扫描人体外包围计算与上衣原型应用分析

夏 明, 张理想, 许 霄

(东华大学 a.服装与艺术设计学院; b.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051)

服装松量是指服装与人体之间的空余量,是影响服装舒适度和合体性的重要因素。研究服装松量分布规律,是提高服装结构设计合理性和服装舒适性的重要途径,也是实现智能化制版的关键技术[1]。国内外不少学者对胸围松量和腰围松量进行了研究,袁卫娟[2]统计分析了人体前下胸围-前腰围、后胸围-后腰围两部分形成的腰省,得到腰省量分区分布规则及紧身原型腰省预测模型。Castro[3]研究胸围松量分布,指出前胸宽、袖笼宽和后背宽所占胸围松量比例分别为43%、14%、43%。王晓霞等[4]通过分析体表角度和省道角度的关系,得到各腰省量的线性回归方程。赵晓刚等[5]绘制原型在人台胸围、腰围处形成的切面弧线,通过计算差值和占比得到合体原型腰部省量的分配方法。XU等[6]基于三维人体数据研究并量化了标准身材与特定款式的不同尺码服装之间的空间松量分布,为三维仿真提供评价指标。Liu等[7]通过对服装胸围和腰围的静态松量分布的研究发现,胸围松量更多集中在人体左右区域,腰围松量更多集中在人体前后区域。Wang等[8]用正弦函数和余弦函数拟合人体的特征断面曲线,得到胸围和腰围松量分配模型。上述研究为服装松量研究提供了不同的思路和方法,但均未考虑体型对松量分布的影响。在上装结构中,腰部造型的合体程度影响着紧身上衣的合体性与舒适性,且不同体型的腰腹部形态具有较大的差异,以体型为依据的省量的合理分配能够提高服装合体度。刘博飞[9]基于三维扫描女体的胸腰臀数据对东华原型进行拓展研究,得到东华原型Y、A、B三种体型的合体原型;平良木啓子[10]通过分析女性上半身各断面曲线形态特征,计算出腰部前倾体、腰部后倾体和中间体三种体型的腰省分配率;邹奇芝等[11]构建了7种适体原型,以满足不同的女体形态。上述研究虽考虑体型对松量影响,但是以人体轮廓曲线长度或上半身最小外包围作为松量研究的依据,而人体体表的尺寸和手工测量尺寸存在差距,对于腰部前突的特体,采用上半身最小外包围可能造成胸围松量过大,因此基于人体轮廓曲线长度或上半身最小外包围的松量研究结果与实际测量误差较大。

人体特征提取和测量是研究松量分布的基础,其难点在于人体特征点的识别。目前常用的特征点识别主要有4种方法:模板法、函数法、几何形状分析法和手工标记法。模板法是指将预定义的人体模板映射到点云数据上提取特征点。Azouz等[12]通过学习人体模板的地表特征和特征之间的空间关系,然后通过马尔可夫网络进行概率推理,从而确定目标人体的特征点位置。函数法是通过建立一个具体函数来识别特征点[13]。Dekker[14]采用人体体型特征判别函数,实现人体特征点的自动提取和三维人体尺寸的自动测量。Leong等[15]用逻辑数学描述人体特征信息,基于图像处理技术和计算机几何技术从人体点云数据中提取特征点。几何形状法是通过人体特征部位的形状特征来识别的。葛宝臻等[16]在分析轮廓线的几何特征时,通过近似区域搜索和精确找点获取了多个人体特征。模板法、函数法和几何形状法均属于自动提取特征点的方法,模板法精度高,但需要建立人体模板库,因此计算量大、成本高;函数法和几何形状法虽简单,但函数法费时且拟合数据不能很好地反映人体形状,几何形状法并不适用于特征部位的形状特征不明显的个体。而手工标记法是一种半自动的人体特征点提取算法,需要扫描前用标记物来标记特征点。美国军方的ANSUR工程[17]采用的就是这种方法,该方法虽复杂,但成本低、精确度高,适用于所有个体。

服装原型包含了最基本的人体特征信息和服装款式信息,是服装结构设计研究的基础[18]。本文在已有的研究基础上,以胸围上外包围为松量研究的依据,基于不同的体型分析其对应的紧身原型胸围松量与腰围松量的分布规律,从而得到紧身原型、不同衣身结构的腰省省量分配模型,为服装结构设计提供数据参考。

