Общая характеристика систем пространственного проектирования одежды (3D)

3D-системы, или системы «пространственного» конструирования, позволяют описывать модели с пространственными координатами X, Y, Z, и основаны на использовании инженерных методов конструирования второго класса. Данные системы ориентированы на решение проектно-кон-структорских задач, связанных с созданием пространственных геометрических образов изделий, так как дают возможность просмотра проектируемого изделия в трех измерениях. Необходимо отметить существенные достижения в области трехмерного проектирования конструкций деталей одежды М.В. Стебельского. Однако вследствие необходимости натурального воспроизведения макетов фигур заказчиков и вследствие технической сложности создания цифровых моделей фигур и одежды при автоматизированном способе проектирования одежды данные системы не получили в свое время достаточно широкого применения.

Исходной информацией при разработке САПР одежды на основе трехмерной базы данных является антропометрическая информация о поверхности торса фигур потребителей в виде их цифровых моделей, которые, в свою очередь, представляют собой топографическую сеть множества точек пересечения соответствующих вертикальных и горизонтальных сечений. Вследствие того, что синтез индивидуальной фигуры потребителя проблематичен в силу небольших колебательных движений тела, авторами предложена новая версия программно-технического комплекса, включающая установку по получению плоских моментальных изображений сложных пространственных объектов с помощью методов фотограмметрии и системы зеркал, пакет программ по синтезу цифровых моделей по плоским изображениям и комплекс средств вычислительной техники.

В настоящее время специалистами многих научных организаций ведутся исследования в направлении разработки 3D-систем (МГУДТ, СПГУТД, ИвГТА), на основе применения современных вычислительных средств с высоким интеллектом. Выделяют три основных типа задания моделей в 3D-системах:

- каркасные или проволочные;

- поверхностные, когда поверхность представлена множеством точек, составляющих сплошную оболочку;

- модели сплошных тел объемного изображения объекта.

В швейной промышленности в системе 3D используют в основном первые два типа трехмерных моделей, так как на экране дисплея возможно получение изображения каркаса манекена, или «прозрачного» изделия с изображением основных конструктивных линий. В прогрессивных системах этого типа делаются попытки применения трехмерной визуализации для воспроизведения реального облика одежды, при этом процесс проектирования в системе 3D базы данных включает в себя следующие этапы (процедуры) проектирования:

- на первом этапе – намечаются точки, определяющие границу поверхности пространственной формы одежды, причем для каждой точки указывается степень прилегания к поверхности тела человека;

- на втором этапе – на кривых, задающих границу поверхности, выбираются точки, определяющие края детали (так называемые угловые точки);

- на третьем этапе – выбираются участки, определяющие границы деталей.

Участки границы детали определяются как кубические кривые в преобразованном пространстве, где в качестве первых двух координат выступают параметры поверхности тела человека, и в качестве третьей координаты – степень прилегания в намеченных точках.

По мере того как конструктор создает детали в виде последовательности соприкасающихся пространственных кривых, генерируется ее отображение в преобразованном пространстве.

Необходимо отметить возможность перевода системы 3D в систему 2D, т.е. получение адекватных разверток поверхности, а также решение обратной задачи, которая, однако, сопряжена с определенными трудностями.

Разработка САПР одежды на основе трехмерной антропометрической базы данных ориентирована на выполнение проектно-конструкторских работ без изготовления промежуточных макетов и образцов изделий за счет получения точных конструкций деталей одежды, обеспечивающих антропометрическое соответствие любым фигурам потребителей.

В связи с чем была выявлена необходимость проектирования адапти-рованных конструкций моделей одежды с учетом информации о внешнем образе индивидуального потребителя при использовании средств компьютерного проектирования. С этой целью созданы соответствующие базы данных групп зрительно подобных фигур, в которых внешний образ потребителя складывается из основных габаритов фигуры, особенностей телосложения, антропологических параметров головы, цвета волос, глаз, кожи лица, психофизиологических и социальных особенностей этого человека.

