基于男性腰臀裆部NURBS曲面模型的内裤数字化制版

任 泽, 钟安华

(武汉纺织大学 服装学院, 湖北 武汉 430073)

服装数字化发展是不可阻挡的发展趋势,主要体现在生产工艺、虚拟试衣[1]等方面。传统的手工制版有着尺寸误差大、合体服装版型不贴合人体体表曲面形态和贴体服装造成服装压力较大等问题。内裤与人体皮肤紧密接触,被称为人体的第二皮肤,对服装压力大小更为敏感,男性由于生殖器官的凸起形态各异,使得男士内裤版型变得复杂,而数字化制版可以很好地解决这个问题。

关于提高男士内裤舒适性方面,不少学者专注于研究面料物理特性与皮肤压力之间的关系[2],面料的透湿透气性对穿着舒适度的影响[3]等。在内裤版型的研究方面,对男性第一性征的下体提出了近似测量方法进行体型分类[4],分析男士内裤不同的分体结构对男性体征的影响[5],还有探究裤装与男士内裤的制图方式[6],说明研究人员已对男性下肢带结构与裤装推导内裤版型进行了深入分析。随着计算机技术的发展,通过数学表达设计算法[7],利用单参数平面族的包络[8],拟合人体体表曲面的展平方法被提出[9],曲面展平技术已经在服装结构中运用。

本文通过服装数字化,对建立的三维曲面模型进行体表曲面剥脱展平处理,直接快速得到合体的男士内裤版型,实现了模型虚拟试衣与数字化版型相统一,得到的数字化版型误差小,且数字化版型生成方法不具有针对性,也适用于平均体、虚拟人体的数字化版型生成。解决目前市场上男士内裤版型未对男性生殖器官的凸起形态进行合理分类与版型设计问题,使男士内裤裆部达到更加合体效果,打破传统男士内裤版型设计方法,在合体内裤版型上使用针织面料,合理地提高内裤穿着舒适性,提高企业制版效率,为合体型服装制版提供新方法。

1 数据准备

1.1 人台准备

1.1.1 人台尺寸参数

本文为使研究更具有普遍意义,实验对象选用胸围为92 cm的人台。实验对象的重要项目尺寸参数为:腰围78.7 cm,臀围94.4 cm,大腿根围58 cm,生殖器官凸起距3.1 cm,前后上裆总长 78 cm。 图1为人台的正面、侧面和背面示意图。通过示意图可以观察到人台男性生殖器官饱满,凸起量较小。

1.1.2 人台点云数据

获取实验对象的点云数据,并通过Scan WorX Interactive Measure交互测量软件测量人台各截面围度、角度、高度差等数据。

设备:VITUS81540非接触式三维人体扫描仪,德国 Human Solutions 公司。

实验要求:将人台置于无光源密闭空间内,环境温度为(27±3)℃ ,环境湿度为(60±10)%,摆正人台位于标记线正中,固定人台避免晃动,进行三维人体扫描。

1.2 建模数据提取

实验对象经过单次三维人体扫描后输出点云数据,运用逆向工程软件对实验对象腰围至大腿围进行点云数据截取,图2(a)示出实验对象腰至大腿根围的点云数据。从截取部位的点云数据中选取腰围、腹围、髋关节、臀围、生殖器官凸起处、会阴、大腿根围7个特征截面,从每个特征截面围度的点云数据中提取50个等距点的坐标信息表示截面形态,对各截面点坐标进行对称处理,获取构建模型所需的点云坐标集。使用Solidworks工程建模软件在草图中输入点云坐标集,点云坐标集的提取为曲面模型的构建提供了控制顶点位置信息,图2(b)示出导入Solidworks软件中的点云坐标集。

图2 点云坐标集的提取Fig. 2 Extraction of point cloud coordinates set.(a)Point cloud data;(b)Point cloud coordinate set

2 NURBS曲面模型与展平

2.1 NURBS曲面构建

NUBRS曲面建模技术是专为曲面复杂物体三维模型重建而设计的,能基于曲线和曲面的形式对三维模型的轮廓和外形进行准确精细的表达[10]。提取腰围、臀围、会阴围、大腿根围4个围度的点云坐标集,以点云坐标集为控制顶点。一条k次NURBS曲线可表示为一分段有理多项式矢函数[11]：

式中:wi(i=0,1,…,n)为曲线上控制顶点权因子;di(i=0,1,…,n)为曲线上控制顶点;n为曲线上控制顶点的数量;u为曲线的参变量;k为曲线的次数或阶次;Ni,k(u)是k次规范B样条基函数。

