褶皱服装数字化创新研究进展

常 薇,许旭兵

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051; 2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051;3.东华大学 上海市纺织智能制造与工程一带一路国际联合实验室,上海 200051;4.江西服装学院 服装设计学院,江西 南昌 330201)

褶皱服装是服装设计中独具特色且颇有历史背景的一类服装款式。中国古代历史中,“褶”称“襞积”,随着时代变迁,对于“褶”的概念较多,可称褶皱、褶裥、压褶等,主要表现为面料肌理的再造过程。服装史料记载13世纪哥特时期出现的省道实现了服装设计从二维空间到三维空间的转化,解决了人体各部分的活动功能性[1]。然而“褶”与“省”的关系密不可分,制褶可省略服装制版中的省道结构,且兼具装饰性与功能性。

褶元素常运用于服装的细节与局部设计,也可以覆盖整个服装。褶皱服装的文化发展大概经历从宽衣文化到窄衣文化的过程,Mariano Fortuny Madrazo 的褶裙,即Delophos robe 麻质带褶裙;三宅一生褶,即100%涤纶热压机压褶,将面料、静态人体和动态人体三者联系起来,如“pleats please”系列设计等[2];近十年的褶时尚多为高级成衣和T台时装等。2023年2月27日,服装产业中智慧制造下的新政策、新法规陆续出台,国家相关部门印发的《数字中国建设整体布局规划》[3]指出传统制造产业逐渐迈向新兴产业,实现加快发展之路。目前,搜索关键词“褶”“服装”“数字化”,近30年学术呈上升趋势,有望解决服装设计思维创新及工艺技术流程中的难题。

本文综述了数字化进程中褶皱服装创新设计的研究现状,介绍了相关褶皱服装数字化创新的主要研究方法,并对其发展趋势以及面临的应用前景进一步展望,在维度互换的褶皱服装虚拟设计中具有重要意义。

1 褶皱服装及其数字化创新研究现状

褶皱服装的详尽历史背景可从中国服装史、西洋服装史及少数民族服装史中探究。中国服装史[4]中褶皱服装可追溯到汉代赵飞燕的留仙裙,随后到唐代的石榴裙,再到元代的质孙服和辫线袄子,都是窄袖紧身下作细褶裙式的戎服,最后到明清时期的月华裙、马面裙、鱼鳞裙等。同时,古代中国褶皱服装的工艺华丽多样,有工字褶加顺风褶、褶裥与镶或滚结合、褶裥与刺绣结合等工艺[4]。西洋服装史[1]中的褶皱服装最早出现于古埃及十八王朝男子的褶裙,称“衫提”。随后的褶皱服装,如古希腊时期的“多利亚式希顿”与“爱奥尼亚式希顿”,古罗马时期的“托加”,德意志时期带立领的小披肩“克拉”,西班牙时期独立服装之外的领式“拉夫领”[5]。直到巴洛克及洛可可时期,服装以大胆的豪华形式为特征,细碎蕾丝花边褶裥装饰于袖、腰、领等部位[5]。比较中西褶皱服装的区别可看出,中国传统服饰中的褶裥设计,不强调褶裥细节设计,重点在表现人的神韵以及追求意境,多为写意的效果。褶皱作为服装细节的一部分,在少数民族的服装中也有广泛应用,如苗族的百褶裙、江南劳动人民的褶裥作裙等[6]。

服装数字化[7]即以数字化信息技术为基础,以数学、计算机、网络技术为依托,通过对服装设计、加工、营销等环节中的数据信息收集、整合、存储、传输和应用,最终实现企业资源的最优化配置。褶皱服装数字化创新趋势明显,从外部宏观环境来讲,提出生态环保节能减排理念,有待褶皱服装产业转型升级,转变经济增长方式;从企业内部生产来讲,针对褶皱服装的造型特点、工艺需求等缺少数据整理,产业链各环节竞争激烈,存在有待数字化技术与艺术融合的创新突破点,如不同褶型设计与压褶机器自动生成之间的关系;面料(性能、色彩等)与压褶工艺(温度、速度等)的数据定量关系;压褶服装成衣制作中的号型一致问题;压褶服装定制中的虚拟成形可视化问题;压褶工艺下单环节系统自动生成问题等,即褶皱服装的数字化升级在服装的设计研发、工艺技术及产品营销等方面意义重大。

