夏 明, 張理想, 許 霄

(東華大學 a.服裝與藝術設計學院; b.東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051)

服裝松量是指服裝與人體之間的空余量,是影響服裝舒適度和合體性的重要因素。研究服裝松量分布規(guī)律,是提高服裝結構設計合理性和服裝舒適性的重要途徑,也是實現智能化制版的關鍵技術[1]。國內外不少學者對胸圍松量和腰圍松量進行了研究,袁衛(wèi)娟[2]統(tǒng)計分析了人體前下胸圍-前腰圍、后胸圍-后腰圍兩部分形成的腰省,得到腰省量分區(qū)分布規(guī)則及緊身原型腰省預測模型。Castro[3]研究胸圍松量分布,指出前胸寬、袖籠寬和后背寬所占胸圍松量比例分別為43%、14%、43%。王曉霞等[4]通過分析體表角度和省道角度的關系,得到各腰省量的線性回歸方程。趙曉剛等[5]繪制原型在人臺胸圍、腰圍處形成的切面弧線,通過計算差值和占比得到合體原型腰部省量的分配方法。XU等[6]基于三維人體數據研究并量化了標準身材與特定款式的不同尺碼服裝之間的空間松量分布,為三維仿真提供評價指標。Liu等[7]通過對服裝胸圍和腰圍的靜態(tài)松量分布的研究發(fā)現,胸圍松量更多集中在人體左右區(qū)域,腰圍松量更多集中在人體前后區(qū)域。Wang等[8]用正弦函數和余弦函數擬合人體的特征斷面曲線,得到胸圍和腰圍松量分配模型。上述研究為服裝松量研究提供了不同的思路和方法,但均未考慮體型對松量分布的影響。在上裝結構中,腰部造型的合體程度影響著緊身上衣的合體性與舒適性,且不同體型的腰腹部形態(tài)具有較大的差異,以體型為依據的省量的合理分配能夠提高服裝合體度。劉博飛[9]基于三維掃描女體的胸腰臀數據對東華原型進行拓展研究,得到東華原型Y、A、B三種體型的合體原型;平良木啓子[10]通過分析女性上半身各斷面曲線形態(tài)特征,計算出腰部前傾體、腰部后傾體和中間體三種體型的腰省分配率;鄒奇芝等[11]構建了7種適體原型,以滿足不同的女體形態(tài)。上述研究雖考慮體型對松量影響,但是以人體輪廓曲線長度或上半身最小外包圍作為松量研究的依據,而人體體表的尺寸和手工測量尺寸存在差距,對于腰部前突的特體,采用上半身最小外包圍可能造成胸圍松量過大,因此基于人體輪廓曲線長度或上半身最小外包圍的松量研究結果與實際測量誤差較大。

人體特征提取和測量是研究松量分布的基礎,其難點在于人體特征點的識別。目前常用的特征點識別主要有4種方法:模板法、函數法、幾何形狀分析法和手工標記法。模板法是指將預定義的人體模板映射到點云數據上提取特征點。Azouz等[12]通過學習人體模板的地表特征和特征之間的空間關系,然后通過馬爾可夫網絡進行概率推理,從而確定目標人體的特征點位置。函數法是通過建立一個具體函數來識別特征點[13]。Dekker[14]采用人體體型特征判別函數,實現人體特征點的自動提取和三維人體尺寸的自動測量。Leong等[15]用邏輯數學描述人體特征信息,基于圖像處理技術和計算機幾何技術從人體點云數據中提取特征點。幾何形狀法是通過人體特征部位的形狀特征來識別的。葛寶臻等[16]在分析輪廓線的幾何特征時,通過近似區(qū)域搜索和精確找點獲取了多個人體特征。模板法、函數法和幾何形狀法均屬于自動提取特征點的方法,模板法精度高,但需要建立人體模板庫,因此計算量大、成本高;函數法和幾何形狀法雖簡單,但函數法費時且擬合數據不能很好地反映人體形狀,幾何形狀法并不適用于特征部位的形狀特征不明顯的個體。而手工標記法是一種半自動的人體特征點提取算法,需要掃描前用標記物來標記特征點。美國軍方的ANSUR工程[17]采用的就是這種方法,該方法雖復雜,但成本低、精確度高,適用于所有個體。