图3(a)示出由控制顶点di连接起来组成的NURBS控制曲线。在u方向和v方向,使用NURBS曲线的方法,构造一张NURBS曲面,一张k×l次NURBS曲面[11],图3(b)示出由控制顶点dij连接起来组成的NURBS控制曲面,公式如下:

(u,v)∈[0,1]×[0,1]

式中:wi,j为曲面上控制顶点权因子;dij是曲面上第(i,j)个控制顶点;m为曲面上控制顶点行的数量;n为曲面上控制顶点列的数量;u为曲面横向方向上的参变量;v为曲面纵向方向上的参变量,k为曲面在u方向上的阶次;l为曲面在v方向上的阶次;Ni,k(u)和Nj,l(v)分别为u向k次和v向l次的规范B样条基函数。

图3 NURBS曲面构建Fig. 3 Construction of NURBS surface. (a)NURBS curve; (b)NURBS surface

2.2 腰臀裆部曲面模型建立

腰围是人体躯干上下部分的隔带[12],内裤腰围的选择通常会低于人体的腰围线,高于人体的臀围线。臀围是男性下半身围度最大的部位,是裤装结构设计中必不可少的尺寸参数,因此臀围尺寸的获取尤为重要。前后上裆总长将男性人体分为左右对称的两部分,因此曲面区域划分主要以腰围、臀围、前后上裆总长为划分依据。

依据腰围、臀围、前后上裆总长将男性腰臀裆部划分为16块区域,依次构建出16块NURBS曲面,相邻区域使用同一NURBS曲线,因此16块区域依据曲面拼接连续性原理,相邻曲面选择公共连接线,组成如图4所示的男性腰臀裆部曲面模型。对比人台,曲面模型与人台体表曲面弯曲程度一致,生殖器官凸起程度相同,曲面模型能够准确表达人台的体表曲面。另外,曲面模型表面光滑、内部中空,曲面厚度小,证明曲面展平的可实施性。

图4 腰臀裆部曲面模型Fig. 4 Waist hip crotch surface model

2.3 NURBS曲面模型展平

由于人体曲面左右对称,并且大腿形态近似于圆柱体,不影响内裤结构设计,因此选择人台左边7块曲面进行版型研究,为方便辨认曲面,对7块曲面进行了编号,如图5所示。使用曲面展平工具实现NURBS曲面到二维平面的转变,展平边线线条为侧缝线和前后上裆线,产生的二维平面与曲面本体边线相切,图6为编号4的曲面沿侧缝线的展开图。以垂直于平面的视角,将展平的曲面制成工程图,按1∶1的比例将工程图导出为DXF格式,获得7片二维平面图。

图5 曲面编号Fig. 5 Surface number

图6 曲面展平过程图Fig. 6 Surface flattening process diagram. (a)Surface flattening diagram; (b)Plan view

三维曲面展平到二维平面,应当满足曲面展平后面积与曲面面积近似相等,且边界长度尽量保持不变,为验证曲面展平效果,计算表面积差和边界长度差来检查曲面展平的准确度。表1示出曲面与其对应展开平面的表面积差,表2示出曲面与其对应展开平面的边界长度差。表中编号5的表面积和编号6的边界长度误差值较大是由于臀部翘起量造成曲面弯曲程度较大,从尺寸数据上看面积误差小于等于1 cm2,边界长度误差小于等于1 cm,误差范围在规格尺寸误差的接受范围内,因此展平的平面能够准确表达曲面形态。

表1 曲面展平的面积误差Tab. 1 Area error of curved surface spreading

表2 曲面展平的边界长度误差Tab. 2 Boundary length error of surface spreading

2.4 内裤数字化版型生成

使用ET服装CAD软件同时打开DXF格式的7张工程图图纸,对图纸进行整理,获得合体的男士内裤版型,如图7所示。版型整理步骤如下。

1)如图7(a)为经过平移工具整理后的初始平面图,将整理后的工程图使用对称工具和多功能绘图工具将曲线点简化处理得到图7中(b)。

2)使用摆正工具将各个版片进行摆正处理,将处理后的版片进行形状对接,裆底留出2 cm作为裤脚,得到图7(c)。

图7 内裤版型处理流程图Fig. 7 Flow chart of underwear pattern processing. (a)Initial floor plan;(b)Step one pattern of the processing chart;(c)Step two pattern of the processing chart;(d)Step three pattern of the processing chart

