王 迪， 柯 瑩， 王宏付

(江南大學(xué) 設(shè)計學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

信息、生物、環(huán)境科學(xué)等已深入影響到服裝設(shè)計與制造領(lǐng)域，特別是計算機技術(shù)為服裝設(shè)計提供了新的設(shè)計平臺與空間，包括以參數(shù)化設(shè)計為代表的設(shè)計方式和以3D打印技術(shù)為代表的制造方式。區(qū)別于傳統(tǒng)的服裝設(shè)計，參數(shù)化服裝設(shè)計的成果并非是一件完全由設(shè)計師和工廠決定的成衣，而是一套由特定參數(shù)化關(guān)系決定的服裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)可由服裝穿著者根據(jù)其自身需求，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)如身體數(shù)據(jù)、服裝圖案的算子、服裝材料參數(shù)等獲得真正意義上個性化的服裝形態(tài)，并使用3D打印技術(shù)制成服裝。除此之外，在可持續(xù)發(fā)展理念下, 參數(shù)化設(shè)計快速造型、實時改形的獨特優(yōu)勢，及其相應(yīng)的3D打印制造方式，都與綠色設(shè)計與制造的趨勢相契合，擁有十分廣闊的發(fā)展前景。

本文首先梳理了參數(shù)化設(shè)計在服裝領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展與現(xiàn)狀，并在基本Voronoi圖形構(gòu)成方式和設(shè)計應(yīng)用實例的基礎(chǔ)上，研究通過控制生成不同Voronoi圖形的離散點集，得到不同視覺效果的圖形，并將其應(yīng)用于三維服裝造型設(shè)計實踐，為生成幾何圖形在服裝數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用方面提供參考。

1 參數(shù)化建模的服裝設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

參數(shù)化建模是一種基于數(shù)據(jù)和算法，通過計算機編程工具設(shè)計復(fù)雜的幾何圖形的數(shù)字化建模技術(shù)[1]。與通過切割和添加其他幾何形狀成形相比，參數(shù)化建模是一種基于算法的設(shè)計和建模幾何形狀的方法，可通過參數(shù)和變量對其進行定義、更改或編碼，并通過更改參數(shù)在設(shè)計生成和修改中實現(xiàn)多樣的功能和類型。參數(shù)化建模的實現(xiàn)依賴于參數(shù)化工具，常見的參數(shù)化工具包括各種計算機程序，如Processing、grasshopper、eVe/Voronax等。

參數(shù)化建模的一個主要應(yīng)用就是3D打印，時裝和紡織品的3D打印技術(shù)起始于國外的前衛(wèi)創(chuàng)意實驗：早在20世紀90年代，荷蘭工程師Jiri Evenhuis制作了首個3D打印織物[2]。近年來，在3D打印材料和工具不斷更新的背景下，時裝設(shè)計師也開始借助參數(shù)化工具創(chuàng)建可穿戴設(shè)計項目。2000年， 研究型設(shè)計公司Freedom of Creation開發(fā)出3D打印的可穿戴部件，以及一系列功能齊全且靈活的3D打印“鏈環(huán)”結(jié)構(gòu)織物，是使用參數(shù)化建模技術(shù)對織物結(jié)構(gòu)進行探索的代表性項目[3]；荷蘭設(shè)計師Iris van Herpen于2010年起推出的時裝設(shè)計都致力于探索3D打印技術(shù)與時裝結(jié)合的潛力[4]。

在我國服裝設(shè)計研究領(lǐng)域，現(xiàn)有的參數(shù)化服裝研究大都聚焦于參數(shù)化服裝制版[5]、參數(shù)化人體模型構(gòu)建[6]等方向，對于面向3D打印的參數(shù)化服裝模型構(gòu)建研究較少。其原因一方面是由于3D打印服裝受材料和3D打印機發(fā)展的限制，大部分3D打印服裝的可穿著性不足以替代現(xiàn)有傳統(tǒng)織物服裝；另一方面則是由于與3D打印制造技術(shù)相適應(yīng)的設(shè)計思維和設(shè)計方法也尚不成熟，3D打印服裝作為計算機技術(shù)與服裝設(shè)計領(lǐng)域交叉的新興領(lǐng)域，國內(nèi)相關(guān)的跨領(lǐng)域合作研究尚不夠充分，數(shù)量與深度亦無法滿足產(chǎn)業(yè)化需求。

