張益潔， 李 濤， 呂葉馨， 杜 磊,3， 鄒奉元,3

(1. 浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 紹興文理學(xué)院 上虞分院， 浙江 紹興 312300；3. 浙江理工大學(xué) 浙江省服裝工程技術(shù)研究中心， 浙江 杭州 310018)

三維服裝CAD技術(shù)的興起促進(jìn)了虛擬試衣系統(tǒng)和服裝動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)服裝良好的舒適性和模擬的真實(shí)性，然后根據(jù)人體形狀和服裝風(fēng)格來調(diào)整服裝與人體之間的松量，實(shí)現(xiàn)不同體型下服裝樣板的智能化設(shè)計(jì)，仍是三維服裝研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。另外，人們越來越注重服裝的審美，希望通過服裝來表達(dá)自身理想的體型，但是凸顯人體曲線的美學(xué)滿意度與服裝運(yùn)動(dòng)舒適性之間存在著矛盾關(guān)系[1]，松量設(shè)計(jì)可一定程度上調(diào)和二者之間的沖突。

服裝松量是服裝與人體間形成的空余量，二維平面松量指服裝與人體在相應(yīng)特征部位上的尺寸差，三維空間松量對(duì)應(yīng)于人體表面與服裝表面之間的間隙。合理的松量設(shè)計(jì)及其分布直接影響到服裝的舒適度[2-3]、合體性及造型[4-5]。研究服裝松量分布規(guī)律及其表征模型，是提高服裝樣板設(shè)計(jì)合理性、服裝舒適性及虛擬服裝試衣真實(shí)性的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)服裝樣板智能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從松量分類及分布、表征模型、松量與虛擬試衣和服裝樣板設(shè)計(jì)的關(guān)系等方面綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，展望了松量研究未來的發(fā)展趨勢,以期為三維服裝CAD研究提供參考。

1 松量影響因素及研究方法

1.1 松量影響因素

松量設(shè)計(jì)要考慮各種因素，通常情況下可歸納為4類[6]：功能性、舒適性、設(shè)計(jì)風(fēng)格、面料。功能性是指為滿足穿著者呼吸及基本的運(yùn)動(dòng)需考慮的松量需求；舒適性是指為調(diào)節(jié)衣下空氣流通及熱濕微循環(huán)，或防止皮膚與衣服摩擦的松量需求；設(shè)計(jì)風(fēng)格是指為滿足服裝特定風(fēng)格或造型的松量需求，該因素受設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)理念影響較大，主觀隨意性強(qiáng)；面料的彎曲、剪切、拉伸變形、懸垂等性能也是松量設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素之一。4類因素相互交織，各有側(cè)重，共同影響著服裝的松量設(shè)計(jì)，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 服裝松量設(shè)計(jì)影響因素之間的關(guān)系

1.2 松量分類及研究方法

服裝松量主要分為以下類型：靜態(tài)松量，用以滿足人體正常的站姿和坐姿,調(diào)節(jié)服裝的微循環(huán)；動(dòng)態(tài)松量，滿足身體不同運(yùn)動(dòng)下所需的空間及著裝舒適度，為人體動(dòng)作姿勢提供額外運(yùn)動(dòng)空間；設(shè)計(jì)松量，滿足服裝造型、風(fēng)格或?qū)徝佬枰?，體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意思維，本文暫不予量化討論。松量通常用圍度差[7]、距離(射線或法線)[8]、面積[9]、體積[10]等參數(shù)表征，如圖2所示。

