三维人体测量技术在数字化服装中的应用

三维人体测量技术在数字化服装中的应用

三维人体测量技术是基于现代光学技术的理论，结合光电子、计算机成像、计算机科学、计算机科学、软件应用技术和传感器技术等各种科学研究的技术开发的三维测量技术。国际上对三维测量设备的研究始于20世纪50年代,目前,国际先进的三维人体扫描仪主要以光电和激光技术为基础,如英国的ModelWBX人体扫描仪、美国TC2公司的NX–163D三维扫描仪、德国的Vitus三维扫描仪等。国内对三维人体测量前期技术、原理的研究及人体扫描仪的研制开发起步较晚,近年来,在设备研制方面取得了较大进展。台湾清华大学、总后军需装备研究所与北京服装学院、江西工业职业技术学院、天津工业大学、上海和鹰机电科技股份有限公司等高校科研机构与企业均研究开发了不同的三维人体测量系统。先进的三维人体测量系统的研发及相关研究项目的开展,极大地推进了服装产业升级及数字化服装技术的深入研究与应用。基于三维人体测量的服装应用技术研究主要包括:三维人体数据库的建立与研究,人体体型分析与识别,服装三维人体建模,三维服装CAD,服装MTM与eMTM等。1建立三维人体数据库应用三维人体测量系统,从人体扫描图像表面提取测量数据的准确性已经得到了科学验证。大量的、准确的人体数据是相关产品设计研究的依据和基础,建立基于三维测量的人体数据库具有重大意义。随着三维人体扫描仪的开发与应用,20世纪90年代,世界各国纷纷开展了大规模的三维人体测量项目,建立了具有一定规模的三维人体数据库。如日本的HQL、美国的SizeUS、英国的SizeUK、韩国的SizeKOREA等;CAESAR项目建立了涵盖美国与欧洲多国的大型三维人体数据库。目前,日本已经开展了第二次大规模三维人体测量项目,更新已有的人体数据库;欧洲推出了以服装人体数据库更新和服装工业革新为目标的“e–Taylor”项目。我国在人体数据库方面的研究尚处于起步阶段,建立具有一定规模的三维人体数据库已成为服装技术与产业数字化快速发展的关键。2006年,由中国标准化研究院组织的《人类工效学国家基础数据及服装号型标准研究》子项目完成了我国4~17岁未成年人的人体抽样测量工作,样本量达两万余人。东华大学与西安工程大学开展了三维测量数据库模型、数据表示与交换规范及三维人体数据管理系统等方面的研究工作,推进了我国三维人体数据库系统的建立与完善。2体型划分方法人体体型的划分是服装号型标准中一个很重要的问题,体型的划分方法关系到号型覆盖率的大小和号型标准使用的方便程度;基于三维人体测量的人体体型细分与识别是实现服装量身定制、快速生产的重要基础。2.1测定方法和标准现行的服装号型标准中,人体体型分类的方法主要有4种:以胸腰差为划分依据,以胸臀差为划分依据,以标准臀围和臀围差划分,以身高、体重、胸围和年龄划分。2.2成年男性体型的细分化与自动识别完善的三维人体数据库提供了更加准确丰富的样本信息,扩展了体型细分研究的空间。加拿大基于CAESAR三维人体数据库,开展了三维人体扫描模型修复、数据自动提取、数据主成分分析、体积分析等方面研究工作,最终实现了成年男子体型的细分与自动识别。国内研究者针对不同样本群体,在现行服装号型标准基础之上,提出了模糊C均值聚类、核Fisher自动判别、基于SVM、基于躯干体积指数等体型分类与识别方法。2.3新档差的研究基于三维测量的体型细分研究进一步推进了服装档差、服装原型等方面的研究工作。辽东学院提出了更适合东北地区18~24岁女青年体型特征的新档差;东华大学重新修正了“东华原型”。3服装三维人体建模技术三维人体模型的建立是三维服装设计和虚拟服装展示的基础,是复杂形体几何造型、参数化设计和运动仿真的综合问题。服装三维人体建模主要有曲面建模和基于物理建模两种方法。服装三维人体测量技术的应用极大地推进了服装三维人体建模技术的发展,国内外研究者在服装人体建模领域展开了广泛深入的研究。