服装松量设计及表征模型构建研究进展

张益洁， 李 涛， 吕叶馨， 杜 磊,3， 邹奉元,3

(1. 浙江理工大学 服装学院， 浙江 杭州 310018； 2. 绍兴文理学院 上虞分院， 浙江 绍兴 312300；3. 浙江理工大学 浙江省服装工程技术研究中心， 浙江 杭州 310018)

三维服装CAD技术的兴起促进了虚拟试衣系统和服装动态模拟技术的发展，如何实现服装良好的舒适性和模拟的真实性，然后根据人体形状和服装风格来调整服装与人体之间的松量，实现不同体型下服装样板的智能化设计，仍是三维服装研究领域面临的挑战之一。另外，人们越来越注重服装的审美，希望通过服装来表达自身理想的体型，但是凸显人体曲线的美学满意度与服装运动舒适性之间存在着矛盾关系[1]，松量设计可一定程度上调和二者之间的冲突。

服装松量是服装与人体间形成的空余量，二维平面松量指服装与人体在相应特征部位上的尺寸差，三维空间松量对应于人体表面与服装表面之间的间隙。合理的松量设计及其分布直接影响到服装的舒适度[2-3]、合体性及造型[4-5]。研究服装松量分布规律及其表征模型，是提高服装样板设计合理性、服装舒适性及虚拟服装试衣真实性的重要途径，也是实现服装样板智能设计的关键技术之一。本文从松量分类及分布、表征模型、松量与虚拟试衣和服装样板设计的关系等方面综述了国内外相关研究进展，展望了松量研究未来的发展趋势,以期为三维服装CAD研究提供参考。

1 松量影响因素及研究方法

1.1 松量影响因素

松量设计要考虑各种因素，通常情况下可归纳为4类[6]：功能性、舒适性、设计风格、面料。功能性是指为满足穿着者呼吸及基本的运动需考虑的松量需求；舒适性是指为调节衣下空气流通及热湿微循环，或防止皮肤与衣服摩擦的松量需求；设计风格是指为满足服装特定风格或造型的松量需求，该因素受设计师设计理念影响较大，主观随意性强；面料的弯曲、剪切、拉伸变形、悬垂等性能也是松量设计需要考虑的关键因素之一。4类因素相互交织，各有侧重，共同影响着服装的松量设计，其相互关系如图1所示。

图1 服装松量设计影响因素之间的关系

1.2 松量分类及研究方法

服装松量主要分为以下类型：静态松量，用以满足人体正常的站姿和坐姿,调节服装的微循环；动态松量，满足身体不同运动下所需的空间及着装舒适度，为人体动作姿势提供额外运动空间；设计松量，满足服装造型、风格或审美需要，体现设计师的创意思维，本文暂不予量化讨论。松量通常用围度差[7]、距离(射线或法线)[8]、面积[9]、体积[10]等参数表征，如图2所示。

注：围度差=WCG-WCB; 分段弧长差=SCG-SCB。

1.2.1 静态松量

静态松量研究静态着装下人体关键部位如胸部、腰部、臀部等松量的合理取值范围及其分布规律,体现出服装的合体性和美观性。主要采用专家评定[1]、弧长或角度等分[11]、尺寸加放[12]、相关性分析[13]等方法。最佳松量取值范围一般采用主观评定法，Kim[1]经T检验及相关分析，采用5级李克特量表对62位男性的原始夹克衫和修改后夹克衫进行主观评定，指出胸-腰围最佳松量与胸围呈负相关，并给出男夹克7个部位最佳松量范围，同时认为弹性大的面料可在较小的松量值下达到良好的着装舒适性。织物在纬纱方向的拉伸应变是影响服装和人体间距离松量的主要因素[14]。

