基于虚拟试衣的着装应力分布效应评价

杨佑国 徐平华 徐明慧 丁雪梅 王伊雯

摘 要：針对虚拟试衣状态下着装应力散点式采样的局限性，利用图像分析方法，对服装应力可视区域分布效应进行分析和评价。采用交互式或样板预分割的方式，对服装部位进行划分;对采样区域进行图像分割、应力分区和应力匹配处理;提取应力均匀度、偏斜度、波动度3项特征指标，对受力区域应力效应进行分析和比对。此外，通过多部位联合应力分布计算，可以输出服装整体应力分布效应值。实验部分采用紧身衣作为示例，结果表明：利用开发的分析软件评定各部位的应力分布情况，应力综合评价值为0.636，偏向高应力分布区间，各部位应力分析时间损耗小于0.4 s。融合图像分析的应力动态反馈方式，可辅助虚拟试衣时合体性评价，提高服装产品设计效能。

关键词：虚拟试衣;合体性;应力匹配;热力图;样板优化

中图分类号： TS941.2;G804.61

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）06-0106-07

收稿日期：2021-03-16 网络首发日期：2021-07-08

基金项目：国家社会科学基金重点项目（19AMZ009）;现代服装设计与技术教育部重点实验室（东华大学）开放课题基金项目（KLCDT2020-07）;浙江理工大学科研业务费专项资金资助项目（2021Q057）;浙江理工大学2020年优秀研究生学位论文培育基金项目（LW-YP2020055）;江苏省高等教育教改研究课题（2019JSJG249）;服装设计国家级虚拟仿真实验教学中心项目（2X20212004）

作者简介：杨佑国（1963-），男，江苏南通人，副教授，主要从事服装功能与人体工效学方面的研究。

通信作者：徐平华，E-mail：shutexph@163.com

Evaluation of Garment Stress Distribution Based on Virtual Fitting

YANG Youguo1， XU Pinghua3a，3b， XU Minghui3a， DING Xuemei2， WANG Yiwen1

（1.Xinglin College， Nantong University， Nantong 226236， China; 2. Key Laboratory of Clothing Design

and Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China; 3a. School of

Fashion Design & Engineering; 3b. Zhejiang Provincial Engineering Laboratory of Clothing Digital

Technology; 3c.National Virtual Simulation Experlmenfal Teaching Center of Clothing Design，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In view of the limitations of scattered sampling of stress in virtual fitting， image analysis method was used to analyze and evaluate the distribution effect of garment stress in visible areas. Garment parts were divided by interactive or template pre-segmentation; image segmentation， stress partitioning and stress matching techniques were carried out in the sampling areas. Three characteristic indexes of the uniformity， skewness and fluctuation of stress were extracted to analyze and compare stress effects in the stress areas. Moreover， by calculating the distribution of joint stress of multiple parts， the overall stress distribution value of the garment can be output. In the experimental part， we took a straitjacket as an example. The results showed that after using the analysis software developed to evaluate stress distribution of various parts， the comprehensive evaluation of stress was 0.636， which was inclined to a high stress distribution range. The time cost of stress analysis in each part was less than 0.4 s. The dynamic stress feedback mode combining image analysis can assist fitness evaluation during virtual fitting， and promote the efficiency of garment design.

Key words： virtual fitting; fitness; stress matching; thermodynamic diagram; template optimization

服装设计和试制过程中，需对其款式结构、样板尺寸、缝制工艺反复修改，以满足合体性和舒适性需求[1]。受制于着装及运动状态时人体与服装接触感知的复杂性，柔性面料及服装整体应力的仪器检测尚存难度[2]。

随着CLO 3D、Style 3D、Brozwear等三维虚拟软件功能模块的日臻成熟，服装三维空间形貌的虚拟展示已成为可能，并逐步推广至材料物理性能的预测[3-4]，如CLO 3D可实现各部位压力、应力及合体度的热区图层展示，便于设计人员直观地了解人体与服装的配伍关系。利用虚拟技术评估服装压力和应力成为一种较为便捷、高效、直观的解决方案[5-7]。相关研究借助虚拟试衣软件，对虚拟压力和应力进行观测，对衬衫、塑身衣、骑行服等的静态和动态压力舒适性、合体性进行评估，从而有效改进版型结构[8-10]。但在实验中，依赖人工取点采样所构建受力分布模型，一方面仅反映的局部性受力，不能对全局进行观测和分析;另一方面，不同人员操作存在一定的差异，复现性弱，稳定性有待提升。

