Геометрический синтез элементов одежды

Под синтезом элементов одежды в данном случае подразумевается создание разверток – выкроек, на основе которых создается изделие. В настоящее время задача создания системы автоматического проектирования (САПР) для создателей одежды является достаточно актуальной, что видно из анализа развития и места на рынке программного обеспечения аналогичных разработок. Подобные САПР будут востребованы не только предприятиями текстильной промышленности, но и создателями трехмерных персонажей в таких системах, как 3Dmax, отдельные модули которых позволяют создавать одежду персонажу на основе выкроек (при условии создания конвертера выкройки в соответствующие форматы).

Многие отрасли промышленности сталкиваются с потребностью построения криволинейных поверхностей и их разверток. В швейной отрасли наиболее распространены расчетно-графические способы построения разверток по небольшому числу измерений поверхности фигуры человека.

Однако высокая точность конструирования разверток деталей одежды не может быть достигнута с помощью расчетно-графических методов, которые опираются только на антропологические исследования. Инженерные и геометрические методы конструирования разверток деталей одежды, которые являются объектом исcледования – более универсальны.

Существующие программы для конструирования элементов одежды используют ряд расчетно-графических и инженерных методов. В некоторых случаях используемая методика не разглашается, оставаясь ноу-хау предприятия-разработчика. Среди аналогов можно перечислить такие: система PatternsCAD от PatternsCAD Software, система построения выкроек разработчиков «Восток-Соло», САПР для швейной промышленности Comtense, система СТАПРИМ, разработанная на кафедре конструирования и технологии швейных изделий Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, САПР Grazia, программа создания выкроек Patternmaker, САПР от Gerber Technology, Novocut, Lectra, Investronica.

Аналоги можно разделить на две категории: приложения для генерации выкроек на типовую фигуру и полноценные САПР для конструирования одежды.

Примером систем первой категории являются система PatternsCAD от PatternsCAD Software, система построения выкроек разработчиков «Восток-Соло». Их основные недостатки:

• Отсутствие возможности моделирования одежды;
• Отсутствие трехмерного изображения полученного изделия;
• Применение ряда стандартных алгоритмов генерации выкроек, что всего лишь упрощает работу портного, но не переводит синтез выкройки элемента одежды на качественно новый уровень.

Пример программного продукта второй категории (полноценные САПР) - система СТАПРИМ:

• Приоритет пространственной формы одежды над ее разверткой, т.е. первичности задания трехмерной формы одежды и вторичности построения её развертки на плоскости;
• Контроль внешнего вида изделия засчет возможности трехмерного изображения изделия в разных ракурсах;
• Возможность строить изделия на условно-типовую фигуру и на фигуру с отклонениями.

Более подробный анализ аналогов затруднителен ввиду не бесплатности анализируемого программного обеспечения.

В ходе исследования было проанализировано множество публикаций по тематике текстильной промышленности и по тематике компьютерной графики и моделированию одежды.

Так, в статье «Clothing Manipulation» японских и Американских авторов описываеся техника взаимодействия ткани и трехмерного персонажа на примере их собственной разработки – трехмерного редактора. Упор делается на программное моделирование поведения ткани, а не на создание разверток.

Статья “Метод построения квазиразверток билинейных поверхностей с использованием энергетических функций” является основополагающей, т.к. представляет собой результаты исследования возможности развертывания поверхностей, таких, которые имеют ненулевую гауссовую кривизну – т.е. не могут развертываться с абсолютной точностью. Так как фигура человека не является развертываемой поверхностью, то вопрос о создании разверток с допустимой погрешностью очень важен. При этом мы учитываем физические свойства тканей, для работы с которыми мы делаем развертку, и ,благодаря этому, получаем приемлимые результаты.

Статья «Получение разверток объемных деталей швейных изделий с помощью графического метода» - описание создания развертки с помощью сети Чебышева. Способ заключается в нанесении на разрозненную развертку трехмерной поверхности, полученную методом триангуляции, чебышевской сети по методике Фридлянда Э.Х. с формированием целых деталей. В рамках имеющегося метода предложены особенности, позволяющие использовать данный метод в целях получения разверток деталей одежды с учетом структурных свойств материалов.

Статья “О кройке одежды по Чебышеву” – в целом знакомит нас с исследованиями великого математика Чебышева в области конструирования одежды. Как известно, именно им была аналитически решена задача “одевания поверхности”, что делает обязательным для исследователя изучение его трудов.

Интереснейшая статья «A body and garment creation method for an Internet based virtual fitting room» - описание новой методологии создания реалистичной трехмерной модели одежды, предназначенной для демонстрирования (рекламы) пользователям деталей одежды, которая находится уже на полках магазинов. Трехмерное изображение одежды создается по двумерным выкройкам представляемой (рекламируемой) одежды и соответствующим параметрам тела клиента.

