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摘要 互联网技术与虚拟现实技术的发展,丰富和改变了服饰文物的展示形式,将不能长期实体展示的服装进行数字化复原,构建其三维模型,可以进行线上虚拟展示。古代服饰具有复杂的层叠与装饰结构,其三维模型内部会出现大量样板交叠的情况,交叠部分样板会使模型产生大量冗余的三角形,增加了模型的面数和数据量。然而,服装模型展示平台的计算性能有限,同时展示大量文件容量过大的模型易造成网络卡顿,降低了模型展示的流畅性。为解决这一问题,本文以氅衣为研究对象,基于氅衣模型中冗余三角形的分布情况提出三种不同的样板修改方案,并通过实验比较了三种方案的模型的数据量、发布时间及CPU占用率,以此确定出优化氅衣模型的样板修改规则。 作者: 刘安璐a, 苏军强b 作者简介: 刘安璐(1997—),女,硕士研究生,研究方向为古代服饰的数字化重构。 ( 江南大学 a.纺织科学与工程学院; b.设计学院,江苏 无锡 ) 关键词: 古代服饰;氅衣;三维模型;虚拟仿真;样板处理;模型优化 服饰文物的主要构成成分是有机物,具有脆弱性,易受温度、湿度、阳光直射及微生物腐蚀等因素的影响而出现不良反应[1],不适合进行长时间的物理展示,甚至有些受损严重的古代织物根本无法进行物理展示,只能将其永远封存。因此,通过建模软件制作出服装的三维模型[2],以三维虚拟的形式对其进行展示是目前服饰类文物展览的主流趋势[3]。考虑到服装结构对模型效果的影响,服装的三维模型通常基于真实的服装样板模拟获得。然而,由于古代服饰通常具有复杂的服装结构、层叠结构与装饰结构,以服装的实际样板对其模拟会导致模型产生大量冗余的多边形,增加了模型的面数,进而导致模型数据量过大。服饰的虚拟展示通常需要同时展示大量的三维服装模型,而大批量数据量大的模型会使存储空间迅速膨胀,在展示时占用大量的内存空间,影响网络的下载与传输,造成网络卡顿,实时显示速度降低,使服装模型难以流畅地展示[4]。为解决这一问题,需对古代服饰的真实样板进行适当的修改处理,使修改后样板在保证服装模型外观效果的基础上,能够最大程度地消除模型中冗余的多边形,降低模型的面数,实现模型流畅展示的目的,提高模型的应用效果。 本研究以清代明黄色绸绣紫葡萄纹氅衣为例,探究其样板在虚拟仿真中的修改方法。此修改方法不仅适用于氅衣,对其他与氅衣具有相同特征的古代服饰的三维模型建立也具有参考价值。 氅衣结构分析  氅衣是晚清时期后宫嫔妃所穿着的便服,是清代宫廷女性代表性服饰之一[5]。早期的氅衣简单实用,保留了游牧民族服装的特点;清朝后期,由于慈禧太后的喜爱,氅衣迅速发展,花纹图案日渐精致,制作工艺精巧复杂,深受清宫后妃们的喜爱,逐渐成为清宫后妃穿着最为频繁的便服之一[6]。 氅衣是典型的“十字形”平面结构,具有左右交衽、袖肩一体及腋下开裾等古代服饰的共性特征。在《清宫后妃氅衣图典》收录的152件氅衣中,其中的明黄色绸绣紫葡萄纹氅衣层叠结构复杂,镶饰结构丰富,且样板修改前后的模型效果能够产生鲜明对比,故选择该氅衣为研究对象。 明黄色绸绣紫葡萄纹氅衣以明黄色素绸为面,以绿色素纺丝绸为里,面上绣饱满均匀的葡萄纹样,是阔身窄袖类的氅衣,造型为直身式长袍,形式为圆领,捻襟右袵,平袖端,袖长到肘部,左右两边均开裾至腋下[6],腋下有如意云头的装饰,氅衣衣身与袖子是一体的,前中线与后中线是衣片的中心轴,肩线是衣片的水平轴,整体衣片呈现十字结构[7],裁片主要有左片、右片和大襟片。该氅衣镶边装饰丰富,大身的衣身边缘、领口、袖口及腋下处均有多层精美的刺绣镶饰[8]。 基于对该氅衣结构特点的分析,本研究复制出其样板图,样板包括氅衣的衣身样板与镶边样板,衣身样板内的虚线为氅衣的三层镶边的缝线,如图1所示。
