交互式三維服裝設(shè)計(jì)研究

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1服裝裁片的交互設(shè)計(jì)

利用CAD工具的裁片導(dǎo)入，系統(tǒng)能夠比較容易的實(shí)現(xiàn)在服裝裁片縫合到虛擬模特身上，再通過(guò)力學(xué)仿真來(lái)驗(yàn)證服裝款式在虛擬模特上的懸垂效果。而系統(tǒng)的最大好處是給服裝裁片的設(shè)計(jì)和修改提供了實(shí)時(shí)性，可以隨時(shí)修改服裝裁片的形狀并交互式的預(yù)覽新的服裝裁片縫合到一起后的服裝效果。系統(tǒng)可執(zhí)行的實(shí)時(shí)編輯主要包括：尺寸調(diào)整、改變形狀、添加飛鏢、開孔、添加縫邊、活褶、增加配件以及改變服裝面料等。除了服裝裁片能夠?qū)崟r(shí)編輯外，虛擬模特也能隨時(shí)改變體態(tài)和運(yùn)動(dòng)序列等。系統(tǒng)工作界面如圖1所示，圖1（a）顯示的是交互式服裝設(shè)計(jì)的用戶接口，圖1（b）顯示的是對(duì)服裝裁片的實(shí)時(shí)修改，及服裝款型效果的實(shí)時(shí)預(yù)覽。在服裝設(shè)計(jì)與仿真中采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法和工具，本文不但把服裝設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的新進(jìn)展引入到系統(tǒng)中，同時(shí)也希望系統(tǒng)能夠成為服裝行業(yè)中實(shí)際應(yīng)用效果良好，作為服裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)有價(jià)值的服裝原型設(shè)計(jì)工具。本文給出的系統(tǒng)架構(gòu)，主要著力解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）提供一個(gè)交互模式的設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)服裝裁片的2D設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，并實(shí)時(shí)的顯示修改后的服裝裁片在3D視圖中對(duì)裁片進(jìn)行縫合后的服裝效果。

（2）提供多種模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服裝設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化，如快速服裝縫合、著裝效果預(yù)覽、交互編輯、精確模擬和動(dòng)畫。

（3）提供高質(zhì)量的服裝仿真，不僅準(zhǔn)確地模擬變形布的彈性行為，并且模型還考慮彈性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，還能提供布料的耗散行為的精確模擬，產(chǎn)生高質(zhì)量的動(dòng)畫效果預(yù)覽。

（4）通過(guò)專用的可視化模塊，對(duì)所設(shè)計(jì)的服裝在動(dòng)態(tài)虛擬模特上的效果進(jìn)行快速的實(shí)時(shí)動(dòng)畫預(yù)覽。此外，該模塊還為網(wǎng)絡(luò)銷售的虛擬試衣提供了可能性。

（5）為具有眾多裁片、接縫及款型復(fù)雜的服裝設(shè)計(jì)提供足夠的通用性。

2面料仿真的力學(xué)模型

本文在布料仿真模塊中采用精確的力學(xué)模型，該模型是基于三角型布料表面變形的精確表達(dá)，相當(dāng)于一個(gè)一階有限元描述。模型通過(guò)使用精確的力學(xué)公式來(lái)構(gòu)建三角型布料模型平面內(nèi)的拉伸和剪切變形，還能描述布料在外力作用下的變形。模型中使用到的參數(shù)都是具有切實(shí)的物理學(xué)意義，并且適用于任何形狀的三角形布料面片網(wǎng)格。而常用的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型中的彈性系數(shù)不具有確切的物理學(xué)含義，并且質(zhì)點(diǎn)彈簧模型只適用于規(guī)則的布片網(wǎng)格。

2.1碰撞檢測(cè)與響應(yīng)

為了獲得逼真的模擬結(jié)果，我們需要執(zhí)行衣服和人體的皮層之間的碰撞的處理。碰撞的處理分為兩個(gè)階段：碰撞檢測(cè)和碰撞響應(yīng)。碰撞檢測(cè)算法測(cè)試服裝模型的軸對(duì)齊包圍盒（AxisAlignedBoundingBox,AABB）和人體模型的包圍盒之間的所有交叉點(diǎn)。對(duì)AABB模型進(jìn)行遍歷，直到葉節(jié)點(diǎn)被遍歷完。一旦發(fā)現(xiàn)兩個(gè)包圍盒相交，就應(yīng)用幾何碰撞檢測(cè)方法來(lái)測(cè)試三角形之間的碰撞，用同樣的方法檢測(cè)服裝的自碰撞。兩多邊形之間的碰撞檢測(cè)是通過(guò)檢查點(diǎn)的三角形相交和接近來(lái)完成的，類似于服裝與人體的碰撞檢測(cè)。為了避免邊緣的碰撞檢測(cè)，我們擴(kuò)大服裝裁片模型的包圍盒。碰撞檢測(cè)后，使用速度和位置校正。速度矯正類似于文獻(xiàn)中的速度矯正方法，將碰撞檢測(cè)后的速度修改為：Vres=CfricVt-CreflVn+Vhuman

（1）其中Cfric和Crefl是摩擦系數(shù)和反射系數(shù)，Vhuman是人體模型的速度，Vt和Vn是布粒子相對(duì)于人體的相對(duì)速度的切線和法線分量。如果某個(gè)點(diǎn)已通過(guò)裁片多邊形的底部或點(diǎn)到人體表面的距離低于某個(gè)閾值，就要使用位置矯正。對(duì)于第一種情況，就將點(diǎn)的位置通過(guò)公式

