用于进行大规模定制生产的新式工具:2D/3D人体绘图

服装以及纺织行业的未来到底在哪里?随着新型纤维、面饰、服装技术以及客户期望的汇聚,在未来服装行业将有可能实现协作设计。此时我们可以想象一下,一名客户不仅仅能够知道他自己所希望的服装设计形式、颜色以及质地,而且还知道他自己确切的身体尺寸及其热量散布剖面――也就是他的身体将会对一个寒冷、潮湿或者一个炎热干燥的环境做出怎样的反应。这名客户可以坐在一个网络配置器旁边,并且选择他所期望实现的精确服装设计样式、颜色、质地、大小以及散热剖面――所有的一切均通过一键式触摸完成。由于采用了一种数字式设计――生产界面以及一种以用户为中心的商家-商家的市场,因此客户所定制的服装将会在十天内到达客户所期望的目的地。

这种未来的想象现在已经可以实现。一个大学的研究项目通过使用一种3D人体扫描仪和一台热量摄像机来探索与人体相关的各种设计问题。该项目的目标包括:1)创建一个包含700多个目标的热量散布剖面以及人体扫描图数据库;2)开发出一种人体绘图流程,通过绘制人体躯干的热量散布剖面图,从而制作目标的3D模型;3)适用于热量散布剖面集群的数据挖掘技术,该技术具有类似于辅助模块化设计以及公司大规模定制服装平台的功能。

目前的服装系统是假设皮肤的表面具有一致的挥发率以及出汗率进行设计的;然而,初步研究显示人体躯干具有不一致的热量排放模式,并且附属肢体内还具有更显著的热量变化情况[1-2]。通过利用当今的智能纤维、热量以及水分调节饰面以及新型编织和制造技术,我们将有可能在技术上实现无接缝运动服以及非均质材料服装的开发,这种类型的服装可以对热量的保留或损失进行智能控制。人体热量信息3D图可以被用于指导一种专门处理皮肤表面热量和水分的服装的设计工作。此外,这种人体热量图还可以被直接转换为一种3D―CAD(计算机辅助设计)模型,并且可以被用于一种大规模定制服装的自动开发。这种图形技术将使设计师能够通过对流、传导、辐射以及蒸发原理开发出便于热量交换的理想化的面料和服装设计样式[3]。最终,这种技术将允许纺织和服装公司通过使用计算机分析工具对产品开发工作进行改进,以便更好地满足其客户需求。

技术以及数据库的开发

此项目所使用的肢体扫描器类型人体解决方案具有四种正交角度的红色激光器,以便允许在12秒钟内采集300000个数据点,并且制作出人体的3D点云模型。图1就是一幅通过3D人体扫描仪所获得的图像。

该技术相关的软件 ScanWorx能够计算超过80种不同的人体测量数据,并且能够创建三角形网格图(图2)以及用于微气候观测的横截面视图(图3)。

   一台FLIR热量、红外线图像摄像机提供了一种即时、准确、可视的人体热量散布图。该热量摄像机被用于对强体力活动之前以及之后的皮肤以及服装表面温度进行可视化处理并且测量(图4)。肢体的热量模式可视化视图可以成为一种非常有用的创新式工具,用于服装的设计工作以及确定专门面饰的最佳应用位置,从而实现效率和有效性的最大化。

到目前为止,该数据库已经包含491个目标信息;包括男性和女性,年龄阶段为16岁至92岁。目标人群包括久坐的人及生活方式活跃的人,各种高度、重量、身体质量指数(BMI)比值以及各种体型分布。调查目标被要求填写一份标准的人口调查表格以及运动频率问卷表,并且进行权重计分,然后被要求脱至仅剩贴身内衣,以便获得一个精确的人体扫描数据。经过扫描之后,目标将站在红外摄像机前方,并且提取前、后、左、右四种角度的环境状况热量图。

在体力活动以及环境温度变化期间,由于人体热量的获得与失去比率不均匀,因此人体表面的问题将会经历一个不均匀的变化。由于热量的分布情况取决于活动类型和环境状况,因此该数据库中包含了在不同受控温度和适度条件以及活动水平下进行物理活动的目标子集信息。在运动期间,我们将通过位于胸部上方以及前肢胸骨位置的皮肤热敏电阻对目标的皮肤温度进行连续测量。这些位置代表了那些在皮肤与服装之间具有“高度接触”的区域,并且至少有一个区域可能具有较低的接触水平(例如,胸骨的凹面以及脊柱)。通过将这一目标子集添加入数据库内,将允许设计师们创建各种受控条件下的目标热量散布剖面图。该热量图随后可以互相之间进行静态对比,以便确定各种情况下热量获得或损失的空间分布变化情况。服装公司可以使用这种信息指导服装的大规模定制工作,从而为那些在热量中性区域以外工作或活动的人群根据其热量散布剖面定制服装。

