基于 Rhino 参数化的童装结构设计

刘少朴 胡玉琴 钟安华

摘要：针对幼童的体型数据进行分析，提出了一种幼童服装版型参数化建模方法。采集幼童体型数据后，采用Nurbs曲线，结合东华童装原型制版规则，以身高、胸围和臀围作为关键变量，构建童装版型的几何约模型；建立三维和二维的联动关系模型，将版片导入虚拟试衣软件进行模拟验证与评估。结果表明：利用 Rhino确立关键参数与版型的几何约束关系，可以快速生成个性化童装版型。使用该方法生成的纸样，与手工纸样相比最大误差不超过1mm，童装原型压力范围在0～2.753 kpa，满足儿童着装的适体性和美观度。Rhino制版相较于传统制版和编程参数化制版方法，其速度快，操作语言简单，降低了参数化制版难度，缩短了服装企业生产周期，提高了个性化制版的精确度和制版效率。

关键词：Rhino建模软件；Grasshopper参数化；童装原型；版型生成

中图分类号：TS 941.2     文献标志码：A   文章编号：2097-2911-（2024）02-0055-08

Structure design of children's clothing based on Rhinoparameterization

LIU Shaopuab， HU Yuqinab， ZHONG Anhuaab*

（Wuhan Textile University a.School of Fashion ， Wuhan 430073， China; b.Jianghan Plain Textile and Garment IndustryTechnology Research Institute，， Jinzhou Hubei， 434000， China）

Abstract：A parametric modelling method is presented for young children's clothing patterns based on the anal- ysis of their body type data. Following the collection of body shape data from young children， a Nurbs curve is utilised in combination with Donghua children's clothing prototyping rules to construct a geometric approximate model of children's clothing patterns. The model is based on key variables such as height ， chest circumference， and hip circumference. A linkage model of 3D and 2D isestablished， and the pattern is imported into virtual fit- ting software for simulation validation and evaluation. The study demonstrates that Rhino can be used to estab- lish geometric constraints between key parameters and patterns， resulting in the quick generation of personalised children's wear patterns. The paper samples generated by this method have a maximum error of less than 1mm when compared to manual paper samples. Additionally， the pressure range of the children's clothing prototypes is 0～2.753 kpa， meeting both fit and aesthetic requirements. Compared to traditional plate making and program- ming parametric methods， Rhino plate making is faster and uses simpler language， reducing the difficulty of parametric plate making. This shortens the production cycle for apparel enterprises and increases the accuracy of personalised clothing plate making. It reduces the difficulty of creating parametric plates， shortens the produc-tion cycle of apparel enterprises， and improves the accuracy and efficiency of personalized plate making.

Keywords：Rhino modelling software; Grasshopper parameterization; children's clothing prototype; pattern gen- eration

未來服装行业的发展趋势是加强数字化服装设计。参数化纸样是数字化服装设计的重要内容。参数化纸样设计可以通过人体部位间的参数关系组成线性表达。参数化纸样设计相比传统手工制版具有生成速度快、易于修改及误差小等优势。考虑到儿童身体结构及比例变化速度较快的特点，儿童纸样设计不能简单地将成年人纸样简单缩小。因此，在童装设计中引入参数化结构设计方法，既能满足童装局部的个性化调整，又能缩短儿童服装的生产周期。

目前国内外学者多集中利用编程进行二次开发技术研究，分析提高参数化结构制版准确性与效率方面，根据一款固定款式服装，或服装局部结合款的变化规律与制版规则，建立人体与样板间的关联[1-2]。在个性化参数版型生成方面，采用逆向思维将三维模型转换成二维版片，从而获得特体人群的合体参数版型[3]。聚焦于个性化样板参数的优化处理[4-5]，利用单一细部尺寸也可快速生成纸样的参数化制图[6]。还有学者探究使用BP算法[7-8]、人工神经网络和模糊算法[9]，学习模拟人工制版的流程，实现自动化参数制版方式。

基于采用编程二次开发功能的参数化制版方式，对学习门槛和编程能力要求较高。本文通过建立关键点坐标，二维样板模型，构建简单快速生成的童装版型。以东华童装2020版样为例，通过采集儿童标准体型的身体测量数据，提出一种基于Rhino建模软件的参数化纸样结构设计系统，通过使用 Grasshopper 可视化编程插件和Kangaroo插件，实现了简单高效的童装参数化纸样模型，并进行了初步的服装物理模拟。利用三维虚拟软件验证该模型的可行性与准确性，通过仿真对比验证试穿的逼真效果，展示出新模块算法的性能优势，解决了目前自动化参数化制版对编程语言和工具的问题，相较于传统手工制版方法，利用模块化方式快速准确地生成纸样，并实现初步三维模拟，突破了传统服装的制版方式，为童装自动化纸样生成提供了新方向。