服裝原型包含了最基本的人體特征信息和服裝款式信息,是服裝結構設計研究的基礎[18]。本文在已有的研究基礎上,以胸圍上外包圍為松量研究的依據,基于不同的體型分析其對應的緊身原型胸圍松量與腰圍松量的分布規(guī)律,從而得到緊身原型、不同衣身結構的腰省省量分配模型,為服裝結構設計提供數據參考。

1 三維掃描人體特征信息提取和定義

1.1 數據獲取和預處理

本文以華東地區(qū)年齡段為22～56歲的成年女性為研究對象,使用[TC]2三維掃描儀掃描獲取了449名女性三維人體點云數據。為了減少誤差,掃描前通過人工標記對圖1所示的各測量特征點標記識別,掃描時采用標準站立姿勢,身穿緊身內衣[19]。并借助逆向工程軟件Rapidform 2006對點云數據進行降噪、孔洞修補等處理得到光滑的人體網格模型。

圖1 人工標記的測量特征點Fig.1 Artificially marked measurement feature points

1.2 胸圍上外包圍的定義和計算

上半身外包圍是用紙或面料垂直地面柱狀包覆人體上半身軀干部(腰圍線以上,不包括頭部和手臂)一周所需的最小圍度[20],如圖2(a)所示。由于部分體型存在腰部前突的情況,如圖2(b)所示,這部分突出量在原型上反映為a處省道量過小甚至為負,在原型應用時可以通過將胸省轉移至腰部補足突出量,但若將這部分松量計入原型的胸圍松量會造成胸部松量過大。因此,本文選取和計算的外包圍是人體胸圍線以上部分的外包圍,即用紙或面料垂直地面柱狀包覆人體胸圍線以上部分(不包括頭部、人體肩端點和手臂突出量)一周所需的最小圍度[19],如圖2(c)所示。

圖2 人體外包圍Fig.2 Body bounding circumference

胸圍上外包圍無法通過皮尺直接測量,而文獻[20]中介紹的通過水平斷面重合圖提取外包圍的方法和原型衣著裝實驗的方式都不適合大樣本的快速測量。本文基于掃描人體的三維模型數據,提出一種能夠快速準確計算胸圍上外包圍的方法,可以應用于3D人體測量系統(tǒng)中,具體步驟如下:

1) 截取過后頸椎點BNP水平面以下至胸圍水平面以上部分的人體軀干特征網格模型,如圖3(a)所示。

2) 將所截取的網格模型的頂點V={Vi=(xi,yi,zi)∈R3|i=1,2,…,N}全部投影到胸圍平面上,得到胸圍上水平斷面的平面投影點集S={Si=(xi,yi)∈R2|i=1,2,…,N}。

4) 將點集SF、SB、SBL的并集SA(SA=SF∪SB∪SBL)定義為構成胸圍上外包圍的點集,使用Graham掃描法[21]計算點集SA的凸包,其過程如下:

第一步,選取初始點S0。遍歷點集SA中的所有點坐標,將y坐標最小的一點作為初始點。若存在多個y坐標最小的點則選取x和y同時最小的點作為初始點。

第二步,連接S0與Si,其中i=1,2,3,…,n,選取與水平方向夾角最小的線作為初始準線并排序。如圖3(c)所示,S0S1與水平方向夾角最小,其次為S0S2、S0S1、S0S3、S0S4、S0S5、S0S6。

