CATIA三维人体模型的建立

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  摘要:运用CATIA软件建立三维人体模型,并进行线性回归分析,旨在使服装设计符合人体体型的表达。
  关键词:CATIA、人体模型、回归分析
  中图分类号:U461.99
  1.人体模型
  立体化设计的基础是对于人体的研究,而人体模型的使用是立体化设计中不可或缺的一环,人体模型是立体化设计时用布料包覆起来体现人体形态的模架,又名人台、胸架。人体模型制作的基础是人体的基本造型和尺寸,但由于地域的不同,人的体型也存在差异,譬如中国人与欧洲人,因体型差别,促使我国的成衣企业运用立体化设计进行成衣设计时,首先需要选择与中国人基本体型一致的人体模型。
  立体化设计专用的人体模型有两大类型:工业生产用模型和裸体型模型。工业生产用模型在胸、腰、臀部位都增加了一定的放松量,其它一些部位也相应增加了丰满感。这种模型本身含有一定的放松量,这样的服装更符合人体的实际穿着状态。裸体型模型各部位的形态和尺寸都接近于真实人体的形态和尺寸,这种模型比较适用于贴身型服装的立体化设计。在成衣设计中运用立体化设计,常使用的是工业生产用模型,但根据性别、年龄的不同又可分为多种类型,例如全身、半身(用于上衣)、下肢(用于裙裤)、男、女、童体模型等。
  模型按按材料分类:木质模型、水晶模型、ABS树脂模型、金属模型等,主要品牌有寿屋(KOTOBUKIYA)、小号手(TRUMPETER)、正德福(Kitech)等。另外,还有凸体型、特胖型等部分特殊体型的人体模型。用立体化设计设计成衣时,要根据不同的款式来选择相应的人体模型,尤其是设计一些特殊体型的成衣如设计孕妇装,要选择符合孕妇体型的人体模型,或者对常规的女体模型进行修正(用棉花或其它材料在人体模型的腹部增加加垫,修正其造型)。正确地选择人体模型十分重要,它对成衣的最终造型效果及穿着的舒适度有最直接的影响。
  2. CATIA人体模型设计模块
  CATIA是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。其中,CATIA V6软件有一个模块专门用来进行人机设计与分析,其中含4个工作模块: 人体模型构造模块,人体模型测量编辑模块,人体行为分析模块,人体姿态分析模块。
  人体模型构造模块是CATIA V6软件分析设计的基础,是在虚拟环境中建立和管理标准的数字化“虚拟”人体模型,以在产品生命周期的早期进行人机工程的交互式分析。人体模型构造模块提供的工具包括:人体模型生成、性别和身高百分比定义、人机工程学产品生成、人机工程学控制技术、动作生成及高级视觉仿真等,根据国家、性别、身高百分比来自定义人体模型;人体模型测量编辑模块可以更改人体模型的某些尺寸百分比,从而更改相应的人体模型;人体行为分析模块是CATIA V6软件的分析工具和方法;人体姿态分析模块是CATIA V6软件分析人的各种姿态以及评价、仿真等。
  2.1 CATIA人体尺寸测量方法
  首先人体测量必须尽可能真实有效的代表人身体部位的尺度、结构和形状。由于种族、地域、年龄、性别等的差异,人体关节的连接与形体、轮廓的尺寸有相当的差别,因此人体测量数据是人体建模的基础。
  采用立体摄影测量方法,通过CCD摄像机,从被摄影人的正面、背面和侧面各获取一个三维人体的二维图像(实际空间坐标和摄像机像平面坐标系之间的二维图像),以此来提取出能完整表述人体的特征参数,在服装设计时结合人体的特征线等来构建出服装用线的三维坐标图。
  为了能够精确测定服装的空间与人体的比例关系,我们采用了红外线测量法,充分运用红外线技术描点法获取真实人体的近似曲线,并绘制其外型曲线,同时通过比较各个函数的拟合效果,以此来确定以三次多项式函数进行拟合,然后经过修正获得人体曲线长度和肢体各部分的函数关系,最后通过曲线缩放推算出人体特征线,以此来构建出服装用线的三维立体效果图。CCD技术将被摄取的目标转换成为图像信号,传输给专用的图像处理系统,根据亮度、颜色、像素分布等信息对被测物体进行测量,这是一种人工智能与测量技术交叉而形成的智能测量,具有测量速度快、易于自动处理、系统成本低等特点。