传统平面制图裁衣多将松量视为均匀分布处理[5]，而实际上合理的松量分布在三维空间应呈非均匀状态，其分布与人体几何形态[11]、织物性能[14]、服装设计特点[15](服装尺寸、款式和合身性)、穿着方式[16]等有关。三维扫描技术能够直接测量人体和服装三维数据，通过服装和人体横截面轮廓叠加可直观显示松量的分布状态。徐继红等[11]采用三次多项式分段拟合、弧长等分法，构建人体与服装曲线等分点间面积松量的计算模型，指出面积松量分布随人体角度变化，面积松量与放松量在胸围处存在线性关系，在腰围处存在非线性关系。Castro等[17]指出胸围处前胸宽、后背宽、侧宽所占胸部松量比例分别为43%、14%、43%；张爱萍[13]经相关分析认为，胸围距离松量的分配与体表的凹凸密切相关，胸围截面侧面的距离松量较大，后中部分和胸凸处的距离松量较小；李涛等[12]采用档差加放松量认为，着装静态下裤装臀围、裆围处距离松量主要向后中部及两侧累积，当给定松量增大时，截面宽度的增量多于厚度增量，截面形状趋于宽扁化。

1.2.2 动态松量

动态松量对服装合体性设计、运动服的设计和防护服改进具有重要作用。动态松量的研究方法有三维扫描、三维动态测量和三维虚拟试衣模拟等。三维扫描法主要对不同姿态下人体和服装进行扫描，对比分析每个动作下特征部位松量的分布。三维动态测量法[18]基于三维动态捕捉仪采集人体运动状态下各部位松量分布，分析松量与人体动作姿态、行进幅度、频率的关系。虚拟试衣模拟[19]基于可视化技术分析松量与身体姿态之间的交互作用，研究动态松量。

Zhang等[20]经三维扫描不同离散姿势下标记点处着装松量变化认为，动态姿势下袖窿松量需求较大。类似地，Wang等[21]利用量化分析技术，通过三维扫描对比不同松量下人体7个动作的距离松量和服装覆盖面积变化表明，身体姿态对松量的影响主要体现在腿部，运动时下体距离松量变化大于上体，这意味着对下装动态松量设计比上装更有挑战性。此外，在关键部位如臀部、膝盖需增加额外放松量以保证合适的距离松量满足身体运动。Petrak等[22]采用三维扫描仪量化研究上肢伸展运动时总体和局部空气层变化，为精确设置特定部位(如胸部、肩部)的松量提供参考。

三维动态捕捉仪可捕捉运动状态下各姿势的三维数据。Liu等[18]使用三维动态捕捉仪(3DMCS)捕捉女性以2或6 km/h走路状态下松量分布指出，动静态松量呈现不同的分布规律，运动中人体截面同一区域的松量变化呈正相关，前后松量变化呈弱相关，左右松量变化呈负相关，松量变化频率和幅度随行走速度的增加而增加。

另有学者[23]用三维服装向量场(3DGVF)定量表示动态虚拟服装的标量和方向变化，将动态帧中成对对应向量之间的每个向量投影到由静止帧对应的向量上，并通过余弦相似度计算服装运动方向变化，如图3所示。Mert等[24]使用虚拟试衣软件研究行走过程中运动身体和衣服之间的空气层厚度和接触面积的变化，为运动服装舒适性优化提供借鉴。

图3 三维服装向量场

在防护服装中，动态松量体现为人体与服装间空气层的动态变化。在设计防护服装款式结构时，应分析空气层的形状及运动状态，并研究空气层对热传递的影响，进而优化防护服的放松量，提高其防护性能。Udayraj等[25]采用动态网格技术模拟人体热环境下匀速跑动时动态空气层变化，将动态空气层厚度随时间的周期性变化近似为正弦函数，如图4所示。y为动态空气层厚度, mm;y0为t时间内平均空气层厚度，mm;Δy为空气层厚度变化振幅，mm;f1和f2为运动频率，Hz。

图4 运动时防护服动态空气层变化

三维扫描法研究动态松量时，仅考虑离散的人体模型或人体固定位置，每帧动作的横截面都需要单独计算，不能描述服装在运动过程中与人体之间的滑动，且对微小距离松量的变化反应不敏感[23-24]。动态捕捉方法依赖于人体关键部位标记点，时变的动作或者姿态可能会带来标记点位移，进而带来服装尺寸、样板误差[26]。基于虚拟试衣模拟的三维服装向量场法、动网格技术可实现自动测量或模拟服装与人体动态距离松量变化，但仅针对于固定运动形式，难以表达复杂运动形式下的松量变化，且模型依赖于服装在运动过程中的几何形状，受织物物理性能的影响[23]。