Но в силу ряда специфических особенностей «объемного» проектирования одежды в системе 3D (высокая стоимость программного продукта, программно-технического комплекса и применения современных вычислительных средств с высоким интеллектом), повсеместная переориентация предприятий по изготовлению одежды с различным экономическим статусом на САПРО в системе 3D в настоящее время представляется нецелесообразным.

В то же время ликвидация недостатков метода проектирования 2D, а именно: применение инженерных методов конструирования и разработка новых технологий по проектированию и изготовлению одежды беспримерочным методом за счет создания точных макетов поверхности торса заказчика, на основе интеграции двух способов производства (промышленного способа изготовления одежды с учетом индивидуальных особенностей конкретного потребителя) с использованием последних достижений вычислительной техники делает его конкурентоспособным с методом 3D.

Трехмерные системы проектирования разделяют по типу модели поверхности проектируемого объекта. Условно классифицируют три типа моделей: твердотельную, полигональную и NURBS-поверхностную модель (от Non-Uniform Rational B-Splines – неоднородных рациональных B-сплайнов, которые формируются на основе набора изопараметрических кривых, описываемых контрольными точками [38]). Мы говорим об условной классификации, так как многие системы используют несколько способов описания объемных тел в зависимости от решаемых ими задач, при этом, как правило, системы, работающие с NURBS-поверхностями, выполняют операции их преобразования в полигональные и наоборот [38].

Вместе с тем, представленная на рисунке 4.1 классификация была бы неполной без дополнительного членения специализированных 3D-САПР швейных изделий на так называемые «Развертывающие» и «Одевающие».

В «Развертывающих» 3D-САПР швейных изделий 3D-технологии применяют до этапа двухмерного конструктивного моделирования. САПР этого класса позволяют проектировать форму изделия в трехмерном пространстве, а затем получать развертки изделия на плоскость для дальнейшего их преобразования («Ассоль», Россия; «Стаприм», Россия).

В «Одевающих» 3D-САПР швейных изделий 3D-технологии применяют после этапа двухмерного конструктивного моделирования и предназначены для проектирования плоских лекал изделия традиционными способами, дальнейшего их «сшивания» и «одевания» на виртуальный манекен для проверки посадки изделия и внесения изменений в плоские лекала («Gerber», США; «Investronica» (Испания); «Julivi», Украина) [38].

Классификация САПР по степени параметризации определяет способность той или иной системы описывать и запоминать процесс проектирования в виде набора параметров с целью автоматического воспроизведения при новых значениях параметров. В связи с этим выделяют:

- непараметрические системы, в которых процесс проектирования осуществляется на основе графического или универсального редактора;

- системы, поддерживающие концепцию сквозной параметризации, в которых описание объекта проектирования осуществляется на специальном проблемно ориентированном языке;

- комбинированные системы, ведущие запись алгоритма на отдельном этапе (этапах) проектирования [38].

Параметрические САПР при проектировании швейных изделий позволяют формировать алгоритмы построения и преобразования чертежей конструкций с исключением традиционного процесса градации.

Недостатком параметрических систем является невозможность выполнения процесса алгоритмического представления лекал, разработанных ручным способом, что значительно ограничивает использование подобных систем на предприятиях с накопленной базой, апробированных картонных лекал, выверенных опытом и многолетней практической работой.

Преимуществом параметрических систем является возможность многократного повторения алгоритма с новыми исходными параметрами (размерными признаками, значениями прибавок, поправочных коэффициентов и т.д.).

Основные направления развития параметрических систем ориентированы на разработку новых макросов и сценариев, позволяющих ускорить описание и реализацию процесса конструирования. На российском рынке САПР швейных изделий на сквозной параметризации основаны такие системы, как «Grafis» (Grafis, Германия), «Грация» (Украина), «Леко» (Вилар, Россия).

В непараметрических САПР описание объектов проектирования осуществляется в большинстве случаев с использованием дигитайзеров с помощью методов компьютерной графики, в которых имитируются действия проектировщика при ручном проектировании. Разработка и редактирование лекал ведётся в естественном для конструктора виде представления информации. Архивные базы данных объектов проектирования (комплектов лекал) хранятся в виде координат опорных точек, причём каждая деталь хранится отдельно, что, естественно, занимает большой объем ресурсов памяти компьютера. К числу непараметрических систем относят «СТАПРИМ» и др.

