（机械设计及理论专业论文）面向服装cad的裁片设计技术研究与实现.pdf

浙江大粤页士掌位论文 摘要 随着服装业对服装c a d 要求的不断提高，二维服装c a d 已经不能满足人们对 服装c a d 在直观性、立体感和穿着效果显示上的要求。三维服装c a d 的研究工作 引起了很多学者的关注和重视，并取得了巨大的成就。他们在三维人体测量、三维人 体建模、三维服装设计、三维裁片展开等领域做了大量的研究并取得了一定的成果。 然而服装c a d 的设计结果只有通过裁片设计，才能用于生产，并缝制成服装。因此， 在三维服装c a d 系统的开发和应用中，我们不仅要研究服装c a d 相关的三维设计， 而且要研究面向三维服装c a d 的裁片设计技术。 基于以上思想和三维服装c a d 中用户对裁片设计的需求，本文提出了三维服装 c a d 的裁片设计流程。在以往的裁片设计中，加入了裁片设计质量预测与评估、考 虑织物特性的裁片设计结果调整及面向服装工艺的裁片缝边设计，使裁片设计更加完 整和准确，同时提高了裁片设计过程中的交互性。 本文第二章是裁片设计的基础，主要简单介绍了三维服装c a d 中裁片获取方法， 是本文研究工作的基础。虽然三维曲面展开技术尽量满足以下两个要求：裁片面积在 展开前后尽量保持不变；裁片的边界长度及夹角关系在展开前后尽量保持不变，但 般产品设计中三维曲面展开为二维曲面中的变形是必然存在的。本文通过裁片展开前 后的变形情况，来分析裁片设计中所产生的应力，并将此显示出来，作为用户判断裁 片设计结果是否正确的参考依据。三维裁片展开为二维裁片时，并没有考虑织物的特 性，这使得裁片设计结果与实际结果存在着一定的误差，本文在展开裁片上，加入织 物特性，对裁片设计结果进行调整，得到比较符合真实情况的裁片。经过以上两个步 骤设计的裁片，是设计成熟的裁片，但在投入生产之前还需要对其进行加缝边的设计。 本文第五章详细介绍了缝边的设计方法及缝边的计算机实现方法。 基于上述研究工作，论文第六章介绍了l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发环 境作简要介绍，同时详细介绍了上述研究工作在该系统中的应用。 最后，在第七章中总结了本文的工作，并对项目课题研究的发展前景从技术上和 应用上作了展望。 关键词：服装c a d 裁片设计应力分析织物特性裁片调整面向服装工艺 浙江大掌硕士掌位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eg r o w t ho fr a gt r a d ea s k i n gf o rh i g hq u a l i t yg c a d ( g a r m e n tc a d ) ， t w o - d i m e n s i o n a lg c a dh a sb e e no u to fd a m s i n c eh i sl i m i t a t i o ni ni n t u i t i o n , t h i r d d i m e n s i o na n dd r e s s i n gv i s i o n t h r e e - d i m e n s i o n a lg c a dh a sb e e na r o s em a n y r e s e a r c h e r sa t t e n t i o na n dr e c o g n i t i o n , a n dt h c ya c q u i r e de n o r m o u sa c h i e v e m e n t t h e y h a v eg a v eag r e a td e a lo fr e s e a r c ht ot h e s ed o m a i n ：t h r e e d i m e n s i o n a lb o d ym e a s u r e ， t h r e e - d i m e n s i o n a lb o d ym o d e l i n g ，t h r e e d i m e n s i o n a lg a r m e n td e s i g n , t h r e e - d i m e n s i o n a l f r e e f o r mm l f a c ef l a t t e n i n ga n ds oo n , a n dh a v eg a i n e dm u c ha c h i e v e m e n t b u t ，o n l y t h r o u g hp a t t e r nt h ed e s i g no fg c a d c a n a p p l yt om a n u f a c t u r ea n dt u m i n t og a r m e n t t h u s a l o n g w i t ht h ec o m i n go ft h ei m p l e m e n ta n da p p l i c a t i o np e r i o d ，w es h o u l dg oo u to ft h i n k 