全成形双层结构针织服装部件化虚拟展示研究

詹必钦，李玉贤，董智佳，丛洪莲

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

全成形服装三维虚拟展示技术是全成形服装数字化发展的重要组成部分，全成形针织服装虚拟展示包括全成形三维服装建模及二维面料仿真设计，虚拟设计与实际生产联动，大大减少了服装供应链中的原料浪费，为可持续发展做出贡献。随着服装虚拟设计的发展，越来越多的新算法技术应用于服装人体特征[1]、服装建模[2-4]、服装渲染[5]、服装缝合碰撞检测[6-8]等研究中。针对样板的三维仿真利用贴图映射原理将花型纹理图案贴在二维样板上，再将二维样板网格化形成三维模拟曲面，例如：罗璇等[9-10]基于人体特征点获取全成形款式模型，通过区域划分构建参数化样板与成形纹理样板，再经过网格化及包围约束、碰撞检测研究等完成参数化纹理样板的三维曲面着装模拟，最后通过虚拟设计系统的搭建实现全成形服装虚拟展示；彭佳佳[11]以线圈模拟设计为基础，通过建立各类针织基本组织、花式组织、连接组织的线圈网格模型，实现全成形毛衫三维线圈的网格成形，包括三维网格形变与线圈物理属性分析，通过线圈路径与线圈材质进行真实感研究模拟，最后同样通过系统搭建实现基于线圈结构分析的全成形毛衫虚拟仿真。随着这些研究的深入，服装模拟的真实性效果越来越显著，然而针对全成形异形结构针织服装快速建模与展示的相关研究较少，全成形异形结构类服装通过虚拟建模能更加直观地感受到结构的层次感与纹理搭配的设计感。

基于以上研究，本文以全成形双层结构假两件式针织服装部件化参数设计、二维样板纹理设计及三维虚拟建模展示为主要研究内容，实现全成形双层结构类服装二维-三维虚拟建模与展示，丰富全成形针织服装快速建模与虚拟展示方式。

1 双层结构二维样板参数化设计

数字化服装版型部件化设计是依据服装款式、人体主要控制部位尺寸、工艺要求等，在服装CAD系统中设计绘制出二维服装样板。这种参数化二维服装样板设计指的是通过几何约束或者标注约束来定义制图中的尺寸规格和几何特征,其中标注约束和几何约束的条件和模式可由预设的参数加以驱动[12]。参数化设计以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，在设计的过程中将几何形状看作是一个参数化模型，设计者与使用者在使用参数化模型时只需要调整参数来对几何形状进行修改和控制，因此，参数化模型存储的是设计的过程，而并不是单一产品的结果[13]。

服装样板中轮廓曲线主要以C形曲线和S形曲线为基础曲线段绘制而成，这2种曲线均采用圆弧分段拟合方式，将C形弧线或S形弧线分为若干小段直线，由这些直线近似拟合形成曲线。首先利用直线拟合圆弧来形成服装样板中的轮廓曲线，然后通过几何约束和端点约束来约束服装样板中的直线和圆弧，从而构建参数化二维服装样板。如图1所示，在拟合C形曲线和S形曲线时，可将S形曲线分割为多段C形曲线，图1中L1～L4分别表示每小段C形曲线分割段，最后利用贝塞尔曲线进行多段C形曲线拟合。

图1 C形曲线和S形曲线分段拟合图Fig.1 Segment fitting diagram of C-shaped curve (a) and S-shaped curve(b)

采用贝塞尔曲线模型准确绘制曲线[14]。贝塞尔曲线B(t)模型方程为

式中:Pi为贝塞尔曲线上的控制点(a,b)，其确定贝塞尔曲线状态；P0为起点(x0,y0)；Pn为终点(xn,yn)；n为点的顺序标签，从0开始；i为标签中的第i个点；t为时间，取值为[0,1]。根据贝塞尔曲线模型绘制出全成形典型双层结构针织服装部件参数化，如图2所示。

图2 全成形典型双层结构针织服装部件参数化样板设计Fig.2 Parametric design of full-formed typical double-layer knitted clothing parts.(a) Tops version;(b) Bottoms version

图2中贝塞尔曲线关键点集{A}为由C或S形曲线组成的服装样板轮廓端点集合，形成端点约束。图2(a)示出双层结构典型上装部件中大身后片里外层关键点A1～A16，对应大身前片里外层关键点A′1～A′16；大身左袖片关键点A17～A21，对应大身右袖片关键点A′17～A′21。图2(b)示出双层结构典型下装部件中大身后片里外层关键点A1～A9，对应大身前片里外层关键点A′1～A′9。根据贝塞尔曲线模型进行设计，形成几何约束，通过端点约束与几何约束共同调整版型轮廓，最终得到全成形双层结构变化版型部件库。

