基于數(shù)字技術(shù)的可充電保暖登山服設(shè)計(jì)

李國安,任祥放,2,沈 雷

(1.江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院,江蘇 無錫 214122; 2.新加坡國立大學(xué) 設(shè)計(jì)與工程學(xué)院,新加坡 119077)

隨著社會的不斷發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高,走進(jìn)自然、追求健康的生活方式越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在這種背景下,戶外登山運(yùn)動成為了現(xiàn)代人休閑娛樂的一種流行方式,尤其在北上廣深等一線城市較為凸顯。戶外登山運(yùn)動給人們帶來了豐富的精神滿足,但是復(fù)雜多變的山體環(huán)境存在很多安全隱患,因此設(shè)計(jì)戶外登山服時,需在滿足登山人員戶外體驗(yàn)的同時盡可能保障其人身安全,如在保證登山服具備防風(fēng)、保暖等基本服用性能的基礎(chǔ)上添加可定位、可充電放電等功能支持。

周幸子等[1]利用人體5大關(guān)節(jié)運(yùn)動特點(diǎn)所確定的20種實(shí)驗(yàn)姿勢分析人體體表形變對登山服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。丁滿等[2]提出一種應(yīng)用生成對抗網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)的方法。何碧霞等[3]從服裝結(jié)構(gòu)和服裝面料角度完成了登山運(yùn)動服裝的設(shè)計(jì)。通過相關(guān)文獻(xiàn)研究可以發(fā)現(xiàn),以往登山服的研究主要集中在服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]、材質(zhì)設(shè)計(jì)[5]、色彩設(shè)計(jì)[6]的研究上,在數(shù)字化設(shè)計(jì)和功能性方面較少涉及。

基于此,本文擬設(shè)計(jì)具有可充電、保暖和定位功能的智能戶外登山服,通過數(shù)字技術(shù)制作生成三維可視化登山服,直觀展示登山服的設(shè)計(jì)效果,以期對國內(nèi)戶外登山運(yùn)動的智能化、一體化的發(fā)展提供參考。

1 登山服的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法

服裝數(shù)字化技術(shù)[7]是指基于數(shù)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)開展服裝設(shè)計(jì)、加工、銷售等環(huán)節(jié)的全方位數(shù)據(jù)收集、存儲、傳輸和應(yīng)用,以高效實(shí)現(xiàn)資源的合理優(yōu)化配置。戶外登山服的數(shù)字三維可視化設(shè)計(jì)一般在服裝廓形、面料紋理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)3個部分實(shí)現(xiàn),其中服裝廓形的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)是依托Style 3D軟件在人體平面模特陰影上使用2D畫筆繪制工具繪制二維樣板結(jié)構(gòu)圖,有效還原登山服數(shù)據(jù)尺寸和結(jié)構(gòu)造型;服裝面料紋理的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法是利用系統(tǒng)自帶的面料紋理進(jìn)行填充,同時根據(jù)所需面料調(diào)整其面料顏色與屬性;服裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)是通過3D可視化功能,快速在服裝版片內(nèi)部設(shè)計(jì)必要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)線,從而建立完整的三維可視化模型,最終實(shí)現(xiàn)可充電保暖登山服的數(shù)字化三維虛擬仿真。

2 可充電登山服設(shè)計(jì)思路

2.1 登山服功能設(shè)計(jì)

可充電保暖登山服不同于普通的服裝產(chǎn)品,產(chǎn)品與消費(fèi)者之間的交互關(guān)系應(yīng)便捷且容易操作,這就要求登山服的款式設(shè)計(jì)要符合人體工程學(xué),面輔料的柔軟度要好、功能性要強(qiáng),充電線路需合理布局,智能元件大小要舒適且貼合人體等。

柔性非晶硅薄膜太陽能板[8]作為新型的技術(shù)產(chǎn)品,具有質(zhì)量輕、可彎曲、易裁剪、轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn),其常以魔術(shù)貼形式和服裝本體復(fù)合在一起構(gòu)成功能服裝。

本文對國內(nèi)生產(chǎn)和出售太陽能電池板的品牌進(jìn)行調(diào)研,對篩選出的3家國內(nèi)公司(天合光能股份有限公司、協(xié)鑫集團(tuán)、漢能控股集團(tuán)有限公司)的主銷產(chǎn)品、項(xiàng)目類型等信息進(jìn)行對比分析,整理出國內(nèi)太陽能品牌調(diào)研表見表1。

