基于 Rhino 參數(shù)化的童裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉少樸 胡玉琴 鐘安華

摘要：針對幼童的體型數(shù)據(jù)進行分析，提出了一種幼童服裝版型參數(shù)化建模方法。采集幼童體型數(shù)據(jù)后，采用Nurbs曲線，結(jié)合東華童裝原型制版規(guī)則，以身高、胸圍和臀圍作為關(guān)鍵變量，構(gòu)建童裝版型的幾何約模型；建立三維和二維的聯(lián)動關(guān)系模型，將版片導(dǎo)入虛擬試衣軟件進行模擬驗證與評估。結(jié)果表明：利用 Rhino確立關(guān)鍵參數(shù)與版型的幾何約束關(guān)系，可以快速生成個性化童裝版型。使用該方法生成的紙樣，與手工紙樣相比最大誤差不超過1mm，童裝原型壓力范圍在0～2.753 kpa，滿足兒童著裝的適體性和美觀度。Rhino制版相較于傳統(tǒng)制版和編程參數(shù)化制版方法，其速度快，操作語言簡單，降低了參數(shù)化制版難度，縮短了服裝企業(yè)生產(chǎn)周期，提高了個性化制版的精確度和制版效率。

關(guān)鍵詞：Rhino建模軟件；Grasshopper參數(shù)化；童裝原型；版型生成

中圖分類號：TS 941.2 ????文獻標(biāo)志碼：A ??文章編號：2097-2911-（2024）02-0055-08

Structure design of children's clothing based on Rhinoparameterization

LIU Shaopuab， HU Yuqinab， ZHONG Anhuaab*

（Wuhan Textile University a.School of Fashion ， Wuhan 430073， China; b.Jianghan Plain Textile and Garment IndustryTechnology Research Institute，， Jinzhou Hubei， 434000， China）

Abstract：A parametric modelling method is presented for young children's clothing patterns based on the anal- ysis of their body type data. Following the collection of body shape data from young children， a Nurbs curve is utilised in combination with Donghua children's clothing prototyping rules to construct a geometric approximate model of children's clothing patterns. The model is based on key variables such as height ， chest circumference， and hip circumference. A linkage model of 3D and 2D isestablished， and the pattern is imported into virtual fit- ting software for simulation validation and evaluation. The study demonstrates that Rhino can be used to estab- lish geometric constraints between key parameters and patterns， resulting in the quick generation of personalised children's wear patterns. The paper samples generated by this method have a maximum error of less than 1mm when compared to manual paper samples. Additionally， the pressure range of the children's clothing prototypes is 0～2.753 kpa， meeting both fit and aesthetic requirements. Compared to traditional plate making and program- ming parametric methods， Rhino plate making is faster and uses simpler language， reducing the difficulty of parametric plate making. This shortens the production cycle for apparel enterprises and increases the accuracy of personalised clothing plate making. It reduces the difficulty of creating parametric plates， shortens the produc-tion cycle of apparel enterprises， and improves the accuracy and efficiency of personalized plate making.

Keywords：Rhino modelling software; Grasshopper parameterization; children's clothing prototype; pattern gen- eration

未來服裝行業(yè)的發(fā)展趨勢是加強數(shù)字化服裝設(shè)計。參數(shù)化紙樣是數(shù)字化服裝設(shè)計的重要內(nèi)容。參數(shù)化紙樣設(shè)計可以通過人體部位間的參數(shù)關(guān)系組成線性表達。參數(shù)化紙樣設(shè)計相比傳統(tǒng)手工制版具有生成速度快、易于修改及誤差小等優(yōu)勢?？紤]到兒童身體結(jié)構(gòu)及比例變化速度較快的特點，兒童紙樣設(shè)計不能簡單地將成年人紙樣簡單縮小。因此，在童裝設(shè)計中引入?yún)?shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，既能滿足童裝局部的個性化調(diào)整，又能縮短兒童服裝的生產(chǎn)周期。

目前國內(nèi)外學(xué)者多集中利用編程進行二次開發(fā)技術(shù)研究，分析提高參數(shù)化結(jié)構(gòu)制版準(zhǔn)確性與效率方面，根據(jù)一款固定款式服裝，或服裝局部結(jié)合款的變化規(guī)律與制版規(guī)則，建立人體與樣板間的關(guān)聯(lián)[1-2]。在個性化參數(shù)版型生成方面，采用逆向思維將三維模型轉(zhuǎn)換成二維版片，從而獲得特體人群的合體參數(shù)版型[3]。聚焦于個性化樣板參數(shù)的優(yōu)化處理[4-5]，利用單一細(xì)部尺寸也可快速生成紙樣的參數(shù)化制圖[6]。還有學(xué)者探究使用BP算法[7-8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法[9]，學(xué)習(xí)模擬人工制版的流程，實現(xiàn)自動化參數(shù)制版方式。

