基于纬平织物力学性能的3D模拟效果优化

付燕璇， 何 瑛*, 2

(1. 浙江理工大学 服装学院，浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大学 丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室，浙江 杭州 310018)

随着数字化应用的不断深入，虚拟仿真技术为服装行业带来了巨大的变化，利用三维仿真技术，可在虚拟空间中展现不同面料、不同款式的服装，并穿戴于虚拟模特身上，从而提高企业生产效率，降低打样等环节的生产成本。

在现实中，不同面料具有不同可表征的性能，因此目前市面上的三维服装建模软件都提供了一些获得面料物理属性的方法[1]，以得到相应参数来模拟织物性能。由于现有测量手段可表征的性能有限，且多应用于结构较为简单的梭织面料；而针织面料结构复杂，性能与梭织面料大不相同，致使针织面料的3D服装与真实服装存在差异，这是服装物理仿真中面临的一个难题。若要准确模拟针织服装，则需建立纱线级别的仿真模型[2-3]。日本岛精公司推出了以线圈为单位的APEX针织模拟软件[4]，但这种仿真建模技术复杂，运算量极大，不适合实时模拟的服装虚拟仿真。因此，使用现有的三维服装软件模拟针织面料更为高效。

文中基于三维柔性仿真服装软件Style3D，结合现有的物理属性测量技术及性能表征方法，选择纬平织物作为实验对象，得出横编织物在虚拟软件中的模拟优化方法。

1 力学性能实验

1.1 材料

1.1.1面料 以材质、针型、紧度以及后整理方式这4个影响面料属性的因素作为织物样本的主要筛选条件，选取由6种常见的不同风格的材质、6种不同针型、3种不同紧度以及通过4种不同后整理方式得到的面料，经过排列组合、筛除不合理面料与风格重复面料，最终确定39个针织面料试样。试样的基本规格参数见表1。

表1 试样基本规格参数

1.1.2仪器 电脑横机，江苏金龙制造；Mark-10 ESM1500电动测量台，深圳美科仪科技有限公司制造；YG207N型自动织物硬挺度仪，江西贝诺仪器有限公司制造；YG(B)811E织物悬垂性能测试仪，温州大荣纺织仪器有限公司制造。

1.2 方法

采用电脑横机技术进行39个面料样本编织，分别得到尺寸为3 cm×22 cm的经、纬、45°斜向纬平针组织织片。

1.2.1拉伸性能测试 根据FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》[5]，采用电动测量台测试39组针织织片的拉伸强度，每个试样测3次，取平均值。

1.2.2弯曲性能测试 根据GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》[6]，采用自动织物硬挺度仪，测量当面料弯曲角度为41.5°时，39组针织织片的伸出长度。

1.2.3悬垂性能测试

悬垂可以表现面料在自身重力下悬吊时的变形程度，是面料的一个重要评价标准，可反映服装是否符合人体形态[7-8]。

根据GB/T 23329—2009《纺织品 织物悬垂性的测定》[9]方法，采用织物悬垂性能测试仪，测试39组织物样本的悬垂系数、悬垂波数以及最大、最小波幅。

1.3 结果与讨论

织物的拉伸性能和弯曲性能见表2。

表2 拉伸性能和弯曲性能测试结果

1.3.1织物的拉伸性能 由表2可以看出，织物的平均抗拉伸性：经向>纬向>斜向；不同针型织物的平均抗拉伸性：16针>12针>9针>7针>5针>3.5针；不同密度织物的平均抗拉伸性：略紧>正常>略松，且密度的影响最小，差值仅在0.3～2.75 N之间。

利用SPSS 22.0软件处理拉伸强度数据，对纬向、经向、斜向拉伸强度进行Pearson相关性分析。分析结果可得，纬向拉伸强度与经向拉伸强度呈显著正相关(r=0.878,p<0.01)，纬向拉伸强度与斜向拉伸强度呈显著正相关(r=0.403,p<0.05)，经向拉伸强度与斜向拉伸强度呈显著正相关(r=0.529,p<0.01)。

1.3.2织物的弯曲性能 由表2可以看出，样品中的平均抗弯曲性：织物的经向伸出长度 > 斜向伸出长度 > 纬向伸出长度；不同针型织物伸出长度：3.5针 > 5针 > 7针 > 9针 > 12针 > 16针；不同密度织物的伸出长度：略紧 > 正常 > 略松，且密度的影响最小，差值仅在1.02～3.67 cm之间。

利用SPSS 22.0软件处理伸出长度数据，对纬向、经向、斜向伸出长度进行Pearson相关性分析。结果分析可得，纬向伸出长度与经向伸出长度呈显著正相关(r= 0.883,p< 0.01)，纬向伸出长度与斜向伸出长度呈显著正相关(r=0.464,p<0.01)，经向伸出长度与斜向伸出长度呈显著正相关(r=0.535,p<0.01)。

2 虚拟悬垂模拟

2.1 虚拟面料悬垂图像获取

仿照真实悬垂实验环境，利用3Dmax软件制作虚拟悬垂仪，并导入Style 3D软件中，搭建虚拟悬垂场景。为了较好地还原织物模拟效果，在场景管理视窗中导入织物，织物粒子间距设置为5 mm。将每个织物的物理参数(面密度和厚度)及力学性能参数(拉伸强度和伸出长度)输入软件，转化为可被识别的面料物理属性参数，依次进行悬垂实验。当织物模拟至稳定静止状态，3D快照导出悬垂图像并保存。虚拟悬垂实验如图1所示。

