針織產(chǎn)品智能化設計技術研究與應用

文 | 叢洪蓮 沈穎樂 趙博宇 董智佳

隨著時代發(fā)展和人們生活水平提高，針織企業(yè)需要從勞動密集型轉向高科技型，傳統(tǒng)針織產(chǎn)品設計方法和生產(chǎn)技術已無法滿足產(chǎn)業(yè)快速升級的需求，數(shù)字化技術的開發(fā)和應用是紡織行業(yè)長期發(fā)展的關鍵要素之一。針織產(chǎn)品設計的智能化為企業(yè)產(chǎn)品快速研發(fā)、提升產(chǎn)品質量和水平、提高產(chǎn)品市場競爭力提供了有力支持。

針織產(chǎn)品智能化設計也是當前針織技術的研究熱點，從紗線模擬、面料模擬到服裝虛擬展示，均有研究人員和團隊從事相關方向的研究。對紗線－面料－服裝數(shù)字化進行系統(tǒng)研究，基于互聯(lián)網(wǎng)構建針織全流程數(shù)字化設計平臺（圖 1），可為針織“個性定制”和“智能制造”提供理論依據(jù)和實踐支持。

圖1 針織智能化設計解決方案

本文將從針織產(chǎn)品設計與仿真系統(tǒng)、針織服裝設計與虛擬展示系統(tǒng)以及針織產(chǎn)品定制與推薦系統(tǒng) 3 個方面討論針織產(chǎn)品智能設計研究進展和應用現(xiàn)狀。

1 針織產(chǎn)品設計與仿真系統(tǒng)

1.1 針織產(chǎn)品設計與仿真技術

為滿足對各類針織產(chǎn)品的設計需求，更清楚、全面地表示不同針織產(chǎn)品的結構與工藝，針織CAD系統(tǒng)的設計形式必須要靈活、豐富。針織CAD系統(tǒng)主要設計功能包括花型設計、工藝設計和上機參數(shù)設計等。通過對產(chǎn)品工藝原理和工藝方法的研究，提煉出數(shù)學模型從而實現(xiàn)針織產(chǎn)品的計算機輔助設計。關于各種針織產(chǎn)品的設計模型，國內外已經(jīng)有許多學者進行了相關研究，如關于緯編多針道以及提花產(chǎn)品的研究，關于經(jīng)編間隔織物編織原理和賈卡提花原理的研究等。

隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，針織物設計與仿真研究取得快速突破，針對提花針織物、絨類針織物、三維立體針織物的仿真模型更趨合理，仿真效果更趨逼真?？椢锓抡婕夹g是CAD系統(tǒng)的主要功能之一，根據(jù)設計的幾何花型及編織工藝進行織物外觀仿真，可以為產(chǎn)品開發(fā)提供虛擬環(huán)境。

1.1.1 線圈結構模擬技術

針織物由紗線屈曲串套而成，其最小結構單元為線圈。紗線在線圈中的路徑為空間曲線，根據(jù)空間曲線建模方法不同，針織物線圈的幾何模型分為分段函數(shù)模型和樣條曲線模型。KURBAK將線圈分解成頭、尾、身 3 部分共 8 段，并對各段分別建模，其中針編弧和沉降弧為橢圓，圈柱為繞圓柱體旋轉且螺旋角變化的螺旋線，模型較為真實地反映了針織線圈的三維形態(tài)（圖 2）。

圖2 分段線圈模型

樣條曲線是一種參數(shù)曲線，具有統(tǒng)一的表達式，模擬精準，控制靈活。與分段函數(shù)法相比，樣條曲線的形式更適于復雜織物中紗線形態(tài)控制。常用的樣條曲線包括插值樣條曲線、參數(shù)樣條曲線、Bezier曲線、B樣條曲線、NURBS曲線等。非均勻有理B樣條（NURBS）是一種在B樣條曲線中，采用其次坐標來指定的曲線，其統(tǒng)一了Bezier曲線、有理Bezier曲線、均勻有理B樣條和非均勻有理B樣條。NURBS曲線不僅引入權因子，可以調整線圈形狀，并且量化了單個權因子的變化對曲線形狀的影響，具有更加靈活穩(wěn)定的特性，被廣泛地應用于線圈三維模擬中。

1.1.2 紗線真實感模擬技術

紗線一般具有一定捻度，且表面粗糙，若用光滑柱面代替則缺乏真實感。如何重現(xiàn)紗線的表面特性使織物模型更貼近真實，很多學者對此進行了研究。XU等在型值點中間插入亮度隨機變化的切片Lumislic，這個切片由隨機的點組成，根據(jù)捻度角旋轉切片，得到了真實感較強的股線效果。ZHAO等將規(guī)則纖維結合浮于表面的纖維建立了具有纖維級細節(jié)的高質量紗線模型。KASPAR等在對橫機產(chǎn)品的計算機模擬中也有對成形的針織物結構進行說明。盧致文等建立了適用于橫編針織物CAD快速設計的真實感較強的線圈圖元，對線圈模型以及線圈表面紋理變化等進行了研究，圖 3 所示為加入不同明暗變化的線圈。

