基于三維人體測量的服裝工業(yè)技術(shù)數(shù)字化研究

蘇軍強　劉國聯(lián)　袁衛(wèi)娟

從技術(shù)層面上，總結(jié)了目前基于非接觸式三維人體測量技術(shù)的服裝工業(yè)技術(shù)數(shù)字化研究的方法和成果，以期為服裝產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級提供參考和技術(shù)支持。

This paper summarized the current research methods and achievements of the digital garment techniques based on the non-contact 3D body scanning measurement technology, with a view to optimize the structure and to provide technical supports for the domestic garment industry.

三維人體自動測量為現(xiàn)代圖像測量技術(shù)的一個分支， 是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、計算機圖像學(xué)、信息處理和計算機視覺等科學(xué)技術(shù)為一體的測量技術(shù)，具有掃描迅速、非接觸、重現(xiàn)尺寸準(zhǔn)確等優(yōu)點。

1基于三維人體測量技術(shù)的服裝工業(yè)技術(shù)數(shù)字化研究

目前，服裝行業(yè)基于三維人體測量技術(shù)的研究方向主要有以下幾個方面。

1.1服裝號型的修訂和完善

當(dāng)前批量生產(chǎn)的服裝的適體性及合體性差的重要原因，就是所使用的號型標(biāo)準(zhǔn)不能精確反映目標(biāo)客戶人群的體型特征，這主要是由測量方法和目標(biāo)人群的體型特征發(fā)展變化等原因造成的。現(xiàn)有的號型標(biāo)準(zhǔn)已無法更好地滿足服裝制造業(yè)的需要，亟需修訂和完善。

非接觸式三維人體掃描技術(shù)應(yīng)用于服裝人體測量領(lǐng)域，有其顯著的優(yōu)勢：可在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生人體的幾十個線性和非線性測量數(shù)據(jù)；比傳統(tǒng)的身體測量更精確；能產(chǎn)生數(shù)字化的結(jié)果，易于集成到服裝CAD系統(tǒng)中；可建立人體數(shù)據(jù)庫，追蹤研究客體群組的整體變化情況，為服裝號型的更新、修訂及人體體型細(xì)分提供理論依據(jù)。

目前我國已認(rèn)識到修改和完善服裝號型標(biāo)準(zhǔn)的重要性，并開展了相關(guān)研究。廣州大學(xué)紡織服裝學(xué)院的賽博服裝科研中心開展的“中國三維人體數(shù)據(jù)庫”項目，成為國內(nèi)規(guī)模較大、設(shè)備先進、專業(yè)技術(shù)水平較高的服裝研究實體。東華大學(xué)、西安工程大學(xué)等相繼建立起人體數(shù)據(jù)庫的研究，開展了服裝人體測量和號型標(biāo)準(zhǔn)修訂的相關(guān)工作。蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院已連續(xù)多年進行了“基于人體體表角度的人體體型分類研究”工作。北京服裝學(xué)院愛慕人體工學(xué)研究所自2003年開始，進行了人體數(shù)據(jù)庫建立及相關(guān)項目的持續(xù)研究。這些研究工作正在和必將為我國服裝號型的修訂和完善工作做出巨大的貢獻。

1.2虛擬三維人臺

為滿足消費者的個性化需求和定制服裝的發(fā)展，虛擬三維人臺成為熱點研究方向。其中，人體體型分類是基礎(chǔ)問題。目前，研究思路主要有以下幾方面。

1.2.1將人體按照體型特征分類

目前國內(nèi)外體型分類指標(biāo)大體上可分以下 5 類。

（1）圍度差。人體圍度的差值，可用作劃分體型的依據(jù)。例如國標(biāo)以胸腰差為劃分依據(jù)，ISO標(biāo)準(zhǔn)以臀胸差為標(biāo)準(zhǔn)，日本和德國先定出標(biāo)準(zhǔn)臀圍，與之相差一定數(shù)值的為其他體型。

（2）人體尺寸的比指數(shù)。例如體重與身高的比、某種圍度與身高的比、不同圍度的比等。

（3）前、后腰節(jié)差。前、后腰節(jié)差最能表示出正常人與挺胸或駝背等體型的差別。

（4）關(guān)鍵值。直接以身高、體重、胸圍、年齡等條件來劃分，如美國女子體型分類標(biāo)準(zhǔn)。

（5）聚類分析。挑選出相應(yīng)指標(biāo)進行配組分析。

1.2.2將人體劃分為不同截面，通過截面上各點坐標(biāo)變化來描述人體特征

根據(jù)人體對服裝外觀質(zhì)量影響的主要因素，提取主要特征截面和特征點進行分析成為目前服裝人體研究的主流。國內(nèi)外代表性的研究如下。

（1）瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)MIRA實驗室的Seo等采用三維掃描獲取人體三維數(shù)據(jù)，并建立人體骨骼、皮膚可調(diào)模型。他選擇了頸圍、胸圍、下胸圍、腰圍、臀圍、身高、會陰到腳踝高、臂長等 8 個測量值作為特征量進行主成分析，給出各個特征量權(quán)系數(shù)，通過調(diào)節(jié)三維掃描數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)人體骨骼，然后細(xì)化為人臺模型。