基于采用編程二次開發(fā)功能的參數(shù)化制版方式，對學(xué)習(xí)門檻和編程能力要求較高。本文通過建立關(guān)鍵點坐標(biāo)，二維樣板模型，構(gòu)建簡單快速生成的童裝版型。以東華童裝2020版樣為例，通過采集兒童標(biāo)準(zhǔn)體型的身體測量數(shù)據(jù)，提出一種基于Rhino建模軟件的參數(shù)化紙樣結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)，通過使用 Grasshopper 可視化編程插件和Kangaroo插件，實現(xiàn)了簡單高效的童裝參數(shù)化紙樣模型，并進行了初步的服裝物理模擬。利用三維虛擬軟件驗證該模型的可行性與準(zhǔn)確性，通過仿真對比驗證試穿的逼真效果，展示出新模塊算法的性能優(yōu)勢，解決了目前自動化參數(shù)化制版對編程語言和工具的問題，相較于傳統(tǒng)手工制版方法，利用模塊化方式快速準(zhǔn)確地生成紙樣，并實現(xiàn)初步三維模擬，突破了傳統(tǒng)服裝的制版方式，為童裝自動化紙樣生成提供了新方向。

1研究原理

參數(shù)化設(shè)計借鑒了拓?fù)鋵W(xué)（Topology）中提取不變性質(zhì)的思想，將其應(yīng)用到計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域，通過參數(shù)化建模的方法實現(xiàn)了設(shè)計的自動化生成，大大提高了設(shè)計效率。Rhino軟件是基于[10]TL-Lib 為基礎(chǔ)的Nurbs（Non-Uniform Ratio- nal B-Spline），即非均勻有理B樣條的一款自由曲面建模軟件，可以將NURBS曲線或曲面與線段連接生成平滑且曲率連續(xù)的服裝造型。Rhino 具有較強的兼容性，可以導(dǎo)出 dxf、stp、sdm等格式，能與二維和三維軟件聯(lián)合應(yīng)用。其中，Grass- hopper作為[11-13]可視化節(jié)點編程軟件，可通過簡單邏輯算法運算，建立參數(shù)模型，使設(shè)計迭代和制版更高效和智能化，相較于其他建模軟件，其優(yōu)化兼容性高且操作簡單，可實時將參數(shù)或生成物體形態(tài)調(diào)整展現(xiàn)在3D視窗中。

Nurbs是一種數(shù)學(xué)描述的幾何形狀的計算機語言，它可以精確地表示任何從簡單的2D線到3D自由曲面和復(fù)雜的3D有機體形狀。其中，三次Nurbs曲線[14]具備表現(xiàn)曲線和曲面形式，對三維模型的輪廓和外形具備準(zhǔn)確且精細(xì)表達的能力。它由四個控制點和一個節(jié)點向量組成。節(jié)點向量是一個非降序列，它定義了每個控制點的影響范圍。三次Nurbs曲線的關(guān)系表達式如公式（1）：

如圖1所示 P1、P2、P3、P4是四個控制點， W1、W2、W3、W4是權(quán)重因子通常將權(quán)重值設(shè)為1，Ni，3（u）是三次B樣條基函數(shù)，它們的表達式如公式（2）：

公式（2）中，ui 是節(jié)點向量中的第 i個元素，u 是曲線上的參數(shù)。三次Nurbs曲線的原理是通過控制點和權(quán)重因子來控制曲線的形狀，通過節(jié)點向量來控制曲線的光滑度，也可通過基函數(shù)的加權(quán)平均計算曲線上的點坐標(biāo)。

2實驗方案設(shè)計

2.1測量數(shù)據(jù)確定

采用手工測量法對華中地區(qū)3～5歲幼童進 ?行測量，參考GB/T 1335.3-2009《服裝號型兒童》[15]和GB/T22044-2017《嬰幼兒服裝用人體測量的尺寸定義與方法》[16]確定測量項目，分別選取：身高、背長、腰圍高、頸根圍、胸圍、腰圍、臀圍、總肩寬、前胸寬、后背寬10個人體尺寸，具體測量方法如圖2所示。

