基于三维扫描技术的青年女裤纸样设计

李 旭, 李 琴, 张龙琳

(1. 西南大学 纺织服装学院，重庆 400715；2.重庆市生物质材料与现代纺织工程中心，重庆 400715)

设计与产品

基于三维扫描技术的青年女裤纸样设计

李 旭1, 李 琴1, 张龙琳2

(1. 西南大学 纺织服装学院，重庆 400715；2.重庆市生物质材料与现代纺织工程中心，重庆 400715)

通过对三维人体数据的信息采集和处理，以青年女性裤子廓形为研究对象，从直筒裤廓形入手，进而拓展多种款式和廓形。借助三维扫描设备采集人体着直筒裤的点云数据，通过逆向工程软件对直筒裤进行曲面重构，Matlab数学软件分析三维净体特征部位数据，并以扫描的直筒裤数据为参考，最终形成合理的基本直筒裤型结构，再将其转化为二维平面纸样。在此基础上进行多种裤型的设计研究，同时加入细节模块化设计为裤装在工业生产中提供依据。

3D扫描；NURBS曲线；曲面重构；裤子廓形；细节设计

逆向工程软件在服装领域的应用发展，简化了从设计到生产所需的程序，许多外国学者在3D曲面展平技术上做了大量相关的研究[1-3]，得到了多种复杂曲面展平的方法，有些方法同时也在实践中得到应用；但在国内大部分还停留在利用逆向思维软件来辅助制版，仅在展示新的设计思路启蒙，并没有在真正意义上体现数字化服装设计给工业生产带来便利。本文结合逆向软件采集点云数据并经过逆向软件对产品进行虚拟重构和再设计，后期进行拓展，理论和算法相结合，实现了智能化打版，缩短了从设计到成衣制作的时间，省去了在传统制衣中设计师和制版师的沟通，从设计到制版只需一人即可完成。

1 工作流程

首先通过北京博维恒信3D Camega光学三维扫描仪获取下身净体和穿着直筒裤的点云数据，然后在逆向工程软件GS中对扫描的点云数据进行修复并预处理[4]，提取特征部位的点云层，调整非均匀有理B样条曲线形成NURBS曲面[5]。分析下体关键部位的围度曲面，提取特征尺寸并进行数据分析，得到直筒裤对应的省道量及造型量。在设计软件CATIA中，绘制女士直筒裤需要的省道和结构线，并展开得到完整的裤装纸样。通过样裤制作与试穿对比，验证基于3D扫描人体数据制作女裤方法的合理性。最后在基于直筒裤三维曲面的基础上变化得到多种廓形对应的纸样，建立裤子廓形库，如图1所示。

图1 工作流程Fig.1 Work process

2 直筒裤3D模型到2D纸样的转换

2.1 点云数据的预处理

基于研究课题的特殊性要求为最大化的满足市场需求，所以目标群体为青年女性，在成都师范大学随机抽取一个扫描样本(包含净体扫描和穿着直筒裤扫描)，年龄24岁，号型160/64A。其中直筒裤款式如图2所示，实物具体尺寸见表1。由于本次实验从直筒裤入手，所以本文主要介绍穿着直筒裤的样本处理过程，净体样本主要为正确地处理省道大小提供帮助，且预处理过程同直筒裤一致。

尽管在扫描之前，扫描探头的标定是正确的，但人体的凹凸不平使扫描后的人体数据不能直接使用，所以要对因仪器扫描不到产生孔洞的部位，采用逆向工程软件Geomagic Studio进行修复对位。继而采用观察法与偏差过滤法对点云数据进行去噪处理[6]，过程中用肉眼将与实物偏差过大的点云数据删除，后将点云数据进行渲染，反复旋转点云，找出噪点和孔洞进行删除和修复。

图2 直筒裤款式Fig.2 Style of straight-leg pants

裤子部位尺寸/cm腰围68.0腹围78.5臀围92.0大腿根51.0膝围33.0裤脚32.0前裆长28.0后档长37.0

2.2 曲线的提取及三维曲面重构

直筒裤曲线的提取及曲面重构需要经过点云分层、曲线生成和曲面重构这三个阶段。裤子本身是由多个不同的曲面构成的，若采用传统的图元建模形成的曲面会存在较大的误差，所以本实验主要采用的是构建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines非均匀有理B样条)曲面的建模方式。

