面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺及快速成型技術(shù)研究

李楊　楊昕宇

摘要：

服裝是否合體是影響服裝的外形及服裝可銷售性能的最重要因素。該研究以三維掃描儀作為輸入，快速成型、數(shù)控加工作為輸出的集成服裝設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)，提供豐富的角色模型庫、道具模型庫、角色動(dòng)作庫，可以極好地為紡織服裝產(chǎn)業(yè)提供創(chuàng)意設(shè)計(jì)服務(wù)，推動(dòng)紡織服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其創(chuàng)新之處包括：個(gè)性化定制服裝的虛擬人臺設(shè)計(jì)與快速成型系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)從虛擬產(chǎn)品向?qū)嵨锂a(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化；創(chuàng)建以三維掃描儀為輸入，快速成型為輸出的集成逆向工程系統(tǒng)；面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺模型庫的建立及快速檢索。

關(guān)鍵詞：

服裝設(shè)計(jì) 個(gè)性化定制 虛擬人臺 快速成型 虛擬人臺三維模型庫

1.引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的服裝、棉紡織、毛紡織以及化纖等產(chǎn)品不僅產(chǎn)量都居世界第一位，而且服裝紡織品的出口量也排在實(shí)際第一位，整個(gè)行業(yè)保持平穩(wěn)發(fā)展。紡織業(yè)是紹興的第一支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)是門類齊、比重大、集中度高。紹興紡織業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢較明顯：紹興紡織業(yè)已形成了以柯橋中國輕紡城市場為中心，約25公里為半徑的紡織產(chǎn)業(yè)集群區(qū)，年產(chǎn)值在1000億元左右，是國內(nèi)最大的紡織產(chǎn)業(yè)集群之一，它既有圍繞專業(yè)市場形成的區(qū)域特色經(jīng)濟(jì)的規(guī)模優(yōu)勢和分工優(yōu)勢，又有趨于成熟的技術(shù)優(yōu)勢和銷售網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。與發(fā)達(dá)國家和周邊新興工業(yè)化國家相比，具有低成本優(yōu)勢，與國內(nèi)中西部地區(qū)相比，具有技術(shù)、質(zhì)量和銷售渠道的優(yōu)勢。紡織產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步延伸，地方生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)一步深化，在各個(gè)加工制造環(huán)節(jié)均形成相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢。

紹興紡織業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢極大地推動(dòng)了當(dāng)?shù)胤b產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為服裝創(chuàng)意設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在追求流行、追求個(gè)性為時(shí)尚的今天，消費(fèi)者最關(guān)注服裝的合體性和個(gè)性化。他們希望服裝的款式、用料、色彩、配件等方面都體現(xiàn)出個(gè)性化的特點(diǎn)，同時(shí)要求定制服裝的價(jià)格、質(zhì)量與批量生產(chǎn)的服裝差距越小越好。另一方面，由于服裝產(chǎn)品生命周期縮短、需求多變且難以預(yù)測、生產(chǎn)批量縮小，服裝企業(yè)普遍感到生產(chǎn)、經(jīng)營難度越來越大。以不同面料、款式、規(guī)格、尺寸的服裝鋪貨，不但造成服裝的大量積壓和資源浪費(fèi)，也增加了服裝經(jīng)營企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。正是在這種背景下，服裝業(yè)中的一種新的制造模式——個(gè)性化定制應(yīng)運(yùn)而生，即服裝企業(yè)以類似批量生產(chǎn)的價(jià)格以及更快的交貨期提供個(gè)性化和多樣化的產(chǎn)品。面對“面向顧客的批量生產(chǎn)”要求，合身裁剪的概念已經(jīng)越來越成為服裝供應(yīng)的應(yīng)對性策略。這就要求服裝企業(yè)必須有大量的號型產(chǎn)品去實(shí)現(xiàn)較高的號型覆蓋率。

人臺是服裝設(shè)計(jì)與制作的重要工具，在服裝立體裁剪設(shè)計(jì)及服裝產(chǎn)品的制作、檢測和展示上有著廣泛的應(yīng)用。通過服裝CAD技術(shù)能夠滿足個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的需求，在人體測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行人體形態(tài)研究，并充分考慮年齡、性別和區(qū)域等相關(guān)因素的影響，得到不同形體的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)各測量參數(shù)的相關(guān)影響對實(shí)現(xiàn)批量定制和提高服裝的合體性具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。

本研究構(gòu)建的是以三維掃描儀作為輸入，快速成型作為輸出的集成個(gè)性化定制服裝人臺設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)。研究的成果包括：建立一個(gè)虛擬人臺三維模型庫，以滿足個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的消費(fèi)需求；形成一套面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺與快速成型系統(tǒng)。

