基于男性腰臀襠部NURBS曲面模型的內(nèi)褲數(shù)字化制版

任 澤, 鐘安華

(武漢紡織大學(xué) 服裝學(xué)院, 湖北 武漢 430073)

服裝數(shù)字化發(fā)展是不可阻擋的發(fā)展趨勢,主要體現(xiàn)在生產(chǎn)工藝、虛擬試衣[1]等方面。傳統(tǒng)的手工制版有著尺寸誤差大、合體服裝版型不貼合人體體表曲面形態(tài)和貼體服裝造成服裝壓力較大等問題。內(nèi)褲與人體皮膚緊密接觸,被稱為人體的第二皮膚,對(duì)服裝壓力大小更為敏感,男性由于生殖器官的凸起形態(tài)各異,使得男士內(nèi)褲版型變得復(fù)雜,而數(shù)字化制版可以很好地解決這個(gè)問題。

關(guān)于提高男士內(nèi)褲舒適性方面,不少學(xué)者專注于研究面料物理特性與皮膚壓力之間的關(guān)系[2],面料的透濕透氣性對(duì)穿著舒適度的影響[3]等。在內(nèi)褲版型的研究方面,對(duì)男性第一性征的下體提出了近似測量方法進(jìn)行體型分類[4],分析男士內(nèi)褲不同的分體結(jié)構(gòu)對(duì)男性體征的影響[5],還有探究褲裝與男士內(nèi)褲的制圖方式[6],說明研究人員已對(duì)男性下肢帶結(jié)構(gòu)與褲裝推導(dǎo)內(nèi)褲版型進(jìn)行了深入分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過數(shù)學(xué)表達(dá)設(shè)計(jì)算法[7],利用單參數(shù)平面族的包絡(luò)[8],擬合人體體表曲面的展平方法被提出[9],曲面展平技術(shù)已經(jīng)在服裝結(jié)構(gòu)中運(yùn)用。

本文通過服裝數(shù)字化,對(duì)建立的三維曲面模型進(jìn)行體表曲面剝脫展平處理,直接快速得到合體的男士內(nèi)褲版型,實(shí)現(xiàn)了模型虛擬試衣與數(shù)字化版型相統(tǒng)一,得到的數(shù)字化版型誤差小,且數(shù)字化版型生成方法不具有針對(duì)性,也適用于平均體、虛擬人體的數(shù)字化版型生成。解決目前市場上男士內(nèi)褲版型未對(duì)男性生殖器官的凸起形態(tài)進(jìn)行合理分類與版型設(shè)計(jì)問題,使男士內(nèi)褲襠部達(dá)到更加合體效果,打破傳統(tǒng)男士內(nèi)褲版型設(shè)計(jì)方法,在合體內(nèi)褲版型上使用針織面料,合理地提高內(nèi)褲穿著舒適性,提高企業(yè)制版效率,為合體型服裝制版提供新方法。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 人臺(tái)準(zhǔn)備

1.1.1 人臺(tái)尺寸參數(shù)

本文為使研究更具有普遍意義,實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用胸圍為92 cm的人臺(tái)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的重要項(xiàng)目尺寸參數(shù)為:腰圍78.7 cm,臀圍94.4 cm,大腿根圍58 cm,生殖器官凸起距3.1 cm,前后上襠總長 78 cm。 圖1為人臺(tái)的正面、側(cè)面和背面示意圖。通過示意圖可以觀察到人臺(tái)男性生殖器官飽滿,凸起量較小。

1.1.2 人臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

獲取實(shí)驗(yàn)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并通過Scan WorX Interactive Measure交互測量軟件測量人臺(tái)各截面圍度、角度、高度差等數(shù)據(jù)。

設(shè)備:VITUS81540非接觸式三維人體掃描儀,德國 Human Solutions 公司。

實(shí)驗(yàn)要求:將人臺(tái)置于無光源密閉空間內(nèi),環(huán)境溫度為(27±3)℃ ,環(huán)境濕度為(60±10)%,擺正人臺(tái)位于標(biāo)記線正中,固定人臺(tái)避免晃動(dòng),進(jìn)行三維人體掃描。

