数码提花织物分层组合设计原理及其实践

周 赳， 陆爽怿

(浙江理工大学 浙江省丝绸与时尚文化研究中心， 浙江 杭州 310018)

传统提花织物采用单一平面的设计模式[1]，通过结构与色彩“一一对应”的设计原则来模拟平面图案的造型和色彩效果[2]。当前提花织物CAD系统的研发也同样建立在单一平面设计模式之上[3]。这种将纹样色彩与组织结构一一对应的设计方法不仅工作繁琐，而且织物表面色彩表现存在很大的限制。自从“数码纺织”概念提出以来[4-5]，提花织物的数码化设计研究使提花织物逐渐摆脱了传统手绘图案的诸多限制。随着提花织物计算机辅助设计系统和电子化提花和织造设备的应用普及[6]，提花织物的设计和生产效率得到了极大的提高，也为提花织物全数码化的技术创新研究创造了条件。

在提花织物全数码化设计研究上，代表性的技术解决方案有组织与色卡自动匹配的方法[7]、不规则组织自动配置的方法[8]、规则组织分层组合设计的方法[9]。组织与色卡自动匹配的方法由美国北卡州立大学在研究织物自动测配色的基础上提出，其基本原理是先制织组织色卡，再通过组织色卡测色获得色彩数据去匹配新织物的色彩参数达到自动设计的目的，实验的组织模型为欧洲织锦的多色经结构；不规则组织自动配置的方法由德国的Brevitex Ets Exploit公司在专利中发表，其基本原理是设定基本组织模型，通过识别数码图像的色彩来相应增减组织点，以达到设计色彩仿真效果织物的目的；规则组织分层组合设计的方法由香港理工大学和浙江理工大学提出，其基本原理是借鉴数码图像色彩数据分层管理的方法来设计仿真效果提花织物。文献研究发现，以上3种设计模式都是以设计图案色彩仿真的提花织物为研究目标，由于色彩混合显色原理不同，应用上述设计方法得到的提花织物仿真效果是一种相对仿真的效果，而数码图像与传统手绘纹样相比，在艺术表现形式和创新空间2个方面均有较大差异，所以，实现提花织物真正数码化设计创新的关键在于提出一种适用的设计模式，将数码图像设计方法与提花织物的设计方法在全数码设计过程中有效结合，充分发挥数码设计技术的优势，开发出具有数码提花织物独有创新效果的产品[7-9]。本文研究借鉴数码图像的分层设计原理，提出适用于提花织物数码化设计的分层组合设计模式，通过对分层组合设计原理和设计方法的理论研究，以及设计应用实践，构建起基于分层组合设计模式的提花织物数码化设计创新的基本框架，为经纬交织提花织物的全数码程序化设计提供可行的技术解决方案。

1 分层组合设计模式的原理与方法

数码提花分层组合设计模式的提出源于数码图像色彩原理的启发。数码图像的色彩管理由全数字化的分层模式来呈现，包括数码图像的屏幕显示和打印输出，二者所表现出来的最终色彩均通过有限种基本色按比例混合得到，每种基本色的色彩数据都存储在独立的平面图层中，换言之，不同平面图层的色彩数据按比例混合后，即可得到数码图像中所有色点。而提花织物采用有限种经纬线通过交织结构来表达织纹图案。二者的唯一区别在于呈现输出图案的方式，前者由屏幕显示，后者由提花织物的织纹显示。因此可以将数码图像的色彩分层组合设计原理应用于提花织物的图案和结构设计，其技术关键是全数码化的织物图案(以下简称数码图案)和结构设计如何在分层组合设计模式下得到统一。

提花织物“分层组合”设计的提出基于一种全数码的设计流程。“分层组合”设计模式的基本原理如图1所示，可以理解为：1)将数码图案直接用于提花织物设计；2)数码图案根据色彩特征进行分色，形成新的单色图层；3)为每个单色图层设计组织，形成单层结构图；4)组合若干单层结构图，形成组合结构图；5)根据组合结构图中各单层结构图特征选择合适的经纬纱线上机织造。