Таким образом, видим, что научная общественность заинтересована данной тематикой, разработки ведутся активно и внедряются в производство, что говорит о востребованности и актуальности проекта.

Как показало тщательное исследование интернет-пространства, проблемами синтеза элементов одежды занимаются многие институты мира. В пространстве СНГ можно выделить такие ВУЗы и их разработки:

• Разработки кафедры конструирования и технологии швейных изделий Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна;
• Московский Государственный Университет Дизайна и Технологии (МГУДТ) – один из первых в России вузов по подготовке специалистов для лёгкой промышленности;
• Новосибирский государственный технический университет;
• Кафедра инженерной и компьютерной графики Винницкого национального технического университета , одним из достижений которого является система "GEOM" . Система GEOM включает комплекс программ, так или иначе связанных с основами геометрического моделирования и компьютерной графики.

Тема синтеза элементов одежды является достаточно актуальной, что приводит к проблеме коммерцирования исследований. Результаты мировых исследований по данной тематике представлены множеством практических результатов – программами-аналогами высокого качества.

Перечислим такие ВУЗы:

• Вустерский политехнический институт (Worcester Polytechnic Institute, USA);
• Женевский университет (University of Geneva, Switzerland);
• Токийский университет (University of Tokyo, Japan);
• Brown University (USA).

Под синтезом одежды понимается два вида задач:

• Создание выкроек (разверток) для применения в текстильной промышленности по трехмерной модели тела человека и самой одежды;
• Создание трехмерного изображения одежды человека исходя из плоских разверток (выкроек) и свойств тканей.

В данной работе рассматривается первая часть задачи создание разверток. Методика конструирования состоит из информации о фигуре человека и готовом изделии, методов обработки полученной информации (формулы преобразования) и способов геометрического построения конструкции одежды. Важно, что при конструировании учитываются особенности телосложения и технологической обработки.

Существующие методы конструирования делят на приближенные и инженерные. К приближенным методам построения относятся: муляжный, расчетно-графический, геометрический. К инженерным методам относят: методы триангуляции, секущих плоскостей, конструктивных полос и поясов и геодезических линий.

В любом случае, шагами исследователя являются:

1. Изучение методов синтеза элементов одежды;
2. Анализ эффективности применения изучаемых методов;
3. Обзор программных систем-аналогов, использующих геометрические методы;
4. Анализ альтернативных путей решения.

Вариаций метода достаточно много. Общие их черты заключаются в следующем:

Основой метода является развертка поверхности фигуры или манекена. Развертываемая поверхность разбивается на достаточно крупные треугольники, условно принимаемые за развертываемые.

Ключевой момент – способ разбиения фигуры на условно развертываемые треугольники. Во-первых, нельзя говорить о том, что поверхность тела человека можно «развернуть» в принципе. Получаем первый неприемлемый результат. Встает вопрос о допустимой степени приближения развертки к исходной модели.

Здесь мы видим три пути:

1) Экспертный метод. Подразумевается привлечение экспертов антропологов, экспертов текстильной промышленности, которые указывают на верный тип разбиения, основываясь исключительно на эмпирических исследованиях. В этом случае, каждому элементу одежды ставится в соответствие конкретный тип разбиения: число треугольников разбиения, их взаимное расположение.

2) Упрощенный метод триангуляции. Задавая жесткую погрешность, перебираем точки поверхности тела человека и находим условно развертываемые треугольники максимального размера.

3) Метод построения условных разверток, с учетом свойств материала. В таком случае при поиске условно развертываемых поверхностей участвуют еще и физические факторы.

Во-вторых, разбивая поверхность на треугольники, мы должны учитывать эстетическую сторону и проблемы технологической обработки изделия. Проще говоря, мы не можем предоставить полностью схему развертывания алгоритму, на вход которого попадает модель фигуры человека и погрешность – он нам «развернет» поверхность на кусочки (много), которые мы не сможем совместить. Мы должны задать линии, ограничивающие каждый элемент развертки. Эта задача решается с помощью привлечения экспертов текстильной промышленности и обеспечения возможности вмешательства пользователя при конструировании (с помощью задавания пользователем границ разверток)

после построения развертки поверхности фигуры, мы строим развертки основных деталей. На этом этапе учитываются особенности одежды, вносимые дизайнером.

На этом этапе заметен, казалось бы, существенный недостаток – мы зачем-то аппроксимируем поверхность тела человека, когда на самом деле нужно аппроксимировать поверхность самого элемента одежды.

На этот “недостаток” можно ответить так: поверхность, образуемая одеждой, не может быть КОРРЕКТНО представлена нами без учета ее физических свойств. Однако, ценное свойство тканей – способность к деформации – в данном случае усложняет нам задачу. Создав “модель” одежды, такой, какой ее видит дизайнер, – учитываем дефрмацию, а затем получая развертку – не можем учесть эту изначальную деформацию.

