三维服装CAD技术发展概况

赵 星

（太原师范学院，山西 晋中 030600）

随着计算机软硬件技术的不断进步，消费者购买产品的手段开始多元化，对品质的要求逐渐提升。现如今，优秀服装企业对数字化服装定制的要求也逐渐明朗，不同于传统的二维服装计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD），数字化服装定制中的三维服装CAD技术集合了三维人体扫描测量和体型分析、三维人体建模、服装虚拟设计和3D服装转2D纸样等全过程，大大节省了时间和财力，提高了企业生产效率。这也是近年来国内外学术界普遍关注和研究的重点。

1 服装CAD的发展现状

自1970年CAD技术被引入服装行业后，历经半个世纪的发展，传统的二维服装CAD已日渐成熟，实现了服装的款式设计、结构设计、推档排料、工艺管理等一系列流程的计算机化，在企业和高校中广泛应用，改变了传统的手工生产方式，缩短了服装的生产周期。目前，国外现有的服装CAD制版系统比较著名的有：美国格柏、法国力克、西班牙艾维、德国艾斯特、美国PGM；国内主要有：深圳ET、航天、富怡、布易、至尊宝纺、日升天辰等，很多国内外的软件都具有最基本的款式设计、纸样绘制、放码以及排料等核心功能。但是，传统的二维服装CAD对成衣穿着效果的立体展现较差，而三维服装CAD恰好弥补了这一缺点，涵盖了三维人体扫描测量和体型分析、三维人体建模、服装虚拟设计和3D服装转2D纸样等全过程。虽然三维服装CAD因为技术不成熟、很多功能还未完善，在短期内无法实现商业化，但其加快了企业设计和生产进程，提高了用户体验和客户满意度，是服装领域技术的又一次飞跃[1-2]。

2 三维人体测量

三维人体测量是利用三维人体测量系统对人体进行全身扫描后实现全身数据的获取功能，是进行三维虚拟试衣和服装数字化设计、量身定做等必不可少的环节。相对于传统的人体测量方法，三维人体测量速度快、数据精准全面，可分为接触式和非接触式测量两种。

2.1 接触式自动测量

接触式自动测量一般在测量标准人台时使用率较高，人台不同部位型值点的疏密可以反映人台曲面率的大小。在测量时，所使用的工具是三坐标测量仪，可以直接接触人台测量，获得人台表面的型值点，再根据型值点的疏密和数量判断人台的曲面率。该方法一般用于标准人台的测量，不适合测量真实人体。

2.2 非接触式自动测量

不同于接触式自动测量，非接触式自动测量主要用来测量真实的人体数据。非接触式自动测量相对于接触式自动测量，所使用的仪器更加精密复杂，因此，测量方法可以分为多种类型。在非接触式三维人体自动测量中，使用的光源有两类，一类是系统自主提供的光源，另一类是外界的光源，按照光源的来源可以将非接触式自动测量分为主动式测量和被动式测量两大类[3]。在主动式测量方法中，系统自动向被测对象发射光束，然后对被测对象进行多角度的拍照分析，根据成像结果，在系统中生成三维人体模型，通过对模型数据的分析，得出被测对象的全身数据，这是使用最广泛、最方便的一种测量方法，很受企业欢迎。另外，在主动式三维人体测量中，可使用的光线种类较多，如激光、红外线和普通光等。相对于主动式测量，被动式测量系统没有自己的照明系统，需要外界提供光源，然后对被测对象进行多角度的拍摄，根据拍摄结果得出测量数据[4-5]。虽然具有简单、快速、准确的优点，但三维人体扫描系统价格昂贵、测量要求在暗室中进行、设备不便于移动等缺点也导致其在实际生产中应用性不高。

3 三维人体建模

三维人体建模是在三维人体扫描后，利用建模软件建立三维人体的虚拟模型，可以根据顾客或者厂家的要求实时修改模型各部位数据，得到不同体型的模型，这为私人定制等服务提供了技术上的支持。同时，建立虚拟模型也是展示服装必不可少的一个环节，是整个三维服装CAD系统的基础。三维人体建模按照建模方法的不同可分为4种类型：三维线框建模、三维实体建模、三维曲面建模和基于物理的三维建模[6]。

3.1 三维线框建模

三维线框建模使用的技术原理简单且易操作，是最早开始使用的建模方法，利用最简单的点、直线、参数化曲线等对人体的整体轮廓进行模拟，模拟过程快捷简单，因为模拟时使用的数据少、包含的信息有限等，可以对模型进行快速修改。但是，三维线框建模由于模型数据量有限，不能很好地分析加工模型的剖面图、明暗色彩图等。

