基于三维人体形态的织物立体悬垂测试方法与表征

韩剑虹， 周衡书， 武世锋， 刘向荣， 刘晋夫

(1. 湖南工程学院 纺织服装学院， 湖南 湘潭 411104; 2. 湖南省新型纤维面料及加工工程技术研究中心， 湖南 益阳 413000; 3. 湖南省新马制衣有限公司， 湖南 益阳 413100)

面料悬垂性能对服装整体造型效果有着显著影响，因此，如何以客观的方式反映面料悬垂性能便显得尤为必要。当前对织物悬垂性能的测试方法仍处在平面数据分析上，且测试试样面积小，该方法存在无法真实反映织物受力情况和悬垂形态的固有局限[1]；因此，本文提出一种基于人体三维形态且仅在重力作用下客观反映面料附着于人体时的悬垂性能与形态的测试方法。通过客观反映面料的悬垂形态，来辅助设计师对服装造型进行最佳诠释。

1 织物立体悬垂研究基础

1.1 三维人体形态

本文中织物三维立体悬垂形态测试装置以人体三维形态为出发点，如图1所示。通过对女性身体三维形态进行观察，并提取胸、腰、臀处横截面曲线，发现女性人体三维截面可近似视为圆形，如图2所示。

图1 女性三维人体建模Fig.1 Female 3-D human body modeling.(a)Front;(b)Front-right; (c)Right; (d)Right-rear; (e)Rear

图2 女性胸腰臀横截面Fig.2 Cross section of female breasts (a) , waist (b) and hip (c)

尽管性别、年龄、种族、遗传、地域、生活方式、饮食结构等因素会影响人体体型特征[2]；但人体各部位围度是相互联系的，胸、腰、臀、大腿等部位的横切面均呈现较为规则的弧状，因此，该三维立体悬垂测试仪选择以弧形对人体横切面模拟。图3示出不同胸型、腰型、臀型的人体模型简图。

图3 不同胸型、腰型、臀型的人体模型简图Fig.3 Human body model diagram of different chests, waists and buttocks. (a) Front view; (b)Side view

1.2 传统织物悬垂性测试法

传统的悬垂性能测试原理[4]：即采用伞式投影法测定织物的平面悬垂系数F，将直径为240 mm的圆形试样水平放置于直径为120 mm的圆形实验台上，由正上方对试样进行平行光源照射[3]，图4示出试样的正面投影。悬垂系数的计算公式为

式中：A0为圆台面积；A1为试样面积；A2为投影面积。

图4 伞式悬垂测试法示意图Fig.4 Schematic diagram of umbrella hanging test

伞式投影法将三维悬垂织物的轮廓投影到二维平面上，结合投影图像得出诸如波纹数、波宽不均匀系数、动态美感指数、波长不均匀等指标，借此评估织物的悬垂形态[5]，该方法对织物三维悬垂形态是基于二维投影评价；因此，可重复性不高，精度欠缺，而且实验结果往往与主观评价相悖，同时受测试机制的限制，此方法并非适用于全部织物。总体而言，伞式投影法存在如下缺陷：1)现实情况下，绝大多数织物悬垂形态均由铅锤重力主导，而传统测试法中织物受到垂直于织物经纬交织面附加力的影响[6]；2)被测试试样尺寸较小，边界效应明显，无法真实反映织物悬垂形态；3)对柔软、轻薄类织物进行测试时，上端固定处会使织物褶皱偏向投影区内，导致系统误差产生；4)测试过程中无法完全避免轻薄类织物的透光性；5)不同织物试样的三维悬垂投影形态并非绝对不同，传统方式在反映织物悬垂状态下的三维特性时缺乏客观性，亦得不到直观的三维悬垂状态[7]；6)抛物面反射光发生散射或漫反射，对实验也可造成显著误差[8]。

2 织物三维立体悬垂测试方法与表征

2.1 织物三维立体悬垂仪的测试原理

织物悬垂性是指织物在自重作用下的形态，作为织物风格评价的主要指标，它是悬垂形态的集中体现。三维立体悬垂测试仪原理如图5所示。

图5 三维悬垂示意图Fig.5 3-D Drape schematic diagrams. (a)Original specimen;(b) Specimen′s 3-D drape

1)三维曲向悬垂系数的计算公式。

式中：L0为试样长度；L1为折叠宽度；L2为悬垂宽度。当L2等于L0时，F等于0，试样硬挺；当L2等于L1时，F等于100%，试样柔软，100%悬垂。

2)波纹数n的定义：织物底部的悬垂投影中所形成波纹的个数。

定义：相邻2个峰谷之间的曲线长度l与水平距离d之间的比值。

定义：峰顶到相邻2个波谷的平均高度间的距离，如图6所示。

图6 峰宽和峰高等相关描述图Fig.6 Description figure of peak width and height

定义：用1/2峰高处的宽度来表示峰宽，如图6所示。

2.2 悬垂仪简易模型与悬垂指标测试结果

三维立体悬垂仪装置细部构造[9]为：顶端中空半圆弧形杆和3根竖直实心支撑杆；顶杆等距布16个夹子，且每2个夹子间设置弹簧以调节间距，近地侧等距布设喷气孔，在杆一端接空气压缩机时，气流通过喷气孔作用于织物试样上，试样悬垂总宽由两端固定夹控制；支撑杆固结于顶杆端部及中部3处，以确保整个实验装置不失稳，如图7所示。