2 双层结构部件化建模与拼接

根据上述部件参数化设计而成的样板，将二维样板与三维构造建立拓扑几何映射关系，形成全成形双层结构服装部件库，分类分别对应里外层服装部件各自的原型。上身服装里层(袖子、大身、门襟、衣领等)对应外层(袖子、大身、门襟、衣领等)；下身服装里层(裤腰、裤筒、裤脚、裙筒、裙腰等)对应外层(裙筒、裙腰、裤筒、裤腰等)。里外层部件各自对应组合配对成新的全成形双层结构服装。

对双层结构典型上装的数字化服装二维版型进行三角网格化划分，本文采用三角网格生长法进行剖分，选取任一质点集合中x坐标与y坐标(x,y)作为三角网格的第1个顶点P1，设定粒子间距m，即设定三角网格第2个和第3个顶点P2、P3与第1个顶点间距离为m，划分出第1个三角网格△P1P2P3，再分别以P2、P3作为下一个三角形的第1个顶点，同样保持粒子间距m不变，衍生划分出△P2P4P5、△P3P6P7，依次类推划分出整个二维样板的三角网格，通过改变不同的粒子间距m，可划分出密度不同的三角网格，不同样板部件可以进行不同密度的三角划分，三角网格划分越精细，即粒子间距m值越小，样板后期的面料效果越柔软，不同粒子间距下三角网格划分后的服装二维样板示例如图3所示。

图3 不同粒子间距下三角网格划分精细度对比Fig.3 Comparison of fineness of triangular meshing under different particle spacing

二维样板划分成网格后，将网格点映射到三维曲面上实现近似转化，需保持二维转三维前后曲面上所有网格点之间距离变化最小。且需保证里外层服装对应点的相对位置转化前后变化最小，在初始几何三角化样板的基础上建立弹簧-质点模型，因二维样板在转换为三维曲面后，样板三角网格中弹簧连接如PP2、PP3之间发生伸长或压缩变形，从而会产生一定的弹性能量聚集。图4(a)为二维样板-三维曲面转化弹簧-质点模型图。其中：P为转化前的质点；Pr为转化变形后的质点。质点Pi与Pr之间视为弹簧连接。弹簧连接长度为d，在转化变形过程中d拉长或缩短。当质点Pi与Pr之间的间距小于或大于弹簧原长，在Pi和Pr之间呈现力的作用，积聚能量。图4(b)为里外层样板转换后的三维曲面图。

图4 弹簧-质点模型下二维样板-三维曲面转化Fig.4 Transformation of 2-D template to 3-D surface under spring-particle model.(a) Spring-particle model principle;(b) Transformation diagram of 3-D surface of inner and outer templates

质点的运动用拉格朗日表达式表示为

式中：M、D与K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；gq为局部自由度与全局自由度之差引起的系统内力；q和fq为系统外力。

图5 双层结构典型上装部件自适应融合效果图Fig.5 Image of adaptive fusion of typical two-layer structure upper parts

3 双层结构面料虚拟纹理设计

3.1 纱线设计

全成形双层结构针织服装面料虚拟展示采用花型设计和纹理贴图的方法。面料花型设计要综合考虑结构、原料、颜色、组织、织造工艺等因素，分为纱线数字化设计与织物组织数字化设计2部分。从纱线数字化设计开始，模拟单根纱线或组合纱线。单根纱线模拟是在确定纱线原料后，主要通过设定纱线颜色、线密度等数值来获取对应的外观特征；组合纱线模拟是通过不同外观风格的单根纱线模拟完成后，选择组合模拟混合纱线。图6示出全成形机型下不同设置纱线模拟效果。图6(a)为机号15针，线密度为31 tex×2的双股毛纱；图6(b)为机号15针，线密度为33 tex×2的双股马海毛；图6(c)为机号12针，线密度为13.3 tex的金银丝；图6(d)为机号5针，线密度为38 tex×3的混色花式纱；图6(e)为机号12针，线密度为80 tex的泡泡纱；图6(f)为机号14针，线密度为71 tex的圈圈纱。

图6 纱线数字化模拟图Fig.6 Yarn digital simulation diagram.(a) Double strand wool yarn;(b) Mohair yarn;(c) Metallic yarn;(d) Mixed fancy yarn;(e) Seersucker;(f) Loop yarn