圖3 不同明暗變化的線圈

1.1.3 力學建模

隨著計算機技術的不斷提高和針織組織結構的三維模擬日趨真實，針織物的物理模擬逐漸成為學者們研究的重點，其中彈簧－質點模型和有限元模型的應用最為廣泛。

PROVOT利用彈簧－質點模型進行針織物仿真的基本思路是：將織物看作由彈簧連接的四邊形質點網(wǎng)格，建立彈簧－質點模型網(wǎng)格與線圈的對應關系，在織物尺度上通過模型模擬受力變形情況，再根據(jù)網(wǎng)格變形求解線圈控制點的坐標；同時為了解決彈簧超彈性的問題，提出以顯示歐拉方法為基礎的反向動力學方法對彈簧的過度拉伸進行修正。在彈簧－質點模型基礎上，不僅有許多學者對針織物受力變形進行模擬，還有部分學者對組織結構改變引起的組織變形現(xiàn)象進行了仿真研究。SHA等提出了一種改進的長方體模型和可生成新的輔助點的插值算法，并采用Velocity-Verlet數(shù)值積分法更新質點的空間位移，實現(xiàn)了花式緯編織物的三維動態(tài)仿真。張愛軍等針對壓紗賈卡與襯緯賈卡設定虛擬質點，建立了雙套彈簧系統(tǒng)，改善了雙賈卡提花經(jīng)編織物的結構形變仿真效果。

有限元方法是一種解決工程和數(shù)學物理問題的數(shù)值方法，用來解決數(shù)學領域和有關工程的典型問題。使用有限元模型能夠很容易地模擬出不規(guī)則物體的結構，因此被應用在了織物模擬中。PERUMALSAMY等針對雙羅紋織物在橫向、縱向和前后方向上的拉伸應變現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。WU等在微觀尺度上建立虛擬纖維模型，模擬了針織物纖維間相互作用和紗線在大變形下的非線性特性。除此之外，KALDOR等將紗線看作不可伸展的B樣條管道，在此基礎上考慮紗線的彎曲、摩擦等進行仿真，取得了很好的仿真效果。CIRIO等將紗線與紗線間的接觸視為持久的滑動，將仿真處理速度提高了一個數(shù)量級。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)應用現(xiàn)狀

目前，比較成功的針織CAD軟件都來自于國外的紡織企業(yè)或國內的高校。國外關于針織CAD的研究起步早、發(fā)展快，仿真系統(tǒng)功能完善。如MAO等提出了一種基于仿真的針織物套袋性能評價與評定CAD系統(tǒng)，從而設計出具有理想力學功能的針織產(chǎn)品。NARAYANAN等提出了通用的可視化針織物設計界面，可以從3D模型生成可編織的針織網(wǎng)格，并可允許用戶編輯網(wǎng)格保證織物的可編織性；圖 4 所示為設計系統(tǒng)的核心 —— augmented stitch mesh，這是系統(tǒng)可視化和仿真功能建模的數(shù)據(jù)結構，在每個面都可添加紗線走向跟蹤和本地機器編織指令。

圖4 增廣編織網(wǎng)格示意圖

國內高校已經(jīng)將織物仿真帶入到教學當中，采用虛擬仿真技術對織物的編織規(guī)律進行建模，便于學生對于織物組織結構的認識，使學生在上機操作之前，能夠直觀地觀察到織物組織形態(tài)、理解織物組織結構，而不是僅僅會通過織物的簡易圖示進行上機操作。隨著“互聯(lián)網(wǎng)＋”時代的到來，為提升紡織行業(yè)在國際市場的競爭力，江南大學將之前研發(fā)的單機版CAD系統(tǒng)融合互聯(lián)網(wǎng)技術，開發(fā)了網(wǎng)頁版CAD系統(tǒng)，拓寬了系統(tǒng)適用范圍，系統(tǒng)設計功能更強大，織物模擬功能更逼真（圖 5），為針織CAD系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的思路與平臺。

圖5 不同類型針織產(chǎn)品仿真效果

2 針織服裝設計與虛擬展示系統(tǒng)

隨著計算機硬件和軟件技術的高速發(fā)展，利用CAD軟件進行針織產(chǎn)品設計和展示成為必然趨勢，智能化設計避免了反復打樣過程，促進了針織服裝的高效化生產(chǎn)。在推進服裝CAD智能化的進程中，有許多學者做出了深入研究，如陳曉東等提出運用模式識別理論，使之能自動識別服裝款式圖，并充分利用已有的結構圖繪制新的結構圖。服裝智能化設計主要通過人體建模技術與服裝建模技術的有機結合，從而實現(xiàn)更具真實感的針織服裝虛擬展示。

