基于智能繡花機的數碼仿真縐繡研發和工藝參數研究

摘要： 為了傳承苗繡文化、輔助現代苗繡產品設計研發，文章基于JANOME智能繡花機和Aritistic Digitizer繪圖軟件開發了數碼仿真縐繡，解決了利用機器實現縐繡肌理效果的難題，并采用機針粗細、面底線搭配方式、線跡長度密度比、線跡外輪廓線寬度等工藝參數量化的方式，探究了工藝參數與數碼仿真縐繡厚度的影響，對數碼仿真縐繡厚度與工藝參數間的多元回歸方程提出了假設猜想。此機繡方式和回歸方程可提高苗繡縐繡技法的機繡效果和產品生產效率，賦予苗繡設計師更大的設計自由度。

關鍵詞： 苗繡;縐繡;智能繡花機;數碼仿真繡;立體繡;工藝參數

中圖分類號： TS935.2 文獻標志碼： A

隨著全球經濟一體化時代的到來，非物質文化遺產的發展面臨著巨大的挑戰，世界各國都致力于非遺的保護和開發。苗繡作為中國非遺文化中不可缺少的一部分，隨著新文化、新技術的發展，其生存與發展空間正在不斷被擠壓。為了保護苗繡文化，眾多學者在對苗繡文化及苗繡困境進行研究后提出對傳統苗繡進行數字化保護的建議，如苗繡數字合成技術［1］、苗繡數據庫建立［2］、苗繡設計小程序［3］、苗繡文化虛擬社區建立［4］等。

目前，手繡繡品需求量的增加、手繡生產效率的低下、手繡工藝品價格高昂等原因使得手繡在市場上呈現供不應求的局面。而隨著計算機技術、電子信息技術、機械加工技術的發展應用，電腦機繡（簡稱“機繡”）應運而生。與手繡相比，機繡的操作更加簡便、生產效率高、加工成本低、而且其圖案樣式更新速度較快，因此受到不少國內外消費者的青睞。伴隨著近幾年計算機技術及機械加工技術的數字化發展，智能繡花機作為現代多功能、高科技的繡花機械，已經成為了一種可以實現自動化操作的刺繡設備［5］。目前，不少學者已經利用智能繡花機針對苗繡進行了數字化研究，其研究重心主要放在這幾個方面：繡花機零部件和技術的改進;苗繡圖案數字化制版;分析研究數碼機繡針法。張雷等［6］通過機構運動學、有限元技術等方式解決了繡花機的壓腳機構及針桿機構加速度突變引起的過度柔性沖擊和運動失衡問題。在苗繡圖案數字化制版方面，張鎏鑫［7-8］、鐘苡君等［9］從不同角度探究了機繡與手繡的融合路徑。張盼［10］針對數碼刺繡行業，從針法的附屬性、工藝性、藝術性入手，探究了數碼刺繡針法的特性。在平面仿真機繡方面，王維杰等［11］基于區塊劃分與矢量折線填充方法實現了對手工刺繡效果的視覺質感模擬;張鎏鑫［12］通過手繡針法數字化模擬實驗發現，綜合利用刺繡機和制版軟件可直接或間接地達到傳統手繡效果。不難看出，數字化技術的發展為現代機繡產業的提高提供了很大的技術支撐，已經有不少研究人員對繡花機零部件和技術的改進及苗繡圖案數字化制版方面進行了探究，但是加工速度快、價格低廉的現代機繡目前看來仍有許多局限性。如在數碼刺繡實現方面，不少傳統手繡中較復雜的技法，尤其像縐繡這樣的立體繡只能通過手工繡制完成。

本文在研究了手工縐繡具體繡法的基礎上，利用JANOME智能繡花機研發了數碼仿真立體縐繡繡制方法，借助Aritistic Digitizer軟件探究各種工藝參數對數碼仿真立體縐繡厚度的影響。采用相關性分析和多元回歸分析歸納了數碼仿真立體縐繡的厚度與各工藝參數之間的相關性和多元回歸模型，以期在能保證數碼仿真立體縐繡厚度的基礎上提高縐繡產品生產效率，從而為苗繡的數字化發展提供參考。

