面向個性化定制服裝設計的虛擬人臺及快速成型技術研究

    1 引言

    隨著中國經濟的發(fā)展，中國的服裝、棉紡織、毛紡織以及化纖等產品不僅產量都居世界第一位，而且服裝紡織品的出口量也排在實際第一位，整個行業(yè)保持平穩(wěn)發(fā)展。紡織業(yè)是紹興的第一支柱產業(yè)，其產業(yè)特點是門類齊、比重大、集中度高。紹興紡織業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢較明顯：紹興紡織業(yè)已形成了以柯橋中國輕紡城市場為中心，約25公里為半徑的紡織產業(yè)集群區(qū)，年產值在1000億元左右，是國內最大的紡織產業(yè)集群之一，它既有圍繞專業(yè)市場形成的區(qū)域特色經濟的規(guī)模優(yōu)勢和分工優(yōu)勢，又有趨于成熟的技術優(yōu)勢和銷售網絡優(yōu)勢。與發(fā)達國家和周邊新興工業(yè)化國家相比，具有低成本優(yōu)勢，與國內中西部地區(qū)相比，具有技術、質量和銷售渠道的優(yōu)勢。紡織產業(yè)鏈的進一步延伸，地方生產系統(tǒng)進一步深化，在各個加工制造環(huán)節(jié)均形成相當?shù)母偁巸?yōu)勢。    紹興紡織業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢極大地推動了當?shù)胤b產業(yè)的發(fā)展，也為服裝創(chuàng)意設計的發(fā)展提供了產業(yè)基礎。在追求流行、追求個性為時尚的今天，消費者最關注服裝的合體性和個性化。他們希望服裝的款式、用料、色彩、配件等方面都體現(xiàn)出個性化的特點，同時要求定制服裝的價格、質量與批量生產的服裝差距越小越好。另一方面，由于服裝產品生命周期縮短、需求多變且難以預測、生產批量縮小，服裝企業(yè)普遍感到生產、經營難度越來越大。以不同面料、款式、規(guī)格、尺寸的服裝鋪貨，不但造成服裝的大量積壓和資源浪費，也增加了服裝經營企業(yè)的經營風險。正是在這種背景下，服裝業(yè)中的一種新的制造模式——個性化定制應運而生，即服裝企業(yè)以類似批量生產的價格以及更快的交貨期提供個性化和多樣化的產品。面對“面向顧客的批量生產”要求，合身裁剪的概念已經越來越成為服裝供應的應對性策略。這就要求服裝企業(yè)必須有大量的號型產品去實現(xiàn)較高的號型覆蓋率。

    人臺是服裝設計與制作的重要工具，在服裝立體裁剪設計及服裝產品的制作、檢測和展示上有著廣泛的應用。通過服裝CAD技術能夠滿足個性化定制服裝設計的需求，在人體測量的基礎上進行人體形態(tài)研究，并充分考慮年齡、性別和區(qū)域等相關因素的影響，得到不同形體的數(shù)學模型，推導各測量參數(shù)的相關影響對實現(xiàn)批量定制和提高服裝的合體性具有非常重要的理論和實踐意義。

    本研究構建的是以三維掃描儀作為輸入，快速成型作為輸出的集成個性化定制服裝人臺設計逆向工程系統(tǒng)。研究的成果包括：建立一個虛擬人臺三維模型庫，以滿足個性化定制服裝設計的消費需求；形成一套面向個性化定制服裝設計的虛擬人臺與快速成型系統(tǒng)。

