一、服装[个性化三维服装设计的制装CAD系统研究]服装设计CAD

随着生活水平的不断提高和个性化服装定制的需要,人们对服装的要求趋于多样化、个性化,版自这个强大需求不断推动服装设计方法由传统的手工设计向计算机辅助设计发展。从二维向三维的学教转变是服装CAD行业和计算机技术发展的一个必然趋势。个性化三维服装CAD是维服指在三维数字人体模型的基础之上,生成服装初始模型,并通过个性化的尺寸参数变形和立体裁剪得到三维衣片,再对三维衣片进行展开后得到二维裁片,从而完成整个设计流程的CAD方法。这种方法可得到较合身的服装设计结果,在虚拟现实中完成着装立体效果的模拟。

1三维服装设计解决方案

图 1是制装采用的解决方法。本文立足现有的版自软件技术,从客户的三维扫描人体出发,建立基于特征信息的人体三维模型,进而生成三维服装模型。采用服装的学教三维裁剪生成符合人体的二维裁片,再通过缝合技术进行三维服装设计效果的有效检查,还可以为后续其它如实时化妆等应用提供依据。

2基于扫描人体的维服三维人体和服装建模

2.1三维数字人体建模

通过三维扫描技术获得的人体初始数据是进行人体建模设计的基础。为了适应个性化需求,服装需要对扫描人体模型进行基于特征点的曲面重建,生成人体特征线,最终生成基于特征尺寸约束的三维数字化人体模型,见图 2。

利用数字模型的制装特征尺寸驱动,可以完美模仿出基于个性化特征的人体三维模型。

2.2三维服装建模

以人体特征尺寸为基点,版自利用样条曲线生成服装的特征尺寸,再由生成的特征尺寸采用分块分区域造型的思路,利用Coons曲面逐块生成三维服装网格曲面,生成数字服装见图 3(b)。基于个性化的学教需要,利用服装上的特征尺寸和特征点,进行个性化交互设计,最终生成客户需要的三维数字模型,见图 3(c)。

3裁片生成与缝合

三维服装CAD系统的维服最终目的是要进行二维打样和实际的缝合生产,为了模拟设计生成的整个过程和检验CAD设计的准确性,需要生成三维裁片并展开成二维衣样,利用虚拟缝合技术还原原始三维数字服装。

3.1三维裁片生成与展开

服装的三维裁剪完全是基于人体模型进行的,利用三维裁剪获得的裁片加工制成的衣服更符合人体,利用自动搜索技术来进行三维裁剪中的切割区域的确定。图 4(a)是三维模型上利用切口线等进行区域的选择,见图 4(b)为原始三维裁片和加纹理的三维裁片,图 4(c)为展平的二维裁片。利用所生成的二维裁片即可进行实际的打板生产。

3.2二维裁片的缝合

为了对展开所设计的服装进行检查和修改,需要进行二维裁片的检查,基本的思路是对二维裁片重新缝合到三维人体上的设计。

一般而言,展开后的二维裁片其边界三角形不规整,需要重新Delaunay三角化。重三角化必须保持裁片的边界,并且也需要保持裁片可能存在的“洞”等特征区域。重三角化后的网格顶点只带有二维平面域的信息,需要把它映射到三维空间域上,以获得网格在三维空间的确切位置,完成服装的缝合。根据拓扑不变性原则,可以利用三角形重心坐标与顶点坐标之间的关系求出裁片网格顶点的三维位置。具有共享边界线的裁片在缝合时需要把由共享边界线离散出的顶点缝合在一起,完成裁片之间共享边界的对齐,让所有对应的边界线达到几何上的等同但又不明显的改变裁片边界形状位置。图 5为展平的二维裁片示意图,图 6是裤子模型的缝合示意图。

由此,即完成了一个服装CAD完整系统的基本设计流程,为服装设计师提供了一个无缝连接的设计系统。

4示例

图 7展示了一种非常规裁片的连衣裙设计实例,从三维人体模型到裁片到最终的设计缝制。

5结论

三维服装CAD系统的研究对提高服装业CAD自动化程度及竞争力具有重要意义。本文从扫描人体到最终的二维裁片和三维缝合,提出了一个完整的服装CAD设计系统,为服装设计行业的发展提供了有益的探索,为深化和拓展本专业的研究提供了一个方向,具有一定的实践和指导意义。

参考文献

[1]苏军强,刘国联,袁卫娟.基于三维人体测量的服装工业技术数字化研究[J].纺织导报,2009(6):110� 111.