1 三维扫描人体特征信息提取和定义

1.1 数据获取和预处理

本文以华东地区年龄段为22～56岁的成年女性为研究对象,使用[TC]2三维扫描仪扫描获取了449名女性三维人体点云数据。为了减少误差,扫描前通过人工标记对图1所示的各测量特征点标记识别,扫描时采用标准站立姿势,身穿紧身内衣[19]。并借助逆向工程软件Rapidform 2006对点云数据进行降噪、孔洞修补等处理得到光滑的人体网格模型。

图1 人工标记的测量特征点Fig.1 Artificially marked measurement feature points

1.2 胸围上外包围的定义和计算

上半身外包围是用纸或面料垂直地面柱状包覆人体上半身躯干部(腰围线以上,不包括头部和手臂)一周所需的最小围度[20],如图2(a)所示。由于部分体型存在腰部前突的情况,如图2(b)所示,这部分突出量在原型上反映为a处省道量过小甚至为负,在原型应用时可以通过将胸省转移至腰部补足突出量,但若将这部分松量计入原型的胸围松量会造成胸部松量过大。因此,本文选取和计算的外包围是人体胸围线以上部分的外包围,即用纸或面料垂直地面柱状包覆人体胸围线以上部分(不包括头部、人体肩端点和手臂突出量)一周所需的最小围度[19],如图2(c)所示。

图2 人体外包围Fig.2 Body bounding circumference

胸围上外包围无法通过皮尺直接测量,而文献[20]中介绍的通过水平断面重合图提取外包围的方法和原型衣着装实验的方式都不适合大样本的快速测量。本文基于扫描人体的三维模型数据,提出一种能够快速准确计算胸围上外包围的方法,可以应用于3D人体测量系统中,具体步骤如下:

1) 截取过后颈椎点BNP水平面以下至胸围水平面以上部分的人体躯干特征网格模型,如图3(a)所示。

2) 将所截取的网格模型的顶点V={Vi=(xi,yi,zi)∈R3|i=1,2,…,N}全部投影到胸围平面上,得到胸围上水平断面的平面投影点集S={Si=(xi,yi)∈R2|i=1,2,…,N}。

4) 将点集SF、SB、SBL的并集SA(SA=SF∪SB∪SBL)定义为构成胸围上外包围的点集,使用Graham扫描法[21]计算点集SA的凸包,其过程如下:

第一步,选取初始点S0。遍历点集SA中的所有点坐标,将y坐标最小的一点作为初始点。若存在多个y坐标最小的点则选取x和y同时最小的点作为初始点。

第二步,连接S0与Si,其中i=1,2,3,…,n,选取与水平方向夹角最小的线作为初始准线并排序。如图3(c)所示,S0S1与水平方向夹角最小,其次为S0S2、S0S1、S0S3、S0S4、S0S5、S0S6。

第三步,从初始准线开始,按照第二步中点的排序检查三点连线的方向为向左方向或向右方向。给定过S1(x1,y1)和S2(x2,y2)的直线L:(y-y2)(x-x2)-(y-y1)(x-x1)=0,若S3(x3,y3)与S1S2构成向左方向,即(y3-y2)(x3-x2)-(y3-y1)(x3-x1)<0,则检查S2S3S4,若S2S3S4构成向右方向,即(y4-y3)(x4-x3)-(y4-y2)(x4-x2)>0,则删掉S3检查S2S4S5,以此类推得到凸包多边形S0S1S2S4S5S6,如图3(c)所示。所求凸包多边形的周长即为胸围上外包围尺寸。

图3 胸围上外包围的计算Fig.3 Calculation of the upper bust bounding circumference

胸围上外包围不包括人体肩端点和手臂部突出量,因此计算时需要去除这部分数据。取135°角的射线是考虑到,若直接以前腋点(后腋点)间连线为分割线,对于部分前冲肩的体型,不能有效去除上臂部顶点数据,如图4(a)所示;若取与前腋点(后腋点)间连线成90°的射线,对于胸部丰满的个体,垂线与胸部有重叠,如图4(b)所示。在计算外包围时,还需要将胸围断面曲线的点集数据包括在内,对于较肥胖的体型,在胸围侧面的位置会出现超出前后腋点连线的情况,如图4(c)所示,因此将胸围断面多边形加入到点集中来进行外包围凸包的计算。

