基于BP神经网络的义乳文胸结构个性化定制

陈弈菲，刘 驰

(西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048)

据国际癌症研究中心(IARC)统计，乳腺癌已成为全球女性恶性肿瘤发病率最高的疾病。2020年中国乳腺癌新发病例高达416 371例，位居女性恶性肿瘤新发病例首位。乳房切除术是乳腺癌患者的主要治疗手段[1]，患者切除乳房后需要佩戴必备的康复产品义乳及义乳文胸重塑体态、弥补自我不适、保护脊椎以及胸腔[2-4]。义乳文胸采用裁片式文胸生产工艺，其正面看起来与普通文胸相似，反面有承载义乳的夹层[5]。

随着乳腺癌新发筛查技术的提高，患病人数增加，失乳人群呈现出年轻化、高学历化且术后生存率逐年增高的趋势，义乳文胸市场需求也逐年增大[6]，但是，义乳文胸作为特殊人群使用的产品，总体量相对较小，且失乳人群对义乳文胸产品需求逐渐上升至情感需求阶段[7-8]。基于感性工学的义乳文胸设计可以将用户对产品的感性需求量化，在产品设计中考虑用户的主观感受[9]，实现以人为本的设计。

结合感性工学与BP神经网络预测的设计多用于产品设计中，如机械产品表面涂装质感设计[10]、拖拉机机罩设计[11]、服务型机器人造型设计[12]等；在服装领域曾应用于男西装色彩设计感性意象的预测[13]，但未应用于服装结构造型设计之中。本文通过对义乳文胸产品的调研，细分其结构，结合感性工学理论，提出一种基于BP神经网络的义乳文胸结构个性化定制方法，为义乳文胸计算机辅助个性化设计提供参考。

1 义乳文胸结构个性化定制流程

基于感性工学的义乳文胸结构个性化定制需量化用户感性需求，明确设计目标，归纳主要结构，以完成满足用户需求的义乳文胸结构设计。首先，收集用户对不同结构义乳文胸的感性评价，通过因子分析筛选出3组感性形容词对作为结构风格的评价量尺；然后将义乳文胸进行结构解构；最后通过训练BP神经网络模型，建立模块编码与感性意象之间的映射关系，借助该映射关系，进行符合用户感性需求的模块重新配置，完成义乳文胸结构的个性化定制。本文研究流程如图1所示。

图1 研究流程Fig.1 Research flow

2 义乳文胸感性意象分析

2.1 义乳文胸样本分析

通过查阅书籍、文献、专利，收集近5年生产销售的义乳文胸产品，共整理义乳文胸图片近130张，图片来源均为知名义乳文胸品牌网络宣传图或商品图。为减少颜色对义乳文胸感性意象的影响，本文选取最常见的肤色系；为减少图片中除义乳文胸以外的因素对结果的影响，选用图片均为黄皮肤模特正面展示图，并将图片裁剪至仅保留义乳文胸元素。利用KJ法[14]筛选20款义乳文胸，制作为图片样本，部分图片样本如图2所示。

图2 义乳文胸部分图片样本Fig.2 Sample picture of a partial sample of mastectomy bra.(a)Sample 2；(b)Sample 4；(c)Sample 15；(d)Sample 19

2.2 感性意象词汇筛选与评价

通过查阅服装类书籍、杂志、文献等，收集网络上用户对义乳文胸产品评价中的感性词汇，访谈乳腺癌术后患者，整理了大量感性形容词对。通过与服装感性工学方向专家及小组成员讨论，筛选出8对代表性较强且无重复语义的感性形容词对，分别为：柔软的—硬挺的、保守的—性感的、淑女的—运动的、成熟的—稚嫩的、独特的—大众的、精致的—朴素的、轻巧的—厚重的、方便的—不便的，用于调查各义乳文胸带给用户的感性意象。

