邁向人工智慧Fashion Design（二）- 模塊化服裝設計

引言

上期我們探討了服裝製版模擬軟體及其相關技術，它們被廣泛應用於虛擬角色設計，同時也在服裝設計領域有一定程度的應用。然而，想要用它們設計一套服裝，還是需要繁瑣地創建多個布塊，並仔細調整它們的形狀、大小、以及縫合關係，而且具體該如何調整，還需要製版專業知識的指導。

其實，在CG與CAD研究領域，早就有過很多嘗試提供模塊化服裝設計功能的研究（也就是把繁瑣的細節與專業知識封裝起來，讓用戶可以只關心需求，直接在需求層操作軟體來進行設計），而且這些功能尚未被實現在現有的商用軟體中。那麼，到底有哪些方便的服裝設計功能，它們又為何還沒有被工業化呢？

基於草圖的3D服裝建模

在服裝設計流水線的第一步——「創作設計」中，服裝設計師就是用草圖（sketch）的形式去表現自己的設計理念的。那麼，如果能從這種簡潔高效的表達方式，直接通過計算生成具體的3D衣物以及製版，必將進一步提升服裝製版軟體的使用效率。

Virtual garments: A fully geometric approach for clothing design [Decaudin et al. 2006] 就是這樣一篇嘗試基於sketch來建模3D衣物並生成製版的工作。

用戶基於模特畫出衣服的輪廓和縫合線後（圖1-1），衣物的3D表面將根據當前視角中輪廓到模特的距離，基於模特的3D表面距離場重建出來，並被縫合線分割成多個部分（圖1-2紅衣）。然而，這樣基於iso-surface重建出的衣物離真實衣物的形狀還是有差距的。

我們都知道，真實的衣物應該是能由多個平面布塊縫合而成的，也就是說，它一定能被我們沿著縫合線裁剪成多個平面布塊。但這裡，我們還並不能保證，被縫合線分割的衣物各部分都是可以被幾乎無伸縮形變地展開在平面上的（developable），就像世界地圖不可避免的讓俄羅斯和加拿大版圖變得比中、美龐大很多。所以，接下來他們從這個初始衣物（圖1-2紅衣）開始，通過三維表面形變（deformation）的方法，求解出了很相似的一個各部分都幾乎developable的衣物（如圖1-3橙衣）。於是衣物的製版也可由網格參數化（mesh parameterization）方法由3D衣物各部分求出了（如圖2-Figure 3）。為了盡量防止對角形變（shear）產生的皺（wrinkle），他們採用的方法是著重優化映射前后角度差異的ABF++ [Sheffer et al. 2005]。

[Decaudin et al. 2006]文中有一句說，雖然求出的3D衣物各部分仍然只是幾乎developable，但是並無大礙，因為衣服穿到人身上後本來也是會發生形變的。前半句其實還OK，後半句不太行啊！衣服穿在身上應有的形變，不一定就是他們的方法求出的衣物所含有的形變吧？

除了對衣服的大體形態進行建模，[Decaudin et al. 2006]中的方法還可以生成幾種褶（例如圖1-4黃衣）。他們還根據該演算法生成的製版縫製了一些成衣（如圖1-5花衣，圖3毛衣、褲子、裙子）。

儘管這些實物和3D模型的樣子還是有很大差異，但是能對這樣一個複雜又充滿不確定性的問題給出很可行的求解思路，這篇文章已經影響深遠了。類似的工作還有A Sketch-Based Interface for Clothing Virtual Characters [Turquin et al. 2007]等。

服裝拼接

除了從無到有地用sketch對服裝進行建模，如果已經有了一些衣物，或者袖子、衣領、褲腿等服裝部件，那麼根據需求將不同的部件拼接起來也是一種很高效的服裝設計方式。

Modeling 3D garments by examples [Li and Lu 2014]就是這樣一項工作（如圖4）。

Styling Evolution for Tight-Fitting Garments [Kwok et al. 2016]也是很有意思的一項工作，他們應用evolution theory巧妙地根據現有風格設計出了多種新風格的緊身衣（如圖5）。

衣物向不同身材的遷移

有了足夠多的3D衣物數據，接下來可以考慮的事就是如何為不同身材的人做衣服了。由於計算機功能強大，我們可以不再局限於只考慮單一維度的大中小尺碼，或是最多加個修身版什麼的。根據人體三位模型，我們可以考慮為任何身材體型的人定製最合適的某款衣服！