  其中,我们设定:
  以上这些项尺寸对于CATIA软件来说,可以方便的建立人体模型,对于一些围度,图像很难反应出来,无法直接测量,红外线技术描点法可以有效的捕捉,并且通过CATIA,可以根据各部分的宽度、厚度自动拟合出相应的曲线,弥补了以往测量方法的不足。
  2.2 CATIA人体尺寸测量误差分析
  CCD摄像机测量人体尺寸的误差主要来源于以下三个方面:
  第一,CCD摄像机本身拍摄精度误差。CCD机械加工安装时造成的CCD面阵的几何误差。也就是说象元(亦称像素或像元点。即影像单元(picture element)。是组成数字化影像的最小单元。)排列不规则而使影像产生的几何误差,包括象素定位不准,行列不直及相互不垂直等误差。此外还有CCD不同的象元对相同的光强信号转换得到的灰度值有差异的象元敏感不均匀性误差。可以通过增加实验次数、采用比较先进的摄影设备来尽可能的减少误差。测试人员实际身高,利用此相机拍摄照片,量取三次身高值,取平均值得到,该误差比较小,可进行继续研究,并且拍摄人员时,尽可能的将其充满摄像机屏幕,占有越多的像素同样可以减小误差。
  第二,电学误差。电学误差主要是指CCD在光电信号转换,电荷在势阱(即粒子在某力场中运动,势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小,形如陷阱,称为势阱)中的传递以及A/D转换时所产生的影像几何误差。它主要包括行同步误差、场同步误差和像素采样误差。主要原因是光电信号转换不完全、信号传递滞后以及CCD驱动电路电压及频率不稳等因素造成。
  第三,测量过程中操作误差。由于人体是立体的,通过红外线技术描点,并且在选取成像的同时,最终是在一张图片内测量多项尺寸,必然有一些被测尺寸和标竿不在同一平面上。实验中,可以通过不断改变被拍摄人员与标杆所在平面的距离进行测量,但是经过验证所得出的数据存在较大误差,也就是说利用CCD摄像机测量不同平面内物体尺寸确实存在较大误差,标杆平面与被测平面距离增加时,误差也会增大。为了避免这一情况,本次试验采用标定物体来进行检验,用相机采集标定物体的两幅图像,再测量两点之间的距离。通过此方法来避免类似误差的产生。   2.3 CATIA人体模型文件格式要求
  在建立CATIA自定义人体模型时,需要通过分析人体模型文件格式要求,首先建立一个空白的文档文件,按照下面的格式输入,在每一个段,都必须关键字开头和关键字结束。
  关键字:
  MEAN_STDEVM()
  MEAN_STDEVF()
  CORR M()
  CORR F()
  以上的4段是可以进行选择的,第一个关键字:代表男性尺寸平均值和标准差,第二个是女性平均尺寸和标准差,这二者之一必须存在的。
  在MEAN_STDEVM段中,可以建立男性模型,或者是女性模型、或者是男女性别时建立,这些是建立人体模型的基础性数据。书写的格式如下示例:
  <变量><平均数><标准差>
  <变量>:所选人体尺寸项的参考代码;
  <平均数>:指人体尺寸的平均值;
  <标准差>:其标准差值。
  对于CORR项,所表示的是身体尺寸的相关性,其中,需要填写尺寸项代码以及之间的相关系数,而相关系数是表示两个变量之间存在的互相依赖性,CORR项可有可无,它一定程度影响模型的精确度。其中,必须MEAN_STDEV书写在CORR段前面。书写的格式如下示例:
  <变量1><变量2><相关性>
  <变量1>:第一个变量的参考数;
  <变量2>:第二个变量的参考数;
  <相关性>,两个变量联系到一起的相关性数值,其中:变量1必须不同于变量2,因为定义阐释,一个变量和它自己的相关性是1.O,此外,变量1参考数应该比变量2的参考数要小。相关性必须为-1.0一1.0范围内,存在一个真实的数,如果给定的相关性数值不在[-1.0,1.0]范围之内,就会出现误差 。
  对于<变量><平均数><标准差>表格计算简单,通过EXCEL自带函数很快求得相应的平均数与标准差。难点在于CORR这一项。人体各项尺寸都有相关性,有些相关性很高,有些相关性低,通过回归分析计算方法来求得身体各尺寸之间的相关性。
