孫新建,鄧詠梅

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

傳統(tǒng)服裝壓力的測(cè)量[1]是將壓力接收單元插入人體和服裝接觸點(diǎn)。 這種方法只允許在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,服裝壓力分布[2]的預(yù)測(cè)精度不高,無(wú)法根據(jù)服裝壓力舒適性[3-6]實(shí)現(xiàn)高精度服裝的設(shè)計(jì)。 從20世紀(jì)90年代后半期開(kāi)始,就有研究將服裝模型應(yīng)用到人體模型(實(shí)體)精準(zhǔn)計(jì)算服裝壓的壓力分布,所有這些研究都使用了有限元建模計(jì)算方法。 Niwaya H 等[7]通過(guò)有限元方法構(gòu)建模型,將較大尺寸的衣服模型應(yīng)用于人體模型計(jì)算與人體模型接觸區(qū)域的衣服壓力,但是不涉及與人體模型緊密接觸的衣服壓力計(jì)算。 Zhang[8],Yeung 等[9]通過(guò)有限元方法建模,通過(guò)模擬人體和服裝間的動(dòng)態(tài)接觸,得到女性在以恒定速度慢步時(shí)的動(dòng)態(tài)服裝壓力分布。Li等[10]提供一個(gè)三維生物力學(xué)模型,模擬女性在以恒速向前行走時(shí),人體和胸罩之間的動(dòng)態(tài)相互作用,包括胸罩的變形、壓力、應(yīng)力分布及人體胸部的應(yīng)力分布。Sonoko Ishimaru等[11]提出一種用計(jì)算機(jī)模擬編織的針織衣服模型， 并將其與人體模型緊密接觸， 計(jì)算相互接觸時(shí)服裝壓力。以上所有計(jì)算都是建立在高效精準(zhǔn)的模型基礎(chǔ)上。 本文應(yīng)用逆向工程技術(shù)得到心電監(jiān)測(cè)服曲面和人體曲面模型, 并分別進(jìn)行曲面處理、有限元網(wǎng)格劃分,從而得到曲面符合光滑精度要求的心電監(jiān)測(cè)服網(wǎng)格模型和人體網(wǎng)格模型。

1 監(jiān)測(cè)服和人體模型數(shù)字化模擬

心電監(jiān)測(cè)服與人體壓力仿真模型的建立，在前期模型處理過(guò)程中屬于逆向工程[12]的范疇。實(shí)物原型的三維數(shù)字化信息(點(diǎn)云數(shù)據(jù))的采集直接影響到后期數(shù)字模型曲面質(zhì)量、精度、成型效率及后續(xù)的有限元仿真分析。文中提出的基于逆向工程的心電監(jiān)測(cè)服和人體模型數(shù)字化建模方法流程見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)的五導(dǎo)聯(lián)[13]心電監(jiān)測(cè)服[14]款式如圖2(a)所示?？钍綀D中紅色部位的RA,LA,V2,RL,LL為紡織電極,黑色線(xiàn)為導(dǎo)線(xiàn),5根導(dǎo)線(xiàn)匯聚于電極扣處。在穿著五導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測(cè)服的標(biāo)準(zhǔn)男性人模上(見(jiàn)圖2(b)),無(wú)規(guī)則地貼標(biāo)記點(diǎn),標(biāo)記點(diǎn)的距離在3～5 cm之間。然后使用Creamform形創(chuàng)公司下的HandySCAN 3D 手持式三維掃描儀對(duì)模型整體掃描,并以O(shè)BJ的格式保存模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖 1 心電監(jiān)測(cè)服和人體模型建模流程Fig.1 The process of ECG monitoring clothing and human body model modeling

(a) 款式圖 (b) 實(shí)物圖圖 2 心電監(jiān)測(cè)服Fig.2 ECG monitoring clothing

1.1 監(jiān)測(cè)服和人體模型的提取

把掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Geomagic studio軟件后,首先呈現(xiàn)的是多邊形對(duì)象,模型的修補(bǔ)必須在多邊形階段完成。為提高模型運(yùn)算效率,用多邊形階段修補(bǔ)命令中的裁剪工具裁掉穿著衣服模型的下半部分。在用平面進(jìn)行裁剪時(shí)(在對(duì)象上疊加一個(gè)平面并移除該平面一側(cè)的所有三角形,或在交點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)人工邊界)一定要選擇3個(gè)點(diǎn)的對(duì)齊平面法。即在衣服下擺邊緣選擇3個(gè)點(diǎn),3個(gè)點(diǎn)的位置連線(xiàn)以能構(gòu)成鈍角三角形為最佳,這樣可以使平面裁剪得更加精準(zhǔn)。在同樣的位置以同樣的裁剪方法得到未穿心電監(jiān)測(cè)服的人臺(tái)。