2 松量表征模型

为便于量化表征松量，研究者们建立了多种松量模型，以指导样板设计、虚拟服装模型构建及功能服装设计，总体可分为直接表征模型和间接表征模型。

2.1 直接表征模型

直接表征模型基于人体和着装特征部位或特征点上的测量数据，建立松量表征的数学表达式。其表征模型主要有回归方程、乘法因子、模糊逻辑、最陡下降法、向量法等。

Gu等[27]分别计算了各特征横截面特征点的距离松量，建立基于横截面间隔区域化分割的各点距离松量非线性回归预测方程。Li等[28]通过回归分析，构建了服装与人体间空气层厚度、体积与服装给定松量、面料性能之间的线性回归模型。Zhang等[29]提出利用服装和人体横截面的半轴长之比构建松量乘法因子，并将其应用于不同号型的人台，得到具有相似形状、轮廓、松量，但尺寸不同的服装模型，实现了在三维空间的放码。

Huang等[30]利用参数化算法建立松量运算模型，设定阈值和初始化放缩参数，分段计算各截面曲线加放量，根据胸腰松量由线性函数推导出其他部位松量，减少了特征截面提取及相应的计算量。Thomassey等[31]提出利用椭圆法简化计算特征截面最大轴、最小轴顶点处的距离松量，并将距离松量定量化应用于构建虚拟服装，降低了计算的复杂度，为松量量化和控制提供了一种方法。

Chen等[32]基于专家主观评价得分提出一种服装松量模糊逻辑优化方法，该方法可估计松量的合适取值，但存在一定的主观性。Liu等[18]利用最陡下降法计算服装与人体间的最短距离以表征松量，经迭代求取松量值，并给出了受试者以2 km/h的速度行进时的动态松量变化。Hu等[23]提出一种基于余弦相似度计算服装运动方向变化的动态虚拟服装运动矢量场度量方法，通过三维梯度向量流(3-D GVF)方程式计算动态间隙厚度,为计算动态松量提供新的方法。

2.2 间接表征法

合体或宽松类服装形成服装离体形态，此时服装与人体间的距离松量为正数，便于通过直接测量数据表征。对于紧身服、泳装、整形内衣等贴体或束身服装，服装与人体间的间隙量可视为零或负数，致使着装后人体会受到服装压力而产生形变，因此，服装压力分布是研究此类松量的关键[5]。间接表征法是利用力学仿真模型来研究服装与人体的间隙量，以服装压力为指标间接反映服装松量大小并用于指导优化服装设计。

Wang等[33]基于椭圆力学模型和拉普拉斯方程构建服装压力计算模型，分析服装压力与人体截面形状、织物力学性能之间的关系，指出服装压力随着身体曲率的增大而增大，在身体两侧压力最大，前中心和后中心压力最小。该方法可为紧身无缝内衣松量设计提供参考。

Wang等[34]采用基于Mindlin-Reissner壳理论的有限元力学接触模型表示三维人体和服装之间的关系，进而通过数值计算求解得到着装松量，如图5所示。通过计算外力、接触力、惯性力作用下的虚功，构建壳理论下服装与人体间的接触平衡方程，其隐形求解条件为距离松量计算函数，图5 (b)所示为t时刻服装与人体间距离松量gN。该模型可模拟人体在着装过程中服装与人体间的接触应变和位移，反映出松量变化，进而可用于指导服装版型优化。

Fig.5 服装与人体有限元力学接触模型

基于物理方法可间接表现松量大小，但不能直接描述服装与人体间的具体空间关系量，难以应用于宽松类服装松量的表征。

3 虚拟试衣与样板设计

三维服装设计中松量主要在以下2个方面起作用：一是基于松量的三维虚拟服装构建及虚拟试衣动态模拟；二是基于松量的服装样板设计。其相互关系如图6所示。

图6 松量与三维服装设计

3.1 基于松量的虚拟服装设计

虚拟服装曲面可基于三维人体曲面重建获得。将服装-人体间隙量分别添加至人体表面相应特征点得到初始服装曲面特征点，经曲面重建获得初始虚拟服装[35]，融合面料悬垂、褶皱等物理特性可获得较为真实的虚拟服装。对间隙量设计可改变三维服装造型，实现服装款式的再造设计。动态松量可真实模拟动态下服装与人体间的相互关系，动态松量空间分布研究可提高虚拟服装动态模拟的真实性。

