劉詠梅 ，李 榮 ，肖 平

（1.東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200051）

人臺(tái)是設(shè)計(jì)和制作服裝、控制服裝在工業(yè)化生產(chǎn)中合體性的重要工具，對(duì)某一特定人群的體型特征具有高度的代表性，是人體體型的直接反映[1]。但實(shí)體人臺(tái)的研發(fā)通常是在一定的人體測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和體型分析基礎(chǔ)上來進(jìn)行設(shè)計(jì)制作[2]，研發(fā)過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本也較高，而目前服裝CAD技術(shù)已經(jīng)從二維進(jìn)入到了三維領(lǐng)域，正朝著款式更新更快、穿著更合體，更能滿足顧客個(gè)性化需求方向發(fā)展，建立人體對(duì)應(yīng)虛擬人臺(tái)是實(shí)現(xiàn)服裝二維到三維的重要環(huán)節(jié)，虛擬人臺(tái)的構(gòu)建不僅可以減少實(shí)體人臺(tái)的制作成本，也能更加直觀快速的展示服裝的穿著效果，減少服裝的制作過程和成本。

長(zhǎng)期以來，我國服裝迅速發(fā)展，服裝企業(yè)、服裝院校等對(duì)虛擬人臺(tái)的研究不斷深入，但目前的研究主要集中在開發(fā)成年實(shí)體人臺(tái)和成年男女性的虛擬人臺(tái)，對(duì)于符合兒童體型標(biāo)準(zhǔn)的兒童虛擬人臺(tái)的開發(fā)和研究相對(duì)較少。如楊子田[3]通過MATLAB分析20～30歲女子的三維人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到的女子平均體虛擬人臺(tái)的構(gòu)建；陳美珍[4]運(yùn)用逆向工程軟件Rapidform XOR對(duì)18～23歲女大學(xué)生模特人體體型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 建立了模特群體專用虛擬人臺(tái)；王穎[5]對(duì)東北華北區(qū)155名14～15歲女孩的111項(xiàng)人體測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了利用尺寸與形態(tài)形成“三維”號(hào)型的方法，得到適用于該年齡段未成年人體的實(shí)體人臺(tái)。為此，通過已有兒童體型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)體人臺(tái)，在此基礎(chǔ)上通過Geomagic Studio逆向工程軟件處理人臺(tái)模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于服裝設(shè)計(jì)及服裝展示的兒童虛擬人臺(tái)，這樣不僅能夠大大縮短從消費(fèi)者需求、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、個(gè)性化制造整個(gè)過程, 為服裝企業(yè)減少生產(chǎn)成本，也能提高服裝設(shè)計(jì)與開發(fā)的效率，促進(jìn)服裝企業(yè)適應(yīng)快節(jié)奏更新的服裝市場(chǎng)周期。

1 兒童體型標(biāo)準(zhǔn)系列人臺(tái)

標(biāo)準(zhǔn)立裁人臺(tái)的制作一是關(guān)鍵部位尺寸的確定，二是如何控制人臺(tái)“型”的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵部位是控制人臺(tái)“型”的人體的關(guān)鍵部位，也叫“控制點(diǎn)”[6]當(dāng)前關(guān)于兒童體型的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1335.3-2009《服裝號(hào)型 兒童》、GB/T 26158-2010《中國未成年人人體尺寸》、《中國7歲以下兒童生長(zhǎng)發(fā)育參照標(biāo)準(zhǔn)》以及WS/T 612-2018《7歲～18 歲兒童青少年身高發(fā)育等級(jí)評(píng)價(jià)》共四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以上四個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)選擇年齡在6～14歲、對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)身高為115cm-160cm的兒童標(biāo)準(zhǔn)體數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，結(jié)合人體特征和人臺(tái)制作需要選擇了18項(xiàng)其他部位的標(biāo)準(zhǔn)參照尺寸，包括6項(xiàng)長(zhǎng)度方向部位尺寸：身高、頸椎點(diǎn)高、會(huì)陰高、上臂長(zhǎng)、前臂長(zhǎng)、大腿長(zhǎng)；2項(xiàng)寬度方向部位尺寸：肩寬、胸寬；10項(xiàng)圍度方向部位尺寸：頸圍、胸圍、肘圍、腕圍、腰圍、腹圍、臀圍、大腿圍、腿肚圍。

本次兒童系列標(biāo)準(zhǔn)立裁人臺(tái)委托慈溪市希豪貝服裝模型廠進(jìn)行了定制，定制后5個(gè)兒童標(biāo)準(zhǔn)人臺(tái)如圖1所示，對(duì)兒童人臺(tái)采用手工測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量。如表1所示，通過對(duì)比分析兒童人臺(tái)手工測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知，兩者平均值差異在1cm左右，考慮到生產(chǎn)和測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差以及鑒于本文的研究目的，其誤差范圍在實(shí)驗(yàn)允許范圍內(nèi)，因此本次定制的兒童實(shí)體人臺(tái)可用于下一步構(gòu)建系列虛擬人臺(tái)。

圖1 系列兒童人臺(tái)