注：圍度差=WCG-WCB; 分段弧長差=SCG-SCB。

1.2.1 靜態(tài)松量

靜態(tài)松量研究靜態(tài)著裝下人體關(guān)鍵部位如胸部、腰部、臀部等松量的合理取值范圍及其分布規(guī)律,體現(xiàn)出服裝的合體性和美觀性。主要采用專家評(píng)定[1]、弧長或角度等分[11]、尺寸加放[12]、相關(guān)性分析[13]等方法。最佳松量取值范圍一般采用主觀評(píng)定法，Kim[1]經(jīng)T檢驗(yàn)及相關(guān)分析，采用5級(jí)李克特量表對(duì)62位男性的原始夾克衫和修改后夾克衫進(jìn)行主觀評(píng)定，指出胸-腰圍最佳松量與胸圍呈負(fù)相關(guān)，并給出男夾克7個(gè)部位最佳松量范圍，同時(shí)認(rèn)為彈性大的面料可在較小的松量值下達(dá)到良好的著裝舒適性?？椢镌诰暭喎较虻睦鞈?yīng)變是影響服裝和人體間距離松量的主要因素[14]。

傳統(tǒng)平面制圖裁衣多將松量視為均勻分布處理[5]，而實(shí)際上合理的松量分布在三維空間應(yīng)呈非均勻狀態(tài)，其分布與人體幾何形態(tài)[11]、織物性能[14]、服裝設(shè)計(jì)特點(diǎn)[15](服裝尺寸、款式和合身性)、穿著方式[16]等有關(guān)。三維掃描技術(shù)能夠直接測量人體和服裝三維數(shù)據(jù)，通過服裝和人體橫截面輪廓疊加可直觀顯示松量的分布狀態(tài)。徐繼紅等[11]采用三次多項(xiàng)式分段擬合、弧長等分法，構(gòu)建人體與服裝曲線等分點(diǎn)間面積松量的計(jì)算模型，指出面積松量分布隨人體角度變化，面積松量與放松量在胸圍處存在線性關(guān)系，在腰圍處存在非線性關(guān)系。Castro等[17]指出胸圍處前胸寬、后背寬、側(cè)寬所占胸部松量比例分別為43%、14%、43%；張愛萍[13]經(jīng)相關(guān)分析認(rèn)為，胸圍距離松量的分配與體表的凹凸密切相關(guān)，胸圍截面?zhèn)让娴木嚯x松量較大，后中部分和胸凸處的距離松量較?。焕顫萚12]采用檔差加放松量認(rèn)為，著裝靜態(tài)下褲裝臀圍、襠圍處距離松量主要向后中部及兩側(cè)累積，當(dāng)給定松量增大時(shí)，截面寬度的增量多于厚度增量，截面形狀趨于寬扁化。

1.2.2 動(dòng)態(tài)松量

動(dòng)態(tài)松量對(duì)服裝合體性設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)服的設(shè)計(jì)和防護(hù)服改進(jìn)具有重要作用。動(dòng)態(tài)松量的研究方法有三維掃描、三維動(dòng)態(tài)測量和三維虛擬試衣模擬等。三維掃描法主要對(duì)不同姿態(tài)下人體和服裝進(jìn)行掃描，對(duì)比分析每個(gè)動(dòng)作下特征部位松量的分布。三維動(dòng)態(tài)測量法[18]基于三維動(dòng)態(tài)捕捉儀采集人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各部位松量分布，分析松量與人體動(dòng)作姿態(tài)、行進(jìn)幅度、頻率的關(guān)系。虛擬試衣模擬[19]基于可視化技術(shù)分析松量與身體姿態(tài)之間的交互作用，研究動(dòng)態(tài)松量。

Zhang等[20]經(jīng)三維掃描不同離散姿勢下標(biāo)記點(diǎn)處著裝松量變化認(rèn)為，動(dòng)態(tài)姿勢下袖窿松量需求較大。類似地，Wang等[21]利用量化分析技術(shù)，通過三維掃描對(duì)比不同松量下人體7個(gè)動(dòng)作的距離松量和服裝覆蓋面積變化表明，身體姿態(tài)對(duì)松量的影響主要體現(xiàn)在腿部，運(yùn)動(dòng)時(shí)下體距離松量變化大于上體，這意味著對(duì)下裝動(dòng)態(tài)松量設(shè)計(jì)比上裝更有挑戰(zhàn)性。此外，在關(guān)鍵部位如臀部、膝蓋需增加額外放松量以保證合適的距離松量滿足身體運(yùn)動(dòng)。Petrak等[22]采用三維掃描儀量化研究上肢伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)總體和局部空氣層變化，為精確設(shè)置特定部位(如胸部、肩部)的松量提供參考。

