传统服饰纹样生成设计研究_张帆.pdf

第 44 卷 第 4 期 包 装 工 程 2023 年 2 月 PACKAGING ENGINEERING 1 收稿日期：20221031 基金项目：北京市教委科技面上项目（KM202110012002）；北京服装学院高层次人才项目（NHFZ20220078）作者简介：张帆（1985），女，博士，讲师，主要研究方向为数字化艺术设计。通信作者：苏艺（1990），男，博士，讲师，主要研究方向为工业设计。传统服饰纹样生成设计研究 张帆1，苏艺1，崔强2，王涛1（1.北京服装学院，北京 100029；2.清华大学，北京 100091）摘要：目的目的 服饰是我国文化创新的主要领域，也是展示文化的主要途径。通过二维服饰传统纹样向三维实体首饰及穿戴产品的转化生成，突破以往服饰纹样在平面维度生成、衍生的局限性。方法方法 基于边缘检测等图像学技术结合人工描摹，实现二维传统服饰纹样图像的抽象化提取；运用人工神经网络的机器学习算法与图形学算法，训练一个传统纹样轮廓线的自动生形模型，生成三维首饰形态，并由服饰纹样二维图像生成三维参数化肌理。结果结果 以传统服饰吉祥纹样为例，形成纹样素材库，在此基础上，实现平面纹样提取、三维形体转化、三维肌理转化、肌理向形体映射的生成设计路径，通过应用软件系统的设计实践验证其可行性。结论结论 建立传统服饰文化元素的现代服饰产品形态转化及个性化定制路径，解决传统文化与现代消费、现代产业之间的割裂问题，从现代增材制造工艺、材料、理念等方面促进服饰产业的结构优化与转变，为其注入新的力量，对民族服饰文化的保护和传承具有重要的价值和意义。关键词：生成设计；传统服饰纹样；神经网络；参数化设计；Grasshopper 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)04-0001-08 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.04.001 Generation Design of Traditional Costume Pattern ZHANG Fan1,SU Yi1,CUI Qiang2,WANG Tao1(1.Beijing Institute of Fashion Technology,Beijing 100029,China;2.Tsinghua University,Beijing 100091,China)ABSTRACT:Costume is the main field of Chinas culture innovation and the main way of showing culture.The work aims to break through the limitations of the generation and derivation of previous clothing patterns in plane dimensions through the transformation and generation of two-dimensional traditional clothing patterns into three-dimensional solid jewelry and products.Based on image technology such as edge detection and manual tracing,abstract extraction of two-dimensional traditional clothing pattern images was realized.ANN machine learning algorithm and computer graph-ics algorithm were used to train a traditional contour automatic shaper to generate three-dimensional jewelry shape to generate three-dimensional parametric texture from two-dimensional image of clothing patterns.Taking traditional auspi-cious patterns of clothing as an example,a pattern material library was formed.On this basis,the design path of plane pattern extraction,three-dimensional shape transformation,three-dimensional texture transformation,texture to mapping shape generation and design was realized.Its feasibility was verified through the practice of design application software system.Establishing the transformation and personalized customization path of modern clothing products with traditional clothing cultural elements,solving the separation between traditional culture and modern consumption and modern indus-try,promoting the structure optimization and transformation