基于交互式FOA算法和服裝部件庫(kù)的三維服裝設(shè)計(jì)

陸晗翔，劉曉剛

東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海200051

基于交互式FOA算法和服裝部件庫(kù)的三維服裝設(shè)計(jì)

陸晗翔，劉曉剛

東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海200051

針對(duì)傳統(tǒng)的三維服裝部件曲面偏置方法存在局部形狀難以控制以及部分特殊部件造型方法無(wú)法準(zhǔn)確定義的缺點(diǎn)，結(jié)合果蠅優(yōu)化算法的快速搜索能力和全局最優(yōu)能力，在參數(shù)化造型方法的基礎(chǔ)上，建立衣領(lǐng)、衣袖和衣身的三維部件庫(kù)，在客戶滿意度最佳和設(shè)計(jì)材料最低的情況下，實(shí)現(xiàn)服裝部件的模塊化和參數(shù)化，便于后期三維服裝設(shè)計(jì)模型的快速調(diào)用。該方法可以有效地提高三維服裝設(shè)計(jì)的效率，避免重復(fù)繁瑣的服裝部件原始造型過(guò)程。

交互式；果蠅優(yōu)化算法；三維服裝設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和服裝CAD技術(shù)的快速發(fā)展，二維服裝CAD設(shè)計(jì)在服裝款式設(shè)計(jì)、排料和打版過(guò)程中均得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一定成果。雖然三維服裝CAD設(shè)計(jì)取得了一定研究成果，但是三維服裝設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要設(shè)計(jì)者具備相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和較多的交互設(shè)計(jì)工作量，導(dǎo)致客戶無(wú)法參與三維服裝CAD設(shè)計(jì)［1］。針對(duì)該問(wèn)題，本文首先將服裝部件如衣身、衣領(lǐng)、衣袖、口袋等隨機(jī)組合形成整體衣服，之后通過(guò)用戶交互的方式實(shí)現(xiàn)評(píng)分，利用果蠅優(yōu)化算法和服裝部件庫(kù)的重復(fù)使用，結(jié)合用戶交互式評(píng)價(jià)的適應(yīng)度，獲得用戶滿意的三維服裝設(shè)計(jì)結(jié)果。

1　果蠅優(yōu)化算法

果蠅優(yōu)化算法（Fruit Fly Optim ization Algorithm，F(xiàn)OA）是受果蠅覓食行為啟發(fā)所提出的一種生物尋優(yōu)算法［2］，其算法流程如下：

（1）設(shè)置FOA算法參數(shù)：果蠅群體大小Popsize和最大迭代次數(shù)Iteration，X_begin、Y_begin表示隨機(jī)初始化果蠅群體位置；

（2）通過(guò)公式（1）和（2）計(jì)算果蠅個(gè)體尋優(yōu)的隨機(jī)方向和距離；

其中，Value表示果蠅的搜索距離；xi和yi分別表示果蠅個(gè)體的下一時(shí)刻的位置。

（3）通過(guò)公式（3）計(jì)算果蠅個(gè)體和原點(diǎn)之間的距離di，而后通過(guò)公式（4）計(jì)算果蠅個(gè)體的味道濃度Si；

（4）將味道濃度Si代入味道濃度判定函數(shù)，如公式（5），計(jì)算出當(dāng)前位置的果蠅個(gè)體味道濃度；

（5）找到果蠅群體中最佳味道濃度值由Smellb表示和最佳位置由xb和yb表示；

（6）保留并記錄果蠅最佳位置和最佳味道濃度，最佳味道濃度Smellbest=Smellb，果蠅初始位置X_begin=xb，Y_begin=yb，同時(shí)果蠅群體向當(dāng)前最佳位置搜尋；

（7）進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)迭代步驟（2）～（5），同時(shí)判斷味道濃度是否好于前一迭代味道濃度；若成立，則轉(zhuǎn)到步驟（6）。

2　建立三維服裝部件庫(kù)