3 一dg a r m e n td e s i g no n l y , b u tg oi n t ot h i n k3 - dd e s i g na n dp a t t e md e s i g nb a s eo n3 - d g a r m e n td e s i g n b a s e do nt h e s et h i n k i n ga n du s e r sn e e d sf o rp a t t e r nd e s i g n , t h i sp a p e rg i v e san e w p a t t e md e s i g nf l o wf o r3 - dg c a d a d df o r e c a s t i n ga n de v a l u a t i n gt e c h n i q u ef o rp a t t e m q u a l i t y , a d j u s tp a t t e md e s i g nr e s u l tb a s e do nf a b r i cc h a r a c t e r i s t i c st e c h n i q u e ，p a t t e m h e m m i n g - s t i t c ht e c h n i q u et oo l dp a t t e md e s i g n ，m a k ep a t t e r nd e s i g nm o r ei n t e g r i t ya n d r i g h t ，i m p r o v et h ea l t e r n a t i o no fg a r m e n td e s i g n s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h em e t h o dt og e tp a t t e r ni n3 - dg c a db r i e f l y , w h i c hi st h e b a s eo fp a t t e r nd e s i g n a l t h o u g ht h ef l a t t e n i n go f3 - dg a r m e n tf r e e f o r ms u r f a c es h o u l d s a t i s f yt w oc o n d i t i o n sa sf o l l o w ：t h ec o n s i s t e n c yo f p a t t e r na r e aa n dp a t t e r n se d g eo ra n g l e b e f o r ea n da f t e rf l a t t e n i n g ，d i s t o r t i o no fp a t t e r na f t e rf l a t t e n i n gi se x i s tc e r t a i n l y t h r o u g h t h ed i s t o r t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r e s sc a u g h tb yf l a t t e n i n gi np a t t e r nd e s i g n ，a n d s h o w st h er e s u l ti no r d e rt og i v eo p i n i o ni f t h ed e s i g no f p a t t e r ni sr i g h to rn o t d u r i n gt h e f l a t t e n i n g ，n of a b r i cc h a r a c t e r i s t i cw a sc o n s i d e r e d ，w h i c hm a k e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e n d e s i g nr e s u l ta n dr e a lr e s u l t t h i sp a p e ra d df a b r i cc h a r a c t e r i s t i ct of l a t t e n e dp a t t e mt o a d j u s tp a t t e md e s i g nr e s u l t h e r ew eg e tar i g h td e s i g n e dp a t t e r na f t e ra d j u s t ，b u tw es h o u l d a d d s e a mb o u n d a r yt ot h ep a t t e r nb e f o r ei tw a sp r o d u c e d i nc h a p t e r5 ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t t 浙江大d 明蕊士掌位论文a b s t r a c t