基于样板处理的服饰文物三维模型优化方法

刘安璐，苏军强，张蓓蓓

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021； 2.江南大学 设计学院，江苏 无锡 214122；3.苏州大学 艺术学院，江苏 苏州 215021)

服装的主要构成成分是纤维，纤维属于有机物，易受环境的影响而降解，因此服装遗产较为脆弱，无法进行长时间的物理展示。虚拟现实技术与可视化技术的发展，将现代科技融入到抽象的文化保护中[1]，使得服饰类文物能够以三维模型的形式进行虚拟展示[2]。相较于传统的物理展示，虚拟展示解除了时间与空间对服装展示的限制[3]，且不会对服饰文物造成任何损害。但三维虚拟展示仍然未成为国内各大博物馆展示中国传统服饰文物的主流形式。其主要原因是：移动平台与网页平台的计算性能是有限的，而博物馆的虚拟展示需要同时投入大量精细的、高数据量的服装三维模型。大量的模型应用到虚拟展示中会占用很多的存储空间与内存空间，影响计算机CPU(中央处理器)与GPU(图像处理器)的计算与运行效率[4]，进而导致模型展示时加载时间延长，实时画面卡顿，系统响应速度慢等问题。因此，构造轻量化的服装三维模型是实现服饰文物虚拟展示的有效途径[5]。

服装的三维模型通常基于真实的服装样板模拟获得[6]。中国古代服饰服装结构复杂，交叠缠绕，基于其真实样板制作的三维模型存在大量样板之间相互交叠的情况，交叠部分样板会使模型产生大量冗余的三角形，这些三角形无需在场景中显示，但是却增加了模型的面数与数据量。由于模型在虚拟展示中运行的每一帧画面都依靠着CPU和GPU的实时计算[7]，所以这些冗余的三角形在运行时会影响系统的运算与传输效率[8]。因此，为构建古代服饰的轻量化模型，使模型适应计算机的运算与传输能力，尝试对其服装样板进行修改优化。本文以马王堆一号汉墓出土的“信期绣”褐罗绮曲裾棉袍(329-10)为例，探究其在虚拟展示中的样板修改方法，构造其轻量化模型，以期为其他服饰文物轻量化模型的构造提供参考借鉴。

1 曲裾袍服样板图绘制

1.1 曲裾袍服样板结构分析

马王堆一号汉墓共出土曲裾类袍服9件，它们的款式风格与结构风格基本一致[9]，只在单、夹的厚度有所区别[10]。由湖南省博物馆与中国科学院考古研究所所著的《长沙马王堆一号汉墓》对“信期绣”褐罗绮棉袍(329-10)的款式形制与样板结构进行了分析与说明，并绘制出了该袍服的款式图，如图1所示。

图1 款式图

从图1中可以看出，“信期绣”褐罗绮棉袍(329-10)属于上下连属制的深衣结构类型，由上衣部分与下裳部分在腰线处拼缝而成，在领口处、袖口处、衣襟处以及下摆处都具有宽阔的缘边结构。上衣部分为5幅面料正裁(“信期绣”褐罗绮棉袍所用罗绮的布幅宽度为38.8 cm)，共6片，大身部2片，宽度为完整幅宽，长度为114 cm，两袖各2片，靠近大身部的袖片宽度为1幅，长76 cm，靠近袖缘的袖片宽度为半幅，长度为67 cm，6片裁片拼接缝合，再在腋下缝起。下裳部分为4幅面料正裁斜拼，斜度为25°，共4片，宽均为1幅，长度分别为110、81、73、59 cm，4片裁片横向拼缝后整体旋转至特定角度，腰口线根据上衣腰口线的形状调整修剪。上衣与下裳独立裁剪，在腰线处缝合，形成封闭的中腰线。缘边部分均为斜裁，领缘为23 cm，袖缘为33 cm，襟缘与摆缘为28 cm，主体由3片或4片起毛锦拼缝而成，外侧为从袍里边缘翻出的5 cm窄绢条。

