面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺(tái)及快速成型技術(shù)研究

    1 引言

    隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的服裝、棉紡織、毛紡織以及化纖等產(chǎn)品不僅產(chǎn)量都居世界第一位，而且服裝紡織品的出口量也排在實(shí)際第一位，整個(gè)行業(yè)保持平穩(wěn)發(fā)展。紡織業(yè)是紹興的第一支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)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(chǎn)業(yè)集群區(qū)，年產(chǎn)值在1000億元左右，是國內(nèi)最大的紡織產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的規(guī)模優(yōu)勢和分工優(yōu)勢，又有趨于成熟的技術(shù)優(yōu)勢和銷售網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。與發(fā)達(dá)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(nèi)中西部地區(qū)相比，具有技術(shù)、質(zhì)量和銷售渠道的優(yōu)勢。紡織產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步延伸，地方生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)一步深化，在各個(gè)加工制造環(huán)節(jié)均形成相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢。    紹興紡織業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢極大地推動(dòng)了當(dāng)?shù)胤b產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為服裝創(chuàng)意設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在追求流行、追求個(gè)性為時(shí)尚的今天，消費(fèi)者最關(guān)注服裝的合體性和個(gè)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(gè)性化的特點(diǎn)，同時(shí)要求定制服裝的價(jià)格、質(zhì)量與批量生產(chǎn)的服裝差距越小越好。另一方面，由于服裝產(chǎn)品生命周期縮短、需求多變且難以預(yù)測、生產(chǎn)批量縮小，服裝企業(yè)普遍感到生產(chǎn)、經(jīng)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(fèi)，也增加了服裝經(jīng)營企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。正是在這種背景下，服裝業(yè)中的一種新的制造模式——個(gè)性化定制應(yīng)運(yùn)而生，即服裝企業(yè)以類似批量生產(chǎn)的價(jià)格以及更快的交貨期提供個(gè)性化和多樣化的產(chǎn)品。面對(duì)“面向顧客的批量生產(chǎn)”要求，合身裁剪的概念已經(jīng)越來越成為服裝供應(yīng)的應(yīng)對(duì)性策略。這就要求服裝企業(yè)必須有大量的號(hào)型產(chǎn)品去實(shí)現(xiàn)較高的號(hào)型覆蓋率。

    人臺(tái)是服裝設(shè)計(jì)與制作的重要工具，在服裝立體裁剪設(shè)計(jì)及服裝產(chǎn)品的制作、檢測和展示上有著廣泛的應(yīng)用。通過服裝CAD技術(shù)能夠滿足個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的需求，在人體測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行人體形態(tài)研究，并充分考慮年齡、性別和區(qū)域等相關(guān)因素的影響，得到不同形體的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)各測量參數(shù)的相關(guān)影響對(duì)實(shí)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(shí)踐意義。

    本研究構(gòu)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(gè)性化定制服裝人臺(tái)設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)。研究的成果包括：建立一個(gè)虛擬人臺(tái)三維模型庫，以滿足個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的消費(fèi)需求；形成一套面向個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺(tái)與快速成型系統(tǒng)。

    2 研究范圍和目標(biāo)

    2.1推動(dòng)個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)鏈的形成

    目前國內(nèi)個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)狀態(tài)并不成熟，國外主要是韓國和美國在該領(lǐng)域有所研究。韓國首爾Yonsei大學(xué)的研究人員最近研制出了一種專門進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件，這種軟件可以將現(xiàn)有的一些設(shè)計(jì)規(guī)范和形式進(jìn)行巧妙搭配和組合，從而設(shè)計(jì)出最富時(shí)尚感的服裝。美國的IC3D公司（交互客戶服務(wù)公司）在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提供了基于web的配置設(shè)計(jì)功能。顧客進(jìn)入該公司網(wǎng)站后，可以通過商務(wù)平臺(tái)進(jìn)行信息交互，完成定制服裝的設(shè)計(jì)。    通過本研究成果的應(yīng)用，將推動(dòng)個(gè)性化虛擬人臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，為服裝個(gè)性化定制提供設(shè)計(jì)和制造工具，從而推動(dòng)我國個(gè)性化定制服裝產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

    2.2 個(gè)性化定制服裝

    虛擬人臺(tái)與快速成型一體化，能夠縮短虛擬人臺(tái)到實(shí)物人臺(tái)的過程，快速實(shí)現(xiàn)個(gè)性化虛擬人臺(tái)的實(shí)物化，提高個(gè)性化定制服裝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，從而減少從消費(fèi)者需求、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、個(gè)性化制造整個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制服裝的高效率，促進(jìn)個(gè)性化定制服裝的發(fā)展。