2 Voronoi圖形的參數(shù)化服裝應(yīng)用

Voronoi圖形(Voronoi diagram)指在自然界中以動物花紋、葉脈、細胞等復(fù)雜且自由的多邊形或多面體的肌理呈現(xiàn)[7]；從數(shù)學(xué)角度而言，是一種表現(xiàn)特定空間鄰近關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代設(shè)計中常用的Voronoi圖形的構(gòu)成方式以連接2個相鄰點直線的垂直平分線，并由其組成連續(xù)多邊形為主，根據(jù)生成點集的維度可分為二維和三維二大類。二維Voronoi圖形主要應(yīng)用于建筑的表皮和產(chǎn)品外觀設(shè)計，而三維Voronoi圖形主要應(yīng)用于室內(nèi)空間的規(guī)劃布局和模型優(yōu)化方面。服裝被稱為“移動的建筑”，與建筑設(shè)計同屬于處理空間與形態(tài)的設(shè)計領(lǐng)域，在應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)方面有許多共通之處，可通過借鑒相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計實踐經(jīng)驗，探索參數(shù)化建模技術(shù)在服裝設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新型應(yīng)用。

2.1 參數(shù)化服裝模型構(gòu)建邏輯

在服裝領(lǐng)域，基于計算機技術(shù)的三維參數(shù)化設(shè)計主要有2個步驟：服裝模型構(gòu)建和服裝模型的編輯與修改。服裝模型構(gòu)建方法主要包括根據(jù)人體的特征點、線、面造型，通過添加約束使其成為服裝特征框架并完成服裝曲面的重建，草圖交互修改、自由變形等多種方法；而服裝模型的編輯與修改方法主要包括草圖交互修改、自由變形技術(shù)和參數(shù)化變形技術(shù)等，這些手段是實現(xiàn)服裝個性化定制的重要途徑[8]。參數(shù)化變形技術(shù)是指在參數(shù)服裝曲面模型的基礎(chǔ)上，通過使用計算機代碼將其他的變量或算法工具附加于算法語言上，通過控制其中的參變量生成更加多變復(fù)雜的織物結(jié)構(gòu)、二維表皮圖案和三維空間形態(tài)。

2.2 建模平臺選擇

Rhinoceros 3D是曲面建模方面應(yīng)用程度較高的一款三維立體模型制作軟件(以下簡稱“Rhino”)，grasshopper作為基于Rhino的可視化圖形算法編輯器，側(cè)重于幾何圖形的編輯，可通過程序算法生成三維造型。與基于微軟的VBScript的腳本語言RhinoScript相比，grasshopper的技術(shù)門檻較低，界面直觀，代碼較少，易用性較高，設(shè)計師不需要太多腳本語言方面的知識，通過簡單的算法編輯就可完成腳本編寫中大部分的建模功能，快速將想法呈現(xiàn)于三維虛擬空間中，并能夠通過對參數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)對設(shè)計對象形態(tài)的調(diào)整，同時從可視化界面實時觀察到生成形態(tài)的變化。故文本選擇使用Rhino和grasshopper作為參數(shù)化服裝建模的軟件平臺，后期結(jié)合渲染程序進行模型渲染實現(xiàn)本文所設(shè)計的參數(shù)化服裝的最終呈現(xiàn)。

2.3 基于grasshopper的Voronoi點集構(gòu)建

將Voronoi圖形應(yīng)用于設(shè)計時，通常需要先建立用于生成Voronoi圖形的離散點集，并通過控制離散點集的變化結(jié)合相應(yīng)的運算器生成不同的Voronoi圖形[9]。如前文所述，Voronoi圖形主要分為二維點集生成的平面Voronoi圖形和三維點集生成的空間Voronoi圖形二大類，而常見的點集構(gòu)成與變化方式包括：隨機式、干擾式和算法結(jié)合式。

