织物在三维模拟中的悬垂性研究

冯华峰，刘 晨，王刚强，张建立

(1.浙江理工大学科技与艺术学院 纺织服装学院，浙江 上虞 312369； 2.余姚永坚自控设备有限公司，浙江 余姚 315400)

服装三维数字化[1]的应用越来越广泛，虚拟试衣技术吸引了新一代服装设计者们的关注，许多企业也开始利用三维服装模拟软件进行成衣数字化的制作。

在服装设计与制作的教学过程中，需使三维虚拟服装尽可能还原真实服装的形态，但模型的材质参数、光照属性参数及虚拟织物的悬垂感等都会对虚拟服装呈现的效果产生影响[2]，其中虚拟织物的悬垂感是特别关键的因素。织物悬垂性即织物因自身重力而自然下垂的性能，织物的悬垂性能参数可以反映出该织物的悬垂程度[3-5]。本文采用多元回归分析等方法进行统计分析，建立了基于虚拟织物属性参数的悬垂系数回归模型，旨在探究三维模拟中各属性参数与虚拟织物悬垂性能的关系，使模拟出的服装具有更优美的曲面造型和褶皱层次感，表现出真实的视觉效果。

1 模拟织物悬垂性实验

1.1 模拟织物悬垂性影响参数的确立

本文实验选择最新三维模拟软件CLO 3D 5.0版，在软件中存在多个可以设置虚拟织物物理特性的参数，根据王会威等[6]建立的三维服装CAD系统织物悬垂性模型，初步确定虚拟织物悬垂性能与以下10个参数有关：纬/经纱拉伸强度、对角线张力、纬/经纱弯曲强度、纬/经纱变形率、织物密度和纬/经纱变形强度。在三维模拟中，这些参数的设定范围很大，数据可以在0～99进行调节，很难直接反应所用面料的真实状态。

经过前期比较实验可以很直观地发现这些参数过大或过小都无法呈现虚拟织物的悬垂性能。对CLO 3D系统内预设的虚拟织物细节参数进行多次取值尝试，发现这10个参数较为合理的取值范围如表1所示。计算时选用取值区间的两端和中间值。

表1 织物属性参数取值Tab.1 Fabrics attribute parameter value

1.2 模型的建立

使用三维模拟软件MAYA 2018版建模如图1所示，首先创建一个直径为12 cm的夹持盘三维模型，将模型保存成obj格式后导入CLO 3D中，然后制作1个直径为24 cm的虚拟织物(与下文真实织物悬垂实验相同)，利用假缝功能将织物的圆心与夹持盘的中心进行假缝固定，悬垂仪模型见图2所示。

图1 夹持盘 图2 悬垂仪模型Fig.1 Clamping Fig.2 Pendant model

1.3 测试方法

悬垂系数表征指织物在受到重力条件下其悬垂变形的程度，织物的悬垂系数越大则织物变形越困难，表现为刚硬，反之则变形容易表现为柔软，一般认为悬垂系数越小悬垂性就好。参照GB/T 23329—2009《纺织品 织物悬垂性的测定》测定织物的悬垂系数，其计算公式见式(1)。

(1)

式中：A0为实验样品的初始展开面积，cm2，Ad为夹持盘的上平面面积，cm2，As为实验样品在悬垂后的俯视投影面积，cm2。

在CLO 3D系统中开启模拟，使虚拟织物自然垂下稳定后，利用图像处理软件对As进行测量，计算虚拟织物的悬垂系数，记录684组虚拟织物的属性参数值和悬垂系数。

1.4 结果与分析

为找出影响三维虚拟织物悬垂系数的属性参数，用SPSS软件对实验数据进行分析，悬垂系数与10个属性参数的相关分析结果见表2。

表2 悬垂系数与10个设置参数的相关性Tab.2 Correlation between drape coefficient and 10 setting parameters