1.1 褶皱服装的造型数字化创新

基于褶皱服装造型、结构或风格设计的研究较多。从褶皱的方向上分类,可归为悬垂褶[8]与直线褶[9];从褶皱的节奏韵律上分,可分为规律褶与不规律褶[10];从褶皱的造型形态上分,可分为自然褶[11]与仿生褶[12]等。褶皱造型因考虑人体的穿着服用性能,在留出活动放松量的同时,省略了省的结构,实现了服装实用性与装饰性的统一。

1.1.1 新形态曲线的数字造型

褶皱的主要造型形式是一种在空间内追求节奏与韵律美的曲线造型。21世纪初期,随着智能服装款式结构设计CAD系统中服装三维模块的开发,服装的整体三维款式和褶皱效果显示得以创新性实现[13]。王银辉等[14]利用 SharGL求值器把各个拾取点绘制成NURBS曲线,提出了一种空间曲线造型方法,对于数字化三维服装设计系统具有重要意义。沈奕君等[15]通过三维参数化技术为服装新形态构建提供变化的逻辑结构,运用三维曲面建模软件Rhino 结合 Grasshopper 对服装整体造型和衣片三维立体结构进行参数调整,再根据曲线曲面造型的审美需求逐步做出微调,得到更加生动、逼真的服装造型,图1所示为三维曲面建模软件Rhino构建的现代服装新形态。

图1 三维曲面建模软件Rhino构建现代服装新形态Fig.1 Rhino (3D surface modeling software) constructs new forms of modern clothing.(a) Grasshopper battery diagram; (b) Output effect diagram; (c) Front; (d) Lateral front; (e) Lateral back; (f) Back

1.1.2 局部褶皱的数字造型

褶皱造型在服装局部设计中的应用较多,利用计算机图形学技术,对局部褶皱形态的数字化造型尝试也较广泛。以OpenGL接口为基础,王小波等[16]研究开发了一种针对婚纱裙摆造型的三维虚拟仿真设计方法,提出了褶皱裙摆模型参数化设计,包括裙摆尺寸、裙摆高、裙摆波浪数量、裙摆波浪大小和裙撑廓形等参数化设计模块;三维仿真模型建立部分分为网格化模型建立、实时光照模拟和三维虚拟仿真设计效果展示模块,为设计师提供了新的数字化设计工具,也为消费者和设计师提供了新的沟通交流平台,如图2所示为褶皱裙摆模型参数化设计效果展示。另外,许思涵等[17]提出折纸艺术在数字化服装上的应用,运用CLO3D软件将折纸工艺在二维平面上通过翻转、倾斜、折、叠、推、拉、插等不剪不贴的方法进行重复折叠或结合,以此来实现服装从二维到三维的转变,如图3所示为折纸工艺在数字化服装上的局部展示。

图3 折纸工艺在数字化服装上的局部展示Fig.3 Partial display of origami technology on digital clothing

1.1.3 整体褶皱的数字造型

Wang[18]基于Style 3D提出全新创意思路,从服装材质入手,开发了一个深度学习系统,用AI预测面料模拟参数,从而实现面料悬垂或褶皱的虚拟效果。具体过程为使用悬垂测试仪的多视角深度图像来捕捉面料样本的悬垂形状,将其作为DNN框架的特征向量进行推断,最终得到弯曲刚度参数。再与模拟器一同为训练网络提供样本数据,最终训练出一个预测模型ResNet-18。基于Style 3D的服装褶皱造型设计与应用,可采用经典褶皱面料的塑形艺术手法,使用Style 3D实现褶皱造型的快速成衣表现,提升直观视觉效果,图4所示为Style 3D软件中2D版片虚拟缝合及3D模拟褶皱造型服装效果[19]。

图4 2D版片虚拟缝合及3D模拟褶皱造型服装效果Fig.4 Clothing effect of 2D plate virtual stitching and 3D simulation of fold modeling