  最后将以上同时包含MEAN_STDEV M和CORR数据记录在记事本文件中,更改文件属性将txt改为sws格式,再命名为A1. sws。在CATIA下拉工具菜单中选择Options(选项),在选项对话框自定义人群栏目的右上方点击Add按钮,选择A1. sws文件,文件将会被顺利读取,相应的人体模型AI就会添加到列表中。(如图2.1)所示。人体模型文件添加成功后,就可以建立相应的人体模型。(如图2.2)所示。
  图2.1添加自定义人群
  图2.2 CATIA自定义人体模型选择
  2.4 CATIA人体模型相关性分析
  围绕人体各部分之间的尺寸关系开展的分析主要以身高作为基本的尺寸依据,通过分析,建立相应的一元或者与其他的身体尺寸建立的一种多元线性回归方程。主要的两项任务是:一是相关分析与回归分析,二是:后期所进行的回归系数与显著性的检验。分析处理尺寸数据之后,第一是对各部分身体的尺寸以及身高基本尺寸进行相关的分析,计算出每两个尺寸之间存在的相关系数,判断各尺寸之间是否具有较高的相关性,然后通过回归分析,建立相对应回归方程,一元线性回归方程为其中b1 为回归系数;多元线性回归方程为其中、为回归系数, 最后开展显著性检验。
  在分析人体的尺寸的线性相关系数时,其相关性不仅要考虑到其数学意义,还必须考虑服装空间和人体各个尺寸的关系,充分体现其重要程度,因此不仅要开展人体尺寸统计规律的摸索,还要考虑到人体与服装空间之间存在的主要、次要尺寸分类,人体尺寸在服装内部空间的设计、校核等方面非常重要,其中宽度和厚度尺寸,对于服饰的空间保留和截取设计也十分重要。例如;头部长度值和足部宽度与身高相关系数值比较很大,它们的尺寸在对服装布局设计和校核时用的并不多。因此很多在0.4到0.6之间的尺寸相关系数,对具体回归计算没有显著实用价值,所以不用去寻找其中具有较大相关系数的尺寸项去拟合相关性较高的回归方程。
  建立的人体模型(如图2.3)所示:
  图2.3 人体模型
  3.CATIA人体模型建立的意义
  人体模型在服装设计中发挥着非常重要的作用,从内部空间的设计到外部空间的设计均以人体模型为核心。人体是由复杂的不可展开曲面构成,对这种有机的立体造型进行周密详细的计测,在一定程度上可以表现人的体型特征,而服装立体空间的设计就必须以人体模型为基础,这样的空间才是适合的。同时人体模型的构建是以人体尺寸为基础,再利用CATIA软件对人体模型进行建立,这样可以将服装设计的最基础的人体模型直观地分析出,比如服装的空间的设计是否合理。
  虽然之前有过人体模型的建立,但由于现代社会发展迅速,人们的生活水平的提高,营养改善,身体状况改变较明显,身高腰围等项有较大幅度的增长。因此需要重新进行人体模型的建立,这样才能使得设计出的服装空间更加符合当代人的人体尺寸,更加体现出服装空间的亲和性。因为服装空间设计的总体布置是根据人机工程学基础原理展开设计,其中在服装空间的设计中是“以人为核心” 作为指导思想,设计确定的服装内部尺寸应保证所穿之人有适当的空间。笔者认为,服装设计师在进行服装空间设计时,为使人与服装相互协调,必须对服装同人相关的各种数据作适合于人体形态、生理以及心理特点的设计,能让人在使用过程中,感到舒适、方便。因此服装设计师应了解人体测量学与人体模型建立的基本知识,并熟悉有关设计所必需的人体测量基本数据的性质、应用方法和使用条件。
  4. 结论
  本篇文章采用ccd摄像机测量人体尺寸并对人体图像进行处理,得到精确的图像,并根据CATIA人体模型文件的要求来分析人体尺寸数据文件内容以及格式要求。分析了人体尺寸之间的关系,通过统计分析的方法建立人体尺寸回归方程,根据自变量分别进行一元回归分析和多元回归分析,解决了“平均人”的概念性人体模型的问题,克服了实际人体模型的离散性。在CATIA中建立了自定义的人体模型,这对服装的空间设计起到了非常大的作用。 与此同时,我们还希望通过这项研究,找到一个合理的、科学的方法,来阐释服装设计中的立体化设计思想是怎样被合理应用的,是怎样突破传统的设计理念,让服装展现出更加现代化的造型艺术和更加深刻的内涵的,是怎样丰富消费者的视觉效果的。
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