1 數碼仿真縐繡研發

1.1 手工縐繡繡法分析

傳統的手工縐繡是辮繡的一種，它的前期制作與辮繡相同，必須先“打辮子”，將八九根或十幾根絲線編成辮帶，再以傳統的剪紙圖案貼布為底，依據剪紙圖樣將辮帶釘在圖上。接著，繡娘再根據圖案輪廓由外至內走向，用指甲尖推擠辮帶形成褶皺，并依紋樣皺縮彎曲，將辮帶有規則地、均勻地由外向內盤出圖案，同時用同色絲線將辮帶固定于底布上。每釘一針繡娘都會將辮帶都折疊一次，如此，辮帶便皺成一個個小褶沿著圖案釘在底布上，當辮帶鋪滿底布后，縐繡隨之完成（圖1）。由圖1（b）可見，縐繡圖案凸顯在外，猶如浮雕，形成粗獷、樸實而又厚重地肌理效果，繡品的立體感及空間效應也得到增強，極富裝飾效果，因此縐繡也成為苗繡技法中最常用的立體繡技法之一。

目前，智能繡花機的技術還停留在使用傳統機針和繡線進行繡制的階段，而手工縐繡的繡線需要經過前處理才能進行繡制，辮帶不適用于現有的機針，且過程較為復雜。因而在利用智能繡花機進行數碼仿真縐繡研發時僅能夠模擬手工縐繡的外形和走向，并不能完全模擬傳統手工縐繡的繡制方式，故如何模擬辮帶的形狀和立體度是數碼仿真縐繡研發的關鍵之一。

1.2 數碼仿真縐繡繡法研發

線跡是指在功能性的基礎上，在面料上形成有裝飾性的單元［15］。手工縐繡在進行實際繡制時，采用的是2～4 mm的“辮子”進行彎曲纏繞，它可以拆分為一個個長方形單元，因此在制版軟件中選取線跡單元為長條狀堆積線跡，可較好模擬縐繡的帶狀波浪形凸起紋理。本文最終選擇長條狀堆積線跡單元對縐繡的“辮子”進行模擬，如圖2所示。

在苗繡技法中，由于縐繡屬于立體繡的一種，因此實現數碼仿真縐繡除了需要在針跡外觀上達成一致，還需要達到與手工縐繡相似的立體度。為了探究使用Aritistic Digitizer軟件中102號針跡進行繡制是否具備立體度，本文進行了正反面實驗，即利用智能繡花機分別從正面和反面進行繡制，如圖3所示。需要注意的是正反面繡制得分別制版，在進行反面制版時將花版進行X軸翻轉，這樣翻轉到正面后才是對應正確的圖像。

通過實物目測不難看出，由于智能繡花機工作原理，只有進行反面刺繡時繡品外形與手工繡相似，并且反面刺繡繡品的立體度更優秀。為了保證研究結論的嚴謹性，本文邀請了22名繡娘、刺繡相關研究者和工作者根據真實感受對反面機繡作品進行了主觀評價，具體對數碼仿真縐繡與手工縐繡的相似度，以及數碼仿真縐繡的平整度、精細度、美觀性等評價指標進行了評分。評分主要分為五種，其中1分代表完全不同意，2分代表比較不同意，3分代表不置可否，4分代表比較同意，5分代表完全同意。數碼仿真縐繡的評價指標和評分結果如表1所示。

在表1中，每個數據后的百分比都代表著選這個選項的受調者與所有受調者的占比。由表1可以看出，在被調查的22人中，只有1個人認為數碼仿真縐繡與手工縐繡完全不相似，還有5人認為兩者相似度低，大部分受調者認為數碼仿真縐繡與手工縐繡的相似度較高，在外觀上相似，因此可以確定使用合適的線跡并通過JANOME智能繡花機進行反面刺繡，可以實現數碼仿真縐繡。除此之外，對于數碼仿真縐繡的平整度，僅有1位受調者認為平整度很差;有9位受調者較為同意數碼仿真縐繡的精細度好，占總調查人數的40.91%，有1位受調者同意數碼仿真縐繡的精細度好;在數碼仿真縐繡的美觀度上有10位受調者持中立態度，占總調查人數的45.45%。因此，數碼仿真縐繡的各項指標都有很大的提升空間，接下來探究數碼仿真縐繡立體度與各工藝參數之間的關系。