图1 分层组合设计模式概念图Fig.1 Design concept of layered-combination design mode

根据以上表述，在分层组合设计模式下的提花织物由若干个单色图案和单层织物结构组合而成，其图案和结构设计原理与传统提花织物完全不同。

1.1 数码图案分层组合设计原理和方法

传统手绘纹样与数码图案最大的区别在于图案效果的表达方式不同。传统手绘纹样是一种以实物形式表达设计效果的作品，而数码图案是一种以数字化虚拟形式表达效果的作品；传统手绘纹样为一次性最终效果，而数码图案可以通过数据分解、组合来实现再设计，这是传统手绘纹样无法比拟的。

从数码图案的构成原理看，数码图案由有限个像素点构成，每个像素点的色彩效果都由原色按不同比例混色而成，而每个像素点原色的色彩数据都独立存放于不同的色彩数据层，任一数码图案的色彩可以按需分解成不同的原色通道，每一个原色通道只包含与之对应的一种原色信息，如RGB三色、CMYK四色或其他原色。根据该构成原理，织物图案的数码化分层组合设计原理为：1)任一数码图案根据不同的色彩模式可分离出若干原色通道，形成单一色彩数据的通道图层；2)数码图案的图案效果可以通过叠加若干个原色通道图层来设计，且变化任一原色通道图层的色彩信息可以实现数码图案的变化设计。数码图案的分层组合设计原理如图2所示。可理解成是一种基于色彩数据处理的、可进行图案分解分层和变化组合的图案设计模式。

图2 数码图案分层组合设计原理Fig.2 Design principle of layered-combination design mode for digital pattern

另外，传统手绘纹样的色彩表现具有一个确定值，色彩数往往在64以下，而基于分层组合设计模式的数码图案的色彩表现没有一个确定值，只有一个最大值，当每个单色图层中的色彩变化为64个级别，4个单色图层组合成一个数码图案时，理论上该数码图案最多能显示644=16 777 216种混合色彩。因此，织物图案的数码化分层组合设计的提出为数码提花织物的设计创新提供源源不断的数码化的设计资源，也为提花织物图案与色彩的创新设计奠定基础，而另一个技术关键是要提出满足织物图案分层组合设计的织物结构设计方法。

1.2 织物结构分层组合设计原理和方法

传统单一平面设计模式与分层组合设计模式下的提花织物具有不同的结构构成原理。传统提花织物结构由轮廓清晰的单一组织构成，其织纹效果主要由组织本身和相邻组织间的关系决定；而分层组合设计模式下的织物结构由若干个单层结构组合而成，组织间没有清晰轮廓，如何为单色图层设计合适的全息组织，以及各单层结构组合后的结构关系决定了织物最终的织纹效果。所以，织物结构关系由相邻关系向组合关系的变化使分层组合设计模式具有全新的结构设计原理，图3示出提花织物结构分层组合设计的原理图。

图3 提花织物结构分层组合设计原理图Fig.3 Design principle of layered-combination mode for jacquard structure design

与传统单一平面的织物结构设计方法比较，基于分层组合设计模式的结构设计原理可表述为：1)数码图像的纹样与色彩可分离形成单色图层，单色图层用于设计单层结构，组合后形成组合结构，通过调节单层结构的关系可实现仿真效果和创新效果提花织物的设计；2)织物组合结构由若干采用全息组织配置的单层结构构成，组合后形成的织物结构从织物表面看没有清晰的轮廓，没有原始数据无法被仿冒；3)色经色纬根据织物组合结构中各单层结构的特征来配置，每个单层结构只表现一种经纬线的交织变化效果，若干单层结构通过经纬线的混合显色，可表现百万级别的织物混合色彩。

另外，在为每一个单色图层设计全息组织时需要综合考虑以下因素：1)单层结构的结构平衡点和交织平衡；2)单层结构形成组合结构后的组织结构间相互遮盖的程度；3)单层结构与之所形成的组合结构在织纹图案效果表现上的差异。分层组合设计模式下织物结构在设计规范的基础上具有多元变化的特点，使提花织物能够在产品创新时实现其不可替代的艺术风格。

根据数码图案和织物结构分层组合设计原理和方法的分析，分层组合设计模式与单一平面设计模式的技术比较如表1所示。进一步的设计应用研究将发挥分层组合设计模式的技术优势，通过设计实践开发具有数码化创新效果的提花织物。