m e d e s i g nm e t h o d 锄dc o m p u t e ra p p l i c m i o np a n i c m a r l y b a s e do nt h e w o r li l l d u c e sn 呛s y s t e mo fl 0 0 k s m i l o r x 锄ds ea p p l c a l i e n v i m m e n ti nc h a p t e r6 a tt h es 柚et i m e ，i m 砌u c e st l l ea p p l i c a t i o no f t l l e r e 螂c hw o r ki n t l l i ss y s t e mp m i c 吣a tl a s t ，m a k e sac o n c l l l s i o nt ot h e 础；e a r c hw o r ka n d # y e sa p r o s p e c t s 盘o mm ep e 岱p e c t i v e so f t e c i i r l o l o g y 越d 印p l i c a t i o l l ，o f t h i sp r o j c c t k 则o r d s ：g a 姗e n tc a d ，p a t t e md e s i 印，d 托豁锄l y s i s ，f a b r i ce h a r a c t e f i s t i c ，p a t t e r na 4 j u s t ，f a c e d t og a r m e n tt e c h n j c s 1 1 1 学号塑垃星垃2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：栖妍礁签字日期：2 口。7 年6 月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可咀采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：私婿夔 导师签名 签字同期：如卯年月o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 朝渺 签字目期：狎 年6 月i 。日 电话： 邮编： 浙江大掣幽页士掌位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 【摘要l 介绍论文的研究背景和意义：对服装c a d 系统相关技术的研究现状进行介绍：指 出三维服装c a d 中裁片设计存在的一些问题和不足；阐述本文的研究思路与总体结构。 1 1 引言 随着计算机辅助设计在多个领域的不断推广和应用，计算机辅助设计在服装业的 应用也得到了关注，并成为c a d 领域的热门研究方向。 所谓服装c a d ( c o m p u t e ra i d e dg a r m e n td e s i g n ，简称g c a d ) 就是将c a d 领域中 的理论和技术应用到服装设计、生产、产品发展、经营管理等各个环节，从而极大地 改善了产品的整个生产效率与质量1 1 】。g c a d 可以带来巨大的经济效益与社会效益， 因此引起了世界范围内的科研机构和服装行业的极大兴趣和研究，并取得了巨大的成 果。世界上最早的g c a d 系统是美国于1 9 7 2 年研制成功的m a r c o n 系统。在此基 础之上，美国格柏( g e r b e r ) 公司研制出一系列的( c a d 产品并推向国际市场，从而成 为这类系统的先驱。在随后的短短数十年内，约有十几个国家几十套系统问世。其中 较为出色的有：加拿大p a d 系统，法国力克( l e c t r a ) 系统，西班牙英维斯( i n v e s t r o n i c a ) 公司，日本扬格( t o r a y ) 公司等。我国也早在8 0 年代就将服装c a d 系统的研制和开发 列人了“七五”国家星火项目。到目前为止，二维服装c a d 技术方面已比较成熟， 至今已有5 0 余套系统通过了各种形式的鉴定并提交用户使用1 2 。这些系统虽然各具 特色，但在功能上大多只覆盖了二维辅助服装设计，即基本流程从二维纸样初步设计， 到最终设计纸样、放码、推挡、排料等，其核心技术是二维图形与图像处理。 随着计算机科学与技术的迅猛发展及服装业对g c a d 要求的不断提高，g c a d 系统正在从以计算机二维图形学为基础的放码、排料、款式设计、纸样设计等功能， 逐渐扩展到以三维人体测量、三维人体建模、三维服装设计、三维裁剪缝合、三维服 装虚拟展示等技术为基础的，目的在于不经制作任何服装，便可由虚拟模型在虚拟现 实中完成最终着装效果的预先演示功能。从而大大节省了时间和财力，不仅有助于服 装生产率的提高，更有助于服装满意率和设计质量的提高f 3 1 。三维服装c a d 的研究 涉及数学建模、光学、色彩学、织物纹理真实显示、织物图案真实显示、纤维特性真 l 浙江大等炙士掌位。沦文第1 章绪论 实反映、织物变形等领域。这些研究大多只针对三维服装c a d 中三维设计部分的内 容，对于服装c a d 中裁片设计技术的研究很有限。 