2 數碼仿真縐繡工藝參數實驗

2.1 實驗材料

在面料的選擇上，機繡并沒有特殊需求，本文選擇最普遍使用的斜紋棉布作為底布。此外，為了方便機繡可以在柔弱輕薄的面料上得以進行，在進行繡制前需要在底布上粘貼黏合襯以加厚底布。

在可行性實驗時，發現機針和繡線太細、太粗都會導致智能繡花機工作時發生持續斷線甚至斷針的問題，以至于不能完成繡品的最終繡制，無法保障繡品的整體度與平整度。為明晰機針號數和繡線支數如何影響繡品的質量進而提高實現數碼苗繡的成功率，本文分別選取了不同粗細的4種機針（11號、14號、16號、18號）和3種白色繡線（40支、50支、60支）進行工藝參數實驗。其中，機針號數越大代表機針越粗，繡線支數越大代表繡線越細。另外，為避免對繡品的外觀質量評價時繡線顏色所帶來的誤差，本文的所有繡線均使用顏色相同的白色繡線。

本文采用Aritistic Digitizer制版軟件進行繡花制版。在該軟件中，有填充選項和輪廓選項，分別代表著不同的制版和繡制順序。選擇填充選項時，首先繪制所需圖案外輪廓，然后選擇合適的線跡并調整線跡方向和相應參數，最后填充所繪外輪廓的內部完成制版和繡制方式的設置。選擇輪廓選項時，直接根據所需圖案走向設計繡制方向也即可完成制版和繡制方式的設置。這兩種方式均可完成數碼仿真縐繡的制版，因此，本文分別對這兩種選項進行實驗和討論。

2.2 工藝參數實驗

2.2.1 填充選項實驗

在采用Aritistic Digitizer軟件修改填充選項的參數時，研究發現，當針跡的密度或長度的比例過高、過低都會出現機繡實物與手工繡實物圖樣不符合的問題。因此，本實驗選擇了九種可以實現的線跡長度密度比，分別為4 mm/2 mm、4 mm/2.5 mm、4 mm/3 mm、6 mm/3 mm、6 mm/3.5 mm、6 mm/4 mm、8 mm/4 mm、8 mm/4.5 mm、8 mm/5 mm，并繡制了平繡對其厚度進行對比。為了方便后續繡品的觀察和厚度的測量，本實驗繡品規格均為24 mm×24 mm的繡塊。由于智能繡花機的繡制順序是按照顏色劃分的，因此為了方便實驗結果的記錄與觀察、減少繡品在繡制過程中因斷針或斷線帶來的影響，在設置參數時將不同參數的繡塊進行了色彩上的劃分（實際制作繡品時均采用前文所述的白色繡線），本實驗的制版效果如圖4所示。

填充選項實驗中選用的三種白色繡線，既可以作為面線又可以作為底線進行繡制。另外，由于智能繡花機的工作原理，當面線比底線細時容易出現斷線、斷針等問題。因此，本實驗采用六種面線與底線的組合方式，分別為：面線40支/底線40支、面線40支/底線50支、面線40支/底線60支、面線50支/底線50支、面線50支/底線60支、面線60支/底線60支。為明晰填充選項中電腦機繡工藝參數對數碼仿真縐繡厚度的影響，基于機針號數、面底線組合方式、線跡長度密度比三個工藝參數設計單因素實驗，總計需要進行4×6×9=216次繡制。本實驗使用數碼仿真厚度來代表數碼仿真縐繡的客觀立體度，在繡制實驗完成后使用YG（B）141D數字式織物厚度儀對每一個繡品進行厚度測量，為減少誤差每個繡片測3次厚度，數據取平均值。