表1 人臺(tái)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)體尺寸對(duì)比單位：cm

腹圍 64.83 63.43 1.40臀圍 76.17 75.06 1.11大腿圍 43.33 42.33 1.00腿肚圍 29.67 29.03 0.64

2 獲取人臺(tái)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并重構(gòu)曲面模型

2.1 人臺(tái)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行準(zhǔn)確高效實(shí)現(xiàn)逆向軟件建模的首要及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和分布均勻性有利于獲取完整的三維仿真模型，省去后期修正等工作。目前國內(nèi)外常用的三維人體掃描儀有TechMath-RAMSIS、Cyberware-WB4、TC2-3T6、Turbo Flash、Vitronic-Vitus、SYMCAD 等[7]。

本文所使用的是德國Human Solutions生產(chǎn)的Vitus Smart三維人體掃描儀，它是基于激光光學(xué)三角測(cè)量的原理，測(cè)量設(shè)備由4根測(cè)量立柱組成，每個(gè)立柱的導(dǎo)軌上，安裝有一個(gè)激光投射器和2臺(tái)CCD攝像頭組成的測(cè)量感應(yīng)系統(tǒng)，通過對(duì)前左、前右、后左、后右四個(gè)方向同時(shí)掃描，從而獲取3600三維圖像，保證了測(cè)量的高精度和無接觸。如圖2所示，對(duì)選取的兒童標(biāo)準(zhǔn)體系列人臺(tái)進(jìn)行掃描，并將掃描結(jié)果存儲(chǔ)為.obj格式。

圖2 人臺(tái)三維掃描

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

三維人體掃描儀在采集人臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中會(huì)不可避免地受到環(huán)境和機(jī)器本身的影響，導(dǎo)致三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在分布散亂、缺失和冗余的情況，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理[8]。

逆向工程軟件是進(jìn)行三維虛擬模型構(gòu)建的重要工具，它能夠通過在已有的實(shí)體模型或三維模型基礎(chǔ)上獲取其原始數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到需要的模型[9]。本文采用Geomagic Studio 2015逆向工程和三維檢測(cè)軟件，相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)-線-面重構(gòu)曲面的方式，Geomagic Studio在創(chuàng)建模型時(shí)是以數(shù)學(xué)模型及曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，提供了基于多邊形網(wǎng)格化快速曲面構(gòu)建方式，被廣泛用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作中?；贕eomagic Studio軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程一般為如下：

2.2.1 渲染點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Vitus Smart三維人體掃描儀在對(duì)人臺(tái)進(jìn)行掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是非常密集的點(diǎn)，在Geomagic Studio軟件中顯示并不是非常直觀和完整。使用著色將原始點(diǎn)云進(jìn)行渲染，增加模型三維感和真實(shí)感，如圖3所示。

圖3 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

2.2.2 刪除雜點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排列方式通常可以分為隨機(jī)類型、網(wǎng)格類型、線性和帶有法線的點(diǎn)云[10]。

本次實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于人臺(tái)手臂與軀干之間以及大腿之間夾角較小，而掃描儀掃描方式為激光光線水平掃描，因此人臺(tái)吊掛處、手臂內(nèi)側(cè)和大腿內(nèi)側(cè)形成了掃描盲區(qū)，采集得到的原始點(diǎn)云也不可避免地存在較多噪音。在Geomagic Studio軟件中減少噪音處理可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)排布統(tǒng)一，有利于后續(xù)模型的封裝，更好的表現(xiàn)真實(shí)的物體形狀。2.2.3 生成多邊形網(wǎng)格。當(dāng)點(diǎn)云數(shù)量過大時(shí)會(huì)影響模型的光順度和軟件的運(yùn)行處理速度，而且構(gòu)造三角面片網(wǎng)格、曲面重構(gòu)或評(píng)測(cè)曲面誤差時(shí)，均不需要過于密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，此外，由于人臺(tái)表面曲率相對(duì)較小，因此減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量不會(huì)對(duì)結(jié)果造成明顯影響。使用 “統(tǒng)一采樣”命令，可以均衡點(diǎn)云中各點(diǎn)間距及位置，實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的目的。

使用封裝命令對(duì)人臺(tái)虛擬仿真模型進(jìn)行封裝，封裝可以將大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多邊形網(wǎng)格，其實(shí)質(zhì)上是使許多細(xì)小的空間三角形逼近還原人臺(tái)實(shí)體模型，將點(diǎn)云組織起來生成一個(gè)整體曲面。

2.3 多邊形階段優(yōu)化處理

封裝操作后點(diǎn)對(duì)象上創(chuàng)建了一個(gè)多邊形網(wǎng)格，即是在模型管理器中創(chuàng)建了一個(gè)新的編輯對(duì)象，但由于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失，被測(cè)模型本身的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差、網(wǎng)格算法缺陷等原因，均會(huì)造成構(gòu)成多邊形網(wǎng)格有孤立、重疊及空洞等問題的產(chǎn)生，因此需要對(duì)多邊形曲面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理。