1)隨機式。即先在同一平面隨機生成1組有區(qū)別的離散點，由離散點集生成Voronoi圖形的過程中，不對離散點集進行任何的干擾。由此生成的Voronoi圖形往往是隨機的，不具有規(guī)則性，同時圖形的大小、形狀各不相同?；趃rasshopper軟件，只需要1個生成隨機離散點的運算器與Voronoi算法的運算器連接，來完成Voronoi圖形的構(gòu)建，如圖1所示。其中：圖1(a)為利用1組在同一平面上的隨機點生成的二維Voronoi圖形；圖1(b)為利用三維的隨機點生成的立體Voronoi圖形。該生成方式可通過調(diào)整圖形半徑R和點數(shù)量P限定圖形邊界，通過調(diào)整生成點個數(shù)N和隨機數(shù)種子S以改變點集排列，從而控制生成的Voronoi圖形。

圖1 隨機式Voronoi圖形生成效果及電池圖Fig.1 Voronoi randomly generation effect and battery diagram. (a) Two-dimensional Voronoi diagram;(b) Three-dimensional Voronoi diagram

2)干擾式。即利用點、線或其他圖形對生成Voronoi圖形的離散點集進行干擾，導(dǎo)致生成Voronoi圖形的離散點位置發(fā)生改變，從而使生成的圖形發(fā)生改變，所生成的圖形往往會使圖形的分布密度發(fā)生改變，如圖2所示。其中：圖2(a)為利用圖形中心點對離散點集進行干擾，圖像中距離被干擾點的中心點越近的點，形成的點集越稀疏，反之越密集；圖2(b)則是利用一條隨機平面曲線對二維Voronoi圖形進行干擾，使得距離干擾曲線越近的點所組成的點集越密集，反之越稀疏，從而生成了網(wǎng)格大小隨曲線變化的效果。干擾式Voronoi圖形生成方式本質(zhì)上是將點坐標之間的數(shù)學(xué)關(guān)系作為干擾依據(jù)，故而除利用簡單幾何圖形對Voronoi離散點集進行干擾之外，還可利用水滴、波紋、圖像等方式對生成點集進行干擾得到形態(tài)豐富的Voronoi圖形。

圖2 Grasshopper干擾生成的Voronoi圖形效果及電池圖Fig.2 Voronoi generation effect and battery diagram by grasshopper interference. (a) Point source interference; (b) Curve interference

3)算法結(jié)合式。即通過將Voronoi算法與拓撲、分形、迭代等其他算法或是數(shù)學(xué)規(guī)律相結(jié)合，使構(gòu)建的Voronoi圖形更具規(guī)律性，變化形式更為豐富，同時也更利于控制，如圖3所示。其中：圖3(a)為利用嵌套關(guān)系生成的分組Voronoi圖形，該圖形的變形可通過調(diào)整邊界條件，分別調(diào)整子Voronoi圖來完成；圖3(b) 使用了grasshopper中的循環(huán)迭代插件anemone，使二維Voronoi圖形向內(nèi)多次收縮，可調(diào)節(jié)收縮次數(shù)與收縮幅度來形成不同樣式的圖案。

圖3 Grasshopper結(jié)合算法生成的Voronoi圖形效果及電池圖Fig.3 Voronoi generation effect and battery diagram by grasshopper combined with algorithm. (a) Nesting and grouping; (b) Circulation and adduction

2.4 建模思路實現(xiàn)