2.2.2 輪廓選項實驗

手工縐繡在進行最終繡制時，是采用編好的“辮子”進行加工，一般都具有一定的走向。因此，為了模仿手工縐繡的走向，進行數碼仿真縐繡的輪廓選項實驗很有必要。與填充選項實驗有所不同，在輪廓選項實驗中只需要調整線跡的外輪廓線寬度即可。手工縐繡的辮子寬度一般為2～4 mm，因此本實驗中在2～4 mm的線跡外輪廓線寬度區間內，以0.2 mm的精度進行制版。同時，為了使得數碼仿真縐繡更貼合手工繡制中的方向性，繪制了由外向內的螺旋圖案，如圖5所示。與填充選項實驗同理，本實驗在制版過程中也采用了不同顏色進行劃分，對比項仍為圖4中的平繡繡片。

輪廓選項實驗同樣使用三種白色繡線進行繡制，機針號數、面底線搭配方式與填充選項實驗中的個數相同，而線跡外輪廓線寬度有11種。因此，在輪廓選項實驗中，總計需要進行4×6×11=264次繡制。同樣，在輪廓選項實驗繡制結束后對每個單獨繡片的厚度進行測量。

3 結果與分析

3.1 相關性分析

SPSS軟件對于漢字部分的變量及數值基本不能夠識別，需要根據一定的規則將分析數據資料轉換為能夠被SPSS識別的數據資料，也就是數據編碼的過程。由于面底線搭配方式、線跡長度密度比和線跡外輪廓線寬度等參數都是字符，因此在進行分析前需要對自變量進行數據編碼，結果如表2所示。

填充選項實驗和輪廓選項實驗分析結果如表3、表4所示。

對于填充實驗（表3），面底線搭配方式和線跡長度密度比的顯著性p2=p3=0.000＜0.05，機針號數的顯著性p1=0.476＞0.05，因此機針號數與數碼仿真縐繡的厚度兩者之間不具有相關性，而面底線搭配方式和線跡長度密度比與厚度均具有顯著的相關性。對比面底線搭配方式r2和線跡長度密度比r3，r2=-0.750＜0，r3=-0.344＜0，且|r2|＞|r3|，因此可以看出，面底線搭配方式和線跡長度密度比與厚度之間均呈現負相關，其中面底線按搭配方式與數碼仿真縐繡厚度的相關性更強。

對于輪廓實驗（表4），通過觀察顯著性檢驗p值和皮爾遜相關性r值同樣可以發現，機針號數與數碼仿真縐繡的厚度變化不具有相關性，面底線搭配方式和線跡外輪廓線寬度的p值，p5=0.000＜p6=0.020＜0.050，這兩個工藝參數與厚度具有相關性。對比面底線搭配方式r5和線跡長度密度比r6，r5=-0.889＜0，r6=-0.144＜0，且|r5|＞|r6|，因此，面底線搭配方式和線跡外輪廓線寬度與厚度之間同樣呈現負相關，且面底線搭配方式與數碼仿真縐繡厚度具有更強的相關性。

由表3、表4可以看出，無論是填充實驗還是輪廓實驗，機針號數對于數碼仿真縐繡的厚度都不具有相關性。另外，面底線搭配方式、線跡長度密度比和線跡外輪廓線都與數碼仿真縐繡的厚度呈負相關，其中面底線搭配方式的相關性最強。

3.2 數碼仿真縐繡厚度與工藝參數回歸模型

3.2.1 模型構建

由前文已知，除了機針號數以外，面底線搭配方式、線跡長度密度比和線跡外輪廓線寬度與數碼仿真縐繡的厚度都有相關性。因此，將54個填充實驗和66個輪廓實驗數據帶入SPSS軟件進行多元回歸分析求解模型。