三維動(dòng)態(tài)捕捉儀可捕捉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各姿勢的三維數(shù)據(jù)。Liu等[18]使用三維動(dòng)態(tài)捕捉儀(3DMCS)捕捉女性以2或6 km/h走路狀態(tài)下松量分布指出，動(dòng)靜態(tài)松量呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，運(yùn)動(dòng)中人體截面同一區(qū)域的松量變化呈正相關(guān)，前后松量變化呈弱相關(guān)，左右松量變化呈負(fù)相關(guān)，松量變化頻率和幅度隨行走速度的增加而增加。

另有學(xué)者[23]用三維服裝向量場(3DGVF)定量表示動(dòng)態(tài)虛擬服裝的標(biāo)量和方向變化，將動(dòng)態(tài)幀中成對(duì)對(duì)應(yīng)向量之間的每個(gè)向量投影到由靜止幀對(duì)應(yīng)的向量上，并通過余弦相似度計(jì)算服裝運(yùn)動(dòng)方向變化，如圖3所示。Mert等[24]使用虛擬試衣軟件研究行走過程中運(yùn)動(dòng)身體和衣服之間的空氣層厚度和接觸面積的變化，為運(yùn)動(dòng)服裝舒適性優(yōu)化提供借鑒。

圖3 三維服裝向量場

在防護(hù)服裝中，動(dòng)態(tài)松量體現(xiàn)為人體與服裝間空氣層的動(dòng)態(tài)變化。在設(shè)計(jì)防護(hù)服裝款式結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)分析空氣層的形狀及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并研究空氣層對(duì)熱傳遞的影響，進(jìn)而優(yōu)化防護(hù)服的放松量，提高其防護(hù)性能。Udayraj等[25]采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)模擬人體熱環(huán)境下勻速跑動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)空氣層變化，將動(dòng)態(tài)空氣層厚度隨時(shí)間的周期性變化近似為正弦函數(shù)，如圖4所示。y為動(dòng)態(tài)空氣層厚度, mm;y0為t時(shí)間內(nèi)平均空氣層厚度，mm;Δy為空氣層厚度變化振幅，mm;f1和f2為運(yùn)動(dòng)頻率，Hz。

圖4 運(yùn)動(dòng)時(shí)防護(hù)服動(dòng)態(tài)空氣層變化

三維掃描法研究動(dòng)態(tài)松量時(shí)，僅考慮離散的人體模型或人體固定位置，每幀動(dòng)作的橫截面都需要單獨(dú)計(jì)算，不能描述服裝在運(yùn)動(dòng)過程中與人體之間的滑動(dòng)，且對(duì)微小距離松量的變化反應(yīng)不敏感[23-24]。動(dòng)態(tài)捕捉方法依賴于人體關(guān)鍵部位標(biāo)記點(diǎn)，時(shí)變的動(dòng)作或者姿態(tài)可能會(huì)帶來標(biāo)記點(diǎn)位移，進(jìn)而帶來服裝尺寸、樣板誤差[26]?；谔摂M試衣模擬的三維服裝向量場法、動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量或模擬服裝與人體動(dòng)態(tài)距離松量變化，但僅針對(duì)于固定運(yùn)動(dòng)形式，難以表達(dá)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式下的松量變化，且模型依賴于服裝在運(yùn)動(dòng)過程中的幾何形狀，受織物物理性能的影響[23]。