1.2 建模數(shù)據(jù)提取

實(shí)驗(yàn)對(duì)象經(jīng)過單次三維人體掃描后輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù),運(yùn)用逆向工程軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象腰圍至大腿圍進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)截取,圖2(a)示出實(shí)驗(yàn)對(duì)象腰至大腿根圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從截取部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取腰圍、腹圍、髖關(guān)節(jié)、臀圍、生殖器官凸起處、會(huì)陰、大腿根圍7個(gè)特征截面,從每個(gè)特征截面圍度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取50個(gè)等距點(diǎn)的坐標(biāo)信息表示截面形態(tài),對(duì)各截面點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)稱處理,獲取構(gòu)建模型所需的點(diǎn)云坐標(biāo)集。使用Solidworks工程建模軟件在草圖中輸入點(diǎn)云坐標(biāo)集,點(diǎn)云坐標(biāo)集的提取為曲面模型的構(gòu)建提供了控制頂點(diǎn)位置信息,圖2(b)示出導(dǎo)入Solidworks軟件中的點(diǎn)云坐標(biāo)集。

圖2 點(diǎn)云坐標(biāo)集的提取Fig. 2 Extraction of point cloud coordinates set.(a)Point cloud data;(b)Point cloud coordinate set

2 NURBS曲面模型與展平

2.1 NURBS曲面構(gòu)建

NUBRS曲面建模技術(shù)是專為曲面復(fù)雜物體三維模型重建而設(shè)計(jì)的,能基于曲線和曲面的形式對(duì)三維模型的輪廓和外形進(jìn)行準(zhǔn)確精細(xì)的表達(dá)[10]。提取腰圍、臀圍、會(huì)陰圍、大腿根圍4個(gè)圍度的點(diǎn)云坐標(biāo)集,以點(diǎn)云坐標(biāo)集為控制頂點(diǎn)。一條k次NURBS曲線可表示為一分段有理多項(xiàng)式矢函數(shù)[11]：

式中:wi(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點(diǎn)權(quán)因子;di(i=0,1,…,n)為曲線上控制頂點(diǎn);n為曲線上控制頂點(diǎn)的數(shù)量;u為曲線的參變量;k為曲線的次數(shù)或階次;Ni,k(u)是k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。

圖3(a)示出由控制頂點(diǎn)di連接起來組成的NURBS控制曲線。在u方向和v方向,使用NURBS曲線的方法,構(gòu)造一張NURBS曲面,一張k×l次NURBS曲面[11],圖3(b)示出由控制頂點(diǎn)dij連接起來組成的NURBS控制曲面,公式如下:

(u,v)∈[0,1]×[0,1]

式中:wi,j為曲面上控制頂點(diǎn)權(quán)因子;dij是曲面上第(i,j)個(gè)控制頂點(diǎn);m為曲面上控制頂點(diǎn)行的數(shù)量;n為曲面上控制頂點(diǎn)列的數(shù)量;u為曲面橫向方向上的參變量;v為曲面縱向方向上的參變量,k為曲面在u方向上的階次;l為曲面在v方向上的階次;Ni,k(u)和Nj,l(v)分別為u向k次和v向l次的規(guī)范B樣條基函數(shù)。

圖3 NURBS曲面構(gòu)建Fig. 3 Construction of NURBS surface. (a)NURBS curve; (b)NURBS surface

2.2 腰臀襠部曲面模型建立

腰圍是人體軀干上下部分的隔帶[12],內(nèi)褲腰圍的選擇通常會(huì)低于人體的腰圍線,高于人體的臀圍線。臀圍是男性下半身圍度最大的部位,是褲裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的尺寸參數(shù),因此臀圍尺寸的獲取尤為重要。前后上襠總長將男性人體分為左右對(duì)稱的兩部分,因此曲面區(qū)域劃分主要以腰圍、臀圍、前后上襠總長為劃分依據(jù)。

依據(jù)腰圍、臀圍、前后上襠總長將男性腰臀襠部劃分為16塊區(qū)域,依次構(gòu)建出16塊NURBS曲面,相鄰區(qū)域使用同一NURBS曲線,因此16塊區(qū)域依據(jù)曲面拼接連續(xù)性原理,相鄰曲面選擇公共連接線,組成如圖4所示的男性腰臀襠部曲面模型。對(duì)比人臺(tái),曲面模型與人臺(tái)體表曲面彎曲程度一致,生殖器官凸起程度相同,曲面模型能夠準(zhǔn)確表達(dá)人臺(tái)的體表曲面。另外,曲面模型表面光滑、內(nèi)部中空,曲面厚度小,證明曲面展平的可實(shí)施性。

圖4 腰臀襠部曲面模型Fig. 4 Waist hip crotch surface model

2.3 NURBS曲面模型展平

由于人體曲面左右對(duì)稱,并且大腿形態(tài)近似于圓柱體,不影響內(nèi)褲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因此選擇人臺(tái)左邊7塊曲面進(jìn)行版型研究,為方便辨認(rèn)曲面,對(duì)7塊曲面進(jìn)行了編號(hào),如圖5所示。使用曲面展平工具實(shí)現(xiàn)NURBS曲面到二維平面的轉(zhuǎn)變,展平邊線線條為側(cè)縫線和前后上襠線,產(chǎn)生的二維平面與曲面本體邊線相切,圖6為編號(hào)4的曲面沿側(cè)縫線的展開圖。以垂直于平面的視角,將展平的曲面制成工程圖,按1∶1的比例將工程圖導(dǎo)出為DXF格式,獲得7片二維平面圖。