为自动调整服装尺寸以适应不同体型顾客，Meng等[36]采用隐式定义映射函数构建服装与人体曲面上的点之间的对应关系，其实质是记录服装-人体空间间隙量；然后通过径向基函数构建空间映射并将服装转移至目标人体身上，同时采用特征曲线和离散曲面形状优化算法自动控制及调整服装形状，以防止服装迁移过程中产生扭曲。该方法通过空间松量实现为不同形体尺寸的人体构建相同款式的服装。

为避免不同的人体模型采用相同的间隙量分布，Li等[37]提出一种同时支持服装松量重复利用和服装造型编辑的方法——基于特征曲线网的服装定制设计方法。该方法应用双三次Coons曲面技术实现三维服装模型参数化，通过编码和解码含距离松量或间隙量的基于特征曲线的服装模型顶点，经自动转移及交互式编辑，使服装模型由参考人体向目标人体传递过程中保持相同的拓扑连接性，同时可灵活编辑特征网格线以调整服装模型的尺寸和形状。该方法易于操作且可重复利用，便于服装定制设计。

基于松量的三维虚拟服装设计，可根据虚拟人体直接生成个性化服装，并实现对不同人体同款服装的批量设计，降低设计成本，直观高效。

3.2 基于松量的服装样板设计

构建三维虚拟服装模型经曲面展开可获得二维样板，该思想在个性化样板生成中已被广泛研究。三维服装展开为二维样板过程中不可避免会出现变形，有学者提出将三维与二维样板相结合的方法。Tao等[38]提出一种传统打板与三维CAD结合的服装设计方法，其中二维样板上每个部位的松量偏移值都通过三维服装模型进行校正，进而控制松量分布，实现了三维空间裤子原型样板转换。

依据三维服装和人体各特征部位截面轮廓距离松量分布，将松量值转化为样板增量，并添加至二维基础样板结构线的相对应位置，可实现由基础样板到成衣样板的转化。Gu等[28]与Su等[39]通过三维扫描仪获得净体、着装人体的体表数据，对横截面分段采点，建立女西装、裤装距离松量与给定松量回归模型，并计算出分段距离松量，再由距离松量-样板增量模型传导得到基础样板特征部位的增量，然后将增量值添加至样板结构线相应位置完成样板转换。

4 总结与展望

松量在服装样板设计、虚拟试衣及服装舒适性中起着重要作用，文章从松量分布规律出发综述了静态松量、动态松量及其影响因素；从松量解析角度介绍了松量直接及间接表征模型；最后讨论了松量与虚拟试衣、服装样板设计的关系。

然而，现有研究多基于提取人体和服装特征截面分析松量，其实质仍是在二维平面内表征松量，难以体现松量的空间分布特性；基于离散姿势下的动态松量模型不能充分表达人体与服装各部位的整体联动性；现存松量模型多针对某一服装款式或标准人体而构建，其适用性具有一定的局限性。随着虚拟试衣和服装智能化制造技术的兴起，人们对服装个性化设计及舒适性的要求越来越高，未来松量研究趋势有以下方面。

1) 三维空间松量的表征。三维服装设计需充分考虑松量的三维分布特性，引用空间向量角、向量模长等空间参数表征三维空间松量，实现三维服装松量的精确加放，提高样板设计的合理性。

2) 松量连续动态变化研究。突破基于离散姿势的动态松量研究方式，结合服装和人体形变及运动特征，改进三维服装向量场、服装受力和形变有限元分析技术，提高分析动态松量的实时连续性及三维动态虚拟试衣的真实性。

3) 服装三维空间松量预测模型构建。聚集与融合人体、服装、面料特征信息，探索运用深度神经网络、图卷积神经网络等，建立考虑人体形态、服装风格和面料性能的服装三维空间松量智能预测模型。