通過(guò)多邊形階段的套索工具把人臺(tái)裁剪掉并提取出獨(dú)立的心電監(jiān)測(cè)服,然后經(jīng)過(guò)多邊形階段的最佳擬合對(duì)齊，使心電監(jiān)測(cè)服和人體模型的相同部分重合,并使心電監(jiān)測(cè)服與人體模型的坐標(biāo)系對(duì)齊,以便在之后的建模和有限元分析中,使之始終保持已經(jīng)裝配好的位置。

1.2 模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

在Geomagic studio軟件中把多邊形階段裝配好的模型分別轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)點(diǎn)云階段的非連結(jié)項(xiàng)，去除體外孤點(diǎn)、減少噪音、曲率采樣，最后得到點(diǎn)云階段模型的心電監(jiān)測(cè)服和裝配好的模型，如圖3(a),(b)所示。為了得到一個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的人體模型,用對(duì)稱(chēng)截面在人體模型的矢狀面處剪裁人體模型,得到位于一側(cè)的半個(gè)人體模型,并鏡像得到完全對(duì)稱(chēng)的人體模型點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖3(c)所示。

(a) 心電監(jiān)測(cè)服 (b) 模型裝配 (c) 對(duì)稱(chēng)的人體 點(diǎn)云 點(diǎn)云 模型點(diǎn)云圖 3 點(diǎn)云階段的模型Fig.3 Model of point cloud stage

2 監(jiān)測(cè)服和人體模型的建立

2.1 多邊形階段模型修復(fù)

經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理的監(jiān)測(cè)服和人體模型在Geomagic studio軟件中分別轉(zhuǎn)換為多邊形,再由軟件中的網(wǎng)格醫(yī)生處理,在類(lèi)型中選擇自動(dòng)修復(fù)。然后依次經(jīng)過(guò)封裝小面體、曲率填充、刪除釘狀物(選擇平滑級(jí)別)、松弛(把參數(shù)中的曲率優(yōu)先調(diào)到最大值)等功能鍵處理,得到多面體階段模型，如圖4所示。

(a) 監(jiān)測(cè)服多 (b) 監(jiān)測(cè)服和人 (c) 人體模型 邊形 體模型裝配圖 4 多邊形階段的模型Fig.4 Model of polygon stage

2.2 精確曲面階段模型的處理

精確曲面是一組四邊曲面片的集合體。首先根據(jù)模型表面的曲率生成輪廓線(xiàn),并對(duì)輪廓線(xiàn)進(jìn)行編輯,通過(guò)劃分輪廓線(xiàn)將模型整個(gè)表面劃分為多個(gè)獨(dú)立的曲面區(qū)域。對(duì)各個(gè)區(qū)域鋪設(shè)曲面片,使模型成為一個(gè)由較小的四邊形曲面片組成的集合體。然后將每個(gè)四邊形曲面片經(jīng)格柵處理為指定分辨率的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),將每個(gè)曲面片擬合成NURBS曲面[15],并進(jìn)行曲面合并,得到最終的精確曲面。相鄰曲面之間是滿(mǎn)足全局G1連續(xù)的。精確曲面階段的目的在于通過(guò)相切、連續(xù)的曲面片有效地表達(dá)模型形狀,進(jìn)而獲得規(guī)則的、合適形狀的曲面。本文根據(jù)模型以二次曲面為主的特征,選擇手動(dòng)曲面化中的探測(cè)輪廓線(xiàn)方法。

2.2.1 構(gòu)造人體特征線(xiàn) 通過(guò)Geomagic studio對(duì)提取的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化及擬合質(zhì)量檢測(cè),可得到高精度特征截面曲線(xiàn)[16]。特征截面提取最關(guān)鍵步驟為特征數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型的建立與求解。假定:

(1) 用Si(i=1,2,…,n)表示特征截面數(shù)據(jù)中各段數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)曲線(xiàn),點(diǎn)Qik表示第i段數(shù)據(jù)段中的第k個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)(k=1,2,…,m), 測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)Qik到目標(biāo)曲線(xiàn)Si的距離為d(Qik,Si);

(2)n段曲線(xiàn)的s維向量表示為X={x1,x2,…,xs},向量X集合了n段曲線(xiàn)的所有參數(shù);