2.2測量數(shù)據(jù)的有效性

童裝上裝原型的尺寸取決于維度與長度即胸圍與身高，參照 GB/T 1335.3-2009《服裝號型兒童》可知胸圍與身高的最大允許誤差均為1 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.517 cm和7.638 cm 。根據(jù)最小樣本容量計算公式N=（μα×s/Δ）?可知，當(dāng)置信水平μα采用95%時，計算樣本容量 N 為224人。由于手工測量數(shù)據(jù)具有不確定性，需剔除數(shù)據(jù)中的異常值，最終確定有效樣本量為229個，有效率為99.6%。

3建立童裝版型

3.1版型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點及坐標(biāo)

童裝制圖的關(guān)鍵尺寸為身高、胸圍和臀圍，以東華童裝原型[17]為基礎(chǔ)，使用參數(shù)化數(shù)學(xué)模型約束童裝基本結(jié)構(gòu)線，并以身高（h）、胸圍（B）和臀圍（H）作為關(guān)鍵變量。圖3是童裝結(jié)構(gòu)圖與各個控制節(jié)點圖，其對應(yīng)的具體坐標(biāo)見表1。

3.2版型參數(shù)模型構(gòu)建

Rhino參數(shù)化制版是將傳統(tǒng)的制版與Grass- hopper可視化編程語言結(jié)合，利用導(dǎo)入、構(gòu)建和分析命令等模塊實現(xiàn)樣板的自動生成。首先，從csv 文件中讀取數(shù)據(jù)，并在Grasshopper中進行進一步處理，根據(jù)制版規(guī)則生成外部輪廓的幾何節(jié)點，如圖4（a）所示。

其次，通過個性化調(diào)試和生成封閉圖形，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)記和排序，以實現(xiàn)計算功能模塊的同時提供即時反饋，如圖4（b）所示。隨后，將封閉的幾何形導(dǎo)入仿真環(huán)境，利用點線面建立 Tri- mesh網(wǎng)格模型。在確定物理屬性和邊界約束條件的基礎(chǔ)上，進行模型的建立，如圖4（c）所示。通過調(diào)整迭代次數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)化模型，并多次優(yōu)化網(wǎng)格的頂點和邊的數(shù)量，以生成符合虛擬縫合需求的樣板，如圖4（d）-（e）所示。最后，導(dǎo)入兒童人體模型，賦予服裝材料屬性，添加縫合模擬的邊界條件和約束關(guān)系，并設(shè)置合適的碰撞力仿真參數(shù)，以確保Kangaroo力學(xué)模型的正常模擬。使用數(shù)據(jù)分析和可視化組件對結(jié)果進行查看和后處理。具體的樣板生成流程如圖4所示。

3.2.1版型功能模塊

點位設(shè)置需要高度精準(zhǔn)，因此需選用Grass- hopper 進行參數(shù)化點位建立。首先采用“Con-struction Point”組件以坐標(biāo)原點為參考創(chuàng)建對象；此外，還可利用“Math”、“Number”和“Axis”組件既可以曲線上控制點（如端點、中點、交點等）的建立與移動，并利用參數(shù)插件實現(xiàn)垂直和水平尺寸的變化。樣板線條可分為直線與曲線，直線可采用“Line”輸入線段的起點和終點的二維點生成直線段，其中，袖籠與領(lǐng)口處的曲線可通過分析曲線控制點的位置利用“Interpolate（內(nèi)插點曲線）”、“Nurbs Curve（構(gòu)造 Nurbs 曲線）”生成曲線。線生成面則需要利用“Boundary Sur- face”輸入樣板邊界線，并約束生成一個貼合邊界線的二維平面。

將生成的原型平面導(dǎo)入網(wǎng)格生成算法[18]，如圖5所示，平面內(nèi)網(wǎng)格依據(jù)邊線控制點密度不同，生成自適應(yīng)的網(wǎng)格并自動填充空洞，優(yōu)化后的網(wǎng)格中存在相鄰三角網(wǎng)格間共享頂點與邊線現(xiàn)象，且多位于服裝縫線位置，采用 Delaunay Mesh網(wǎng)格生成和幾何對象布局的模塊可以限制平面邊線形狀的變化，又便于為后續(xù)Kangaroo插件的合體性虛擬模擬提供更連續(xù)和平滑的幾何過渡，增強模型表面的支持性與穩(wěn)定性。

3.2.2版型虛擬力學(xué)模擬

二維版型到三維立體服裝模擬，應(yīng)當(dāng)滿足對應(yīng)縫合邊線長度應(yīng)一致，且對應(yīng)網(wǎng)格拓?fù)湎嗤瑘D6將服裝前后片拓?fù)潼c結(jié)合人體一一對應(yīng)，從而縫線可通過對應(yīng)邊上的點位進行錨點結(jié)合、焊接；若對應(yīng)邊長度與對應(yīng)網(wǎng)格拓?fù)洳煌?，則需要對網(wǎng)格進行二次優(yōu)化，即利用網(wǎng)格編輯插件將具有不同拓?fù)涞倪吘€重新整合為具有相同拓?fù)洳⑦M行連接的網(wǎng)格，最終生成Rhino服裝在人體上的物理模擬（見圖7）。