3.2 三维实体建模

相对于只有外部线框的三维线框建模，三维实体建模在线框的基础上结合了对内部实心的表达，可以对所建成的模型进行剖面的分析描述，也可以展现比三维线框模型更多的模型数据。但由于模型更加复杂、计算效率更低，在模拟更复杂的人体表面时，仍存在一定的限制[7]。

3.3 三维曲面建模

曲面建模是目前最常用的一种人体建模方法，不仅可以很好地模拟人体体表形态，还可以对模拟的人体进行隐藏线消除等操作，大大提高了所建模型的真实感。但是曲面建模不能分析剖面图，这是曲面建模亟需弥补的缺陷。

3.4 基于物理的三维建模

基于物理的三维建模建立在传统建模方法之上，此方法将人体所处的外部环境因素引入传统的几何建模方法中，可以获得更真实的人体建模效果。但是，这种方法采用微分方程组数值求解的方法计算人体的动态，与其他人体建模方法相比，在计算上要复杂得多。

4 三维服装模拟技术

在三维服装CAD中，虚拟展示是关键技术。服装虚拟模拟技术是将设计好的二维服装纸样在三维虚拟人体上进行缝合、填充面料材质后再展示三维服装。服装模拟技术可以模拟服装的面料、色泽、在不同动态下的褶皱以及不同的穿着场合等。将设计好的二维衣片自动缝合模拟三维成衣效果，这一过程的关键是三维服装模型的建立。目前，服装建模方法主要有几何建模、物理建模和混合建模三大类[8]。3种建模方法都有优缺点。其中，几何建模在模拟面料的质感时，效果有待提高，但是服装的整体外观形态可以很好地模拟出来；物理建模虽然在运算过程中速度较慢，但能很好地模拟面料质感；混合建模结合了几何建模、物理建模的优点，织物面料的质感模拟效果较好，且模拟用时较短，是目前使用最多的方法。

国内外已经研发了几款比较成熟的三维服装展示软件，如美国GERBER的V-stitcher，可以根据用户的要求调节三维人体尺寸，并提供响应2D变化的实时3D图像，可通过互联网平台远程查看[9-10]；韩国设计的Marvelous Designer拥有强大的拆线功能，可以实现自由曲线绘制与三维立体裁剪同步互动，而且在修改二维纸样的同时，三维服装设计界面也会产生相应的改变。

三维服装模拟技术涉及纹理理论、动力学模型等多个高技术领域，虽然模拟服装的真实感还有待提高，但是在很大程度上弥补了二维服装CAD存在的设计结果直观性差、缺乏立体感、穿着效果不明显的缺点。

5 三维服装样板

三维服装和二维纸样之间的转换是服装数字化的关键问题，也是难点之一。三维服装转二维纸样运用了多种技术手段，比较通用的有网格平面法、几何展开法、中心点法等。在网格平面法中，用四边形的网格面对服装曲面进行模拟，并用四边形来代替相应的服装区域，衣片边界则用B样条函数来拟合，该方法一般应用于复杂曲面，如半球面的模拟。几何展开法，顾名思义，是将人体表面用简单的几何图形来模拟，然后将模拟效果近似地展开成平面。中心点法主要适用于简单曲面，如圆锥曲面等的模拟[11]。

目前，比较成熟的三维样板生成系统比较多，如加拿大PAD公司生产的三维服装系统，包括服装制版、二维服装样板放码、三维虚拟试衣等基础模块，可有效地在二维平面纸样和三维立体服装间实现互换功能。

6 结语

三维服装CAD系统在图形、图像处理技术方面涉及光照理论、色彩理论、纹理理论、动力学模型等高技术领域，很多技术还停留在理论阶段，因此，建立的人体模型不理想、服装模拟真实感差、二维纸样和三维服装之间的转换难度大。同时，软件之间样板文件的兼容性有待进一步加强，样板文件的互不兼容影响了各企业间的资源共享和技术交流。另外，盲目购买软件、后期维护成本高、服装企业相关技术人员数量少等因素，导致服装企业对三维服装CAD存在很大顾虑，致使国内企业对三维服装CAD软件的使用率不高。因此，我国需要培养大量的服装三维CAD技术人员，增加专业技术人员的数量并提升技术水平，开发并完善符合国内使用规范的相关软件，这是我国服装行业亟待解决的问题。虽然三维服装CAD有许多关键性的技术难题需要解决，但其在便捷性、直观性、真实感等方面的优势足以说明三维设计的确是服装CAD技术的发展方向，这一技术的成熟将会给服装产业及相关领域带来一场重大革命。