三维衣身原型曲面展平技术的研究

摘要

三维曲面展平技术是逆向工程技术的非常重要的一部分，通过对三维实物的测量研究及信息获取到二维图纸的制作，该技术为产品的快速研制开发以及快速原型化设计提供了一条捷径，被广泛的用于航空、机械、轻工、家电、汽车、玩具等领域。服装及人体曲面作为一种非常复杂的三维曲面，其曲面的研究及展平一直是三维服装CAD领域的难点，能通过智能化设计实现三维人体特别是服装曲面的自动展平，实现服装领域的自动智能打板，是很多学者研究的热点也是难点。
　　 目前对三维人体和服装曲面展平技术的研究，更多的从机械或者自动化角度进行，能够结合服装专业知识和人体特点的研究还是不多，展平后的曲面实用性比较差。同时对于人体和服装曲面的定义更多的是通过曲面拟合的形式实现，拟合度不高是主要的问题，或者对曲面进行简单的区域划分来进行定义，使服装曲面缺少一种精确的数学定义形式。
　　 本文针对三维服装曲面展平的研究状况，以标准女装人台模型为研究对象，提出基于形体特征点和特征线的三维数据测量方法，获取曲面数据，设计了基于特征点和线的曲面三角网格化方法。对网格化曲面上节点的离散高斯曲率的计算给出了计算公式，然后基于蚁群算法原理，提出了一种比较精确的定义复杂三维人体曲面的数学形式。基于胡克定律，提出了一种几何与物理结合的新型展平算法，提高了曲面展平后的实用性。最后结合服装打板和工艺归拔原理，针对不同的分割，设计了不同的物理修正算法，分别实现了展平，并对展平后的样板进行实物制作，对算法有效性进行评价和验证。论文的主要研究内容和创新点如下:
　　 1)基于形体特征的三维曲面数据获取技术的研究
　　 提出了基于形体特征的三维曲面数据获取方法，将决定服装样板造型的人体控制部位加入到服装曲面数据获取技术中。设计测量曲面上的关键点和关键线，对曲面上测量得到的节点进行三角网格化技术方面，提出了基于特征点和线进行有规律的三角网格化方法，得到了网格化的三维人台曲面以及各节点的拓扑信息。基于数据访问特点，提出了四维双向链表的数据存储方式。通过验证所设计的基于形体特征的数据获取方法及三角网格化技术对提高展平样板的实用性非常有效。
　　 2)基于离散高斯曲率的三维原型曲面的定义
　　 基于微分几何中的高斯曲率理论和Guass-Bonnet定理，设计了一种三角网格化模型，以线性表的形式将曲面上的节点表示为顶点集合和三角面片集合，给出了三角面片法向量的计算公式。基于模型，提出了一种离散化高斯曲率的计算方法，设计了算法对曲面上的节点计算离散化的高斯曲率。通过试验设计了一评判值，比较各节点高斯曲率的绝对值与评判值的大小，将节点定义成可展性节点和非可展性节点。
　　 3)衣身原型曲面的智能分割
　　 将蚁群优化算法应用到服装曲面的分割技术中，将衣身原型曲面的分割问题定义为过各节点寻找路径的旅行商问题(TSP)，以区域节点所占各区域的平均百分比为评价目标确定是否终止搜索，建立了数学模型，设计了合适的信息素、更新概率和启发式信息等参数，并对算法的收敛性进行了分析了验证，实现了对曲面的分割。最后通过纸片实验，验证了算法的有效性。从而得到了衣身原型曲面上的两种区域分布:可展区域和非可展区域。
　　 4)非可展曲面的智能化展平算法的研究
　　 对非可展曲面，基于几何与物理相结合技术，提出了一种基于特征点和特征线的新型展平算法，算法首先沿形体上的特征点和特征线将曲面进行几何展平，然后基于胡克定律建立了一种新型能量评价模型，对几何展平结果进行物理修正。在能量释放问题上，考虑了与分割线位置分布的关系，提出了功能性分割线和非功能性分割线两种定义，并提出沿功能性分割线释放能量的展平算法，将本文算法与领域相关算法进行比较，得出本文算法既保证了曲面展平后的材料丝缕方向，又保证了能量积聚的最小化和样板形状的规则。
　　 5)基于省道转移原理和服装归拔技术的曲面展平算法的研究
　　 对各种分割线分布形式的衣身原型曲面，基于省道转移原理，提出将非功能分割线转变为功能性分割线的能量释放方法，设计辅助线进行分割线类型转变，在辅助线设计上提出了最短路径搜寻算法，与未进行分割线类型转变的展平结果进行对比，得出转变为功能性分割线的能量释放方法能有效减少能量积聚，提高样板的稳定性。对展平后样板的稳定性方面，提出基于材料归拔量的评价方法，建立了可归拔变形量的评价模型，选择可归拔变形量最小的材料进行样板变形量的评价，得出所展平的二维样板变形量都是处于可控范围的，然后提出将可展曲面部分和非可展曲面部分沿分界线进行拼接得到最终生产样板的方法，并输出样板，采用样布进行了制作试验，验证了算法的有效性。