漢能控股集團(tuán)有限公司開發(fā)的柔性太陽能電池板使用的是非微晶硅基雙結(jié)疊層結(jié)構(gòu)電池組件,是目前市場上轉(zhuǎn)化率最好的材料,光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%。經(jīng)比對選擇漢能控股集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的柔性太陽能電池板作為本文設(shè)計(jì)登山服所需的材料。

本文設(shè)計(jì)的登山服功能模塊由柔性太陽能電池板、鋰電池、GPS模塊、發(fā)熱模塊、溫控開關(guān)、USB接口等部分組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理Fig.1 System design principle

柔性非晶硅薄膜太陽能板主要用于收集光能并轉(zhuǎn)化為電能;鋰電池組件用于連接柔性太陽能電池板,達(dá)到儲存電能并將電輸出到設(shè)備其他輸出元件的目的;USB接口作為終端輸出元件,可以為手機(jī)、收音機(jī)、對講機(jī)等常用登山電子設(shè)備提供電源;GPS模塊在特定時候能夠觸發(fā)緊急報(bào)警和語音通話功能,通過在平臺上設(shè)置SOS號碼,可實(shí)時發(fā)送位置信息給緊急聯(lián)系人,最大限度保障登山者的安全;電能發(fā)熱模塊[9]是保證登山服保暖性能的核心,包括溫控開關(guān)、溫度控制裝置和安全保護(hù)系統(tǒng)。元件通過導(dǎo)線連接,共同實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。電能發(fā)熱模塊原理圖見圖2?？沙潆姳Ｅ巧椒?種穿著狀態(tài)可供選擇,一種是正常穿著狀態(tài),衣服上沒有安裝太陽能板;另一種是功能性穿著狀態(tài),可以裝備各種功能性配件,提供更多便利安全性。

圖2 電能發(fā)熱模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of electric heating module

2.2 電路設(shè)計(jì)原理

圖3所示為可充電保暖登山服的電路設(shè)計(jì)原理圖,柔性非晶硅薄膜太陽能板正極與電阻(R1)連接,R1與P溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管(Q1)相連;Q1與芯片控制器(U1)的COMP端和CC端相連;U1的VCC端與電容器(C2)連接并接地;U1的VSS端與電阻(R6)相連并接地。Q1與肖特基二極管(D1)連接,D1與2節(jié)串聯(lián)的單體鋰電池(BT1、BT2)連接;電容(C1)分別與BT1的正極端、BT2的負(fù)極端相連,且負(fù)極端接地;BT1、BT2與熱敏電阻器(RT1)連接,RT1與溫控器電阻(R5、R6)連接;D1與開關(guān)(S1、S2)連接;S2與穩(wěn)壓芯片(U2)輸入端以及穩(wěn)壓線路的電容器(C3)端連接,U2的輸入端IN、輸出端OUT分別于穩(wěn)壓線路的電容器C3、C4端連接;U2的輸出端OUT與多功能USB插口裝置(P2)連接,P2的4號端接地。

圖3 電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 Circuit design drawing

圖4所示為GPS定位電路圖。圖5所示為GPS模塊設(shè)計(jì)原理圖,具體包含開關(guān)按鈕、TF內(nèi)存卡、SIM卡/全網(wǎng)通、GPS、信號終端、MIC、安卓充電口等多個元件,各元件布局合理,排列緊湊,易與服裝貼合。

圖4 GPS定位電路圖Fig.4 Circuit diagram of GPS positioning

圖5 GPS模塊設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Schematic diagram of GPS module design

3 可充電保暖登山服的設(shè)計(jì)

3.1 登山服本體設(shè)計(jì)

基于戶外登山時人體的運(yùn)動特點(diǎn)和服裝穿著舒適性的要求,對登山服的廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)。登山服的廓形采用H型,H型廓形有著更寬松的穿著感,能增加穿著舒適度和活動自由度。登山服款式設(shè)計(jì)見圖6,款式圖的灰色部分安裝了柔性超薄太陽能板,主要設(shè)計(jì)在帽子和袖子部位。袖子上的太陽能板展平后的總面積為1 980cm2,帽子展開后的面積達(dá)到3 180cm2,總面積為5 160cm2。為了有效吸收太陽能光照,采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并在連接部位安裝了隱形拉鏈,以便更好地收納太陽能板。太陽能板將吸收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能,將其供給服裝內(nèi)的發(fā)熱模塊,從而實(shí)現(xiàn)登山服保暖功能。針對人體易著涼部位設(shè)計(jì)登山服發(fā)熱區(qū)域,發(fā)熱區(qū)域分別設(shè)置在肩部、背部、腹部、腰部,每個發(fā)熱區(qū)域面積為90cm2,共360cm2。