    2.3 縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本

    互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)的迅速發(fā)展，對(duì)企業(yè)提出了時(shí)間和質(zhì)量的要求。目前只有少量的企業(yè)有實(shí)力提供網(wǎng)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(xì)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(huì)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(zhǔn)的少數(shù)值來進(jìn)行服裝定制，是個(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)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(jù)，構(gòu)建人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，為虛擬人臺(tái)的參數(shù)化模型提供數(shù)據(jù)支持。通過提煉關(guān)鍵人體參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)由客戶提供可行人體測量數(shù)據(jù)，從而建立與客戶合體化的虛擬人臺(tái)，基于此可以實(shí)現(xiàn)由客戶提供較易測量且測準(zhǔn)的少數(shù)值，自動(dòng)生成符合客戶的虛擬人臺(tái)，通過快速成型制作成實(shí)物人臺(tái)，從而極大縮短設(shè)計(jì)周期，降低測量誤差和設(shè)計(jì)成本。

    3 總體方案設(shè)計(jì)

    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(dòng)漫衍生產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)作庫，可以極好地為紡織服裝產(chǎn)業(yè)和動(dòng)漫衍生產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計(jì)服務(wù)，推動(dòng)紡織服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。創(chuàng)新之處包括：個(gè)性化定制服裝的虛擬人臺(tái)設(shè)計(jì)與快速成型系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)從虛擬產(chǎn)品向?qū)嵨锂a(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)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(gè)性化定制服裝設(shè)計(jì)的虛擬人臺(tái)模型數(shù)據(jù)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(shù)

    三維建模最為常用的方法是借助三維建模軟件進(jìn)行交互式構(gòu)造，例如3DS MAX、Maya等。然后通過計(jì)算機(jī)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(duì)于設(shè)計(jì)師來說，無論是熟悉還是運(yùn)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(qiáng)大的造型工具，但交互仍然很繁瑣，高度真實(shí)感建模通常是一項(xiàng)極其耗時(shí)的工作。利用本項(xiàng)目提出的方法，可以給設(shè)計(jì)師提供一個(gè)交互簡單且高效的建模手段。

    4.2 基于旋轉(zhuǎn)四元數(shù)球面線性插值的骨骼混合算法

    將運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)作用于預(yù)定義的抽象骨架，然后通過骨架傳遞到皮膚網(wǎng)格產(chǎn)生變形，是目前角色動(dòng)畫普遍采用的控制方式。在進(jìn)行角色創(chuàng)意設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)算

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

    5. 技術(shù)路線

    5.1 基于遺傳算法的形狀智能生成技術(shù)

    主要包括基于遺傳算法的形狀智能生成技術(shù)和基于角色模型庫的形狀智能生成技術(shù)。遺傳算法（Genetic Algorithm）是一種求解大規(guī)模復(fù)雜組合尋優(yōu)問題的有效算法。目前在形狀智能設(shè)計(jì)中已經(jīng)有了一些研究與應(yīng)用，如香港理工大學(xué)的John Frazer教授的基于遺傳算法玻璃杯設(shè)計(jì)?；诮巧Ｐ蛶斓男螤钪悄苌杉夹g(shù)，是在建立角色創(chuàng)新設(shè)計(jì)的模型庫基礎(chǔ)之上，通過對(duì)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(duì)基礎(chǔ)模板的幾何參數(shù)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)特定模型的快速生成。所涉及的技術(shù)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(quán)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(gòu)造以及變形過程控制等。

    5.3 優(yōu)化關(guān)聯(lián)的皮膚骨骼動(dòng)畫技術(shù)

    給出改進(jìn)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(wǎng)格的區(qū)域劃分計(jì)算后，以四元數(shù)旋轉(zhuǎn)插值實(shí)現(xiàn)變形結(jié)果。通過對(duì)骨骼線采樣點(diǎn)偏移特性的分析，引入軸心頂點(diǎn)校正機(jī)制有效提高了角色骨架關(guān)節(jié)部位的皮膚網(wǎng)格變形質(zhì)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?duì)三維模型的任意旋轉(zhuǎn)、縮放不變化，對(duì)模型的細(xì)化、簡化、退化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。可以利用一些形狀函數(shù)獲得三維模型的形狀分布，再比較兩個(gè)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(jù)庫中的模型進(jìn)行相似度的計(jì)算。該方法比較容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算速度相當(dāng)快（計(jì)算一個(gè)含6萬個(gè)三角形的三維模型的形狀分布只要3秒） ，相似度計(jì)算的時(shí)間基本可以忽略。另外，只要選擇適當(dāng)?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(shù)