(3)n段曲線(xiàn)之間滿(mǎn)足約束集Cj(X)=0,j=1,2,…,l。約束優(yōu)化模型為

先用拉格朗日乘數(shù)法將該優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化成無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題,再用非線(xiàn)性最小二乘算法中的列文伯格-馬奈爾特法求解。特征截面曲線(xiàn)提取過(guò)程,如圖5所示。

(a) 特征線(xiàn)截面 (b) 截面預(yù)處理 (c) 截面特征線(xiàn) 選取 數(shù)據(jù) 提取結(jié)果圖 5 截面曲線(xiàn)特征提取Fig.5 Feature extraction of section curve

2.2.2 分隔符的劃分及輪廓線(xiàn)的提取 基于上述提取特征線(xiàn)的模型,在Geomagic studio中點(diǎn)擊精確曲面功能。根據(jù)心電監(jiān)測(cè)服穿著到人體模型上的5個(gè)電極位置,選擇工具欄中曲線(xiàn)功能命令鍵中的從截面創(chuàng)建功能鍵,分別在胸上圍所在水平面曲線(xiàn)、胸圍線(xiàn)、腰圍線(xiàn)、矢狀切面橫截曲線(xiàn)和額狀切面橫截曲線(xiàn)處建立特征線(xiàn),如圖6(a)所示。

在Geomagic studio中經(jīng)過(guò)探測(cè)輪廓線(xiàn)、計(jì)算分隔符、編輯合并區(qū)域功能鍵的依次處理生成新的分隔符。按照上述步驟以人體模型胸上圍所在水平面曲線(xiàn)、胸圍線(xiàn)、腰圍線(xiàn)、矢狀切面橫截曲線(xiàn)和額狀切面橫截曲線(xiàn)為準(zhǔn)選擇直線(xiàn)，分別繪制分隔符,如圖6(b)所示。然后依據(jù)繪制的分隔符模型抽取輪廓線(xiàn),并進(jìn)行編輯、細(xì)分或延伸,最終以網(wǎng)格線(xiàn)的形式保存在人體模型中,使得特征曲線(xiàn)信息在有限元分析計(jì)算中保存完整。

(a) 特征線(xiàn)提取 (b) 分隔符繪制圖 6 依據(jù)提取特征線(xiàn)繪制分隔符Fig.6 Drawing separators based on extracted feature lines

2.2.3 曲面擬合 根據(jù)自動(dòng)估計(jì)模型的曲面片數(shù),利用Geomagic studio 曲面片中的移動(dòng)面板功能編輯曲面片得到規(guī)整的曲面片,如圖7(a)所示。在Geomagic中劃分的網(wǎng)格都是幾何性的網(wǎng)格[17],網(wǎng)格的稀疏密度[18]要合理控制。然后經(jīng)過(guò)構(gòu)造格柵、模型的曲面擬合,輸出精簡(jiǎn)的NURBS曲面,并以IGES格式保存輸出，如圖7(b)所示。

(a) 曲面片編輯 (b) 人體模型NURBS曲面圖 7 擬合后的NURBS曲面Fig.7 Fitted NURBS Surface

2.3 心電監(jiān)測(cè)服模型處理

2.3.1 曲面光順處理 經(jīng)掃描的心電監(jiān)測(cè)服模型電極處的表面有凸起。一方面會(huì)影響曲面的質(zhì)量，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件中的幾何精確性。另一方面，在ABAQUS/standard建模中,需要描述監(jiān)測(cè)服和人體模型的2個(gè)接觸面的相對(duì)滑動(dòng),并且面面之間的有限滑移必須光滑,否則會(huì)出現(xiàn)收斂問(wèn)題。所以要進(jìn)行特征點(diǎn)的消除,并在后期分析中在電極處做出相應(yīng)標(biāo)記。將圖4(a)的心電監(jiān)測(cè)服經(jīng)Geomagic studio中多邊形階段的特征點(diǎn)消除、裁剪、曲率填充后依次得到曲率光滑的監(jiān)測(cè)服模型，如圖8(a)所示。

心電監(jiān)測(cè)服模型的建立同人體模型建立過(guò)程相似。在Geomagic studio中依次經(jīng)過(guò)提取特征線(xiàn)、探測(cè)輪廓線(xiàn)、繪制分隔符、細(xì)分或延伸輪廓線(xiàn)、構(gòu)造格柵等處理,最終擬合生成NURBS曲面,并以IGES格式保存輸出，如圖8(b)所示。

(a) 特征點(diǎn)消除 (b) 監(jiān)測(cè)模型NURBS曲面圖 8 心電監(jiān)測(cè)服模型曲面的擬合Fig.8 Fitting of model surface of ECG monitoring clothing model