1.2 褶皱服装的面料数字化创新

1.2.1 基于面料性能的数字褶皱服装

服装面料性能与褶皱的造型手法、形态塑造及结构设计密不可分,不同性能面料在褶皱服装中的应用也较多,如桑蚕丝压褶[20]、针织褶皱[21]、皮革褶裥[22]等。采用数学或物理方法进行服装模拟是一个具有挑战性的多学科综合研究领域,已成为自30年代以来几个不同领域研究者共同研究的课题[23]。徐军[24]利用图像处理系统及悬垂仪测试系统,分析了现有织物悬垂性模拟仿真的各种模型,提出织物悬垂性的数字化研究技术,指出这些模型的仿真原理和特点并对仿真效果做了阐述,对实现褶皱服装的数字化创新设计具有重要意义。

随后,研究褶皱面料性能的数字化应用细分到机织面料及针织面料,如桑蚕丝织物虚拟化的悬垂对比研究[25],纺织面料虚拟化聚焦于多品类丝绸面料,通过CLO3D、C4D搭建虚拟实验环境,并利用MatLab对真实实验和虚拟悬垂测试得到的悬垂图像进行图像处理进而得到悬垂指标,参考真实丝绸类面料的悬垂性来进行虚拟丝绸悬垂性实验并对比之间的差异,从而验证丝绸类面料悬垂虚拟化的可行性。此外还有局部编织对针织短裙褶皱造型影响的研究[26],即运用图像处理技术,提取针织短裙外轮廓造型特征的客观参数指标,探究局部编织变量与针织物褶皱造型之间的定量关系。

1.2.2 基于面料丝绺的数字褶皱服装

面料的丝绺影响褶皱服装中褶纹成形后的衣身平衡和形态稳定,且在褶皱服装的立体裁剪过程中发挥重要作用。蒋红英[27]提出丝绺分析法在褶皱服装立体裁剪中的应用,指出褶皱兼具功能和装饰作用,与省道和分割线同为服装结构设计的重要元素。在数字化创新领域,张亚丹等[28]从不同面料入手,利用CLO3D软件模拟面料属性,探究不同成分、厚度及经纬纱面料在直裁、斜裁下A字裙服装款式的变化。如今,一般通过VIZOO、Mura等设备扫描面料以实现面料数字化[29]。扫描后的面料可以构建完整的数字面料库,进而将服装设计环节转移至线上完成[30]。

1.3 褶皱服装的工艺数字化创新

1.3.1 三维立体褶皱打印技术

褶皱服装的工艺研究多体现在版型结构、高科技工艺与各种面料的应用研究,三者工艺结合交相互映。版型结构与各种新型面料的应用如李暖暖等[31]提出面料以及服装的仿生褶皱工艺主要有机器生产、手工制作及手工与机器相结合3种。高科技工艺应用研究如艾里斯·范·荷本运用3D打印技术与动能艺术装置相融合,创造性地展现了服装仿生褶皱的无限魅力,突出了仿生褶皱在服装造型中的特殊性与多样性[32]。高科技工艺及各种新型面料的应用如以色列时装新锐设计师Noa Raviv[33]将褶皱服装工艺融合3D打印元素、复杂平面图案和变形的网格,探讨面料软、硬与身体视错知觉的互动,以希腊雕塑为灵感,采用薄纱和丝绸制作了一系列3D立体打褶织物薄纱印花服装,如图5所示。蔺明净等[34]提出基于折纸褶裥的3D打印服装系列“Fold the Interfashionality”,该系列服装以“参数化设计、服装、3D打印、身体”为STEAM设计方法论,即使用参数化工具创建建筑形态,又将各个领域(服装、纺织、手工艺)的知识融入服装设计,探讨3D打印对于人体结构和运动形态的影响,以此衍生了新的褶皱服装数字设计方式,如图6所示。

图5 Noa Raviv 3D立体打褶织物薄纱印花服装系列Fig.5 Noa Raviv 3D Pleated fabric tulle print clothing series

