數碼提花織物分層組合設計原理及其實踐

周 赳， 陸爽懌

(浙江理工大學 浙江省絲綢與時尚文化研究中心， 浙江 杭州 310018)

傳統提花織物采用單一平面的設計模式[1]，通過結構與色彩“一一對應”的設計原則來模擬平面圖案的造型和色彩效果[2]。當前提花織物CAD系統的研發也同樣建立在單一平面設計模式之上[3]。這種將紋樣色彩與組織結構一一對應的設計方法不僅工作繁瑣，而且織物表面色彩表現存在很大的限制。自從“數碼紡織”概念提出以來[4-5]，提花織物的數碼化設計研究使提花織物逐漸擺脫了傳統手繪圖案的諸多限制。隨著提花織物計算機輔助設計系統和電子化提花和織造設備的應用普及[6]，提花織物的設計和生產效率得到了極大的提高，也為提花織物全數碼化的技術創新研究創造了條件。

在提花織物全數碼化設計研究上，代表性的技術解決方案有組織與色卡自動匹配的方法[7]、不規則組織自動配置的方法[8]、規則組織分層組合設計的方法[9]。組織與色卡自動匹配的方法由美國北卡州立大學在研究織物自動測配色的基礎上提出，其基本原理是先制織組織色卡，再通過組織色卡測色獲得色彩數據去匹配新織物的色彩參數達到自動設計的目的，實驗的組織模型為歐洲織錦的多色經結構；不規則組織自動配置的方法由德國的Brevitex Ets Exploit公司在專利中發表，其基本原理是設定基本組織模型，通過識別數碼圖像的色彩來相應增減組織點，以達到設計色彩仿真效果織物的目的；規則組織分層組合設計的方法由香港理工大學和浙江理工大學提出，其基本原理是借鑒數碼圖像色彩數據分層管理的方法來設計仿真效果提花織物。文獻研究發現，以上3種設計模式都是以設計圖案色彩仿真的提花織物為研究目標，由于色彩混合顯色原理不同，應用上述設計方法得到的提花織物仿真效果是一種相對仿真的效果，而數碼圖像與傳統手繪紋樣相比，在藝術表現形式和創新空間2個方面均有較大差異，所以，實現提花織物真正數碼化設計創新的關鍵在于提出一種適用的設計模式，將數碼圖像設計方法與提花織物的設計方法在全數碼設計過程中有效結合，充分發揮數碼設計技術的優勢，開發出具有數碼提花織物獨有創新效果的產品[7-9]。本文研究借鑒數碼圖像的分層設計原理，提出適用于提花織物數碼化設計的分層組合設計模式，通過對分層組合設計原理和設計方法的理論研究，以及設計應用實踐，構建起基于分層組合設計模式的提花織物數碼化設計創新的基本框架，為經緯交織提花織物的全數碼程序化設計提供可行的技術解決方案。

1 分層組合設計模式的原理與方法

數碼提花分層組合設計模式的提出源于數碼圖像色彩原理的啟發。數碼圖像的色彩管理由全數字化的分層模式來呈現，包括數碼圖像的屏幕顯示和打印輸出，二者所表現出來的最終色彩均通過有限種基本色按比例混合得到，每種基本色的色彩數據都存儲在獨立的平面圖層中，換言之，不同平面圖層的色彩數據按比例混合后，即可得到數碼圖像中所有色點。而提花織物采用有限種經緯線通過交織結構來表達織紋圖案。二者的唯一區別在于呈現輸出圖案的方式，前者由屏幕顯示，后者由提花織物的織紋顯示。因此可以將數碼圖像的色彩分層組合設計原理應用于提花織物的圖案和結構設計，其技術關鍵是全數碼化的織物圖案(以下簡稱數碼圖案)和結構設計如何在分層組合設計模式下得到統一。

提花織物“分層組合”設計的提出基于一種全數碼的設計流程。“分層組合”設計模式的基本原理如圖1所示，可以理解為：1)將數碼圖案直接用于提花織物設計；2)數碼圖案根據色彩特征進行分色，形成新的單色圖層；3)為每個單色圖層設計組織，形成單層結構圖；4)組合若干單層結構圖，形成組合結構圖；5)根據組合結構圖中各單層結構圖特征選擇合適的經緯紗線上機織造。

