速滑服装版型参数化模型构建方法_肖伯祥.pdf

速滑服装作为高性能的运动装备，不仅利于运动员技术动作的发挥，同时可以有效保护运动员的安全。为实现速滑服装的个性化定制，需要针对运动员体型构建基于参数化的建模方法。提出了一种速滑服装版型参数化模型构建方法，根据人体体型特征及速滑服装结构特点，明确体型关键点与版型关键点的对位关系；基于人体三维模型提取速滑服装的各部件衣片三维模型，利用三维网格展平技术，获取对应衣片的二维版片形状，使用参数定义二维版片边缘曲线特征点，并建立版型参数与体型参数的关系模型，实现速滑服版型参数化模型构建；利用 虚拟软件进行虚拟试衣验证并对参数化生成的版型进行比较分析。结果表明：参数化模型方法生成的速滑服装具有较好的合体度，为速滑服装个性化定制应用提供技术参考，对于实现速滑服装个性化定制具有重要意义和实用价值。关键词：速滑服装；体型特征；制版；参数化；关系模型中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：北京市自然科学基金项目“速度滑冰紧身运动服装智能制版方法研究”（）作者简介：肖伯祥（），男，博士，副教授，研究方向为服装智能工程、计算机辅助设计；：。速度滑冰是冬季运动中的重要比赛项目。速滑服装作为专业的比赛装备发挥重要的作用，舒适合体的速滑服装既能改善运动员的竞技状态，也可以有效保护运动员的安全。制作舒适合体的速滑服需要建立与体型相匹配的版型结构，需要综合考虑运动员体型参数和运动特点才能进行个性化定制制版。传统的量体定制的方式往往需要多次反复调版，并且制作效率较低，因此，建立体型参数与版型图形的关系模型，并实现基于参数化的版型生成，对于速滑服装定制具有重要意义。速滑服是典型的紧身运动服装，对于这类服装的版型设计问题，基于人体表面进行三维网格的展开是有效方法。等使用体质量基于三维网格展平的方法进行紧身运动服装的设计与版型制作。等针对紧身服装的版型分割提出了一种设计服装造型曲线的进化方法，为速滑服结构设计的优化和视觉效果评价提供理论依据。尽管通过三维人体模型能够获取较为准确的个性化服装版型，但由于三维扫描设备的限制，面向普通用户的个性化定制难度仍然较大，而参数化制版的方法可以解决这一局限。样板数字化设计技术主要包括：基于传统放码方法的个性化样板修改法、基于参数化设计的自动打板法和基于人工智能的样板设计法。速滑服装具有不同的结构特点和松量规则，而现有系统大多针对衬衣、西装等常规服装设计，难以满足速滑服定制的多样性、差异化需求。为实现基于体型参数的速度滑冰服装个性化版型生成的目标，提出一种基于体型参数的速滑服装版型参数化建模方法。通过研究速滑运动的体型特征、运动规律，并根据典型速滑服装结构特点，基于主要体型尺寸对其样版进行参数化建模与设计，构建专用的速滑服样版的参数化模型，为速滑服装的个性化定制提供参数化模型方法和技术参考。方法流程如图 所示。首先，分析三维人体模型的体型特征，提取体型特征点并测量体型参数；根据速滑服装结构特点，明确体型关键点与版型关键点的对位关系，在人体模型表面确定速滑服版片结构线，从而提取速滑服装的各部件衣片三维模型；利用三维网格展平技术和软件工具，获取对应衣片的二维版片形状，根据二维版片边缘曲线构建基于特征点的参数化模型，并建第 期 肖伯祥等：速滑服装版型参数化模型构建方法立版型参数与体型参数的关系模型；最终，实现基于体型参数的速滑服定制制版。展平后的版片二维图形为参数化模型提供建模结果的目标导向，而参数化模型则是展平二维图形的规律性的形式化表达，二者相辅相成。