2.研究范圍和目標(biāo)

2.1推動(dòng)個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)鏈的形成

目前國內(nèi)個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)狀態(tài)并不成熟，國外主要是韓國和美國在該領(lǐng)域有所研究。韓國首爾Yonsei大學(xué)的研究人員最近研制出了一種專門進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件，這種軟件可以將現(xiàn)有的一些設(shè)計(jì)規(guī)范和形式進(jìn)行巧妙搭配和組合，從而設(shè)計(jì)出最富時(shí)尚感的服裝。美國的IC3D公司（交互客戶服務(wù)公司）在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提供了基于web的配置設(shè)計(jì)功能。顧客進(jìn)入該公司網(wǎng)站后，可以通過商務(wù)平臺進(jìn)行信息交互，完成定制服裝的設(shè)計(jì)。

通過本研究成果的應(yīng)用，將推動(dòng)個(gè)性化虛擬人臺技術(shù)的發(fā)展，為服裝個(gè)性化定制提供設(shè)計(jì)和制造工具，從而推動(dòng)我國個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

2.2個(gè)性化定制服裝

虛擬人臺與快速成型一體化，能夠縮短虛擬人臺到實(shí)物人臺的過程，快速實(shí)現(xiàn)個(gè)性化虛擬人臺的實(shí)物化，提高個(gè)性化定制服裝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，從而減少從消費(fèi)者需求、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、個(gè)性化制造整個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制服裝的高效率，促進(jìn)個(gè)性化定制服裝的發(fā)展。

2.3縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本

互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)的迅速發(fā)展，對企業(yè)提出了時(shí)間和質(zhì)量的要求。目前只有少量的企業(yè)有實(shí)力提供網(wǎng)上服裝定制。而這些企業(yè)受人體體形形態(tài)資料的限制，需要客戶提供詳細(xì)的人體測量尺寸。缺乏測量手段和測量方法的客戶提供的測量值不可避免會增加尺寸的不確定性。因此能否只要求客戶提供較易測量且測準(zhǔn)的少數(shù)值來進(jìn)行服裝定制，是個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)亟需解決的問題。逆向工程能夠快速地獲取人體測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，為虛擬人臺的參數(shù)化模型提供數(shù)據(jù)支持。通過提煉關(guān)鍵人體參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)由客戶提供可行人體測量數(shù)據(jù)，從而建立與客戶合體化的虛擬人臺，基于此可以實(shí)現(xiàn)由客戶提供較易測量且測準(zhǔn)的少數(shù)值，自動(dòng)生成符合客戶的虛擬人臺，通過快速成型制作成實(shí)物人臺，從而極大縮短設(shè)計(jì)周期，降低測量誤差和設(shè)計(jì)成本。

3.總體方案設(shè)計(jì)

以三維掃描儀作為輸入，快速成型、數(shù)控加工作為輸出的集成動(dòng)漫衍生產(chǎn)品設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)。提供豐富的角色模型庫、道具模型庫、角色動(dòng)作庫，可以極好地為紡織服裝產(chǎn)業(yè)和動(dòng)漫衍生產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計(jì)服務(wù)，推動(dòng)紡織服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如圖1所示。

創(chuàng)新之處包括：

個(gè)性化定制服裝的虛擬人臺設(shè)計(jì)與快速成型系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)從虛擬產(chǎn)品向?qū)嵨锂a(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化：

創(chuàng)建以三維掃描儀為輸入，快速成型為輸出的集成逆向工程系統(tǒng)；

建立面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺模型數(shù)據(jù)庫，滿足快速檢索。

4.研究方法

4.1基于徑向基函數(shù)的參數(shù)化建模以及基于遺傳算法的形狀智能生成技術(shù)

三維建模最為常用的方法是借助三維建模軟件進(jìn)行交互式構(gòu)造，例如3Ds MAX、Maya等。然后通過計(jì)算機(jī)屏幕上的二維平面操作建模三維角色并不是很容易掌握的技能，對于設(shè)計(jì)師來說，無論是熟悉還是運(yùn)用這些軟件都是非常困難的事情。此外，盡管這些建模軟件都提供了功能強(qiáng)大的造型工具，但交互仍然很繁瑣，高度真實(shí)感建模通常是一項(xiàng)極其耗時(shí)的工作。利用本項(xiàng)目提出的方法，可以給設(shè)計(jì)師提供一個(gè)交互簡單且高效的建模手段。

4.2基于旋轉(zhuǎn)四元數(shù)球面線性插值的骨骼混合算法

將運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)作用于預(yù)定義的抽象骨架，然后通過骨架傳遞到皮膚網(wǎng)格產(chǎn)生變形，是目前角色動(dòng)畫普遍采用的控制方式。在進(jìn)行角色創(chuàng)意設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用此方法快速地生成不同姿勢的角色。