2D/3D 绘图

如同之前所讨论的那样,人体的温度分布情况随着环境条件以及个人活动水平的不同而产生变化。热量数据库内包含暴露在各种环境状况和活动水平之下的一组目标子集的广泛测试信息,在测试中,我们使用一种可供人走入的环境舱对温度和湿度进行控制。在此测试期间,我们将获得目标锻炼之前、期间以及之后的热量图。这些图像将提供有关皮肤温度随时间变化的信息,并且将被用于对比相同目标在各种环境状况以及活动水平之下的热量变化情况。热量摄像机被放置在一个三脚架上,并且在目标所站的地板位置设置了一个标记,以便获得有用的图片。

当然,目标每次在摄像机前面的位置都不是相同的。他们可能会向不同的方向略微倾斜或者将他们的脚略微伸出界。这就导致我们难以对测试服装的热量散布剖面进行分析。同样地,当使用多个目标测试相同的服装时,肢体变化又给着装者的服装热量分布特性的测试造成复杂性。为了帮助对目标的热量图像进行空间和时间分析的量化处理,热量图被绘制为目标的人体3D扫描图;这个过程就被称为人体绘图。

我们通过图像配准技术将人体的热量图转换为目标的3D肢体扫描图,也就是使用一种被称为UV绘图的技术[4]。在UV绘图过程中,我们将执行一个坐标空间转换,并且将来自于热量摄像机的2D图像“投影”至目标的3D扫描图上。公式1概述了两个图像的图像配准过程,通过确定坐标转换功能,因此我们将能够对第一幅图像进行旋转、缩放和转换,以便与参考图像相匹配。

对于两个坐标为 {(xi ,yi )(Xi,Yi ): i = 1, ...,N}的图像而言,我们发现转换功能如下所示:

(1)

图5显示了UV绘图流程内的第一阶段,该图像根据MATLAB公司图像处理工具套件所开发出来的原型软件所制作。在这个图像配准阶段期间,标志点(或者目标身上所存在的共同点)位于热量图以及3D模型上。这些标志点可能是解剖学上的标志点,比如肚脐、锁骨或者肩胛骨,或者也可能是内衣与人体暴露皮肤之间的界面,该界面可显示出明显不同的3D人体扫描图和热量图。一旦标志点被确定并且位于热量图以及3D人体扫描图内,那么则可以执行相关性分析,从而确定标志点匹配重合所必需的坐标以及投影变换关系。最后,我们将对热量图进行一个坐标变化,以便将2D坐标转换为人体扫描的3D坐标体系。图6就是运动之前和之后的人体躯干背部的2D/3D绘图最终结果。热量分布剖面图被有效绘制入人体扫描图像上,并且3D图像可以在保留热量信息的情况下进行操纵并且摆出不同的姿势。这种经过整合的绘制模型随后被储存在热量数据库内,以便执行空间查询。

图5所选定的控制点:a.在热量图上;b.在人体扫描图上

图6目标背部的热量图,绘制在人体扫描图上:

a.运动之前;b.运动之后

热量数据库以及热量散布剖面

被储存在数据库内的信息可以进行开发,以便创建出热量散布剖面图。数据开发工作被定义为从大型数据库中处理之前所提取的数据以及容易解释的信息,从而改善并优化工程与制造流程的决策[5]。热量散布剖面图涉及按照类似的热量模式以及其他属性(例如,年龄、性别、活动水平、高度、重量、BMI以及身体形状)分组个别信息。我们预计其中将存在一个不相关联的类别组,其中每个组内所有目标的热量散布轮廓都是高度相关,但是在各种类别之间存在差异。我们随后就能够对服装进行大规模定制,以便根据网络配置器内自动报告的客户属性对各种躯干区域的热量损失或保留情况进行优化处理。在从现在起的几年时间内,客户将能够购买到专为娱乐、热量保留目的定制的服装,以便客户在88℃以及60%的相对湿度的炎热夏季出行时能够保持凉爽和干燥。