Made-to-Measure Technologies for an Online Clothing Store [Cordier et al. 2003]和Design automation for customized apparel products [Wang et al. 2005]做了這方面的嘗試，他們將衣物和人體分割成多個部分，並計算兩者各部分的對應關係（correspondence）。有了這組對應關係後便可以比較直接地將一件衣服從一個人體模型遷移到另一個模型上了（如圖6）。當然，這也需要各人體模型之間擁有各部分的對應關係。

值得一提的是，後來的Design Preserving Garment Transfer [Brouet et al. 2012]在演算法中引入了服裝設計中對衣物的fit、shape、proportion的測度概念，並通過優化計算使得這些測度盡量保持原樣，從而很好地提高了服裝遷移的效果，尤其是在身材差異很大的人體模型之間，遷移的服裝仍可以保持與原服裝幾乎相同的風格（如圖7）。

少了點什麼？

然而，上述方法基本都沒有考慮實際情形中3D衣物究竟是否在各種力的作用下可以保持其形態，而且他們在生成製版的過程中都只是採用純幾何的網格參數化方法，並沒有考慮布料伸縮性等因素。這使得在實際生產中，根據其製版裁縫出的衣物並不能與其3D模型完全相同，而且有時這種差異還會很大。可能這也就是這些模塊化的服裝設計方法並沒有被大規模工業化的原因吧！

最近，Physics-driven Pattern Adjustment for Direct 3D Garment Editing [Bartle et al. 2016]專門研究了服裝設計過程中3D衣物以及製版的物理合理問題。他們結合布料模擬（cloth simulation）過程，並把它當成一個黑箱（black box），即不用關心內部構造，只管輸入（服裝製版）和輸出（物理合理的3D衣物），使用gradient-free optimization的理念生成保證物理合理的製版和3D衣物，並支持服裝大體形態的設計操作，比如長短變化、拼接等（如圖8）。

但由於[Bartle et al. 2016]要求輸入的3D衣物本身必須物理合理，想要用它來設計細節豐富的服裝還是很難的，比如褶（Fold/Pleat）的設計，因為設計師並不精確地知道怎樣的形狀完全物理合理，而且就算知道，這種高精度的3D建模過程也會是極其繁瑣的。所以，下一期我們不如就聊一聊我今年SIGGRAPH的新作，如何簡便地為衣物設計各式各樣物理合理的褶。

參考文獻

[Decaudin et al. 2006] Decaudin, P., Julius, D., Wither, J., Boissieux, L., Sheffer, A., & Cani, M. P. (2006, September). Virtual garments: A fully geometric approach for clothing design. In Computer Graphics Forum (Vol. 25, No. 3, pp. 625-634). Blackwell Publishing, Inc.

[Sheffer et al. 2005] Sheffer, A., Lévy, B., Mogilnitsky, M., & Bogomyakov, A. (2005). ABF++: fast and robust angle based flattening. ACM Transactions on Graphics (TOG), 24(2), 311-330.

[Turquin et al. 2007] Turquin, E., Wither, J., Boissieux, L., Cani, M. P., & Hughes, J. F. (2007). A sketch-based interface for clothing virtual characters. IEEE Computer graphics and applications, 27(1).

[Li and Lu 2014] Li, J., & Lu, G. (2014). Modeling 3D garments by examples. Computer-Aided Design, 49, 28-41.

[Kwok et al. 2016] Kwok, T. H., Zhang, Y. Q., Wang, C. C., Liu, Y. J., & Tang, K. (2016). Styling evolution for tight-fitting garments. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 22(5), 1580-1591.

[Cordier et al. 2003] Cordier, F., Seo, H., & Magnenat-Thalmann, N. (2003). Made-to-measure technologies for an online clothing store. IEEE Computer graphics and applications, 23(1), 38-48.

[Wang et al. 2005] Wang, C. C., Wang, Y., & Yuen, M. M. (2005). Design automation for customized apparel products. Computer-Aided Design, 37(7), 675-691.

[Brouet et al. 2012] Brouet, R., Sheffer, A., Boissieux, L., & Cani, M. P. (2012). Design preserving garment transfer. ACM Transactions on Graphics, 31(4), Article-No.

[Bartle et al. 2016] Bartle, A., Sheffer, A., Kim, V. G., Kaufman, D. M., Vining, N., & Berthouzoz, F. (2016). Physics-driven pattern adjustment for direct 3D garment editing. ACM Trans. Graph., 35(4), 50-1.

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