表1 分层组合设计模式与单一平面设计模式技术比较Tab.1 Technique comparison between layered-combinationdesign mode and single-layered plane design mode

2 设计实践

2.1 应用设计研究框架

分层组合设计模式的应用设计研究需要在色彩处理、全息组织设计、分层组合方法以及经纬色纱配置的基础上，提出各种具有分层组合设计模式特征的设计实践方案，用于指导各种特殊数码化效果提花织物的开发。图4示出分层组合设计模式应用设计的研究框架，不同于传统单一平面的设计模式，分层组合设计模式可从结构与图案色彩2个维度构建起应用设计实践路径，并相互协同为提花织物的数码化设计创新提供指导。

图4 分层组合设计模式的应用设计研究框架Fig.4 Research framework on design application of layered-combination design mode

根据分层组合设计模式的应用设计研究框架导引，数码图像分色和分层优化设计、全息组织优化设计、织物结构组合方法是分层组合设计模式应用设计研究的3个最具特色的关键技术。不同的色彩处理方法可以获得不同效果的单色图层，分层组合设计模式下织物混色原理的应用研究建立起基于不同结构类型的混合色彩模型；不同品种提花织物结构的设计可以通过不同的全息组织设计方法来满足，优化的结构设计方法可以掌握各单层结构图中组织之间的关系，即遮盖与不遮盖效果的控制；不同的分层组合设计方法包括偶数组或奇数组结构层的组合，通过特定的组织设计可以获得不同效果的组合结构，如全遮盖组合结构、全显色组合结构[10]、半遮盖组合结构[11]，满足各种创新效果提花织物设计开发的需要。

2.2 数码提花创新品种构建

受技术限制，传统提花织物的设计只能按照一一对应的方式来模拟织物纹样和手绘纹样的图案与色彩。而在提花织物分层组合设计模式下的数码图像，则可直接应用到提花织物设计创新中。首先，分层组合设计模式对传统提花织物各品种的设计方法实现了数码化改进及创新；其次，分析和发挥数码设计的优势，从品种和艺术效果上创新提花织物的产品。因此，在分层组合设计模式下开展的提花织物创新研究过程，可以理解为是一种“从模式到原理、从方法到产品”的融合基础研究和应用研究的创新过程，即以分层组合设计理念来研究设计原理的创新，应用创新原理来指导不同品种提花织物设计方法从而创新产品效果。在数码提花织物分层组合设计研究框架下，对数码化图案色彩和组织结构进行分层组合设计，可以得到各种具有数码化设计效果的提花织物，包括仿真效果设计[12-13]和创新效果设计，设计的数码提花织物表面具有独特的闪变色效果[14]，从而可以在分层组合设计模式的基础上构建数码提花织物的创新品种系统，如图5所示。

图5 数码提花织物的创新品种系统Fig.5 Product innovation system of digital jacquard fabric

2.3 产品创新设计实践案例

分层组合设计模式的应用设计实践主要在提花织物的仿真效果设计和创新效果设计2个领域展开，以体现分层组合设计模式的应用价值。仿真效果设计是指最终的织物效果对原始数码图像进行模拟仿真，即织物图案与色彩效果对原始数码图像进行仿真，在分层组合设计模式下，采用从无彩到有彩的设计方法[15-16]，配置合适的组合结构，可以实现灰度和多彩色的细腻晕纹变化，来达到提花织物的黑白仿真设计和彩色仿真设计。图6示出灰度晕纹和黑白仿真设计案例的织物。其工艺如下：经纬纱均为22.2/24.4 dtex×2 桑蚕丝，经纬密均为 1 150根/(10 cm)，经纱白色，纬纱为2组黑色，采用24枚全息组织，2层全显色组合结构设计方法。图7示出彩色仿真设计案例的织物。其工艺如下：经纬纱均1/166.7 dtex 涤纶纱，经密为450根/(10 cm)，纬密为900根/(10 cm)，经纱白色，纬纱为CMYK四色排列，采用 16枚全息组织，4层全显色组合结构设计方法。通过设计实践证明，分层组合设计模式是提花织物仿真设计的有效方法。