2 松量表征模型

為便于量化表征松量，研究者們建立了多種松量模型，以指導(dǎo)樣板設(shè)計(jì)、虛擬服裝模型構(gòu)建及功能服裝設(shè)計(jì)，總體可分為直接表征模型和間接表征模型。

2.1 直接表征模型

直接表征模型基于人體和著裝特征部位或特征點(diǎn)上的測量數(shù)據(jù)，建立松量表征的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其表征模型主要有回歸方程、乘法因子、模糊邏輯、最陡下降法、向量法等。

Gu等[27]分別計(jì)算了各特征橫截面特征點(diǎn)的距離松量，建立基于橫截面間隔區(qū)域化分割的各點(diǎn)距離松量非線性回歸預(yù)測方程。Li等[28]通過回歸分析，構(gòu)建了服裝與人體間空氣層厚度、體積與服裝給定松量、面料性能之間的線性回歸模型。Zhang等[29]提出利用服裝和人體橫截面的半軸長之比構(gòu)建松量乘法因子，并將其應(yīng)用于不同號(hào)型的人臺(tái)，得到具有相似形狀、輪廓、松量，但尺寸不同的服裝模型，實(shí)現(xiàn)了在三維空間的放碼。

Huang等[30]利用參數(shù)化算法建立松量運(yùn)算模型，設(shè)定閾值和初始化放縮參數(shù)，分段計(jì)算各截面曲線加放量，根據(jù)胸腰松量由線性函數(shù)推導(dǎo)出其他部位松量，減少了特征截面提取及相應(yīng)的計(jì)算量。Thomassey等[31]提出利用橢圓法簡化計(jì)算特征截面最大軸、最小軸頂點(diǎn)處的距離松量，并將距離松量定量化應(yīng)用于構(gòu)建虛擬服裝，降低了計(jì)算的復(fù)雜度，為松量量化和控制提供了一種方法。

Chen等[32]基于專家主觀評(píng)價(jià)得分提出一種服裝松量模糊邏輯優(yōu)化方法，該方法可估計(jì)松量的合適取值，但存在一定的主觀性。Liu等[18]利用最陡下降法計(jì)算服裝與人體間的最短距離以表征松量，經(jīng)迭代求取松量值，并給出了受試者以2 km/h的速度行進(jìn)時(shí)的動(dòng)態(tài)松量變化。Hu等[23]提出一種基于余弦相似度計(jì)算服裝運(yùn)動(dòng)方向變化的動(dòng)態(tài)虛擬服裝運(yùn)動(dòng)矢量場度量方法，通過三維梯度向量流(3-D GVF)方程式計(jì)算動(dòng)態(tài)間隙厚度,為計(jì)算動(dòng)態(tài)松量提供新的方法。

2.2 間接表征法

合體或?qū)捤深惙b形成服裝離體形態(tài)，此時(shí)服裝與人體間的距離松量為正數(shù)，便于通過直接測量數(shù)據(jù)表征。對(duì)于緊身服、泳裝、整形內(nèi)衣等貼體或束身服裝，服裝與人體間的間隙量可視為零或負(fù)數(shù)，致使著裝后人體會(huì)受到服裝壓力而產(chǎn)生形變，因此，服裝壓力分布是研究此類松量的關(guān)鍵[5]。間接表征法是利用力學(xué)仿真模型來研究服裝與人體的間隙量，以服裝壓力為指標(biāo)間接反映服裝松量大小并用于指導(dǎo)優(yōu)化服裝設(shè)計(jì)。

Wang等[33]基于橢圓力學(xué)模型和拉普拉斯方程構(gòu)建服裝壓力計(jì)算模型，分析服裝壓力與人體截面形狀、織物力學(xué)性能之間的關(guān)系，指出服裝壓力隨著身體曲率的增大而增大，在身體兩側(cè)壓力最大，前中心和后中心壓力最小。該方法可為緊身無縫內(nèi)衣松量設(shè)計(jì)提供參考。

