基于数字化三维人体模型的女装基础版型关系模型的建立

段 锦，佘 婕

(1.杨凌职业技术学院 信息工程分院，陕西 杨凌 712100；2.西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048)

量身定制的服装版型设计是近年来研究的热点和难点。传统量身定制的服装版型设计存在耗时长、代价高、设计与评价缺乏量化标准等问题，但随着科技的发展，可以通过计算机辅助技术解决传统量身定制的服装版型设计问题。

近年来在数字化量身定制研究中，Yang等[1]提出了基于数字化三维人体的女装量身定制版型设计方法，讨论了在女装版型中设定不同位置的分割线对女装版型适体性的影响。张亚君等[2]提出在三维人体模型上提取服装的原型部分，根据女性人体的曲面曲率对原型进行分块，并将不同块面的曲面展平，最终拼合形成服装纸样。Hong等[3]进行了基于扫描技术的女裙装量身定制版型的适体性研究。Huang等[4]提出了在数字化三维人体上建立女装设计版型的参数化模型思想，并通过建立女连衣裙版型关系模型验证了关系模型的正确性。陈龙等[5-8]提出了三维服装参数化设计框架及其实现方法,通过构建参数化三维人体模型实现模型联动与驱动，并通过扩展传统的参数化思想，将曲线与曲面作为三维服装设计的基本要素，同时利用特征信息构建了不精确表达的服装几何模型，使用混合维度输入信息来执行多级几何模型的多级驱动。Xu等[9]提出了三维人体模型曲线与版型曲线之间具有对应关系，并分析了胸围和颈围与版型之间的关系。

本研究以爱华8号女性人台为例建立女上装基础版型关系模型，通过分析爱华8号女性人台上半身的形态特征与女上装基础版型设计中的对应关系，并在数字化三维人体模型上建立该对应关系，从而构建基于三维人体模型的女上装基础版型。最后通过样衣制作与试穿，验证了女上装基础版型关系模型设计方法的可行性。

1 女上装基础版型关系模型

1.1 女上装基础版型关系模型定义

女上装版型关系模型是基于量身定制的女装版型设计标准。为了使女装版型设计过程更便捷、结果更准确，将女装版型设计过程分为三个层级：基础版型、亚基础版型、款型[10-12]。其中，女上装基础版型关系模型是女上装版型关系模型的第一级，由女性上半身的细部尺寸与特征曲线共同影响生成。女上装基础版型可以最大限度地保留女子上半身形态特征，保证最小的呼吸量，没有款式与功能的变化。

1.2 女上装基础版型设计参数与女性上半身形态特征的关系

1.2.1女上装基本版型特征点与女性上半身特征点的对应关系

女装版型的构成要素是点、线、面，其中点是构成女上装基础版型最基本的要素。在女上装版型设计中需要考虑的版型特征点有前领点(P_N)、胸宽前点(P_FBF)、窿深线前点(P_AHF)、前胸围前点(P_B)、腰围前点(P_WF)、胸宽侧点(P_FBC)、胸围侧点(P_BC)、前胸省侧点(P_BCC)、腰围侧点(P_WC)、袖窿侧点(P_AHC)、肩前点(P_SBF)、肩中点(P_SBM)、肩后点(P_SBB)、胸点(P_BP)、前腰垂点(P_WM)、后领点(P_NB)、背宽前点(P_BBF)、窿深线后点(P_AHB)、胸围后点(P_BB)、腰围后点(P_WB)、背宽侧点(P_BBC)、后腰垂点(P_WMB)、后肩省点(P_SS)。女上装基本版型特征点与女性上半身形态特征点存在着一一对应关系，如表1所示。

表1 女上装基本版型特征点与女性上半身形态特征点对应关系Tab.1 Relationship between feature points of women′s body block and those of women′s upper body