为此，本文在上述研究的基础上，为克服人工取点采样的缺陷，提升分析效率，利用图像分析技术，设计开发受力分析软件。以虚拟状态下紧身衣为示例，对各部位应力分布效应进行独立分析，并在此基础上，对服装整体应力分布情况进行综合分析，提高设计反馈效能。

1 应力分布效应评价方法

服装与人体的作用力大致划归为法向压力和切向应力，即面料所受张力。压力的仪器测试方法相对完善，但对着装时面料应力的测量较为困难，缺乏相应的检测仪器[11-13]。应力分布效应是优化服装结构的重要参考指标，是紧身运动服、塑身内衣等贴身服装结构的改进重要参照依据。

服装整体应力分布评估通过若干部位的应力分析情况综合评价得出[14]。服装应力分布效应评价模型如图1所示，即将服装分为若干部位，分别对各部位特征指标进行提取和分析，综合计算得出综合应力分布情况。

应力分布效应的综合评价如图2所示，首先对受力区域进行交互式采样后，分别对其进行图像处理并提取对应的应力特征指标，描述该部位的应力效应。采样后续过程为自动处理实现数据的输出，其中图像处理模块包括图像目标分割、应力自动分区、应力数值匹配，指标提取模块包括对其应力均匀度、偏斜度、波动度进行提取和计算，在此基础上综合计算得出服装整体应力分布情况。

2 特征指标提取与表征

2.1 受力区域采样

以CLO 3D软件为例，其优势在于以可视化的方式展示服装应力分布程度，但对应力值的提取，需要逐点手动采样，不便于批量输出、定量分析。

为了能够对某一区域进行深度分析，需要對受力部位（服装部件）进行区域划分。为此，需对CLO 3D应力热力图进行二次分析。利用所开发软件的自定义选取功能，确定分析部位。在软件的功能模块设计中，加入了选区功能，用户可从屏幕中选取所需内容。此部分设计了两种方式，便于设计人员分区分析，其一是用户多点连线或框选屏幕服装区域，另一类，通过预先“分割样板”的形式，结合CLO 3D中的“显示/隐藏3D样板” 的方式，确定受力选区。

2.2 图像处理

在选定区域后，对截取的内容进行图像处理，包括图像分割、应力分区、色彩空间转换与应力匹配操作，其中：

a）图像分割：用户采用本文开发的软件，选取局部区域时，若无背景信息混杂，则自动略过此步骤;但对于“显示/隐藏3D样板”操作，存在一定的背景信息，对有效受力区域产生干扰。针对存在一定的背景的区域，对受力区域进行图像分割。此处采用二值化、形态学内部孔洞填充联合处理，获取应力分析区域。其中二值化操作是对用户采用区域进行非黑即白的阈值划分和像素归类，用于区分服装（面料）和背景;采用形态学运算，对服装区域的孔洞进行填补，以获得完整的服装内容。通过上述操作，有效分离出目标，即服装或面料区域。

b）应力分区：为了将应力按照等级进行划分，对受力区域进行色彩解析。CLO 3D应力热区图像采用伪彩色Jet模式[15]，因此利用色彩聚类方式将应力区域分为4级。此处将色彩转为CIE Lab空间，并对其进行聚类计算，获取落点分布、聚类中心，并按照等级将应力区域分为4个区域。

c）应力匹配：为了能够获取可视区域任一点的应力值，需对可视区域各点与热区值进行匹配。首先将Jet模式转换至0～255级灰度图，并计算其与热力条色彩最小相关系数，作为确定受力点的应力值。其计算如式（1）：

式中：ρx，y为受力点（x，y）与热区颜色带最小相关系数。CLabx，y为受力点（x，y）的CIE Lab颜色值，BLabi为热区条带第i行CIE Lab颜色均值，热区行数为m行。利用最小相关系数确定对应位置，从而逐一分配各点应力值。由于CLO 3D输出的应力值为比值，因此各点应力值采用百分比表示。