    2 研究范圍和目標

    2.1推動個性化定制服裝產業(yè)鏈的形成

    目前國內個性化定制服裝產業(yè)狀態(tài)并不成熟，國外主要是韓國和美國在該領域有所研究。韓國首爾Yonsei大學的研究人員最近研制出了一種專門進行服裝設計的計算機軟件，這種軟件可以將現(xiàn)有的一些設計規(guī)范和形式進行巧妙搭配和組合，從而設計出最富時尚感的服裝。美國的IC3D公司（交互客戶服務公司）在模塊化設計的基礎上提供了基于web的配置設計功能。顧客進入該公司網站后，可以通過商務平臺進行信息交互，完成定制服裝的設計。    通過本研究成果的應用，將推動個性化虛擬人臺技術的發(fā)展，為服裝個性化定制提供設計和制造工具，從而推動我國個性化定制服裝產業(yè)鏈的形成。

    2.2 個性化定制服裝

    虛擬人臺與快速成型一體化，能夠縮短虛擬人臺到實物人臺的過程，快速實現(xiàn)個性化虛擬人臺的實物化，提高個性化定制服裝的設計和生產效率，從而減少從消費者需求、創(chuàng)意設計、個性化制造整個周期，實現(xiàn)個性化定制服裝的高效率，促進個性化定制服裝的發(fā)展。

    2.3 縮短設計周期，降低設計成本

    互聯(lián)網消費的迅速發(fā)展，對企業(yè)提出了時間和質量的要求。目前只有少量的企業(yè)有實力提供網上服裝定制。而這些企業(yè)受人體體形形態(tài)資料的限制，需要客戶提供詳細的人體測量尺寸。缺乏測量手段和測量方法的客戶提供的測量值不可避免會增加尺寸的不確定性。因此能否只要求客戶提供較易測量且測準的少數(shù)值來進行服裝定制，是個性化定制服裝設計亟需解決的問題。逆向工程能夠快速地獲取人體測量數(shù)據，構建人體標準數(shù)據庫，為虛擬人臺的參數(shù)化模型提供數(shù)據支持。通過提煉關鍵人體參數(shù)，可以實現(xiàn)由客戶提供可行人體測量數(shù)據，從而建立與客戶合體化的虛擬人臺，基于此可以實現(xiàn)由客戶提供較易測量且測準的少數(shù)值，自動生成符合客戶的虛擬人臺，通過快速成型制作成實物人臺，從而極大縮短設計周期，降低測量誤差和設計成本。

    3 總體方案設計

    以三維掃描儀作為輸入，快速成型、數(shù)控加工作為輸出的集成動漫衍生產品設計逆向工程系統(tǒng)。提供豐富的角色模型庫、道具模型庫、角色動作庫，可以極好地為紡織服裝產業(yè)和動漫衍生產品的創(chuàng)意設計服務，推動紡織服裝產業(yè)的發(fā)展。創(chuàng)新之處包括：個性化定制服裝的虛擬人臺設計與快速成型系統(tǒng)一體化，實現(xiàn)從虛擬產品向實物產品的快速轉化；創(chuàng)建以三維掃描儀為輸入，快速成型為輸出的集成逆向工程系統(tǒng)；建立面向個性化定制服裝設計的虛擬人臺模型數(shù)據庫，滿足快速檢索。

    4 研究方法

    4.1 基于徑向基函數(shù)的參數(shù)化建模以及基于遺傳算法的形狀智能生成技術

    三維建模最為常用的方法是借助三維建模軟件進行交互式構造，例如3DS MAX、Maya等。然后通過計算機屏幕上的二維平面操作建模三維角色并不是很容易掌握的技能，對于設計師來說，無論是熟悉還是運用這些軟件都是非常困難的事情。此外，盡管這些建模軟件都提供了功能強大的造型工具，但交互仍然很繁瑣，高度真實感建模通常是一項極其耗時的工作。利用本項目提出的方法，可以給設計師提供一個交互簡單且高效的建模手段。

    4.2 基于旋轉四元數(shù)球面線性插值的骨骼混合算法

    將運動捕獲數(shù)據作用于預定義的抽象骨架，然后通過骨架傳遞到皮膚網格產生變形，是目前角色動畫普遍采用的控制方式。在進行角色創(chuàng)意設計時，可以利用此方法快速地生成不同姿勢的角色。