Комбинированные САПР представляют собой комбинацию простоты использования непараметрических систем и широкие возможности формализации процесса проектирования параметрических. При этом все комбинированные САПР классифицируют по степени доступа пользователя к параметрам проектирования на 3 типа:

- с ограниченным доступом;

- полным доступом на отдельных этапах проектирования;

- полный доступ на всех этапах проектирования [38].

Комбинированные системы первого типа с ограниченным доступом пользователя к параметрам проектирования основаны на непараметрическом подходе и предлагают пользователю готовые алгоритмы проектирования с возможностью изменения параметров («EleandrCAD», Россия; «Lectra», Франция).

Комбинированные САПР второго типа с полным доступом на отдельных этапах проектирования имеют четкое разделение на подсистемы в зависимости от этапа проектирования, при этом некоторые подсистемы обладают полной или частичной параметризацией («Comtense», Россия; «Gerber», США; «Investronica», Испания; «Optitex», Израиль; «PADsystem», Канада; «Реликт», Россия).

Комбинированные системы третьего типа с полным доступом к параметрам проектирования позволяют пользователю по своему усмотрению включать режим записи алгоритма и самому определять его параметры на любом этапе проектирования изделия. К таким системам относится САПР «Ассоль» (Россия) и «Грация» (Украина).

Учитывая вышеизложенное, рациональным является представление обобщенной классификации рассмотренных универсальных (таблица 4.1) и специальных САПР (таблица 4.2) в соответствии с [38].

Таблица 4.1 – Обобщенная классификация универсальных САПР

Название САПР	Классификация по типу пространства действия	Классификация по степени параметризации	Краткая характеристика и особенности САПР
2D	3D	Параметрические	Комбинированные с полным доступом
	Твердотельные модели	Полигональные и NURBS модели
AutoCAD (фирма разработчик –Autodesk) [5]	+	+	+		+	Наиболее распространенная на территории СНГ, реализующая технологии 2D и 3D-проектирования, отличающаяся большим количеством прикладных пакетов, разработанных специалистами различных отраслей промышленности. Позволяет разрабатывать собственные приложения. Имеет встроенный язык программирования AutoLISP, возможно создание приложений на языках программирования Visial Basic, Си и др.
3D Studio Max(разработчик – Discreet Inc., подраздел. фирмы Autodesk) [6]			+		+	Разработана для создания фотореалистичных объектов и их анимации на основе 3D-графики. Возможно моделирование геометрических и физических свойств любых трехмерных объектов в статике и динамике, имитация освещения и природных явлений. Обладает механизмом формализации процесса проектирования, реализуемого при помощи записи сценариев (скрипт-файлов)
Maya, (разработчик – компания Alias/Wavefront [7–10]			+	+		Предназначена для 3D-моделирования, анимации, создания визуальных эффектов и визуализации при реализации новых креативных идей. Обладает модулем моделирования динамики за счет инновационного подхода к расчету сложной физики поведения частиц, взаимодействующих друг с другом. Модуль Maya Cloth позволяет работать с заготовками одежды различных конфигураций (как стандартных плоских выкроек, так и деталей произвольной формы). Позволяет не только «сшить» и «одеть» цифрового персонажа, но и задать свойства драпируемости и поведения материала при движениях. Модуль Maya Fur предназначен для создания волос, меха, шерсти на сложных сплайновых поверхностях путем установки атрибутов цвета, длины, ширины, густоты, прозрачности, курчавости, направления роста и т.д.

