服装工艺虚拟仿真交互学习系统开发与应用
时间：2023-06-27 10:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
骆顺华 山东工艺美术学院
服装专业作为一门实践性、应用性与技术性很强的专业,其实践环节(服装工艺)是培养学生实际操作技能、服装设计创新能力的有机组成部分。当前新冠疫情常态化情况下,线下教学时常突发性被打断,对于实践性质的服装工艺课程来说,必须充分做好线上教学的准备以备不测,然而服饰工艺传统教学的模式容易使课堂教学显得枯燥,学生无法保持专注力,已经无法吸引学生对服装工艺的学习兴趣,“Z世代”学生喜欢互动式、启发式教学。服饰工艺学习经历了文字结合图片到视频演示形式过程转变,利用Flash制作服装工艺的模拟动画等形式。但这些形式使学习者无互动的被动接受,而且在表达较为复杂的工艺时,存在不连续、非多维度及易受空间环境限制等问题。随着计算机软硬件技术的发展,虚拟仿真与三维动画模拟技术发展较快,针对此技术的应用,根据文献研究发现,机械、航空、军事、船舶、医疗、体育、建筑等专业领域的学术文献占绝大多数,服装领域中少数学者从趋势及可行性方面进行了理论研究与服装款式虚拟展示。另外陈鹏等运用虚拟现实技术进行服装生产车间模拟。苏军强等提出利用增强现实技术进行信息化、一体化教学思路和实施方案,在开发的系统中包括服装工艺多媒体教学课件,仅可以进行点播、重播交互功能。虽有学者提出虚拟仿真技术应用于服装工艺教学的观点,但尚未发现采用虚拟仿真技术模拟服装缝制工艺。
综上所述,服装工艺课程教学方法有较大改进,但尚未从根本上解决效率低、效果差及学生真正自主学习等问题,虽然有学者提出虚拟仿真技术,但并没有针对服装具体款式工艺进行虚拟仿真开发。笔者前期已对全国服装院校服装工艺教学方法进行广泛调研,也与相关专业人员对三维动画模拟服装工艺技术进行了大量技术咨询及实地考察,论证该项目的可行性以及项目成果在各高校或相关培训机构可预期的广泛应用价值。
三维虚拟现实开发技术(Unity3D)是融合了高优化度渲染和高效物理引擎的虚拟系统开发平台,具备直观展示服装工艺具体过程以及交互实现虚拟缝制服装的基本条件。基于此,提出运用Unity3D虚拟系统平台开发服装工艺虚拟仿真学习系统,实现工艺的连续、多维度展示、自主交互学习,解决服装工艺学习机械无趣与因重复示范而效率低的缺陷,在线学习系统支持不受缝制工艺硬件条件限制的重复学习,为服装实践类课程教学模式改革抛砖引玉。
虚拟仿真技术涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术和人工智能等,但不同应用领域、不同专业领域、不同应用对象所侧重的技术有较大差别。服装工艺开发主要涉及三维建模、三维动画和人机交互技术。
三维建模技术可以分为基于几何造型建模、三维扫描建模和基于图像建模三种方法。这三种方法中三维扫描建模既快捷又准确,但是需要昂贵的设备费用;基于图像建模对照片的拍摄环境和拍摄精度有相当高的要求,目前市场还没有成熟的技术;基于几何建模需要使用AutoCAD、3ds Max软件运用计算机图形学构建三维模型。考虑到开发成本及对三维模型精度要求较低,服装工艺中三维建模基于3ds Max软件采用比较成熟的几何造型建模,然后生成模型的材质纹理。
采用3ds Max软件建立的静态三维建模,需要利用三维动画技术来实现模拟现实中的动作过程,三维动画技术又称三维预渲染回放技术。三维动画首先需要定义与绘制关键帧,然后模拟实际动作过程设定运动路径,最后需要设计逼真的视觉效果并输出,常用的工具有 3ds Max、AutoCAD、Maya等软件。服装工艺仍然采用3ds Max完成三维动画。
仅仅完成三维动画,不可称之为虚拟仿真技术,虚拟仿真的另一关键特征是人与机器之间的互动,即交互技术。只有交互才能仿真真实场景中用户与对象的活动过程。交互技术是将输入设备(鼠标、头盔显示器、数据手套、数据衣等传感器设备)获取的用户动作信息映射为虚拟环境中的动作,交互技术分为直接用户交互技术、物理控制技术和虚拟控制技术。服装工艺采用虚拟头盔作为交互的输入设备的沉浸式体验。
2.1 服装工艺特点
服装工艺虚拟仿真学习系统有明确的专业需求,被开发对象有不同特点,服装工艺与其他工艺材料、工具和制作工序等方面有独特之处,因此在服装工艺的虚拟仿真学习系统开发之前需要了解服装工艺特点。
