面向个性化定制服装设计的虚拟人台及快速成型技术研究

    李杨　杨昕宇

    

    

    

    摘要：

    服装是否合体是影响服装的外形及服装可销售性能的最重要因素。该研究以三维扫描仪作为输入，快速成型、数控加工作为输出的集成服装设计逆向工程系统，提供丰富的角色模型库、道具模型库、角色动作库，可以极好地为纺织服装产业提供创意设计服务，推动纺织服装产业的发展。其创新之处包括：个性化定制服装的虚拟人台设计与快速成型系统一体化，实现从虚拟产品向实物产品的快速转化；创建以三维扫描仪为输入，快速成型为输出的集成逆向工程系统；面向个性化定制服装设计的虚拟人台模型库的建立及快速检索。

    关键词：

    服装设计 个性化定制 虚拟人台 快速成型 虚拟人台三维模型库

    1.引言

    随着中国经济的发展，中国的服装、棉纺织、毛纺织以及化纤等产品不仅产量都居世界第一位，而且服装纺织品的出口量也排在实际第一位，整个行业保持平稳发展。纺织业是绍兴的第一支柱产业，其产业特点是门类齐、比重大、集中度高。绍兴纺织业的区域优势较明显：绍兴纺织业已形成了以柯桥中国轻纺城市场为中心，约25公里为半径的纺织产业集群区，年产值在1000亿元左右，是国内最大的纺织产业集群之一，它既有围绕专业市场形成的区域特色经济的规模优势和分工优势，又有趋于成熟的技术优势和销售网络优势。与发达国家和周边新兴工业化国家相比，具有低成本优势，与国内中西部地区相比，具有技术、质量和销售渠道的优势。纺织产业链的进一步延伸，地方生产系统进一步深化，在各个加工制造环节均形成相当的竞争优势。

    绍兴纺织业的区域优势极大地推动了当地服装产业的发展，也为服装创意设计的发展提供了产业基础。在追求流行、追求个性为时尚的今天，消费者最关注服装的合体性和个性化。他们希望服装的款式、用料、色彩、配件等方面都体现出个性化的特点，同时要求定制服装的价格、质量与批量生产的服装差距越小越好。另一方面，由于服装产品生命周期缩短、需求多变且难以预测、生产批量缩小，服装企业普遍感到生产、经营难度越来越大。以不同面料、款式、规格、尺寸的服装铺货，不但造成服装的大量积压和资源浪费，也增加了服装经营企业的经营风险。正是在这种背景下，服装业中的一种新的制造模式——个性化定制应运而生，即服装企业以类似批量生产的价格以及更快的交货期提供个性化和多样化的产品。面对“面向顾客的批量生产”要求，合身裁剪的概念已经越来越成为服装供应的应对性策略。这就要求服装企业必须有大量的号型产品去实现较高的号型覆盖率。

    人台是服装设计与制作的重要工具，在服装立体裁剪设计及服装产品的制作、检测和展示上有着广泛的应用。通过服装CAD技术能够满足个性化定制服装设计的需求，在人体测量的基础上进行人体形态研究，并充分考虑年龄、性别和区域等相关因素的影响，得到不同形体的数学模型，推导各测量参数的相关影响对实现批量定制和提高服装的合体性具有非常重要的理论和实践意义。

    本研究构建的是以三维扫描仪作为输入，快速成型作为输出的集成个性化定制服装人台设计逆向工程系统。研究的成果包括：建立一个虚拟人台三维模型库，以满足个性化定制服装设计的消费需求；形成一套面向个性化定制服装设计的虚拟人台与快速成型系统。

    2.研究范围和目标

    2.1推动个性化定制服装产业链的形成

    目前国内个性化定制服装产业状态并不成熟，国外主要是韩国和美国在该领域有所研究。韩国首尔Yonsei大学的研究人员最近研制出了一种专门进行服装设计的计算机软件，这种软件可以将现有的一些设计规范和形式进行巧妙搭配和组合，从而设计出最富时尚感的服装。美国的IC3D公司（交互客户服务公司）在模块化设计的基础上提供了基于web的配置设计功能。顾客进入该公司网站后，可以通过商务平台进行信息交互，完成定制服装的设计。

    通过本研究成果的应用，将推动个性化虚拟人台技术的发展，为服装个性化定制提供设计和制造工具，从而推动我国个性化定制服装产业链的形成。

    2.2个性化定制服装

    虚拟人台与快速成型一体化，能够缩短虚拟人台到实物人台的过程，快速实现个性化虚拟人台的实物化，提高个性化定制服装的设计和生产效率，从而减少从消费者需求、创意设计、个性化制造整个周期，实现个性化定制服装的高效率，促进个性化定制服装的发展。