圖6 款式設(shè)計(jì)圖Fig.6 Style design drawing

圖6中“1”“2”是口袋,可以容納手機(jī)、收音機(jī)等裝備;“3”“9”是袖部的隱形拉鏈,其完全隱藏在服裝內(nèi)部,隱形設(shè)計(jì)在輔助收納太陽能板的同時可保證服裝的整潔和美觀;“4”是袖部反光條,既具有警示功能,又具備裝飾效果;“5”是GPS觸發(fā)元件,在遇到緊急情況時可通過按壓觸發(fā)緊急報(bào)警功能,保證登山人員的安全;“6”是紐扣開關(guān),用于控制服裝發(fā)熱模塊的運(yùn)行,同時具備紐扣裝飾功能;“7”是帽子隱形拉鏈,拉開拉鏈可以將太陽能板展開,不使用太陽能板時可以將拉鏈拉上,兼具美觀性與功能性[10];“8”是袖口魔術(shù)貼,主要起到防灌風(fēng)和方便穿著者活動的目的。

3.2 登山服面料和色彩的設(shè)計(jì)

為應(yīng)對多變的氣候和環(huán)境,登山服裝本體采用戈?duì)柼┛怂姑媪?Gore-tex),戈?duì)柼┛怂姑媪鲜且环N輕薄、堅(jiān)固和耐用的薄膜,它具有防水、透氣和防風(fēng)功能,這種薄膜夾在高性能襯里和表層面料之間,由每平方英寸超過90億個孔組成,這些孔比水滴小2萬倍,具有出色的防水性能,同時具備良好的透氣性,但這些孔比水蒸氣分子大700倍,汗水可以透出,因此能夠有效排汗,廣泛用于戶外服裝、鞋履、手套、帽子中[11]。登山服發(fā)熱區(qū)域采用石墨烯新科技面料[12]。石墨烯結(jié)構(gòu)的核心成分是由碳原子單層構(gòu)成的石墨烯。這些碳原子以六角形的晶格排列在一起,形成了單層的石墨烯結(jié)構(gòu),具有良好的導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度。石墨烯新科技面料具有輕薄透氣和迅速發(fā)熱的特性,這些特點(diǎn)改善了登山服在極端氣候下的穿著舒適性和安全性,為戶外運(yùn)動者提供保障,面料主要應(yīng)用于運(yùn)動服、家用紡織品、健康服裝等。

在顏色方面,登山服不再局限于傳統(tǒng)的單一色調(diào)[13],選擇中性色灰色和綠色為主色彩,搭配白色反光條以發(fā)揮警示作用。

4 登山服三維可視化設(shè)計(jì)

4.1 登山服三維曲面構(gòu)建

采用Style 3D平臺構(gòu)建登山服基礎(chǔ)曲面造型[14]。Style 3D是一款基于數(shù)字技術(shù)的專業(yè)三維虛擬設(shè)計(jì)軟件,主要應(yīng)用于時尚和服裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域。Style 3D平臺構(gòu)建服裝主要有以下幾個特點(diǎn):

①速度快。對一款全新服裝的設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)三維服裝形狀至設(shè)計(jì)二維服裝紙樣,半小時之內(nèi)就可以完成,每片紙樣的展開可以在數(shù)秒之內(nèi)完成,一件服裝樣衣的全部流程一般可在幾個小時內(nèi)完成。

②高準(zhǔn)確度?；诹Ⅲw裁剪的原理,在三維人體模型上設(shè)計(jì)出來的服裝紙樣相當(dāng)于電子立裁,有較高的合身性和精準(zhǔn)性。

③低成本。利用電腦制圖,可以減少服裝樣衣試做次數(shù),省時、省料、省力。

登山服廓形構(gòu)建的流程為:首先,在三維窗口添加一個多維度男體模型,隨后在2D視圖窗口中,使用2D畫筆繪制工具在人體平面模特陰影上繪制出登山服所需的各個版片造型;其次,調(diào)出模特身上的安排點(diǎn),將各個版片安排在模特相應(yīng)部位;將安排好的版片進(jìn)行縫合,在此過程中要特別注意縫紉線的方向,如有誤需及時進(jìn)行調(diào)整;版片縫合完畢后,執(zhí)行模擬命令,使登山服呈現(xiàn)在三維人體模特的身上;最后,將二維試圖窗口與三維視圖窗口相對應(yīng),隨時調(diào)整服裝立體造型,最終完成登山服的曲面擬合,擬合過程見圖7。