2.1.1 服装材料
服装材料与其他材料相比,最大的区别是具有柔性、可塑性,在虚拟环境中,柔性材料的力触觉建模比刚性材料建模更复杂,因为面料的各项异性特点不同于刚性体的同性特点,即使准确定义面料属性也难以模拟实际的面料力学特征。因此如何模拟真实面料柔性特征及实现二维衣片至三维柔性曲面的变换是服装工艺虚拟仿真的难点。服装面料的虚拟仿真方法有很多,鉴于面料表面及性能的复杂,所有这些仿真算法与实际面料动态效果存在较大差别。此系统中面料模型需要根据工艺模拟要求建为刚性体或柔性体。比如排料工艺,柔性模型难以直观展示排料工艺,因为衣片模型为柔性体,在抓取衣片排料时,因为重力作用,衣片会自然下垂,无法展平,因此这种情况下面料模型定义为刚性体更为合适。但在袖山缝制工艺模拟时,面料需要建为柔性体才能实现“吃缝”的缝制过程。
精确配制浓度分别为0.00、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50和3.00 mmol/L的苯基异硫氰酸盐标准液,以苯基异硫氰酸盐浓度为0的标准液作为空白对照,在365 nm处测定不同浓度(X)苯基异硫氰酸盐的吸光度(Y)。对数据进行回归分析,得到方程Y=0.9953X-0.0051 (R2=0.998 9)。
2.1.2 不同长度衣片缝合
服装工艺过程中存在不同长度的衣片缝合工艺,服装袖窿与袖山、裤装前片内侧缝与后片内侧缝缝合时,需要缝制的缝边长度不一致,在缝合时需要利用面料的可塑性特点进行袖山吃缝,如何在虚拟环境中实现不同长度衣片缝合是服装工艺不同于其他工艺的特别之处。
2.1.3 服装熨烫变形
服装工艺中的熨烫工艺是服装造型的主要造型手段之一,因人体外形复杂,仅依靠服装纸样结构的立体造型是无法满足服装与人体合体的要求,而服装材料有热塑性,因此可以运用高温熨烫的归、拔工艺实现二维面料局部三维化,比如西服、西裤、西服裙等合体服装很多部位涉及到归、拔工艺。因此在熨烫工艺的虚拟仿真过程中如何再现归、拔工艺也是服装工艺的难点。
以上这些服装工艺特点,在服装工艺虚拟仿真学习系统开发过程中如何合理实现还需要不断改进。
2.2 系统开发技术路线
游行服饰既要展示国家文化、地域特征,也要和当代技术相结合。“国旗”方阵的白色男西服,选用汉白玉色,融入当代数码印花,使色块与长安街地砖色相协调,并能随着光线的变化而调整,体现出层次感与动感。“神舟飞天”方阵对航天服进行差异化处理,服饰所具备的科技性与整体的队列阵形相符合,以适应整体游行面貌。
图1 服装工艺虚拟仿真学习系统开发技术路线
1) 利用3ds Max建模软件建立裁剪、熨烫与缝制设备模型,C4D构建毛呢面料模型。并在模型基础上运用3ds Max三维动画软件分别制作每个裁剪、熨烫和缝制工艺动画;
2) 以Unity3D为开发平台,C#语言交互脚本,采用MVC框架搭建高扩展性的客户端,并将三维模型和动画导入Unity3D引擎,按照事先制定的工艺规范编辑素材库;
3) 通过Unity3D引擎驱动素材库,依次进行加载、优化、实时渲染,对裁剪、熨烫、缝纫工艺过程进行三维呈现,并且根据服饰工艺学习过程中互动需求,拟定互动脚本,策划工艺互动点及互动内容;
4) 建立基于J2EE技术、B/S结构、Java语言开发、MYSQL数据库、Tomcat应用服务器的服务端,存储设备与衣片素材的图文信息、三维模型信息、系统信息与用户信息,并将信息与客户端的相关元素进行关联,为用户提供编辑后台、相关信息的维护与更新。
2.3 西服裙工艺虚拟仿真教学系统设计
2.3.1 设计虚拟仿真学习系统界面
界面是用户与系统进行互动的基础,也是虚拟仿真学习系统功能完整性的重要因素。友好的界面便于用户操作。服装工艺虚拟仿真交互学习平台包括西服裙工艺、女衬衫工艺、女西裤工艺和女西服工艺四个工艺模块,界面采用人台下面的文字展示四个工艺模块,因为每个模块的开发思路和脚本逻辑结构完全一致,这里仅选择西服裙工艺实例来进一步详细分析服装工艺的虚拟仿真学习系统开发过程。首先设置西服裙工艺虚拟仿真学习系统的界面及整体内容架构(如图2),整个界面为一个服装工艺操作空间,是整个工艺学习场景中的环境、工具、机器设备的三维模型展示,通过场景漫游可以全方位浏览裁剪台、熨烫台、缝纫机、缝纫工具(剪刀、尺子等)以及场景装饰。每个工艺模块设定为课程简介、制作流程、知识问答、成衣展示四个部分,形成了练习、考核、再练习闭环自主学习模式。