2.3 表征指标

为评价面料受力情况，将应力由低至高，利用色彩聚类算法按照热区条中绿、黄、橙、红分解为4级区间，并从以下维度分析受力情况：

a）均匀度：均匀度反映了总体受力的幅度。以选区应力总体分布的均值衡量受力均匀度，其计算如式（2）：

式中：U为均匀度，值范围为0～1;λi为第i级应力百分比;i值根据数据张力范围确定，如张力范围为100%～120%时，i范围为0～20，n即为20;Pi为第i级应力值;Δp为热区条应力差。

b）偏斜度：偏斜度观测受力高低位的集中性。其计算如式（3）：

式中：K为总体受力的偏斜度，λ 为分布频率，λ 为频率均值，σ 为标准差。其三阶中心距表示总体受力的偏向性，对于单峰分布，值为零时，表示受力集中在中间部位，负偏度时集中于高应力区间，正偏度时集中于低应力区间。

c）波动度：波动度反映的受力情况的突变性。对受力频率值统计结果进行分析，借鉴信号表征当中的无量纲指标脉冲因子，对受力波动进行度量，计算如式（4）：

式中：C为波动度，其值为大于0，当值大于1时，反映高应力施张显著，0～1之间则为低应力施张状态;将应力频率分布曲线看作实数信号时，Srh为分区后高应力累计频率均值;λ为频率均值。

2.4 综合评价

根据用户需求，选择是否采用综合评价方式，对服装整体进行综合评价。若只针对某一部位进行分析，则聚焦该部位的受力指标，综合评价可忽略。对于整件服装，由用户自定义划分区间后，综合评价值计算如式（5）：

式中：Z为应力效应分布综合评价值，范圍为0～1，当值接近1时，说明整体应力偏高，接近0时，应力较小;Si为第i个部位的显示面积，S为服装可现实总面积;Ui、γi、Ci分别为第i个部位的均匀度、偏斜度、波动度;*L1表示L1-范数归一化处理;t为指标数3。

3 实验方案

3.1 三维虚拟软件

实验部分采用CLO Virtual Fashion 公司开发的CLO 3D虚拟试衣软件，对实验样本进行三维试衣及虚拟应力展示。其中，应力输出界面为jet格式的热力分布图，对应热力条，单位为%，如图3所示。

3.2 虚拟人模

实验中设定标准尺寸的女性人模，号型为160/84A。规定其胸围、腰围、身高等关键部位尺寸，完成建模。其尺寸数值见表1。

3.3 实验样本

实验部分以紧身衣为示例，利用虚拟试衣软件，对其应力分布进行分析。示例中紧身衣为双肩带女性运动内衣，其结构关键部位尺寸见表1，为了突现应力分布的效果，关键部位尺寸均较人模尺寸偏小，图4为二维样板示意图，内部线条为部位分割线（非关键部位尺寸标记线），是将前片分成前肩部 、胸部、腰部和前下摆四部分，后片分成后肩部 、背部、腰部和前下摆四部分，主要用于部位识别和分析，部位分割线可以根据应力分割情况做适当调整。

面料选用穿衣系统内置的一定弹性的面料，ClO 3D中该面料的物理指标参数值设定如表2所示。

3.4 图像处理

利用Visual C++语言开发分析软件，用于截取选取实时分析，软件功能模块包括图像选取、图像处理、指标提取与结果输出。测试计算机CPU为2.9 GHz，RAM为8 G。

软件可任意选取界面所及的热力区域，拖动内部线条自定义各部位分区;此外，可以通过分割二维样板，通过CLO3D软件的“显示/隐藏3D样板”功能，实现各部位的单独显示。示例中选取前后肩、胸部、背部、前后腰、前后下摆进行独立分析。隐藏人模后，对所需分析区域进行框选。

以前腰为例，对其进行预处理，包括图像分割、应力分区和应力匹配。图5展示了前腰部选区应力区域分割处理过程。因其采样图像混杂了背景信息，利用图像二值化处理，分离目标（面料）和背景;其次，对目标孔洞进行修复，获得完整连续的区域;最后根据白色区域确定受力分析内容。图5（e）利用色彩聚类算法，将分析区域应力归为4级，并确定各区域位置。