    2.3缩短设计周期，降低设计成本

    互联网消费的迅速发展，对企业提出了时间和质量的要求。目前只有少量的企业有实力提供网上服装定制。而这些企业受人体体形形态资料的限制，需要客户提供详细的人体测量尺寸。缺乏测量手段和测量方法的客户提供的测量值不可避免会增加尺寸的不确定性。因此能否只要求客户提供较易测量且测准的少数值来进行服装定制，是个性化定制服装设计亟需解决的问题。逆向工程能够快速地获取人体测量数据，构建人体标准数据库，为虚拟人台的参数化模型提供数据支持。通过提炼关键人体参数，可以实现由客户提供可行人体测量数据，从而建立与客户合体化的虚拟人台，基于此可以实现由客户提供较易测量且测准的少数值，自动生成符合客户的虚拟人台，通过快速成型制作成实物人台，从而极大缩短设计周期，降低测量误差和设计成本。

    3.总体方案设计

    以三维扫描仪作为输入，快速成型、数控加工作为输出的集成动漫衍生产品设计逆向工程系统。提供丰富的角色模型库、道具模型库、角色动作库，可以极好地为纺织服装产业和动漫衍生产品的创意设计服务，推动纺织服装产业的发展。如图1所示。

    创新之处包括：

    个性化定制服装的虚拟人台设计与快速成型系统一体化，实现从虚拟产品向实物产品的快速转化：

    创建以三维扫描仪为输入，快速成型为输出的集成逆向工程系统；

    建立面向个性化定制服装设计的虚拟人台模型数据库，满足快速检索。

    4.研究方法

    4.1基于径向基函数的参数化建模以及基于遗传算法的形状智能生成技术

    三维建模最为常用的方法是借助三维建模软件进行交互式构造，例如3Ds MAX、Maya等。然后通过计算机屏幕上的二维平面操作建模三维角色并不是很容易掌握的技能，对于设计师来说，无论是熟悉还是运用这些软件都是非常困难的事情。此外，尽管这些建模软件都提供了功能强大的造型工具，但交互仍然很繁琐，高度真实感建模通常是一项极其耗时的工作。利用本项目提出的方法，可以给设计师提供一个交互简单且高效的建模手段。

    4.2基于旋转四元数球面线性插值的骨骼混合算法

    将运动捕获数据作用于预定义的抽象骨架，然后通过骨架传递到皮肤网格产生变形，是目前角色动画普遍采用的控制方式。在进行角色创意设计时，可以利用此方法快速地生成不同姿势的角色。

    4.3三维模型形状分布的提取以及三维模型相似度计算

    几何内容是三维数字模型所普遍包含的最本质信息，也是最符合人们对于空间物体的直观的信息。因此，寻找使用几何内容对三维模型进行有效检索的方法具有重大的理论意义和广泛的应用价值。

    5.技术路线

    5.1基于遗传算法的形状智能生成技术

    主要包括基于遗传算法的形状智能生成技术和基于角色模型库的形状智能生成技术。

    遗传算法（Genetic Algorithm）是一种求解大规模复杂组合寻优问题的有效算法。目前在形状智能设计中已经有了一些研究与应用，如香港理工大学的John Frazer教授的基于遗传算法玻璃杯设计。基于角色模型库的形状智能生成技术，是在建立角色创新设计的模型库基础之上，通过对模型库的研究，分析出角色模型的布局情况和元素使用情况，创作出新的角色模型。

    5.2基于径向基函数的参数化建模

    通过对基础模板的几何参数调节来实现特定模型的快速生成。所涉及的技术包括定义测量平面提取模板的形态参数信息，引入轴向参数和径向角度权重曲线来增加轴变形算法的灵活性，长度和围度变形控制体的构造以及变形过程控制等。

    5.3优化关联的皮肤骨骼动画技术

    给出改进的骨骼混合算法，在用户交互完成骨架的匹配和角色模型网格的区域划分计算后，以四元数旋转插值实现变形结果。通过对骨骼线采样点偏移特性的分析，引入轴心顶点校正机制有效提高了角色骨架关节部位的皮肤网格变形质量。

    5.4基于形状函数的三维模型检索方法

    R.Osada等人提出了将形状分布作为三维模型的特征描述。基于形状分布的形状描述具有对三维模型的任意旋转、缩放不变化，对模型的细化、简化、退化不敏感等优点。可以利用一些形状函数获得三维模型的形状分布，再比较两个模型的形状分布就可以获得三维模型的相似度。即三维模型的检索只需先获得模型的形状分布，再与数据库中的模型进行相似度的计算。该方法比较容易实现，计算速度相当快（计算一个含6万个三角形的三维模型的形状分布只要3秒），相似度计算的时间基本可以忽略。另外，只要选择适当的形状函数，效果非常令人满意。