1研究原理

参数化设计借鉴了拓扑学（Topology）中提取不变性质的思想，将其应用到计算机辅助设计领域，通过参数化建模的方法实现了设计的自动化生成，大大提高了设计效率。Rhino软件是基于[10]TL-Lib 为基础的Nurbs（Non-Uniform Ratio- nal B-Spline），即非均匀有理B样条的一款自由曲面建模软件，可以将NURBS曲线或曲面与线段连接生成平滑且曲率连续的服装造型。Rhino 具有较强的兼容性，可以导出 dxf、stp、sdm等格式，能与二维和三维软件联合应用。其中，Grass- hopper作为[11-13]可视化节点编程软件，可通过简单逻辑算法运算，建立参数模型，使设计迭代和制版更高效和智能化，相较于其他建模软件，其优化兼容性高且操作简单，可实时将参数或生成物体形态调整展现在3D视窗中。

Nurbs是一种数学描述的几何形状的计算机语言，它可以精确地表示任何从简单的2D线到3D自由曲面和复杂的3D有机体形状。其中，三次Nurbs曲线[14]具备表现曲线和曲面形式，对三维模型的轮廓和外形具备准确且精细表达的能力。它由四个控制点和一个节点向量组成。节点向量是一个非降序列，它定义了每个控制点的影响范围。三次Nurbs曲线的关系表达式如公式（1）：

如图1所示 P1、P2、P3、P4是四个控制点， W1、W2、W3、W4是权重因子通常将权重值设为1，Ni，3（u）是三次B样条基函数，它们的表达式如公式（2）：

公式（2）中，ui 是节点向量中的第 i个元素，u 是曲线上的参数。三次Nurbs曲线的原理是通过控制点和权重因子来控制曲线的形状，通过节点向量來控制曲线的光滑度，也可通过基函数的加权平均计算曲线上的点坐标。

2实验方案设计

2.1测量数据确定

采用手工测量法对华中地区3～5岁幼童进  行测量，参考GB/T 1335.3-2009《服装号型儿童》[15]和GB/T22044-2017《婴幼儿服装用人体测量的尺寸定义与方法》[16]确定测量项目，分别选取：身高、背长、腰围高、颈根围、胸围、腰围、臀围、总肩宽、前胸宽、后背宽10个人体尺寸，具体测量方法如图2所示。

2.2测量数据的有效性

童装上装原型的尺寸取决于维度与长度即胸围与身高，参照 GB/T 1335.3-2009《服装号型儿童》可知胸围与身高的最大允许误差均为1 cm，标准差分别为2.517 cm和7.638 cm 。根据最小样本容量计算公式N=（μα×s/Δ）?可知，当置信水平μα采用95%时，计算样本容量 N 为224人。由于手工测量数据具有不确定性，需剔除数据中的异常值，最终确定有效样本量为229个，有效率为99.6%。

3建立童装版型

3.1版型关键结构点及坐标

童装制图的关键尺寸为身高、胸围和臀围，以东华童装原型[17]为基础，使用参数化数学模型约束童装基本结构线，并以身高（h）、胸围（B）和臀围（H）作为关键变量。图3是童装结构图与各个控制节点图，其对应的具体坐标见表1。

3.2版型参数模型构建

Rhino参数化制版是将传统的制版与Grass- hopper可视化编程语言结合，利用导入、构建和分析命令等模块实现样板的自动生成。首先，从csv 文件中读取数据，并在Grasshopper中进行进一步处理，根据制版规则生成外部轮廓的几何节点，如图4（a）所示。

其次，通过个性化调试和生成封闭图形，对数据进行标记和排序，以实现计算功能模块的同时提供即时反馈，如图4（b）所示。随后，将封闭的几何形导入仿真环境，利用点线面建立 Tri- mesh网格模型。在确定物理属性和边界约束条件的基础上，进行模型的建立，如图4（c）所示。通过调整迭代次数和收敛标准来优化模型，并多次优化网格的顶点和边的数量，以生成符合虚拟缝合需求的样板，如图4（d）-（e）所示。最后，导入儿童人体模型，赋予服装材料属性，添加缝合模拟的边界条件和约束关系，并设置合适的碰撞力仿真参数，以确保Kangaroo力学模型的正常模拟。使用数据分析和可视化组件对结果进行查看和后处理。具体的样板生成流程如图4所示。

3.2.1版型功能模块

点位设置需要高度精准，因此需选用Grass- hopper 进行参数化点位建立。首先采用“Con-struction Point”组件以坐标原点为参考创建对象；此外，还可利用“Math”、“Number”和“Axis”组件既可以曲线上控制点（如端点、中点、交点等）的建立与移动，并利用参数插件实现垂直和水平尺寸的变化。样板线条可分为直线与曲线，直线可采用“Line”输入线段的起点和终点的二维点生成直线段，其中，袖笼与领口处的曲线可通过分析曲线控制点的位置利用“Interpolate（内插点曲线）”、“Nurbs Curve（构造 Nurbs 曲线）”生成曲线。线生成面则需要利用“Boundary Sur- face”输入样板边界线，并约束生成一个贴合边界线的二维平面。