图1 氅衣样板 Fig.1 Patterns of the outer garments 氅衣样板处理 当三维模型具有复杂的内部结构时,其内部的重叠结构、相交结构及被遮挡结构会使模型产生大量冗余的多边形,这些多边形无法在场景中显示,反而增加了模型的面数与数据量。而虚拟现实中每一帧运行的画面都依靠计算机的显卡和CPU的实时计算,如果模型的面数过多,会导致模型数据量增大,加载时间延长,运行速度下降,甚至会出现画面无法运行的情况[9]。 中国古代服饰样板结构具有一定的特殊性,完全以真实的服装样板对其进行模拟建模时,由于其样板之间的相交、重叠及遮挡,模型会产生大量冗余的多边形,增加模型的面数。为对服装模型进行简化,提高模型在虚拟场景中的运行速度,降低模型展示对计算机硬件配置的要求,提高模型展示的流畅性,应在不影响展示效果的基础上对服装模型进行优化精简,即对服装的样板进行适当的修改删减,以构造轻量化模型。 2.1 模型精简原则 模型的优化对虚拟现实的运行速度有很大的影响,因此,为保证模型展示时系统的稳定性与流畅性,应对投入场景的模型进行精简优化。精简模型的核心思想是降低模型的面数[10],其具体操作有:删除模型中看不见的面、删除模型中重叠的面、删除模型中相交的面。 2.2 氅衣样板修改方案 利用CLO3D的线缝纫工具与自由缝纫工具将氅衣样板进行虚拟缝合,得到氅衣的三维模型。通过对模型的观察可知,该模型中存在许多样板之间相互交叠的情况,如图2所示。其中,浅灰色部分代表双层交叠,中灰色部分代表三层交叠,深灰色部分代表四层交叠。产生这些交叠的原因有两方面:其一,氅衣领口、袖口、腋下及衣身边缘的三层镶边装饰造成了衣身板片与镶边板片的双层叠加;其二,氅衣的右衽结构造成了大襟片样板、右片衣身样板和镶边样板的多层叠加。这些交叠部分样板在场景中无法显示,反而使氅衣模型产生了许多冗余的多边形,增加了氅衣模型的面数,降低了模型的应用效果。为消除模型中多余的面数,构造轻量化的氅衣模型,应在保证氅衣模型外观效果的基础上,对氅衣样板进行适当的删减处理。
图2 样板交叠示意 Fig.2 The schematic diagram of pattern overlapping 根据模型精简原则,本文将模型中所有交叠部分样板全部删除,从而最大程度地降低模型的面数。观察氅衣模型可知,模型中右片衣身的交衽处与开裾处并不是完全闭合的,所以右片衣身样板虽为交叠样板,但可能会在场景中显示,若将其全部删除可能会影响氅衣模型在交衽处与开裾处的外观效果,而除右片衣身样板外的其他交叠部分样板在场景中并不显示,对模型的外观效果没有影响,可直接删除。因此,在氅衣模型的所有交叠样板中,右片衣身交叠部分样板的处理方法需通过实验确定,其他交叠部分样板可直接全部删除。 基于以上分析,本文设计氅衣样板修改方法如下: 1) 以氅衣的实际样板为基础,将包括右片衣身交叠部分样板在内的所有交叠样板全部删除,如图3所示,以红色虚线表示被删除的样板。
图3 方法1样板 Fig.3 The patterns of method one 2) 以氅衣的实际样板为基础,在所有交叠样板中,将右片衣身交叠部分样板全部保留,其他交叠样板全部删除,如图4所示,以红色虚线表示被删除的样板。
图4 方法2样板 Fig.4 The patterns of method two 3) 以氅衣的实际样板为基础,在所有交叠样板中,将右片衣身交叠部分样板部分保留,只保留其开裾处部分样板及交衽处部分样板,其他交叠样板全部删除,如图5所示,以红色虚线表示被删除的样板。
图5 方法3样板 Fig.5 The patterns of method three 模型效果评价 利用CLO3D分别对样板1、样板2、样板3及氅衣的实际样板进行虚拟缝合和模拟建模,得到不同的氅衣模型,并对各个模型的外观效果与应用效果进行综合对比分析,以此确定氅衣在3D仿真中样板修改的最佳方案。 3.1 实验步骤 1) 建模:经查阅资料,氅衣的主体面料为素绸缎,因此本文以素绸缎面料的参数对CLO3D中的面料属性进行设定。为减少输入不便,CLO3D面料模拟系统的所有织物物理属性参数均没有实际单位,只在0～99这一区间进行设置。设置纬纱强度为9,经纱强度为17,对角线张力为0,纬纱弯曲强度为11,经纱弯曲强度为16,纬纱变形率为1,经纱变形率为1,纬纱变形强度为90,经纱变形强度为90。设置完成后,在相同的模拟环境中分别对样板1、样板2、样板3及氅衣的实际样板进行缝合试穿,得到4个氅衣三维模型,并以氅衣实际样板生成的模型为参照样本,样板1模型、样板2模型及样板3模型为对照样本。 