[2]徐文鹏,强晓焕,侯守明.立体裁剪技术对三维服装CAD研究的启示[J].纺织导报,2009(7):107� 108.

[3]陆国栋,许鹏,徐文鹏.人体扫描模型的特征提取方法研究[J].工程设计学报,2005,12(4):247� 251.

二、三维技术在虚拟试衣中的应用

随着社会和经济的不断发展，人们越来越追求于个性化的服装设计。淘宝、京东、拼多多等电商平台的崛起，给人们的服装购物带来了极大的便利，但由于每个人的体态、肤色各不相同，仅仅通过买家秀的购物体验似乎并不尽人意，近年来，电商平台的退货率不断攀升。

所以在个性化服装的设计和制作过程中，往往需要通过本人试衣，从而来考察衣服穿在身上的效果。然而，在网络环境中，当顾客需要远程定制服装时，传统的裁缝量体和现场试衣显然是很难实现的。因此，面向真人的虚拟试衣成为现代服装量身定制生产必须解决的技术问题。

三维虚拟试衣技术是数字仿真技术与虚拟现实相结合的一种创新产品，主要借助计算机信息处理技术与图形学原理，对用户的体态信息进行处理，并形成一个比较类似的三维人体模型，使该虚拟模型穿上对应的服装产品，用户通过系统进行观察，以达到三维服装试穿的效果。

虚拟试衣技术出现至今，一直在尝试解决网购服装无法实际试穿的问题，却因为技术上的限制与几乎无解的隐私问题而长期处于不温不火的状态。

目前大多虚拟三维试衣都是将衣服穿在利用计算机软件事先做好的模特上，距离人体真实尺寸、体型、脸型等还有诸多区别。国内对于服装虚拟化技术的研究还处在探索阶段，尚未有面向市场成熟的软件。一些电子商务网站也尝试设立自己的试衣间，但这些试衣间相对比较粗糙，技术也过于简单。

以“优衣库”试衣间为例，它主要分为体型模式和搭配模式。在体型模式下，消费者可以在五种体型中选择相似体型；在搭配模式下，消费者可以选择喜欢的服装，点击之后，服装就会“穿在”模特身上，展示所选服装的穿着效果。然而这些，都不是真正面向真人的三维虚拟试衣。

“衣服的上身效果和在虚拟画面中差异很大。”

“线上试穿时衣服和身体的贴合度看起来可以接受，实际穿上后很紧绷。”

“对我来说，最大的问题是智能推荐不合胃口，还不如自己动手搜索。”

……

随着虚拟试衣进入人们的生活中，问题也层出不穷。

可见，理想的虚拟试衣技术必须兼顾数据测量和消费者的个人偏好。虽然最新的虚拟试衣3D模型与人工智能自动成像技术或许可以更加真实地模仿服饰布料在人体上的试穿效果，让试穿的视觉体验更加直观，但对于消费者而言，目前线上试衣技术急需解决的，还有尺寸推荐匹配度以及后台服装库的问题.

因此，在服装CAD、网络虚拟试衣、三维人体动画等应用领域，都面临着如何解决真实人体与服装的三维重建问题。获得准确的三维人体模型通常是虚拟试衣的第一步，随之所需要配合的还有合身且具有真实感的三维服装模拟。

要实现虚拟试衣、服装的网上展示以及虚拟购物的虚拟环境，不仅需要建立人体和服装的模型，而且还要考虑到人体与服装间的碰撞，因此统一人体和服装的造型是必须的，需要能够快速、方便、逼真地生成与实际人体相似的虚拟三维人体模型，并在这个真人模型身上进行三维虚拟试衣。因此，一套完整的“三维人体测量系统”以及“三维试衣系统”是不可或缺的。