1） 填充選項實驗數據結果分析，如表5、表6所示。

填充選項實驗中（表5），模型調整后R2為0.678，表示預測變量可以結束67.8%的被預測量，擬合優度相對良好;模型顯著性檢驗的概率小于顯著性水平0.05，F=227.268，說明解釋變量和被解釋變量關系顯著;表6中，取α=0.1，解釋變量p值均為0，模型通過t檢驗;解釋變量的VIF值均小于10，容差均大于0.1，說明本文自變量多重共線不嚴重。

綜上，對于填充選項實驗結果可初步建立如下公式：

Y1=-0.181X1-0.055X2+2.724（1）

式中：Y1為填充選項實驗縐繡厚度;X1為面底線搭配方式量值（X1=1，…，6）;X2為線跡長度密度比量值（X2=1，…，9）。

2） 輪廓選項實驗數據結果分析，如表7、表8所示。

輪廓選項實驗中（表7），模型調整后R2為0.809，表示預測變量可以解釋80.9%的被預測量，擬合優度較高;模型顯著性檢驗的概率小于顯著性水平0.05，F=557.976，說明解釋變量和被解釋變量關系顯著;表8中，取α=0.1，解釋變量p值均為0，模型通過t檢驗;解釋變量的VIF值均小于10，容差均大于0.1，說明本文自變量多重共線不嚴重。

綜上，對于輪廓選項實驗結果可初步建立如下公式：

Y2=-0.154X1-0.013X3+2.466（2）

式中：Y2為輪廓選項實驗縐繡厚度;X1為面底線搭配方式量值（X1=1，…，6）;X3為線跡外輪廓線寬度量值（X2=1，…，11）。

3.2.2 多元回歸模型應用分析

通過對實驗數據的分析，得到了數碼仿真縐繡的厚度與各工藝參數之間的相關性及多元回歸方程（1）（2），得到的方程有很多適用場景。例如，可以利用智能繡花機還原手工縐繡的圖案和厚度，先對手工縐繡進行厚度測量，然后選擇合適的機繡方式，即選擇填充繡制還是輪廓繡制，再利用對應的多元回歸方程進行計算，得到相應的X自變量數值后在繡花機及繡花軟件上進行設置，就可以進行繡制。多元回歸模型（1）（2）都是針對單層繡制的產品厚度，但是進行機繡時，可以進行多層的繡制。因此，當手工縐繡厚度超出回歸模型范圍時，就可以選擇手工縐繡厚度的倍數進行計算后繡制。

除此之外，通過多元回歸分析得到的方程（1）（2）還可以幫助設計師的進行苗繡相關產品設計，設計師利用制版軟件進行版型設計后，可以自主選擇使用填充繡制還是輪廓繡制，然后設定想要的厚度，再利用多元回歸模型進行計算，得到面底線搭配方式、線跡長度密度比和線跡外輪廓線寬度參數。若參數不為整數則需要調整數據為離計算結果最近的整數，接下來在制版軟件和智能繡花機上調整參數就可以進行繡制，得到與預期厚度最接近的數碼仿真縐繡，這大幅提升了設計師進行產品設計時的自由度。

4 結 論

使用JANOME智能繡花機和Aritistic Digitizer軟件研發了數碼仿真縐繡的機繡方式，利用Origin繪圖軟件和SPSS數據分析軟件對機針號數、面底線搭配方式、線跡長度密度比、線跡外輪廓線寬度與數碼仿真縐繡的立體度即厚度進行了相關性分析和多元回歸分析，并且對填充實驗和輪廓實驗中的自變量與數碼仿真縐繡的多元回歸方程提出了初步的假設。利用反面機繡的方法使得數碼仿真縐繡首次實現，這能夠幫助苗繡傳承和保護，也能大大提高縐繡繡品的生產速度，為其他立體繡法的機繡實現提供了依據。通過相關性分析和多元回歸分析得到的方程可為苗繡作品數字化提供參考，提高機繡產品的實際效果，同時也可用于對苗繡紋樣的自由設計，有助于提升苗繡作品設計者的設計自由度，對苗繡文化的傳承和保護提供幫助。