圖5 曲面編號(hào)Fig. 5 Surface number

圖6 曲面展平過程圖Fig. 6 Surface flattening process diagram. (a)Surface flattening diagram; (b)Plan view

三維曲面展平到二維平面,應(yīng)當(dāng)滿足曲面展平后面積與曲面面積近似相等,且邊界長度盡量保持不變,為驗(yàn)證曲面展平效果,計(jì)算表面積差和邊界長度差來檢查曲面展平的準(zhǔn)確度。表1示出曲面與其對(duì)應(yīng)展開平面的表面積差,表2示出曲面與其對(duì)應(yīng)展開平面的邊界長度差。表中編號(hào)5的表面積和編號(hào)6的邊界長度誤差值較大是由于臀部翹起量造成曲面彎曲程度較大,從尺寸數(shù)據(jù)上看面積誤差小于等于1 cm2,邊界長度誤差小于等于1 cm,誤差范圍在規(guī)格尺寸誤差的接受范圍內(nèi),因此展平的平面能夠準(zhǔn)確表達(dá)曲面形態(tài)。

表1 曲面展平的面積誤差Tab. 1 Area error of curved surface spreading

表2 曲面展平的邊界長度誤差Tab. 2 Boundary length error of surface spreading

2.4 內(nèi)褲數(shù)字化版型生成

使用ET服裝CAD軟件同時(shí)打開DXF格式的7張工程圖圖紙,對(duì)圖紙進(jìn)行整理,獲得合體的男士內(nèi)褲版型,如圖7所示。版型整理步驟如下。

1)如圖7(a)為經(jīng)過平移工具整理后的初始平面圖,將整理后的工程圖使用對(duì)稱工具和多功能繪圖工具將曲線點(diǎn)簡化處理得到圖7中(b)。

2)使用擺正工具將各個(gè)版片進(jìn)行擺正處理,將處理后的版片進(jìn)行形狀對(duì)接,襠底留出2 cm作為褲腳,得到圖7(c)。

圖7 內(nèi)褲版型處理流程圖Fig. 7 Flow chart of underwear pattern processing. (a)Initial floor plan;(b)Step one pattern of the processing chart;(c)Step two pattern of the processing chart;(d)Step three pattern of the processing chart

3)使用智能筆工具將后襠進(jìn)行對(duì)接,現(xiàn)底襠長=原底襠長-后襠對(duì)接長,使用平移和旋轉(zhuǎn)工具對(duì)接前襠,后腰頭降低1 cm,調(diào)順后襠曲線,得到圖7(d)。

4)確定褲腰位置[13],即褲腰高=臀圍線高+立襠長/3+1,使用平移工具分開前片與后片,獲得圖8所示的最終合體男士內(nèi)褲數(shù)字化版型。

3 數(shù)字化版型驗(yàn)證

3.1 數(shù)字化版型試衣效果

內(nèi)褲版型在ET服裝CAD軟件中進(jìn)行縫份刷新,將OBJ格式的腰臀襠部三維掃描人體模型和DXF格式的數(shù)字化內(nèi)褲版型導(dǎo)入CLO3D中,對(duì)內(nèi)褲版型進(jìn)行虛擬縫合,在人體模型上進(jìn)行內(nèi)褲版型虛擬試衣。圖9(a)為人體模型穿著內(nèi)褲版型的效果圖。從效果圖上看,內(nèi)褲版型十分貼合人體體表皮膚,內(nèi)褲與人體模型之間無較大空隙量,內(nèi)褲版型的臀圍線與實(shí)體模型的臀圍線重合,進(jìn)一步驗(yàn)證了曲面展平的準(zhǔn)確性,虛擬試衣效果滿足合體性內(nèi)褲版型設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)褲版型的合體性,使用白坯布制作內(nèi)褲樣衣。圖9(b)為人臺(tái)穿著內(nèi)褲樣衣的效果圖。從效果圖上看,內(nèi)褲版型襠部完全貼合象鼻凸起的形態(tài),滿足男性生殖器官凸起量,整體布面平整,無明顯鼓包、褶皺現(xiàn)象,內(nèi)褲不下墜并且面料不緊繃,驗(yàn)證了內(nèi)褲版型的合理性。