为进一步分析筛选具有代表性的感性形容词对，采用李克特5级量表法对义乳文胸进行感性意象调查，感性意象评价得分用数字1、2、3、4、5表示。如“柔软的—硬挺的”这对感性形容词对：1分表示非常柔软，3分表示无明显偏向，5分表示非常硬挺。计算每款义乳文胸在每对感性形容词下感性意象评价得分的均值，即为该义乳文胸在感性意象上的偏好及得分。

选取35～55岁乳腺癌术后患者为调查对象，该类用户是义乳文胸产品的主要目标用户。共发放问卷68份，回收问卷65份，有效问卷61份，回收率93.85%。由于乳腺癌术后患者群体较少，且不易找寻，所以61位调查对象有较高的可信度。义乳文胸感性评价结果如表1所示。

表1 义乳文胸感性评价结果Tab.1 Results of perceptual evaluation of mastectomy bra

对调查结果进行检验，KMO检验系数为0.651，大于0.5；Bartlett球形检验卡方值为86.5，自由度为28，P值为0.000。检验结果说明调查结果适合做因子分析，其累计因子贡献率如表2所示。

表2 累计因子贡献率Tab.2 Cumulative factor contribution rate

由表2可知，特征值大于1的主因子共有3个，通过观察旋转后的因子载荷矩阵，将8对感性形容词分为3类：X包括保守的、性感的，独特的、大众的，精致的、朴素的，淑女的、运动的；Y包括方便的、不便的，轻巧的、厚重的，柔软的、硬挺的；Z包括成熟的、少女的。根据语义归纳3类感性形容词对的主因子名称作为该类别代表词汇进行下一步分析，所提取的主因子名称分别为：独特的—大众的、方便的—不便的、成熟的—稚嫩的，以此作为义乳文胸结构风格的评价量尺。旋转后因子载荷矩阵如表3所示。

表3 旋转后因子载荷矩阵Tab.3 Factor load matrix after rotation

3 解构义乳文胸结构

为保护用户隐私，增强用户生活自信，义乳文胸的正面设计以与普通文胸相似为宜，主要结构包括罩杯、肩带、勾扣、鸡心、侧比、下扒、后拉架、抹胸层等。主要区别在于大多数义乳文胸较普通文胸多一层抹胸层，覆盖于罩杯外侧，起到遮挡伤疤和保护胸部的作用；罩杯多为全罩杯与3/4罩杯、鸡心多为高鸡心与中鸡心，以便更好的承载义乳；1/2罩杯与低鸡心不适用于义乳文胸的设计中；粗肩带、连体肩带以及运动肩带被广泛运用于义乳文胸的设计之中，可以减轻义乳对肩部的压力；勾扣在前的设计更方便用户穿脱义乳文胸。采用形态分析法[15]归纳出对义乳文胸整体风格影响较大的部件并针对各部件做单独分析，梳理各部件设计类型，将义乳文胸结构进行解构，对义乳文胸罩杯、鸡心、抹胸层类型、肩带与勾扣类型进行归纳并编码。其中：罩杯包括全罩杯(Z1)、3/4罩杯(Z2);抹胸层包括U型抹胸层(M1)、V型抹胸层(M2)、一型抹胸层(M3)、无抹胸层(M4)；鸡心包括高鸡心(J1)、中鸡心(J2)；肩带包括粗连体肩带(D1)、细分体肩带(D2)、细连体肩带(D3)、粗分体肩带(D4)、运动肩带(D5)；勾扣包括后勾扣(G1)、前拉链(G2)、前勾扣(G3)、一体式无勾扣(G4)、前按扣(G5)。

4 BP神经网络模型构建

4.1 义乳文胸BP神经网络模型构建

选用MatLab2020b为平台进行BP神经网络结构的建立与模拟，其模型如图3所示。结合表3所示的义乳文胸结构分类，选取罩杯、抹胸层、鸡心、肩带、勾扣5个主要结构编码(X1～X5)为输入层的输入数据，以“独特的—大众的”“方便的—不便的”“成熟的—稚嫩的”3组感性形容词对的感性意象评价得分(Y1～Y3)为输出层的输出数据，隐含层节点数通过输入层与输出层节点个数平均[16]得到为4个节点。BP神经网络模型结构如图3所示。