图6 3D打印褶裥的数字造型Fig.6 Digital modeling of 3D printed pleats

1.3.2 二维版型中褶皱结构展切

近年基于服装CAD制图软件与 CLO3D展示软件的数字化虚拟试衣的应用层出不穷,具有代表性的研究如宋艳辉[35]用切展法在富怡CAD中展示出收褶、放摆、收省、分割等造型效果,使服装更加贴合人体。董礼强[36]使用 CLO3D技术创建3D虚拟人体,在此基础上进行衣身、衣领、衣袖、褶裥等结构设计,并在三维虚拟环境中快速实现立体服装造型。黄紫薇等[37]利用富怡服装CAD制图软件与 CLO3D展示软件,以女裙褶裥的平面结构为出发点,探讨了褶量来源、褶裥类型与设计位置的适应性,并结合工艺技法及面料特性,提炼出褶裥的实施要素,为褶裥在女裙中的完美展现提供一定的指导。

1.4 褶皱服装的色彩数字化创新

褶皱服装中色彩与图案的应用主要包括刺绣、扎染、二维图案的立体转化、数码印花及3D打印技术,其中刺绣图案在褶皱服装中有较为详实的研究,如王艳香等[4]通过裙装实物测量分析近代裙装中褶裥的造型及代表性褶裥的制作工艺,一般2种及以上褶裥组合与镶、滚、刺绣等工艺结合,应用的刺绣图案及装饰规律呈现规则对称式样。在数字化创新应用中,褶皱服装中色彩及图案的呈现主要表现为数字化复原褶皱服装图案、数码印花视错褶皱纹理及数码印花褶皱缺陷检测。

1.4.1 数字化复原褶皱服装图案

复原古代及少数民族褶皱服装图案及数字化展示应用的研究较多,如黄玲玲等[38]借助服装数字化技术对瑶族女子服装进行虚拟仿真设计,使用服装 CAD 进行平面结构模型建立,利用Photoshop、Adobe Illustrator软件进行纹样图案的建模,最后在 CLO3D 中完成服装的虚拟缝合和展示,实现了对传统服装结构、图案纹样、工艺技术的虚拟仿真复原。张冰洁等[39]对苗族图案数字化采集与存储、数字化软件应用、数字化展示等进行研究,通过创建PC端数据库、改进数字图像处理技术、AR 技术与VR技术等实现了数字化传承开发研究。另外,敦煌壁画中飞天人物形象的褶皱服装造型较多,付心仪等[40]对敦煌莫高窟烟熏壁画的数字化色彩进行复原研究,利用实地调研、模拟实验、机器学习、算法设计等方法对壁画形象变色后褶皱服装数字化复原。

1.4.2 数码印花视错褶皱纹理

在数码印花图案中,视错图案可应用于呈现视觉立体空间褶皱造型的另外一种尝试,如常薇[41]提出运用服装色彩“视错觉”图案协同面料外观特征,可在原有面料的外观基础上,进行类似效仿织物视觉效果的造型形式,如图7所示。魏文达等[42]针对扭曲视错服装外观图像缺乏客观评价方法的问题,将 Tamura 纹理特征用于扭曲视错服装的研究,通过改变线条宽度、旋转扭曲角度和颜色参数进行二次设计,运用 CLO3D虚拟试衣软件模拟着装效果。

图7 数码印花视错褶皱纹理Fig.7 Digital print optic fold texture

1.4.3 数码印花褶皱缺陷检测

现有研究常采用数字化技术检测服装数码印花中因面料变形导致的面料污点沾色及褶皱等印花缺陷,如基于加速稳健特征算法(Speeded Up Robust Features,SURF)的数码印花缺陷检测系统[43],通过SURF算法来进行图像配准,采用双向唯一性匹配法减少误配点,实现图像精准配准,并通过差分算法来提取缺陷信息;另有基于机器视觉的数码印花缺陷检测系统[44],也有基于高光谱成像技术对纺织品进行非接触式一次性扫描成像,通过计算机处理从光谱数据中提取精确完整的颜色信息,实现了基于高光谱成像技术的纺织品色彩管理的颜色快速自动测量[45]。

1.5 服装褶皱效果的客观评价

为客观评价服装褶皱状态,一般采用图像处理技术对服装的褶皱信息进提取、处理、分析和评价。如从百褶裙中提取褶皱数量、褶皱深度、褶皱宽度和褶皱不匀度等为服装褶皱评价指标,以对服装表面褶皱视觉效果进行数字化描述[46];或利用图像处理技术对女式衬衫着装后不同姿势形成的褶皱状态进行采集[47];亦可应用于服装样板弊病检测及修正[48]。

