服装三维虚拟缝合技术ABC

彭珺 胡创耀 黄铭昶 劳宇聪 陈小林 郑东源

摘要：随着计算机3D设计技术更新换代的速度日益加快，基于此技术而构建的服装3D系统的发展也趋于成熟，在服装设计领域具有广泛应用。在服装三维虚拟缝合技术的帮助下，服装制作的流程和时间得以显著地缩短，对服装行业来说具有颠覆性意义。本文从三维缝合技术本身出发，研究其发展现状并对其未来前景进行展望，以期对未来服装行业的发展提供参考性意见。

关键词：服装;三维虚拟;服装缝合技术

中图分类号：TS941.2 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2019）03-0275-02

一、三维虚拟缝合技术概述

三维虚拟缝合技术是一项基于物理造型方法去实现精确地描述织物、真实地表现出织物的各种状态的技术。将力以及能量等一系列物理量进行引入，可将纺织品的各个部分在各种作用力下的质点运动状态模仿并表现出来，最后通过将模拟生成的二维衣片用三维软件真实在穿衣模特的模型上真实的表现出来。

三维虚拟缝合技术涉及到的物理模型主要有两种：

其中一种便是使用几何造型，也就是说，对于衣片曲面等信息予以合理应用，并将其作为建模的基本信息，最终完成服装模型的构建工作。这种方法直观、高效，而且不需要事先对缝合信息进行设置就可以完成服装模型的构建工作，可依据此方法所构建的模型不能够对面料的质感以及垂坠感进行有效的模拟，模拟效果和实际效果之间具有较大的差异;

二是将物质拆分成为一个个点的质子一弹簧模型，在这个模型中，可以将服装的曲面离散成排列规则的网格状，各个网格之间存在一些交叉点，这些交叉点被统称为系统质点，每一个系统质点可以构成一种近似于弹簧的结构，因此便完成了质子-弹簧所组成的的网格系统的构建工作。这一种模型可以在外界受力的情况下产生运动，由此达到模拟织物真实的下垂感，但是这项技术在计算上比较耗时并且缝合过程也相对复杂。

三维虚拟缝合分为以下七步骤：一是导入对应的人体模型和2D裁片;二是将2D裁片进行网格剖分;三是按照所需要缝制的具体服装的特性初始化它们在人体模型上的位置;四是设定缝合信息;五是构建2D裁片的质点一弹簧模型;六是给质点-弹簧模型施加缝合力，将要缝合的衣片贴合靠拢，同步更新质点的位置，使2D裁片产生弯曲变形，并靠近人体模型;七是将二维的衣片缝合成3D服装，调整服装至与模型真实状态相吻合，制作出逼真的服装穿着效果。

二、三维虚拟缝合的国内外研究现状

在此之前，国内外的服装虚拟缝合的技术水平仍主要停留在二维层次上，虚拟试衣间多为二维系统，但多年来无数人在研究三维虚拟缝合技术及其应用。如国内的众多研究机构和高校，国外有美国的Gerber、法国的Lectra、日本旭化成的AGMS3D、美国PGM的Unway 3D和韩国CLO的CLO 3D等都一直在研究三维虚拟缝合技术及其应用。总体来说，国外在此领域的研究处于领先水平。

（一）国内状况分析

经过多年的研究探索，国内的和炫试衣软件等商业软件都展示了自己的虚拟试衣系统。我国有很多研究机构对于三维虚拟装配技术展开了深入的研究，如东华大学的服装学院、北京服装学院和中山大学的计算机研究所等机构都对三维虚拟装配技术的研究投入了大量的时间和精力，并取得了丰富的研究成果。杨国行通过对BP神经网络模型的应用，完成了三维人体建模的构建工作，该模型可以将人体截面的网络参数有效地反映出来，而且可以参考这些参数来改变人体的形态，也就是说，其可以使用提四层的BP神经网络模型，该模型可以运用网格数据来对自身进行调试，数据库中储有大量的网格数据可供使用;匡亚伟对于自己的研究成果进行总结，推出了一种全新的三维人体模型变形的方法，这种方法可以根据人体轮廓的变化而不断变化。这个算法是根据隐马尔可夫链的匹配方法发展而来的，其在研究的过程中将人体轮廓和模型二者的联系予以明确，并且使用均值坐标将模型内部的几何坐标存储下来;杨开泰在局部活动标架的帮助下完成了坐标轴的构建工作，从而可以将曲线和人体定点之间的集合关系进行确定，当操作者对轴曲线进行调整时，其可以带动人体轮廓发生变化，通过对轴变形技术的应用，可以保障轮廓的调整具备一定的灵活性，而且轴向以及径向的参数权重都可以被引入到模型当中;朱广舟等人归纳了服装二维裁片的虚拟模拟技术，运用构建质一弹簧模型，将已经被系统所记录的裁片的四边予以编辑，把四边形的两条对角线进行连接，进而实现三角网格的剖分。