第三步,從初始準線開始,按照第二步中點的排序檢查三點連線的方向為向左方向或向右方向。給定過S1(x1,y1)和S2(x2,y2)的直線L:(y-y2)(x-x2)-(y-y1)(x-x1)=0,若S3(x3,y3)與S1S2構成向左方向,即(y3-y2)(x3-x2)-(y3-y1)(x3-x1)<0,則檢查S2S3S4,若S2S3S4構成向右方向,即(y4-y3)(x4-x3)-(y4-y2)(x4-x2)>0,則刪掉S3檢查S2S4S5,以此類推得到凸包多邊形S0S1S2S4S5S6,如圖3(c)所示。所求凸包多邊形的周長即為胸圍上外包圍尺寸。

圖3 胸圍上外包圍的計算Fig.3 Calculation of the upper bust bounding circumference

胸圍上外包圍不包括人體肩端點和手臂部突出量,因此計算時需要去除這部分數據。取135°角的射線是考慮到,若直接以前腋點(后腋點)間連線為分割線,對于部分前沖肩的體型,不能有效去除上臂部頂點數據,如圖4(a)所示;若取與前腋點(后腋點)間連線成90°的射線,對于胸部豐滿的個體,垂線與胸部有重疊,如圖4(b)所示。在計算外包圍時,還需要將胸圍斷面曲線的點集數據包括在內,對于較肥胖的體型,在胸圍側面的位置會出現超出前后腋點連線的情況,如圖4(c)所示,因此將胸圍斷面多邊形加入到點集中來進行外包圍凸包的計算。

圖4 點云數據分割時的不同情況Fig.4 Different situations in point cloud data segmentation

1.3 特征曲線提取和劃分

按照文獻[19]的方法提取并測量胸圍斷面曲線和腰圍斷面曲線:首先,手工拾取三維人體網格模型掃描前標記的特征點,如前腰點FWP、胸高點BP;其次,將特征點所在水平面與三維網格模型求交,得到體表的水平斷面輪廓曲線,該曲線的長度為人體體表的實際尺寸;然后,擬合各斷面輪廓曲線的凸包曲線并離散為一組點集;最后,導出各個點的坐標并計算凸包曲線的周長。使用Rapidform 2006 API插件進行編程,實現對三維人體模型特征信息的批量處理。

為研究不同體型胸圍松量和腰圍松量分布規(guī)律,本文對提取的特征曲線進行細分。以胸圍上外包圍曲線上各特征點(前中心CF、胸高點BP、前腋點FAP、后腋點BAP、肩胛骨凸點SCP和后中心CB)和側縫點SSP(前腋點FAP和后腋點BAP的中點)為導向點,獲取導向點在腰圍斷面曲線和胸圍斷面曲線上的最近距離點,記為投影點。各投影點將胸圍斷面曲線和腰圍斷面曲線細分為12段,如圖5所示。由于有些人體數據左右不對稱,為減少獲取的各曲線長度數據的誤差,在特征曲線長度計算過程中取各斷面曲線左右半身數據的均值。

圖5 腰圍曲線分段示意Fig.5 Schematic diagram of the waist curve segmentation

1.4 體型分類

根據國家號型標準用胸腰差將樣本的體型分為Y、A、B、C四類,統(tǒng)計得到各體型及樣本總體胸圍、腰圍、胸圍上外包圍的均值與標準差,如表1所示。

表1 各體型斷面尺寸Tab.1 Cross-section dimension of each body type

計算各個體型掃描人體的胸圍線、腰圍線和胸圍上外包圍線上的點坐標均值,繪制出各體型平均的胸圍曲線(BL)、腰圍曲線(WL)、胸圍上外包圍曲線(MGUL),如圖6所示。

圖6 各體型特征斷面的平均特征曲線重合Fig.6 Average characteristic curve overlapping of sections of each body type

由表1和圖6可知:

1) Y體型和C體型的胸圍上外包圍均值相當且偏大,說明此類體型的人群上半身圍度偏大,體態(tài)豐滿;而A體型和B體型的胸圍、胸圍上外包圍均值相當且偏小,說明此類體型的人群上半身圍度偏小。