韩燕娜[49]采用三维激光扫描仪扫描AATCC 织物褶裥模板和织物褶裥,用GEOMAGIC 软件对扫描得到的数据进行预处理后,分别提取模板和织物的褶裥特征值,通过多元线性回归建立模板褶裥等级与特征参数之间的关系,对织物褶裥进行客观评价。方苏[50]以标准样板AATCC-88为研究对象,使用三维激光扫描仪获取点云数据,通过提取特征参数与褶裥等级进行线性拟合分析,建立了织物褶裥等级客观评价模型。

2 褶皱服装数字化创新研究方法

褶皱服装的传统研究方法通常为研究褶皱与布料之间关系、人体各部位的褶皱特点、褶皱与力之间的关系等。数字技术支撑下褶皱服装数字化研究方法呈现创新趋势,可分为参数化设计的三维建模、模块集成的数字化呈现、导入导出特征数据模块。

2.1 参数化设计的三维建模

参数化设计的重要性在于开启了通过数字手段生成建模系统以及利用数字技术的潜能催生新的结构的可能性[51]。目前服装设计领域,在计算机辅助设计和辅助制造(CAM)技术的发展下,可解读和处理造型参数。针对褶皱服装,其解决路径主要分为2步:一为获取参数设计的数字化机器,如SharGL求值器、织物悬垂仪器等;二为整理计算机三维建模的软件,如NURBS曲线建模软件等。可利用 SharGL求值器把各个拾取点绘制成NURBS曲线,进行空间曲线造型;利用图像处理系统及悬垂仪测试系统,分析织物悬垂性模拟仿真的原理和特点,并对仿真效果做出阐述。

2.2 模块集成的数字化呈现

现今,已开发的成熟计算机软件及系统为服装的数字化呈现提供了实现方法,其中包括服装款式结构设计CAD系统、虚拟三维人体软件、计算机辅助工艺设计系统、计算机辅助设计软件等。

2.2.1 服装款式结构设计CAD系统

自1970年CAD技术被引入服装行业后,历经半个世纪的发展,传统的二维服装CAD已日渐成熟,现已实现了服装的款式设计、结构设计、推档排料、工艺管理等一系列流程的计算机化,在企业和高校中广泛应用,改变了传统的手工制版方式,缩短了服装的生产周期。目前,国外比较著名的服装CAD制版系统包括美国格柏CAD系统、法国力克CAD系统、西班牙艾维CAD系统、德国艾斯特CAD系统、美国PGM服装CAD系统;国内主要包括深圳ET服装CAD系统、航天服装CAD系统、富怡服装CAD系统、布易ET服装CAD软件、至尊宝纺CAD系统、日升天辰服装CAD系统等。现有制版软件大都具有最基本的款式设计、纸样绘制、放码以及排料等核心功能,其中智能服装款式结构设计CAD系统中服装三维模块开发功能,实现了“以用户为中心”的人机智能交互性设计思维[52]。

2.2.2 虚拟三维人体软件

CLO3D软件是一款被广泛应用于服装产业的数字化服装虚拟设计平台。该平台可以按照目标人群的实际体型数据,通过计算机的CLO3D平台创建3D人体模型,实时查看服装设计的2D与3D同步模拟作品,调整服装的效果图和款式设计,同时生成三维CAD结构图,具有强大的仿真模拟功能,可模拟不同物理属性面料的质感、悬垂性等。如有研究依据CLO3D软件中褶皱面料的物理属性,分别从面料成分、厚度、密度、经纬纱强度等方面对10种面料进行模拟[28]。另外,通过访问平台织物库可提取使用各类面料以及人体模型的虚拟缝制裁片功能,通过3D试衣检测分析服装的合体性,最终渲染出动态或者静态的服装展示效果,如有研究运用CLO3D软件,实现了服装波浪褶版型的设计及展示[53]。