随着三维服装c a d 技术的不断发展，三维服装c a d 将面临着产业化的要求。无 论采用哪种服装设计方法，服装设计的目的都是获取最为合适的裁片，缝制成让使用 者有满意穿着效果的服装。在产业化过程中，三维服装c a d 软件还需要在裁片设计 技术上做一番研究，才能使得三维服装c a d 软件的功能更全面，利于三维服装c a d 软件的推广与应用。 三维服装c a d 软件在实现三维人体特征点识别、三维人体建模、三维人体变形、 三维服装初始生成、三维服装变形、三维裁片切割、三维裁片展开等技术之后，往往 需要添加一些裁片设计技术，本文正是利用三维服装c a d 软件l o o k s t a i l o r x 进入裁 片设计这一阶段的契机，对裁片设计技术做了大量的研究与实现。在分析了用户需求、 裁片设计结果调整需求及服装工艺需求之后，提出了急需解决的裁片设计技术：裁片 设计质量预测与评估、考虑织物特性的裁片设计结果调整及面向服装工艺的缝边设 计。并在l o o k s t a i l o r x 系统中实现了这些技术，取得了良好的效果。 1 2 研究现状 本文在调研现有服装c a d 主要研究内容的基础上，试图提出更加完整而又符合 现代服装设计要求的服装c a d 软件应有的功能。因此，首先简单介绍目前服装c a d 的主要研究内容。 1 2 1 二维服装c a d 二维服装c a d 的研究内容主要包括效果图设计、纸样设计、放码和排料，无论 从研究的角度，还是从应用的角度来看，该领域都已趋于完善。 效果图设计的主要功能是在计算机显示屏幕上构思和绘制服装效果图。计算机辅 助功能主要体现在为服装设计师提供各种各样的绘画工具和图像处理手段，以满足服 装设计师的创作要求。 纸样设计有三种方法：一是修改法，即调出纸样库中已有的纸样进行修改；二是 原型设计法，即以原型纸样为基础，对其进行加省和省移、加褶、切展等变换，并加 2 浙扫。弋掌硕士学位论文第1 章绪论 松量分配、撇胸、腰线对位、边缘处理等工艺；三是随意设计法，即利用作图命令进 行交互设计，不受其它设计的约束。服装结构千变万化，而且含有省道、褶皱等服装 专业因素，所以纸样设计在8 0 年代一度成为服装c a d 领域中的技术难点。后来，通 过引入二维图形学中的曲线生成、任意多边形分割和图形对称展开等技术，实现了曲 线任意变换、加省与移省、平行加褶与自然褶切展等设计工艺 4 1 i s 。9 0 年代初，进一 步提出将图形参数化方法应用到纸样设计中，即以人体的特征尺寸为纸样图形控制参 数，根据纸样图形各关键点的计算公式进行参数化绘图f 6 j 。采用这种方法，可以通过 控制特征尺寸，生成大小不同的衣片，为后续的放码工作奠定了基础。 放码又被称为推档，即在标准体型衣片的基础上，推出不同号型的衣片。放码又 分为关键点规则放码和参数公式放码。关键点规则放码根据经验，对每个关键点设置 放码规则和放码量，得到新的衣片关键点，再经过关键点连接( 直线连接和曲线拟合) 后得到新衣片l 刀。该方法极其繁琐，且不能保证拟合得到的曲线与标准衣片上的对应 曲线形状相同。参数公式放码方法则克服了这些缺点。它以参数法纸样设计为基础， 只要输入各号型的特征参数，就可以按公式重新计算关键点坐标，得到放码后的衣片。 计算机辅助服装排料方法分为三种：( 1 ) 交互式排料引，即将每个衣片作为一个 “块”，通过屏幕显示，由设计者交互式地选择合理的插入基点和方位进行排料。( 2 ) 自动排料，即在输入一些排料信息后，由系统自动计算，进行排料。( 3 ) 是前两种方 法的结合体，即先进行自动排料，后进行交互式调熬。目前的实用排料系统均采用第 三种方法。 1 2 2 三维服装c a d 服装的合体性一直是服装设计师追求的目标，也是企业提高服装产品市场竞争力 的主要因素。服装从平面设计发展到立体设计是解决上述问题的有效措施。 目前，三维服装c a d 系统的几大核心课题有： 1 1 三维人体测量 三维人体测量系统般有接触式和非接触式测量两种。三维数字化仪属于接触式 测量，但精度不高，应用较少。三维人体测量系统大多采用非接触式测量，此项技术 在国外研究较早。始于2 0 世纪8 0 年代初期，主要采用三维人体扫描技术，运用机器 视觉原理测得人体表面的三维数据。工作原理是以光学测量为基础，使用视觉设备来 3 浙江大掣瞻炙士掌位论文第1 章绪论 捕获物体外形，然后通过系统软件来提取扫描数据。三维人体测量较为成功的方法有： 立体摄影法、激光测量法、莫尔条纹法、白光相位法、远红外射线法等。立体摄影法 的原理是运用一组摄像机同时对人体进行摄影，通过人体表面光线的横切面形状及大 小转化的曲线计算人体模型，如英国的l a s s ( l o u g h b o r o u g ha n t h r o p o m e t r i cs h a d o w s c a n n e r ) 人体阴影扫描仪。激光测量法如法国力克研制的激光人体扫描仪。它用8 个 激光测量仪对被测者进行多方位测量，利用射向人体表面的激光来计算出人体表面的 全部数据。莫尔条纹法是利用光栅的阴影和光栅形成的莫尔条纹来捕获人体模型，如 中国香港理工大学研制的c u b i c a m 系统。