1.2.2女上装基本版型特征线与女性上半身特征线的对应关系

女性上半身特征线由两个或者两个以上的女性上半身形态特征点构成，而女上装基本版型特征线由两个或者两个以上的版型设计点构成。由于女上装基本版型特征点与女性上半身特征点存在着一一对应关系，所以女上装基本版型特征线与女性上半身特征线在版型设计中同样存在着一一对应的关系，如表2所示。

表2 女上装基本版型特征线与女性上半身特征线对应关系Tab.2 Relationship between feature lines of women′s body block and those of women′s upper body

2 建立数字化服装设计人体模型

2.1 数字化三维人体模型数据获取

选取爱华8号女性人台为研究对象，获取数字化三维人体模型，首先要对爱华8号女性人台的特征点进行标定。特征点的标定方法分为两类：一类是根据GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》[13]确定的人台特征点；另一类是为了方便三维人体扫描以后特征线的构建，在弧线曲度较大的地方添加特征辅助点。本研究利用德国TecMath非接触式三维光学扫描仪对爱华8号女性人台进行数字化三维人体模型的获取和数据测量，见图1。图1(a)为已经标定好的爱华8号女性人台，图1(b)为爱华8号女性人台的扫描图。同时，利用ScanWorX软件对爱华8号女性人台尺寸进行人机交互测量，获取的爱华8号女性人台的尺寸见表3。

图1 数字化三维人体模型获取Fig.1 Scanning image of Alva 8 female

表3 爱华8号女性人台测量尺寸Tab.3 Measurements of Alva 8 female form

2.2 女上装数字化三维人体模型构建

根据点云数据不能直接进行三维人体模型的构建，因为使用非接触三维人体光学扫描仪获得的数据点还包含噪声和杂点[14]。本次扫描获取的282 270个点云数据，首先需要过滤冗余点云，如果不进行冗余点云的过滤，庞大的数据会拖慢计算机的处理速度，在进行点云重构曲面的时候导致光顺性变差。

扫描爱华8号人台获取点云数据时，人台支架在激光扫描时会出现光线散射，获得的点云数据中包含噪声(数据杂点)，故首先需要人工甄别和删除点云数据中的噪声。爱华8号女性人台体表数据变化均匀，无棱角边缘，所以选择公差球算法对点云数据进行精简。所谓公差球算法就是以起始点为球心，指定半径，形成一个球空间，在这个球空间内，除了球心其他点被隐藏的点云过滤方式。表4是公差球算法不同半径的点云精简结果。经过公差球算法过滤，点云趋向于均匀分布。

表4 公差球算法不同半径的点云精简结果Tab.4 The tolerance ball algorithm was employed to streamline the point clouds

由表4可以看出，点云经过过滤后依然非常密集，无法通过直接观察的方法来确定结构中所包含的全部细部几何形状。为了确定精简的点云既能够满足曲面的光顺性，同时还能够兼具精确性，要对点云进行网格化。图2为不同公差球算法精简下的点云网格化效果图。通过图2可以看出在半径R=8 mm时，爱华8号女性人台体表光滑、表面标记点保留较好。

3 基于数字化三维人体模型的女上装基础版型设计

3.1 基于数字化三维人体模型的女上装特征曲线设计

由于女上装基本版型特征线与女性上半身特征线存在一一对应的关系，所以需要在数字化三维人体模型上构建与女上装基本版型特征线相关的女性上半身特征线，包括前中线、后中线、侧缝线、颈围线、袖窿深线、胸围线、腰围线、袖笼弧线。图3为与女上装基本版型特征相关的女性上半身特征线。表5是基于数字化三维人体模型的女上装特征曲线的设计要点。

图2 公差球算法点云网格化效果图Fig.2 Constructed via griddization of point clouds

图3 与女上装基本版型特征相关的女性上半身特征线Fig.3 The characteristic curves concerning woman upper body and block

表5 基于数字化三维人体模型的女上装特征曲线的设计要点Tab. 5 Design points of characteristic curves of woman upper body and block based on 3D body model

