基于数字技术的可充电保暖登山服设计

李国安,任祥放,2,沈 雷

(1.江南大学 设计学院,江苏 无锡 214122; 2.新加坡国立大学 设计与工程学院,新加坡 119077)

随着社会的不断发展和物质生活水平的提高,走进自然、追求健康的生活方式越来越成为人们关注的焦点。在这种背景下,户外登山运动成为了现代人休闲娱乐的一种流行方式,尤其在北上广深等一线城市较为凸显。户外登山运动给人们带来了丰富的精神满足,但是复杂多变的山体环境存在很多安全隐患,因此设计户外登山服时,需在满足登山人员户外体验的同时尽可能保障其人身安全,如在保证登山服具备防风、保暖等基本服用性能的基础上添加可定位、可充电放电等功能支持。

周幸子等[1]利用人体5大关节运动特点所确定的20种实验姿势分析人体体表形变对登山服结构设计的影响。丁满等[2]提出一种应用生成对抗网络来实现产品色彩智能设计的方法。何碧霞等[3]从服装结构和服装面料角度完成了登山运动服装的设计。通过相关文献研究可以发现,以往登山服的研究主要集中在服装结构设计[4]、材质设计[5]、色彩设计[6]的研究上,在数字化设计和功能性方面较少涉及。

基于此,本文拟设计具有可充电、保暖和定位功能的智能户外登山服,通过数字技术制作生成三维可视化登山服,直观展示登山服的设计效果,以期对国内户外登山运动的智能化、一体化的发展提供参考。

1 登山服的数字化实现方法

服装数字化技术[7]是指基于数学、网络技术、计算机等相关技术开展服装设计、加工、销售等环节的全方位数据收集、存储、传输和应用,以高效实现资源的合理优化配置。户外登山服的数字三维可视化设计一般在服装廓形、面料纹理、内部结构3个部分实现,其中服装廓形的数字化实现是依托Style 3D软件在人体平面模特阴影上使用2D画笔绘制工具绘制二维样板结构图,有效还原登山服数据尺寸和结构造型;服装面料纹理的数字化实现方法是利用系统自带的面料纹理进行填充,同时根据所需面料调整其面料颜色与属性;服装内部结构的数字化实现是通过3D可视化功能,快速在服装版片内部设计必要的内部结构线,从而建立完整的三维可视化模型,最终实现可充电保暖登山服的数字化三维虚拟仿真。

2 可充电登山服设计思路

2.1 登山服功能设计

可充电保暖登山服不同于普通的服装产品,产品与消费者之间的交互关系应便捷且容易操作,这就要求登山服的款式设计要符合人体工程学,面辅料的柔软度要好、功能性要强,充电线路需合理布局,智能元件大小要舒适且贴合人体等。

柔性非晶硅薄膜太阳能板[8]作为新型的技术产品,具有质量轻、可弯曲、易裁剪、转化率高的特点,其常以魔术贴形式和服装本体复合在一起构成功能服装。

本文对国内生产和出售太阳能电池板的品牌进行调研,对筛选出的3家国内公司(天合光能股份有限公司、协鑫集团、汉能控股集团有限公司)的主销产品、项目类型等信息进行对比分析,整理出国内太阳能品牌调研表见表1。

汉能控股集团有限公司开发的柔性太阳能电池板使用的是非微晶硅基双结叠层结构电池组件,是目前市场上转化率最好的材料,光电转换效率可以达到10%。经比对选择汉能控股集团有限公司生产的柔性太阳能电池板作为本文设计登山服所需的材料。

本文设计的登山服功能模块由柔性太阳能电池板、锂电池、GPS模块、发热模块、温控开关、USB接口等部分组成。系统设计原理见图1。

图1 系统设计原理Fig.1 System design principle

柔性非晶硅薄膜太阳能板主要用于收集光能并转化为电能;锂电池组件用于连接柔性太阳能电池板,达到储存电能并将电输出到设备其他输出元件的目的;USB接口作为终端输出元件,可以为手机、收音机、对讲机等常用登山电子设备提供电源;GPS模块在特定时候能够触发紧急报警和语音通话功能,通过在平台上设置SOS号码,可实时发送位置信息给紧急联系人,最大限度保障登山者的安全;电能发热模块[9]是保证登山服保暖性能的核心,包括温控开关、温度控制装置和安全保护系统。元件通过导线连接,共同实现将电能转化为热能的过程。电能发热模块原理图见图2。可充电保暖登山服有2种穿着状态可供选择,一种是正常穿着状态,衣服上没有安装太阳能板;另一种是功能性穿着状态,可以装备各种功能性配件,提供更多便利安全性。