目前，三維服裝部件模型主要通過(guò)曲面偏置的方法構(gòu)建出來(lái)，該方法存在局部形狀難以控制以及部分特殊部件造型方法無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行定義［3］。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文利用參數(shù)化造型方法，建立衣領(lǐng)、衣袖和衣身的三維部件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)服裝部件的模塊化和參數(shù)化，便于后期三維服裝設(shè)計(jì)的模型的快速調(diào)用，提高三維服裝設(shè)計(jì)的效率，避免重復(fù)繁瑣的服裝部件原始造型過(guò)程。

2.1建立三維服裝部件庫(kù)

為了便于后期三維服裝設(shè)計(jì)時(shí)，服裝部件模型的快速調(diào)用，首先需設(shè)計(jì)相應(yīng)的衣領(lǐng)類(lèi)、衣袖類(lèi)和衣身類(lèi)的三維服裝設(shè)計(jì)部件庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖1　衣袖類(lèi)定義Fig.1Definition of sleeves

2.2拼接服裝部件

圖2　衣領(lǐng)部件Fig.2Parts in collar

圖3　衣袖部件Fig.3Parts in sleeve

圖4　衣身部件Fig.4Parts in fashion

衣袖和衣領(lǐng)通過(guò)拼接線Fneck和Farm將二者和衣身拼接成一個(gè)整體。將拼接線定義為F=（C，｛Pi｝，｛Ti｝，｛Li｝）。其中，C表示空間曲線；｛Pi｝表示C的控制點(diǎn)在衣身網(wǎng)格曲面上投影點(diǎn)的集合；｛Ti｝表示｛Pi｝所在三角形序號(hào)的集合；｛Li｝表示｛Pi｝之間的線段集合［4］。在生成衣領(lǐng)和衣袖部件時(shí)，以衣身為參考生成拼接線Fneck和Farm，對(duì)于拼接線上每個(gè)點(diǎn)Pi可根據(jù)其對(duì)應(yīng)的Ti獲得所在衣身網(wǎng)格三角形的頂點(diǎn)（Qi0，Qi1，Qi2），Pi可通過(guò)公式（6）～（8）獲得，其中（u，v，w）為重心坐標(biāo)。

當(dāng)服裝部件應(yīng)用于其他衣身時(shí)，由于具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以可根據(jù)拼接線中所記錄的Ti獲得Pi在新的衣身網(wǎng)格中所在的三角形頂點(diǎn)（Q＇i0，Q＇i1，Q＇i2），然后利用公式（9）計(jì)算出Pi在新衣身所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)P＇i。

當(dāng)重新計(jì)算出所有控制點(diǎn)的新坐標(biāo)后，即可將拼接線映射到新的衣身網(wǎng)格，根據(jù)映射后的拼接線將部件網(wǎng)格按三角形最小內(nèi)角最大化的原則進(jìn)行縫合完成部件拼接。

3　基于交互式FOA的三維服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

3.1人機(jī)交互

為了最大限度地發(fā)揮人和計(jì)算機(jī)之間的相互優(yōu)勢(shì)，將人和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)定量表達(dá)的邏輯推理能力和人類(lèi)定性認(rèn)識(shí)的整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)定量和定性表達(dá)的最優(yōu)化選擇。

3.2設(shè)計(jì)框架

基于交互式FOA的三維服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊圖如圖5所示［5］：

圖5　交互式三維服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)Fig.5 Interactive 3D fashion design system

3.3適應(yīng)度函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)三維服裝設(shè)計(jì)運(yùn)算，提出一種基于部件指針的編碼方式。部件指針指向服裝三維部件或者紋理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針類(lèi)型。果蠅個(gè)體直接由部件指針構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)三維部件的靈活拼接。果蠅個(gè)體定義成為｛X1，X2，X3，X4，X5，X6｝，其含義如圖6所示。編碼時(shí)，首先初始化果蠅個(gè)體位置的部件指針，之后從部件庫(kù)中讀取部件數(shù)據(jù)并將其保存到響應(yīng)的類(lèi)結(jié)構(gòu)，從而形成一個(gè)代表三維服裝的果蠅個(gè)體，圖7表示一個(gè)果蠅個(gè)體的組成和其代表的三維服裝。解碼時(shí)，無(wú)需進(jìn)行相應(yīng)的變換處理，利用果蠅個(gè)體中的部件指針就可以實(shí)現(xiàn)服裝部件的組合、拼接和三維顯示等操作。