2) 模型外观效果分析:修改后的样板不应改变氅衣模型原有的外观效果。分别比较样板1模型、样板2模型及样板3模型与参照模型在外观效果上的差异,其差异性越小,则模型的外观效果越好。 3) 模型应用效果分析:模型的应用效果可通过模型的面数、顶点数及数据量,模型上传至网页所需的时间[11]与模型在网页展示时的CPU占用率来评价[12]。首先,通过3DSMAX的统计数据分别检测参照模型、样板1模型、样板2模型、样板3模型的面数、顶点数和模型数据量,并计算对照模型较参照模型在这三项参数上变化的百分比;其次,在相同的网络环境下将4个模型分别上传至用于展示三维模型的网页上,并测试4个模型上传至网页所需的时间,共进行5次测试,取5次实验时间的平均值[13];最后,在相同的网络环境下,通过Windows任务管理器分别检测4个模型在网页展示时1 min内各个节点的CPU占用率。模型的面数与顶点数越多,其数据量越大,上传至网页或展示平台所需的时间越长,且数据量过大的模型在展示时会占用大量的内存空间,导致计算机CPU占用率过高,进而使系统运行速度下降,造成网络卡顿,降低了模型展示的流畅性,最终降低模型的应用效果。 4) 综合分析:一方面,分析比较样板1模型、样板2模型及样板3模型的外观效果与参照模型的差异性,以此确定出外观效果与参照模型差异性最小的模型;另一方面,分析比较样板1模型、样板2模型及样板3模型的面数、顶点数和数据量,上传至网页所需的时间及在网页展示时的CPU占用率,以此确定出应用效果最好的模型。综合两方面,总结出氅衣样板在3D仿真中的最佳修改方案。 3.2 实验效果分析 3.2.1 模型外观效果分析 样板1模型、样板2模型、样板3模型及参照模型的外观效果如图6所示。由于氅衣在右片衣身交衽处不是完全闭合的,所以将右片衣身交叠部分样板全部删除的样板1模型在交衽处出现了缝隙,与参照模型交衽处的外观效果产生了较大的差异,如图7所示;而样板2模型将右片衣身交叠部分样板全部保留,样板3模型保留了右片衣身交衽处部分样板,在交衽处没有出现缝隙,如图8所示。除此之外,氅衣左右两侧均开裾至腋下,其右片衣身样板虽与大襟片样板交叠,但穿着时会从开裾处露出,因此,将右片衣身交叠部分样板全部删除的样板1模型在右侧开裾处与参照模型的外观效果产生了较大的差异,如图7所示;而样板2模型将右片衣身交叠部分样板全部保留,样板3模型保留了右片衣身开裾处部分样板,在外观效果上与参照模型几乎无差异,如图8所示。
图6 模型外观效果示意 Fig.6 The schematic diagram of model appearance effect
图7 样板1模型与参照模型 Fig.7 The model of pattern one and the reference model
图8 样板2模型与样板3模型 Fig.8 The models of pattern two and pattern three 3.2.2 模型应用效果分析 1) 利用3DSMAX分别检测记录参照模型、样板1模型、样板2模型、样板3模型的面数、顶点数及模型数据量,如表1所示。并计算三个对照模型的面数、顶点数、模型数据量较参照模型减少的百分比,如表2所示。对照模型在三项参数上减少的百分比越大,则其应用效果越好[14]。样板1模型的面数较参照模型的面数减少了55.00%;样板2模型的面数较参照模型的面数减少了46.27%;样板3模型的模型面数较参照模型的面数减少了52.45%。三种样板修改方案均有效地降低了氅衣模型的面数、顶点数、模型数据量,对模型的应用效果产生了积极的影响,以此为依据对三个对照模型的应用效果从高到低进行排序:样板1模型,样板3模型,样板2模型。 表1 模型各项参数 Tab.1 Parameters for models
表2 模型各项参数变化量 Tab.2 Variation of various model parameters