SOLUTION 01

三维扫描技术的发展是十分迅速的，德国Human Solutions公司制造出的彩色三维人体扫描仪（Anthroscan Bodyscan）可专门用于精确地获取人体三维体型、尺寸以及色彩，能够快速捕捉人体三维点云图像和彩色纹理信息，是目前最精确的三维扫描仪之一。

Anthroscan Bodyscan采用了精度最高的激光三角测量技术，8个相机同时从被测人体的前左、前右、后左、后右四个方向进行同步扫描，从而生成360度的人体图像模型。

SOLUTION 02

嘉兴超维单反相机阵列-VR3D瞬时三维成像系统Body Capture

另一种方式是使用相机阵列设备进行拍摄建模。VR3D瞬时三维成像系统Body Capture系列产品，利用近景摄影测量原理，通过同步相机阵列和闪光灯系统，可以瞬间捕捉到拍摄者全方位的信息。此外，通过集成Auto Modelling自动建模软件，可一键获取三维模型。

拍摄时，真人在阵列中心站定，需张开双臂，呈T-pose或A-pose站立。这种标准姿势主要是便于人体骨骼绑定。除此之外，也可以将真人所穿服装展开，使最终得到的三维模型上保留更多准确的衣物信息。

通过相机阵列内部集成的Auto Modelling自动建模软件，将采集的38张照片自动合成三维模型。

十多秒甚至几秒的扫描完成后，系统软件会全自动进行3D模型的重建，时间只需要几十秒，完整的3D模型就可以应用于虚拟试衣中。

通过三维逆向建模生成服装模型，不仅可以大大降低服装制作时间，且生成的服装轮廓、细节更为逼真。在服装建模系统中，目前较为成熟的有美国Gerber公司的V-Stitch、德国的syst系统、美国PGM公司的trunk 3D等。

由三维人体扫描系统扫描、测量消费者真人人体、体型曲线特征和脸型特征数据后，导入三维试衣系统，在“三维试衣系统”内根据真人数据修改三维试衣系统原有的标准人体模型，虚拟再现三维真人人体模型使虚拟人体模型体现真人的体型、脸型特征。消费者与设计师经双向选择，决定服装款式、面料、花色设计数据，导入“量身定制系统”，完成服装设计，自动产生个性化服装样片，虚拟地“缝”成服装成衣，穿在三维真人人体模型身上，直观地显示个性化试衣效果。

虽然目前三维技术在虚拟试衣方面已经有了显著进步，但至今只有少数成熟的系统得到正式使用，要达到一定程度的实用化还将经历一个漫长的过程。目前仍存在一些较为困难的问题，如织物质感和动感的表现、逼真灵活的曲面造型的实现以及织物悬垂性的模拟等。

实现全民虚拟试衣是未来生活发展的趋势，也是服装设计的必然趋势。从消费者的角度来看，在数字环境中，我们可以表达多重自我，探索新的可能性成为另一个自己；对于服装行业来说，数字时尚让这个行业减少了浪费，为更可持续的时尚做出了贡献，也能够大大提高服装设计的质量，加快产品的研发速度。

三、服装CAD的发展和应用

摘要:文介绍了三维CAD技术的发展概况，着重阐述了我国服装三维CAD技术的发展，提出了服装三维CAD工程的结构框架。

1.三维CAD技术梗概

1.1三维CAD技术的市场需求简析

1.1.1国际制造业信息化大趋势

当前的国际制造业领域，制造技术正在从传统的制造方法向先进的制造技术方向发展，制造业的信息化己成为制造业发展的一个重要趋势。

制造企业的数字化建设的核心是产品的数字化设计、制造及相关数字化技术的集成。三维数字化设计技术正逐渐成为企业设计运用的热点，也是企业深化运用所必要的工具。CAD作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工业，无论是机械、电子、轻纺产品，还是文体、影视广告制作都离不开三维数字化设计技术。三维数字化设计技术是企业信息化的重要技术基础，也是企业进入国际市场的入场券。