Таблица 4.2 – Обобщенная классификация специализированных САПР – САПР швейных изделий

Название САПР	Классификация по типу пространства действия	Классификация по степени параметризации	Краткая характеристика и особенности САПР
2D	2,5D	3D	Параметрическая	Комбинированные
«Развертывающая»	«Одевающая»	Ограниченный доступ	Полный доступ на отдель- ных этапах	Полный доступ
Grafis(Германия) [11], авторизированный дилер в России –фирма «Cadrus»	+				+				Возможность создания новых моделей как на основе выбранной методики конструирования, так и за счет введения лекал с дигитайзера. Обладает механизмом наследования параметров материнской детали дочерними, которые были из нее разработаны. Принцип сквозной параметризации реализуется в возможности создания произвольной типологии размеро-ростов, организации иерархической структуры проектируемых деталей и лекал
Comtense(Comtense ltd, Россия) [12]	+						+		Используется на швейных и трикотажных фабриках, в производстве автомобильных чехлов и сидений, мягкой игрушки, мягкой мебели, кожгалантереи и изделий из меха. Включает следующие программные компоненты: построение БК с использованием плоскостных методик конструирования; создание и корректировка лекал с использованием графических примитивов и лекал базы данных (с использованием функций конструктивного моделирования), формирование правил градации в виде приращений в конструктивных точках с последующей градацией лекал по размерам и ростам. Наличие собственного драйвера позволяет индивидуально подбирать и настраивать аппаратную часть САПР в соответствии с собственными потребностями
Продолжение таблицы 4.2
Реликт (Россия) [13]	+						+		Предлагает подсистемы формирования технического эскиза методами комбинаторики. Особенностью является база данных элементов профессиональной фирменной одежды. Каждый конструктивный элемент характеризуется техническим рисунком, комплектом лекал и технологической последовательностью сборки и конфекционной картой, идентифицируемыми посредством единой системы кодирования
Gerber(США) [14]	+			+			+		Предназначена для проектирования одежды, обуви, мебели и управления раскройными машинами. Позволяет осуществлять объёмное проектирование и проводить оценку возможных вариантов материала для проектируемых моделей, создавая презентации коллекций с подбором подходящих цветовых решений (в том числе и для индивидуальных заказчиков) при формировании художественного эскиза. Отличительной особенностью является групповая обработка деталей, проведение групповых измерений во всех размерах. Трехмерный модуль проектирования женского манекена, разворачиваемого на плоскости, был приобретен у японской фирмы Asahi Chemical Industry Co., Ltd
Леко(Вилар, Россия) [15]	+				+		+		Одна из первых САПР швейных изделий на отечественном рынке с действующей технологией параметризации. Проектирование осуществляется при помощи встроенного языка программирования. Интерес представляет автоматизированное снятие размерных признаков в рамках Системы за счет изменения параметров виртуального трехмерного манекена в соответствии с фотографией человеческой фигуры
Продолжение таблицы 4.2
Ассоль(МФТИ, МГУДТ, Россия) [16]	+		+					+	Базируется на математической и графической базе универсального редактора инженерной графики AutoCAD. Относится к САПР комбинированного типа. Процессы градации выполняются как в традиционном порядке, так и параметрически, за счет механизмов сценария. Позволяет автоматизировать создание технических эскизов, а также предлагает средства трехмерного моделирования для создания галантерейных изделий, спортивных аксессуаров и мягкой мебели без предварительного макетирования
Investronica(Испания)[17]	+			+			+		Включает широкий набор подсистем автоматизации конструкторских работ, а также продукт «Body Garment» – инструменты для трехмерного проектирования параметрической модели одежды по измерениям заказчика, как правило, лекала вводятся с дигитайзера. Подсистема «V-Stitcher» реализует виртуальную примерку изделия, спроектированную плоскостными методами. В программе имеются мужской и женский манекены, управляемые размерными признаками, возможность нанесения текстуры и создания эффектов на ткани
