基于三维测量数据的个性化女装原型样板生成

王朝晖， 吴雨曦， 杨 敏

(东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051)

目前，服装企业的生产模式正从大规模批量化生产逐步转向快速反应的个性化定制。为满足服装产品多样化需求，个性化的服装样板生成技术研究成为行业的热点和趋势。基于三维人体扫描数据，有多种具体的实现路径，Yang等[1]利用文化原型结构对三维人体模型设置约束特征线，并对每个区域进行划分，实现二维展平得到个体的服装原型样板；Meng等[2]通过几何重构提出了一种网格交叉参数化的优化算法，可对参数化设计的三维服装直接进行建模展平。由于三维服装设计到二维样板的生成通常忽略了面料的真实性能和人体穿着的舒适性，Bartle等[3]提出了一个定点优化程序来补偿虚拟成衣中由于物理受力所发生的褶皱形变；另一方面，Cichocka等[4]尝试在三维人体模型上直接进行服装的参数建模，并模拟不同的服装面料进行开发设计。Hong等[5]为脊椎侧突的残疾人进行三维成衣设计，将三维人体模型上的虚拟试衣直接转变为二维样板，进一步开阔了个性化服装样板生成的应用。

目前服装样板的个性化研究有以下3种思路：1)构建参数化原型样板，采用参数定义原型样板的几何形状尺寸数值并约定其尺寸关系。2)三维参数化设计到二维样板生成，即直接在三维人体模型或数字人台上进行服装款式样板的参数化设计。该方法依赖参数化建模，但是几何约束算法无法解决多样化服装款式的生产，其服装的合体性仍有待完善。3)三维成衣到二维样板生成，即利用曲面建模技术直接构建服装三维虚拟实体，并将三维人体上的虚拟试衣直接转换成二维的服装样板。尽管目前很多国内外学者对此做了多方面研究，三维仿真模拟和曲面展平的算法设计仍是业内一个巨大的挑战。

为解决个性化的服装样板生成技术中合体性的问题，本文基于三维测量数据和个性化人台重构，利用曲面展平技术对三维数字人台表面进行二维展平，提出了一种可行有效的女上装原型样板的生成方法，本文研究有望为个性化的数字人台建立以及服装量身定制(MTM)提供参考思路。

1 个性化数字人台的生成

由于人体体表是一个复杂的自由曲面，这种曲面难以展平得到可用的服装样板。为能够对人体模型进行曲面展平，构建具有人体特征的可展的数字人台模型是常用的手段。相关学者曾使用逆向工程技术从现有的对象构建模型，通过调整曲面再构建新的模型[6]，可减少对象模型的曲面尺寸控制点的输入最终重构模型。本文借助该类方法来构建被测者的个性化数字人台。

1.1 三维人体模型的重构

本文随机选取1名青年女性，首先借助[TC]2非接触式扫描仪对人体进行三维扫描，该测试者的身高为165.2 cm，胸围为86.5 cm，腰围为67.4 cm。在扫描过程中，由于扫描校准的不精确、测量系统电荷耦合器件的分辨率、身体部位晃动等因素影响，会使得测量后的数据存在图像误差，测量结果包含噪声，导致重构曲线繁杂和曲面不平滑等问题。此外，在非接触式扫描中，盲区和漏洞的出现造成扫描人体的形状无法精准，局部尖锐性突出点也会影响数据的精确性。

本文采用Rapid Form逆向工程软件对三维扫描的人体点云数据进行降噪、数据精简、点云合并处理，如图1(a)所示。随后在缺口、突出点构造平滑面或与周边相似的曲面曲率做补洞处理，如图1(b)所示。最后对三维人体模型进行曲面光滑处理，即得到用于曲面拟合和展平的人体模型，如图1(c)所示的最终处理后用于曲面展平的人体模型。将处理后的三维人体模型与实际人体尺寸数据作对比，在围度方向上选取测量胸围、腰围、臀围尺寸，在垂直方向上选取测量背长、腰围高及身高尺寸。表1示出经点云处理后模型的部分尺寸。数据表明，点云数据处理后的模型相对误差比点云处理前的相对误差小，测量精度明显提升，以上点云数据的处理是保证后续建模质量的必须步骤。

图1 点云数据处理Fig.1 Procession of point cloud data. (a) Noise reducing and simplifying; (b) Hole filling; (c) Smoothing

部位处理前尺寸/cm处理后尺寸/cm实际尺寸/cm处理前相对误差/%处理后相对误差/%胸围 85.1685.8586.501.550.08腰围 66.4067.2267.401.490.27臀围 93.6894.4694.400.760.07背长 39.7939.3739.500.740.34腰围高98.4998.1297.600.910.53身高 163.50166.09165.201.030. 54