3.2 基于数字化三维人体模型的女上装基础版型获取

建立数字化三维人体模型的女上装基础版型，首先需要在数字化三维人体模型上建立女上装基础版型特征线。由于女上装基础版型特征线与女性上半身特征线存在一一对应关系，所以数字化三维人体模型的女上装基础版型特征线与图3建立的女性上半身特征线对应。

本研究在CATIA软件中根据建立的女上装基础版型特征线与点云趋势构建拟合曲面。第一步，在CATIA软件“quick surface reconstruction”中运用“clean contour”对女上装基础版型特征线进行边缘轮廓的抽提。第二步，在“surfaces network”中根据版型边缘轮廓内的点云趋势，对女上装基础版型进行曲面的重新构建。第三步，在“surfaces network”中利用女上装基础版型特征线对重构曲面进行调整。具体过程见图4。

图4 女上装数字化三维人体模型基础版型获取Fig.4 Obtainment of women′s body block of 3D digital human model

3.3 确定数字化三维人体模型女上装基础版型分割线

人体是一个不规则曲面体，女性体表胸部和肩胛骨的窿起使得女性体表在胸部与肩胛骨处存在增加量，而这个增加量使得获取的数字化三维人体模型女上装基础版型成为一个不可展的曲面。女上装基础版型拟合曲面不能直接从三维状态展平成为二维版型，直接展平则会在胸部和肩胛骨的周边产生多余的褶皱，使得生成的二维版型不能够贴合人体表面。为了使服装二维版型能够较好地贴合人体表面，需要在女性体表窿起处进行分割，这时需要对生成的女上装基础版型拟合曲面图的分割位置进行设计。分割尖位需要指向体表的窿起凸点，分割线需要容易获得与修正。

女上装基础版型的前片版型分割尖位为胸点，后片版型分割尖位为肩胛骨窿起点。女上装基础版型前片分割线设计为前胸省、前肩省、袖窿省，后片分割线设计为后肩省、后腰省。图5为女上装基础版型分割线设计图。

图5 女上装基础版型分割线设计图Fig.5 Split lines design of body block in women′s tops

4 女上装数字化三维人体模型基础版型展平

由于获取的数字化三维人体模型女上装基础版型是一个不可展的曲面，Duan等[15-16]在2016年提出了基于特征点与特征线的新型展平方法，将展平问题转换为一个求无约束极值问题。第一步将三维网格点向二维平面做映射，在映射的时候保持展开前与展开后的曲面所有网格点距离变化最小，实现第一次近似展平；第二步在第一次近似展平的基础上建立弹簧-质点模型，释放能量获得展平结果；最后对几何展平结果进行版型修正。

4.1 曲面网格的初始展开

4.2 曲面展开的弹簧-质点模型

对于初始展平的网格曲面，为了减少初始展平误差，在初始展平的基础上建立弹簧-质点模型(见图7)。弹簧-质点模型将网格上的点看作质点、边看作弹簧，边长在不可展曲面的展平过程中产生伸长或者压缩形变，弹性能量积累就形成弹性形变能，在展开的过程中，不断释放系统的弹性形变能，最终得到展平曲面。图7中，Pi为质点,Pi与Pj之间可视为弹簧连接，原始曲面上的初始边长可看作弹簧原长。展平过程中，如果平面上质点Pi与Pj的间距大于弹簧原长，则Pi与Pj之间呈现吸引力，反之呈现排斥力[19-20]。

图6 曲面网格的初始展开Fig.6 Initial developing of the surface meshes

图7 弹簧-质点模型Fig.7 Spring-mass model

质点Pi处变形前后能量和力的积聚形式可用如下方程表示：

(1)

在曲面展开过程中，可以用拉格朗日方程来描述质点的运动，即

(2)