    5.5基于CAD模型的直接分层技术

    由于STL文件是对CAD模型的表面近似，无论软件如何改进，均不能满足高精度角色模型的加工。所以我们将抛弃STL模型，将CAD模型直接转换为STEP或者16Es数据类型，对其进行直接分层处理，直接从CAD设计模型中获取曲线截面轮廓边界。具体技术路线如图2所示。

    6.系统模块构成

    本研究中的终端设备如图3所示，图4为使用时的状态图。

    本系统总体由模块构成，如图5所示：

    6.1系统集成界面模块

    这一模块是整个系统的设计环境，它集成了其他与设计师直接相关的模块如角色设计模块、数据库管理模块、角色设计方案展示模块等，它的设计依据角色设计自身的特性，并参照了当前CAD领域的各种著名软件的界面。如图6为终端设备上屏幕与主板电源集成器的实物图。

    6.2三维扫描数据录入模块

    三维扫描仪得到的点云数据仍然会存在一些问题，需进行数据的处理。点云数据的处理包括去除噪声、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等方面。

    6.3人台智能生成模块

    实现三大功能：

    第一，基于逆向工程的思想，通过对点云数据的修改，进行虚拟人台三维模型生成与修改；

    第二，基于模型库的形状智能生成技术，在设计模型库基础之上，通过对模型库的研究，分析出模型的布局情况和元素使用情况，创作出新的人台和模型；

    第三，提供与通用建模软件的接口。

    6.4标准人体生成模块

    利用标准人体数据库，通过设定的人体参数，生成标准人体模型。

    6.5虚拟展示模块

    这一模块实际上是一个实体造型的三维显示子模块，也即VRML场景的浏览器。这个模块包括两个子模块，其中一个模块是设计过程中的方案实时显示模块，这一模块主要是当前虚拟人台的展示，不需要场景的支持；另一模块则是一个相对独立的展示平台。如7为终端设备上主板的实物图。

    6.6设计方案输出模块

    这一模块的工作可以分为两部分：一部分是对角色设计方案按标准化的格式进行输出，另一部分是用来向客户、设计师提供设计结果的一个设计方案报告书（包括角色设计方案、道具设计方案、场景效果、适当的文字说明等），这一模块还将提供几套报告书的模板，设计师可以套用，以提高效率。

    6.7数据库管理模块

    主要提供系统与后台数据库的接口，以及对系统各个数据库如标准人体数据库、扫描数据库、人体参数数据库、人台组合模块库等数据库的管理。如图8为终端设备上硬盘、定时器、断电器的实物图。

    6.8接口模块

    主要包括设计系统与三维扫描系统的接口、设计系统与快速成型系统的接口。如图9为终端设备上屏幕显卡端口的实物图。

    7.结论

    7.1主要研究发现

    “与众不同”的服装消费已然成为城市消费群体的主要消费追求，作为彰显个人时尚品味的载体，个性化定制服装的需求会越来越大。目前个性化定制服装的市场尚在形成中，仅有一些较大的品牌提出了个性化定制服装的理念和服务。具有纺织业优势的绍兴，在大力发展纺织业创意设计的趋势和背景下，利用虚拟人台及快速成型技术，为个性化定制服装提供高效的设计工具和制造手段，将有效地促进个性化定制服装的发展，从而推动纺织产业转型升级。

    7.2研究过程中的问题、经验和建议

    本研究自2013年3月始，经过2年多的不断研发，通过构建以三维扫描仪作为输入，快速成型作为输出的集成个性化定制服装人台设计逆向工程系统，企业应用该项技术成果，可将产品设计周期缩短25%以上，降低设计成本30%以上，经济效益十分明显。

    但在后续的产品升级更新上，仍面临一些问题需要改进，具体如下：

    7.2.1实时多层穿衣的三维软件开发。用户穿衣的次序不同，着装的效果也不同，例如T恤穿在衬衫里面或穿在衬衫外面，会展现出不同的穿衣效果，完美再现真实世界中的穿衣行为。

    7.2.2提高人体造型逼真度。用户可以自由调节体型，并与移动客户端和WEB端保持同步。

    7.2.3 360°视角。可以从任意角度查看着装的效果。

    7.2.4 3G/4G模块。

    7.2.5 RFID扫描模块。

    本文是浙江省科技厅工业设计科技项目研究成果，编号：2013D40024。