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究的目的、意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 三维服装CAD技术的研究现状

1．3．2 三维曲面展平技术的研究现状

1．4 论文的主要研究内容和创新点

1．5 论文的组织结构

第二章 基于形体特征的衣身三维数据的获取技术

2．1 引言

2．2 表面数据获取技术

2．2．1 接触式测量方式

2．2．2 非接触式测量方式

2．3 基于形体特征的人体表面数据的获取

2．3．1 特征点和特征线的设计

2．3．2 基于特征点和特征线的人台数据获取和节点的三角化

2．4 数据的存储设计

2．5 本章小结

第三章 基于离散高斯曲率的衣身原型曲面的定义

3．1 引言

3．2 微分几何理论分析

3．2．1 曲面理论及性质

3．2．2 高斯定理

3．2．3 Guass-Bonnet定理

3．3 曲面离散点三角网格模型的建立

3．4 离散高斯曲率的计算

3．4．1 计算方法

3．4．2 算法设计

3．5 可展性节点和非可展性节点的定义

3．5．1 界限值的设计

3．5．2 可展性节点和非可展性节点的定义

3．6 本章小结

第四章 衣身原型曲面的智能分割

4．1 引言

4．2 问题的描述

4．2．1 旅行商问题描述

4．2．2 蚁群优化算法原理及特点描述

4．3 基于蚁群算法的曲面分割算法的研究

4．3．1 数学模型的建立

4．3．2 主要参数设计

4．3．3 主要数据结构的设计

4．3．4 蚂蚁前行示意图设计

4．3．5 算法终止条件设计

4．3．6 算法执行步骤

4．3．7 实验结果

4．3．8 实验结果的纸片验证

4．4 本章小结

第五章 非可展曲面的智能化展平算法的研究

5．1 引言

5．2 特征点和特征线的选择

5．3 展平裂缝位置的确定

5．3．1 服装分割的种类及特点

5．3．2 新定义的提出

5．3．3 裂缝位置的确定

5．4 基于几何方法的初步展平算法设计

5．4．1 算法设计思想

5．4．2 展平算法设计

5．4．3 算法仿真结果及分析

5．5 基于物理方法的优化修正

5．5．1 基于弹簧质点模型的力学修正算法

5．5．2 基于能量模型的力学修正算法

5．6 两种展平算法的比较分析

5．7 本章小结

第六章 基于省道转移原理和服装归拔技术的曲面展平算法的研究

6．1 引言

6．2 归拔工艺分析

6．2．1 归拔工艺理论

6．2．2 归拔工艺影响因素

6．2．3 不同材料的归拔变形量的测试

6．3 非可展陆面可归拔变形处理的标准确定

6．3．1 标准评价模型

6．3．2 评价应用

6．4 不同分割线位置的实现

6．4．1 过分界线的功能性分割

6．4．2 过分界线的非功能性分割

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

个人简历

致谢