Wang等[34]采用基于Mindlin-Reissner殼理論的有限元力學(xué)接觸模型表示三維人體和服裝之間的關(guān)系，進(jìn)而通過數(shù)值計(jì)算求解得到著裝松量，如圖5所示。通過計(jì)算外力、接觸力、慣性力作用下的虛功，構(gòu)建殼理論下服裝與人體間的接觸平衡方程，其隱形求解條件為距離松量計(jì)算函數(shù)，圖5 (b)所示為t時(shí)刻服裝與人體間距離松量gN。該模型可模擬人體在著裝過程中服裝與人體間的接觸應(yīng)變和位移，反映出松量變化，進(jìn)而可用于指導(dǎo)服裝版型優(yōu)化。

Fig.5 服裝與人體有限元力學(xué)接觸模型

基于物理方法可間接表現(xiàn)松量大小，但不能直接描述服裝與人體間的具體空間關(guān)系量，難以應(yīng)用于寬松類服裝松量的表征。

3 虛擬試衣與樣板設(shè)計(jì)

三維服裝設(shè)計(jì)中松量主要在以下2個(gè)方面起作用：一是基于松量的三維虛擬服裝構(gòu)建及虛擬試衣動(dòng)態(tài)模擬；二是基于松量的服裝樣板設(shè)計(jì)。其相互關(guān)系如圖6所示。

圖6 松量與三維服裝設(shè)計(jì)

3.1 基于松量的虛擬服裝設(shè)計(jì)

虛擬服裝曲面可基于三維人體曲面重建獲得。將服裝-人體間隙量分別添加至人體表面相應(yīng)特征點(diǎn)得到初始服裝曲面特征點(diǎn)，經(jīng)曲面重建獲得初始虛擬服裝[35]，融合面料懸垂、褶皺等物理特性可獲得較為真實(shí)的虛擬服裝。對(duì)間隙量設(shè)計(jì)可改變?nèi)S服裝造型，實(shí)現(xiàn)服裝款式的再造設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)松量可真實(shí)模擬動(dòng)態(tài)下服裝與人體間的相互關(guān)系，動(dòng)態(tài)松量空間分布研究可提高虛擬服裝動(dòng)態(tài)模擬的真實(shí)性。

為自動(dòng)調(diào)整服裝尺寸以適應(yīng)不同體型顧客，Meng等[36]采用隱式定義映射函數(shù)構(gòu)建服裝與人體曲面上的點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是記錄服裝-人體空間間隙量；然后通過徑向基函數(shù)構(gòu)建空間映射并將服裝轉(zhuǎn)移至目標(biāo)人體身上，同時(shí)采用特征曲線和離散曲面形狀優(yōu)化算法自動(dòng)控制及調(diào)整服裝形狀，以防止服裝遷移過程中產(chǎn)生扭曲。該方法通過空間松量實(shí)現(xiàn)為不同形體尺寸的人體構(gòu)建相同款式的服裝。

為避免不同的人體模型采用相同的間隙量分布，Li等[37]提出一種同時(shí)支持服裝松量重復(fù)利用和服裝造型編輯的方法——基于特征曲線網(wǎng)的服裝定制設(shè)計(jì)方法。該方法應(yīng)用雙三次Coons曲面技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維服裝模型參數(shù)化，通過編碼和解碼含距離松量或間隙量的基于特征曲線的服裝模型頂點(diǎn)，經(jīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)移及交互式編輯，使服裝模型由參考人體向目標(biāo)人體傳遞過程中保持相同的拓?fù)溥B接性，同時(shí)可靈活編輯特征網(wǎng)格線以調(diào)整服裝模型的尺寸和形狀。該方法易于操作且可重復(fù)利用，便于服裝定制設(shè)計(jì)。

基于松量的三維虛擬服裝設(shè)計(jì)，可根據(jù)虛擬人體直接生成個(gè)性化服裝，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同人體同款服裝的批量設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，直觀高效。