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Research and development of digital simulation crepe embroidery and research ofprocess parameters based on intelligent embroidery machine

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

WANG Jianping1，2， ZHOU Yuying1， YU Qianwen1，3， WU Mengyao1， LIU Xuanhan1

（1.College of Fashion and Design， Donghua University， Shanghai 200051， China; 2.Shanghai International College of Design amp; Innovation，Tongji University， Shanghai 200092， China; 3.School of Art Design and Media， Sanda University， Shanghai 201209， China）

Abstract： With the development of science and technology as well as the impact of intelligent and digitalized industries， the inheritance and development of intangible cultural heritage is facing new challenges. At the same time， consumers’ requirements for Miao embroidery products have become increasingly personalized and diversified， greatly increasing the difficulty of designing， producing and selling Miao embroidery products. At this stage， the inheritance and development of Miao embroidery culture is slow， and there are great problems in its development and innovation， so it becomes quite important to organically combine Miao embroidery with intelligent embroidery machine in order to improve the flexibility of Miao embroidery design and its production efficiency.

To inherit the Miao embroidery culture and assist the research and development of modern Miao embroidery product design， this paper first analyzed the crepe embroidery technique in the three-dimensional Miao embroidery method， and then developed the digital simulation crepe embroidery by using the JANOME intelligent embroidery machine and the Aritistic Digitizer embroidery plate-making software， solving the problem of realizing the handmade crepe embroidery texture effect by using the machine. Then 22 Miao embroidery-related experts and scholars were invited to score the developed digital simulation crepe embroidery pieces from multiple angles， and the comprehensive scoring results confirmed the feasibility and reasonableness of the digital simulation of handmade crepe embroidery， and at the same time， higher requirements were put forward for its quality effect. Finally， to explore the relationship between digital simulation of crepe embroidery and three-dimensional process parameters， three process parameters were selected for the filling experiment and the contour experiment， and 480 groups of one-factor experiments in total were designed. Employing Origin and SPSS data analysis software to explore the effects of the four process parameters including the machine needle thickness， matching method of face and bottom line， stitch length density ratio and stitch width of the outer contour line on the thickness of digital simulation crepe embroidery in the filling experiment and contour experiment， the article constructed the multivariate regression equation between digital simulation crepe embroidery thickness and the three-dimensional process parameters. This paper broke through the limitation that machine embroidery technology cannot realize the three-dimensional Miao embroidery’s embroidering method， endowing Miao embroidery designers with greater freedom of design. The experimental results show that the selection of 102 long stacked stitches in the Aritistic Digitizer embroidery plate making software， and the use of JANOME intelligent embroidery machine for reverse embroidery can realize the digital simulation of handmade crepe embroidery technique. Through one-way test and data analysis， it is found that there is no correlation between the machine needle and the three-dimensionality of digital simulation crepe embroidery in the filling experiment and contour experiment， and there is a negative correlation between the matching method of the face and bottom threads， the density ratio of the length of the stitches， and the width of the contour line of the stitches and the three-dimensionality of digital simulation crepe embroidery.

The digital simulation of handmade Miao embroidery techniques provides new ideas for the protection and inheritance of Miao embroidery， enriches the style of digital simulation Miao embroidery products， accelerates the production speed of Miao embroidery products， and enables the culture of Miao embroidery to be more responsive to the rhythm of the market of fast consumption. The research on the process parameters of digital simulation crepe embroidery and the construction of multiple regression equations have improved the design freedom and flexibility of Miao embroidery.

Key words： Miao embroidery; crepe embroidery; intelligent embroidery machine; digital simulation embroidery; three-dimensional embroidery; process parameters

收稿日期： 2023-10-30; 修回日期： 2024-05-29

基金項目： 上海市科學技術委員會“科技創新行動計劃”“一帶一路”國際合作項目（21130750100）;上海高校本科重點教改項目（SJG23-06）;紡織之光高等教育教學改革項目（2021BKJGLX123）

作者簡介： 王建萍（1962），女，教授，博士，主要從事服裝先進制造技術的研究。