（二）国外状况分析

在国外，Micheal等把2D的服装纸样进行可视化处理，使其变成一个空间立体结构，并对其予以三角剖分处理，使其最终形成一个3D模型。除此之外，他还发明了一种全新的服装组合技术，该技术具备缝合的特性，可以将边缘线以及定位线这些位置的裁片予以处理，使其具备“缝合”的特性，這可以保障每一块裁片都能具备数量一致的有限元网格，进而保障“缝合”工作可以顺利地开展;Garignan等人在采用了牛顿运动定律的基础上，提出了一种通用于二维衣片到三维的映射算法。借助缝合力，在二维空间的衣片可以自动地发生形状变化，进而被缝合在三维空间中的人体模型当中。三维服装基型法的应用，可以帮助使用者在交互式光标的帮助下来对三维空间的基础形状予以修改，进而获得既定的三维服装的纸样。

除此之外，该技术可以提供松量，使得人们可以对服装是否合体予以检验;Howlcher等对于服装设计以及模拟仿真问题进行深入探讨，指出设计时应当先完成2D服装衣片的构建工作，然后再对这个衣片的顶点予以编辑处理，并能够对缝合的信息进行重新定义，最终把设计的2D服装进行仿真模拟，使其能够穿在人体模型身上，并对其进行缝合。上述解决方案的推出可以有效地降低设计师的压力，提升服装设计的效率。

三、三维虚拟缝合的缝制流程和关键技术

依据缝制流程，虚拟服装缝纫技术可以将网格剖分、几何变换、控制约束以及运动方程求解等问题囊括在内。其中，空间几何变换和运动方程数值求解均己有了较为成熟的解决方案。故在此只论述服装的网格剖分和缝合约束处理，这两方面是实现复杂服装虚拟缝制的关键。

（一）2D衣片的网格剖分

2d到3d转换的第一步——Zd程序集离散化。即将2D衣片离散为基于质子一弹簧模型的规则的四边域网格形式。在开展网格剖分工作时，因为质子一弹簧网格结构具备一定的约束性，而边界对位的位置也具备一定的缝合约束，因此设计师应当对下述问题格外留意：

首先，网格结构应当符合四边域形式的要求;

其次，在进行边界离散时，应当保障缝合点之间构成映射关系，从而实现边界约束;

最后，四边域网格单元的四个角应当为直角，使其能够满足材料的结构特性的要求。

因为要达到缝合对位的要求，因此缝合边界上会生成一些三角域，除此之外，由于四边区域网格单元的四个角是直角，因此构建了基于四边形网格的一种全新的算法，实现了二维服装切片的生成。剖分生成的网格结构充分满足了2D衣片转化为3D服装的特殊要求。

（二）缝合对位的边界处理

之所以会对二维空间中的衣片予以网格剖分，是因为设计师要构建基于质子一弹簧结构的3D服装模型。在完成剖分工作后，全新的网格结构不但要符合质子一弹簧模型的条件，而且还应当使缝合边之间存在映射关系。随着缝合线呈现出不同的特点，那么边界方案也应当实时进行调整。

首先是对位缝合。在对服装进行缝合时，对位缝合是最为基础的一种缝合工艺。在开展该缝合工作时，缝合边的长度应当保持一致，而且缝合点的数量和位置应当相同，而离散单位也应当具备一致的长度。

在此之后，便是开展抽褶缝合的工作。如果缝合边的长度不相等，那么缝合师就应当对于长度较长的一边予以抽褶，使缝合边的长度保持一致，在此之后，再开展缝合工作。然而，缝合边上的无约束网格节点将导致缝合后关节处的不合理空隙。