2) Y體型和A體型的腰圍斷面曲線被胸圍斷面曲線“包裹”起來,左右兩側間隙較大,說明此兩類體型的人群腰部平坦且相對纖細;而B體型和C體型人群的腰圍斷面曲線比胸圍斷面曲線在人體前側更為突出,且兩斷面曲線在人體左右兩側間隙較小,說明該兩類體型人群腰部前突且相對圓潤。

2 胸圍松量分布

2.1 原型胸圍松量分布

按照文獻[20]中的定義將胸圍上外包圍曲線和胸圍斷面曲線長度數據的差值作為原型胸圍松量。圖7是449個人體樣本胸圍上外包圍曲線和胸圍斷面曲線總體差值分布,均值是7.997 cm,標準差為1.597 cm,服從正態(tài)分布。表2是各體型前后片胸圍松量取值。

圖7 胸圍上外包圍與胸圍的差值分布直方圖Fig.7 Distribution diagram of the difference between the upperbust bounding circumference and the bust

表2 各體型原型胸圍松量前后片分布Tab.2 Distribution of the front and back parts of the bust ease of each body type

由P組間<0.05和表2可知,不同體型的胸圍總松量存在顯著性差異,且隨著胸腰差減小,胸圍總松量和前片胸圍松量呈增大趨勢。為了探究不同體型的胸圍松量差異是否顯著,本文分別對Y、A、B、C體型的胸圍松量進行單因素方差分析,結果如表3所示。由PY-A<0.05、PY-B<0.05、PY-C<0.05、PA-C<0.05可知,Y體型的胸圍總松量與A、B、C體型的胸圍總松量存在顯著差異,且A體型和C體型也存在顯著差異。由PA-B>0.05、PB-C>0.05可知,B體型的胸圍總松量與A體型、C體型無顯著差異。

表3 各體型原型胸圍總松量差異顯著性檢驗結果Tab.3 Difference significance test results of the total bust ease of various body type prototypes

2.2 原型胸圍松量回歸關系

以人體胸圍為自變量、胸圍上外包圍為因變量,利用SPSS 22.0數據統(tǒng)計軟件對胸圍與胸圍上外包圍進行線性回歸分析,回歸分析結果如表4所示。由回歸式可知,胸圍上外包圍與人體胸圍具有正相關性,即人體胸圍越大,胸圍上外包圍越大。各體型胸圍上外包圍與胸圍的回歸式的調整后的R2介于0.932～0.971,說明胸圍尺寸對于胸圍上外包圍尺寸有90%以上的解釋能力,即該模型擬合較好。

表4 各體型胸圍上外包圍與胸圍的相關性及回歸式Tab.4 Correlation and regression of the upper bust bounding circumference and bust of various body types

同理計算得到原型胸圍松量與人體胸圍的回歸關系式,如表5所示。由各回歸式可知,各體型的胸圍松量與人體胸圍均有負相關性,即胸圍越大,胸圍松量越小,但各體型的回歸系數不同,其中Y體型和B體型胸圍松量隨胸圍的變化更大,C體型胸圍松量隨胸圍的變化最小。B體型的p值為0.399,說明B體型的原型胸圍松量與胸圍線性回歸不顯著,無統(tǒng)計學意義,因此采用胸圍尺寸構建線性回歸模型評估C體型的胸圍松量準確度不高;Y、A和B體型的p值均小于0.05,說明Y、A和B體型的線性回歸高度顯著;但Y、A和B體型的調整后的R2值均小于0.5,說明個體之間胸圍松量的差異不能完全被胸圍尺寸所解釋。

表5 各體型原型胸圍松量與胸圍回歸式Tab.5 Regression equation between the bust ease and the bust of various body types

