一种面向教学的服装热舒适度展示系统

摘要

本发明公开了一种面向教学的服装热舒适度展示系统，属于计算机仿真研究领域中的功能服装CAD技术领域。它包括一个可自定义的数据库模块、一个虚拟环境设计模块和一个系统总体架构模块，首先虚拟环境设计模块使用三维真实几何模型来构造虚拟场景，同时采用二维动画技术作为补充；然后将仿真场景及仿真结果数据保存在数据库中，用户可配置主要的仿真场景数据；最后据此确定相应的实际仿真结果数据，进行实时的服装热功能展示。基于本发明提出了一个半实时的仿真系统架构，用于服装热功能设计的教学展示，通过对仿真参数的优化抽取，用户可以用一种直观的方式进行参数调校，从而实现了对仿真过程的模拟。

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真研究领域中的功能服装CAD技术领域，特别是涉及用于功能服装设计中热舒适度分析的教学和展示的实现方法。

背景技术

目前仿真环境(Simulation Environments)作为一个功能强大的学习工具，在许多工程领域得到了成功的应用。这些系统一般基于成熟的教学理论，应用三维可视化和虚拟现实等先进技术，允许使用者在虚拟现实环境下进行探索，包括修改相关参数，对计算结果可视化操作等。通常这些系统可分为两类，即非实时(off-line)和实时(on-line，real-time)系统。非实时仿真器主要用于评价复杂的方程或模型，没有对实际的物理系统过程进行实时仿真，其用户交互功能受到限制。实时仿真器具有高度的交互能力和探索功能，然而它们往往是高度复杂且耗时。要克服这两种系统的不足之处，有必要研究新的仿真系统，既能增强交互功能而又降低系统复杂性和时间消耗。服装热舒适度的研究近年来取得了较大进展，现有一个服装热功能虚拟设计系统(PSMART)，可以对影响服装热舒适性能的相关因素和过程进行虚拟仿真分析，据此设计出理想的热舒适度服装产品。尽管PSMART系统提供了良好的图形用户界面和三维可视化处理，但在教学和展示等应用方面显得过于复杂且易用性较差。对服装工业的教育培训应用而言，大量的专业术语和复杂的仿真数值计算设置难以为普通学习者掌握。因此，适应电子教学的趋势，发展一个针对服装热舒适度分析的教学工具，可以帮助学习对一个给定的服装设计，在不同穿着场景下的热舒适度效果，人体-服装系统的热湿传递过程，服装内部各层温度湿度的分布情况，以及影响服装热舒适度的关键因素。这对于服装设计以及服装工业的电子商务应用，都具有重要意义。基于本发明提出了一个半实时的仿真系统架构，用于服装热功能设计的教学展示。通过对仿真参数的优化抽取，用户可以用一种直观的方式进行参数调校，从而实现了对仿真过程的模拟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种半实时(Half-Live)仿真系统架构下的设计面向教学的服装热舒适度展示系统的设计方法。半实时仿真系统结合数据库、计算机动画和可视化技术，首先将仿真场景及仿真结果数据保存在数据库中，用户可配置主要的仿真场景数据；然后据此确定相应的实际仿真结果数据，进行实时的服装热功能展示，通过对仿真参数的优化抽取，用户可以用一种直观的方式进行参数调校，从而实现了对仿真过程的模拟，有效地满足了服装热功能设计的教学和展示的要求。

为了实现本发明目的，采用的技术方案如下：

一种面向教学的服装热舒适度展示系统包括一个数据库、一个虚拟环境设计模块和一个系统总体架构模块，数据库用于保存系统的各种数据，虚拟环境设计模块用于设计虚拟环境，系统总体架构模块实现系统业务逻辑功能。

所述数据库保存的数据包括：1)所有有关人体、环境和服装材料的参数和变量，2)根据指定的人体、服装和环境一起组成的仿真场景，3)由一个或多个仿真场景形成的仿真算例，4)系统对人体一服装热湿传递过程进行仿真计算的人体和服装的动态热状态。

所述虚拟环境设计模块使用三维真实几何模型来构造虚拟场景，同时采用二维动画技术作为补充，主要有以下几个部分：1)选择人体和服装模型，模拟着装人体，2)用几何模型来表示人体和服装的重要参数：体重、表面积、人体皮肤服装覆盖率以及服装类型等，3)对环境条件的可视化方面，构造一个虚拟气候室，包括用墙壁颜色表示空气温度，光照表示辐射温度，一个虚拟的温度计反映相对湿度，以及一个波动的含窗帘纹理曲面表示风速大小，4)采用二维动画和横断面显示等可视化方法反映着装人体的热状态；5)对热舒适度仿真的时域数据，采用自适应的时域数据探索功能：首先利用windows系统里面时钟控件的时钟事件，计算实时时间，实现人体一服装间的动态热湿传递过程的实时模拟，然后采用自适应分析算法，对待分析的状态参数，预先设置一个激活值，将每个时间点的数据与其比较，最后仅显示那些大于激活值的数据，来实现对模拟速度的灵活控制。

所述的系统总体架构模块的系统业务逻辑功能包括以下步骤：1)对于给定的人体和服装，设置仿真场景的主要参数，从数据库中得到计算结果，2)查表估算服装的热阻值(Clo)，计算人体热舒适度；3)对仿真计算结果，直观得到模拟人体的热舒适度状态，通过分析不同场景下的热舒适度性能表现，实现对服装热功能仿真模型相关知识的学习。

所述数据库中的变量用图标等图形符合输入，变量包括人体的体重、身体表面积；服装的层数、覆盖率、各层的结构(包括厚度、密度、纤维构成比例、是否含有放水膜及变相材料等)；穿着场景设置包括人体活动程度、时间和环境条件(空气温度、相对湿度、风速及辐射温度)。