在空间数据开发过程中,我们对数据库进行搜索,以便确定数据组内所存在的样式。数据开发的目标就是通过执行多变量相关以及检验不同数据变量之间的空间相关性,从而确定空间数据内所存在的未知样式。在数据开发的初级阶段,目标根据性别、年龄以及BMI范围被分为不同的组别。我们所初步选择的年龄范围为10岁间隔,而BMI类别则是根据美国国立卫生研究院(NIH)所提供的信息进行分类的。在这些目标群内,我们将执行有关热量分布的多变量空间分析,以便确定热量分布之间的协方差;我们随后将进行这种统计分析工作,以便确定热量分布中确实存在的模型。我们通过使用不同的集群参数从而重复这一数据开发流程,直至可以确定明显的统计学类别为止。此研究项目的下一个阶段就是开发出一种网络应用模式,以便服装公司能够使用热量数据库自己进行数据开发工作。这些公司专用的数据开发工作可以根据他们的目标客户明确属性及其功能设计目标进行。

表1概述了每种预期类别的人口规模当前状态信息。我们最初按照目标的性别、年龄和BMI类别执行分组。414个目标的大多数都是处于大学年龄(其中的302个目标处于10至20岁和20至30岁年龄段,289个目标处于18至23岁的年龄段);总之,超过一半的目标(59.42%)是按照具有正常BMI值进行分类的。目前,我们正在对那些未被充分代表的目标客户进行相关工作,通过在当地报纸上刊登广告以及与几个医疗小组和老年人组织进行讨论从而确定这一目标群体;这些群体包括体重低于正常标准的所有年龄段目标群体以及肥胖类别群体、40岁以上的女性群体和30岁以上的男性群体。我们还持续从大学年龄段的目标中采集数据信息。

图7显示了数据开发活动的某些初步结果,该图片分析了30至39岁阶段具有正常BMI值的所有女性的温度变化情况。填充轮廓内的蓝色区域显示了温度变化接近于0℃的区域,或者目标之间非常类似的温度区域。文胸周围的区域显示了一个较大的温度范围(红色);这种变化主要是由于不同的文胸尺寸、文胸位置以及材料特性所导致的。这些研究活动正在进行中,并且将会继续通过改进群体间热量分布的相似性从而对集群参数进行修改。

图7a.填充轮廓显示具有正常BMI值的30至39岁女性温度变化;b.温度范围柱状图

结论

此项研究的结果将产生出有效的产品配置器系统和工具,这些措施将给一个复杂的设计流程提供框架结构,并且降低设计反复情况。热量轮廓图将使服装或运动器材制造商按照客户群体的热量模式大规模定制服装或者可穿着设备。

运动服装、生物医药设备或者附件、保护性服装、“智能”服装以及任何功能类型或性能服装的产品开发商和设计师将能够把此项研究中的发现整合入新的设计中,并且设计出与服装穿戴个体热量模型相兼容的服装。最终,此项研究工作中的发现可以允许服装公司开发概念性设计模式以及与他们的客户进行创新性互动。用户可以被授权利用制造商根据此项研究所专门开发的工具来创造属于自己的服装产品,并且给用户提供一个网络平台。新技术将使一系列设计的可能性变为永恒,并且为设计师、研究人员、技术人员以及产品开发人员创造出被Parsons 和 Campbell称为“复杂与多方面决策点”的功能[6]。这个项目被视为需要与人体躯干热量功能相“匹配”和相“关联”的广泛产品和流程的一个跳板。3D人体扫描仪和热量摄像机允许在原型的概念化过程中进行更多模拟以及实现更多灵活性,改变并适应现有的产品和流程,因此扩大了创新性解决方案的可能性――这是21世纪全球竞争力的关键所在。

参考文献:

[1]McCullough, E. A., et al., ASHRAE Transactions, Vol. 88, No. 1, 1990, pp1077-1094.

[2]Yoo, S. and Barker, R. I., Textile Research Journal, Vol. 75, No. 7, July 2005, pp531-539.

[3]Li, Y. and Holcombe, B. V. A., Textile Research Journal, Vol. 68, No. 6, June 1998,pp389-397.

[4]Franken, T., et al., Visual Computing, Vol. 21, No. 8-10, 2005, pp619-628.

[5]Moon, S. K., et al., Proceedings of the MCPC 2007 World Conference on Mass Customization & Personalization, Boston, Mass., USA, 2007.

[6] Parsons, J. and Campbell, J. R., Clothing and Textiles Research Journal, Vol. 22, No. 1/2,2004, pp88-98.

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