(a)虚拟悬垂仪 (b)虚拟悬垂实验图1 Style3D中虚拟悬垂实验Fig.1 Virtual drape experiment inside Style3D

2.2 悬垂图像处理

文中采用Matlab软件处理虚拟悬垂数据[10]。通过canny边缘检测和bwboundaries算法获取悬垂图像区域边界与标签；根据图像特征，获取阴影图形的曲线夹角与原点到边缘点的伸出长度。因为从图像中得到的阴影边缘由离散点组成，可通过spline拟合得到近似公式以表示这些离散点，使生成的曲线光滑，在此基础上求得织物各项悬垂指标。Matlab悬垂图像处理流程如图2所示。

图2 Matlab悬垂图像处理流程Fig.2 Matlab drape image processing flow chart

3 毛衫模拟形态优化

3.1 虚实对比

真实织物悬垂指标与通过Matlab读取的虚拟织物悬垂指标见表3。由表3可以看出，虚拟悬垂系数比真实悬垂系数平均偏大6.85%，波数几乎相同，最大波幅平均偏大1.21 cm，最小波幅平均偏小1.06 cm，平均波幅的误差值范围-1.03～1.74 cm。

表3 真实织物和虚拟织物悬垂指标比较

悬垂仪中拍摄得到的图像与Style3D导出的悬垂测试图像对比结果如图3所示。

由图3和表3可以看出，真实悬垂系数大于16%时，经纬异向性表现明显；虚拟悬垂系数大于35%时，经纬异向性表现明显；且虚拟悬垂形态的经纬异向性敏感度不如真实悬垂形态。由图3和表3还可以看出，对于硬挺感明显的织物，真实悬垂波幅略大于虚拟悬垂波幅，且虚拟悬垂波幅更均匀；对于垂坠感明显的织物，真实悬垂波幅小于虚拟悬垂波幅。

图3 虚实织物悬垂图像对比Fig.3 Comparison of virtual and real drape image

3.2 拟合优化

在3D仿真软件模拟中，弯曲是影响面料悬垂差异的主要参数[11]。由图3和表3可以看出，真实面料的悬垂效果与虚拟面料的悬垂效果有一定差异。为了得到更符合真实效果的虚拟悬垂表现，对虚拟面料的物理属性进行优化。通过调节软件内虚拟面料的弯曲物理属性数值，获得虚拟悬垂图像；再由8位纺织工程专业织物面料研究方向的研究生对图像与真实悬垂效果，从悬垂程度表现、各向异性表现、软硬表现3个维度，按50%，30%，20%权重比进行真实感评价。当评价分数大于90时，记录数据；评价分数小于90时，对弯曲参数进行调试，并再次评价，往返迭代直至评价分数均达到90以上，最终得到符合真实悬垂效果的弯曲参数值，评价流程如图4所示。

图4 评价方法流程Fig.4 Flow chart of evaluation method

将调整前后的39组弯曲属性数值进行整理，利用最小二乘法做多项式拟合[12]，即

Y=A1X3+A2X2+A3X+K=

(3)

式中：X，Y分别为调整前后的弯曲参数值；A1，A2，A3，K为拟合函数的矩阵系数。

为了选取最合适的解，引入残差平方函数

(4)

(A1A2A3)*=argminErr(A1A2A3) ，

(5)

即

(6)

令Err(A1A2A3)最小，则

(7)

采用N折交叉验证(N fold cross-validation)[13]的方法评估数据拟合的性能，经梁子超等[14]研究证明,10折交叉验证为最佳折数。因此，文中基于调整前后的弯曲属性数值，建立39+1数据集(1为来自39组数据的随机数据集)，并进行10折交叉验证，其中36组数据为训练集，4组数据为验证集。并将L2范数作为预测误差的衡量。经尝试发现，K阶多项式拟合时，K值越大，拟合的效果越好，但验证误差也越大。最后在不同的多项式阶数下，证明一阶多项式拟合结果最好。因此采用基于最小二乘法的一阶多项式进行拟合。

利用python程序获得拟合结果，对面料物理属性参数进行矫正，找到其面料物理属性偏差值校正规律，拟合结果为

(8)

(9)

拟合公式为

(10)

4 验证

选取一种新的纬平横编织物做验证实验，测试面料的物理属性和悬垂性能，并根据Style3D软件中的属性值转换关系优化数值。优化前弯曲数值为(19.02, 36.45, 28.73)，优化后为(24.8, 48.5, 41.3)。将模拟得到的悬垂图像与真实悬垂进行比较，结果表明模拟悬垂系数优化提升4.375%，波数相同，悬垂波幅优化∈[0.541, 1.095]。悬垂效果对比如图5所示。实验表明，经过物理属性参数拟合优化的模拟效果，还原度有显著提高。

图5 织物悬垂图像重叠对比Fig.5 Fabric drape image overlap contrast

5 结语

文中基于Style3D软件阐述了纬平针织物力学性能表征的优化方法。对39种纬平针织物进行了力学性能测试；在Style3D软件内搭建虚拟悬垂场景，结合测得的拉伸、弯曲性能参数，获得了虚拟悬垂图像；利用Matlab程序对其图像进行了悬垂数据计算输出，并与真实悬垂数据与图像进行对比；采用最小二乘法对优化的物理属性参数进行了拟合并作N折交叉验证，获得了在软件内纬平针组织针织面料物理属性的拟合校正方法，得到了更为准确的毛衫物理属性数值。经验证，该拟合结果适用于不同针型、材质、紧度的纬平织物物理属性参数校正，能有效提高其织物的仿真还原度。