服裝三維虛擬縫合技術(shù)ABC

彭珺 胡創(chuàng)耀 黃銘昶 勞宇聰 陳小林 鄭東源

摘要：隨著計算機3D設(shè)計技術(shù)更新?lián)Q代的速度日益加快，基于此技術(shù)而構(gòu)建的服裝3D系統(tǒng)的發(fā)展也趨于成熟，在服裝設(shè)計領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在服裝三維虛擬縫合技術(shù)的幫助下，服裝制作的流程和時間得以顯著地縮短，對服裝行業(yè)來說具有顛覆性意義。本文從三維縫合技術(shù)本身出發(fā)，研究其發(fā)展現(xiàn)狀并對其未來前景進行展望，以期對未來服裝行業(yè)的發(fā)展提供參考性意見。

關(guān)鍵詞：服裝;三維虛擬;服裝縫合技術(shù)

中圖分類號：TS941.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2019）03-0275-02

一、三維虛擬縫合技術(shù)概述

三維虛擬縫合技術(shù)是一項基于物理造型方法去實現(xiàn)精確地描述織物、真實地表現(xiàn)出織物的各種狀態(tài)的技術(shù)。將力以及能量等一系列物理量進行引入，可將紡織品的各個部分在各種作用力下的質(zhì)點運動狀態(tài)模仿并表現(xiàn)出來，最后通過將模擬生成的二維衣片用三維軟件真實在穿衣模特的模型上真實的表現(xiàn)出來。

三維虛擬縫合技術(shù)涉及到的物理模型主要有兩種：

其中一種便是使用幾何造型，也就是說，對于衣片曲面等信息予以合理應(yīng)用，并將其作為建模的基本信息，最終完成服裝模型的構(gòu)建工作。這種方法直觀、高效，而且不需要事先對縫合信息進行設(shè)置就可以完成服裝模型的構(gòu)建工作，可依據(jù)此方法所構(gòu)建的模型不能夠?qū)γ媪系馁|(zhì)感以及垂墜感進行有效的模擬，模擬效果和實際效果之間具有較大的差異;

二是將物質(zhì)拆分成為一個個點的質(zhì)子一彈簧模型，在這個模型中，可以將服裝的曲面離散成排列規(guī)則的網(wǎng)格狀，各個網(wǎng)格之間存在一些交叉點，這些交叉點被統(tǒng)稱為系統(tǒng)質(zhì)點，每一個系統(tǒng)質(zhì)點可以構(gòu)成一種近似于彈簧的結(jié)構(gòu)，因此便完成了質(zhì)子-彈簧所組成的的網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)建工作。這一種模型可以在外界受力的情況下產(chǎn)生運動，由此達到模擬織物真實的下垂感，但是這項技術(shù)在計算上比較耗時并且縫合過程也相對復(fù)雜。

三維虛擬縫合分為以下七步驟：一是導(dǎo)入對應(yīng)的人體模型和2D裁片;二是將2D裁片進行網(wǎng)格剖分;三是按照所需要縫制的具體服裝的特性初始化它們在人體模型上的位置;四是設(shè)定縫合信息;五是構(gòu)建2D裁片的質(zhì)點一彈簧模型;六是給質(zhì)點-彈簧模型施加縫合力，將要縫合的衣片貼合靠攏，同步更新質(zhì)點的位置，使2D裁片產(chǎn)生彎曲變形，并靠近人體模型;七是將二維的衣片縫合成3D服裝，調(diào)整服裝至與模型真實狀態(tài)相吻合，制作出逼真的服裝穿著效果。

二、三維虛擬縫合的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在此之前，國內(nèi)外的服裝虛擬縫合的技術(shù)水平仍主要停留在二維層次上，虛擬試衣間多為二維系統(tǒng)，但多年來無數(shù)人在研究三維虛擬縫合技術(shù)及其應(yīng)用。如國內(nèi)的眾多研究機構(gòu)和高校，國外有美國的Gerber、法國的Lectra、日本旭化成的AGMS3D、美國PGM的Unway 3D和韓國CLO的CLO 3D等都一直在研究三維虛擬縫合技術(shù)及其應(yīng)用?？傮w來說，國外在此領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先水平。