1.1.2三维CAD技术的巨大效益

应用三维CAD技术可大幅度地提高产品和工程的设计效率和质量，改善劳动条件，提高产品和工程在市场上的竞争能力。从国外的统计材料表明，应用三维CAD设计技术可降低工程设计成本13～30％；可减少产品设计到投产时间30～60％；提高产品质量5～15倍；增加分析问题的广度和深度能力3～35倍；提高产品作业生产率40～70％：提高投入设备的生产率2～3倍；减少加工过程30～60％；降低人工成本5～20％。随着三维数字化设计技术的研究开发和广泛应用，可以促进我国软件产业的发展，尤其是应用软件产业的发展。这样不仅可加速传统产业和产品的技术改造，还可促进传统学科的飞速发展。由此产生的直接和间接经济效益是巨大的，其社会效益也是不可估量的。

1.1.3我国三维CAD技术发展的新机遇

在我国，三维数字化设计市场几乎被外国公司的产品所垄断，一些企业花费大量外汇引进国外三维数字化设计系统，因技术的掌握问题和工业标准的差距等诸多因素，或被闲置或使用效率低下，难以普及推广应用。在尊重知识产权和加入WTO以后的新形势下，国内企业对符合国情、功能适用、价格适中的国产软件的呼声愈来愈高。

近几年，以计算机为核心的相关技术领域的发展，如网络技术、电子商务、数据库等深刻地影响了CAD技术，新的制造方式，如分散化网络制造，面向客户的大批量定制等也对CAD系统提出了新的要求，使得行业产品的设计制造资源能够在更广的范围中应用，通过WEB技术、ASP技术，实现了行业产品设计制造的协同，建立全行业的软件服务体系。此外由于面向行业CAD系统的个性化，国外技术的竞争力相对比较薄弱，这是我国CAD领域缩短差距的良好机遇，随着企业产品全生命周期的数字化、网络化和集成化的跨越式发展，CAD本身也将面临全面升级，因此，我国的CAD软件技术具有很大发展空间。

1.2我国三维CAD技术发展概况

1.2.1我国CAD技术的长足发展

CAD技术从诞生至今己有三十多年的历史，历经二维绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其间还伴随着参数化、变量化、尺寸驱动等技术的融入。通过三十多年的努力，CAD技术在基础理论及软件产业方面日趋成熟，推出了Proffingineer，UGll，IDEAS CATM，Solidworks，SolidEdse等许多优秀的CAD系统，在航空航天、机械电子、建筑工程、纺织服装等制造业得到了广泛应用，大大提高了制造业产品设计水平。

1.2.2国家三维CAD重大专项概况

根据国家的需求和软件技术/产业发展的趋势，三维CAD技术及产品创新设计系统研究开发和应用列为863计划的软件重大专项。专项在操作系统、数据库管理系统、重大应用软件展开研究，着力掌握与系统软件相关的战略性、前沿性和前瞻性的关键技术，通过创新较大幅度增加自主知识产权的拥有量，完善我国自主的软件体系，以支撑国民经济和社会信息化及国家信息安全建设。

“十五”期间，面向行业与设计过程的三维数字化设计系统受到了普遍的重视，应用实践证明其设计的高效性和智能性是一般通用CAD软件无法比拟的。“863计划”三维CAD重大专项的三个课题取得了重大进展和巨大的综合效益，基本达到了商品化水平。

2.服装三维CAD软件开发与应用现状

2.1服装三维CAD发展现状

随着我国计算机技术和社会经济的发展，人们对服装的质量和合体性、个性化的要求越来越高，现有的二维服装CAD技术已经不能满足纺织服装业的CAD应用要求，服装CAD迫切需要由目前的平面设计发展到立体三维设计。因此，近年来国内外均在三维服装CAD、虚拟现实服装设计等方面开展理论研究和实践应用。