日本三重大学基于三维人体扫描数据和几何建模技术,通过对扫描人体体表进行标记点、分割线预处理,建立精确的静态人体模型,用于服装设计;中山大学针对三维服装仿真对多样性人体模型的需求,研究了个性化三维人体建模方法;浙江大学应用神经网络技术,提出了基于截面环求取三维人体模型的建模方法,实现了由关节点驱动的人体动态建模;西安工程大学基于自制人体扫描系统,采用三角面片法构建了三维人体表面模型。4模型技术集成三维服装CAD系统是建立在三维人体模型上的,它可以集成和综合尺寸信息提取、服装设计、虚拟试衣、动画模拟及基于互联网的订做、销售和展示等技术。4.1服装技术方面的应用服装模型大体可分基于几何的模型、基于物理的模型和混合模型等3类。目前,国内外相关研究主要集中在服装模型自动设计、修改与设计复用等方面。浙江大学研究了松量服装表面模型建立与模型复用技术,实现了基于草图模式下的三维服装表面形态的更新与袖子模型的设计复用;武汉科技大学与俄罗斯伊凡诺沃州立纺织学院开展了女士保暖夹克三维建模、三维服装CAD系统开发等系列研究;德国马普信息研究所提出了基于物理的模板相似技术,对着装人体扫描并自动提取服装信息,实现服装与人体分离,建立了服装动态虚拟模型。4.2人体三维扫描与三化融合技术的转换三维服装转换成二维衣片涉及到把复杂的空间曲面展开为平面的转化技术。此过程要满足长度、面积近似相等,边界线及关键点位置相互对应等条件。转换方式主要包括有限元计算法、曲面测地曲率法和复杂曲面展开法等。该领域涉及多学科交叉、理论与实践结合,目前已开展的研究工作相对较少。香港理工大学和北京服装学院基于人体三维扫描数据,通过Delaunay三角化建模、标记点人体识别、人体曲面聚类分割等技术,初步实现了从人体扫描数据自动生成二维服装样板。东华大学通过三角测量技术将人体模型展成二维衣片,依据款式设计与面料特性合并衣片。4.3虚拟服装设计技术在计算机辅助服装设计与虚拟展示方面,研究工作主要集中在设计效果虚拟与三维试衣虚拟两个方向。法国格勒诺布尔大学与美国布朗大学共同研究了基于草图界面的服装设计虚拟技术,系统可自动实现设计师二维草图的三维服装效果虚拟;香港理工大学研究开发了“树型用户行为模型认知”服装设计系统,该系统基于设计师平面绘图过程,实现了快速准确的人机交互服装设计,同时可虚拟服装衣片缝合,展示服装设计效果;浙江科技大学与美国加利福尼亚大学共同研究开发了基于几何算法的快速三维服装模拟试衣系统。5国内外数字化服装生产的技术集成服装MTM与eMTM通过计算机技术和网络技术,将数字化人体测量、人体数据库、人体体型分类与识别、体型与服装号型样板映射、服装CAD与CAM、服装定制销售等环节与技术集成,已经成为国内外服装生产领域研究的重点及未来数字化服装生产的一个重要发展方向。5.1数字化服装批量定制基于人体扫描的定制技术将三维人体扫描与成熟的服装CAD、CAM技术集成,实现了服装的快速定制。香港中文大学基于三维人体扫描技术,综合应用服装几何建模、CSRBF神经网络、自由形态空间映射等数字技术,提高了服装定制生产效率;台湾国立清华大学从三维人体扫描、数据提取、服装CAD样板到CNC自动裁剪等方面进行系统研究,实现了数字化服装批量定制;荷兰阿姆斯特丹自由大学与韩国汉城大学面向MTM开发服装样板,通过对扫描人体表面的三角片化与合并算法,将三角片直接转化为服装裁片,进行无重叠缝合与服装三维虚拟。5.2特体识别与服装设计专家系统基于体型识别的MTM系统开发是服装MTM的主要研究方向。浙江理工大学设计并开发了基于三维测量数据的女体体型识别专家系统,针对5种典型着装的合体性要求,实现服装个性化定制;上海工程技术大学提出了根据不同体型特征细化基准样板的基本思想,据此构建了女套装快速定制系统;东华大学针对胸背特体、腹部特体和肩部特体,研究开发了特体识别与服装设计专家系统,同时,提出了服装EMTM系统架构的模块化