从上表可以看出，虚拟织物的经/纬纱拉伸强度、对角线张力、纬/经纱弯曲强度和织物密度 6个属性参数在回归模型中的sig.值均小于0.05，因此可将其假设为线性关系。

根据P值的影响规则，其绝对值在0.8～1.0一般定义为极强相关，0.6～0.8则表现为强相关，0.4～0.6则视为中等相关，0.2～0.4可认定为弱相关，0.0～0.2呈现极弱相关，如果系数为0则表明二者没有关系，因此虚拟织物的悬垂系数与纬/经纱弯曲强度呈极强相关性，与织物密度呈中等相关性，与对角线张力呈弱相关性，与纬/经纱拉伸强度呈极弱相关性。

2 真实织物悬垂性实验

2.1 实验方法和织物样品

悬垂性测试仪的实验原理是将织物试样的悬垂影像投射到仪器中的白色片材上，利用计算机图像处理数码相机获取到的悬垂投影影像[8]。本次实验所使用仪器为YG811F型电脑式织物悬垂性测试仪, 在仪器夹持台的下方是凹面镜焦点的位置，该位置反射出垂直向上的平行光并将夹持盘上的试样照射出来，计算得到织物的悬垂系数、波纹数以及平均悬垂半径这几项参数。

选取2组共8种织物作为研究对象，进行不同材质、不同面密度织物的悬垂性研究。采用的面料包括雪纺、乔其纱、水晶丝绸、素色布、中平布、印花布、色丁、素缎。为使本次实验更具有科学性，选用的2组织物样本面密度相差范围在40 g/m2以内，其中第1组样本面密度范围在50～80 g/m2，第2组样本面密度范围在140～180 g/m2，所有试样均在GB/T 6529-2008《纺织品 调湿和试验用标准大气环境》规定条件下测试其悬垂性能，实验面料样品见表3。

表3 实验面料样品Tab.3 Fabric samples for test

2.2 织物悬垂性评价

计算真实织物的悬垂系数与平均悬垂半径并用图片记录静态的悬垂效果，再与CLO 3D中虚拟面料的悬垂效果进行对比。

①悬垂系数。实验用8种面料的悬垂系数根据式(1)进行计算。

②平均悬垂半径。平均悬垂半径是指纺织品织物在完全悬垂的状态下，各悬垂产生的波纹凹凸点到夹持盘外圆的距离取算术平均值，该数值表示织物的抗弯能力的大小，计算公式见式(2)。

(2)

式中:Ri为凹点到夹持盘外圆的距离，cm，Rj为凸点到夹持盘外圆的距离，cm，n则为波纹数，个。

2.3 测量结果

其测定结果表明M1～M3悬垂系数相对较小，波纹数较多；M4～M8悬垂系数相对较大，波纹数相对较少，详见表4。

表4 面料悬垂性测试数值Tab.4 Drapability test result of fabric samples

3 虚拟织物的悬垂性关系

3.1 虚拟织物与真实织物悬垂状态对比

参考真实织物悬垂性物理实验中得到的投影图像，根据投影的波数、波幅等形态，在CLO 3D三维视窗的俯视图视角下，开启模拟并调节属性窗口中织物的物理属性参数数值，将三维虚拟织物模拟成与真实织物悬垂投影图像相一致，让虚拟织物静待3～5 min，待其悬垂形态稳定后，记录各项物理属性参数值并用回归分析法进行研究[9]。真实织物悬垂性测试仪获得的投影图像与在CLO 3D中模拟出来的虚拟织物悬垂性的对比结果如图2所示。

图2 真实与虚拟织物的悬垂状态Fig.2 Drape state of real fabric and virtual fabric.(a)Real fabric; (b)Virtual fabric

3.2 确定虚拟织物的各项参数值

根据1.4结论可知虚拟织物的悬垂性与纬纱弯曲强度、经纱弯曲强度、织物密度、对角线张力、 纬纱强度、经纱强度这6个参数呈现出相关性，因此在对比实验中通过调节虚拟织物的以上6项属性参数来表现不同织物的悬垂性能。