2) 记录5次参照模型、样板1模型、样板2模型、样板3模型上传至网页上所需时间,取其平均值,如表3所示。模型上传至网页所需时间越少,则其应用效果越好。由表3数据可知,参照模型5次上传的平均时间为61.60 s,样板1模型5次上传的平均时间为26.92 s,样板2模型5次上传的平均时间为39.12 s;样板3模型5次上传的平均时间为35.02 s。三种方案均有效地降低了模型上传至展示平台的时间,对模型的应用效果产生了积极的影响,以此为依据对三个对照模型的应用效果从高到低进行排序,其顺序为:样板1模型,样板3模型,样板2模型。 表3 模型上传至网页所需时间 Tab.3 Time required for uploading model to web page
3) 记录参照模型、样板1模型、样板2模型、样板3模型在网页展示时1 min内各个节点的CPU占用率,如图9所示。模型运行展示时,CPU的占用率越高,其应用效果越差。由图9可以看出,三个对照模型在展示时的CPU占用率较参照模型均有所降低,其中降低程度最大的是样板1模型,其次是样板3模型,最后是样板2模型。
图9 模型展示时的CPU占用率 Fig.9 CPU utilization rate during model presentation 3.3 实验对比分析 1) 从氅衣模型外观效果角度分析:样板2模型与样板3模型的外观效果与参照模型较为接近,而样板1模型的外观效果与参照模型存在较大差异。因此,以外观效果为制约规则,只能选择样板2模型和样板3模型。 2) 从氅衣模型应用效果角度分析:实验从模型的面数、顶点数、数据量,模型上传至网页所需的时间及模型在网页展示时的CPU占用率三个方面对三个对照模型的应用效果进行测试。结果均表明,三个对照模型的应用效果较参照模型均有所提高,其中应用效果最好的是样板1模型,其次是样板3模型,最后是样板2模型。 3) 综合分析:以模型外观效果为依据,样板2模型与样板3模型均可选择;以模型的应用效果为依据,将三个对照模型按照模型的应用效果从高到低进行排序,依次是样板1模型,样板3模型,样板2模型。综上分析,样板3模型为最优选择,而样板3模型对应的样板修改方法则为氅衣样板在3D仿真中的最佳修改方案。 3.4 模型样板修正 通过模型效果评价实验可知,方案3为氅衣模型在3D仿真中样板修改的最佳方案。由于方案3只保留了右片衣身交衽处部分样板及开裾处部分样板,而将其他交叠样板全部删除,所以完整的右片衣身样板被减削成多片小片样板,使得这部分样板变得零碎、分散。因此,在保证模型外观效果的条件下,应对保留的右片衣身样板进行局部修正,将多片分散的小片样板合并成完整样板,修正后的氅衣样板与模型效果如图10所示。
图10 氅衣模型样板示意 Fig.10 The schematic diagram of the patterns of outer garment model 结 论  以虚拟现实的形式对服饰文物进行展示改变了古代服饰传统的物理展览形式,既保护服饰文物免受损害,也让观赏者与服饰产生了更多的互动,促进了服饰文化在年轻群体中的传播。但展示网页或平台的计算性能有限,在同时展示大量的服装三维模型时,会影响模型的加载与显示,因此,应对服装三维模型进行精简优化。本文主要针对古代服饰的三维模型存在大量冗余的多边形这一问题进行了研究,以氅衣为研究对象,基于其样板结构特点,提出了三种不同的样板修改方案。通过对不同修改方案的样板模型的外观效果与应用效果进行分析,得到了氅衣模型在3D仿真中样板修改的方法:在氅衣样板的所有交叠样板中,只保留右片衣身中开裾处部分样板及交衽处部分样板,其他全部删除。此方法在保证模型外观效果的条件下,模型的面数较初始样板模型下降了52.45%,上传至网页所需的时间比初始样板模型减少了26.58 s,模型展示时的CPU占用率也比初始模型低。除此之外,精简后的服装三维模型对计算机的硬件配置要求,以及对网络带宽的要求都有所降低,提高了模型的应用价值。本样板修改方法不仅适用于氅衣,而且对其他与该氅衣具有相同结构特点的古代服饰在3D仿真中的样板修改也具有参考意义。 （参考文献略） 来 源 | 《丝绸》2022年 第59卷 03期 发 布 | 浙江理工大学杂志社新媒体中心
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