一种用于从数字服装网格变形估计服装压力的校准三维向量投影方法

《Textiles》：A Calibrated 3D Vector-Projection Method for Estimating Clothing Pressure from Digital Garment-Mesh Deformation

　　

服装压力是压缩服装中的关键设计参数，但在三维（3D）数字环境中对其估计仍然具有挑战性，因为它依赖于织物力学、服装变形、人体几何形状以及服装-人体接触。本研究开发了一种校准的三维向量投影方法，用于从数字服装网格变形估计服装压力。该方法基于力学前提：服装拉伸产生面内张力，而界面压力与这些力作用于人体表面法线方向的分量相关。因此，研究人员使用CLO 3D中对应的平面和变形服装网格计算边缘长度应变和内部力；将合力投影到局部虚拟化身法线方向，并通过顶点关联表面积归一化，以获得未校准的压力相关值。使用五种经编针织物和两种版型缩减水平制作了十件压缩上衣，并在五个身体位置测量压力，用于模量组特异性线性校准，以考虑刚度依赖的变形-压力转换差异。在留一服装交叉验证下，最终线性模型实现了总体R²为0.563，RMSE为0.587 kPa，MAE为0.427 kPa。1–15 mm接触距离分析确定了10 mm为保守数值稳定点，归一化均值保持在15 mm参考值的±2%以内，且相邻阈值变化在10–15 mm范围内低于0.1。所提出的方法提供了一种透明、基于力学的网格级程序，将数字服装变形转换为校准的身体法线压力估计值和三维空间图，而不将商业虚拟试穿的压力图视为直接物理预测。

**论文解读：基于校准三维向量投影法的数字服装压力估计研究**

**研究背景与意义**

服装压力是压缩服装设计中的关键参数，直接影响穿着者的舒适性、生理反应及运动表现。然而，由于服装压力受织物力学性能、服装变形、人体几何形状及服装-人体接触条件的复杂交互作用影响，在三维（3D）数字环境中准确估计压力仍面临挑战。传统基于拉普拉斯定律的解析模型在复杂人体曲率区域存在局限性，而有限元法（FEM）和弹簧-质点模型虽能模拟变形，但需大量材料表征和计算资源。商业虚拟试穿系统（如CLO 3D）可生成服装变形网格和应变可视化，但其内置压力图与实测压力存在偏差，不能直接作为物理预测。因此，研究人员开展了本研究，旨在开发一种基于数字服装网格变形和力学原理的校准压力估计方法，以弥补现有方法的不足。该研究发表在《Textiles》期刊上。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：（1）使用CLO 3D进行虚拟试穿，导出平面服装网格（FG）和变形服装网格（DG），并调整虚拟化身尺寸以匹配物理人台（Camilla Nonno，Madamade，首尔，韩国）的主要尺寸；（2）在MATLAB中实现自定义数值计算，包括基于边缘长度应变和杨氏模量（E）的内部力估计，以及将合力向量投影到身体法线方向；（3）通过顶点关联表面积归一化获得未校准压力相关值，并采用接触距离阈值（1–15 mm）进行邻近掩模；（4）基于杨氏模量分组（低模量组E<1.0 MPa，高模量组E≥1.0 MPa）进行线性回归校准，使用留一服装交叉验证评估性能。

**研究结果**

**4.1 校准模型比较与预测性能**

研究人员通过线性、二次、指数和幂函数模型比较，发现幂模型在低模量组略有改进，但总体提升幅度较小。综合考虑可解释性和简洁性，最终采用模量组特异性线性模型。在留一服装交叉验证下，线性模型总体R²为0.563，RMSE为0.587 kPa，MAE为0.427 kPa。低模量和高模量组分别使用不同校准方程（y = 1.2791x + 0.3449 和 y = 1.2791x + 0.3449 ？原文中方程显示不完整，但根据上下文，最终方程是分组特定的）。此外，与CLO 3D内置压力输出相比，所提出方法使RMSE降低18.7%，MAE降低19.7%。

**4.2 校准三维压力分布可视化**

研究人员将模量组特异性线性校准方程应用于网格级压力相关值，生成校准三维压力分布图，并与CLO 3D内置压力图对比。校准图显示，胸部和侧腹区域压力估计值较高，与实测压力趋势一致；而肩胛骨区域预测误差较大，可能与服装开口和复杂曲率有关。由于仅五个离散位置有实测压力，连续分布图的准确性无法独立验证，因此校准图应视为空间压力分布趋势的可视化，而非绝对压力测量。

**4.3 接触距离阈值敏感性分析**

研究人员通过1–15 mm阈值分析发现，归一化平均压力相关值在5–7 mm间快速增加，8 mm时达到0.959，但相邻阈值变化仍较大（0.316）。从10 mm开始，归一化均值保持在15 mm参考值的±2%以内，相邻阈值变化低于0.1。因此，10 mm被确定为保守操作稳定点，但该值仅适用于当前服装、网格和虚拟化身条件，不应视为通用物理接触距离。

**讨论与结论**

讨论部分指出，织物刚度影响未校准压力相关值与实测压力之间的关系，低模量和高模量组表现出不同回归关系，因此采用分组校准。预测性能在解剖部位间存在差异，尤其是在服装开口和复杂曲率区域（如前颈和肩胛骨），可能与虚拟化身与物理人台的几何差异、接触稳定性及边界效应有关。接触距离分析旨在评估数值稳定性而非优化误差，10 mm阈值应谨慎解释。该方法作为设计支持工具，可在早期阶段比较不同织物和版型缩减水平下的空间压力趋势，但无法替代物理测量。研究局限性包括：仅使用单一刚性人台-虚拟化身对、五种经编针织物、两种版型缩减水平、五个测量点；虚拟化身未基于物理人台三维扫描；网格分辨率（20 mm粒子距离）可能限制局部曲率表示；织物行为简化，未完全建模非线性、各向异性、接缝效应和摩擦。未来研究需纳入更广泛的服装类型、人体几何、材料条件及独立数据集。

结论部分翻译：本研究开发了一种校准的三维向量投影方法，用于从数字服装网格变形估计服装压力。该方法结合了网格边缘应变、织物力学性能、内部力估计、身体法线投影以及使用物理压力测量的经验校准。在留一服装交叉验证下，所选线性模型实现了总体R²为0.563，RMSE为0.587 kPa，MAE为0.427 kPa。低模量和高模量组之间的差异进一步表明，织物刚度影响数字服装变形与实测服装压力之间的关系。预测性能在解剖部位间存在差异，表明对局部几何形状、服装开口、接触稳定性以及物理人台与数字虚拟化身之间差异的敏感性。10 mm接触距离准则被确定为当前服装、网格和虚拟化身条件下的保守数值稳定点，而非通用物理接触距离。所得三维地图提供了基于模型的相对空间压力趋势可视化，可补充点式物理测量。然而，研究结果仅限于一个刚性人台-虚拟化身对、一件无袖压缩上衣设计、五种经编针织物、两种版型缩减水平和五个测量位置。需要更广泛的服装类型、人体几何形状、材料条件和独立数据集进行进一步验证，以建立该方法的稳健性和泛化能力。