据Autodesk公司对于CAD的整体应用情况的统计，目前全球使用三维CAD进行产品设计的用户已经有大约30%，剩下的70%用户依然使用二维CAD设计。实际上，三维CAD在世界范围内已经在广泛应用，但在服装领域，三维CAD的开发应用比较滞后，这是因为服装不像机械、电子行业的固态产品，它的质地是柔性的，会随着外界条件的不同发生改变，因此模拟难度很大，特别是服装CAD要实现从二维到三维的转化，需要解决织物质感和动感的表现、三维重建、逼真灵活的曲面造型等技术问题，另外还有从三维服装设计模型转换生成二维平面衣片的技术问题。这些问题导致三维服装CAD的开发周期较长，技术难度较大。

服装三维CAD有别于二维CAD的地方在于：它是在通过三维人体测量建立起的人体数据模型基础上，对模型的交互式三维立体设计，然后再生成二维的服装样片，它主要要解决人体三维尺寸模型的建立及局部修改，三维服装原型设计、三维服装覆盖及浓淡处理、三维服装效果显示特别是动态显示和三维服装与二维衣片的可逆转换等。

三维服装CAD的基础是三维人体测量。目前三维人体测量系统在国外已经商品化，其技术已经较为成熟，其中法、美、日等国利用自然光光栅原理，分别用40毫秒、10秒、1.8秒，即可完成三维人体数据的测量。国际上常用的三维人体测量技术一般都是非接触式的，通过光敏设备捕捉投射到人体表面的光在人体上形成的图像，然后通过电脑图像处理来描述人体的三维特征。三维人体测量系统具有测量时间短，获取数据量大等多种优于传统测量技术的特点。

服装的批量生产所依据的服装号型不能准确反映人群的体型特征，目前国内外都在进行各类人群人体数据库的建立。通过有针对性地对大数量的不同肤色、不同地区、不同年龄、不同身高的各类人群进行三维人体测量，收集人体的各项体型尺寸数据，建立数据库，为制定服装规格、号型提供基础数据。

三维人体测量通过获取的关键人体几何参数数据，生成虚拟的三维人体，建立静态和动态的人体模型，形成一整套具有虚拟人体显示和动态模拟功能的系统。三维服装CAD在此基础上生成服装布料的立体效果，在屏幕上逼真地显示穿着效果的三维彩色图像及将立体设计近似地展开为平面衣片。

在二维CAD基础上的三维设计逐渐向智能化、物性分析、动态仿真方向发展，参数化设计向变量化和超变量化方向发展；三维线框造型、曲面造型及实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向发展；组件开发技术的研究应用，还为CAD系统的开放性及功能自由拼装的实现提供了基础。

将三维服装设计模型转换生成二维平面衣片，涉及到把复杂的空间曲面展开为平面的技术，这是服装材料的柔性、平面性所决定的需求，也是三维服装CAD的难点。国内外学者做了多项研究工作,得到了复杂曲面展开的多种方法，有许多方法也已应用在实践中。

2.2三维服装CAD应用现状

目前在国外市场上的三维服装CAD的应用主要有两类：

一是用于量身定做：针对特定客户人体的参数测量及其对服装款式的特定要求（如放松量、长度、宽度等方面的喜好信息），进行服装设计，再生成相应的平面服装样片。此类产品可利用互联网进行远程控制实现，其中以美、英、法、德、日、瑞士的系统较为先进。

二是用于模拟试衣系统：通过对顾客体型的三维测量，进行互动服装设计，再生成相应的平面服装样片。这类应用也可利用互联网进行电子商务的远程控制实现，如美国的Land’send公司在互联网上可建立顾客的人体虚拟模型，通过顾客的简单操作，可试穿该公司所推出的服装，还可进行立体互动设计，直到顾客满意为止。

现在国外的一些产品已基本能实现三维服装穿着、搭配设计并修改，反映服装穿着运动舒适性的动画效果，模拟不同布料的三维悬垂效果，实现360度旋转等功能。其中美国、日本、瑞士等国家研究开发的三维服装CAD软件比较先进，如美国CDI公司推出的CONCEPT 3D服装设计系统、法国力克公司的3D系统、美国格伯公司的AM-EE-SW 3D系统、加拿大PAD公司的3D系统、日本东洋纺织公司的3D系统等。

