基于三维扫描的文胸模杯建模研究

潘隽媛，顾依然，张 梅，潘 力,3，孙 红，王 军,3

(1.大连工业大学 服装学院，辽宁 大连 116034； 2.江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌 330201;3.大连工业大学 服装设计与工程国家级实验教学示范中心，辽宁 大连 116034)

合体文胸可以塑造女性完美体型，也能减少运动时由于乳房的协同运动而产生的不适[1]。文胸合体性研究是服装工效学领域的重要课题，目前已有的相关研究主要集中在文胸穿着尺码和舒适性的调查研究、文胸合体性样板研究等方面。相关研究[2]发现有多达70%的女性选择了错误的文胸尺码，超过65%的女性在穿着文胸时感到不适；贾莉等[3]对我国西部地区女大学生的问卷调查发现，文胸合体性已经成为影响购买的主要因素。

模杯式文胸是目前女性穿着最为广泛的内衣类型，模杯是决定该类文胸舒适性与合体性的关键。在现有研究中，较多关注文胸模杯曲面造型与曲面形态特征[4-7]、文胸模杯复合材料研究[8-9]等方面；部分文献关注文胸模杯的合体性问题。马静[10]研究乳房边界、文胸罩杯与女性乳房匹配问题，构建胸部特征点、特征参数与文胸样板的映射关系，设计个性化文胸样板。徐瑶瑶等[4]将有限元分析方法引入虚拟试衣中，辅助消费者选取相对舒适合体的文胸模杯。高晓晓等[11]探索了基于逆向工程技术构建运动文胸模杯模型，运用3D打印技术制作模杯的方法。

本文基于三维扫描与建模技术，探索合体性文胸模杯的参数建模方法。通过三维扫描得到数字化人台模型，提取胸部形态特征曲线重建胸部三维模型，以此为基础构建参数化文胸模杯模型，所构建的模型与人台胸部特征吻合，可进行参数化三维设计及合体性模杯的快速制造。

1 人台扫描与预处理

本文通过三维扫描仪扫描人台得到点云数据，并对点云数据优化处理，获得光顺、完整的三角面片网格模型。

1.1 人台扫描

本文以东北地区青年女性上装原型人台为研究对象，该人台是基于体型特征统计分析与3D打印技术建立的东北地区18～25岁女性中间体躯干人台[12]。采用德国Human Solutions公司Anthroscan Bodyscan彩色三维人体扫描仪扫描人台得到人台数字化模型。

1.2 人台模型预处理

对人台模型点云数据进行预处理，主要包括点处理和多边形处理2个阶段[13]。在逆向工程软件中，对点云模型进行合并点云、去除孤点杂点、降低噪声、统一采样、封装曲面；多边型处理主要针对模型表面存在的一些孔洞和凸凹不平，处理后得到光顺的三维人台模型，预处理三维人台模型如图1所示。

图1 预处理三维人台模型Fig.1 Preprocessing 3D mandrel model

1.3 模型精度检测

应用三维曲面检测对模型整体处理精度进行检测[14]。将处理后的三维躯干人台模型与原始点云数据进行偏差比较分析，所得曲面偏差色谱图如图2所示。胸部曲面模型的最大正偏差9.509 0 mm，最大负偏差-0.971 9 mm，平均偏差0.327 6 mm，标准偏差0.559 9 mm。图2为曲面偏差色谱图，由图2可以看出，模型曲面偏差主要集中在人台边缘处，胸部曲面整体偏差很小。

图2 曲面偏差色谱图Fig.2 Curved deviation chromatogram

2 胸部模型重建

通过提取人体胸部特征曲线重新构建胸部模型，该模型是参数化模杯建模的基础。

2.1 胸部特征曲线提取

图1预处理后的三维人台模型坐标系中前后身方向为X轴，身高即垂直方向为Y轴，左右即水平方向为Z轴。沿Y轴方向，以XZ水平面截取胸部人台得到胸部特征曲线。胸部形态特征曲线密度应适中，过密集则增加后续模型重建的工作量，甚至对建模造成干扰；过稀薄又很难保证模型的准确性，导致模型失真。经过多次试验，最终确定以5 mm间距截取特征曲线。图3为胸部形态特征曲线，由图3可知，从下胸围线开始到上胸围线截止，每隔5 mm向上截取曲线，共提取29条胸部形态特征曲线。

图3 胸部形态特征曲线Fig.3 Chest shape characteristic curve

2.2 确定BP点

BP点是胸部曲面的最高点，也是模杯形态造型的关键点。人台模型BP点肉眼较难确定，可通过胸围线和胸切线的交点来确定。胸围线和胸切线分别是水平和垂直方向曲率最大的乳房形态曲线。BP点位置见图4，由图示出以右侧胸部为例，通过曲率分析初步确定人台模型BP点区域，在区域内以1 mm间距分别截取XZ、XY方向截面曲线，比较曲线曲率，得到曲率最大的胸围线与胸切线，2条曲线的交点即为BP点。