3)使用智能笔工具将后裆进行对接,现底裆长=原底裆长-后裆对接长,使用平移和旋转工具对接前裆,后腰头降低1 cm,调顺后裆曲线,得到图7(d)。

4)确定裤腰位置[13],即裤腰高=臀围线高+立裆长/3+1,使用平移工具分开前片与后片,获得图8所示的最终合体男士内裤数字化版型。

3 数字化版型验证

3.1 数字化版型试衣效果

内裤版型在ET服装CAD软件中进行缝份刷新,将OBJ格式的腰臀裆部三维扫描人体模型和DXF格式的数字化内裤版型导入CLO3D中,对内裤版型进行虚拟缝合,在人体模型上进行内裤版型虚拟试衣。图9(a)为人体模型穿着内裤版型的效果图。从效果图上看,内裤版型十分贴合人体体表皮肤,内裤与人体模型之间无较大空隙量,内裤版型的臀围线与实体模型的臀围线重合,进一步验证了曲面展平的准确性,虚拟试衣效果满足合体性内裤版型设计。为进一步验证内裤版型的合体性,使用白坯布制作内裤样衣。图9(b)为人台穿着内裤样衣的效果图。从效果图上看,内裤版型裆部完全贴合象鼻凸起的形态,满足男性生殖器官凸起量,整体布面平整,无明显鼓包、褶皱现象,内裤不下坠并且面料不紧绷,验证了内裤版型的合理性。

图9 内裤数字化版型试衣效果Fig. 9 Underwear digital version of the fitting effect. (a)Model virtual fitting effect;(b)Man-table fitting effect

3.2 试衣压力测试

实验设备:AM-8051K气囊式接触压力测试仪,AMI TECHNO CO. LTD公司,测量范围为0～34 kPa, 测量精度在0～14 ℃为±0.1 kPa、在14～34 ℃ 为±0.25 kPa。

实验要求:测量环境温度为(27±3)℃,环境湿度为(60±10)%,使用气囊充气工具对传感器进行充气,传感器充气后厚度小于1 mm,能够精准测量固定点的压力值,将传感器放置在人台上需要测试的固定点,使用包覆胶带进行固定,包覆胶带开孔处露出气囊正中红心,连接数据采集器,读取采集数据。

设定压力测量点,综合考虑腰臀裆部曲率变化程度、腰臀裆部形态、内裤重要测量部位,测量点选定象鼻凸起的前裆线、后裆线和臀围线,如图10所示选取7个压力测量点。选用气囊式接触压力测量仪对7个测量点测量压力,由于人台为静态试衣,压力测量值随时间变化较小,因此选取前20 s压力值的平均值为最终压力值数据。

图10 样衣压力测量点Fig. 10 Sample clothing pressure measuring points

文献[14]显示,服装压强范围在 0～2.4 kPa 时,人体对服装压强无感觉或者无不适感,服装压强在 2.744～3.626 kPa 时,人体对服装压强的感觉微弱或者略有不适感,当服装压强超过 3.92 kPa 时,人体对服装的压强感觉明显或不适感明显。经测试人台试衣在A～G7个压力测量点的压力值分别为0.086 0、0.174 5、0、0.163 0、0.058 5、0.154 5、0.225 0 kPa,服装压强范围在0～2.4 kPa,所有测量点压力均符合服装舒适性的要求。通过7个测量点的压力值分析验证了该内裤版型的合体性。

4 结 论

针对合体性的男士内裤版型研究,本文提出了数字化生成男士内裤版型的方法,解决了男士内裤象鼻凸处不贴合的问题,为合体性男士内裤版型快速生成提供了新的办法。

1)使用三维人体扫描仪获取人台点云数据,从点云数据中提取腰臀裆部7个特征截面的点云坐标集;

2)确定控制点,构建NURBS曲线和NURBS曲面,将男性腰臀裆部合理划分为16块区域,使用Solidworks工程建模软件建立男性腰臀裆部曲面模型;

3)将NURBS曲面展平成二维平面,验证曲面展平的准确性。按1∶1的比例输出DFX格式的工程图;使用ET服装CAD软件对导出的工程图进行处理得到合体男士内裤数字化版型;

4)使用腰臀裆部人体模型模型进行虚拟试衣验证,内裤版型贴合人体。使用白坯布制作内裤样衣,无明显鼓包或褶皱部位,并使用气囊式接触压力测试仪检测7个测量点的压力值,证明该内裤版型的合体性。

本文的男士内裤数字化快速成版,解决了传统版型尺寸误差大、版型不贴体等问题,为服装行业合体和贴体服装版型生成提供了新的解决办法,不在拘泥于传统的工业版型,是智能化服装发展的新方向,实现了合体型服装的快速成版。