    4.3 三維模型形狀分布的提取以及三維模型相似度計算

    幾何內容是三維數(shù)字模型所普遍包含的最本質信息，也是最符合人們對于空間物體的直觀的信息。因此，尋找使用幾何內容對三維模型進行有效檢索的方法具有重大的理論意義和廣泛的應用價值。

    5. 技術路線

    5.1 基于遺傳算法的形狀智能生成技術

    主要包括基于遺傳算法的形狀智能生成技術和基于角色模型庫的形狀智能生成技術。遺傳算法（Genetic Algorithm）是一種求解大規(guī)模復雜組合尋優(yōu)問題的有效算法。目前在形狀智能設計中已經有了一些研究與應用，如香港理工大學的John Frazer教授的基于遺傳算法玻璃杯設計?；诮巧Ｐ蛶斓男螤钪悄苌杉夹g，是在建立角色創(chuàng)新設計的模型庫基礎之上，通過對模型庫的研究，分析出角色模型的布局情況和元素使用情況，創(chuàng)作出新的角色模型。

    5.2 基于徑向基函數(shù)的參數(shù)化建模

    通過對基礎模板的幾何參數(shù)調節(jié)來實現(xiàn)特定模型的快速生成。所涉及的技術包括定義測量平面提取模板的形態(tài)參數(shù)信息，引入軸向參數(shù)和徑向角度權重曲線來增加軸變形算法的靈活性，長度和圍度變形控制體的構造以及變形過程控制等。

    5.3 優(yōu)化關聯(lián)的皮膚骨骼動畫技術

    給出改進的骨骼混合算法，在用戶交互完成骨架的匹配和角色模型網格的區(qū)域劃分計算后，以四元數(shù)旋轉插值實現(xiàn)變形結果。通過對骨骼線采樣點偏移特性的分析，引入軸心頂點校正機制有效提高了角色骨架關節(jié)部位的皮膚網格變形質量。

    5.4 基于形狀函數(shù)的三維模型檢索方法

    R．Osada等人提出了將形狀分布作為三維模型的特征描述?；谛螤罘植嫉男螤蠲枋鼍哂袑θS模型的任意旋轉、縮放不變化，對模型的細化、簡化、退化不敏感等優(yōu)點?？梢岳靡恍┬螤詈瘮?shù)獲得三維模型的形狀分布，再比較兩個模型的形狀分布就可以獲得三維模型的相似度。即三維模型的檢索只需先獲得模型的形狀分布，再與數(shù)據庫中的模型進行相似度的計算。該方法比較容易實現(xiàn)，計算速度相當快（計算一個含6萬個三角形的三維模型的形狀分布只要3秒） ，相似度計算的時間基本可以忽略。另外，只要選擇適當?shù)男螤詈瘮?shù)，效果非常令人滿意。

    5.5 基于CAD模型的直接分層技術

    由于STL文件是對CAD模型的表面近似，無論軟件如何改進，均不能滿足高精度角色模型的加工。所以我們將拋棄STL模型，將CAD模型直接轉換為STEP或者IGES數(shù)據類型，對其進行直接分層處理，直接從CAD設計模型中獲取曲線截面輪廓邊界。具體技術路線如圖2所示。

    6.1 系統(tǒng)集成界面模塊

    這一模塊是整個系統(tǒng)的設計環(huán)境，它集成了其他與設計師直接相關的模塊如角色設計模塊、數(shù)據庫管理模塊、角色設計方案展示模塊等，它的設計依據角色設計自身的特性，并參照了當前CAD領域的各種著名軟件的界面。如圖6為終端設備上屏幕與主板電源集成器的實物圖。

    6.2 三維掃描數(shù)據錄入模塊

    三維掃描儀得到的點云數(shù)據仍然會存在一些問題，需進行數(shù)據的處理。點云數(shù)據的處理包括去除噪聲、多視對齊、數(shù)據精簡、數(shù)據光順、數(shù)據分割等方面。