图4 点云数据分割时的不同情况Fig.4 Different situations in point cloud data segmentation

1.3 特征曲线提取和划分

按照文献[19]的方法提取并测量胸围断面曲线和腰围断面曲线:首先,手工拾取三维人体网格模型扫描前标记的特征点,如前腰点FWP、胸高点BP;其次,将特征点所在水平面与三维网格模型求交,得到体表的水平断面轮廓曲线,该曲线的长度为人体体表的实际尺寸;然后,拟合各断面轮廓曲线的凸包曲线并离散为一组点集;最后,导出各个点的坐标并计算凸包曲线的周长。使用Rapidform 2006 API插件进行编程,实现对三维人体模型特征信息的批量处理。

为研究不同体型胸围松量和腰围松量分布规律,本文对提取的特征曲线进行细分。以胸围上外包围曲线上各特征点(前中心CF、胸高点BP、前腋点FAP、后腋点BAP、肩胛骨凸点SCP和后中心CB)和侧缝点SSP(前腋点FAP和后腋点BAP的中点)为导向点,获取导向点在腰围断面曲线和胸围断面曲线上的最近距离点,记为投影点。各投影点将胸围断面曲线和腰围断面曲线细分为12段,如图5所示。由于有些人体数据左右不对称,为减少获取的各曲线长度数据的误差,在特征曲线长度计算过程中取各断面曲线左右半身数据的均值。

图5 腰围曲线分段示意Fig.5 Schematic diagram of the waist curve segmentation

1.4 体型分类

根据国家号型标准用胸腰差将样本的体型分为Y、A、B、C四类,统计得到各体型及样本总体胸围、腰围、胸围上外包围的均值与标准差,如表1所示。

表1 各体型断面尺寸Tab.1 Cross-section dimension of each body type

计算各个体型扫描人体的胸围线、腰围线和胸围上外包围线上的点坐标均值,绘制出各体型平均的胸围曲线(BL)、腰围曲线(WL)、胸围上外包围曲线(MGUL),如图6所示。

图6 各体型特征断面的平均特征曲线重合Fig.6 Average characteristic curve overlapping of sections of each body type

由表1和图6可知:

1) Y体型和C体型的胸围上外包围均值相当且偏大,说明此类体型的人群上半身围度偏大,体态丰满;而A体型和B体型的胸围、胸围上外包围均值相当且偏小,说明此类体型的人群上半身围度偏小。

2) Y体型和A体型的腰围断面曲线被胸围断面曲线“包裹”起来,左右两侧间隙较大,说明此两类体型的人群腰部平坦且相对纤细;而B体型和C体型人群的腰围断面曲线比胸围断面曲线在人体前侧更为突出,且两断面曲线在人体左右两侧间隙较小,说明该两类体型人群腰部前突且相对圆润。

2 胸围松量分布

2.1 原型胸围松量分布

按照文献[20]中的定义将胸围上外包围曲线和胸围断面曲线长度数据的差值作为原型胸围松量。图7是449个人体样本胸围上外包围曲线和胸围断面曲线总体差值分布,均值是7.997 cm,标准差为1.597 cm,服从正态分布。表2是各体型前后片胸围松量取值。

图7 胸围上外包围与胸围的差值分布直方图Fig.7 Distribution diagram of the difference between the upperbust bounding circumference and the bust

表2 各体型原型胸围松量前后片分布Tab.2 Distribution of the front and back parts of the bust ease of each body type

由P组间<0.05和表2可知,不同体型的胸围总松量存在显著性差异,且随着胸腰差减小,胸围总松量和前片胸围松量呈增大趋势。为了探究不同体型的胸围松量差异是否显著,本文分别对Y、A、B、C体型的胸围松量进行单因素方差分析,结果如表3所示。由PY-A<0.05、PY-B<0.05、PY-C<0.05、PA-C<0.05可知,Y体型的胸围总松量与A、B、C体型的胸围总松量存在显著差异,且A体型和C体型也存在显著差异。由PA-B>0.05、PB-C>0.05可知,B体型的胸围总松量与A体型、C体型无显著差异。

表3 各体型原型胸围总松量差异显著性检验结果Tab.3 Difference significance test results of the total bust ease of various body type prototypes

2.2 原型胸围松量回归关系

以人体胸围为自变量、胸围上外包围为因变量,利用SPSS 22.0数据统计软件对胸围与胸围上外包围进行线性回归分析,回归分析结果如表4所示。由回归式可知,胸围上外包围与人体胸围具有正相关性,即人体胸围越大,胸围上外包围越大。各体型胸围上外包围与胸围的回归式的调整后的R2介于0.932～0.971,说明胸围尺寸对于胸围上外包围尺寸有90%以上的解释能力,即该模型拟合较好。