我国是服装大国，但在服装的先进技术方面起步较晚。国内在这一领域的研究虽已取得初步进展，实现了仿三维CAD设计，但离国外的技术水平还有较大距离。目前只有香港科技和北京长峰科技公司、北京服装学院、中山大学、杭州爱科公司、深圳盈宁公司等近年来开始了服装三维覆盖模式款式试衣系统的开发，且仅有部分软件进入了商品化阶段。

3.服装CAD技术发展趋势

3.1 CAD技术面临深化应用的新趋势

近年来，CAD技术在取得快速发展的同时，也暴露了发展中的问题，主要表现在过分强调单元技术的发展，过分强调系统的通用性，忽略了面向设计过程的产品全生命周期设计，忽略了网络技术的应用，忽略了数据库、特征库的发展等等。针对这些问题，结合制造业信息化技术的最新发展，CAD技术的开发商提出了面向行业和过程（产品全生命周期）的三维数字化设计系统。该系统已成为近年来国内外研究开发的热点，并视为CAD技术的深化应用、跨越发展的唯一出路。

3.2面向行业和设计过程的集成化

原来自成一体的CAD系统、与CAD系统的配套技术已经和正在融入CIMS（计算机集成制造系统），建立与CAM、MIS、PDM、ERP等的接口与集成是服装CAD系统发展的另一个趋势。

3.3基于网络技术的服装设计网络化

随着近几年来国际互联网的高速发展，预计网络服装设计将逐渐成为主流。在越来越专业化、全球化的生产经营模式下，企业基于网络的CAD系统可以实现数据的共享和标准化，产品的并行设计也将为CAD系统的高效快速提供支持。为有效提升市场规模及产品利润，服装CAD与电子商务的融合也是必然的趋势。一种基于Internet的服装企业远程数据传输和监控系统即将问世，也为服装设计网络化和服装企业信息化提供了有效的技术支撑。

3.4基于虚拟现实设计技术的服装设计自动化

近年来，美、法、德、日和瑞士等国还开展了虚拟服装CAD的研究开发，开始了超维服装设计的应用研究。所谓超维服装设计，就是超维视觉设计，要求服装设计师在进行服装设计时不仅考虑一维的线、二维的面、三维的体、四维的时、五维的意等设计要素，还要考虑人的心理、人的视觉、人的审美观、人的情趣等诸多因素，注意对环境心理学和观赏心理学的运用。服装设计师通过视觉、听觉、触觉运用虚拟现实设计技术，在电脑显示的虚拟现实环境下进行服装设计。

这种虚拟服装CAD技术，利用了网络传输与虚拟现实设计技术，使设计师能够在虚拟的环境下进行服装设计工作，所需硬件设备除了计算机以外，还需数据手套、数据衣等人体数字化传感器和头盔显示器、光闸眼镜等立体显示设备以及其它相关配套设备。这种虚拟现实设计技术实现了服装设计的自动化。

3.5基于智能支持的服装设计智能化

目前所有的服装CAD产品都比较复杂，要完全掌握运用必须专业技术人员花费相当的时间，这也是CAD产品普及比较缓慢的一个重要原因。所以，往更远的前景展望，预计将来的服装CAD产品将朝着高智能化的方向发展，通过建立更多的服装样板模块及设计向导为设计人员提供智能支持，这些智能支持包括自学习、自组织、自适应、自纠错、并行搜索、联想记忆、模式识别、知识自动获取等多种智能技术的支持。逐步过渡到像WINDOWS一样成为易学易懂的操作软件。将来，随着硬件技术的发展，通过将软件嵌入人体测量仪器成为高智能的“服装设计傻瓜机”也将成为现实。

4.关于开发服装三维CAD工程的构想

根据我国服装CAD技术及其产业化发展水平，结合国家三维CAD技术的发展现状和其为行业CAD提供的技术支撑，我们提出了开发服装三维CAD工程的构想，意在争取在现有服装CAD技术基础上，集国内外CAD/CAM等技术之大成，加速开发符合国情的、以服装三维CAD为核心的、面向行业和产品全生命周期的服装三维CAD工程。本工程包括三维人体测量技术、三维服装CAD设计软件、服装CAM系统、虚拟现实环境下的服装设计技术。

参考资料:国产PDM