图7 织物三维立体悬垂测试仪简易模型Fig.7 3-D Fabric drape tester model

在试样装置定型前，通过大量实验分析，最终确定试样夹持深度为10 mm、夹持间距为50 mm，同时以人身高为基准确定试样竖向1 000 mm,以达到模拟与人体实穿时悬垂形态相吻合的目的。

考虑到数据可能的离散性，随机选取10块织物进行悬垂性测试。测试前须对织物组织结构、厚度及影响织物悬垂性能的其他因素进行实测，结果如表1所示。通过对织物物理性能和结构参数的研究后发现，织物的悬垂形态是由其本质特性决定的。

利用三维立体悬垂仪测试10块同尺寸织物的悬垂形态与悬垂性能。为减少误差，重复5次进行实验，所得悬垂参数指标如表2所示。

表1 10种织物的物理性能与结构参数Tab.1 Physical properties and structure parameters of 10 kinds of fabrics

表2 织物三维立体悬垂仪测试数据Tab.2 3-D fabric drape test data

试样保持自然悬垂，将其投影曲线勾勒到白纸上，通过CAD每隔30 mm取一个点作图，采样密度如表3所示，拟合曲线如图8所示。

表3 控制点个数及密度Tab.3 Control points number and density

2.3 织物三维立体悬重测试指标分析

织物试样在5次实验中呈现一定的悬垂规律性，各被测试样的波纹数、峰高变异指数、峰宽变异指数值变化区间较小。

本次实验所选织物面密度区间为63.04～290.85 g/m2，在对被测试样面密度处于2个极值的试样6(最轻)与试样5(最重)进行分析后发现：峰高变异指数与峰宽变异指数离散显著，较为符合织物自身结构参数与物理性能；试样2的悬垂性最差，这是由于它是平纹组织的麻类成分，虽然厚度较薄，面密度较小，但织物成分与机构特性综合作用导致抗弯刚度最大所致；其余试样组织结构基本为平纹与绉组织(试样4为针织物)，大部分面密度在100～200 g/m2之间，整体悬垂形态较均匀，具备悬垂美感。

同时将上述10块试样经YG811-F型电脑织物悬垂仪进行多次静态悬垂测试求均值，在实验过程中，应避免同一块织物短期内进行多次实验，而应在测试后静置一段时间以确保织物原始属性的恢复。表4示出电脑织物悬垂仪测试结果。

对10组织物投影图进行分析，2种不同测试方法所得悬垂系数如图9所示，二者相关系数为-0.90，呈强负相关。传统YG811-F型悬垂仪测得的悬垂系数与悬垂形态呈负相关，本文三维立体悬垂测试法测得的悬垂系数与悬垂形态呈正关，因此，三维立体悬垂测试法可靠性高，直观表征性强。

图10为不同测试方式波纹图。可知，2种测试方法所得波纹数相关性高达0.90，进一步表明三维立体悬垂性能测试仪对织物悬垂性能测试已初具可行性。基于此，三维立体悬垂性能测试仪所测数据可更为客观地反映织物的真实形态与悬垂性能。

图8 试样投影仿真图Fig.8 Projection simulation figures of samples. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5; (f) Sample 6; (g) Sample 7; (h) Sample 8; (i) Sample 9; (j) Sample 10

试样编号悬垂系数/%最小波幅/cm最大波幅/cm平均波幅/cm波纹数134.725.7811.068.216271.147.4212.7510.312346.856.4611.788.994420.545.279.797.278543.546.2711.818.775632.965.4911.008.096727.065.5310.587.705821.325.249.917.327923.235.3310.307.4571022.675.2410.077.417

图9 不同测试方法悬垂系数图Fig.9 Drape coefficient graghs of different test methods

图10 不同测试方法波纹图Fig.10 Corrugated figures of different testing ways

3 结束语

基于人体三维形态，研制了一种能直观反映织物在自重状态下附着于人体时的三维立体悬垂形态测试装置，并通过大量实验分析证明该三维立体悬垂测试仪对织物试样悬垂形态与悬垂性能判定上更具真实性。同时该测试仪避免了传统测试方法的局限，从而更加直观、真实地反映出服装面料的实际悬垂效果和造型能力。本文测试方法和测试指标可为虚拟试衣系统中面料的表现形态提供新的检测手段和可靠的表征方法。

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