2.4.1 廓型曲面建模

三維物體的邊界是由二維的面圍繞而成, 二維的面又是由一維的線構(gòu)成, 對于物體的這些外輪廓邊界, 人的感官能毫不費力地把握到[10]。服裝廓型根植于人體表面的基本形態(tài)，其創(chuàng)意決定著服裝的整體風格。人們常用英文字母X、A、T、H、O及其不同組合來表示服裝廓型的形態(tài)特征。本文在構(gòu)建參數(shù)化服裝模型時首先選擇了A型輪廓，將服裝上身外輪廓曲線與人體進行同構(gòu)性設(shè)計；頸肩部位和腹部面片曲率由模特人體剖面線變化而來[11]，使服裝充分貼合人體，凸顯女性柔美的身體曲線；胸部基于一定的放松量進行凸起的造型設(shè)計，在一定程度上減少服裝對人體的束縛感，且曲線更為優(yōu)美。裙擺則在塑造空間立體感的基礎(chǔ)上考慮人體下身的輪廓，并以此為依據(jù)對裙裝廓型進行干擾，使得裙裝廓型同時滿足審美和舒適性需求。基于以上設(shè)計，本文使用三維建模軟件Rhino對服裝廓型進行曲面建模，整體由頸、胸、腰、裙擺4部分組成，如圖4所示。

圖4 服裝廓型曲面圖Fig.4 Multi-angle view of garment styling. (a) Top view; (b) Perspective view; (c) Front view; (d) Side view

2.4.2 特征表皮賦予

將2.4.1節(jié)得到的服裝基本廓型曲面作為參數(shù)化服裝造型基礎(chǔ)曲面，首先提取出目標曲面的U、V(U代表經(jīng)向曲面數(shù)量，V代表緯向曲面數(shù)量)值，并以此生成1個二維平面矩形作為二維Voronoi點集的生成區(qū)域，此后將圖形中的每個分隔區(qū)域向其中心點縮放，該過程中可通過調(diào)整滑塊控制縮放比例，初步得到Voronoi紋理，如圖5所示。

圖5 二維Voronoi圖形縮放電池圖及效果圖Fig.5 Two-dimensional Voronoi diagram scaling battery diagram(a) and its performance(b)

服裝網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的生成實質(zhì)上是對自由曲面進行網(wǎng)格劃分[12]。本文采用的方法是提取生成的二維Voronoi圖形曲線，將其作為邊界曲線生成曲面，并向z軸拉伸形成多重曲面形成的三維矩形，通過grasshopper中的“morph to surface”命令將其流動至目標廓型曲面上。分別依此步驟完成上衣和裙裝廓型的初步變化，相關(guān)部分電池圖及生成效果如圖6所示。

圖6 “Morph to surface”電池圖及其效果圖Fig.6 "Morph to surface" battery diagram(a) and its performance(b)

本文利用grasshopper實現(xiàn)了手工編織織物結(jié)構(gòu)設(shè)計，并應(yīng)用于該服裝造型當中。形式規(guī)則節(jié)奏齊整的編織形態(tài)與代表著隨機和自然的Voronoi圖形在形成強烈對比的同時，又通過參數(shù)化設(shè)計與3D打印技術(shù)實現(xiàn)了二者的調(diào)和與統(tǒng)一，使服裝同時顯現(xiàn)出韻律和不規(guī)則的美感，參數(shù)化編織服裝的初步效果如圖7(a)所示。通過調(diào)整算法中的相關(guān)算子，可改變編織結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯向結(jié)構(gòu)的寬度與數(shù)量，從而形成不同的形態(tài)與結(jié)構(gòu)強度，編織細節(jié)圖如圖7(b)、 (c)所示。

圖7 編織效果圖Fig.7 Performance of weaving algorithm. (a) Performance of weaving algorithm; (b) Details of garment at neck; (c) Details of garment at waist

2.4.3 參數(shù)變化

參數(shù)化思維是David Karle和Brian Kelly首先定義的一個術(shù)語，是“將有形和無形系統(tǒng)與從數(shù)字工具特異性中刪除的設(shè)計建議相關(guān)聯(lián)的一種方法。其建立了系統(tǒng)內(nèi)屬性之間的關(guān)系，要求設(shè)計師從設(shè)計參數(shù)開始，而不是先入為主或預(yù)先確定設(shè)計解決方案”[13]。具體而言，本文的參數(shù)化服裝造型設(shè)計實踐是通過調(diào)整參數(shù)定義/方程式的可測量參數(shù)/變量，來建立相關(guān)設(shè)計，產(chǎn)生設(shè)計成果。

