掃描儀獲取人臺點云數據,從點云數據中提取腰臀襠部7個特征截面的點云坐標集;

2)確定控制點,構建NURBS曲線和NURBS曲面,將男性腰臀襠部合理劃分為16塊區域,使用Solidworks工程建模軟件建立男性腰臀襠部曲面模型;

3)將NURBS曲面展平成二維平面,驗證曲面展平的準確性。按1∶1的比例輸出DFX格式的工程圖;使用ET服裝CAD軟件對導出的工程圖進行處理得到合體男士內褲數字化版型;

4)使用腰臀襠部人體模型模型進行虛擬試衣驗證,內褲版型貼合人體。使用白坯布制作內褲樣衣,無明顯鼓包或褶皺部位,并使用氣囊式接觸壓力測試儀檢測7個測量點的壓力值,證明該內褲版型的合體性。

本文的男士內褲數字化快速成版,解決了傳統版型尺寸誤差大、版型不貼體等問題,為服裝行業合體和貼體服裝版型生成提供了新的解決辦法,不在拘泥于傳統的工業版型,是智能化服裝發展的新方向,實現了合體型服裝的快速成版。