另外，由于分层组合设计模式可以灵活地进行织物结构的多层组合设计，所以可方便地实现在各种接结方式下的双面异效的仿真效果提花织物设计，2款双面异效仿真效果设计的面料实物如图8所示。其织物工艺相同，经纬纱均为1/166.7 dtex 涤纶纱，经密为450根/(10 cm)，纬密为900根/(10 cm)，经纱白色，纬纱为深红、深蓝、浅红、浅蓝四色排列，正反面均采用12枚全息组织，2层全显色组合结构设计方法，正反面组合则采用全遮盖组合结构设计方法，联合接结方式。设计所得双面异效的仿真效果显著特征是提花织物的双面都能独立表现传统设计方法无法实现的、具有多彩晕纹效果的图案，且图案题材不受限制。

图8 双面异效仿真设计效果Fig.8 Double-faced pattern simulation design.(a) Fabric I;(b) Fabric II

创新效果设计可以解释为一种最终的织物效果与原始数码图像风格相似但不相同的设计方法。传统提花织物设计以模拟其他图案的艺术风格为设计目的，但提花织物固有的艺术表现形式——经纬交织的织纹艺术，无法得到重视；随着分层组合设计模式的提出，为提花织物表现特有的织纹艺术创造了条件。织纹艺术以结构变化为表现形式，织纹图案随着组合结构中丝线的遮盖、挤压、滑移可以表现出各种结构层叠效果，在结构层叠过程的变化中可以通过层位移和层叠加、层增减和层反转来有效控制多层组合的方式和层叠后的织物效果，而这种织物效果无法用传统的纹样设计方法来实现，也不可能通过织物表面效果来复制。图9示出设计案例是在图7设计和工艺基础上通过层位移和层叠加的方法来完成的设计效果。织物工艺与图7完全相同，图9(b)是以图9(a)原图为基础，各图层向上、向下、向左、向右分别位移50个像素点设计4层全显色组合结构获得的图层位移和叠加后的实际效果，而图9(c)是以原图为基础，各图层向上、向下、向左、向右分别位移200个像素点设计4层全显色组合结构获得的图层位移和叠加后的实际效果。

图9 层位移和层叠加设计效果Fig.9 Innovation design via layer shift and superposition. (a) Original;(b) Shift 50 pixels;(c) Shift 200 pixels

图10示出设计作品“融合·变”(2 m×2 m，中国丝绸博物馆永久收藏)。这是层增减和层反转融合一体的设计案例。织物工艺如下：经纬纱(桑蚕丝)均为22.2/24.4 dtex×2，经密为1 150根/(10 cm)，纬密为1 600根/(10 cm)，经纱白色，纬纱为CMYK 4色，采用24枚全息组织，4层全显色组合结构设计方法。在整个设计中有32个不同色彩效果的蒙娜丽莎头像，其中16个头像采用层递减设计方法，即4个采用仿真四色四图层显色设计，4个采用三色三图层显色设计，4个采用二色二图层显色设计，4个采用一色一图层显色设计；另外16个头像采用层反转设计方法，即4个采用仿真四色四图层全反转设计(反面效果)，4个采用四图层中三图层反转设计，4个采用四图层中二图层反转设计，4个采用四图层中一图层反转设计。

图10 层增减和反转创新设计效果Fig.10 Innovation design via layer increase and decrease

值得注意的是，基于分层组合设计模式，通过层位移和层叠加、层增减和层反转的设计方法获得的设计效果不会影响组合结构中各组织的相互关系，但最终呈现的织物效果是提花织物所特有的、计算机数码图像也无法模拟的随机效果。

3 结束语

提花织物的产品创新源于方法的创新，方法的创新需要理念的更新。分层组合设计模式从设计原理、设计方法到设计实践获得的织物效果，已经证明了该设计模式对数码提花织物设计的应用价值。分层组合设计模式提出的解决了数码图案直接用于提花织物设计的技术瓶颈，打破了单一平面设计模式下提花织物设计的效果限制；从应用设计实践看，分层组合设计模式的应用研究框架为提花织物的数码化设计创新提供了有效解决方案，提出的数码提花产品创新体系和设计案例为开发各类具有分层组合设计效果的提花织物提供了指导和借鉴。同时，分层组合设计模式是一种程序化的全数码设计流程，将为提花织物的智能化设计提供有益的参考。

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