本发明的有益效果：

1.本发明采用图标和图形符号输入主要的热舒适度仿真变量，解决了其他舒适度模型所包含的物理生理参数复杂多样，专用性强不便非研究人员使用的问题，增强了系统的虚拟现实效果。

2.本发明采用可自动配置的数据库记录仿真算例，解决了仿真计算场景和边界条件设置要求对模型有深入了解，否则不能正确计算的问题。因此大多数有意义的仿真场景都可以进行预先设计和计算，即使无法找到精确的匹配算例，也总可以找到极为相近的算例，并且不会严重影响学习这一目标。系统提供的自定义功能，也可将目前不存在的算例收集起来，供系统维护者补充气仿真结果数据。

3.本发明提供了三维和动画的可视化效果。使用者可以在虚拟环境中学习服装热舒适度理论知识，理解影响服装热舒适度性能的重要参数，提供了使用者对服装热功能和舒适度直观而深刻的理解。这对服装工业的学生和初始设计人员具有重要的意义。

附图说明

图1为展示系统结构示意图；

图2为半实时仿真系统总体架构示意图；

图3为数据库设计模块中主要设计变量选择结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的基于半实时仿真系统的面向教学的服装热舒适度展示系统总体结构如图1所示，它包括数据库设计模块、虚拟环境设计模块、系统总体架构模块。

系统总体架构示意图如图2所示，其具体实现步骤如下：

1)首先输入特定的人体和服装，根据该人体和服装的基本属性，设置仿真场景的主要参数，比如：人体的体重、身体表面积；服装的层数、覆盖率、服装各层的结构(包括厚度、密度、纤维构成比例、是否含有放水膜及变相材料等)，然后通过数据库匹配，得到相应的仿真计算结果。

2)查表估算服装的热阻值(Clo)，按静态热环境计算人体的PMV舒适度值。即采用Fanger提出的PMV(Predicted Mean Vote)模型，一种静态稳定环境下的舒适度评价模型，来计算PMV舒适度值。即：通过步骤1中的人体活动水平(代谢率)和服装类型(服装热阻值)，通过测量环境变量包括空气温度、湿度、平均辐射温度及流速，计算最佳舒适度。按照ISO7730标准中的定义：

计算PMV：

PMV＝(0.303*e^-0.036*M+0.028)*[(M-W)-H-E_c-C_res-E_res]

式中：M为人体能量代谢率，W为人体所做的机械功，H为空气湿度，Ec为平均辐射温度，Cres为空气温度，Eres为空气流速。

3)对1)中得到的仿真计算结果，即人体、服装的热湿状态参数进行虚拟现实环境的可视化，然后根据2)中的舒适度值，直观地模拟显示人体地热舒适度状态。可以通过颜色来表示不同地舒适度。如：红色表示热，黄色表示暖，蓝色表示冷等。

4)通过分析特定服装在不同穿着场景下的热舒适度性能表现，不同服装构造的热舒适度性能，以及不同计算模型的仿真结果比较，从而实现对服装热功能仿真模型、服装热舒适度性能、服装热功能产品虚拟设计等相关知识的学习。

基于上述的数据库建立要求如下：

1)基本参数的选择：为实现虚拟现实的设计环境，仅从热舒适度的数值仿真模型的很多变量中选取重要的和较为直观的变量。这些主要的变量可以使用图标等图形符合输入，以增强系统的虚拟现实效果。选取的变量如图3所示。重要的变量包括：人体的体重、身体表面积；服装的层数、覆盖率、各层的结构(包括厚度、密度、纤维构成比例、是否含有放水膜及变相材料等)；穿着场景设置包括人体活动程度、时间和环境条件(空气温度、相对湿度、风速及辐射温度)。

2)根据1)中的重要变量，结合人体、热环境、运动程度及时间等着装仿真场景计算仿真结果，即人体、服装的物理生理等方面的热湿状态数据，存储到数据库。要尽可能保证能够模拟所有的典型仿真场景。即使无法找到精确匹配的仿真算例，也总可以找到极为接近的算例，并且不会严重影响学习这一目标。同时可以将不前不存在的算例收集到数据库，补充仿真结果数据。。

虚拟环境设计模块的设计可以遵循以下方法：

1)人体和服装模型可以由Poser 5.0软件导出，模拟着装人体。

2)人体和服装的重要参数如体重、表面积、人体皮肤服装覆盖率以及服装类型等，都采用几何模型来表示。如果选取的人体表面网格模型包含近35,000个三角面片，及可以显示极为真实的人体模型。

3)在对环境条件的可视化方面，构造一个虚拟气候室，包括用墙壁颜色表示空气温度，光照表示辐射温度，一个虚拟的温度计反映相对湿度，以及一个波动的含窗帘纹理曲面来表示风速大小。

4)采用Poser系统的二维动画和横断面显示等可视化方法展现人体的热状态。即：对反映着装人体热状态的参数，如：人体热舒适度、皮肤温度、出汗率、新陈代谢率、血流量，以及服装各层的稳定和湿度分布等这些多数据域数据同时进行可视化。

5)针对热舒适度仿真的时域数据，采用自适应的时域探索功能。首先，为实现真实感的虚拟环境，对实现人体一服装间的动态热湿传递过程进行实时模拟。为在计算机上实现实时的时钟控制，利用windows系统里面的时钟控制事件，计算实时时间。此外采用自适应分析算法，使得系统可以自动显示快速变化的时间区域等这些特殊数据区间。即：对分析的状态参数，预先设置一个激活值，将每个时间点的数据与其比较，然后仅显示那些大于激活值的数据。