对应表4中8种不同真实织物的悬垂状态影像和参数值，在CLO 3D中对虚拟织物的物理参数特征值进行比对调节以获得与真实织物最接近的悬垂表现[10]，同时对6项调节参数值进行记录，结果详见表5。

表5 虚拟织物的6项参数值Tab.5 Drapability test result of fabric samples

3.3 建立虚拟织物悬垂系数的回归方程

多元回归分析是根据多个自变量的最优组合建立回归方程预测因变量的分析方法[11]。通过表5中的数据结合真实织物的悬垂系数，利用SPSS软件得到多元线性回归分析结果，详见表6和表7。其中因变量Y为悬垂系数，自变量X1为纬纱弯曲强度、X2为经纱弯曲强度、X3为织物密度、X4为对角线张力、X5为纬纱拉伸强度、X6为经纱拉伸强度，建立线性回归模型。

表6 回归分析模型Tab.6 Regression analysis model

表7 系数值Tab.7 Coefficient value

从表7数据可知，常量及模拟织物的6个属性参数值所对应回归分析中的P值均小于0.05，因此可以建立回归方程如下：

Y=5.069-0.479X1+1.213X2+0.323X3+

0.144X4-0.496X5+0.347X6

(3)

从中可以看出各自变量相互之间不存在共线性特点，且分析模型中的R2为0.985，大于0.8，表明上式拟合程度较好，变量中纬纱弯曲强度对悬垂系数的影响最大，经纱弯曲强度、织物密度和拉伸纬纱强度对其也存在影响。

综合以上研究可以得出：

①经纱、纬纱的弯曲强度主要影响织物的硬挺程度，数值越大，面料越硬；数值越小，面料垂感越好。

②经、纬纱拉伸强度、对角线张力主要反映了模拟织物水平、垂直、对角线方向的伸缩反弹的强度。当经纱、纬纱拉伸强度与对角线张力同比例减少时，模拟织物呈现柔软的状态，悬垂效果越好；反之，就会显得硬挺，悬垂效果也越差。

③织物密度的大小能直观地反映出模拟织物的质量，密度值越大，面料越厚重，织物越容易下垂；反之，面料越轻薄，悬垂效果越差。

3.4 回归方程的应用

在MatLab中，令Y=[真实面料悬垂系数]，X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6],然后用fitlm(X,Y)函数建立回归模型Y～1+X1+X2+X3+X4+X5+X6，最后用plotSlice(model) 命令绘制预测切片图如图3所示。当前预测的即为悬垂系数48.351 9，纬纱弯曲强度X1设置值为46.5，经纱弯曲强度X2设置值为45，织物密度X3设置值为31，对角线张力X4设置值36，纬纱拉伸强度X5设置值34，经纱拉伸强度X6设置值为36.5。

图3 预测切片图Fig.3 Predictive slice figure

4 结束语

本文基于真实面料特性，首先将纺织品在实验室获得真实织物的悬垂投影，然后再进行CLO 3D的计算机模拟实验，通过虚拟织物悬垂投影的比对分析，调节虚拟织物三维物理属性参数来还原其真实性，从而得到虚拟织物的各项属性参数，并通过回归分析得到虚拟织物悬垂性与物理属性参数之间的关系及线性方程。最后分析得出在CLO 3D中调节出各种面料的真实效果，同时得到各项物理属性参数对虚拟织物悬垂效果的具体影响，实验结果表明虚拟织物的经纬纱弯曲强度、密度及对角线张力这几个参数与悬垂性表现密切相关。

本文实验模拟结果基本符合预期，为今后在三维服装数字化教学中提供了设置虚拟面料的调整方法，但仍有一些不足之处，如选取的实验织物其经纬纱线的性能比较接近。希望能够在今后的服装数字化模拟研究中用经纬纱性能差异较大的织物进行实验，同时可以尝试结合其他分析方法进行研究。