4數(shù)字版型驗證

4.1版型結(jié)構(gòu)驗證

從測量數(shù)據(jù)中隨機選取5個樣本，并將其關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)入Rhino進行參數(shù)化紙樣生成。同時，將生成的紙樣與手工制版紙樣進行對比分析（見表2）。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：Rhino生成的結(jié)果與手工制版細(xì)部尺寸基本一致。在輸入身高、胸圍、臀圍的情況下，參數(shù)肩線、前中線、后中線、前胸圍、后胸圍、前頸深、前頸寬、后頸深、后頸寬、前臀圍、后臀圍的盈余值的最大誤差不超過1 mm，這些誤差基本上不會對服裝的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。實驗證明，Rhino模型預(yù)測童裝模型符合產(chǎn)品要求。通過使用Rhino進行參數(shù)化版型建模，其結(jié)構(gòu)尺寸幾乎與傳統(tǒng)手工制版相一致，從而證實了Rhino參數(shù)化制版的可行性和準(zhǔn)確性。

4.2虛擬試衣效果

Rhino 具有強大的建模功能和力學(xué)分析能力，但其初步的物理模擬功能不足以對服裝的舒適度和外觀效果進行充分模擬。為驗證本文參數(shù)化版型設(shè)計的準(zhǔn)確性，需要借助CLO 3D平臺進行試穿與服裝模擬。將手工繪制的童裝原型版和Rhino生成的參數(shù)化原型版片均以dxf格式導(dǎo)入CLO 3D中，具體效果如圖8所示。

壓力分布范圍與接觸點[19]有助于評估服裝穿著的整體舒適度，一般上身部位的最大壓力舒適閾值是0-2.753 kPa [20]可以提供適度的貼合感和支撐，而不會造成過大的壓迫感。從圖中藍色壓力點與壓力網(wǎng)格分布可得出：壓力圖整體為無色，袖籠部為藍色，表明服裝整體壓力較低；同時，壓力接觸點均主要分布在身體的前胸部、肩部，少量分布在臀部與上腹部。壓力的分布主要與兒童生理體型特征有關(guān)胸肩部位是兒童肌肉骨骼相對突出且與服裝接觸面積較大的部位，較圓的腹部與突出的臀部是該年齡段重要特征，說明被模擬童裝的受力點分布均勻，沒有無用的受力點。

通過對比參數(shù)化制版和手工制版的正、側(cè)、背面的虛擬試衣圖，可看出參數(shù)化制版和手工制版二者的壓力接觸點與壓力分布范圍大體一致，僅壓力接觸點數(shù)量略有差異。表明Rhino參數(shù)化數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相近。因而Rhino參數(shù)化生成方式，即可以準(zhǔn)確預(yù)測兒童服裝的版型尺寸，又滿足了童裝的適體性和美觀性需求。

5結(jié)論

本文針對童裝版型參數(shù)化進行研究，提出了利用Rhino中可視化參數(shù)建模插件Grasshopper，在保證參數(shù)化設(shè)計與算法精度的情況下，將降低利用編程參數(shù)化制版的難度。為童裝版型參數(shù)化快速生成提供了新方向。

（1）通過手工測量了240名3～5歲幼童的身體數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取出參數(shù)化制版的三個關(guān)鍵參數(shù)；利用 Grasshopper 構(gòu)建原型坐標(biāo)點并利用 Nurbs曲線連接成童裝參數(shù)化模型。

（2）采用Kangaroo和Rhino結(jié)合進行童裝參數(shù)化原型的初步物理模擬縫合，可得參數(shù)化模型具有合體型。

（3）隨機抽取1個樣本驗證 Rhino 童裝參數(shù)化模型的準(zhǔn)確性，利用紙樣結(jié)構(gòu)和虛擬試衣驗證得出Rhino童裝參數(shù)化模型生成紙樣最大誤差不超過1mm，童裝原型的壓強范圍為0～2.753 kpa，證明了該童裝的適體性和美觀性。

采用Rhino進行參數(shù)化版型生成，解決了手工制版生產(chǎn)效率低、靈活性和定制性差的問題，保證了服裝版型的統(tǒng)一性和一致性，實現(xiàn)了簡單、合體的童裝原型參數(shù)化快速生成，為童裝的數(shù)字化和智能化提供了新的辦法。

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（責(zé)任編輯：周莉）