2.3.1 修補(bǔ)邊界。由于人臺(tái)底部、頸部、手臂內(nèi)側(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失的問題，如果直接對(duì)模型進(jìn)行填補(bǔ)漏洞，會(huì)造成平面不平整，因此在填補(bǔ)這兩個(gè)部位的漏洞前，需要進(jìn)行修復(fù)。直接刪除或修補(bǔ)缺失的部分會(huì)造成其他部分出現(xiàn)漏洞或面片重疊的現(xiàn)象。因此先使得邊界處于同一平面上，然后采用先裁剪后拉伸的方法，完成邊界修復(fù)。分別使用投影邊界到平面、用平面裁剪和延伸邊界命令完成操作。

2.3.2 填充孔洞。填充孔洞的功能用于在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域里創(chuàng)建一個(gè)新的平面或曲面來填充，可以執(zhí)行全部填充和部分填充，全部填充一般用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體，對(duì)于復(fù)雜物體一般采用部分填充，根據(jù)不同孔洞類型可以選擇基于曲率、基于切線和平面的填充方式。

基于平面填充原則對(duì)頸部上端進(jìn)行處理，通過平面裁剪對(duì)凸凹不平的橫截面進(jìn)行平面截取；對(duì)手臂內(nèi)側(cè)凹陷部位使用繩索工具對(duì)凹陷的三角片進(jìn)行刪除，選擇孔洞和邊緣點(diǎn)云基于曲率進(jìn)行單個(gè)孔洞填充?；谇侍畛淇锥吹脑瓌t是：孔洞周圍的三角形面片與附近面片曲率一致，無翹曲的三角形面片，可以使用填補(bǔ)單個(gè)孔操作完成填補(bǔ)。基于曲率橋接填充是在對(duì)需要去除和填充而彎曲角度的區(qū)域首先搭橋分為兩個(gè)部分，之后分別進(jìn)行刪除和填充，對(duì)人臺(tái)兩側(cè)大腿區(qū)域黏連部分進(jìn)行刪除，再基于另冊(cè)區(qū)域及人臺(tái)表面曲率橋接填充處理。模型處理前后如圖4所示。

圖4 填充孔洞處理

2.3.3 三角面片的相交檢測(cè)與修復(fù)。經(jīng)過以上多邊形階段處理后，使用網(wǎng)格醫(yī)生對(duì)模型檢查，通過自動(dòng)探測(cè)并修復(fù)多邊形網(wǎng)格的缺陷，如非流行邊、自相交、高度折射角、尖壯物、小組件、小通道和小孔等，最后完成整體表面光滑、無明顯孔洞的虛擬仿真模型曲面重構(gòu)。對(duì)比原始模型與處理后模型，如圖5所示。

圖5 人臺(tái)虛擬仿真模型處理

2.4 檢查并輸出兒童虛擬人臺(tái)模型

對(duì)系列兒童虛擬人臺(tái)進(jìn)行相關(guān)尺寸測(cè)量，如表2所示，虛擬人臺(tái)與實(shí)體人臺(tái)尺寸平均差值為1cm左右，并對(duì)經(jīng)處理前后的人臺(tái)曲面模型偏差程度進(jìn)行誤差分析，得出模型處理后的最大偏差0.058cm，說明兒童虛擬仿真曲面模型整體上偏差很小，滿足精度要求，可以導(dǎo)入VStitcher三維虛擬試衣軟件中作為兒童虛擬人臺(tái)進(jìn)行童裝款式的虛擬試衣。

表2 虛擬人臺(tái)尺寸與實(shí)體人臺(tái)尺寸對(duì)比單位：cm

3 三維虛擬仿真試衣應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證構(gòu)建的兒童系列虛擬人臺(tái)是否符合兒童標(biāo)準(zhǔn)體型，按照兒童標(biāo)準(zhǔn)體尺寸設(shè)計(jì)女童裝襯衫短裙套裝、男童襯衫長(zhǎng)度套裝并放碼，通過智尊寶紡CAD制作CAD樣版導(dǎo)入VStitcher三維虛擬試衣軟件中，選擇本文構(gòu)建的對(duì)應(yīng)系列兒童虛擬人臺(tái)進(jìn)行虛擬縫合試穿，如圖6所示，虛擬人臺(tái)穿著服裝非常合體，能夠代替實(shí)體人臺(tái)進(jìn)行服裝款式合體性的檢驗(yàn)。

圖6 三維虛擬仿真試衣

4 結(jié)束語

為準(zhǔn)確構(gòu)建符合兒童標(biāo)準(zhǔn)體尺寸的系列虛擬人臺(tái)，使用非接觸三維掃描儀獲取人臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在 Geomagic Studio軟件中完成人臺(tái)的數(shù)據(jù)模型重構(gòu)，根據(jù)對(duì)比和偏差分析得出，本研究所獲得的三維兒童標(biāo)準(zhǔn)人臺(tái)數(shù)據(jù)模型誤差小、質(zhì)量好。兒童體型系列標(biāo)準(zhǔn)虛擬人臺(tái)可代替實(shí)體人臺(tái)成為制作和檢驗(yàn)童裝的重要工具，不僅有利于服裝設(shè)計(jì)效果的快速展示，減少童裝款式研發(fā)成本，還能縮短不同季度童裝的研發(fā)周期。