自光相位法如美国纺织与服装技术公司的 分层轮廓扫描系统，它配置白光相位测量轮廓仪( p m p ) 。利用白光光源投射的正弦曲 线影像合并而得到人体三维形态。远红外法利用红外发射二极管获得扫描数据，如 h a m a m a t s u 研制的身体线条( b l ) 扫描仪等【9 】。上世纪8 0 年代后期，中国大陆地区开 始研制一系列的量体系统，如天津工业大学纺织服装学院研制的“2 d 3 d 非接触式量 体系统”。该系统采用c c d 照相机直接拍摄人体j 下面和侧面数字图像，进行三维立体 标定，得到三维人体正面和侧面投影图，并提取轮廓线的平面坐标。 2 1 三维人体建模 三维线框模型被最早用来表示虚拟的三维人体模型。三维线框模型用若干点、直 线，圆弧以及各种参数化曲线的组合模拟三维人体形状，虽然结构简单，操作方便， 但由于缺乏人体表面及实体的数据信息，无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感 人体模型显示。针对线框模型的二义性缺陷，2 0 世纪7 0 年代末实体模型逐渐发展起 来，其中实体几何表示法( c s g ) 最常见并最适合用于三维人体建模。实体几何表示 法将人体分解为几种三维体素，用c s g 树表示人体，通过并、交、差的集合运算生 成复杂的人体模型。实体模型提供了人体的几何和拓扑信息，可以实现人体的消隐， 并进行真实感图像的生成，从而克服了线框模型存在的二义性缺陷。实体模型结构复 杂，在表示人体复杂曲面时仍然受到一定的限制。曲面建模又称为表面建模，是目前 最常用的一种人体建模方法，主要适用于表面具有一定光滑度且不能由简单数学模型 描述的复杂物体表面。曲面建模通过拟和表面上部分离散数据点得到光滑过渡的曲 面，从而实现对原始表面的重建。根据拟和曲面的表示方法不同，曲面建模有多边形 描述、参数化曲面描述、碎片描述等几种实现方法。 3 1 三维服装设计 4 浙江大掣嵋弧士掌位论文第1 章绪论 由于服装的质量与合体性已经成为服装市场竞争中举足轻重的砝码，从而使得服 装业对计算机辅助三维服装设计的呼声与日俱增。计算机动画的飞速发展也使三维服 装的动态表现相形见绌。应该说明的是，计算机辅助三维服装设计与三维服装动画， 对于三维结构设计的要求是有所差别的：前者更强调实用，以得到二维衣片( 裁片) 为目的；而后者则更强调真实感显示，即要求逼真地显示服装穿着、行动时的变形效 果，对服装是否能最终实现并没有要求。但两者的某些理论与技术是相通的，如曲面 造型、变形等。 b k h i 础和，施咖：1 0 1 1 1 1 1 提出了一种在人体模型的基础上，定义一系列位移曲 面片( 即服装曲面) 的三维设计方法。三维交互编辑器允许服装设计师在人体上对曲 面片进行定位。曲面片由边来定义，边由距离身体表面的位移量来确定，余下的点由 插值产生。曲面片之间保持零阶连续。服装的褶皱通过在参数上附加调和函数( 正弦 曲线等) 来产生。这种方法仅适用于合体服装的三维设计，当设计宽松服装时，直线 与褶皱成为主要因素，此时，该方法不能正确定义服装曲面。而且，该方法没有考虑 服装织物的物理性质，不能真实展现服装的质感和悬垂感。 日。妇葩，日胁勋等构造了一个三维g c a d 系统。其思路是：用户首先提供 套初始的二维纸样，然后将其映射到三维人体模型上，来形成粗略符合人体模型的三 维结构，使“缝合”1 1 3 这种拓扑运算可视化；为了加入真实织物的悬垂效果，系统将 织物的力学特性公式转化为能量方程，然后利用自适应系数梯度法( a d 印t i v e c o e f f i c i e n tg r a 【d i e n tm e t l l o d ) ，来确定平衡状态下织物的三维形状；最后进行三维到二 维的展开，得到准确的二维纸样。服装曲面用三角形网格来模拟，能量方程为： e 醯= e e + e 嘲+ e b + e 脚+ e i + e p 其中，e 是拉伸能，玩是剪切能，瓦是弯曲能，是扭曲能，最是势能，q 是阻止服装穿透人体的阻力能函数。通过外壳结构的弹性原理，计算上述各项，从而 得到服装上各点的总能量。让每个点朝它们各自能量最小的方向移动，服装便达到 种平衡状态。该方法没有考虑到服装与人体之间、服装各衣片之间的碰撞问题。 砌砌。m 等研究小组【1 6 1 所提出的方法酷似服装制造的自然过程：首先在二维上 交互设计服装纸样，然后将服装纸样缝合成三维形状，最后，模拟表现人体与服装之 间的相互作用( 碰撞检测与反应) ，形成三维服装的自然效果。模拟采用粒子系统： 浙江大掌硕士学位论文第1 章绪论 将服装曲面离散化为一系列严守时刻的质点，点与点之问的作用力表示为微分方程； 时间离散过程从数值上更新各点的位置和速度g 倒，x7 何) ，从而获取系统的演变。作 用力模型来自牛顿第二定律： f ( r ，) = m ( r ) d 2 r 击2 其中，是点r 处的合力。求解上式即可得到f 时刻各点的速度和位置。碰撞检测 采用层次包围盒技术。由于该模型以时间为参数，随时间变化，三维服装效果随之改 变，因而可以表现动态服装，从而满足了三维动画的要求。该三维g c a d 系统已经 应用于动画设计中，并进一步尝试在虚拟现实环境中应用。