3.2 纹理设计

织物纹理数字化设计是在纱线设计的基础上，利用设计好的纱线生成组织模拟。在组织设计时，设计师根据具有对应动作的色码块进行编码图绘制，模拟编织组织外观形态，纹理组织模拟流程如图7所示。色码块动作包含了所有针织编织动作，基本编织动作包括成圈、集圈、移圈、翻针等，这些动作可形成的不同针织组织有平针组织、罗纹组织、正反针组织、圆筒组织、集圈组织、移圈组织、提花组织、衬垫组织等。织物组织从成圈三角、针舌运动和纱线变形仿真3个方面模拟基本组织编织过程，最终呈现出织片效果图。设计师根据纱线的质地性能、手感、图案特点等进行构思，充分挖掘出纱线特性，呈现出双层结构的透视感或其他特殊视觉效应，诠释针织服装的个性与本质美。

图7 纹理组织模拟流程Fig.7 Texture organization simulation process

3.3 花型对位

针织组织线圈对位具有极高的要求，因此，部件样板进行贴合时花型的对位匹配非常重要。以衣身侧缝边缘线圈对位为例，图8示出线圈花型对位过程。图8(a)示出二维样板花型对位起止点；图8(b) 示出二维到三维质点坐标转化；图8(c)示出线圈花型对位示意图。

图8 花型对位过程Fig.8 Pattern contraption process.(a) Starting and ending points of pattern counterpoint;(b)Transformation of particle coordinates;(c)Schematic diagram of coil pattern alignment

为实现更具真实感的全成形针织服装数字化模拟效果，每片织物上组织对应的线圈相对位置在经过二维至三维转换后产生一定的位置偏移，织片边界上边缘线圈需对应融合，边缘花纹需对条对位，且里外层线圈二维样板与三维曲面上坐标相对位置不变。设二维织片上外层线圈a坐标为(x1,y1)，相同位置里层线圈b坐标为(x2,y2)，通过函数关系F(x,y,z)映射到三维曲面上线圈a对应坐标为(x′1,y′1,z1)，线圈b对应坐标为(x′2,y′2,z2)。织片边缘线圈对位时，为使得线圈对位不影响织片自适应融合的效果，织片边缘曲线上每一列线圈都要进行对齐检查，根据线圈花高标记横列对齐线位置，设置线圈对齐起止点，快速校对边缘线圈对位关系，如有线圈错行排列没有对准的情况，则需针对贴图进行上下调整直至对准。

4 全成形双层结构针织服装虚拟应用

基于以上样板部件参数化设计方法和针织组织纹理设计及花型对位调整方法，可完成部件化变化款式的快速建模，呈现丰富的全成形双层结构针织服装虚拟展示效果，以更高质量实现产品开发的数字化、高速化。图9示出基于不同纱线、不同组织花型、不同款式的双层结构全成形针织服装模拟效果展示图。图9(a)示出不同纱线效果图，其中款式1原料为羊毛纱，款式2原料为纯棉纱，款式3原料为花式纱。图9(b)示出不同组织花型效果图，其中款式1为纬平针组织，款式2为方形提花组织，款式3为菱形提花组织。图9(c)示出不同款式效果图，其中款式1为肩袖局部双层效果，款式2为领部双层效果，款式3为下装双层效果。

图9 全成形双层结构服装效果模拟图Fig.9 Simulation figure of fully formed double-layer structure clothing effect.(a) Effect of different yarn styles;(b) Effect of different organization pattern;(c) Effect of different styles

5 结 论

本文研究了全成形双层结构针织服装虚拟快速建模展示方法。对双层结构针织服装版型参数化设计、二维样板三角网格划分、二维样板-三维部件转化、三维部件融合、面料纹理设计与贴图映射等进行研究，验证全成形双层结构服装虚拟建模的可行性，得出如下结论。

1) 双层结构样板利用贝塞尔曲线模型进行参数化设计，设计时根据控制里外层样板端点集合与曲线段变化进行绘制与调整。

2) 二维样板通过三角网格划分法生成三维曲面部件。网格中粒子间距越小，三维曲面视觉上越柔软；粒子间距越大，三维曲面视觉上越生硬。

3) 里外层三维部件包括里外层连接处边界三角网格拼接融合采取自适应的自然拼接融合法，实现无缝连接。

4) 通过纱线模拟织片进行二维-三维纹理映射时，为保证三维曲面样板纹理间的连接对应，采用花型起止对位点检查的方式保持花型连续性。

在全成形针织服装设计与生产中，基于所建立的服装快速制版与建模方法，可获得用户满意的个性化全成形针织三维服装，实现基于用户导向的全成形针织三维服装快速交付机制。

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