圖1 分層組合設計模式概念圖Fig.1 Design concept of layered-combination design mode

根據以上表述，在分層組合設計模式下的提花織物由若干個單色圖案和單層織物結構組合而成，其圖案和結構設計原理與傳統提花織物完全不同。

1.1 數碼圖案分層組合設計原理和方法

傳統手繪紋樣與數碼圖案最大的區別在于圖案效果的表達方式不同。傳統手繪紋樣是一種以實物形式表達設計效果的作品，而數碼圖案是一種以數字化虛擬形式表達效果的作品；傳統手繪紋樣為一次性最終效果，而數碼圖案可以通過數據分解、組合來實現再設計，這是傳統手繪紋樣無法比擬的。

從數碼圖案的構成原理看，數碼圖案由有限個像素點構成，每個像素點的色彩效果都由原色按不同比例混色而成，而每個像素點原色的色彩數據都獨立存放于不同的色彩數據層，任一數碼圖案的色彩可以按需分解成不同的原色通道，每一個原色通道只包含與之對應的一種原色信息，如RGB三色、CMYK四色或其他原色。根據該構成原理，織物圖案的數碼化分層組合設計原理為：1)任一數碼圖案根據不同的色彩模式可分離出若干原色通道，形成單一色彩數據的通道圖層；2)數碼圖案的圖案效果可以通過疊加若干個原色通道圖層來設計，且變化任一原色通道圖層的色彩信息可以實現數碼圖案的變化設計。數碼圖案的分層組合設計原理如圖2所示。可理解成是一種基于色彩數據處理的、可進行圖案分解分層和變化組合的圖案設計模式。

圖2 數碼圖案分層組合設計原理Fig.2 Design principle of layered-combination design mode for digital pattern

另外，傳統手繪紋樣的色彩表現具有一個確定值，色彩數往往在64以下，而基于分層組合設計模式的數碼圖案的色彩表現沒有一個確定值，只有一個最大值，當每個單色圖層中的色彩變化為64個級別，4個單色圖層組合成一個數碼圖案時，理論上該數碼圖案最多能顯示644=16 777 216種混合色彩。因此，織物圖案的數碼化分層組合設計的提出為數碼提花織物的設計創新提供源源不斷的數碼化的設計資源，也為提花織物圖案與色彩的創新設計奠定基礎，而另一個技術關鍵是要提出滿足織物圖案分層組合設計的織物結構設計方法。

1.2 織物結構分層組合設計原理和方法

傳統單一平面設計模式與分層組合設計模式下的提花織物具有不同的結構構成原理。傳統提花織物結構由輪廓清晰的單一組織構成，其織紋效果主要由組織本身和相鄰組織間的關系決定；而分層組合設計模式下的織物結構由若干個單層結構組合而成，組織間沒有清晰輪廓，如何為單色圖層設計合適的全息組織，以及各單層結構組合后的結構關系決定了織物最終的織紋效果。所以，織物結構關系由相鄰關系向組合關系的變化使分層組合設計模式具有全新的結構設計原理，圖3示出提花織物結構分層組合設計的原理圖。

圖3 提花織物結構分層組合設計原理圖Fig.3 Design principle of layered-combination mode for jacquard structure design

與傳統單一平面的織物結構設計方法比較，基于分層組合設計模式的結構設計原理可表述為：1)數碼圖像的紋樣與色彩可分離形成單色圖層，單色圖層用于設計單層結構，組合后形成組合結構，通過調節單層結構的關系可實現仿真效果和創新效果提花織物的設計；2)織物組合結構由若干采用全息組織配置的單層結構構成，組合后形成的織物結構從織物表面看沒有清晰的輪廓，沒有原始數據無法被仿冒；3)色經色緯根據織物組合結構中各單層結構的特征來配置，每個單層結構只表現一種經緯線的交織變化效果，若干單層結構通過經緯線的混合顯色，可表現百萬級別的織物混合色彩。

另外，在為每一個單色圖層設計全息組織時需要綜合考慮以下因素：1)單層結構的結構平衡點和交織平衡；2)單層結構形成組合結構后的組織結構間相互遮蓋的程度；3)單層結構與之所形成的組合結構在織紋圖案效果表現上的差異。分層組合設計模式下織物結構在設計規范的基礎上具有多元變化的特點，使提花織物能夠在產品創新時實現其不可替代的藝術風格。

根據數碼圖案和織物結構分層組合設計原理和方法的分析，分層組合設計模式與單一平面設計模式的技術比較如表1所示。進一步的設計應用研究將發揮分層組合設計模式的技術優勢，通過設計實踐開發具有數碼化創新效果的提花織物。