1.2 数字人台的拟合

为充分反映服装制版中人体关键部位的尺寸信息，并为后续的人台曲面拟合和三维展平提供相应的参考坐标，首先需要对三维人体模型进行特征点定位。参考GB/T 23698—2009《三维扫描人体测量方法的一般要求》，GB/T 16160—2017《服装人体测量的尺寸定义与方法》，在三维人体模型躯干上选取了头部、颈部、肩部、臂根部、胸部、臀部、大腿等包含人、衣对应关系的47个特征点坐标，如表2所示。特征点的定位主要通过2种方式：一是通过人体几何特征形态，观测投影轮廓，找出人体轮廓突出点；二是通过计算曲面曲率，找出点云断面图的拐点，进而对特征点定位[7-8]。

表2 三维人体模型的47个特征点定位Tab.2 47 landmarks of 3-D human model

随后，从日本东丽(ACS)CreacompoⅡTorso软件系统中，选取1个与实验人体尺寸信息较为接近的系统数字人台，该人台的尺寸为：身高160 cm，胸围83 cm，腰围64 cm，臀围89 cm。在将三维人体模型与系统数字人台进行重叠时，采用手工操作保证人体与人台的中心轴重合，使得人体胸围线(BL)、腰围线(WL)和臀围线(HL)与人台上相应的水平面大致重叠，如图2(a)所示。在曲面调整中，以三维人体模型为基底模板，通过调整相应的空间点坐标使得数字人台非均匀有理B样条(NURBS)曲面逼近三维人体模型表面，见图2(b)。

臀围线以上部分拟合的标准是使曲面尽可能贴近人体模型表面，以达到数字人台与人体形状和尺寸的吻合。对于臀围线以下部分，按前中心线以腹凸点为基准竖直向下，后中心线以臀凸点为基准竖直向下来调整点坐标。侧面位置则拟合贴近人体表面，使得侧面到后中心线、侧面到前中心线的区域保持平滑状态即可。图3为最终曲线拟合结果及生成的个性化人台。

图2 三维人体模型与数字人台的重叠拟合Fig.2 3-D coordinate adjustment of body model and digital mannequin. (a) Overlapping;(b) Adjustting coordinates

图3 拟合的个性化数字人台模型Fig.3 Fitted personalized digital mannequin. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

表3示出实验人体和拟合人台的部分尺寸对比。根据GB/T 23698—2009中三维人体测量允许出现横向围度上平均差异最大值为4～9 mm，纵向体段长度上的最大差异值为5 mm，可知此拟合人台的构建能够良好地还原人体的特征尺寸信息。

表3 人体与拟合人台尺寸表Tab.3 Size table between human body andfitted mannequin

2 数字人台的展平

在服装CAD中，实现三维模型向二维衣片的转换是样板生成的关键，国内外许多研究试图通过引入图形处理的参数约束条件[9-10]来构建数字模型的近似可展曲面[11]，或引入能量模型并优化曲面展开算法[12]来减少三维展平的失真。Huang等[13]提出了一种可展曲面边界的三角化算法，可将三维模型划分若干个规整的模块，以减少三维服装模块在嵌入二维平面中的失真。基于以上在人体模型上建立服装特征线框进行曲面展平的研究，本文提出一种在数字人台上按特征线直接分割成若干模块，进行曲面展平的操作方法。由于在Creacompo Ⅱ Torso软件上重构的数字人台保留了系统自带的29条人体重要维度信息的NURBS曲线，可直接作为分割线进行曲面展平。为确保展平后的样板构造不影响人体穿着的舒适性和美观性，并且后续能适用于工业成衣化生产，需对数字化人台的曲面分割线进行筛选。

在参考人体重要尺寸信息以及继承传统服装原型结构规律的基础上[14-15]，本文在数字人台的纬向上保留颈围线、肩线、胸围线、腰围线、臀围线和大腿中央线(经过大腿中央点的水平线)这6条曲线；在经向上分别保留前中心线、经 BP 点的分割线(前公主线)、经前腋点至胯骨突出点垂直向下分割线、体侧线、经过后腋点垂直向下分割线、经过肩线1/2 处至肩胛骨突出点垂直向下分割线(后公主线)和后中心线这7条曲线。除前中心线(FCL)、后中心线(BCL)以及体侧线外，对于人体非定义区域，其余4条经向线可参考47个人体特征点的坐标或近似垂直平分各纬向线圈的方法来找到各连线交点，最终选取得到数字人台的展平特征线，如图4(a)所示。

图4 数字人台的样板曲面展平Fig.4 Flat surface flattening of digital mannequin. (a) Division wire of digital mannequin; (b) 12 initial pieces of prototype