4 结果与讨论

4.1 不同等级下各部位应力分布情况

利用分析软件，对各区域进行单独分析，便于设计人员观测各部位的应力分布情况，用以对服装结构进行改良。

图6为各部位按照红、橙、黄、绿4级应力频率分布图，各级别区间按照色相划分，与图底纹的深浅对应。横坐标为应力变化幅度值，左侧纵坐标为像素数量、右侧纵坐标为所占该部位的频率值。

由图6可以看出各部位应力占比情况及变化幅度。以图6（a）前肩为例，在高应力区间占比较高，最大占比集中在120%位置，可见肩部面料的应力伸张最强。类似的，如胸部、前下摆、后下摆，120%应力幅度占比均高于70%，属于强拉伸部位。后肩、背部主要集中在红色区间，但分布相对均匀。前腰应力幅度最小，集中在黄色区间，后腰其次，主要分布在黄色、橙色区间。

应力分布面积与频率可视化便于设计人员准确了解各级别应力效应分布情况，利于调整和优化服装结构时应力分区情况相应变动，对调整前后的效果能够通过直方图形式展示出来，直观显示应力分布过大位置。相较于当前CLO3D的热力分布，该软件进一步地对选取区域的数值及其变化趋势给予了更为详细的展示，避免用于单点选取热区获取对应的应力值，提升了可视化效果，并能够输出数值结果文件，为产品阶段性设计提供了数据管理和分析功能。

4.2 应力分布效应分析

通过对各部位应力分布情况进行分析，并提取的相应的指标进行表征，其结果如表3所示。

均匀度反映该部位应力整体上升的幅度，由表3可以看出，前/后肩、前/后腰、前/后下摆均匀度近似，胸部、背部存在差异，其中胸部、前下摆、后下摆部位上升幅度最大;前肩、胸部、前下摆、后下摆整体右偏，且幅度较大;前腰左偏，后肩、背部、后腰接近中部;有波动度可以看出，前肩、胸部、前下摆、后下摆高应力较为突出，均大于2.2;后肩、背部接近2.0，前腰、后腰波动度小于1，高应力区占比较少。3项无纲量指标从不同角度，均能够反映应力分布效应，即是否偏向高应力区。

为了对整体服装的应力效应进行评估，作为可选方式，软件可将上述3项指标进行综合评估。由于实验中紧身衣前后片分别划分为4个部位，图7为前后片各部位的应力贡献度。通过计算，可以计算得出综合应力评价值为0.636，偏向高应力区间。该值的观测结果可用于设计人员动态比较样板调整或尺寸优化效果。

进一步地，为了验证和展示调整前后应力变化情况，对实验所用样板依据上述应力分布效应进行调整，即可输出调整后的各部位应力效应贡献度。当胸围适当增大至71.8cm、臀围增大至81.6cm时，其各部位应力分布特征值如表4所示，其各部位应力效应贡献度如图8所示。

样板尺寸调整后，表4相较于表3，在胸围和下摆位置的应力分布特征值显著改变，如胸部偏斜度由初始值-5.169变动至-3.169，前下摆由初始值-5.009变动至-3.009。其他位置相应改变。图8相较于图7而言，下摆应力贡献明显下降至0.15以下，其前下摆应力贡献度由初始值0.204降为0.147，后下摆由初始值0.155降低至0.094，表明了应力分布趋于均衡，一定程度上反映了着装的压力舒适均衡性。由此可见，该方法能够量化样板调整前后的应力分布效应。类似地，若将本文所涉应力换为CLO3D中的压力热力图，该方法只需替换图像，同样可以反馈样板改进前后的压力变化量和幅度。

本次实验中各部位测定耗时均小于0.4 s，实验样本6个部位综合评价耗时为3.17 s。

5 结 论

应力效应的动态反馈，弥补了当前虚拟试衣软件应力警示缺陷，从多个维度评估应力分布效应，能够定量、快捷地输出应力分布值和评定指标，适用于当前虚拟试衣软件中的样板优化，提升设计人员的决策效能。

虚拟应力分析方法具有客观性强、实验可重复性高、快捷等特点。但因其是在现有的、广泛使用的虚拟试衣软件基础上的二次开发，准确度依赖于虚拟软件应力比值，此外，不同紧身服装尺寸和样板在虚拟展示时差距较大，因此建议用作虚拟设计试衣过程中的应力趋势分析和产品比对评估。

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