图 速滑服装版型参数化方法实现流程 速滑服装版型与人体结构特征分析图 三维人体模型构建与体型特征分析 .速滑服装典型版型结构速滑服为紧身贴体运动服装，要求面料具有较大的收缩弹性。为保证运动自由度，不影响运动员的四肢活动，版型结构分割线的设置原则是确保关节部位布料的完整性。实际应用中，被广泛采用的典型的速滑服装版型包括前片、后片、大腿片、小腿片、袖片领片，以及微结构片。速滑服装一般采用插肩袖结构，左右前片在前中线处设置弹性拉链，如图（）所示为典型速滑服装的着装效果，其结构分割线在人体上的布局如图（）所示。以此结构为例，提取服装三维版片并展平为版型原型，在此基础上进行参数化建模。.三维人体模型构建与体型特征分析为实现准确的速滑服装版型模型构建并实现动图 速滑服装着装效果和版型结构 作的模拟，需要构建骨骼驱动的可变形人体模型。为使该人体模型接近真实的运动员体型，使用三维扫描设备获得一个初始人体三维模型，以其为参照调整参数化可编辑人体模型。图 为三维人体模型构建与体型特征分析示意图。图 （）为使用“软件”三维模特编辑模块建立的一个与扫描模型相近似的参数化人体模型，该模型支持由骨骼驱动的动作编辑，实现三维人体模型速滑动作的编辑（图（）。使用三维模型分析软件工具计算 个模型的胸围、腰围、臀围、肩宽等关键尺寸参数，偏差值不大于。然后，根据人体体型特征及速滑服装结构特点，建立体型关键点与版型关键点的对位关系，在人体模型上确定肩线、前后中线、侧缝线、胸围、腰围、臀围、腿根围、领围、臂根围、膝围、踝围等特征曲线的位置，如图（）（）所示，并根据体型特征点和速滑服款式在人体模型上确定版片结构分割线的位置。.三维展平算法与版片分析工具在服装版型 设计中，三维模型展平（北京服装学院学报（自然科学版）年）是一种有效的方法，展平过程会最大程度保持三维模型的局部几何关系和参数约束。本文采用北京服装学院现代服装技术实验室自主研发的“服装立体版型生成软件”进行人体体型特征及速滑服结构分析。软件具有基于质点弹簧模型（）的三维网格展平功能，实现方法是根据衣片的三维网格模型建立质点弹簧模型，质点的位置与三维模型的顶点一致，弹簧的连接与三维模型的三角面的边一致。为实现不同布料和布料不同方向的力学模拟属性，系统支持用户动态设定不同的弹性系数，一般对于均匀材质的布料，可以设定均一的弹性系数。图 所示为软件操作的界面，图 为三维网格展平成二维网格的原理示意图。理论上人体表面为不可展的三维形状，展平算法的优化目标是使质点弹簧模型中所有虚拟弹簧的整体弹性势能最小。如图 所示，计算出三维网格模型边缘曲线与展平后的二维平面图形边缘曲线长度对比，当满足条件时，测量的边缘曲线的变形程度以及整体面积的变形程度均不超过，对版型形状影响较小。图 软件操作的界面 图 基于质点弹簧模型的三维网格展平 速滑服装版片三维模型提取.滑冰动作姿态与版片关系分析滑冰时人体上身前倾呈水平状态，左右手臂通图 三维网格模型边缘曲线与展平后的二维平面图形边缘曲线长度对比 常紧贴身体交替前后摆动，双腿交替依次作蹬冰和收腿的动作。将可编辑的人体模型分别调整至直立姿态和滑冰动作中的典型姿态，按图 所示的三维人体模型特征点和曲线分布，将人体特征点与版片特征点对齐，如图 所示为速滑动作姿态与版片结构布局。速滑服的动态合体性主要表现在腋下、肩部、腰腹、裆部等关键部位，受前片、袖片、大腿片影响较大。滑冰动作姿态与直立姿态相比，后片纵向拉长，前片纵向收缩并且发生剪切向扭曲，大腿片发生较大弯曲变形，臀后部拉长、前部缩短。根据版片的结构以及结构线各特征点在人体上的位置，分别提取前片、后片、大腿片、小腿片和袖片，如图 所示。