Julivi(САПРЛЕГПРОМ, Украина) [18]	+			+			+		Базируется на программных модулях конструктивного моделирования и трехмерной примерки на виртуальном манекене, который формируется на основе размерных признаков с возможностью варьирования значений параметров и задания позы. Отличительными особенностями системы являются: – возможность сканирования припусков между поверхностями одежды и манекена и воссоздания их на манекене другого размеро-роста; – возможность задания механических свойств ткани, областей дублирования, взаимодействия ткани с манекеном, оптических свойств ткани и т.д.; – возможность проведения анализа качества и эргономических показателей модели (баланса изделия, припусков на свободу облегания, напряжения в ткани, давления изделия на отдельные участки тела человека). Конструкторская часть системы позволяет осуществлять работу с данными в формате комплексов Gerber, Investronica, Lectra, NOVOCUT
Продолжение таблицы 4.2
Lectra(Франция) [19]	+					+			Комплексная система подготовки производства от эскиза до раскроя, базирующаяся на следующих (отдельных) модулях: GraphicSpec – векторная конструкторская программа для разработки и создания технических рисунков моделей одежды; PrimaVision – рабочее место дизайнера для проектирования цветового решения модели; ColorWeave – программа создания и имитации фактуры ткани; Catalog и Gallery – соответственно, для наглядной информации об изделиях и коллекциях; Modaris Expert – для проектирования и оформления лекал с использованием механизма наследования параметров материнской детали дочерними; Diamino Expert – для выполнения раскладок в автоматическом и полуавтоматическом режимах; Optiplan – программа планирования производственного заказа Комплектация с лазерным сканером 3D Body Scanner (компании Tecmath) позволяет за 10 секунд выполнить до 97 измерений, которые автоматически отправляются в систему визуализации
Грация (Украина) [20]	+	+			+			+	Одна из ведущих интеллектуальных комплексных САПР швейных изделий, изделий из трикотажа, корсетных изделий и головных уборов, совместимая с САПР«1С-Бухгалтерия» и поддерживающая концепцию сквозной параметризации во всех предлагаемых ею подсистемах: Дизайн, Моделирование и конструирование, Индивидуальные и корпоративные заказы, Технология изготовления, Раскладка, Диспетчеризация, Учет и планирование, Управление бизнесом. Графическая среда совместима с системой трехмерного проектирования «Стаприм». Процесс проектирования выполняется записью алгоритма командами локального языка программирования. Обеспечивает технологию модульного проектирования с записью фрагментов или целых алгоритмов в виде блоков и возможностью многократного их использования. Подсистема «Моделирование и конструирование» предоставляет возможность формирования трех проекций фигуры с выполнением на них технического эскиза и моде-лирования элементов первого вида конструктивного моделирования. Реализован механизм 2,5D-проектирования конструкций для расчета пространственных форм объектов в трех проекциях
Окончание таблицы 4.2
СТАПРИМ (СПбГУДТ Росссия)			+						Единственная на российском рынке САПР швейных изделий, реализующая процесс трехмерного проектирования с последующей разверткой. На этапе создания трехмерной модели торса человека (манекена) задается количество основных деталей стана и по заданным ведущим размерным признакам производится выбор трехмерной типовой фигуры. Реализована возможность снятия размерных признаков с фотографии заказчика на основе систем CorelDraw и Microsoft Excell. Этап создания трехмерной силуэтной конструкции модели заключается в задании необходимых величин прибавок, управляющих ее формой. Результаты проектирования можно отслеживать как на виртуальном манекене, так и в автоматически обновляемых развертках. Последний этап создания модельной конструкции выполняется на двумерных деталях, полученных в результате автоматической развертки силуэтной конструкции. Дальнейшие задачи конструкторско-технологической подготовки производства для промышленного внедрения модели выполняются в системах плоскостного модифицирования: Investronica, Comtense, Грация

Анализируя рынок современных САПР швейных изделий, можно сделать вывод, что все они в большей или меньшей мере:

- характеризуются наличием банка данных, объединяющих справочные ха­рактеристики материалов, прежние технические решени­я, чертежи конструкций, патенты, стандарты и другую информацию, необходимую проектировщику;

- обеспечивают возможность корректировки баз данных в про­цессе проектирования;

- осуществляют моделирование (физическое, математичес­кое, графическое) как отдельных элементов, так и всей конст­рукции в целом;

- имеют возможность развития путем присоединения нового про­граммного обеспечения в пакеты имеющихся программ;

- содержат развитые графические подсистемы, которые могут совмещать различные виды и проекции изделий, преобразовы­вать масштабы, осуществлять аффинные преобразования, заме­нять отдельные элементы конструкции другими;

- могут обеспечивать одновременную работу нескольких проек­тировщиков [21].