2.1 針織服裝虛擬展示技術

2.1.1 人體建模技術

三維人體建模作為計算機人體仿真的一個組成部分，一直是學者研究的熱點之一。自交互式計算機圖形學誕生之日起，就有學者不斷探索計算機人體建模技術。從線框建模、實體建模、曲面建模發(fā)展到基于物理的建模，已取得重大進展。

例如，PENG等提出了一種快速參數(shù)化人體造型的方法，根據(jù)不同類型的特征信息提取樣本模型的特征參數(shù)，再將軸向變形法與徑向權重相結合來實現(xiàn)模型的變形，最終實現(xiàn)服裝三維在線仿真并可展示不同體型的穿著效果。

2.1.2 服裝建模技術

目前的CAD軟件多采用二維仿真模式對針織服裝進行建模設計，織物效果缺乏真實感。因此，研究快速、通用的三維建模算法具有重要意義。

MENG等使用橢圓球來近似表示人體模型，其中橢球邊界被遞歸優(yōu)化；同時還提出了一種包含接觸摩擦和解決碰撞的新方案，從而在人體模型上虛擬縫制復雜的服裝圖案，通過基于物理的實時仿真將設計效果可視化。蔣高明等使用Alpha-Shapes算法和RBF徑向基函數(shù)實現(xiàn)了人體模型的建模，在此基礎上擬合三維人體模型上特征線，建立了基于三維人體模型的二維衣片模型，最后通過紋理映射實現(xiàn)虛擬展示功能。圖 6 展示了將衣片部件拼接到衣身上的原理圖。

圖6 組件拼接原理圖

2.1.3 服裝虛擬展示技術

國內外學者就如何提高三維服裝展示的真實性展開了一系列研究，并取得了一定成果。LAG?等研究了在服裝放松量均勻變化的情況下，根據(jù)所使用的面料進行基本衣片的修改，避免胸部、腰部和臀圍處二維和三維測量線不匹配的情況。DONG等采用Alpha-Shapes算法提取人體的特征點及特征面并建立了相應的截面凸包，實現(xiàn)人體特征尺寸提取與人體模型參數(shù)化，通過在三維場景模型建立的基礎上，設定燈光、場景風格等，完成真實場景效果的模擬（圖 7）。

圖7 針織無縫服裝虛擬展示

此外，也有研究者結合虛擬展示環(huán)境對服裝視覺效果的影響，進一步推動了仿真服裝與虛擬空間的融合。WU等為了降低渲染纖維級服裝模型的內存成本，減少了柵格化操作，將構成紗線結構的每個層中心附近的纖維集合起來表示，并提出了一個簡單的基于距離的環(huán)境遮擋以及環(huán)境光照預計算方法，提高了實時渲染的幀率，并且保證了展示效果的真實感。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)應用現(xiàn)狀

面向設計師的服裝設計展示平臺在人體三維建模、服裝建模與真實感渲染等方面做出大量工作。其中，簡化設計操作、優(yōu)化服裝3D虛擬展示和增強真實感渲染是推進展示平臺系統(tǒng)開發(fā)的工作重心。

國外服裝CAD/CAM公司在服裝的數(shù)字化虛擬展示系統(tǒng)中起步較早，并領先進入市場。如德國Assyst公司研發(fā)的3D Vidya具有強大的CAD制版功能，根據(jù)設計師的草稿就能方便地開發(fā)新款紙樣，并能實時預先看到每個樣片縫合起來的服裝三維效果。韓國CLO虛擬服飾公司研發(fā)的CLO 3D和Marvelous Designer服裝制作軟件可以同時為專業(yè)設計者或者業(yè)余愛好者提供精細化的設計操作，實現(xiàn)了將傳統(tǒng)服裝制作方法應用到3D建模中。

近年來，為了滿足服裝設計生產(chǎn)的快節(jié)奏與設計師對服裝智能化設計的要求，國內也涌現(xiàn)出了許多數(shù)字化服裝設計應用平臺，例如凌迪Style3D（圖 8）、云衣定制和酷特云藍等，但大部分平臺僅主打單一類別的服裝設計。由于技術限制，在這些以面向消費者為主的服裝定制及虛擬展示平臺中，還存在可供設計展示的服裝種類較少、展示角度不全面等問題，仍具有較大的發(fā)展空間。

圖8 凌迪Style3D界面

3 針織產(chǎn)品定制與推薦系統(tǒng)