式中：M是系统的质量矩阵；D是系统的阻尼矩阵；K是系统的刚度矩阵；gq是局部自由度与全局自由度之差引起的系统内力；fq是系统外力。通过分析可知，数字化三维人体模型女上装基础版型的弹簧-质点系统中，阻尼项可以忽略且gq与fq为0，从而进一步简化公式(2)：

(3)

在数字化三维人体模型女上装基础版型的弹簧-质点系统中，质点运动中的时间间隔Δt很小，质点Pi的加速度可被认为是常量，整个系统中的各个质点处于平衡。利用欧拉法求解拉格朗日方程：

(4)

4.3 版型修正

通过弹簧-质点模型展平版型同样具有误差，这个误差可以用长度来进行矫正，故需要对弹簧-质点模型展平结果再次进行版型修正，见图9。如图9(a)所示,首先对展平结果导入参考线，将展平结果中的前中线、后中线、窿深线、胸围线、腰围线与坐标参考线对齐。再将展平的曲线修正为直线，同时利用爱华8号女性人台的测量尺寸(见表2)对版型进行第一次复核修正。为了绘制方便，将肩部省量转移到胸部省量。图9(b)是女上装基础版型的第一次复核修正。人体需要呼吸与运动，服装版型必须设计有保证人体生理机能正常所应放松的量值，包括呼吸、血液循环等需要的余量。吴志明[21]指出女装基础版型需要包含生理最低允许量，人体最小生理舒适量为4 cm。王璇[22]指出版型围度放松量可以分为后背宽放松量、袖窿放松量和胸宽放松量，其分配方式为30%、40%、30%。因此，女上装基础版型的第一次复核修正之后要进行第二次复核修正，即在第一次修正的基础上在胸围部分增加人体最小生理舒适量(4 cm)，其中后背宽放松量分配30%、袖窿放松量分配40%、胸宽放松量分配30%。图9(c)为第二次复核修正，即增加放松量后的女上装基础版型。

图8 版型展开图Fig.8 Approximate deve-coping pattern

图9 女上装基础版型关系模型修正Fig.9 The modified patterns

5 女上装基础版型关系模型及其验证

将第二次复核修正后的女上装版型按照1∶1的比例打印并拓印在白坯布上,手工裁剪缝制，在爱华8号人台进行试穿(爱华8号人台是无任何放松量的人台)。女上装基础版型样衣穿着效果如图10所示。

(1)版型试穿主观效果

图10 女上装基础版型人台试穿效果Fig.10 Samples of body block

横向：女上装基础版型的领口弧线沿颈根围较为圆顺；胸围线、腰围线、窿深线、胸宽线、背宽线均位于人体相应位置，呈水平状态；肩线位于颈侧点与肩点连线位置，肩缝顺直，肩斜度适中。

纵向：样衣布纹顺直，前中心线、后中心线和侧缝线均在人体相应位置。

贴体程度：胸围线、腰围线贴合，胸省量刚好能够消除胸部余量，能够较好地展现女性的胸部形态。

(2)版型试穿客观评价

衣下空间狭义上指人体净体曲面与最内层服装内表面之间的空隙，可以表征为特征截面上人体净体与服装内表面之间对应位置的距离差。衣下空间的整体差量可以作为试穿的客观评价标准，用公式表示为

d=C2-C1，

(5)

式中：d为服装宽松量；C1为人体净围度；C2为服装围度。因此，服装宽松度φd可以表示为

(6)

用马丁测量仪对样衣进行测量，计算腰围与胸围部分的服装宽松度，腰围宽松度φdw=5.5%，胸围宽松度φdB=4.3%，表现为在人体静止时无束缚力，与应力接触时依然会产生束缚。

6 结语

本研究建立了基于数字化三维人体模型的女上装基础版型，通过曲面展平的方法获取了女上装基础版型，对女上装基本版型进行样衣试制，并通过试穿验证了女上装基础版型具有良好的贴体性及设计方法的可行性，为亚基础版型设计与女装款型设计奠定了基础。