4.3三維模型形狀分布的提取以及三維模型相似度計(jì)算

幾何內(nèi)容是三維數(shù)字模型所普遍包含的最本質(zhì)信息，也是最符合人們對于空間物體的直觀的信息。因此，尋找使用幾何內(nèi)容對三維模型進(jìn)行有效檢索的方法具有重大的理論意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

5.技術(shù)路線

5.1基于遺傳算法的形狀智能生成技術(shù)

主要包括基于遺傳算法的形狀智能生成技術(shù)和基于角色模型庫的形狀智能生成技術(shù)。

遺傳算法（Genetic Algorithm）是一種求解大規(guī)模復(fù)雜組合尋優(yōu)問題的有效算法。目前在形狀智能設(shè)計(jì)中已經(jīng)有了一些研究與應(yīng)用，如香港理工大學(xué)的John Frazer教授的基于遺傳算法玻璃杯設(shè)計(jì)。基于角色模型庫的形狀智能生成技術(shù)，是在建立角色創(chuàng)新設(shè)計(jì)的模型庫基礎(chǔ)之上，通過對模型庫的研究，分析出角色模型的布局情況和元素使用情況，創(chuàng)作出新的角色模型。

5.2基于徑向基函數(shù)的參數(shù)化建模

通過對基礎(chǔ)模板的幾何參數(shù)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)特定模型的快速生成。所涉及的技術(shù)包括定義測量平面提取模板的形態(tài)參數(shù)信息，引入軸向參數(shù)和徑向角度權(quán)重曲線來增加軸變形算法的靈活性，長度和圍度變形控制體的構(gòu)造以及變形過程控制等。

5.3優(yōu)化關(guān)聯(lián)的皮膚骨骼動(dòng)畫技術(shù)

給出改進(jìn)的骨骼混合算法，在用戶交互完成骨架的匹配和角色模型網(wǎng)格的區(qū)域劃分計(jì)算后，以四元數(shù)旋轉(zhuǎn)插值實(shí)現(xiàn)變形結(jié)果。通過對骨骼線采樣點(diǎn)偏移特性的分析，引入軸心頂點(diǎn)校正機(jī)制有效提高了角色骨架關(guān)節(jié)部位的皮膚網(wǎng)格變形質(zhì)量。

5.4基于形狀函數(shù)的三維模型檢索方法

R.Osada等人提出了將形狀分布作為三維模型的特征描述。基于形狀分布的形狀描述具有對三維模型的任意旋轉(zhuǎn)、縮放不變化，對模型的細(xì)化、簡化、退化不敏感等優(yōu)點(diǎn)?？梢岳靡恍┬螤詈瘮?shù)獲得三維模型的形狀分布，再比較兩個(gè)模型的形狀分布就可以獲得三維模型的相似度。即三維模型的檢索只需先獲得模型的形狀分布，再與數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行相似度的計(jì)算。該方法比較容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算速度相當(dāng)快（計(jì)算一個(gè)含6萬個(gè)三角形的三維模型的形狀分布只要3秒），相似度計(jì)算的時(shí)間基本可以忽略。另外，只要選擇適當(dāng)?shù)男螤詈瘮?shù)，效果非常令人滿意。

5.5基于CAD模型的直接分層技術(shù)

由于STL文件是對CAD模型的表面近似，無論軟件如何改進(jìn)，均不能滿足高精度角色模型的加工。所以我們將拋棄STL模型，將CAD模型直接轉(zhuǎn)換為STEP或者16Es數(shù)據(jù)類型，對其進(jìn)行直接分層處理，直接從CAD設(shè)計(jì)模型中獲取曲線截面輪廓邊界。具體技術(shù)路線如圖2所示。

6.系統(tǒng)模塊構(gòu)成

本研究中的終端設(shè)備如圖3所示，圖4為使用時(shí)的狀態(tài)圖。

本系統(tǒng)總體由模塊構(gòu)成，如圖5所示：

6.1系統(tǒng)集成界面模塊

這一模塊是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，它集成了其他與設(shè)計(jì)師直接相關(guān)的模塊如角色設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、角色設(shè)計(jì)方案展示模塊等，它的設(shè)計(jì)依據(jù)角色設(shè)計(jì)自身的特性，并參照了當(dāng)前CAD領(lǐng)域的各種著名軟件的界面。如圖6為終端設(shè)備上屏幕與主板電源集成器的實(shí)物圖。