2.2.3 计算机辅助工艺设计系统

计算机辅助工艺设计[54](Computer Aided Process Planning,CAPP)是现代制造业中重要的技术之一。服装 CAPP 系统主要由信息输入模块、工艺数据库模块、输出系统模块构成。其中工艺数据库模块是工艺设计的核心,是随服装环境变化而多变的决策过程。近几年CAPP 的研究开始注重工艺基本数据结构及基本设计功能,如国内的时尚服装 CAD管理信息系统MIS基本实现了由 CAD 向 CAPP 的过渡,缩短从接单—工艺文件制作—打板—排料至缝纫工段投产的周期[55]。

2.2.4 计算机辅助设计软件

随着科技的不断进步,计算机辅助设计软件推陈出新,如DC Suite三维虚拟软件、Style 3D软件等。由韩国首尔大学研发的DC Suite软件,可实现三维虚拟面料物理力学性能,支持3D服装CAD系统,如将样板2D处理导入DXF格式的样板文件[56]。

2.3 导入与导出特征数据模块

目前褶皱服装数字化中,构建数字模块主要在于寻找匹配的特征参数来对客观物体呈现的褶皱效果进行评价或对客观事实提出预见性的实施方案。导入与导出特征数据模块主要依靠计算机图形学技术(如三维激光扫描仪、高光谱成像系统、激光测试技术等),通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息,快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

3 褶皱服装数字化创新研究展望

3.1 二维向三维拓展设计

“时尚可被视为二维的几何形状,但同时也能被转化成三维的雕塑形状,在二者之间存在着相互的链接[57]。”针对褶皱服装数字化中虚拟商品展示和虚拟试衣技术等二维图像向三维重建研究,在拓展创新设计、提高用户体验、增强沉浸感方面具有重要现实意义。

3.2 三维向二维补充设计

“探索面料方面新的可能性,并以面料为基础进行设计,将重点从剪裁转移到衣料本身[57]。”压褶服装是褶皱服装中的一大品类,因其高温定形的面料肌理美感备受消费者青睐,但在压褶服装的制作过程中,压褶工艺技术会使得面料产生缩率变化,对压褶服装的三维造型与结构设计至关重要。为实现压褶服装设计的合体性,通过数字技术提取相应特征参数对于压褶面料肌理的二维工艺补充设计及压褶服装三维虚拟试衣后不同面料纱线方向放缩量的二维平面版型修正有一定的研究价值。

3.3 构建数字管理体系

目前中国正在实施“中国制造2025”规划,旨在加强制造业创新,促进产业转型。服装业产业结构也在不断改善,从劳动密集型转向技术密集型。近年来,国内外知名服装品牌在生产环节或物流上采用数字化系统,用以提升零售店客户体验、仓储管理与供应链管理等,因此应构建褶皱服装数字化的管理体系,加速提升服装智能制造水平,提高市场竞争力。

3.4 探索云平台制造技术

云制造技术是信息技术、制造技术以及物联网技术交叉形成的新兴产品。目前,云制造技术在纺织服装产业中的应用范畴主要集中在纺织服装产品识别、智能制造自动技术、信息化平台建设3个维度。未来应积极探索褶皱服装云平台制造技术,以期通过技术的不断深化与融合,对纺织服装产业的智能转型升级提供一定的帮助。

4 结束语

本文主要从褶皱服装数字化的发展现状入手,通过文献整理归纳、对比分析的研究方法,从造型、面料、工艺、色彩角度对褶皱服装数字化的创新应用进行研究,结合客观评价指标,得出褶皱服装的数字化进程,明确当前此类服装数字化发展面临的问题与未来趋向。针对现有问题及市场需求,未来褶皱服装数字化设计的研究应重点关注不同维度互换的数字虚拟设计方向,探索云平台制造技术,加强数字管理体系构建,使得机器产品与数字化生产方式共存,完善服装整体产业结构。从艺术设计的方式和形式表达、传达、集合、处理信息,逐渐朝向虚拟试衣、版型修正及可持续设计经营模式发展,通过计算机软件及系统辅助褶皱服装设计,在创新设计模式及用户体验等方面具有重要现实意义,推动褶皱服装设计朝向智能化、数字化、自动化发展。