3 腰圍松量分布

3.1 緊身原型腰圍松量分布

本文研究的緊身原型腰圍不設置松量,同胸圍松量一樣,將胸圍上外包圍曲線與腰圍斷面曲線的長度差作為腰圍總松量。圖8是449個人體樣本胸圍上外包圍曲線和腰圍斷面曲線總體差值分布,均值是22.362 cm,標準差為3.108 cm,服從正態(tài)分布。對Y、A、B、C體型的腰圍松量單因素方差分析的結果如表6所示,各體型及樣本總體前片與后片的腰圍松量及其占比如表7所示。由表6和表7可知,不同體型的腰圍松量有顯著差異;前片腰圍松量總體小于后片腰圍松量;隨胸腰差減小,前片松量的占比呈減小趨勢,后片松量的占比呈增大趨勢。

圖8 胸圍上外包圍與腰圍的差值分布直方圖Fig.8 Distribution diagram of the difference between the upper bust bounding circumference and the bust

表6 各體型原型腰圍松量差異顯著性檢驗結果Tab.6 Test results of difference significance of the waist ease of the prototype of each body type

表7 各體型腰圍松量前后片分布Tab.7 Distribution of the waist easein front and back of each body type

利用上半身水平斷面重合圖劃分區(qū)間,分別連接胸圍上外包圍線上的各特征點和腰圍曲線上各特征點的投影點,在各個特征點處和側縫處加入省道,從前至后依次定義為a、b、c、d、e、f省,并分割省道之間的區(qū)間,各區(qū)間內胸圍上外包圍曲線與腰圍曲線之間的長度差值即為省量,如圖9所示。各腰省量計算方法如表8所示,其中CF′、BP′、FAP′、SSP′、BAP′、SCP′和CB′分別為胸圍上外包圍曲線上前中心CF、胸高點BP、前腋點FAP、側縫點SSP、后腋點BAP、肩胛骨凸點SCP和后中心CB在腰圍斷面曲線上的投影點。

圖9 原型腰省量測定方法Fig.9 Method of prototype waist dart measurement

表8 原型各腰省量計算方法Tab.8 Calculation method of waist darts of various prototypes

各體型各腰省量分配率差異顯著性檢驗結果如表9所示。掃描人體樣本各體型腰省分配率的計算結果如圖10所示。將各腰省量與總體腰圍松量進行回歸分析,得到樣本總體各腰省分配量的回歸式,如表10所示?？梢园l(fā)現:

1)Pabcde組間<0.05,Pf組間>0.05,說明不同體型的a、b、c、d、e省量占比有顯著差異,而f省占比無明顯差異,說明不同體型在f省處可用一套省量占比模型。

2) 腰省分配率隨體型而變化,其中a省與b省分配率隨著胸腰差減小而減小,c、d、e省分配率隨著胸腰差減小而增大。

3) 腰省量與腰圍松量呈正相關,即腰圍松量越大,各個腰省量也就越大。各腰省的回歸系數不同,其中a省系數最大,f省系數最小。

4) 原型a、b、c、d、e、f省的p值均小于0.05,說明各省省量與腰圍松量的線性回歸高度顯著;但f省的調整后的R2=1.21,說明腰圍松量對于f省的省量大小僅有12.1%的解釋能力,即腰圍松量不是影響f省省量大小的唯一因素。

表9 各體型各腰省量占比差異顯著性檢驗結果Tab.9 Difference significance test results of difference significance of the waist dart of each body type prototype

圖10 各體型原型各個腰省分配率Fig.10 Distribution rate of the prototype waist dart of each body type

表10 原型腰省量與腰圍松量回歸式Tab.10 Regression equation of the prototype waist dart and waist ease

將本實驗得出的總體腰省分配率與日本文化原型的腰省分配率進行比較,如圖11所示。由圖11可以發(fā)現:

本實驗得到的a、c、e省分配率大于日本文化原型,b、d、f省分配率小于日本文化原型;本實驗得到的省道分配率大小為d>e>a>c>b>f,而日本文化原型的省道分配率大小為d>e>b>a>c>f,在一定程度上反映了中日兩國女性體型的差異。

圖11 本實驗結果與日本文化原型腰省分配率比較Fig.11 Comparison of the waist dart distribution rate between this experiment result and the Bunka prototype