由于版片左右结构对称，只提取右侧。领片和微结构片（如前裆连接）形状单一、影响较小，不进行三维提取。.速滑服主要衣片原型版提取使用三维衣片展平方法和工具，分别将直立姿态和动作姿态提取的各衣片三维模型展平成二维衣片模型，将得到的图形定义为速滑服主要衣片原型版，如图 所示。上排为直立姿态，下排为动作姿态；从左至右依次为后片、前片、袖片、大腿片、小腿片。通过图形对比分析可见，滑冰动作中后片整体纵向拉伸，横向受前伸手臂牵引；前片纵向收缩，侧边缘线向外侧弯曲，外侧整体向下扭曲；袖片肩部由于手臂动作发生较大扭曲；大腿片臀后部发生较大弯曲，前裆部收缩较大，后档拉长。通过对实际穿着的较合适的比赛服结构进行研究，结合展平获得的原型图形，发现后片和小腿片发生的扭曲变形较小。尽管前片发生一定程度的扭曲变形，但在实际中需要避免前中过度拉伸造成腹部悬空。因此，实际的前片应在直立姿态第 期 肖伯祥等：速滑服装版型参数化模型构建方法图 速滑动作姿态与版片结构布局 版型基础上进行变形。同理，袖片和大腿片也是在直立姿态展开形状基础上进行适当调整，以满足动态合体性和舒适性。图 三维模型展平的速滑服衣片原型版 速滑服版型参数化建模.速滑服参数化模型构建在对速滑服主要衣片原型版分析的基础上，结合实际比赛服的结构和制作特点，根据由 展平获得的速滑服版片的 几何形状来定义版型结构。版片图形的各边缘曲线由关键位置的点坐标确定，前中等近似为直线的部位取直。参数化模型为各个曲线类型及曲线关键点的坐标计算公式，为体型参数的线性系数求和的表示方式。参数定义的原则是能够根据较少的主要参数相对准确地描述出版片几何图形的形状，即通过参数能够确定版片边缘曲线特征点的坐标位置，使用三次样条构造边缘曲线。各版片的结构和关键点的位置定义如图 所示。结构图中包含各个版片图形的关键点参照线、边缘曲线特征点（折线）和由模型生成的版片边缘曲线，其中，前片由 个参数定义：前中长、颈围、腋围、腰围、臀围、前颈点至腋围、前颈点至腰围、前颈点至臀围；后片由 个参数定义：后中长、颈围、腋围、腰围、臀围、后颈点至腋围、后颈点至腰围、后颈点至臀围；袖片结构由 个参数定义：颈围、腕围、肘围、肘长、臂围、臂长、袖长。大腿片由 个参数定义：腰围、臀围、腿根围、腿围、膝围、直裆、大腿外长、大腿内长；小腿片由 个参数定义：大腿围、膝围、裤脚围、小腿围、小腿长、大腿外长、大腿内长。图 速滑服版片参数化图形结构 .面料拉伸率与版片收缩速滑服面料一般选用四向弹性面料，穿着时紧北京服装学院学报（自然科学版）年身贴体并产生一定程度的压力。穿着状态下人体表面不同部位的速滑服会产生不同程度的拉伸，要达到良好的舒适度和满足功能要求，面料须具有良好的拉伸性能及回弹性能。在制版过程中考虑面料弹性，版片的实际尺寸相对于人体表面尺寸有一定程度的收缩，本文定义紧身服装尺寸与人体表面尺寸、面料拉伸率之间的关系为：紧身服装尺寸 人体尺寸 面料拉伸率。将实际测量的速滑比赛服数据与量体参数对比，速滑服面料为多组份梭织织物单经双纬结构，成分包含涤纶、锦纶、氨纶，密度（），厚度.，横向（纬向）拉伸率一般在 左右，纵向（经向）拉伸率一般在 左右。本文的参数化模型在基于体型参数的净尺寸版型模型基础上，额外除以拉伸率得到版型的实际裁剪尺寸。版型结果验证及评价为验证本文提出的速滑服参数化版型生成方法，使用“软件”服装模拟穿着效果对样衣进行虚拟试穿评价。软件支持绑定动态骨骼并驱动人体模型编辑特定动作，可体现多种不同的着装方式并作着装状态下速滑典型动作，支持虚拟缝合 版型创建 虚拟试穿模型。