图2 服装工艺虚拟仿真交互学习平台界面
2.3.2 构建素材库
1) 建立场景模型
西服裙工艺涉及的设备有:烫台、熨斗、裁剪刀、平缝机、三线包缝机、滚边压脚、隐形拉链压脚,西服裙衣片有:西服裙腰头、前面片、后左面片、后右面片、前里片、后左里片、后右里片、腰头粘合衬,其他辅料有:缝纫线、拉链、搭扣。这里以平缝机为例阐述三维建模过程,首先收集以上设备、衣片与辅料的尺寸、参数、纹理及材料等素材,根据平缝机尺寸使用3ds Max创建平缝机立体几何模型,在该模型各部位添加点进行形状细节修改,添加颜色,采用法线贴图结合材质贴图实现平缝机模型的立体效果(如图3)。需要建模的衣片和辅料是柔性材料,采用C4D软件建模,根据毛呢面料参数进行面料属性设定,并根据模拟效果与同条件下面料试验效果差异进行微调,以接近毛呢面料实际动态效果。
图3 平缝机三维模型
2) 制作工艺动画
三维动画可以生动复原工艺的操作动作,贯穿于虚拟仿真学习系统始终。服装工艺的相关动画通过3ds Max软件与Animation动画系统完成制作,根据西服裙工艺需要制作的动画有:排料、划样、打剪口、裁剪衣片、熨烫衣片、腰省打线丁、包缝机锁边、平缝机缝纫衣片、腰头滚边、绱拉链、分烫侧缝缝份、折烫后开衩、折烫腰头、绱腰、钉扣、折烫底摆缝份、缲边。其中绱腰工序在西服裙工艺中难度较大,以绱腰为例说明三维动画制作过程,绱腰是腰头与裙腰旋转缝合,0°、90°、180°、270°、360°等 5 个关键帧设置旋转改变的位置,利用3ds Max时间轴形成一个绱腰缝制360°的连续动画(如图4),并在关键帧以文字形式提示工艺操作要素。这样的设置,可以让学习者不仅能直观查看绱腰的过程,而且能够交互进行工艺操作,以达到练习的效果。把所有三维模型、贴图、动画文件复制到Unity的资源文件中。
图4 绱腰工序
2.3.3 编制工艺交互脚本
虚拟仿真的关键特征是人与机器之间的互动,因此交互实现是服装工艺虚拟仿真学习系统的核心,每个工艺步骤的交互流程构思决定交互学习效果。设计每一个工艺的交互流程的基本原则是最大限度贴近真实的工艺操作过程,同时考虑工艺学习要点考核。
西服裙工艺分为19个制作流程步骤,每个工艺步骤分为视频和虚拟仿真操作,两种学习模式相辅相成。每个工艺步骤设定三维动画及交互环节,每个工艺虚拟仿真操作环节分为三维动画演示工艺,交互模式让学习者手持手柄进行工艺操作。以排料交互练习(如图5)为例,交互脚本的设置需要明确该工艺步骤的学习要点,排料是为了让学生掌握按布纹方向、先排大片后排小片的排料基本原则,同时要实现最大节约面料。因此在交互脚本的设计逻辑中需要在衣片和布料上确定布纹方向,当衣片布纹方向与布料布纹方向一致时才判定排料准确,针对最大节约面料的问题,需要设定标准排料耗量,当学习者完成排料后,计算所耗费面料长度,根据耗费面料长度是否超过标准判定交互学习是否合格。
图5 交互排料
2.3.4 搭建客户端与服务端
在Unity中打包所有西服裙工艺制作流程的动画组件及交互脚本生成exe后缀的虚拟仿真系统可执行的程序文件,即建立西服裙工艺虚拟仿真系统的客户端。
Unity3D系统在服务端中保存三维模型、工艺过程的动画及交互脚本代码,以存储信息并将信息与客户端对应元素关联,后期还可以在此基础上扩展模型和动画片段。控制动画组件的代码源文件可以添加、扩展新内容。服装工艺虚拟仿真学习系统搭建完成后,需要在Unity3D平台上进行整体调试,对于不合理的交互流程进行优化。
调试涉及到界面跳转是否正确,控件触发动作和信息是否准确,交互脚本和动画是否执行,操作是否完整,系统运行是否具有实时性。
基于Unity3D引擎的服装工艺虚拟仿真学习系统围绕服装四大基础工艺,系统论述了服装工艺虚拟仿真学习系统教学模式的虚拟仿真系统开发过程。
1) 此系统探索服装工艺的虚拟仿真交互学习模式的可行性,开发方法可以为其他服装工艺实践类似虚拟仿真试验教学提供参考。
2) 参与测试的学生反馈虚拟仿真学习系统的自主学习方式寓教于乐,可以替代教师的现场演示,交互操作过程体验友好,该模式可以作为服装专业工艺实践类课程的示范。
后续研究在工艺细节的艺术效果、面料三维模型等方面需要进一步优化,虚拟现实交互输入设备结合也需进一步扩展性试验,使系统具有更好的体验感与沉浸性。
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