of the clothing industry from the aspects of modern additive manufacturing process,materials and concepts,and injecting new strength into it are of great value and significance to the protection and inheritance of national costume culture.KEY WORDS:design generation;traditional costume pattern;neural network;parametric design;Grasshopper【院士专栏：中华文化数字化创新设计研究新范式】2 包 装 工 程 2023 年 2 月 服饰纹样记录并传承了不同民族、地区的历史变化、生活习俗、工艺特点和人文风貌，凝结了中华传统文化的精髓。传统服饰纹样的传承与创新设计被广泛关注，特别是在人工智能技术颠覆生产方式的大背景下，传统服饰纹样和工艺等非物质文化遗产的保护，呈现出数字化和智能化的特点。从学术和产业角度来看，服饰纹样的计算机辅助设计研究主要集中在识别分析与生成设计等方面1。其中，生成设计是一种设计者通过自定义约束参数条件，由计算机程序自动进行设计生成和计算设计的方法，能够辅助设计师完成一些颠覆常规建模思路的复杂造型，增强设计师的创造力与表现力2。目前，大多数研究和设计师对传统服饰纹样进行了二次生成设计，主要包含利用分型技术对传统服饰纹样进行计算机模拟生成，通过形状文法和其他分析手段对传统服饰纹样进行衍生设计，对其相应的生成界面交互进行设计研究等。但主要存在于平面范围内的演化、变异，少有能突破平面的限定，实现二维到三维的生成设计。本研究聚焦计算机辅助技术对民族文化产品的创新设计路径研究，目的是提高民族文化产品在研究、设计、转化等方面的效率和效度，实现民族文化创意产品“智能+”，试探性地提出纹样在二维空间生成方面的方法和思路，从而进行二维向三维转化的研究，建立传统纹样与现代服饰产品设计、制造相融合的路径，包括基于图像学技术的纹样提取及要素数据库建设；基于人工智能算法的二维纹样转三维形态及肌理的生成技术及方法研究，并进行以吉祥纹样为例的生成设计应用。本研究期望通过建构先进技术与传统服饰文化之间的联系，弥合文化要素和产品创新要素的分歧，实现现代服饰产品的民族文化价值和审美价值。1 传统服饰图案生成设计研究现状 传统服饰纹样属于中国传统纹样体系，在传统的器物和建筑上也会运用这些纹样进行装饰。纹样本身是具有共通性的，只不过在不同的应用场景中会进行变化和衍生。比如清代瓷器的番莲纹也会同样出现在清代的织锦作品中。明代家具的装饰云纹也会出现在服饰纹样中3。一些经典的纹样甚至可以跨越各种历史朝代一直保留和延续下来。这些精美的中国传统服饰纹样的史料非常丰富，通过文物、书画作品等方式被保留下来。这些珍贵的历史素材为服饰纹样的生成设计提供了大量的素材库。由中国美术大辞典的记载可知，在服饰纹样中较多的表现形式为：几何纹样、动物纹样和植物纹样。这些纹样都存在着抽象、规范和写实等不同的表现方式。如传统服饰吉祥纹样中的几何纹样：古钱套、龟背纹、水竹纹、盘长纹、回纹、吉星锦等，自然形态纹样：慈祥云、石榴纹、水波纹、绣球、鱼鳞纹等4，部分示例见表 1。传统纹样造型和构图同样蕴含着有序的形式规则、严密的数理特征，符合现代参数化设计理念，具备纹样通过数理方法进行变形、衍生的条件。表 1 服饰传统吉祥纹样 Tab.1 Traditional costume auspicious patterns 类型 图例 几何纹样 盘长纹 龟背纹 回纹 吉星锦 自然纹样 石榴纹 祥云锦 水波纹 柿蒂纹 传统服饰纹样的创新设计方式呈现多元化趋势，尤其是围绕知识图谱、虚拟展示的研究层出不穷。在纹样因子提取与知识图谱研究等方面，宋小薇等5运用形状文法进行了服饰文化因子的提取，根据文化因子的特性构建了完整的图谱，通过感性工学实验判定了用户感知较强的设计元素，并将这些设计元素进行了现代文创产品设计的应用；韩海燕等6构建了服饰文化知识图谱并通过知识可视化所包含的知识层、结构层、视觉层和用户层要素展开可视化设计；除此以外，数字化平台数据库及展示也受到广泛关注，例如黄清穗通过数字化手段，把传统服饰和织绣品中的图案转化成矢量图，并进行分类整理上传到云端，做成了线上博物馆，为其他研究学者和设计师提供了很好的参考。随着计算机图形图像学技术、深度学习技术的发展，服饰图案（纹样）的人工智能设计取得了诸多进第 44 卷 第 4 期 张帆，等：传统服饰纹样生成设计研究 3 展，主要包括智能分类与智能生成。在智能分类方面，孔谦等7大量收集瑶族服饰、织锦纹样并制作成数据集，基于 Faster R-CNN 和 CNN 算法对纹样进行定位和细化分类，并应用于新媒体传播领域，解决人工进行传统纹样分类时烦琐和耗时的痛点。服饰智能生成主要聚焦在要素构图、风格生成等方面上。池宁骏等8通过现代函数曲线规则和曲线控制点的坐标参数进行传统纹样规则的重构，完成了空间排列和参数变化调整的演变，对传统纹样进行了结构衍生设计；蔡兴泉等9提出基于神经网络的手绘服饰图纹上色及风格迁移方法，生成对抗网络模型以实现线稿图像上色，构建卷积神经网络模型并结合 Gram 矩阵计算风格图的风格特征，输出服饰迁移图像。基于以上对计算机辅助技术在服饰纹样设计中的应用研究可见，传统服饰纹样的智能设计主要集中在平面范畴。2 三维生成技术研究 生成式设计（Generative Design）是基于计算机程序的科学性艺术创作手段，旨在将设计师的设计目标转化为计算机上可执行的具有基因性质的编码，形成数学模型，在基因编码不断演化的过程中求解并优化，最终生成设计解决方案10。其特征为：建立在数字化制造条件下、基于协议与规则、创建新的设计过程，以及用户深度参与产品生成过程。一些学者将参数化设计