在该系统中，如果对三维 服装款式不满意，需要回到二维交互状态修改二维纸样，然后再次进行三维动画模拟， 而不能直接在三维上进行交互修改。另外，碰撞检测算法的效率取决于障碍物多边形 的数目，时间效率较低。 第一种方法基于几何技术，没有考虑织物的物理性质，仅集中于外观的表现，不 能准确地表现局部结构；并且，它需要具有相当专业知识的用户参与，可以认为这种 方法是一种高级绘图工具形式。后两种方法基于物理造型技术，服装曲面均由大量微 小元素构成，需要求解巨型稀疏线性系统或微分方程，计算极其耗时。而且，这两种 方法中所考虑的因素都很多，以织物的物理性质为例，由于缺乏有效的测量手段，参 数值的确定成为困难之一。 4 ) 三维曲面的展开 在服装生产中，可以直接投入生产的是二维服装样片( 裁片) 。通过三维服装c a d 得到的三维裁片应该能展开成二维裁片。三维服装裁片曲面多为复杂曲面。服装曲面 的平面展开一直是工程上及计算机辅助设计等领域十分关心的问题，也是三维服装 c a d 中的一个重要环节。三维服装曲面的二维展开应满足以下两个要求：裁片的面 积在展开前后应尽量保持不变；在展开过程中应满足裁片的形状要求，即裁片的边界 长度及夹角关系在展开前后应尽量保持不变。展开的方法有利用有限元法计算曲面展 开的方法，有利用曲面的测地曲率展开曲面的方法，有将复杂曲面分割为若干条状区 域，用直纹面逼近该区域，再将直纹面进行三角网格分割，从而展开曲面的方法。这 些方法大多数是利用局部小平面的拼接来解决曲面可展化闯题及其展开问题。近年来 又有不少进展。樊劲、周济等人采用质点一弹簧模型的求解力法，给出了服装裁片二 维三维映射算法的具体实现步骤。它可以使服装裁片的二维到三维及三维到二维映 6 浙江大学瞒页士掌位论文 第1 章绪论 射可以在该模型中得到统一的实现f j ”。翟红英、杨钦利用二维裁片和三维裁片关键点 的对应关系，在三维人体模型上，对关键点进行三角化，得到服装样片贴合到人体模 型上的边界；对平面关键点三角化，得到二维服装裁片的边界。对三维人体模型上服 装裁片所在区域进行三角化，得到一个三维细网格。求出与三维细网格对应的二维细 网格，也就完成了服装样片二维到三维的转换。【l 副杨继新等人提出在依附于复杂曲面 的两条空间曲线之间，构造可展面，使复杂曲面可展化并展开。与其他方法比较，该 方法计算相对简单而且经实践证明，比较符合工业设计的实际要求【瑚。 1 3 研究思路 二维服装c a d 主要涉及服装二维裁片的操作，停留在二维的服装设计上，存在 设计结果直观性差，缺乏立体感，穿着效果不易表现等缺点。显然已经不能满足日益 发展的服装业的要求。 随着三维扫描与三维重建技术的发展，对服装c a d 的研究逐渐转向三维g c a d ， 实现了在三维人体模型上直接生成三维服装模型，在三维服装模型上直接生成裁片并 展开为二维裁片的方法。服装设计的直观性，立体感，精确性和高效率等得到了实现。 但三维g c a d 的研究大多停留在三维人体测量、三维人体建模、三维服装设计、三 维曲面展开的研究上，对三维g c a d 中裁片设计结果的优劣及服装设计对裁片的工 艺需求研究得很少，这正是本文要研究的内容。 裁片设计是服装c a d 设计的最终目标，也是服装c a d 走向市场、走向应用的必 经之路。综合三维服装c a d 的裁片展开特点，以及用户对三维服装c a d 的要求， 本文提出如图1 1 所示的裁片设计流程。 浙江大d 瞻孤士掌位论文第1 鼙绪论 图l 1 三维服装c a d 裁片设计流程 由图1 1 可见，一般的三维服装c a d 裁片设计都没有对裁片设计进行专门的处 理。缺少对裁片展开的合理性和正确性进行评估的技术，缺少对具有织物特性的裁片 设计结果的调整技术，缺少对裁片进行工艺设计的技术。 三维的曲面展开为二维平面时，根据曲面形状不同，可展性也不同。如果展开一 个可展性较差的曲面，而无法判断曲面的展开结果是否可以用于服装设计，将会给用 户在服装设计上带来困扰和极大的不便。因此在展开三维裁片后，有必要对裁片的变 形情况做分析和显示，供用户参考。如果变形过大，提醒用户有必要对裁片进行重新 设计，如果变形在合理的范围内，表示用户的服装设计方案是可行的。 裁片从三维到二维展开时，一般都没有考虑织物的特性，因此裁片设计结果展开 后，存在一定的误差，如果不及时纠正误差，裁片设计的正确性就很难保证。因此在 裁片设计完成后，应当对二维裁片进行调整，以符合各种不同布料的展开特性。 完成裁片设计和裁片调整后，裁片还需要进行相应的处理以满足服装设计的工艺 需求。综合服装c a d 所能完成的任务，我们还需要对裁片进行加缝边和排版的操作。 加了缝边的裁片就可以直接投入服装生产，经过排版的裁片能省很多布料。本文主要 对裁片的加缝边技术进行了研究和实现。 8 浙江大学幽页士掌位论文第1 鼙绪论 1 4 研究内容 由当前三维服装c a d 在裁片设计技术研究上的不足，本文提出了如图1 - l 所示 的裁片设计流程。因此本文的章节安排如下： 第二章简单介绍了裁片在l o o k s t a i l o r x 中是如何获得的。即：从三维人体，到三 维服装，再到三维裁片，最后由三维裁片展开而得。是后面几章内容的基础。 第三章介绍了裁片设计质量预测与评估技术应力分析法。