本文設(shè)計上衣部分采用點干擾對目標曲面進行參數(shù)調(diào)整。首先可對所有網(wǎng)格線的寬度進行調(diào)整；其次距離2個干擾點越近的Voronoi網(wǎng)格，向其自身幾何中心縮放程度越大，該網(wǎng)格面積越小，構(gòu)成網(wǎng)格的線寬也越寬；此外，如圖8所示，還可通過參數(shù)調(diào)整將點干擾半徑限定在合適范圍內(nèi)，最后將點干擾生成的Voronoi圖形流動至目標曲面即可得到符合女性人體美感的服裝造型。將圖8(c)與(a)對比可觀察到，越靠近胸部的網(wǎng)格流動越密集，越靠近頸部的網(wǎng)格流動越舒緩，且過渡自然、造型新穎，符合現(xiàn)代服裝審美。

圖8 上衣廓型曲面點干擾過程Fig.8 Process of interfering with shape of top garment. (a) Modeling of random distribution; (b) Schematic diagram of point interference; (c) Modeling after point interference

下身裙裝則采用線干擾的方式來進行造型調(diào)整。首先在展開平面上生成正弦曲線，該曲線的起止點、振幅和周期都可通過滑塊進行調(diào)整(如圖9(b)所示)，將線干擾后生成的Voronoi圖案流動至裙裝，便得到了圖9(c)所示的裙裝造型，該造型展現(xiàn)出優(yōu)美靈動的節(jié)奏韻律，增強了服裝層次感與空間感。

圖9 裙裝廓型曲面正弦曲線干擾過程Fig.9 Process of using sine to interfere with skirt style. (a) Modeling of random distribution; (b) Schematic diagram of curve interference; (c) Modeling after curve interference

2.4.4 模型渲染

圖10示出本文設(shè)計的服裝渲染效果圖。

圖10 渲染效果圖Fig.10 Rendering image. (a) Front; (b) Anterolateral; (c) Lateral posterior; (d) Back

完成服裝的整體造型后，使用weavbird插件對服裝模型進行加厚、圓滑等處理來增強服裝的材質(zhì)表現(xiàn)。將頸部、胸部、腰部和下身裙裝4部分進行整合，并置于人體模型上，通過微調(diào)以適應(yīng)模特身體參數(shù)，使其更為貼體。然后對所得結(jié)果進行渲染，賦予服裝白色漫反射材質(zhì)，得到高精度三維參數(shù)化服裝模型，可為實物模型的3D打印提供良好的模型基礎(chǔ)。本文借助參數(shù)化技術(shù)將代表自然美學(xué)的Voronoi圖形與現(xiàn)代服裝設(shè)計相結(jié)合，得到了一套可通過調(diào)節(jié)參數(shù)來改變服裝造型的個性化服裝。

3 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一套基于Voronoi圖形的參數(shù)化服裝模型，實驗結(jié)果表明：根據(jù)參數(shù)化服裝模型的構(gòu)建思路進行設(shè)計實踐，能夠建立形式多變、參數(shù)可控的三維數(shù)字服裝模型，在服裝表面實現(xiàn)了對Voronoi圖形的干擾效果；相較于以往采用參數(shù)化手法對服裝進行片面網(wǎng)格劃分的研究，本文所研究的Voronoi圖形由于生成點集的隨機性，使用其進行劃分網(wǎng)格更具自然美感；同時本文將模擬編織的算法應(yīng)用于參數(shù)化服裝構(gòu)建過程中，使其造型更符合現(xiàn)代審美；以Voronoi圖形為代表的自然圖形與其底層的數(shù)學(xué)邏輯在服裝設(shè)計中的應(yīng)用借助參數(shù)化技術(shù)得到實現(xiàn)，理性與感性、技術(shù)與藝術(shù)、自然與人工等傳統(tǒng)上相對立的概念，也在這一過程中得到了調(diào)和與統(tǒng)一；參數(shù)化設(shè)計在控制復(fù)雜性方面的獨特優(yōu)勢，讓設(shè)計師可創(chuàng)造出具有適應(yīng)性、人性化的作品，在現(xiàn)代服裝造型創(chuàng)作中具有廣泛的應(yīng)用價值。