    由于STL文件是對(duì)CAD模型的表面近似，無論軟件如何改進(jìn)，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(zhuǎn)換為STEP或者IGES數(shù)據(jù)類型，對(duì)其進(jìn)行直接分層處理，直接從CAD設(shè)計(jì)模型中獲取曲線截面輪廓邊界。具體技術(shù)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，它集成了其他與設(shè)計(jì)師直接相關(guān)的模塊如角色設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、角色設(shè)計(jì)方案展示模塊等，它的設(shè)計(jì)依據(jù)角色設(shè)計(jì)自身的特性，并參照了當(dāng)前CAD領(lǐng)域的各種著名軟件的界面。如圖6為終端設(shè)備上屏幕與主板電源集成器的實(shí)物圖。

    6.2 三維掃描數(shù)據(jù)錄入模塊

    三維掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然會(huì)存在一些問題，需進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括去除噪聲、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等方面。

    6.3 人臺(tái)智能生成模塊

    實(shí)現(xiàn)三大功能：

    第一，基于逆向工程的思想，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修改，進(jìn)行虛擬人臺(tái)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(shù)，在設(shè)計(jì)模型庫基礎(chǔ)之上，通過對(duì)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(tái)和模型；

    第三，提供與通用建模軟件的接口。

    6.4 標(biāo)準(zhǔn)人體生成模塊

    利用標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)定的人體參數(shù)，生成標(biāo)準(zhǔn)人體模型。

    6.5虛擬展示模塊

    這一模塊實(shí)際上是一個(gè)實(shí)體造型的三維顯示子模塊，也即VRML場景的瀏覽器。這個(gè)模塊包括兩個(gè)子模塊，其中一個(gè)模塊是設(shè)計(jì)過程中的方案實(shí)時(shí)顯示模塊，這一模塊主要是當(dāng)前虛擬人臺(tái)的展示，不需要場景的支持；另一模塊則是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的展示平臺(tái)。如7為終端設(shè)備上主板的實(shí)物圖。

    6.6 設(shè)計(jì)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(duì)角色設(shè)計(jì)方案按標(biāo)準(zhǔn)化的格式進(jìn)行輸出，另一部分是用來向客戶、設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)結(jié)果的一個(gè)設(shè)計(jì)方案報(bào)告書（包括角色設(shè)計(jì)方案、道具設(shè)計(jì)方案、場景效果、適當(dāng)?shù)奈淖终f明等），這一模塊還將提供幾套報(bào)告書的模板，設(shè)計(jì)師可以套用，以提高效率。

    6.7 數(shù)據(jù)庫管理模塊

    主要提供系統(tǒng)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的接口，以及對(duì)系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)庫如標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)庫、掃描數(shù)據(jù)庫、人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫、人臺(tái)組合模塊庫等數(shù)據(jù)庫的管理。如圖8為終端設(shè)備上硬盤、定時(shí)器、斷電器的實(shí)物圖。

    6.8 接口模塊

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

    7 結(jié)論

    7.1 主要研究發(fā)現(xiàn)

   “與眾不同” 的服裝消費(fèi)已然成為城市消費(fèi)群體的主要消費(fèi)追求，作為彰顯個(gè)人時(shí)尚品味的載體，個(gè)性化定制服裝的需求會(huì)越來越大。目前個(gè)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(gè)性化定制服裝的理念和服務(wù)。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(shè)計(jì)的趨勢和背景下，利用虛擬人臺(tái)及快速成型技術(shù)，為個(gè)性化定制服裝提供高效的設(shè)計(jì)工具和制造手段，將有效地促進(jìn)個(gè)性化定制服裝的發(fā)展，從而推動(dòng)紡織產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

    7.2 研究過程中的問題、經(jīng)驗(yàn)和建議

    本研究自2013年3月始，經(jīng)過2年多的不斷研發(fā)，通過構(gòu)建以三維掃描儀作為輸入，快速成型作為輸出的集成個(gè)性化定制服裝人臺(tái)設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)，企業(yè)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)成果，可將產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短25%以上，降低設(shè)計(jì)成本30%以上，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。但在后續(xù)的產(chǎn)品升級(jí)更新上，仍面臨一些問題需要改進(jìn)，具體如下

    7.2.1 實(shí)時(shí)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(huì)展現(xiàn)出不同的穿衣效果，完美再現(xiàn)真實(shí)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(diào)節(jié)體型，并與移動(dòng)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://k2057.cn/w/wy/14380.html《設(shè)計(jì)》