本实验的研究目的是得出下半身着直筒裤纸样，为了研究方便将人体的左腿等多余部分删掉，在GS软件中根据采集数据时在前后腰部、臀部、腹部做的标志点为参考，反复旋转点云图；依据判断腰、腹、臀位置的方法(如臀围线位于下半身尺寸最大、最突出的位置，腰围线则位于腰部最窄的部位等)确定腰围线、臀围线、腹围线及下裆弧线，截取下半身点云；并依次完成裆部的点云截取，脚踝处因无法确定直筒裤的边缘线，使用“基于点云的曲线”的方法操作，沿着标志点和地平线平行地绘制曲线，截取曲线内的点云来实现直筒裤脚口边缘线的截取。

2.2.1 点云分层

点云分层是构成NURBS曲面的基本元素，直接影响成型后曲面的形态。由于直筒裤遮盖了人体的部分特征，所以要与扫描的净体点云进行对位来确保穿着直筒裤点云的准确性。之后把腰围线、臀围线、腹围线、裆弧线、大腿根围线、膝围线等在尺寸和形态上具有明显特征的点云层提取出来[7]；其次为了保证数据的准确性，需要过人体中心线提取人体矢状截面线点云层；直筒裤脚边缘线的点云层，在后期进行拟合曲线时使用基于点云层曲线的操作直接生成。特征提取完成后，为保证曲面的精确和顺滑，还需提取出与其平行的不明显特征的点云层，以此共同构成完整的NURBS曲面。

2.2.2 曲线生成

曲线的生成是采用“基于点云的曲线”工具直接在点云上选择代表性的点连接生成曲线，若曲线不能满足要求，使用“使曲线经过点”工具反复调整后得到符合人体曲面的曲线，扫描后的直筒裤门襟及膝盖处的点云有凹凸状。为了避免尺寸误差，通过“调整其控制点的位置”工具参照周围曲线来调整点云位置，减少曲线的凹凸现象。由于裆部弧线人体曲面的曲度变化较大，所以臀围及大腿跟围周围的曲线长度呈现不规则的加大，生成的曲面也容易发生扭曲。为避免出现较大差值，参照直筒裤尺寸和净体点云的数据反复进行调整，使形成的曲面更加贴合人体，截取后的非均匀有理B样条曲线如图3所示。

图3 截取后的B样条Fig.3 Captured B spline

2.2.3 曲面重构

通过“放样曲面”的方法，以臀围线为参考将所有曲线的方向和参数调整到一致，依次连接曲线上的节点构成下半身曲面，或利用一般裤子的形态结构建成模拟模型输出的参数(如裤长、腰围、腹围、臀围等)来建立裤腰的几何模型，从而确定前后裤腰的控制点,这是NURBS曲面建模的关键，结束后反复检查修改。曲面构建完成后导入CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)软件[8]，把初构建曲面时为曲线顺滑而延长的多余部分进行裁剪，达到理想的曲面，如图4所示。

图4 曲面重构数据Fig.4 Surface reconstruction data

2.3 三维重构曲面到二维纸样的转换

2.3.1 腰部省道位置和省道量确定

建立腰部松量模型，并设置曲率中心，根据腰带位置与外包围线的距离大小关系分析模型中的曲率变化，并参照直筒裤省道分布确定省道位置，如图5(a)所示。利用公式进行Matlab编程后得出外包围为91.96cm，计算结果与直筒裤实物数据92cm差距不大，由此可证明实验模型的准确性，根据该方法，依次得出腰带位置和省道总量的大小。

图5 曲面模型Fig.5 Surface model

为了计算每个省道量大小，需在各省道之间确定中间位置，即省道间中点，如图5(b)虚线所示。从省道间中点到下一个省道间中点及前后中心线到下一个省道间中点，利用上述省道量计算公式，分别计算外包围与对应腰带位围的弧长，并计算两者差值，该差值即为对应省道上的省道量。

直筒裤的四个省道量分别用D1、D2、D3、D4表示，如表2所示。

表2 单个省道量数据

根据确定的省道位置，在重构的前后片曲面上绘制分割线的位置，并调整好形状。

2.3.2 纸样展开

一般来说，较复杂的曲面(如非均匀有理B样条曲面)大多为不可展开曲面，只能做到近似展开，也发生一定量的形变；对于不可展开曲面主要使用化曲为直的方法，绘制切割线，采用几何展开和力学修正法将展开后的误差缩到最小[10]。