隨著電子商務與虛擬成像技術的發(fā)展，針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)逐漸成熟，用戶在足不出戶的情況下，就能在網(wǎng)頁或移動互聯(lián)網(wǎng)客戶端上完成挑選、試衣、付款過程，讓用戶在網(wǎng)上享受到量身定制衣服的優(yōu)質服務。舒適合體的服裝版型，精準的個性化定制服務是未來服裝消費的趨勢。通過挖掘用戶數(shù)據(jù)顯示，服裝尺寸不合適是造成網(wǎng)購退貨的重要影響因素，而借助機器學習等技術實現(xiàn)的號型推薦功能使網(wǎng)購退貨率明顯下降。針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)的流程如圖 9 所示。

圖9 針織產(chǎn)品定制系統(tǒng)流程

3.1 針織產(chǎn)品定制與推薦技術

針織產(chǎn)品定制與推薦功能以三維服裝CAD技術為基礎，逐漸向智能與集成階段發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，以大數(shù)據(jù)與云計算為代表的一系列技術使服裝CAD系統(tǒng)的推薦功能日臻完善。

服裝款式推薦系統(tǒng)可根據(jù)用戶的歷史消費、興趣及需求等對其進行個性化的款式推薦，有助于用戶在短時間內獲得心儀的服裝產(chǎn)品，提升用戶購物體驗?，F(xiàn)有的推款系統(tǒng)所依據(jù)的算法主要有改進的貝葉斯網(wǎng)絡算法、本體理論、模糊集合理論、關鍵點理論、決策樹算法與協(xié)同過濾算法等。LI等為了改善服裝電子定制系統(tǒng)并滿足消費者在電子定制中的個性化需求，開發(fā)了一種針對服裝設計的電子定制協(xié)同設計系統(tǒng)（ECS－GD），使用戶能夠共同設計服裝并與利益相關者進行溝通。但這種定制系統(tǒng)仍需與用戶建立實時聯(lián)系，無法真正實現(xiàn)服裝的個性化推薦。

近年來，有學者將智能優(yōu)化算法中的交互式遺傳進化算法引入款式設計與推薦系統(tǒng)中。張卓等提出了一種基于交互遺傳算法的Polo衫個性化三維建模和快速風格推薦的設計方法，可以實現(xiàn)為客戶提供所見即所得的量身定制Polo衫款式推薦。在保證一定搜索空間的同時，逐漸傾向用戶的心理偏好，實現(xiàn)用戶導向的Polo衫個性化快速款式生成與推薦，降低服裝設計的門檻。

為了推進針織服裝設計與生產(chǎn)的集成化，有必要將服裝CAD系統(tǒng)與生產(chǎn)實踐建立聯(lián)系。高陽設計了基于ERP系統(tǒng)的針織服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，解決了針織服裝廠采用手工填寫報表和產(chǎn)品信息的統(tǒng)計工作繁瑣、數(shù)據(jù)不精確、管理混亂等問題；JI等則從服裝設計、生產(chǎn)和庫存管理的潛在問題入手，區(qū)分服裝虛擬設計（GVD）和個性化服裝定制（PGC），提出一種實用的服裝CAD和生產(chǎn)過程的方法。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)應用現(xiàn)狀

目前虛擬展示技術已在科研層面取得了大量成果，基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬試衣系統(tǒng)也在眾多服裝品牌的線上店鋪中得到應用，實現(xiàn)資源與數(shù)據(jù)的快速傳遞和共享。

Design U平臺是YUAN等研發(fā)的一個讓客戶參與到設計過程中的平臺，提供從服裝計劃、設計到生產(chǎn)的全流程服務。顧客不僅可以根據(jù)自己的視覺興趣來選擇服裝版型，還可以實現(xiàn)各部件的尺碼選擇，用戶可持續(xù)跟進參與服裝在各階段的自主設計，以此提高服裝產(chǎn)品的個性化與附加價值。研究結果表明，只有將針織產(chǎn)品的階段性交互體驗作為智能化針織服裝定制的消費者個性化需求依據(jù)，才能更好地提高針織產(chǎn)品設計的交互式體驗。

4 結語

本文介紹了國內外針織產(chǎn)品智能化設計的研究進展以及應用情況，分析了智能化設計技術在針織產(chǎn)品開發(fā)中的重要意義?？焖侔l(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術、三維可視化技術、大數(shù)據(jù)技術等，為針織產(chǎn)品的智能化設計提供了必要支撐。針織產(chǎn)品設計智能化是針織智能制造的有機組成部分，國內針織行業(yè)智能化水平的提升，有利于將我國市場規(guī)模和生產(chǎn)體系優(yōu)勢，轉化為參與國際合作和競爭的新優(yōu)勢，符合當下以國內大循環(huán)為主體、國內國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局的發(fā)展趨勢。