将生成的原型平面导入网格生成算法[18]，如图5所示，平面内网格依据边线控制点密度不同，生成自适应的网格并自动填充空洞，优化后的网格中存在相邻三角网格间共享顶点与边线现象，且多位于服装缝线位置，采用 Delaunay Mesh网格生成和几何对象布局的模块可以限制平面边线形状的变化，又便于为后续Kangaroo插件的合体性虚拟模拟提供更连续和平滑的几何过渡，增强模型表面的支持性与稳定性。

3.2.2版型虚拟力学模拟

二维版型到三维立体服装模拟，应当满足对应缝合边线长度应一致，且对应网格拓扑相同，图6将服装前后片拓扑点结合人体一一对应，从而缝线可通过对应边上的点位进行锚点结合、焊接；若对应边长度与对应网格拓扑不同，则需要对网格进行二次优化，即利用网格编辑插件将具有不同拓扑的边线重新整合为具有相同拓扑并进行连接的网格，最终生成Rhino服装在人体上的物理模拟（见图7）。

4数字版型验证

4.1版型结构验证

从测量数据中随机选取5个样本，并将其关键参数导入Rhino进行参数化纸样生成。同时，将生成的纸样与手工制版纸样进行对比分析（见表2）。

根据表2的数据可以得出结论：Rhino生成的结果与手工制版细部尺寸基本一致。在输入身高、胸围、臀围的情况下，参数肩线、前中线、后中线、前胸围、后胸围、前颈深、前颈宽、后颈深、后颈宽、前臀围、后臀围的盈余值的最大误差不超过1 mm，这些误差基本上不会对服装的基本结构产生影响。实验证明，Rhino模型预测童装模型符合产品要求。通过使用Rhino进行参数化版型建模，其结构尺寸几乎与传统手工制版相一致，从而证实了Rhino参数化制版的可行性和准确性。

4.2虚拟试衣效果

Rhino 具有强大的建模功能和力学分析能力，但其初步的物理模拟功能不足以对服装的舒适度和外观效果进行充分模拟。为验证本文参数化版型设计的准确性，需要借助CLO 3D平台进行试穿与服装模拟。将手工绘制的童装原型版和Rhino生成的参数化原型版片均以dxf格式导入CLO 3D中，具体效果如图8所示。

压力分布范围与接触点[19]有助于评估服装穿着的整体舒适度，一般上身部位的最大压力舒适阈值是0-2.753 kPa [20]可以提供适度的贴合感和支撑，而不会造成过大的压迫感。从图中蓝色压力点与压力网格分布可得出：压力图整体为无色，袖笼部为蓝色，表明服装整体压力较低；同时，压力接触点均主要分布在身体的前胸部、肩部，少量分布在臀部与上腹部。压力的分布主要与儿童生理体型特征有关胸肩部位是儿童肌肉骨骼相对突出且与服装接触面积较大的部位，较圆的腹部与突出的臀部是该年龄段重要特征，说明被模拟童装的受力点分布均匀，没有无用的受力点。

通过对比参数化制版和手工制版的正、侧、背面的虚拟试衣图，可看出参数化制版和手工制版二者的压力接触点与压力分布范围大体一致，仅压力接触点数量略有差异。表明Rhino参数化数据与实际数据相近。因而Rhino参数化生成方式，即可以准确预测儿童服装的版型尺寸，又满足了童装的适体性和美观性需求。

5结论

本文针对童装版型参数化进行研究，提出了利用Rhino中可视化参数建模插件Grasshopper，在保证参数化设计与算法精度的情况下，将降低利用编程参数化制版的难度。为童装版型参数化快速生成提供了新方向。

（1）通过手工测量了240名3～5岁幼童的身体数据，从数据中提取出参数化制版的三个关键参数；利用 Grasshopper 构建原型坐标点并利用 Nurbs曲线连接成童装参数化模型。

（2）采用Kangaroo和Rhino结合进行童装参数化原型的初步物理模拟缝合，可得参数化模型具有合体型。

（3）随机抽取1个样本验证 Rhino 童装参数化模型的准确性，利用纸样结构和虚拟试衣验证得出Rhino童装参数化模型生成纸样最大误差不超过1mm，童装原型的压强范围为0～2.753 kpa，证明了该童装的适体性和美观性。

采用Rhino进行参数化版型生成，解决了手工制版生产效率低、灵活性和定制性差的问题，保证了服装版型的统一性和一致性，实现了简单、合体的童装原型参数化快速生成，为童装的数字化和智能化提供了新的办法。

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（责任编辑：周莉）