图4 BP点位置Fig.4 BP point location

2.3 胸部曲线模型重建与精度检测

由胸围线与29条胸部形态特征曲线M共同构建胸部三维曲线模型，如图5所示。对模型曲线精度进行检测，检测结果如表1所示。由表1可以看出，30条胸部形态特征曲线的误差均小于1 mm，平均误差为0.719 mm，最大误差0.923 mm，最小误差为0.325 mm。

图5 胸部曲线模型Fig.5 Breast curve model

表1 胸部模型曲线精度检测Tab.1 Accuracy detection of breast model curve mm

3 模杯形态曲线设计

模杯建模以人体胸部模型为依据设计模杯形态特征曲线，进而构建三维模杯模型。在人体建模研究中，假设乳房左右形态对称，以右乳房为例进行模杯设计。

文胸模杯根据罩杯上弧线的位置和形状通常可分为全罩杯、3/4罩杯和1/2罩杯；根据功能可分为基础薄模杯、功能性模杯、塑形性模杯等。本文以3/4模杯为例，基于人体胸部模型设计文胸模杯，模杯内表面与人体胸部相吻合，轮廓曲线依据胸部曲面形态与模杯造型特征进行设计。

3.1 胸部参考线

图6示出在人体模型上的胸部参考线。其中，曲线a为下胸围线；曲线b为胸围线，是经过BP点的胸部形态特征曲线；曲线c为上胸围线，是乳房及模杯上边界参考线；曲线d为乳房内侧边缘参考线；曲线e为胸切线，是经过BP点的纵向胸部形态曲线；曲线f为前后身分界线；曲线g为腋窝曲线；曲线h为文胸肩带位置曲线，经过单肩1/3点与BP点[13]。

图6 胸部参考线Fig.6 Chest reference

3.2 乳房边界曲线

乳房边界曲线如图7所示。根据胸部参考线与人体模型曲面形态特征，确定乳房边界点BU、BF、BD、BR，构建乳房边界曲线M[3、15]。曲线c与e的交点BU为乳房上边界点；曲线a与e的交点BD为乳房下边界点；曲线b与d的交点BF为乳房内侧边界点；依据曲线f和g的位置及胸部模型曲面特征，确定乳房外侧边界点BR。在人体胸部模型上，依次连接BU、BF、BD、BR 4个边界点，调整得到闭合的光顺曲线，即为乳房边界曲线。

图7 乳房边界曲线Fig.7 Breast boundary curve

3.3 模杯形态曲线设计

以乳房边界线为参考，结合3/4模杯的造型特征，设计构建模杯轮廓曲线，图8为3/4 模杯轮廓曲线。模杯轮廓曲线的3个关键特征点分别标记为A、B、C，其中A点为乳房上边界线与曲线h的交点；B点与BF点重合；C点位于乳房边界曲线上，距腋窝曲线g与乳房边界线交点约1 cm处。弧线AB沿胸部表面形态设计成光顺的S形曲线；弧线BC与乳房下边界线完全重合；弧线AC沿胸部模型表面向BP点方向弯曲，弧度较小形态自然，弧线最大凹进处距乳房边界线AC约1 cm。

图8 3/4 模杯轮廓曲线Fig.8 3/4 mold cup profile curve

4 三维模杯建模

在SolidWorks软件中输入胸部形态特征曲线模型。图9为右胸部曲线与曲面模型，将人台模型前中线所在截面定义为基准面XY，前后身分界线所在截面定义为基准面YZ，用2个基准面剪切胸部模型截取右胸部特征曲线模型，如图9(a)所示；通过曲线放样即可得到右胸部曲面模型，如图9(b)所示。

图9 右胸部曲线与曲面模型Fig.9 Right chest curve and surface model.(a) Curvilinear models;(b) Surface model

将图8中的模杯轮廓曲线导入SolidWorks软件系统，剪切图9(b)右胸部曲面模型得到模杯三维模型，如图10三维模杯模型所示。模杯曲面模型通过加厚可得到模杯实体模型，可用于3D打印快速成型。

图10 三维模杯模型Fig.10 3D mold cup model

5 结束语

胸部形态特征是文胸模杯曲面造型与合体性设计的依据和基础，本文应用逆向工程技术与三维曲面建模方法，研究基于人台胸部特征曲线的合体型文胸模杯建模问题。应用三维人体扫描仪扫描人台模型，经逆向工程建模及预处理技术得到光顺的三维人台模型，精度检测证明模型胸部曲面尺寸偏差较小。根据人体胸部曲面特征在三维人台模型上提取30条特征曲线，重建胸部模型。以女性乳房形态特征及人台胸部模型为基础，设计3/4罩杯文胸模杯结构特征曲线，构建三维模杯模型。

数字化三维模杯模型具有参数化及可复用设计的特征。基于文胸合体性设计的需求，本文提出了以人台重建模型为基础构建模杯模型，使模杯形态与人台模型高度吻合，为文胸模杯合体性研究提供了技术参考，为后续模杯的功能性与创新设计奠定了研究基础。