因此，有必要对服装褶皱接头中网格单元的拓扑结构进行进一步的修改。我们采用构造无弹力相连特性的四边域，而且对其空隙予以插补，以求得上述问题的解决。

（三）缝合过程中约束处理

依据缝合信息，缝线力加载在相应的缝合边缘的服装样片上。在缝合力的作用下，可使两片2D衣片发生形变并逐渐被缝合在一起。对于缝合过程所处的阶段不同，我们采用的约束方法也是存在差异的。

其中一种情况便是裁片是相互分割开来的，在缝合信息的作用下，缝合力会对缝合边产生作用，便质于一弹簧系统发生空间变化，这会使得裁片的形状发生变化，使其按照力的作用而彼此接近，最终缝合。

在这个过程中，缝合点的位置以及力的系数往往会对缝合力的大小以及方向进行决定;

二是服装衣片已经缝合。当衣片缝合边之间足够靠近时，则认为衣片缝合。在这个过程中，缝合约束可以忽略不计，同时可以使用动量守恒定律来保障缝合点的运动状态符合既定的要求。

四、三维虚拟缝合技术的应用前景

目前服装三维虚拟缝合技术主要应用在三维CAD和三维虚拟试衣两大领域。经近些年的研究探索，二者都有一定的发展。

（一）三维CAD技术

伴随着经济水平的提升以及计算机技术日趋成熟，人们对于衣服的质量以及个性化设计的重视程度显著提升，现存的2D服装CAD技术已经不能够满足服装设计的需要，因此我们应当基于现有的CAD技术开发出可以满足三维服装设计的CAD技术。而三维服装CAD的发展需要以三维人体建模技术、2D裁片虚拟缝合技术为基础。

现阶段，我国已经研制出了仿三维的CAD设计，可是和世界领先水平之间仍然存在较大的差距。现在国内比较知名的一款三维设计软件就是图易，这款软件成功的将三维虚拟缝合技术应用到了服装设计上面，该软件可以根据服装的造型以及风格等信息，将曲面平摊开来，使其能够在二维空间中成像，然后将软件缝入虚拟三维服装中，模拟服装的悬垂情况，并测试服装的契合度。不仅如此，该软件的应用可以拉近设计师以及纸样师之间的距离，增进双方的沟通，提升工作效率。

（二）三维虚拟试衣

从上个世纪九十年代Miralab实验室问世之后，该实验时一直将三维布动画的构建工作作为自己的主要任务，该实验室在对3D虚拟服装进行研究研究时，其研究成果代表着世界的最高水平。在2012年，Microdanmn等人构建了全新的虚拟装配系统，该系统具备较强的交互性，各种用户都可以在触摸屏技术的帮助下来完成服装的试穿工作。

除此之外，该系统可以构建三维虚拟时装模型，这个模型可以将用户着装后的效果进行仿真模拟。同时，鲍威埃构建了一种虚拟服装商城，这个商城具备较强的交互性。使用者可以额对于自己的参数进行测定，并对人体模型予以调整，使其和自己的人体轮廓相近，然后可以借助该模型来完成衣物的选购以及试穿工作。网上服装店Web服务器可对多种数据库中的数据进行调用，当用户挑选出与自己条件相近的模型以及服装之后，服务器可以对模型以及服装予以处理，进而使庞大的数据得以压缩，显著地降低程序相应所花费的時间。

五、结语

三维虚拟缝合技术作为一项新兴技术，它的出现对服装行业来说无疑有着颠覆性的影响，目前，国内外研究人员就服装三维虚拟缝合与仿真技术展开的一系列研究已取得了令人惊异的结果。

就发展现状而言，不仅要对现阶段研究的成果参考其理论方法与基础，同时也要对传统的经典缝合方法进行拓展，对三维虚拟服装技术不断完善，针对其中产生的问题加以重视并提出相应对策，进而达到三维虚拟服装仿真的要求。尽管现在的技术尚未成熟，但其发展前景非常美好。这项技术的成熟应用势必会大大缩短传统服装行业传统的加工时长，起到流程创新的作用。同时，该项技术还可以应用于三维CAD系统的完善以及三维虚拟试衣领域。

参考文献：

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