图2 电能发热模块原理图Fig.2 Schematic diagram of electric heating module

2.2 电路设计原理

图3所示为可充电保暖登山服的电路设计原理图,柔性非晶硅薄膜太阳能板正极与电阻(R1)连接,R1与P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)相连;Q1与芯片控制器(U1)的COMP端和CC端相连;U1的VCC端与电容器(C2)连接并接地;U1的VSS端与电阻(R6)相连并接地。Q1与肖特基二极管(D1)连接,D1与2节串联的单体锂电池(BT1、BT2)连接;电容(C1)分别与BT1的正极端、BT2的负极端相连,且负极端接地;BT1、BT2与热敏电阻器(RT1)连接,RT1与温控器电阻(R5、R6)连接;D1与开关(S1、S2)连接;S2与稳压芯片(U2)输入端以及稳压线路的电容器(C3)端连接,U2的输入端IN、输出端OUT分别于稳压线路的电容器C3、C4端连接;U2的输出端OUT与多功能USB插口装置(P2)连接,P2的4号端接地。

图3 电路设计图Fig.3 Circuit design drawing

图4所示为GPS定位电路图。图5所示为GPS模块设计原理图,具体包含开关按钮、TF内存卡、SIM卡/全网通、GPS、信号终端、MIC、安卓充电口等多个元件,各元件布局合理,排列紧凑,易与服装贴合。

图4 GPS定位电路图Fig.4 Circuit diagram of GPS positioning

图5 GPS模块设计原理图Fig.5 Schematic diagram of GPS module design

3 可充电保暖登山服的设计

3.1 登山服本体设计

基于户外登山时人体的运动特点和服装穿着舒适性的要求,对登山服的廓形进行设计。登山服的廓形采用H型,H型廓形有着更宽松的穿着感,能增加穿着舒适度和活动自由度。登山服款式设计见图6,款式图的灰色部分安装了柔性超薄太阳能板,主要设计在帽子和袖子部位。袖子上的太阳能板展平后的总面积为1 980cm2,帽子展开后的面积达到3 180cm2,总面积为5 160cm2。为了有效吸收太阳能光照,采用双层结构设计,并在连接部位安装了隐形拉链,以便更好地收纳太阳能板。太阳能板将吸收到的太阳能转化为电能,将其供给服装内的发热模块,从而实现登山服保暖功能。针对人体易着凉部位设计登山服发热区域,发热区域分别设置在肩部、背部、腹部、腰部,每个发热区域面积为90cm2,共360cm2。

图6 款式设计图Fig.6 Style design drawing

图6中“1”“2”是口袋,可以容纳手机、收音机等装备;“3”“9”是袖部的隐形拉链,其完全隐藏在服装内部,隐形设计在辅助收纳太阳能板的同时可保证服装的整洁和美观;“4”是袖部反光条,既具有警示功能,又具备装饰效果;“5”是GPS触发元件,在遇到紧急情况时可通过按压触发紧急报警功能,保证登山人员的安全;“6”是纽扣开关,用于控制服装发热模块的运行,同时具备纽扣装饰功能;“7”是帽子隐形拉链,拉开拉链可以将太阳能板展开,不使用太阳能板时可以将拉链拉上,兼具美观性与功能性[10];“8”是袖口魔术贴,主要起到防灌风和方便穿着者活动的目的。

3.2 登山服面料和色彩的设计

为应对多变的气候和环境,登山服装本体采用戈尔泰克斯面料(Gore-tex),戈尔泰克斯面料是一种轻薄、坚固和耐用的薄膜,它具有防水、透气和防风功能,这种薄膜夹在高性能衬里和表层面料之间,由每平方英寸超过90亿个孔组成,这些孔比水滴小2万倍,具有出色的防水性能,同时具备良好的透气性,但这些孔比水蒸气分子大700倍,汗水可以透出,因此能够有效排汗,广泛用于户外服装、鞋履、手套、帽子中[11]。登山服发热区域采用石墨烯新科技面料[12]。石墨烯结构的核心成分是由碳原子单层构成的石墨烯。这些碳原子以六角形的晶格排列在一起,形成了单层的石墨烯结构,具有良好的导电性和力学强度。石墨烯新科技面料具有轻薄透气和迅速发热的特性,这些特点改善了登山服在极端气候下的穿着舒适性和安全性,为户外运动者提供保障,面料主要应用于运动服、家用纺织品、健康服装等。

在颜色方面,登山服不再局限于传统的单一色调[13],选择中性色灰色和绿色为主色彩,搭配白色反光条以发挥警示作用。

4 登山服三维可视化设计

4.1 登山服三维曲面构建

采用Style 3D平台构建登山服基础曲面造型[14]。Style 3D是一款基于数字技术的专业三维虚拟设计软件,主要应用于时尚和服装设计领域。Style 3D平台构建服装主要有以下几个特点:

①速度快。对一款全新服装的设计,从设计三维服装形状至设计二维服装纸样,半小时之内就可以完成,每片纸样的展开可以在数秒之内完成,一件服装样衣的全部流程一般可在几个小时内完成。

②高准确度。基于立体裁剪的原理,在三维人体模型上设计出来的服装纸样相当于电子立裁,有较高的合身性和精准性。

③低成本。利用电脑制图,可以减少服装样衣试做次数,省时、省料、省力。

登山服廓形构建的流程为:首先,在三维窗口添加一个多维度男体模型,随后在2D视图窗口中,使用2D画笔绘制工具在人体平面模特阴影上绘制出登山服所需的各个版片造型;其次,调出模特身上的安排点,将各个版片安排在模特相应部位;将安排好的版片进行缝合,在此过程中要特别注意缝纫线的方向,如有误需及时进行调整;版片缝合完毕后,执行模拟命令,使登山服呈现在三维人体模特的身上;最后,将二维试图窗口与三维视图窗口相对应,随时调整服装立体造型,最终完成登山服的曲面拟合,拟合过程见图7。

图7 登山服曲面拟合过程Fig.7 Fitting process of mountaineering suit surface.(a)Clothes piece generation;(b)Clothes piece generation

4.2 登山服的曲面展开

登山服的设计涉及复杂的服装结构和多种电子元件的组合,而且需要考虑人体曲线,尤其是胸部、肩胛和肘部等区域的曲线和运动形变,因此需在4.1节的基础上进一步优化服装内部的结构设计,即进行登山服的曲面展开。

内部结构设计具体步骤为:通过使用Style 3D平台的3D可视化功能,快速在版片内部再设计必要的内部结构线,在户外登山运动状态下体表形变最大的肘关节、肩关节位置设置合理的松量或减量分割线以实现立体结构。肘部采用斜向分割线设计,肩部采用竖向分割,使用轮廓线工具对肘部、膝部内部分割线进行勾勒调整和裁剪缝纫,生成新的版片;然后将所有版片排列在2D视图中;最后生成成衣样版。内部结构的再设计提升了登山服的美观性和穿着舒适性,最大化满足了穿着者在运动过程中的自由度,优化了穿着者在运动状态下的舒适性。登山服曲面展开见图8。

图8 登山服曲面展开Fig.8 Surface unfolding of mountaineering suit.(a)Front garment piece;(b)Rear garment piece;(c)Garment sample

4.3 登山服效果展示

将在Style 3D平台生成好的试衣样板进行面料纹理及色彩填充,然后渲染生成三维效果图。面料纹理填充步骤为:首先,利用Style 3D平台面料库内提供的面料,采用面密度为150g/m2机织白色布棉面料代替服装本体面料进行虚拟模拟;其次,在实验过程中根据实际面料应用效果对其面料纹理属性进行调整,既要保证美观性又要达到穿着舒适性;最后对服装进行渲染,得到完整的未佩戴元件的登山服三维可视化效果图(见图9)。调整面料属性后的登山服在服装完整度和美观性方面得到了较大的提升。

图9 三维可视化效果Fig.9 3D visualization effect.(a)Front;(b)Side;(c)Back

4.4 登山服3D静、动态展示验证

图10所示为佩戴元件效果的登山服三维可视化展示效果,可直观看到服装展开调整后的整体效果。其中,肩部两侧、袖子两侧以及背部的黑色面料即为展开后的柔性太阳能板,门襟底部黑色纽扣即为温控开关,左胸靠下黑色元件为GPS元件。通过动态走秀展示还可全方位观察服装的合体程度,为了搭配登山服以及展示的整体性,绘制了与登山服配套的裤子,三维可视化动态效果如图11所示。

图10 三维可视化佩戴元件效果Fig.10 3D visual effect of wearing components

图11 三维可视化动态效果Fig.11 3D visualization dynamic effect

5 结束语

本文基于服装数字化技术,从太阳能资源的开发利用及户外登山人员的需求出发,从登山服功能设计、电子原件电路设计、登山服服装本体3个板块展开,探索基于数字技术的可充电保暖登山服具体设计、实现方法。

针对登山服的功能性、穿着舒适性和安全性,分别从登山服本体、面料及色彩设计3个方面介绍登山服的原理和设计思路,使设计的登山服能够更加舒适美观。借助Style 3D软件在曲面构建、曲面展开内部结构设计、静动态设计效果呈现的优势,通过进行3D可视化模拟,得到更加舒适的服装款式、版型,提高服装整体的美观性、舒适性。

综上,利用Style 3D平台的3D可视化技术进行的登山服设计,可设计出舒适、美观且具有可充电、保暖等多功能的智能户外登山服,可以解决企业前端设计修改繁复与周期长的问题,节省了打样成本,为智能户外登山服设计转型升级提供方向。