对三维直筒裤到二维纸样的转换前后应满足以下要求：1)衣片的面积应近似相等；2)界曲线长度相等；3)关键点位置相互对应；4)省道大小一致。

将已绘制好分割线的直筒裤曲面导入CATIA软件——线框和曲面设计模块[11]，需要注意前后片选择的均是ZX平面，展开的方向也需均是Z轴方向，如图6所示，这样才能保证得到的曲面都分布在同一平面上。依照上述要求，反复检验对比需要展开纸样的省道大小、曲线长度等。

图6 展平参考Fig.6 Flattening reference

2.3.3 初始展平版的修正及验证

前后片纸样展开后获得的纸样如图7所示，整体曲线比较流畅，纸样拼合后发现省量大小合适，各部位的尺寸也基本一致。但图7显示裆部曲线及前后片省道曲线出现弯曲现象，这是由于人体曲线弯曲形成的直筒裤褶皱导致的，在误差范围内可以接受。调整后的前后片再次展开结果如图8所示，通过与扫描直筒裤的数据对比，腰围、臀围、中档等关键部位的尺寸在展开前后误差相对小，所以展开的曲面是成功的。

图8 修改后的直筒裤纸样Fig.8 Modified paper pattern of straight-leg trousers

2.3.4 样衣试穿

应用上述模型，对展平的纸样进行拼接，拓版缝合后的修正样板如图9所示。从图9的效果看，因实验采用的坯布面料质感偏软，弹性和垂度高，使得臀部下方产生少许皱浪，纵向前后中心线、内外侧缝线均在人体相对应的位置；横向看腰围线、臀围线、横档线、中档线均在人体相对应的位置，呈水平状；对比腰部、臀部、横档等部位尺寸(表3)，均和实物差距不大。由上可说明纸样的合理性，达到了本次实验的目的。

图9 样裤效果多维展示Fig.9 Multi-dimensional display of sample trousers

基于相同廓形基础上的款式拓展，在虚拟模型和纸样精确度较高的情况下，可以直接在虚拟曲面上进行分割后展开，也可在已有的纸样上进行线条的裁割。如图10所示，三款裤子廓形相同，分割线、省位的不同使其风格也大相径庭，实验中采用第一种方法，可更直观地表现需要分割的部位，展现设计效果和调整展开后的样板[12]。图10(c)的褶裥也是通过绘制分割线得到。

表3 样裤尺寸

图10 基于直筒裤廓形的拓展款式及调整后的纸样展开Fig.10 Style developed based on straight-leg silhouette and paper pattern after adjustment

4 结 语

在直筒裤廓形的基础上，可通过两种方法得到其他款式的廓裤：一是可直接在纸样上改变裤子廓形；二是通过改变直筒裤非均匀有理B样条曲线的曲率参数。后者即是通过改变B样条曲线纵向数值，调整裤子长短；改变NURBS曲线的横向数值，调整裤子外廓形。同时运用此方法调整裤子的合体度，建立完善的裤子廓形库。

在实验中运用逆向思维，验证了基于3D扫描技术获得纸样可行性，后期运用该方法得到更多部位的纸样，最终建立款式廓形库是本实验的目标。同时三维服装曲面展平技术的研究，对推动三维虚拟服装设计、三维虚拟试衣、三维虚拟缝合技术的进步将起到重要作用。

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Paper pattern design of young female trousers based on 3D scanning technology

LI Xu1, LI Qin1, ZHANG Longlin2

(1. College of Textile & Garment, Southwest University, Chongqing 400715, China； 2.Chongqing Biomass Materials and Modern Textile Engineering Center, Chongqing 400715, China)

The paper focuses on silhouette of straight-leg trousers of young women based on collection and processing of 3D somatic data, with a purpose to develop more styles and silhouettes. Point cloud data of human body in straight-leg pants was collected with 3D scanning equipment, surface reconstruction of straight-leg pants was conducted with reverse engineering software,3D bare body characteristic data was analyzed with Matlab mathematical software, a rational basic straight-leg trousers structure was finally formed based on the scanned straight-leg data, and the structure was transformed into 2D plane paper pattern. On this basis, designs of various trousers type were studied, and detail modular design was considered, to provide a basis for industrial production of trousers.

3D Scanning; NURBS curve; surface reconstruction; trousers silhouette; detail design

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.09.011

2016-10-20;

2017-06-27

中央高校基本业务费专项资金资助项目(XDJK2016C100、XDJK2014A011)

李旭(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为数字化服装设计。通信作者：张龙琳，副教授，465052681@qq.com。

TS941.26

A

1001-7003(2017)09-0061-06 引用页码: 091202