6.2三維掃描數(shù)據(jù)錄入模塊

三維掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然會存在一些問題，需進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括去除噪聲、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等方面。

6.3人臺智能生成模塊

實(shí)現(xiàn)三大功能：

第一，基于逆向工程的思想，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修改，進(jìn)行虛擬人臺三維模型生成與修改；

第二，基于模型庫的形狀智能生成技術(shù)，在設(shè)計(jì)模型庫基礎(chǔ)之上，通過對模型庫的研究，分析出模型的布局情況和元素使用情況，創(chuàng)作出新的人臺和模型；

第三，提供與通用建模軟件的接口。

6.4標(biāo)準(zhǔn)人體生成模塊

利用標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)定的人體參數(shù)，生成標(biāo)準(zhǔn)人體模型。

6.5虛擬展示模塊

這一模塊實(shí)際上是一個(gè)實(shí)體造型的三維顯示子模塊，也即VRML場景的瀏覽器。這個(gè)模塊包括兩個(gè)子模塊，其中一個(gè)模塊是設(shè)計(jì)過程中的方案實(shí)時(shí)顯示模塊，這一模塊主要是當(dāng)前虛擬人臺的展示，不需要場景的支持；另一模塊則是一個(gè)相對獨(dú)立的展示平臺。如7為終端設(shè)備上主板的實(shí)物圖。

6.6設(shè)計(jì)方案輸出模塊

這一模塊的工作可以分為兩部分：一部分是對角色設(shè)計(jì)方案按標(biāo)準(zhǔn)化的格式進(jìn)行輸出，另一部分是用來向客戶、設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)結(jié)果的一個(gè)設(shè)計(jì)方案報(bào)告書（包括角色設(shè)計(jì)方案、道具設(shè)計(jì)方案、場景效果、適當(dāng)?shù)奈淖终f明等），這一模塊還將提供幾套報(bào)告書的模板，設(shè)計(jì)師可以套用，以提高效率。

6.7數(shù)據(jù)庫管理模塊

主要提供系統(tǒng)與后臺數(shù)據(jù)庫的接口，以及對系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)庫如標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)庫、掃描數(shù)據(jù)庫、人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫、人臺組合模塊庫等數(shù)據(jù)庫的管理。如圖8為終端設(shè)備上硬盤、定時(shí)器、斷電器的實(shí)物圖。

6.8接口模塊

主要包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)與三維掃描系統(tǒng)的接口、設(shè)計(jì)系統(tǒng)與快速成型系統(tǒng)的接口。如圖9為終端設(shè)備上屏幕顯卡端口的實(shí)物圖。

7.結(jié)論

7.1主要研究發(fā)現(xiàn)

“與眾不同”的服裝消費(fèi)已然成為城市消費(fèi)群體的主要消費(fèi)追求，作為彰顯個(gè)人時(shí)尚品味的載體，個(gè)性化定制服裝的需求會越來越大。目前個(gè)性化定制服裝的市場尚在形成中，僅有一些較大的品牌提出了個(gè)性化定制服裝的理念和服務(wù)。具有紡織業(yè)優(yōu)勢的紹興，在大力發(fā)展紡織業(yè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)的趨勢和背景下，利用虛擬人臺及快速成型技術(shù)，為個(gè)性化定制服裝提供高效的設(shè)計(jì)工具和制造手段，將有效地促進(jìn)個(gè)性化定制服裝的發(fā)展，從而推動(dòng)紡織產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

7.2研究過程中的問題、經(jīng)驗(yàn)和建議

本研究自2013年3月始，經(jīng)過2年多的不斷研發(fā)，通過構(gòu)建以三維掃描儀作為輸入，快速成型作為輸出的集成個(gè)性化定制服裝人臺設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)，企業(yè)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)成果，可將產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短25%以上，降低設(shè)計(jì)成本30%以上，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

但在后續(xù)的產(chǎn)品升級更新上，仍面臨一些問題需要改進(jìn)，具體如下：

7.2.1實(shí)時(shí)多層穿衣的三維軟件開發(fā)。用戶穿衣的次序不同，著裝的效果也不同，例如T恤穿在襯衫里面或穿在襯衫外面，會展現(xiàn)出不同的穿衣效果，完美再現(xiàn)真實(shí)世界中的穿衣行為。

7.2.2提高人體造型逼真度。用戶可以自由調(diào)節(jié)體型，并與移動(dòng)客戶端和WEB端保持同步。

7.2.3 360°視角。可以從任意角度查看著裝的效果。

7.2.4 3G/4G模塊。

7.2.5 RFID掃描模塊。

本文是浙江省科技廳工業(yè)設(shè)計(jì)科技項(xiàng)目研究成果，編號：2013D40024。