圖7 登山服曲面擬合過程Fig.7 Fitting process of mountaineering suit surface.(a)Clothes piece generation;(b)Clothes piece generation

4.2 登山服的曲面展開

登山服的設(shè)計(jì)涉及復(fù)雜的服裝結(jié)構(gòu)和多種電子元件的組合,而且需要考慮人體曲線,尤其是胸部、肩胛和肘部等區(qū)域的曲線和運(yùn)動形變,因此需在4.1節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化服裝內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即進(jìn)行登山服的曲面展開。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體步驟為:通過使用Style 3D平臺的3D可視化功能,快速在版片內(nèi)部再設(shè)計(jì)必要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)線,在戶外登山運(yùn)動狀態(tài)下體表形變最大的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)位置設(shè)置合理的松量或減量分割線以實(shí)現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)。肘部采用斜向分割線設(shè)計(jì),肩部采用豎向分割,使用輪廓線工具對肘部、膝部內(nèi)部分割線進(jìn)行勾勒調(diào)整和裁剪縫紉,生成新的版片;然后將所有版片排列在2D視圖中;最后生成成衣樣版。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)提升了登山服的美觀性和穿著舒適性,最大化滿足了穿著者在運(yùn)動過程中的自由度,優(yōu)化了穿著者在運(yùn)動狀態(tài)下的舒適性。登山服曲面展開見圖8。

圖8 登山服曲面展開Fig.8 Surface unfolding of mountaineering suit.(a)Front garment piece;(b)Rear garment piece;(c)Garment sample

4.3 登山服效果展示

將在Style 3D平臺生成好的試衣樣板進(jìn)行面料紋理及色彩填充,然后渲染生成三維效果圖。面料紋理填充步驟為:首先,利用Style 3D平臺面料庫內(nèi)提供的面料,采用面密度為150g/m2機(jī)織白色布棉面料代替服裝本體面料進(jìn)行虛擬模擬;其次,在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)際面料應(yīng)用效果對其面料紋理屬性進(jìn)行調(diào)整,既要保證美觀性又要達(dá)到穿著舒適性;最后對服裝進(jìn)行渲染,得到完整的未佩戴元件的登山服三維可視化效果圖(見圖9)。調(diào)整面料屬性后的登山服在服裝完整度和美觀性方面得到了較大的提升。

圖9 三維可視化效果Fig.9 3D visualization effect.(a)Front;(b)Side;(c)Back

4.4 登山服3D靜、動態(tài)展示驗(yàn)證

圖10所示為佩戴元件效果的登山服三維可視化展示效果,可直觀看到服裝展開調(diào)整后的整體效果。其中,肩部兩側(cè)、袖子兩側(cè)以及背部的黑色面料即為展開后的柔性太陽能板,門襟底部黑色紐扣即為溫控開關(guān),左胸靠下黑色元件為GPS元件。通過動態(tài)走秀展示還可全方位觀察服裝的合體程度,為了搭配登山服以及展示的整體性,繪制了與登山服配套的褲子,三維可視化動態(tài)效果如圖11所示。

圖10 三維可視化佩戴元件效果Fig.10 3D visual effect of wearing components

圖11 三維可視化動態(tài)效果Fig.11 3D visualization dynamic effect

5 結(jié)束語

本文基于服裝數(shù)字化技術(shù),從太陽能資源的開發(fā)利用及戶外登山人員的需求出發(fā),從登山服功能設(shè)計(jì)、電子原件電路設(shè)計(jì)、登山服服裝本體3個板塊展開,探索基于數(shù)字技術(shù)的可充電保暖登山服具體設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法。

針對登山服的功能性、穿著舒適性和安全性,分別從登山服本體、面料及色彩設(shè)計(jì)3個方面介紹登山服的原理和設(shè)計(jì)思路,使設(shè)計(jì)的登山服能夠更加舒適美觀。借助Style 3D軟件在曲面構(gòu)建、曲面展開內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜動態(tài)設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)的優(yōu)勢,通過進(jìn)行3D可視化模擬,得到更加舒適的服裝款式、版型,提高服裝整體的美觀性、舒適性。

綜上,利用Style 3D平臺的3D可視化技術(shù)進(jìn)行的登山服設(shè)計(jì),可設(shè)計(jì)出舒適、美觀且具有可充電、保暖等多功能的智能戶外登山服,可以解決企業(yè)前端設(shè)計(jì)修改繁復(fù)與周期長的問題,節(jié)省了打樣成本,為智能戶外登山服設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型升級提供方向。