表4 各体型胸围上外包围与胸围的相关性及回归式Tab.4 Correlation and regression of the upper bust bounding circumference and bust of various body types

同理计算得到原型胸围松量与人体胸围的回归关系式,如表5所示。由各回归式可知,各体型的胸围松量与人体胸围均有负相关性,即胸围越大,胸围松量越小,但各体型的回归系数不同,其中Y体型和B体型胸围松量随胸围的变化更大,C体型胸围松量随胸围的变化最小。B体型的p值为0.399,说明B体型的原型胸围松量与胸围线性回归不显著,无统计学意义,因此采用胸围尺寸构建线性回归模型评估C体型的胸围松量准确度不高;Y、A和B体型的p值均小于0.05,说明Y、A和B体型的线性回归高度显著;但Y、A和B体型的调整后的R2值均小于0.5,说明个体之间胸围松量的差异不能完全被胸围尺寸所解释。

表5 各体型原型胸围松量与胸围回归式Tab.5 Regression equation between the bust ease and the bust of various body types

3 腰围松量分布

3.1 紧身原型腰围松量分布

本文研究的紧身原型腰围不设置松量,同胸围松量一样,将胸围上外包围曲线与腰围断面曲线的长度差作为腰围总松量。图8是449个人体样本胸围上外包围曲线和腰围断面曲线总体差值分布,均值是22.362 cm,标准差为3.108 cm,服从正态分布。对Y、A、B、C体型的腰围松量单因素方差分析的结果如表6所示,各体型及样本总体前片与后片的腰围松量及其占比如表7所示。由表6和表7可知,不同体型的腰围松量有显著差异;前片腰围松量总体小于后片腰围松量;随胸腰差减小,前片松量的占比呈减小趋势,后片松量的占比呈增大趋势。

图8 胸围上外包围与腰围的差值分布直方图Fig.8 Distribution diagram of the difference between the upper bust bounding circumference and the bust

表6 各体型原型腰围松量差异显著性检验结果Tab.6 Test results of difference significance of the waist ease of the prototype of each body type

表7 各体型腰围松量前后片分布Tab.7 Distribution of the waist easein front and back of each body type

利用上半身水平断面重合图划分区间,分别连接胸围上外包围线上的各特征点和腰围曲线上各特征点的投影点,在各个特征点处和侧缝处加入省道,从前至后依次定义为a、b、c、d、e、f省,并分割省道之间的区间,各区间内胸围上外包围曲线与腰围曲线之间的长度差值即为省量,如图9所示。各腰省量计算方法如表8所示,其中CF′、BP′、FAP′、SSP′、BAP′、SCP′和CB′分别为胸围上外包围曲线上前中心CF、胸高点BP、前腋点FAP、侧缝点SSP、后腋点BAP、肩胛骨凸点SCP和后中心CB在腰围断面曲线上的投影点。

图9 原型腰省量测定方法Fig.9 Method of prototype waist dart measurement

表8 原型各腰省量计算方法Tab.8 Calculation method of waist darts of various prototypes

各体型各腰省量分配率差异显著性检验结果如表9所示。扫描人体样本各体型腰省分配率的计算结果如图10所示。将各腰省量与总体腰围松量进行回归分析,得到样本总体各腰省分配量的回归式,如表10所示。可以发现:

1)Pabcde组间<0.05,Pf组间>0.05,说明不同体型的a、b、c、d、e省量占比有显著差异,而f省占比无明显差异,说明不同体型在f省处可用一套省量占比模型。

2) 腰省分配率随体型而变化,其中a省与b省分配率随着胸腰差减小而减小,c、d、e省分配率随着胸腰差减小而增大。

3) 腰省量与腰围松量呈正相关,即腰围松量越大,各个腰省量也就越大。各腰省的回归系数不同,其中a省系数最大,f省系数最小。

4) 原型a、b、c、d、e、f省的p值均小于0.05,说明各省省量与腰围松量的线性回归高度显著;但f省的调整后的R2=1.21,说明腰围松量对于f省的省量大小仅有12.1%的解释能力,即腰围松量不是影响f省省量大小的唯一因素。

表9 各体型各腰省量占比差异显著性检验结果Tab.9 Difference significance test results of difference significance of the waist dart of each body type prototype

图10 各体型原型各个腰省分配率Fig.10 Distribution rate of the prototype waist dart of each body type