三维裁片和二维裁 片都是由三角网格构成的，裁片展开时，裁片展开算法会尽量保持相应三角网格的角 度及边长的不变性，所以只有在曲面可展性比较差的情况下，三角网格的变形才会比 较大。因此本文采用三角网格的单位变形量来表征裁片应力的方法。在研究裁片应力 状态时，建立了合理的力学模型，给出了服装裁片设计中关键应力的计算方法，利用 色彩学中r g b 颜色模型和h s v 颜色模型各自的优点，直观地显示了各种应力的大小 及分布状态，并在最后给出了预测和评估裁片设计质量的实例。 第四章介绍了考虑织物特性的裁片设计结果调整技术。在三维服装c a d 中，二 维裁片展开时，只考虑了裁片的几何特性，三角网格的变形都是基于各向同性的特点。 而织物是各向异性的，所以织物的变形结果和裁片的展开结果会存在定误差，为了 消除误差，本文在裁片设计结果的基础上根据织物特性进行调整，使裁片设计更加符 合实际结果。因此，本章的研究内容涉及织物的变形特点、织物模型的建立、裁片调 整方法、织物参数测量、织物参数计算、裁片设计结果调整实例。 第五章介绍了面向服装工艺的裁片缝边设计技术。在裁片设计中，裁片的工艺设 计也非常重要。在裁片工艺设计中，缝边的设计尤为重要。缝边在服装工艺中有两种 不同的表现形式：缝份与折边。由缝份和折边的设计方法，得出缝边的设计要求。基 于缝边的设计要求，提取裁片边界网格顶点，采用顶点减少法和d o u g l a s p e u e k e r 法 删除多余的边界网格顶点，用三次样条曲线拟合缝迹线，最后偏移缝迹线并处理相邻 缝迹线之间的相交情况，得到缝边。 第六章介绍了l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发环境作简要的介绍，同时详 细介绍了上述研究工作在该系统中的应用。 第七章为上述六章的总结及未来展望，总结本文的研究工作，并对项目课题研究 的发展前景从技术上和应用上作了展望。 9 浙江大学硕士学位论文第2 章裁片设计基础 第2 章裁片设计基础 【摘要】本文的研究工作基于服装c a d 系统l o o k s t a i l o r x 。本章主要介绍该系统的功能及 关键技术，并指出系统中存在的不足。 2 1 引言 结合国家自然科学基金项目( 个性化三维服装的多层次联动参数化建模方法研 究) ，项目组开发了l o o k s t a i l o r x 系统。该系统分为人体模块、衣服模块和展开模块。 这三个模块之间的数据都是由前一个模块传输进来的，展开模块数据依赖于衣服模块 数据，衣服模块数据依赖于人体模块数据，所以说，人体模块和衣服模块是展开模块 的数据基础。在l o o k s t a i l o r x 系统中，三维人体建模与变形、三维服装建模与变形、 三维裁片设计及展开分别为这三个模块的关键技术。 从系统的开发和应用角度来说，人体模块和衣服模块的功能已趋于完善和完整， 展开模块的功能还需要进一步的增加和改善。 2 2 人体模块 人体模块是l o o k s t a i l o r x 系统的基础模块，只有人体模块加载了三维人体模型， 才能进行三维服装设计和三维裁片设计。人体模块的基本界面如图2 1 所示。人体模 块的主要功能有：文件操作，包括新建、打开、保存、另存为、加载和退出操作；编 辑操作，包括u n d o 、r e d o 、编辑人体特征线、初始化人体特征线、人体特征线对称编 辑、编辑人体特征点、编辑人体横截面操作；视图功能，包括正视图、后视图、俯视 图、底视图、左视图、右视图、侧视图、人体特征线显示、人体特征点显示、人体尺 寸信息显示、对称面显示、支座显示等；人体操作，包括改变人体尺寸、新建人体、 改变人体腿部角度操作；测量操作，包括人体特征线全长的测量、人体特征线部分长 度的测量、三维人体表面上两点之间的曲面长度测量和视图中两点之间的直线距离测 量；设置功能，包括测量单位设置和背景网格大小设置以及帮助菜单。 l o 浙江大掌硕士掌位论文第2 章裁片设计基础 图2 - 1 人体模块界面 三维人体建模和三维人体变形是人体模块的关键技术。下面对三维人体建模和三 维人体变形方法做简要的介绍。 l o o k s t a i l o r x 系统中，人体模块先读入包含扫描人体数据的文件，经过坐标调整、 人体类型判定、特征识别等数据预处理，得到具有正确特征信息的扫描人体模型。读 入的扫描人体数据是以三角网格连接的散乱数据点集，不利于人体模型的变形及服装 造型的实现。因此l o o k s t a i l o r x 将扫描人体模型转换为具有规则网格结构的三维人体 模型。三维人体模型重建的过程包括：基于扫描人体的表面重建、表面光滑处理、特 征线的生成及编辑等。重建后的人体模型不仅保持了原有模型的表面特征，并去除了 模型表面上的噪音，具有更好的表面质量，如图2 - 2 所示。并且与原始模型相比，能 够极大地提高人体变形及服装造型等处理过程的计算效率。 浙江大掌硕士掌位论文 第2 章裁片设计基础 幽2 2 三维人体建模 在人体造型的基础上，l o o k s t a i l o r x 还涉及了对三维人体模型的变形处理。在三 维人体尺寸提取的基础上，对三维人体模型进行变形。l o o k s t a i l o r x 中实现了三种人 体模型变形方法。