1.2 曲裾袍服样板图

基于《长沙马王堆一号汉墓》中对“信期绣”褐罗绮棉袍(329-10)的形制分析与结构分析，再结合书中所提供该袍服各部位的尺寸数据，绘制其样板图如图2所示。

图2 样板图

2 样板处理正交试验设计

借助Clo3D软件对“信期绣”褐罗绮棉袍(329-10)的实际样板进行模拟，得到其三维模型，如图3所示。

由图3可以看出，该服装模型中存在大量衣片交叠的情况(交衽处、衽角处、曲裾处)，产生了大量冗余的三角形，增加了模型的面数与数据量。为消除这些冗余面数对计算机资源的浪费，提高模型在展示平台的应用效果，对“信期绣”褐罗绮棉袍的虚拟样板进行修改处理，以构造该曲裾袍服的轻量化模型。

图3 三维模型

2.1 试验指标的确定

为得到优化该曲裾袍服三维模型的样板修改规则，设计正交试验。正交试验的目的是提高模型在移动平台的应用效果，故设模型应用效果的评价指标为试验指标。

模型的面数与顶点数越大，其数据量就越大，在运行展示的过程中就会占用更多的内存空间。因此，模型在移动平台的应用效果与模型的面数、顶点数成负相关，以此为依据，设定模型的面数、顶点数为试验指标1、2。

除此之外，样板处理不能影响模型原本模拟出的外观效果。因此设置模型的外观效果为试验指标3，该指标以主观评价的方式测评经过处理后的样板模型外观效果与初始模型是否一致。

2.2 试验因素的确定

曲裾袍服里料的结构处理方式与面料完全一致，且里料样板在模型中完全被遮挡，将其全部删除不会影响模型的外观效果，故里料样板不做考虑，直接删除。

袍服模型的样板交叠图如图4所示。从图中可以看出，样板12，19，20在模型中被完全遮挡，无法在场景中显示，也可直接删除。样板3，7，10，11，17，18，26，27在模型中被部分遮挡，如图4所示，图中三角形部分代表被遮挡的部分样板，方形部分代表未被遮挡的部分样板，粗黑线a、b、c、d为样板交叠线。由于袍服模型的领口处、曲裾处以及交衽处并不是完全闭合的，将被遮挡的部分样板全部删除无法保证模型的外观效果与初始样板模型一致。因此，样板3，7，10，11，17，18，26，27的删减方案则需通过具体试验确定。

图4 样板交叠图

以线段a、b、c、d4条样板交叠线为依据将样板3，7，10，11，17，18，26，27分为以下4类，并以此作为正交试验的4个试验因素：

①样板10，11，17，18的样板交叠线均为线段a，且都被襟缘样板遮盖，但穿着状态下的曲裾袍服在襟缘处不是闭合的，将被遮盖的样板全部删除无法保证模型的外观效果，但将该部分样板全部保留会增加模型的冗余度。因此，设置3组水平数：沿线段a修改原始样板、保留线段a下5 cm部分样板、线段a下交叠部分样板全部保留。

②样板26，27的样板交叠线均为线段b，且都被领缘样板遮挡，而曲裾袍服领口交衽处也不是闭合状态。因此，同样设置3组水平数：沿线段b修改原始样板、保留线段b下3 cm部分样板、线段b下交叠部分样板全部保留。

③样板7与样板3后半部分的样板交叠线均为线段c，且都被衽角样板遮盖。曲裾袍服的衽角处也非闭合状态，设置3组水平数：沿线段c修改原始样板、保留线段c下1 cm部分样板、线段c下交叠部分样板全部保留。

④样板3前半部分的样板交叠线为d，同样板26，27一样被领缘样板遮挡。因此，设置与样板26，27同样的3组水平数：沿线段d修改原始样板、保留线段d下3 cm部分样板、线段d下交叠部分样板全部保留。

3 袍服模型效果分析

3.1 正交试验结果分析

根据以上分析，设样板10，11，17，18的修改方案为因素A，样板26，27的修改方案为因素B，样板7与样板3后半部分的修改方案为因素C，样板3前半部分的修改方案为因素D，以此为基础设计4因素3水平正交试验表，具体见表1。

在相同的模拟环境下，分别对试验组中的9组袍服样板进行模拟建模，得到其三维模型。分别测量1～9号模型的面数与顶点数，并以主观评价的方式判断其外观效果与初始样板模型是否一致，得到试验结果如表1所示。

表1 正交试验1

初始样板模型的面数为68 722,顶点数为37 730。9组样板处理方案虽然有效地降低了模型的面数与顶点数，但均对模型的外观效果产生了影响，并不符合预期的试验结果，所以曲裾袍服样板处理方案的最优的水平组合并不在以上正交设计所指定的试验当中，需进一步设计正交试验。