表10 原型腰省量与腰围松量回归式Tab.10 Regression equation of the prototype waist dart and waist ease

将本实验得出的总体腰省分配率与日本文化原型的腰省分配率进行比较,如图11所示。由图11可以发现:

本实验得到的a、c、e省分配率大于日本文化原型,b、d、f省分配率小于日本文化原型;本实验得到的省道分配率大小为d>e>a>c>b>f,而日本文化原型的省道分配率大小为d>e>b>a>c>f,在一定程度上反映了中日两国女性体型的差异。

图11 本实验结果与日本文化原型腰省分配率比较Fig.11 Comparison of the waist dart distribution rate between this experiment result and the Bunka prototype

3.2 不同衣身构成的腰围松量分布

衣身构成是服装结构设计的基础。女装常用的衣身构成是三面构成和四面构成:三面构成女装以人体前后中心线为基准,衣身围度分为三份,一般前后有纵向分割线,前片有腰省,后片可设置中心分割线;而四面构成女装除前后片有纵向分割线外,左右两侧还有侧缝线[18]。因此,三面构成女装可设置腰省(BP处)、前省(FAP处)、后省(BAP处)和后中心省(CB处)4个省位,四面构成女装可设置前省(BP处)、后省(SCP处)、后中心省(CB处)和侧缝省(SSP处)4个省位,如图12所示。按照从前中心到后中心的顺序依次命名为a、b、c、d省。不同衣身构成各腰省量计算方法如表11所示。

图12 不同衣身构成腰省量测定方法Fig.12 Waist dart measurement method of different body compositions

表11 不同衣身构成各腰省量计算方法Tab.11 Calculation method of various waist darts of different body compositions

人体样本各体型腰省省量及分配率的计算结果如表12所示。再将各腰省量与总体腰围松量进行回归分析,得到样本总体各腰省分配量的回归式,如表13所示。可以发现:

1) 衣身构成不同,各省的位置和分配率也不同。

2) 体型不同,各个腰省的分配率也不同,其中三面衣身构成中a、b省分配率随着胸腰差减小而减小,c省分配率随着胸腰差减小而增大;四面衣身构成中,a省分配率随着胸腰差减小而减小,b、c省分配率随着胸腰差减小而增大。

3) 三面构成和四面构成的各个腰省量与腰围松量线性回归均高度显著;三面构成和四面构成各个腰省的回归系数不同,其系数从前往后依次减小。

4) 三面构成和四面构成线性拟合的优度略有差异,其中三面构成中b省的拟合优度最大,而四面构成中a省的拟合优度最大;但两者d省的拟合优度均为最小。

表12 各体型不同衣身构成腰省分配量与分配率Tab.12 Distribution amount and rate of the waist dart of different body compositions of each body type

表13 不同衣身构成的腰省量与腰围松量回归式Tab.13 Regression equation of the waist dart and waist ease of different body compositions

4 结 论

本文基于扫描人体的三维点云数据,计算出各体型的胸围上外包围,并以此为依据,研究紧身原型松量分布规律和腰省分配模型,为上衣的结构设计提供参考,具体有以下结论。

1) 根据国家号型标准用胸腰差将449个样本的体型分为Y、A、B、C四类,Y体型和C体型的人群上半身体态丰满;而A体型和B体型的上半身围度偏小。Y体型和A体型两类体型的人群腰部平坦且相对纤细;而B体型和C体型两类体型人群腰部前突且相对圆润。

2) 不同体型的胸围松量分布存在显著性差异,且随着胸腰差减小,胸围总松量和前片胸围松量呈增大趋势;各体型的胸围上外包围与人体胸围均有正相关性;各体型的胸围松量与人体胸围均有负相关性。

3) 不同体型的腰围松量分布存在显著性差异,不同体型的a、b、c、d、e省量占比有显著差异,而f省占比无明显差异,a省分配率随着胸腰差减小而减小,c、d、e省分配率随着胸腰差减小而增大;各个腰省量与腰围松量呈正相关。

4) 紧身原型腰省分配模型中,a省占16.67%、b省占12.66%、c省占17.45%、d省占27.24%、e省占20.58%、f省占5.44%;三面构成衣身腰省分配模型中,a省占16.67%、b省占18.26%、c省占54.58%、d省占10.88%;四面构成衣身腰省分配模型中,a省占24.01%、b省占34.91%、c省占35.67%、d省占5.44%。

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