表1 分層組合設計模式與單一平面設計模式技術比較Tab.1 Technique comparison between layered-combinationdesign mode and single-layered plane design mode

2 設計實踐

2.1 應用設計研究框架

分層組合設計模式的應用設計研究需要在色彩處理、全息組織設計、分層組合方法以及經緯色紗配置的基礎上，提出各種具有分層組合設計模式特征的設計實踐方案，用于指導各種特殊數碼化效果提花織物的開發。圖4示出分層組合設計模式應用設計的研究框架，不同于傳統單一平面的設計模式，分層組合設計模式可從結構與圖案色彩2個維度構建起應用設計實踐路徑，并相互協同為提花織物的數碼化設計創新提供指導。

圖4 分層組合設計模式的應用設計研究框架Fig.4 Research framework on design application of layered-combination design mode

根據分層組合設計模式的應用設計研究框架導引，數碼圖像分色和分層優化設計、全息組織優化設計、織物結構組合方法是分層組合設計模式應用設計研究的3個最具特色的關鍵技術。不同的色彩處理方法可以獲得不同效果的單色圖層，分層組合設計模式下織物混色原理的應用研究建立起基于不同結構類型的混合色彩模型；不同品種提花織物結構的設計可以通過不同的全息組織設計方法來滿足，優化的結構設計方法可以掌握各單層結構圖中組織之間的關系，即遮蓋與不遮蓋效果的控制；不同的分層組合設計方法包括偶數組或奇數組結構層的組合，通過特定的組織設計可以獲得不同效果的組合結構，如全遮蓋組合結構、全顯色組合結構[10]、半遮蓋組合結構[11]，滿足各種創新效果提花織物設計開發的需要。

2.2 數碼提花創新品種構建

受技術限制，傳統提花織物的設計只能按照一一對應的方式來模擬織物紋樣和手繪紋樣的圖案與色彩。而在提花織物分層組合設計模式下的數碼圖像，則可直接應用到提花織物設計創新中。首先，分層組合設計模式對傳統提花織物各品種的設計方法實現了數碼化改進及創新；其次，分析和發揮數碼設計的優勢，從品種和藝術效果上創新提花織物的產品。因此，在分層組合設計模式下開展的提花織物創新研究過程，可以理解為是一種“從模式到原理、從方法到產品”的融合基礎研究和應用研究的創新過程，即以分層組合設計理念來研究設計原理的創新，應用創新原理來指導不同品種提花織物設計方法從而創新產品效果。在數碼提花織物分層組合設計研究框架下，對數碼化圖案色彩和組織結構進行分層組合設計，可以得到各種具有數碼化設計效果的提花織物，包括仿真效果設計[12-13]和創新效果設計，設計的數碼提花織物表面具有獨特的閃變色效果[14]，從而可以在分層組合設計模式的基礎上構建數碼提花織物的創新品種系統，如圖5所示。

圖5 數碼提花織物的創新品種系統Fig.5 Product innovation system of digital jacquard fabric

2.3 產品創新設計實踐案例

分層組合設計模式的應用設計實踐主要在提花織物的仿真效果設計和創新效果設計2個領域展開，以體現分層組合設計模式的應用價值。仿真效果設計是指最終的織物效果對原始數碼圖像進行模擬仿真，即織物圖案與色彩效果對原始數碼圖像進行仿真，在分層組合設計模式下，采用從無彩到有彩的設計方法[15-16]，配置合適的組合結構，可以實現灰度和多彩色的細膩暈紋變化，來達到提花織物的黑白仿真設計和彩色仿真設計。圖6示出灰度暈紋和黑白仿真設計案例的織物。其工藝如下：經緯紗均為22.2/24.4 dtex×2 桑蠶絲，經緯密均為 1 150根/(10 cm)，經紗白色，緯紗為2組黑色，采用24枚全息組織，2層全顯色組合結構設計方法。圖7示出彩色仿真設計案例的織物。其工藝如下：經緯紗均1/166.7 dtex 滌綸紗，經密為450根/(10 cm)，緯密為900根/(10 cm)，經紗白色，緯紗為CMYK四色排列，采用 16枚全息組織，4層全顯色組合結構設計方法。通過設計實踐證明，分層組合設計模式是提花織物仿真設計的有效方法。