随后采用CreacompoⅡTorso软件自带的曲面展平工具，依据展平特征线进行曲面自动切割，可将三维人体模型的数字人台右半部分划分为12片，如图4(b)所示，BL为胸围线，WL为腰围线，HL为臀围线。最终得到的二维平面矢量图即为服装款式变化的初始样板。对于复杂曲面三维到二维的转换，展平前后应该满足3点要求：三维曲面与二维衣片样板的面积近似相等；边界曲线长度保持一致；衣片间关键点的位置互相对应[16]。可通过以上原则对展平的二维矢量图进行适当调整。

3 构建个性化原型样板规则

从个性化数字人台得到的12片二维矢量图保留了大量的人体特征曲面信息，为后续三维虚拟成衣的款式开发奠定了基础，但由于初始样板形制上简单粗糙，且样片分散无规则，并不能直接用于服装平面制版和款式设计，须进一步对初始样板进行调整，其中样板松量的大小和省道的配置是服装制版最为关键的问题。

3.1 原型样板的松量分配

将上述12片展平的二维矢量图作为研究对象，并将矢量图按人体顺序部位进行拼合。为保持衣身原型在BL、HL的水平方向上，拼合时要注意各矢量图的BL、HL水平吻合，并将前后中心线修正为竖直的水平线。由于人体臀围线以下样板的部分对女上装结构影响度较小，因此在样板原型的拼合中忽略臀围线以下的样板造型。

图6 原型前、后衣片的省道调整Fig.6 Dart volume adjustment of prototype. (a) Dart adjustment in front and back; (b) Final personalized female prototype

图5 样板拼合及衣片松量调整Fig.5 Prototype adjustment of loose volume

3.2 原型样板的省道调整

原始样板上的省道是在数字人台的7条纵向基础线上分割获得的，由于原始省道形态不完全符合人体解剖学与衣身美学，应予以细微调整。如图6(a)所示，在后衣片中，修正肩胛省CGC′，使得省尖点落在肩胛骨的骨点S上。在后片腰围线上，移动2个腰省的省尖点，使省道成竖直状态，以达到较好的视觉平衡。在后侧片上，降低袖窿底点O约1 cm的高度，使得衣身袖窿底部离开腋窝以达到穿着舒适的效果。

在前衣片中，调整肩胸省QBQ′使其与后片的肩胛省位置对应一致。在腰围线上，将指向BP点处的胸腰省和肩胸省的省尖点偏离胸围线2～3 cm，使得衣身胸部造型饱满丰润。修正过于倾斜的腰省WUW′，使省道成竖直形态，并且省尖点落在胸围线上。最后，前侧片的袖窿底点O′与后侧片的袖窿底点同样降低1 cm。对于前后衣片腰线以下部分，根据人体的骨点位置修正省道的方向，最终可得到个性化的女上装原型样板，其中S为肩胛省尖点，F′为后腋点，U为前腋点，O与O′为衣身袖窿底点，如图6(b)所示。

4 原型样板的验证

为验证原型样板的可靠性，将调整后的原型样板按照1∶1的比例打印输出，用白坯布制作样衣，最后由该三维人体测量的实验对象进行试穿，验证原型样衣是否合体，如图7所示。表4示出原型样衣与人体的部分尺寸对比数据。

图7 样衣试穿效果Fig.7 Sample views of prototype. (a) Front view; (b) Side view; (c) Back view

部位人体尺寸/cm样衣尺寸/cm松量/cm衣长58.858.80.0颈围43.843.80.0胸围86.592.56.0背长39.540.00.5腰围67.467.80.4臀围94.496.01.6

从着装效果图可以观察到：原型衣领口弧线顺延，颈根围圆顺，不起伏且无绷紧现象。肩线基本处于身体肩棱线的上方，顺延肩斜度保持顺畅。袖窿弧线顺延，臂根围或衣身周边位置不起浮，无压迫。腰围线保持水平状态，前、侧、后衣身的身幅松量适中，且前宽、后宽、袖窿宽的比例合适。衣身表面整体顺畅，没有局部或整体的斜褶和掉绺现象，体型适合度良好。综上所述，生成的个性化原型能够良好地展现实验对象的躯干形态，适合度较好。

5 结束语

本文以服装产品的个性化需求为出发点，基于三维扫描数据，建立了一种从三维人体模型到二维服装原型样板的新方法。首先将点云处理后的三维人体模型与系统中的数字人台进行拟合，建立了个性化数字人台模型。随后将数字人台模型的特征线直接分割进行曲面展平，获得人体二维矢量图；最后根据衣身平衡原则，调整初始样板的松量和省道，构建了个性化女装原型。其原型样板试穿效果展示了良好的合体性和美观性。以上研究对于未来特殊体型定制服装样板和个性化样板自动生成技术具有重要的参考意义。

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