（2）香港中文大學(xué)Charlie C.L. Wang可調(diào)模型的思路是利用多個模型加權(quán)獲得新模型。Wang采用主成分分析方法給出 n 個模型權(quán)系數(shù)，對這 n 個模型進行加權(quán)得到目標(biāo)模型。

（3）韓國漢城國立大學(xué)TAE J Kang與Sung Min Kim認(rèn)為在某一截面，前、后、橫向分別有一定的增長比例，其他方向的增長比例將是這些方向的矢量疊加，可以通過插值求得。他們利用滑動量規(guī)測得一系列的人體橫截面圖像，根據(jù)截面尺寸重建可視人體模型。

（4）天津工業(yè)大學(xué)和西安工程大學(xué)在三維截面參數(shù)擬合方面都做了相當(dāng)多的工作。其中天津工業(yè)大學(xué)采用滑動量規(guī)測量截面高度及繪制截面形狀，根據(jù)截面上各點坐標(biāo)擬合三維曲線；西安工程大學(xué)采用三維掃描數(shù)據(jù)，并根據(jù)各截面特性對各截面取一定數(shù)量特征點，通過這些點參數(shù)擬合截面曲線。

1.3虛擬三維服裝設(shè)計與服裝樣板自動生成

虛擬服裝三維設(shè)計是采用三維人體掃描儀所得到的人體數(shù)據(jù)，先生成經(jīng)過優(yōu)化的人體模型，再利用相應(yīng)的設(shè)計軟件，在人模上勾勒出服裝外形（即結(jié)構(gòu)線）來完成服裝的三維設(shè)計。

與三維服裝設(shè)計緊密相連的是服裝樣板的自動生成，即三維服裝到二維衣片的自動轉(zhuǎn)化。該領(lǐng)域是一個研究的熱點, 現(xiàn)有方法主要包括幾何展開法、網(wǎng)格平面法和物理模型法等。

1.3.1幾何展開法

該方法將人體特定的區(qū)域抽象成基本幾何模型，然后利用幾何造型原理，將其分步驟、近似地展開成平面。大連輕工業(yè)學(xué)院的楊繼新等、浙江理工大學(xué)的李旭等采用該類方法進行了研究。

1.3.2網(wǎng)格平面法

該方法將服裝曲面劃成四邊形網(wǎng)格面，將每一個單元用相應(yīng)的四邊形來代替，并考慮面料的彈性和壓縮性能等，由省道線開始逐一向外擴展，直至形成衣片平面網(wǎng)格映射圖，再用樣條函數(shù)方法擬合出衣片邊界。這類方法的優(yōu)點是簡潔、直觀，缺點是定義切割線缺少依據(jù)，具有一定的隨意性，隨著曲面形狀復(fù)雜性的增加，形狀變形加劇將使展開結(jié)果變得不合理。

1.3.3物理模型法

主要是能量模型。樊勁提出的基于彈簧質(zhì)點變形模型，能較好地解決計算機輔助服裝設(shè)計中二維三維映射問題。香港中文大學(xué)Wang等采用三角片模型來表達一個曲面，然后建立一個基于能量的模型將三維曲面展開為二維衣片。東華大學(xué)陸永良等利用基于能量模型的曲面展開算法，研究了服裝曲面上省道的添加方法，解決曲面的展開問題。

1.4虛擬服裝展示

虛擬服裝展示分為靜態(tài)模擬與動態(tài)模擬兩種，前者將設(shè)計好的二維衣片，在三維人臺上進行自動縫合、面料填充并展示三維成衣穿著效果。后者在前者的基礎(chǔ)上，進行虛擬的、動態(tài)的時裝表演。

在虛擬服裝展示過程中衣片的物理模型建立、二維衣片的縫合以及碰撞檢測技術(shù)是虛擬服裝展示的關(guān)鍵點。目前，服裝模擬研究中的建模方法主要有幾何建模、物理建模和混合建模 3 個大類。

1.4.1幾何建模

幾何建模就是在己建立的人體模型上，按一定的規(guī)律在人體表面上進行經(jīng)緯線劃分，在某一緯度上截取平面，得到該截面各造型點的三維數(shù)據(jù)。根據(jù)其服裝與人體間的空隙度的大小，由幾何方法求得服裝表面各造型點的數(shù)據(jù)，再利用曲面造型方法即可得到服裝模型，達到幾何建模的目的。

1.4.2物理建模

物理建模對服裝進行三角、網(wǎng)格或粒子劃分，進行能量、受力分析，能較真實地模擬柔性物體的特性，不足之處是運算速度較慢。 但是隨著計算機硬件的發(fā)展和織物模型中算法的改進，物理建模前景廣闊。

1.4.3混合建模法

混合建模法吸取了上述幾何法和物理法的優(yōu)點，通常先用幾何方法獲得大致的輪廓，再用物理約束對局部結(jié)構(gòu)進行細(xì)化，從而獲得逼真、快速的模擬結(jié)果。在實際應(yīng)用中，這種建模是目前較好的選擇。

2結(jié)語

綜上所述，基于非接觸式三維人體掃描技術(shù)的服裝工業(yè)技術(shù)數(shù)字化研究可以為服裝行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級提供技術(shù)支持，對廣大服裝企業(yè)產(chǎn)生有益的幫助。