（一）國內(nèi)狀況分析

經(jīng)過多年的研究探索，國內(nèi)的和炫試衣軟件等商業(yè)軟件都展示了自己的虛擬試衣系統(tǒng)。我國有很多研究機構(gòu)對于三維虛擬裝配技術(shù)展開了深入的研究，如東華大學(xué)的服裝學(xué)院、北京服裝學(xué)院和中山大學(xué)的計算機研究所等機構(gòu)都對三維虛擬裝配技術(shù)的研究投入了大量的時間和精力，并取得了豐富的研究成果。楊國行通過對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，完成了三維人體建模的構(gòu)建工作，該模型可以將人體截面的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有效地反映出來，而且可以參考這些參數(shù)來改變?nèi)梭w的形態(tài)，也就是說，其可以使用提四層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型可以運用網(wǎng)格數(shù)據(jù)來對自身進行調(diào)試，數(shù)據(jù)庫中儲有大量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)可供使用;匡亞偉對于自己的研究成果進行總結(jié)，推出了一種全新的三維人體模型變形的方法，這種方法可以根據(jù)人體輪廓的變化而不斷變化。這個算法是根據(jù)隱馬爾可夫鏈的匹配方法發(fā)展而來的，其在研究的過程中將人體輪廓和模型二者的聯(lián)系予以明確，并且使用均值坐標(biāo)將模型內(nèi)部的幾何坐標(biāo)存儲下來;楊開泰在局部活動標(biāo)架的幫助下完成了坐標(biāo)軸的構(gòu)建工作，從而可以將曲線和人體定點之間的集合關(guān)系進行確定，當(dāng)操作者對軸曲線進行調(diào)整時，其可以帶動人體輪廓發(fā)生變化，通過對軸變形技術(shù)的應(yīng)用，可以保障輪廓的調(diào)整具備一定的靈活性，而且軸向以及徑向的參數(shù)權(quán)重都可以被引入到模型當(dāng)中;朱廣舟等人歸納了服裝二維裁片的虛擬模擬技術(shù)，運用構(gòu)建質(zhì)一彈簧模型，將已經(jīng)被系統(tǒng)所記錄的裁片的四邊予以編輯，把四邊形的兩條對角線進行連接，進而實現(xiàn)三角網(wǎng)格的剖分。

（二）國外狀況分析

在國外，Micheal等把2D的服裝紙樣進行可視化處理，使其變成一個空間立體結(jié)構(gòu)，并對其予以三角剖分處理，使其最終形成一個3D模型。除此之外，他還發(fā)明了一種全新的服裝組合技術(shù)，該技術(shù)具備縫合的特性，可以將邊緣線以及定位線這些位置的裁片予以處理，使其具備“縫合”的特性，這可以保障每一塊裁片都能具備數(shù)量一致的有限元網(wǎng)格，進而保障“縫合”工作可以順利地開展;Garignan等人在采用了牛頓運動定律的基礎(chǔ)上，提出了一種通用于二維衣片到三維的映射算法。借助縫合力，在二維空間的衣片可以自動地發(fā)生形狀變化，進而被縫合在三維空間中的人體模型當(dāng)中。三維服裝基型法的應(yīng)用，可以幫助使用者在交互式光標(biāo)的幫助下來對三維空間的基礎(chǔ)形狀予以修改，進而獲得既定的三維服裝的紙樣。

除此之外，該技術(shù)可以提供松量，使得人們可以對服裝是否合體予以檢驗;Howlcher等對于服裝設(shè)計以及模擬仿真問題進行深入探討，指出設(shè)計時應(yīng)當(dāng)先完成2D服裝衣片的構(gòu)建工作，然后再對這個衣片的頂點予以編輯處理，并能夠?qū)p合的信息進行重新定義，最終把設(shè)計的2D服裝進行仿真模擬，使其能夠穿在人體模型身上，并對其進行縫合。上述解決方案的推出可以有效地降低設(shè)計師的壓力，提升服裝設(shè)計的效率。

三、三維虛擬縫合的縫制流程和關(guān)鍵技術(shù)