3.2 基于松量的服裝樣板設(shè)計(jì)

構(gòu)建三維虛擬服裝模型經(jīng)曲面展開可獲得二維樣板，該思想在個(gè)性化樣板生成中已被廣泛研究。三維服裝展開為二維樣板過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)變形，有學(xué)者提出將三維與二維樣板相結(jié)合的方法。Tao等[38]提出一種傳統(tǒng)打板與三維CAD結(jié)合的服裝設(shè)計(jì)方法，其中二維樣板上每個(gè)部位的松量偏移值都通過三維服裝模型進(jìn)行校正，進(jìn)而控制松量分布，實(shí)現(xiàn)了三維空間褲子原型樣板轉(zhuǎn)換。

依據(jù)三維服裝和人體各特征部位截面輪廓距離松量分布，將松量值轉(zhuǎn)化為樣板增量，并添加至二維基礎(chǔ)樣板結(jié)構(gòu)線的相對(duì)應(yīng)位置，可實(shí)現(xiàn)由基礎(chǔ)樣板到成衣樣板的轉(zhuǎn)化。Gu等[28]與Su等[39]通過三維掃描儀獲得凈體、著裝人體的體表數(shù)據(jù)，對(duì)橫截面分段采點(diǎn)，建立女西裝、褲裝距離松量與給定松量回歸模型，并計(jì)算出分段距離松量，再由距離松量-樣板增量模型傳導(dǎo)得到基礎(chǔ)樣板特征部位的增量，然后將增量值添加至樣板結(jié)構(gòu)線相應(yīng)位置完成樣板轉(zhuǎn)換。

4 總結(jié)與展望

松量在服裝樣板設(shè)計(jì)、虛擬試衣及服裝舒適性中起著重要作用，文章從松量分布規(guī)律出發(fā)綜述了靜態(tài)松量、動(dòng)態(tài)松量及其影響因素；從松量解析角度介紹了松量直接及間接表征模型；最后討論了松量與虛擬試衣、服裝樣板設(shè)計(jì)的關(guān)系。

然而，現(xiàn)有研究多基于提取人體和服裝特征截面分析松量，其實(shí)質(zhì)仍是在二維平面內(nèi)表征松量，難以體現(xiàn)松量的空間分布特性；基于離散姿勢下的動(dòng)態(tài)松量模型不能充分表達(dá)人體與服裝各部位的整體聯(lián)動(dòng)性；現(xiàn)存松量模型多針對(duì)某一服裝款式或標(biāo)準(zhǔn)人體而構(gòu)建，其適用性具有一定的局限性。隨著虛擬試衣和服裝智能化制造技術(shù)的興起，人們對(duì)服裝個(gè)性化設(shè)計(jì)及舒適性的要求越來越高，未來松量研究趨勢有以下方面。

1) 三維空間松量的表征。三維服裝設(shè)計(jì)需充分考慮松量的三維分布特性，引用空間向量角、向量模長等空間參數(shù)表征三維空間松量，實(shí)現(xiàn)三維服裝松量的精確加放，提高樣板設(shè)計(jì)的合理性。

2) 松量連續(xù)動(dòng)態(tài)變化研究。突破基于離散姿勢的動(dòng)態(tài)松量研究方式，結(jié)合服裝和人體形變及運(yùn)動(dòng)特征，改進(jìn)三維服裝向量場、服裝受力和形變有限元分析技術(shù)，提高分析動(dòng)態(tài)松量的實(shí)時(shí)連續(xù)性及三維動(dòng)態(tài)虛擬試衣的真實(shí)性。

3) 服裝三維空間松量預(yù)測模型構(gòu)建。聚集與融合人體、服裝、面料特征信息，探索運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，建立考慮人體形態(tài)、服裝風(fēng)格和面料性能的服裝三維空間松量智能預(yù)測模型。