实验中，使用人体模型编辑工具生成 个不同的虚拟人体模型，分别定义为模型、。图 所示为 个虚拟模型的正面视图。对 个虚拟人体模型的体型参数进行测量，测量方法为：围度尺寸计算虚拟模型相关部位的截面曲线的长度，长度宽度距离类计算相关部位特征点之间的坐标差值或空间距离，结果见表。图 人体模型编辑工具生成的 个不同的虚拟人体模型 表 实验所采用的 个虚拟模型测量的体型参数 模型编号身高胸腰高后颈腰高前颈腰高腰臀高过颈肩宽半肩宽模型 模型 模型 模型编号臂长大腿长大腿内长小腿长前胸宽后背宽腰宽模型 模型 模型 模型编号颈围胸围腰围臀围大腿围膝围小腿围模型 模型 模型 模型编号踝围肩围臂围腕围裆长模型 模型 模型 第 期 肖伯祥等：速滑服装版型参数化模型构建方法 使用速滑服版型参数化生成方法，根据 个虚拟人体模型的体型参数，分别生成速滑服的后片、前片、袖片、大腿片、小腿片、领片和裆片。图 所示的 个虚拟模型不同体型参数生成的版型图，明显体现出体型参数的差异和影响。图 根据 组不同体型参数生成的速滑服版型图 使用 软件对 组虚拟人体模型进行虚拟试穿，试衣效果如图、所示。图 为直立姿态的着装效果对比图。结果显示生成的版型具有较好的合体度，应力分布较为均匀。图 为典型速滑动作姿态的着装效果。结果反映出在特定动作下紧身速滑服的拉伸程度及其与虚拟人体模型之间的紧贴程度。速滑比赛服实践设计团队成员的视觉效果主观评价结果如下：）从图 直立姿态着装观察，颈部根部的基型曲线平滑；腰围线、胸宽线、背宽线、袖笼深线等部位处于相应部位；肩线在肩点连线与颈部点之间的肩峰部位；样衣整体平滑顺直，前后中心线与侧缝线等都位于人体的相应部位；）从图 运动姿态着装观察，样衣整体版型结构形变程度低，满足曲腿和蹬冰等滑行姿态下肢体的运动自由度；速滑动作姿态下，胸围线、腰围线、后背处均较为贴合，腋、裆等部位能够较好地贴合人体；应力分布较为均匀，整体应变分布在 ，与实际的比赛服拉伸情况接近。上述结果表明，虚拟样衣总体上符合速滑服装图 速滑服样衣试穿图（直立姿态）（）图 速滑服样衣试穿图（运动姿态）以及相应的应力 应变图 的基本需求，样板模型总体上是正确的且具有一定的适用性。建立版片图形的参数化表达模型后，可以使用所定义的体型参数驱动改变版片图形，从而影响着装效果。通过虚拟试穿实验，改变各个参数以及对应的收缩回弹率会改变版型的整体形态，如颈围、腰围、臀围等横向围度参数会影响版型的横向北京服装学院学报（自然科学版）年松紧程度；前颈点至腋围、前颈点至腰围、前颈点至臀围影响前片的拉伸程度；后颈点至腋围、后颈点至腰围、后颈点至臀围等参数影响后片的纵向拉伸程度；腋围、肘围、臂围影响袖片的松紧程度进而影响手臂的舒适度；腿围、直裆、臀围是影响腿部的松量的主要因素。结 论参数化模型生成的速滑服装具有较好的合体度，为速滑服装个性化定制提供了基础。然而，基于人体表面展平的原型版参数化建模方法关注的重点只是速滑服装原型版图形及其参数化模型，尚未考虑速滑服对人体作用的运动生物力学特性，故仍存在不足和局限，需进行大量真实样衣的实验验证。这也是进一步研究的方向。此外，本文提出的参数化建模方法仅提供了一种基本款式版型图形的参数化表达模型，在实际比赛服样衣制作与着装运动状态下，受面料具体差异和运动员实际主观体感的影响，影响比赛服舒适度以及对动作发挥的因素较为复杂，因此通常情况下实际制作的比赛服版型还需要微调，可通过对实测数据的进一步积累得以改善。参考文献 ，：，：李博，刘翠佳，杨威，等 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