依據(jù)縫制流程，虛擬服裝縫紉技術(shù)可以將網(wǎng)格剖分、幾何變換、控制約束以及運動方程求解等問題囊括在內(nèi)。其中，空間幾何變換和運動方程數(shù)值求解均己有了較為成熟的解決方案。故在此只論述服裝的網(wǎng)格剖分和縫合約束處理，這兩方面是實現(xiàn)復(fù)雜服裝虛擬縫制的關(guān)鍵。

（一）2D衣片的網(wǎng)格剖分

2d到3d轉(zhuǎn)換的第一步——Zd程序集離散化。即將2D衣片離散為基于質(zhì)子一彈簧模型的規(guī)則的四邊域網(wǎng)格形式。在開展網(wǎng)格剖分工作時，因為質(zhì)子一彈簧網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具備一定的約束性，而邊界對位的位置也具備一定的縫合約束，因此設(shè)計師應(yīng)當(dāng)對下述問題格外留意：

首先，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)符合四邊域形式的要求;

其次，在進行邊界離散時，應(yīng)當(dāng)保障縫合點之間構(gòu)成映射關(guān)系，從而實現(xiàn)邊界約束;

最后，四邊域網(wǎng)格單元的四個角應(yīng)當(dāng)為直角，使其能夠滿足材料的結(jié)構(gòu)特性的要求。

因為要達到縫合對位的要求，因此縫合邊界上會生成一些三角域，除此之外，由于四邊區(qū)域網(wǎng)格單元的四個角是直角，因此構(gòu)建了基于四邊形網(wǎng)格的一種全新的算法，實現(xiàn)了二維服裝切片的生成。剖分生成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)充分滿足了2D衣片轉(zhuǎn)化為3D服裝的特殊要求。

（二）縫合對位的邊界處理

之所以會對二維空間中的衣片予以網(wǎng)格剖分，是因為設(shè)計師要構(gòu)建基于質(zhì)子一彈簧結(jié)構(gòu)的3D服裝模型。在完成剖分工作后，全新的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不但要符合質(zhì)子一彈簧模型的條件，而且還應(yīng)當(dāng)使縫合邊之間存在映射關(guān)系。隨著縫合線呈現(xiàn)出不同的特點，那么邊界方案也應(yīng)當(dāng)實時進行調(diào)整。

首先是對位縫合。在對服裝進行縫合時，對位縫合是最為基礎(chǔ)的一種縫合工藝。在開展該縫合工作時，縫合邊的長度應(yīng)當(dāng)保持一致，而且縫合點的數(shù)量和位置應(yīng)當(dāng)相同，而離散單位也應(yīng)當(dāng)具備一致的長度。

在此之后，便是開展抽褶縫合的工作。如果縫合邊的長度不相等，那么縫合師就應(yīng)當(dāng)對于長度較長的一邊予以抽褶，使縫合邊的長度保持一致，在此之后，再開展縫合工作。然而，縫合邊上的無約束網(wǎng)格節(jié)點將導(dǎo)致縫合后關(guān)節(jié)處的不合理空隙。

因此，有必要對服裝褶皺接頭中網(wǎng)格單元的拓撲結(jié)構(gòu)進行進一步的修改。我們采用構(gòu)造無彈力相連特性的四邊域，而且對其空隙予以插補，以求得上述問題的解決。

（三）縫合過程中約束處理

依據(jù)縫合信息，縫線力加載在相應(yīng)的縫合邊緣的服裝樣片上。在縫合力的作用下，可使兩片2D衣片發(fā)生形變并逐漸被縫合在一起。對于縫合過程所處的階段不同，我們采用的約束方法也是存在差異的。

其中一種情況便是裁片是相互分割開來的，在縫合信息的作用下，縫合力會對縫合邊產(chǎn)生作用，便質(zhì)于一彈簧系統(tǒng)發(fā)生空間變化，這會使得裁片的形狀發(fā)生變化，使其按照力的作用而彼此接近，最終縫合。

在這個過程中，縫合點的位置以及力的系數(shù)往往會對縫合力的大小以及方向進行決定;

二是服裝衣片已經(jīng)縫合。當(dāng)衣片縫合邊之間足夠靠近時，則認(rèn)為衣片縫合。在這個過程中，縫合約束可以忽略不計，同時可以使用動量守恒定律來保障縫合點的運動狀態(tài)符合既定的要求。