圖9 內(nèi)褲數(shù)字化版型試衣效果Fig. 9 Underwear digital version of the fitting effect. (a)Model virtual fitting effect;(b)Man-table fitting effect

3.2 試衣壓力測試

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:AM-8051K氣囊式接觸壓力測試儀,AMI TECHNO CO. LTD公司,測量范圍為0～34 kPa, 測量精度在0～14 ℃為±0.1 kPa、在14～34 ℃ 為±0.25 kPa。

實(shí)驗(yàn)要求:測量環(huán)境溫度為(27±3)℃,環(huán)境濕度為(60±10)%,使用氣囊充氣工具對(duì)傳感器進(jìn)行充氣,傳感器充氣后厚度小于1 mm,能夠精準(zhǔn)測量固定點(diǎn)的壓力值,將傳感器放置在人臺(tái)上需要測試的固定點(diǎn),使用包覆膠帶進(jìn)行固定,包覆膠帶開孔處露出氣囊正中紅心,連接數(shù)據(jù)采集器,讀取采集數(shù)據(jù)。

設(shè)定壓力測量點(diǎn),綜合考慮腰臀襠部曲率變化程度、腰臀襠部形態(tài)、內(nèi)褲重要測量部位,測量點(diǎn)選定象鼻凸起的前襠線、后襠線和臀圍線,如圖10所示選取7個(gè)壓力測量點(diǎn)。選用氣囊式接觸壓力測量儀對(duì)7個(gè)測量點(diǎn)測量壓力,由于人臺(tái)為靜態(tài)試衣,壓力測量值隨時(shí)間變化較小,因此選取前20 s壓力值的平均值為最終壓力值數(shù)據(jù)。

圖10 樣衣壓力測量點(diǎn)Fig. 10 Sample clothing pressure measuring points

文獻(xiàn)[14]顯示,服裝壓強(qiáng)范圍在 0～2.4 kPa 時(shí),人體對(duì)服裝壓強(qiáng)無感覺或者無不適感,服裝壓強(qiáng)在 2.744～3.626 kPa 時(shí),人體對(duì)服裝壓強(qiáng)的感覺微弱或者略有不適感,當(dāng)服裝壓強(qiáng)超過 3.92 kPa 時(shí),人體對(duì)服裝的壓強(qiáng)感覺明顯或不適感明顯。經(jīng)測試人臺(tái)試衣在A～G7個(gè)壓力測量點(diǎn)的壓力值分別為0.086 0、0.174 5、0、0.163 0、0.058 5、0.154 5、0.225 0 kPa,服裝壓強(qiáng)范圍在0～2.4 kPa,所有測量點(diǎn)壓力均符合服裝舒適性的要求。通過7個(gè)測量點(diǎn)的壓力值分析驗(yàn)證了該內(nèi)褲版型的合體性。

4 結(jié) 論

針對(duì)合體性的男士內(nèi)褲版型研究,本文提出了數(shù)字化生成男士內(nèi)褲版型的方法,解決了男士內(nèi)褲象鼻凸處不貼合的問題,為合體性男士內(nèi)褲版型快速生成提供了新的辦法。

1)使用三維人體掃描儀獲取人臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù),從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取腰臀襠部7個(gè)特征截面的點(diǎn)云坐標(biāo)集;

2)確定控制點(diǎn),構(gòu)建NURBS曲線和NURBS曲面,將男性腰臀襠部合理劃分為16塊區(qū)域,使用Solidworks工程建模軟件建立男性腰臀襠部曲面模型;

3)將NURBS曲面展平成二維平面,驗(yàn)證曲面展平的準(zhǔn)確性。按1∶1的比例輸出DFX格式的工程圖;使用ET服裝CAD軟件對(duì)導(dǎo)出的工程圖進(jìn)行處理得到合體男士內(nèi)褲數(shù)字化版型;

4)使用腰臀襠部人體模型模型進(jìn)行虛擬試衣驗(yàn)證,內(nèi)褲版型貼合人體。使用白坯布制作內(nèi)褲樣衣,無明顯鼓包或褶皺部位,并使用氣囊式接觸壓力測試儀檢測7個(gè)測量點(diǎn)的壓力值,證明該內(nèi)褲版型的合體性。

本文的男士內(nèi)褲數(shù)字化快速成版,解決了傳統(tǒng)版型尺寸誤差大、版型不貼體等問題,為服裝行業(yè)合體和貼體服裝版型生成提供了新的解決辦法,不在拘泥于傳統(tǒng)的工業(yè)版型,是智能化服裝發(fā)展的新方向,實(shí)現(xiàn)了合體型服裝的快速成版。