图3 BP神经网络模型Fig.3 BP neural network model

4.2 样本数据训练及测试

设置BP神经网络的学习次数为10 000次，采用梯度下降法，目标误差为0.001，训练结果采用均方误差衡量，将表1中随机挑选16组数据导入建立的神经网络模型，训练BP神经网络。训练后各感性形容词对测量与预测感性意象评价得分对比如图4所示，拟合较为准确。

图4 各感性形容词对测量与预测感性意象评价得分对比Fig.4 Comparison of evaluation scores of each perceptual adjective on measurement and prediction of perceptual imagery. (a) Unique-mass；(b) Convenient-inconvenient；(c) Mature-naive

为测试收敛后神经网络的可靠性，使用表1中剩余4组样本数据进行验证，将这4组样本设计要素导入神经网络的输入层，将输出层与调研问卷中的感性意象评价得分相比较，测试结果如表7所示。二者相对误差很小，数据基本吻合。3对感性形容词对的误差分别为0.018 7、0.005 9、0.014 3，说明该BP神经网络模型性能良好，感性意象评价得分预测可靠性结果如表8所示。

表7 测试结果Tab.7 Test results

表8 可靠性结果Tab.8 Reliability results

5 基于BP神经网络的义乳文胸个性化定制

由前述可知，义乳文胸结构设计要素组合后可产生2×4×2×5×5=400种，将所有组合导入构建好的神经网络输入层，经过模拟运算后，计算出“独特的—大众的”所对应的感性意象评价得分。其中最大值为2.819 6，对应的组合编号为Z1、M1、J1、D5、G4；最小值为1.973 9，对应的组合编号为Z2、M4、J1、D1、G3；说明全罩杯、U形抹胸层、高鸡心、运动肩带、一体式穿着的义乳文胸是最大众的，3/4罩杯、无抹胸层、高鸡心、粗连体肩带、前勾扣的义乳文胸是最独特的。

“方便的—不便的”所对应的感性意象评价得分，其中最大值为2.229 2，对应的组合编号为Z1、M3、J1、D5、G1；最小值为1.560 5，对应的组合编号为Z2、M1、J2、D1、G5；说明全罩杯、一型抹胸层、高鸡心、运动肩带、后勾扣的义乳文胸是最不方便的，3/4罩杯、U形抹胸层、中鸡心、粗连体肩带、前按扣的义乳文胸是最方便的。

“成熟的—稚嫩的”所对应的感性意象评价得分，其中最大值为2.457 5，对应的组合编号为Z1、M4、J1、D5、G5；最小值为1.835 7，对应的组合编号为Z2、M1、J2、D1、G1；说明全罩杯、无抹胸层、高鸡心、运动肩带、前按扣的义乳文胸是最稚嫩的，3/4罩杯、U形抹胸层、中鸡心、粗连体肩带、后勾扣的义乳文胸是最成熟的。

6 结束语

通过运用感性工学语义差异法进行义乳文胸结构的感性意象评价，使用因子分析法选取“独特的—大众的”“方便的—不便的”“成熟的—稚嫩的”3对形容词对为义乳文胸结构风格的评价量尺，将义乳文胸主要结构解构为罩杯、抹胸层、鸡心、肩带、勾扣5个元素，建立BP神经网络模型获取义乳文胸结构与用户感性意象评价之间的映射模型，从而实现义乳文胸结构的个性化定制。本文方法可使设计师根据用户感性需求进行义乳文胸设计，满足用户需求，有效优化设计流程，提高设计效率。

本文只针对义乳文胸的主要结构进行了实验，义乳文胸的色彩、工艺同样也会对用户情感产生影响，在后期的工作中将结合义乳文胸的色彩、工艺等做进一步的研究。