Далее. Построение условных разверток – есть действие уже с заданной погрешностью. Попытавшись оптимизировать программу, мы будем стремиться уйти от бесчисленных производных, заменяя дифференциальные системы уравнений – линейными системами уравнений, что снова даст результат с погрешностью.

На этом этапе стоит серьезно задуматься, а есть ли смысл использовать громоздкие варианты метода, когда возможно с такой же погрешностью мы сможем получить качественные элементы одежды, используя расчетно-графические методы, которые тестируются уже много лет и используются в текстильной промышленности? Конечно, расчетно-графические методы, используемые в промышленности, ориентированы на минимум вычислений и на типовую фигуру человека, что и говорит против них. Однако, они подлежат усовершенствованию, что приведет к усложнению вычислений и геометрических построений, которые будут все же выполняться быстрее решения систем диф.уравнений, но не будут доступны без применения вычислительной техники...

Потребность в исследовании упомянутых алгоритмов возникла с идеей разработки программного продукта, соответствующего таким требованиям:

• обеспечение автоматизации конструирования одежды;
• обеспечение возможности применения трудоемких методик, доступных исключительно при программном синтезе элементов одежды.

Разрабатываемый автором программный продукт на данном этапе является системой синтеза элементов одежды и конструирует выкройки и основывается на расчетно-графических методах. К его достоинствам можно отнести отказ от использования методов потокового производства изделий. Это означает, что программа конструирует развертку изделия не на условно-типового человека, а непосредственно на заказчика, учитывая особенности его фигуры.

Рисунок 1 - Пример работы простейшего редактора элементов одежды

Поскольку изначальной идеей проекта было создание программного обеспечения для индивидуального создания изделий, а не для потокового производства, многие функции полноценных САПР в нем не запланированы. В проекте не будет решаться задача градации лекал, задача создания планов раскладки, задача упорядоченного хранения базы лекал – эти функции отвечают потребностям массового производства, а не индивидуального конструирования.

Дальнейшая разработка данной темы предполагает подробное исследование методов трехмерного проектирования одежды и инженерных методов построения разверток, а также обеспечение конвертируемости полученных результатов (выкроек) в наиболее распространенные форматы графических САПР и современных САПР для проектирования одежды.

Конструирование одежды с помощью систем автоматизированного проектирования позволяет разработчику сократить время на создание выкройки изделия, улучшить соответствие выкройки параметрам человека (а следовательно улучшить качество готового изделия), сократить время общения с клиентом.

Рассмотренные аналоги разрабатываемого программного продукта позволяют говорить о их достоинствах и недостатках, о конкуренции и взаимозаменяемости, тенденциях. Что касается тенденций, то на первый план выходит решение отдать предпочтение пространственной форме элемента одежды, а не плоской выкройке при проектировании.

Анализ публикаций по тематике «геометрический синтез элементов одежды» показал, что фундаментальные исследования этой темы ведутся еще с работы Чебышева, где обосновывается аналитическое решение задачи «одевания поверхности». Кроме того, из современных публикаций и исследований, ведущихся в различных мировых институтах, видно, что тематика является актуальной и активно разрабатывается.

Стоит также заметить, что исследовательские работы Европы больше нацелены на создание аналитической базы, в то время как США и Япония предоставляют массу практических решений проблемы.

1. Получение разверток объемных деталей швейных изделий с помощью графического метода Валентина Курышева - Московский государственный университет дизайна и технологии, Москва, Россия.
2. Официальный сайт компании Gerber Technology Solutions, http://www.gerbertechnology.com.ua
3. Официальный сайт Comtense - САПР для швейной промышлености, http://comtense.ru/idx.htm.
4. Официальный сайт PatternsCAD Software, http://www.patternscad.best-host.ru.
5. Сайт кафедры конструирования и технологии швейных изделий Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна http://www.sutd.ru/faculty/textile/konstr
6. Clothing Manipulation. Takeo Igarashi Computer Science Department, University of Tokyo 7-3-1 Hongo, Bunkyo, Tokyo, 113-0033 Japan, John F. Hughes Computer Science Department, Brown University Providence, RI 02912, USA
7. В.Д.Фроловский. Метод энергетических функций построения квазиразверток поверхностей. Сибирский журнал индустриальной математики. Январь-июнь 2000, Том III, № 1(5).
8. О кройке одежды по Чебышеву. С.Е. Степанов, Владимирский государственный педагогический университет.
9. A body and garment creation method for an Internet based virtual fitting room. Dimitris Protopsaltou,Christiane Luible, Marlene Arevalo, Nadia Magnenat-Thalmann MIRALab CUI, University of Geneva, CH-1211, Switzerland