    6.3 人臺智能生成模塊

    實現(xiàn)三大功能：

    第一，基于逆向工程的思想，通過對點云數(shù)據的修改，進行虛擬人臺三維模型生成與修改；

    第二，基于模型庫的形狀智能生成技術，在設計模型庫基礎之上，通過對模型庫的研究，分析出模型的布局情況和元素使用情況，創(chuàng)作出新的人臺和模型；

    第三，提供與通用建模軟件的接口。

    6.4 標準人體生成模塊

    利用標準人體數(shù)據庫，通過設定的人體參數(shù)，生成標準人體模型。

    6.5虛擬展示模塊

    這一模塊實際上是一個實體造型的三維顯示子模塊，也即VRML場景的瀏覽器。這個模塊包括兩個子模塊，其中一個模塊是設計過程中的方案實時顯示模塊，這一模塊主要是當前虛擬人臺的展示，不需要場景的支持；另一模塊則是一個相對獨立的展示平臺。如7為終端設備上主板的實物圖。

    6.6 設計方案輸出模塊

    這一模塊的工作可以分為兩部分：一部分是對角色設計方案按標準化的格式進行輸出，另一部分是用來向客戶、設計師提供設計結果的一個設計方案報告書（包括角色設計方案、道具設計方案、場景效果、適當?shù)奈淖终f明等），這一模塊還將提供幾套報告書的模板，設計師可以套用，以提高效率。

    6.7 數(shù)據庫管理模塊

    主要提供系統(tǒng)與后臺數(shù)據庫的接口，以及對系統(tǒng)各個數(shù)據庫如標準人體數(shù)據庫、掃描數(shù)據庫、人體參數(shù)數(shù)據庫、人臺組合模塊庫等數(shù)據庫的管理。如圖8為終端設備上硬盤、定時器、斷電器的實物圖。

    6.8 接口模塊

    主要包括設計系統(tǒng)與三維掃描系統(tǒng)的接口、設計系統(tǒng)與快速成型系統(tǒng)的接口。如圖9為終端設備上屏幕顯卡端口的實物圖。

    7 結論

    7.1 主要研究發(fā)現(xiàn)

   “與眾不同” 的服裝消費已然成為城市消費群體的主要消費追求，作為彰顯個人時尚品味的載體，個性化定制服裝的需求會越來越大。目前個性化定制服裝的市場尚在形成中，僅有一些較大的品牌提出了個性化定制服裝的理念和服務。具有紡織業(yè)優(yōu)勢的紹興，在大力發(fā)展紡織業(yè)創(chuàng)意設計的趨勢和背景下，利用虛擬人臺及快速成型技術，為個性化定制服裝提供高效的設計工具和制造手段，將有效地促進個性化定制服裝的發(fā)展，從而推動紡織產業(yè)轉型升級。

    7.2 研究過程中的問題、經驗和建議

    本研究自2013年3月始，經過2年多的不斷研發(fā)，通過構建以三維掃描儀作為輸入，快速成型作為輸出的集成個性化定制服裝人臺設計逆向工程系統(tǒng)，企業(yè)應用該項技術成果，可將產品設計周期縮短25%以上，降低設計成本30%以上，經濟效益十分明顯。但在后續(xù)的產品升級更新上，仍面臨一些問題需要改進，具體如下

    7.2.1 實時多層穿衣的三維軟件開發(fā)

    用戶穿衣的次序不同，著裝的效果也不同，例如T恤穿在襯衫里面或穿在襯衫外面，會展現(xiàn)出不同的穿衣效果，完美再現(xiàn)真實世界中的穿衣行為。

    7.2.2提高人體造型逼真度

    用戶可以自由調節(jié)體型，并與移動客戶端和WEB端保持同步。

    7.2.3 360°視角。

    可以從任意角度查看著裝的效果。

    7.2.4 3G/4G模塊。

    7.2.5 RFID掃描模塊。

本文來源：http://12-baidu.cn/w/wy/14380.html《設計》