圖6　果蠅個(gè)體定義Fig.6Definition of a fruit fly

圖7　果蠅個(gè)體和其形成的三維服裝Fig.7A fruit fly and 3D fashions

由于服裝好壞的評(píng)價(jià)存在主觀性強(qiáng)和無(wú)法定量計(jì)算的缺點(diǎn)，通過(guò)人機(jī)交互評(píng)分的方式則更能合理的體現(xiàn)用戶對(duì)于所設(shè)計(jì)服裝的喜好。由于服裝由不同部件構(gòu)成，不同的用戶對(duì)于服裝部件的偏重程度又有所不同。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)三維服裝組件分別打分的方式，計(jì)算三維服裝設(shè)計(jì)的適應(yīng)度。首先由用戶對(duì)服裝個(gè)體的衣身、衣袖及衣領(lǐng)進(jìn)行打分，依次用Fgi、Fsi、Fci表示，之后將獲得的分值乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)Ig、Is、Ic，最后將加權(quán)分值相加，獲得三維服裝的整體適應(yīng)度Fitness。不同服裝部件的權(quán)重系數(shù)由用戶根據(jù)偏好設(shè)定［6］。

目標(biāo)函數(shù)以三維服裝布料使用量最少為目標(biāo)［7］：

3.4約束條件

約束條件包括共點(diǎn)約束、對(duì)稱(chēng)約束、尺寸約束、干涉約束和邊界約束等11個(gè)約束條件［8］：

3.5數(shù)學(xué)模型

綜上，以三維服裝布料使用量最少為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可由如下數(shù)學(xué)模型表示［9］：

4　仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，設(shè)置FOA算法的參數(shù)如下：迭代次數(shù)為100，種群大小為30，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9、圖10和圖11所示：

圖8　適應(yīng)度函數(shù)的收斂過(guò)程Fig.8 Convergence process of fitness function

圖9　果蠅算法優(yōu)化路徑Fig.9Optimalalgorithm for FOA

圖10　FOA和改進(jìn)FOA收斂結(jié)果對(duì)比圖Fig.10Com parison between FOA and improved FOA

圖11　交互式FOA設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.11Design based on interactive FOA

由仿真結(jié)果可知，交互式果蠅優(yōu)化算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以克服FOA算法的局部最優(yōu)問(wèn)題，同時(shí)收斂速度也得到較大提高。由圖10可知，改進(jìn)的FOA算法收斂速度快于FOA算法，效果較好。

5　結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的三維服裝部件曲面偏置方法存在局部形狀難以控制以及部分特殊部件造型方法無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行定義的缺點(diǎn)，在參數(shù)化造型方法的基礎(chǔ)上，建立衣領(lǐng)、衣袖和衣身的三維部件庫(kù)，在客戶滿意度最佳和設(shè)計(jì)材料最低的情況下，運(yùn)用交互式FOA算法實(shí)現(xiàn)服裝部件的模塊化和參數(shù)化，便于后期三維服裝設(shè)計(jì)的模型的快速調(diào)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法可以有效地提高三維服裝設(shè)計(jì)的效率，避免重復(fù)繁瑣的服裝部件原始造型過(guò)程。

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3D Fashions Design Based on Interactive FOAAlgorithm and Parts Library

LU Han-xiang，LIU Xiao-gang
Fashion and ArtDesign Institute/Donghua University，Shanghai200051，China

This paper established the 3D fashion parts library based on the shaped parameters combining w ith the ability to quickly search of Flying Fruit Optimization Algorithm and the global optimization capability instead of the traditional 3D surface biasmethod，which was difficult to controland define accurately the local shape aswellas themodeling for special parts，so as to achieve amodularization and parameterization of fashion parts for easily using themodels in fashion parts library under the best customer satisfaction and the most economical materials.The proposed method could effectively improve theefficiency of3D fashion design to avoid a duplication of tediousoriginalmodeling for fashion parts.

Interactive；Flying FruitOptimization Algorithm；3D fashion design

TP391.1

A

1000-2324（2016）04-0595-05

2016-03-02

2016-03-28

陸晗翔（1991-），女，江蘇太倉(cāng)人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉b設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用.E-mail：111111111hao@sina.com