2.3.2 人體模型的實(shí)體化處理 在逆向工程軟件中所構(gòu)建的NURBS曲面模型為殼體模型。由于有限元分析軟件需要實(shí)體模型的支持,因此需要填充實(shí)體化處理。經(jīng)過(guò)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只是模型的表面形態(tài),經(jīng)過(guò) Geomagic 處理過(guò)的人體模型，也是采用曲面表示的一個(gè)類(lèi)似人體形態(tài)的“空殼”。然而人體胸腔是包裹著各樣器官和液體的實(shí)體。因此,需要將用曲面表示的人體模型進(jìn)行縫合,轉(zhuǎn)化為實(shí)體。首先在UG 軟件中導(dǎo)入IGES格式的人體模型,選擇高級(jí)選項(xiàng)中的曲面自動(dòng)縫合和光順B曲面功能鍵,UG中的“縫合”工具可以將原本分離的曲面片縫合在一起。如這些曲面片構(gòu)成一個(gè)封閉的形體,便會(huì)自動(dòng)將這個(gè)形體轉(zhuǎn)化為實(shí)體。

2.4 模型的網(wǎng)格劃分

在逆向工程軟件Geomagic 中構(gòu)建的實(shí)體模型符合有限元分析軟件的對(duì)接需求,但有限元分析的主導(dǎo)思想是將整體模型劃分成有限個(gè)單元體,各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。因此，在分析之前需要進(jìn)行一些前期設(shè)置，包括模型的改進(jìn)及人體模型和衣服模型的離散化處理。把模型分別導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件,經(jīng)過(guò)設(shè)置網(wǎng)格密度、控制網(wǎng)格劃分[19]、選擇單元類(lèi)型,網(wǎng)格劃分[20](如果對(duì)于前期點(diǎn)云,曲面階段沒(méi)處理好,后期模型劃分會(huì)出現(xiàn)空白導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗)等功能鍵依次處理,得到人體模型和監(jiān)測(cè)服模型，如圖9(a),(b)所示。

(a) 人體模型 (b) 監(jiān)測(cè)服模型圖 9 模型網(wǎng)格劃分Fig.9 Model meshing

2.5 模型曲面結(jié)果分析

將最終得到的人體NURBS曲面和監(jiān)測(cè)服NURBS曲面分別同多邊形階段的對(duì)象進(jìn)行偏差分析,得到偏差分析圖,如圖10所示。標(biāo)準(zhǔn)偏差是反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度,反應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。由圖10(a),(b)得知，人體模型標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.042 mm,人體模型最大距離為±(0.607～0.256) mm, 平均值為±(0.022～0.021) mm。心電監(jiān)測(cè)服模型標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.003 mm,心電監(jiān)測(cè)服模型最大值為0.323 mm,平均值為0.003 mm。

(a) 人體模型 (b) 監(jiān)測(cè)服模型圖 10 曲面偏差分析圖Fig.10 Deviation analysis graph

3 結(jié) 論

(1) 人體模型和心電監(jiān)測(cè)服模型偏差值數(shù)值較小，可見(jiàn)生成的人體模型NURBS曲面和心電監(jiān)測(cè)服NURBS曲面與原多邊形模型的擬合程度較高；由人體模型和心電監(jiān)測(cè)服模型最大距離和平均距離數(shù)值可知，生成的NURBS曲面的精度較原始多邊形數(shù)據(jù)誤差小,分別滿(mǎn)足模型精度設(shè)計(jì)要求。

(2) 將心電電極凸起的衣服模型處理成光滑曲面的模型,為表面有凸起的紡織衣物的曲面光順?lè)ǖ姆抡婺Ｐ吞峁┝艘环N有效途徑。不僅避免了高亮不精確幾何點(diǎn)的出現(xiàn),又能簡(jiǎn)化模型計(jì)算。基于劃分好的輪廓線(xiàn)對(duì)人體模型劃分得到規(guī)整的四邊形幾何網(wǎng)格,最終建立心電監(jiān)測(cè)服與人體的有限元分析模型。

(3) 后期通過(guò)對(duì)心電監(jiān)測(cè)服模型在人體模型上穿著模擬的研究,可以及時(shí)了解不同材料、不同結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)服穿著后的人體與服裝之間的壓力分布；分析穿著狀態(tài)下人體與服裝的壓力分布情況,使設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)了解心電監(jiān)測(cè)服對(duì)男性人體上半身產(chǎn)生的壓力影響。