其中尺寸驱动的变形方法与标准模板驱动的插值变形方法是以改变 人体模型特征尺寸为目标的，属于人体模型的静态变形：而关节点驱动的人体模型变 形能够实现人体模型的运动模拟，属于动态变形方法。图2 - 3 给出了尺寸驱动变形实 例。三维人体建模及变形技术在参考论文2 川中有详细的研究和介绍。 图2 3 人体尺寸驱动变形 浙江大掣蝇炙士学位论文第2 章裁片设计基础 2 3 衣服模块 人体模块读入人体模型，并进行必要的编辑之后，l o o k s t a i l o r x 系统将人体数据 从人体模块传输到衣服模块，而衣服模块又是展开模块的数据基础。衣服模块的界面 如图2 - 4 所示。衣服模块的主要功能有：文件操作，包括新建、打开、保存、另存为、 加载和退出操作；编辑操作，包括u n d o 、r e d o 、衣服对称变形、编辑肩线、插入控制 顶点、删除控制顶点、在x 方向上对齐控制顶点、将控制顶点对齐在一条线上；视图 功能，包括正视图、后视图、俯视图、底视图、左视图、右视图、侧视图、人体特征 线显示、横截面显示、衣服尺寸信息显示、背景网格显示、对称面显示、支座显示等： 衣服菜单，包括创建衣服、修改衣服、创建衣领、修改衣领、删除衣领、创建衣袖、 修改衣袖、删除衣袖；测量操作，包括人体特征线全长的测量、人体特征线部分长度 的测量、三维人体表面上两点之间的曲面长度测量和视图中两点之问的直线距离测 量；设置功能，包括测量单位设置和背景网格大小设置等以及帮助菜单。 图2 - 4 农月r 模块界面 三维服装建模和三维服装变形是衣服模块的关键技术。下面对三维服装建模和三 维服装变形方法做简要的介绍。 l o o k s t a i l o r x 系统根据人体模块传输过来的人体数据，按照从人体特征信息出发， 以样条曲线为几何元素，生成特征环与特征线，利用分片技术，采用样条曲面对服装 13 浙江大增幽页士掌位论文第2 章裁片设计基础 进行三维建模，然后再对其进行拼接、光顺1 2 的方法进行三维服装建模，生成如图 2 5 所示的服装模型。 图2 5 三维服装模型 服装变形技术对于个性化服装设计来说是至关重要的。轮廓线变形技术和横截面 变形技术都是以编辑样条曲线为基础，采用不同的算法来达到改变衣服形状的目的： 特征尺寸驱动技术是通过改变服装三围及服装下摆周长这四个尺寸来达到驱动服装 变形的目的。在服装的变形过程中，加入有效的碰撞检测技术是对服装变形技术的有 力支持。图2 - 6 为这些服装变形技术在l o o k s t a i l o r x 中实现的结果。服装变形技术在 【2 2 】中有详细的研究和介绍。 图2 服装的变形技术 1 4 浙江大掣页士掌位论文 第2 章裁片设计基础 2 4 展开模块 经过人体模块和衣服模块的建模与变形之后，可以得到形状满意设计要求的三维 服装，三维服装数据传输到展开模块，便可进行裁片的三维设计及展开操作。展开模 块的界面如图2 7 所示。展开模块的主要功能有：文件操作，包括新建、打开、保存、 另存为、加载和退出操作；3 d 编辑操作，包括u n d o 、r e d o 、复制、删除、粘贴、选 中所有切割线、删除所有切割线、创建中心线；2 d 编辑操作，包括l 】n d o 、r e d o 、复 制、删除、粘贴、选中所有裁片；视图功能，包括正视图、后视图、俯视图、底视图、 左视图、右视图、侧视图、曲率显示、背景网格显示等；3 d 工具，包括画直线切割 线、画曲线切割线、画自由线、画点、插入控制顶点、删除控制顶点、打断曲线、合 并曲线、画省道、画地目线、镜像切割线、移动切割线、测量、展开等功能：2 d 工 具，包括画直线切割线、画曲线切割线、画自由线、画点、插入控制顶点、删除控制 顶点、打断曲线、合并曲线、画地目线、镜像裁片、测量等功能；设置功能，包括测 量单位设置和背景网格大小设置等以及帮助菜单。 图2 7 展开模块界面 三维裁片设计和三维裁片展开是展开模块的关键技术。下面对三维裁片设计和三 维裁片展开做简要的介绍。 三维服装c a d 中的裁片设计主要靠切割线对三维服装表面的切割而实现的。服 1 5 浙江大掌硕士掌位论文 第2 章裁片设计基础 装三维表面的切割一方面是应服装设计的要求，另一方面是应产品设计领域中对裁片 可展性的要求而产生的。在产品设计领域中，大多数产品的外形在数学意义上是不可 展曲面，在曲面展开结果中，将不可避免地存在着变形。大的变形使得按曲面展开结 果裁剪出的材料覆盖到产品表面上时，产生大的应变，这对于一般的材料而言是不允 许的。为了避免展开结果中出现过大的变形，我们通常将曲面切割成多个更小的曲面 片来处理，如足球球面就是由若干个五边形和六边形缝制而成的。合理地选择切割方 式，不仅可以有效降低曲面展开结果中的变形，同时也提高了曲面造型的灵活度。图 2 8 是裁片切割线切割服装表面的实例。 图2 - 8 三维裁片设计与切割线 三维裁片展开技术是三维服装c a d 设计与服装生产的契合点。它使得三维服装 c a d 的设计功能更加全面且更加符合服装设计的需求。图2 - 9 为图2 8 所显示的三维 裁片的展开结果。 l 0 0 k s 诅i l o r x 中的切割线和三维裁片展开算法参照参考论文瞄2 8 】。 6 浙江大粤妇炙士学位论文第2 章裁片设计基础 图2 9 三维裁片展开结果