（2）帶到裁片表面上。P=Π+Npolygon（2）其中，P是最終位置，Π是粒子在三角形區(qū)域上的投影，Npolygon是碰撞平面的法向量。對(duì)于第二種情況，點(diǎn)的位置按照公式（3）進(jìn)行修正。P=P+Npolygon

（3）通過(guò)上述的碰撞檢測(cè)和響應(yīng)方法，系統(tǒng)具有足夠的通用性來(lái)處理復(fù)雜的多層服裝效果仿真，如圖2所示。

2.2動(dòng)態(tài)網(wǎng)格仿真

一個(gè)具有交互式設(shè)計(jì)功能的系統(tǒng)，顯然需要具有對(duì)力學(xué)模型的快速模擬和碰撞檢測(cè)與處理的能力，并能對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的任何修改，做出快速的響應(yīng)。只有能夠?qū)θ魏尾闷母膭?dòng)，做出及時(shí)的響應(yīng)，這樣的交互性才能被用戶接受。系統(tǒng)的關(guān)鍵思想是利用布片網(wǎng)格的自動(dòng)構(gòu)建，對(duì)服裝裁片的形狀和特征的改變，都能快速自動(dòng)生成修改后的服裝裁片。也就是在2D環(huán)境中的裁片形狀和大小的改變，能夠在3D環(huán)境中實(shí)時(shí)的顯示相應(yīng)的效果。

3服裝裁片的修改

服裝裁片的修改主要是改變裁片的尺寸或形狀，讓裁片更好的貼合人體。裁片網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)，織物的改變都是為了匹配新的形態(tài)。當(dāng)服裝裁片做了修改后，系統(tǒng)利用映射更新算法，來(lái)更新2D網(wǎng)格的位置。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們開發(fā)了一個(gè)擴(kuò)展的網(wǎng)格表示方法，每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)它之前的位置，也就是說(shuō)新的網(wǎng)格頂點(diǎn)知道自己從哪個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)變換而來(lái)。當(dāng)其中一個(gè)頂點(diǎn)移位，所有相關(guān)的網(wǎng)格頂點(diǎn)是根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的系數(shù)加權(quán)求和來(lái)更新，如圖3所示。圖3裁片的交互編輯這個(gè)方法的最大好處是：2D環(huán)境中服裝裁片的任何改變，都不會(huì)改變3D環(huán)境中的服裝的表面形態(tài)。這樣就允許設(shè)計(jì)師對(duì)服裝裁片的形狀或尺寸做任意的調(diào)整和修改，無(wú)論在服裝設(shè)計(jì)的任何階段，都能根據(jù)修改后的裁片來(lái)生成相應(yīng)的服裝款式效果，服裝最終的布料效果是不變的，如圖4中的A-C所示。

4服裝表面的重新定位

當(dāng)對(duì)服裝裁片做了比較大的修改或裁片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)（新特性、添加飛鏢和孔），那么上述進(jìn)程不能被應(yīng)用于服裝裁片的網(wǎng)格更新。為了避免服裝重建和著衣效果的二次生成，需要一個(gè)自動(dòng)的網(wǎng)格替換過(guò)程，用舊網(wǎng)格來(lái)替換新網(wǎng)格，這個(gè)過(guò)程如圖4中的C-F所示。當(dāng)對(duì)服裝裁片有任何修改和調(diào)整時(shí)，服裝裁片設(shè)計(jì)模塊能夠自動(dòng)的將修改之前的裁片網(wǎng)格頂點(diǎn)位置依據(jù)對(duì)裁片的調(diào)整和修改進(jìn)行更新，也能很直觀的顯示新設(shè)計(jì)的效果。同樣的過(guò)程也可用于動(dòng)態(tài)地從將一個(gè)網(wǎng)格分辨率切換到另一個(gè)，這主要取決于一個(gè)特定的設(shè)計(jì)步驟所需的互動(dòng)性或準(zhǔn)確性，如圖4中F-G所示。要讓衣服和人體恰當(dāng)配合，就需要在設(shè)計(jì)服裝時(shí)考慮到人體的姿態(tài)及身體尺寸等相關(guān)的人體信息。系統(tǒng)必須具有依據(jù)人體來(lái)調(diào)整服裝尺寸的功能，而不是對(duì)不同的人體重新設(shè)計(jì)和生成相應(yīng)的服裝。服裝變形數(shù)據(jù)可以很容易的從服裝面料的力學(xué)模型中提取出來(lái)，然后依據(jù)提取出來(lái)的數(shù)據(jù)和人體尺寸的相關(guān)信息，生成新的服裝版型。不但如此，系統(tǒng)還允許根據(jù)人體相關(guān)信息生成對(duì)應(yīng)的虛擬人體模型。將三維服裝模型與虛擬人體模型進(jìn)行匹配，很直觀的展示服裝的著衣效果，如圖5所示。系統(tǒng)除了能夠根據(jù)不同的人體，生成相應(yīng)尺寸的服裝，直觀展示著衣效果外，還能根據(jù)人體姿勢(shì)改變，顯示動(dòng)態(tài)的著衣效果，如圖6所示。6總結(jié)隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件被廣泛的使用到服裝設(shè)計(jì)中。本文針對(duì)服裝的交互設(shè)計(jì)需求，提出了一種交互式的服裝設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用到三維CAD服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)將2D環(huán)境的裁片設(shè)計(jì)與3D環(huán)境的服裝款式效果展示進(jìn)行智能集成，允許設(shè)計(jì)師對(duì)服裝款式與服裝裁片進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改，并能在3D環(huán)境中實(shí)時(shí)的顯示修改后的服裝的著衣效果。（本文來(lái)自于《輕工科技》雜志。《輕工科技》雜志簡(jiǎn)介詳見）

作者：于芳單位：惠州學(xué)院服裝系