交互式三維服裝設計研究

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1服裝裁片的交互設計

利用CAD工具的裁片導入，系統能夠比較容易的實現在服裝裁片縫合到虛擬模特身上，再通過力學仿真來驗證服裝款式在虛擬模特上的懸垂效果。而系統的最大好處是給服裝裁片的設計和修改提供了實時性，可以隨時修改服裝裁片的形狀并交互式的預覽新的服裝裁片縫合到一起后的服裝效果。系統可執行的實時編輯主要包括：尺寸調整、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。除了服裝裁片能夠實時編輯外，虛擬模特也能隨時改變體態和運動序列等。系統工作界面如圖1所示，圖1（a）顯示的是交互式服裝設計的用戶接口，圖1（b）顯示的是對服裝裁片的實時修改，及服裝款型效果的實時預覽。在服裝設計與仿真中采用創新的設計方法和工具，本文不但把服裝設計與仿真領域相關的計算機圖形學的新進展引入到系統中，同時也希望系統能夠成為服裝行業中實際應用效果良好，作為服裝設計領域的一個有價值的服裝原型設計工具。本文給出的系統架構，主要著力解決了以下幾個問題：

（1）提供一個交互模式的設計環境，能夠實時的對服裝裁片的2D設計進行修改，并實時的顯示修改后的服裝裁片在3D視圖中對裁片進行縫合后的服裝效果。

（2）提供多種模擬技術，實現服裝設計過程的優化，如快速服裝縫合、著裝效果預覽、交互編輯、精確模擬和動畫。

（3）提供高質量的服裝仿真，不僅準確地模擬變形布的彈性行為，并且模型還考慮彈性應力-應變曲線，還能提供布料的耗散行為的精確模擬，產生高質量的動畫效果預覽。

（4）通過專用的可視化模塊，對所設計的服裝在動態虛擬模特上的效果進行快速的實時動畫預覽。此外，該模塊還為網絡銷售的虛擬試衣提供了可能性。

（5）為具有眾多裁片、接縫及款型復雜的服裝設計提供足夠的通用性。

2面料仿真的力學模型

本文在布料仿真模塊中采用精確的力學模型，該模型是基于三角型布料表面變形的精確表達，相當于一個一階有限元描述。模型通過使用精確的力學公式來構建三角型布料模型平面內的拉伸和剪切變形，還能描述布料在外力作用下的變形。模型中使用到的參數都是具有切實的物理學意義，并且適用于任何形狀的三角形布料面片網格。而常用的質點-彈簧模型中的彈性系數不具有確切的物理學含義，并且質點彈簧模型只適用于規則的布片網格。

2.1碰撞檢測與響應

為了獲得逼真的模擬結果，我們需要執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階段：碰撞檢測和碰撞響應。碰撞檢測算法測試服裝模型的軸對齊包圍盒（AxisAlignedBoundingBox,AABB）和人體模型的包圍盒之間的所有交叉點。對AABB模型進行遍歷，直到葉節點被遍歷完。一旦發現兩個包圍盒相交，就應用幾何碰撞檢測方法來測試三角形之間的碰撞，用同樣的方法檢測服裝的自碰撞。兩多邊形之間的碰撞檢測是通過檢查點的三角形相交和接近來完成的，類似于服裝與人體的碰撞檢測。為了避免邊緣的碰撞檢測，我們擴大服裝裁片模型的包圍盒。碰撞檢測后，使用速度和位置校正。速度矯正類似于文獻中的速度矯正方法，將碰撞檢測后的速度修改為：Vres=CfricVt-CreflVn+Vhuman

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

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

（3）通過上述的碰撞檢測和響應方法，系統具有足夠的通用性來處理復雜的多層服裝效果仿真，如圖2所示。

2.2動態網格仿真

一個具有交互式設計功能的系統，顯然需要具有對力學模型的快速模擬和碰撞檢測與處理的能力，并能對設計過程中的任何修改，做出快速的響應。只有能夠對任何裁片的改動，做出及時的響應，這樣的交互性才能被用戶接受。系統的關鍵思想是利用布片網格的自動構建，對服裝裁片的形狀和特征的改變，都能快速自動生成修改后的服裝裁片。也就是在2D環境中的裁片形狀和大小的改變，能夠在3D環境中實時的顯示相應的效果。

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。裁片網格頂點的坐標，織物的改變都是為了匹配新的形態。當服裝裁片做了修改后，系統利用映射更新算法，來更新2D網格的位置。為了達到這個目的，我們開發了一個擴展的網格表示方法，每個網格頂點會存儲它之前的位置，也就是說新的網格頂點知道自己從哪個網格頂點變換而來。當其中一個頂點移位，所有相關的網格頂點是根據存儲數據結構中的系數加權求和來更新，如圖3所示。圖3裁片的交互編輯這個方法的最大好處是：2D環境中服裝裁片的任何改變，都不會改變3D環境中的服裝的表面形態。這樣就允許設計師對服裝裁片的形狀或尺寸做任意的調整和修改，無論在服裝設計的任何階段，都能根據修改后的裁片來生成相應的服裝款式效果，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

當對服裝裁片做了比較大的修改或裁片的拓撲結構發生變化時（新特性、添加飛鏢和孔），那么上述進程不能被應用于服裝裁片的網格更新。為了避免服裝重建和著衣效果的二次生成，需要一個自動的網格替換過程，用舊網格來替換新網格，這個過程如圖4中的C-F所示。當對服裝裁片有任何修改和調整時，服裝裁片設計模塊能夠自動的將修改之前的裁片網格頂點位置依據對裁片的調整和修改進行更新，也能很直觀的顯示新設計的效果。同樣的過程也可用于動態地從將一個網格分辨率切換到另一個，這主要取決于一個特定的設計步驟所需的互動性或準確性，如圖4中F-G所示。要讓衣服和人體恰當配合，就需要在設計服裝時考慮到人體的姿態及身體尺寸等相關的人體信息。系統必須具有依據人體來調整服裝尺寸的功能，而不是對不同的人體重新設計和生成相應的服裝。服裝變形數據可以很容易的從服裝面料的力學模型中提取出來，然后依據提取出來的數據和人體尺寸的相關信息，生成新的服裝版型。不但如此，系統還允許根據人體相關信息生成對應的虛擬人體模型。將三維服裝模型與虛擬人體模型進行匹配，很直觀的展示服裝的著衣效果，如圖5所示。系統除了能夠根據不同的人體，生成相應尺寸的服裝，直觀展示著衣效果外，還能根據人體姿勢改變，顯示動態的著衣效果，如圖6所示。6總結隨著計算機圖形學的發展，計算機輔助設計（CAD）軟件被廣泛的使用到服裝設計中。本文針對服裝的交互設計需求，提出了一種交互式的服裝設計方法，并將其應用到三維CAD服裝設計系統中。該系統將2D環境的裁片設計與3D環境的服裝款式效果展示進行智能集成，允許設計師對服裝款式與服裝裁片進行實時的修改，并能在3D環境中實時的顯示修改后的服裝的著衣效果。（本文來自于《輕工科技》雜志。《輕工科技》雜志簡介詳見）

作者：于芳單位：惠州學院服裝系