3.2 不同衣身構成的腰圍松量分布

衣身構成是服裝結構設計的基礎。女裝常用的衣身構成是三面構成和四面構成:三面構成女裝以人體前后中心線為基準,衣身圍度分為三份,一般前后有縱向分割線,前片有腰省,后片可設置中心分割線;而四面構成女裝除前后片有縱向分割線外,左右兩側還有側縫線[18]。因此,三面構成女裝可設置腰省(BP處)、前省(FAP處)、后省(BAP處)和后中心省(CB處)4個省位,四面構成女裝可設置前省(BP處)、后省(SCP處)、后中心省(CB處)和側縫省(SSP處)4個省位,如圖12所示。按照從前中心到后中心的順序依次命名為a、b、c、d省。不同衣身構成各腰省量計算方法如表11所示。

圖12 不同衣身構成腰省量測定方法Fig.12 Waist dart measurement method of different body compositions

表11 不同衣身構成各腰省量計算方法Tab.11 Calculation method of various waist darts of different body compositions

人體樣本各體型腰省省量及分配率的計算結果如表12所示。再將各腰省量與總體腰圍松量進行回歸分析,得到樣本總體各腰省分配量的回歸式,如表13所示?？梢园l(fā)現:

1) 衣身構成不同,各省的位置和分配率也不同。

2) 體型不同,各個腰省的分配率也不同,其中三面衣身構成中a、b省分配率隨著胸腰差減小而減小,c省分配率隨著胸腰差減小而增大;四面衣身構成中,a省分配率隨著胸腰差減小而減小,b、c省分配率隨著胸腰差減小而增大。

3) 三面構成和四面構成的各個腰省量與腰圍松量線性回歸均高度顯著;三面構成和四面構成各個腰省的回歸系數不同,其系數從前往后依次減小。

4) 三面構成和四面構成線性擬合的優(yōu)度略有差異,其中三面構成中b省的擬合優(yōu)度最大,而四面構成中a省的擬合優(yōu)度最大;但兩者d省的擬合優(yōu)度均為最小。

表12 各體型不同衣身構成腰省分配量與分配率Tab.12 Distribution amount and rate of the waist dart of different body compositions of each body type

表13 不同衣身構成的腰省量與腰圍松量回歸式Tab.13 Regression equation of the waist dart and waist ease of different body compositions

4 結 論

本文基于掃描人體的三維點云數據,計算出各體型的胸圍上外包圍,并以此為依據,研究緊身原型松量分布規(guī)律和腰省分配模型,為上衣的結構設計提供參考,具體有以下結論。

1) 根據國家號型標準用胸腰差將449個樣本的體型分為Y、A、B、C四類,Y體型和C體型的人群上半身體態(tài)豐滿;而A體型和B體型的上半身圍度偏小。Y體型和A體型兩類體型的人群腰部平坦且相對纖細;而B體型和C體型兩類體型人群腰部前突且相對圓潤。

2) 不同體型的胸圍松量分布存在顯著性差異,且隨著胸腰差減小,胸圍總松量和前片胸圍松量呈增大趨勢;各體型的胸圍上外包圍與人體胸圍均有正相關性;各體型的胸圍松量與人體胸圍均有負相關性。

3) 不同體型的腰圍松量分布存在顯著性差異,不同體型的a、b、c、d、e省量占比有顯著差異,而f省占比無明顯差異,a省分配率隨著胸腰差減小而減小,c、d、e省分配率隨著胸腰差減小而增大;各個腰省量與腰圍松量呈正相關。

4) 緊身原型腰省分配模型中,a省占16.67%、b省占12.66%、c省占17.45%、d省占27.24%、e省占20.58%、f省占5.44%;三面構成衣身腰省分配模型中,a省占16.67%、b省占18.26%、c省占54.58%、d省占10.88%;四面構成衣身腰省分配模型中,a省占24.01%、b省占34.91%、c省占35.67%、d省占5.44%。

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