另外，由于分層組合設計模式可以靈活地進行織物結構的多層組合設計，所以可方便地實現在各種接結方式下的雙面異效的仿真效果提花織物設計，2款雙面異效仿真效果設計的面料實物如圖8所示。其織物工藝相同，經緯紗均為1/166.7 dtex 滌綸紗，經密為450根/(10 cm)，緯密為900根/(10 cm)，經紗白色，緯紗為深紅、深藍、淺紅、淺藍四色排列，正反面均采用12枚全息組織，2層全顯色組合結構設計方法，正反面組合則采用全遮蓋組合結構設計方法，聯合接結方式。設計所得雙面異效的仿真效果顯著特征是提花織物的雙面都能獨立表現傳統設計方法無法實現的、具有多彩暈紋效果的圖案，且圖案題材不受限制。

圖8 雙面異效仿真設計效果Fig.8 Double-faced pattern simulation design.(a) Fabric I;(b) Fabric II

創新效果設計可以解釋為一種最終的織物效果與原始數碼圖像風格相似但不相同的設計方法。傳統提花織物設計以模擬其他圖案的藝術風格為設計目的，但提花織物固有的藝術表現形式——經緯交織的織紋藝術，無法得到重視；隨著分層組合設計模式的提出，為提花織物表現特有的織紋藝術創造了條件。織紋藝術以結構變化為表現形式，織紋圖案隨著組合結構中絲線的遮蓋、擠壓、滑移可以表現出各種結構層疊效果，在結構層疊過程的變化中可以通過層位移和層疊加、層增減和層反轉來有效控制多層組合的方式和層疊后的織物效果，而這種織物效果無法用傳統的紋樣設計方法來實現，也不可能通過織物表面效果來復制。圖9示出設計案例是在圖7設計和工藝基礎上通過層位移和層疊加的方法來完成的設計效果。織物工藝與圖7完全相同，圖9(b)是以圖9(a)原圖為基礎，各圖層向上、向下、向左、向右分別位移50個像素點設計4層全顯色組合結構獲得的圖層位移和疊加后的實際效果，而圖9(c)是以原圖為基礎，各圖層向上、向下、向左、向右分別位移200個像素點設計4層全顯色組合結構獲得的圖層位移和疊加后的實際效果。

圖9 層位移和層疊加設計效果Fig.9 Innovation design via layer shift and superposition. (a) Original;(b) Shift 50 pixels;(c) Shift 200 pixels

圖10示出設計作品“融合·變”(2 m×2 m，中國絲綢博物館永久收藏)。這是層增減和層反轉融合一體的設計案例。織物工藝如下：經緯紗(桑蠶絲)均為22.2/24.4 dtex×2，經密為1 150根/(10 cm)，緯密為1 600根/(10 cm)，經紗白色，緯紗為CMYK 4色，采用24枚全息組織，4層全顯色組合結構設計方法。在整個設計中有32個不同色彩效果的蒙娜麗莎頭像，其中16個頭像采用層遞減設計方法，即4個采用仿真四色四圖層顯色設計，4個采用三色三圖層顯色設計，4個采用二色二圖層顯色設計，4個采用一色一圖層顯色設計；另外16個頭像采用層反轉設計方法，即4個采用仿真四色四圖層全反轉設計(反面效果)，4個采用四圖層中三圖層反轉設計，4個采用四圖層中二圖層反轉設計，4個采用四圖層中一圖層反轉設計。

圖10 層增減和反轉創新設計效果Fig.10 Innovation design via layer increase and decrease

值得注意的是，基于分層組合設計模式，通過層位移和層疊加、層增減和層反轉的設計方法獲得的設計效果不會影響組合結構中各組織的相互關系，但最終呈現的織物效果是提花織物所特有的、計算機數碼圖像也無法模擬的隨機效果。

3 結束語

提花織物的產品創新源于方法的創新，方法的創新需要理念的更新。分層組合設計模式從設計原理、設計方法到設計實踐獲得的織物效果，已經證明了該設計模式對數碼提花織物設計的應用價值。分層組合設計模式提出的解決了數碼圖案直接用于提花織物設計的技術瓶頸，打破了單一平面設計模式下提花織物設計的效果限制；從應用設計實踐看，分層組合設計模式的應用研究框架為提花織物的數碼化設計創新提供了有效解決方案，提出的數碼提花產品創新體系和設計案例為開發各類具有分層組合設計效果的提花織物提供了指導和借鑒。同時，分層組合設計模式是一種程序化的全數碼設計流程，將為提花織物的智能化設計提供有益的參考。

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