观察1～9号模型可发现，试验因素A1，B1，C1，D1是引起其与初始样板模型在外观效果上产生较大差异的主要原因，如图5所示。故将试验因素的水平A1，B1，C1，D1删除，重新设计4因素2水平的正交试验，具体见表2。在与之前相同的模拟环境中，再次对试验组中的8组样板进行虚拟模拟缝合，得到其曲裾袍服模型，测算8组模型的面数与顶点数，并以主观评价的方式判断其外观效果与初始样板模型是否一致，得到试验结果如表2所示。

图5 外观效果差异产生原因

由表2可知，试验得到的8组袍服模型冗余度大幅度降低，其外观也均符合预期的试验结果。对试验结果进行极差分析，结果如表2所示。面数与顶点数越小，模型的应用效果越好。因此，取面数与顶点数最小值所对应的水平，以此为依据确定出的最优的水平组合为A1B1C1D1。

表2 正交试验2

3.2 袍服样板修改图

基于以上分析，可得到构造曲裾袍服三维轻量化模型样板修改的最佳方案：将样板12，19，20以及里料样板全部删除，保留样板10，11，17，18的样板交叠线下5 cm部分样板，保留样板26，27交叠线下3 cm部分样板，保留样板7交叠线下1 cm部分样板，保留样板3前半部分交叠线下3 cm部分样板以及后半部分交叠线下1 cm部分样板，如图6所示。

图6 样板修改规则图

初始样板模型的面数为68 722，顶点数为37 730。修改后的样板模型的面数为27 729，顶点数为15 298，较初始样板面数减少了59.7%，顶点数减少了59.4%，数据量下降了49.6%，模型冗余度大幅度降低。

4 模型应用效果检验

为客观描述模型应用效果提升的程度，设初始样板模型为参照模型，修改后的样板模型为检验模型。以模型上传至移动平台的时间、模型运行时对CPU占用率以及模型运行时对GPU占用率3个指标对其进行检验[11]。

4.1 模型上传时间

在相同的网络环境中，记录6次参照模型与对照模型上传至网页移动平台所需时间，并计算其平均值，结果如表3所示。样板的修改有效降低了模型的上传时间，对照模型的上传时间较参照模型减少了61.1%，显著提高了模型的应用效果。

表3 模型上传时间

4.2 CPU与GPU的占用率

在相同的网络环境中，分别记录2次参照模型与模型在30 s内模拟展示时各个节点的CPU与GPU的占用率[12]，结果如图7、8所示。修改后的样板明显降低了模型在运行展示时的CPU与GPU占用率，提高了模型的在移动平台的应用效果[13]。

图7 CPU参数对比

图8 GPU参数对比

5 样板处理方法的普适性评价

为验证文章提出的“基于正交试验，通过样板处理以构造轻量化服装三维模型”的方法的普适性，选择2件与曲裾袍服服装结构不同的传统服饰，对其进行样板处理，构造其轻量化服装三维模型，结果如表4所示。2件服饰模型的面数与顶点数均呈现大幅度下降，应用效果得到了提升。通过主观观察可以发现，2件古代服饰模型的外观效果均未受样板处理的影响。

表4 普适性测试结果

由此可知，本文所提出的“基于正交试验，通过样板处理以构造轻量化服装三维模型”的方法具有一定的普适性，能够为其他服饰文物轻量化模型的构造提供参考借鉴。

6 结 论

以秦汉时期的曲裾袍服为研究对象，基于对其服装样板结构特点的分析，通过2组正交试验，得到了构造其轻量化模型样板的修改方案。经过样板处理后的袍服模型在外观效果不受影响的前提下，模型面数降低了59.7%，模型顶点数降低了59.4%，且经模型应用效果检验，修改后的模型大幅度降低了运行展示时对计算机CPU(中央处理器)与GPU(图像处理器)的占用率。相较于基于原始样板构造的袍服模型，修改后样板构造的轻量化袍服三维模型在运行展示时，很大程度上减少了对计算机资源与空间的浪费，在移动平台的应用效果得到了大幅度的提升。

此外，对该样板处理方法进行普适性评价得出，该样板修改方法不仅适用于曲裾袍服，也对构造其他服饰的轻量化模型具有一定的借鉴意义。以此方法论对服饰文物模型进行精简优化，可以让更多的服饰文物模型投入虚拟平台进行展示，促进服饰文化在新媒体空间下的传播。