四、三維虛擬縫合技術(shù)的應(yīng)用前景

目前服裝三維虛擬縫合技術(shù)主要應(yīng)用在三維CAD和三維虛擬試衣兩大領(lǐng)域。經(jīng)近些年的研究探索，二者都有一定的發(fā)展。

（一）三維CAD技術(shù)

伴隨著經(jīng)濟水平的提升以及計算機技術(shù)日趨成熟，人們對于衣服的質(zhì)量以及個性化設(shè)計的重視程度顯著提升，現(xiàn)存的2D服裝CAD技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足服裝設(shè)計的需要，因此我們應(yīng)當(dāng)基于現(xiàn)有的CAD技術(shù)開發(fā)出可以滿足三維服裝設(shè)計的CAD技術(shù)。而三維服裝CAD的發(fā)展需要以三維人體建模技術(shù)、2D裁片虛擬縫合技術(shù)為基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，我國已經(jīng)研制出了仿三維的CAD設(shè)計，可是和世界領(lǐng)先水平之間仍然存在較大的差距?，F(xiàn)在國內(nèi)比較知名的一款三維設(shè)計軟件就是圖易，這款軟件成功的將三維虛擬縫合技術(shù)應(yīng)用到了服裝設(shè)計上面，該軟件可以根據(jù)服裝的造型以及風(fēng)格等信息，將曲面平攤開來，使其能夠在二維空間中成像，然后將軟件縫入虛擬三維服裝中，模擬服裝的懸垂情況，并測試服裝的契合度。不僅如此，該軟件的應(yīng)用可以拉近設(shè)計師以及紙樣師之間的距離，增進雙方的溝通，提升工作效率。

（二）三維虛擬試衣

從上個世紀(jì)九十年代Miralab實驗室問世之后，該實驗時一直將三維布動畫的構(gòu)建工作作為自己的主要任務(wù)，該實驗室在對3D虛擬服裝進行研究研究時，其研究成果代表著世界的最高水平。在2012年，Microdanmn等人構(gòu)建了全新的虛擬裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備較強的交互性，各種用戶都可以在觸摸屏技術(shù)的幫助下來完成服裝的試穿工作。

除此之外，該系統(tǒng)可以構(gòu)建三維虛擬時裝模型，這個模型可以將用戶著裝后的效果進行仿真模擬。同時，鮑威埃構(gòu)建了一種虛擬服裝商城，這個商城具備較強的交互性。使用者可以額對于自己的參數(shù)進行測定，并對人體模型予以調(diào)整，使其和自己的人體輪廓相近，然后可以借助該模型來完成衣物的選購以及試穿工作。網(wǎng)上服裝店Web服務(wù)器可對多種數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，當(dāng)用戶挑選出與自己條件相近的模型以及服裝之后，服務(wù)器可以對模型以及服裝予以處理，進而使龐大的數(shù)據(jù)得以壓縮，顯著地降低程序相應(yīng)所花費的時間。

五、結(jié)語

三維虛擬縫合技術(shù)作為一項新興技術(shù)，它的出現(xiàn)對服裝行業(yè)來說無疑有著顛覆性的影響，目前，國內(nèi)外研究人員就服裝三維虛擬縫合與仿真技術(shù)展開的一系列研究已取得了令人驚異的結(jié)果。

就發(fā)展現(xiàn)狀而言，不僅要對現(xiàn)階段研究的成果參考其理論方法與基礎(chǔ)，同時也要對傳統(tǒng)的經(jīng)典縫合方法進行拓展，對三維虛擬服裝技術(shù)不斷完善，針對其中產(chǎn)生的問題加以重視并提出相應(yīng)對策，進而達到三維虛擬服裝仿真的要求。盡管現(xiàn)在的技術(shù)尚未成熟，但其發(fā)展前景非常美好。這項技術(shù)的成熟應(yīng)用勢必會大大縮短傳統(tǒng)服裝行業(yè)傳統(tǒng)的加工時長，起到流程創(chuàng)新的作用。同時，該項技術(shù)還可以應(yīng)用于三維CAD系統(tǒng)的完善以及三維虛擬試衣領(lǐng)域。

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