三维参数化技术在构建现代服装新形态中的应用

沈奕君， 张婷婷， 柯 莹， 王宏付

(1. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122； 2. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

现代服装设计更加强调新技术、新工艺，从而形成全新的实用性与艺术性相平衡的现代服装。现代服装新形态崇尚更加多元化的非线性自由形态，其构建需要打破现有服装单调单一的片面结构，赋予现代服装更多的立体空间可能性。为构建现代服装新形态，不再只是对现有传统服装面料通过扭曲、抽缩或涂层等工艺进行装饰，也需要利用机械处理技术对面料进行加压或者高温处理而形成肌理、褶皱等形态。在科技发展迅猛的现代社会，可通过参数化设计为服装提供更多有变化的逻辑结构形态。参数化设计打破了不加任何装饰，仅依靠简单几何形状的现代主义设计，通过逻辑建模调节参数，迅速得到相应变化的模型结构，从而可在短时间内生成大量结果，用以对比分析优选设计结果，有效地提高了设计效率。其最大的优势在于直观，模型的生成逻辑全部以图形的形式展示，大大降低了学习成本[1]。

本文首先回顾了参数化设计在服装领域的发展现状，然后运用三维软件Rhino和Grasshopper对服装整体造型和衣片三维立体结构进行参数调整，获得高精确度的三维模型，利用3D打印技术为构建服装新形态提供了先进新颖的技术支撑，在现代服装服饰产品的原型设计上有极大的发展前景。

1 参数化设计在服装领域的应用现状

近些年，参数化设计大都运用在建筑领域，并且引起强烈的反响。首饰、鞋品、服装设计等时尚行业也逐渐向参数化独有的科技未来感造型风格靠拢。且随着3D打印技术的日渐成熟，参数化风格的产品设计在未来具有巨大的研究价值和发展潜力。

在国内，由于参数化设计需要利用3D软件的技术支撑，对于服装领域的研究学者来说是一大难点，但随着跨界学术的提出，学科间的交流与合作给了学者们大胆创新的机会。在2016年，“Inter-fashionality(可能的互置)——3D打印服装作品展”在伦敦英国皇家艺术学院Hockney gallery展出[2]。此作品为清华美院染织服装艺术设计系副教授李迎军与英国皇家艺术学院博士生蔺明净合作研究的阶段性成果。他们利用3D打印的参数建模增量设计来制作整套服装，其制作模型采用参数化设计方法，从基本的六边形单元出发，无线延展到设计理念要表达的最佳服装形态。提取其单元元素六边形如图1 所示。六边形结构连续性排列，然后通过参数化设计的干扰方法对其进行变化，可得出紧密或稀疏的不同效果。这既是参数化设计表现的魅力，也是丰富服装造型结构的科技化方式。

图1 六边形结构分布Fig.1 Hexagonal structure distribution

在国外，三维参数化设计在服装领域的应用更加广泛，发展成熟且具有一定实用性。建筑设计师Jenny Wu将建筑美学应用在LACE系列的首饰作品上[3]。在此系列作品中，大都以几何线条为基础元素，加入具备参数化特征的规律趋势，二者相结合创造出时尚前卫的设计作品。该作品通过参数化建模设计实现，其中有多个相互锁扣的小结构串联而成，最终利用柔性锦纶材料3D打印而成，结构繁复且惊艳。

2 参数化设计在服装领域的创新

从设计思维抽象概念到设计具象形态是一个转变实践的过程[4]。为构建现代服装新形态，首先从精神层面思考现代服装创新所需的表现形式。可通过对生活中自然形态的归纳从而形成服装的自然流线廓形，亦可抽象出自然形态中的结构特征形成服装的组织元素，例如可利用建筑表皮、水流波纹、植物脉络等结构纹理进行创新实践。然后需要利用技术手段完成创新实践，以上这些具有独特形态的结构都可利用参数化技术来实现，而其中Grasshoppe的应用已经成熟，且能够赋予更多变化的可能性。Grasshopper是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，利用Grasshopper对服装整体造型和衣片表皮局部结构进行参数调整，根据曲线曲面造型的审美需求逐步做出调整，最后达到较为满意的具有参数化风格的现代服装新形态。

2.1 廓形确定

苏联物理学家米格尔指出科学的美在于其逻辑结构的合理匀称和相互联系的丰富多彩[5]。为使整件服装拥有流畅有型的线条，合理匀称的造型特点，本文初步对服装廓形草图进行设计绘制，如图2所示。服装上身外轮廓曲线贴合人体胸部及腰部位置，且腰部两侧收拢收腰，充分体现女性柔美身形。肩部造型采用夸张法耸立有型并向两侧外延伸且微微翘起，灵感来源于江南建筑四角翘伸的屋檐造型。裙摆呈伞状支撑挺立，大裙摆廓形塑造空间立体感。

图2 廓形草图Fig.2 Outline sketch. (a)Front;(b)Lateral front;(c)Lateral;(d)Lateral back;(e)Back

拥有服装外轮廓后，利用三维建模软件Rhino建立各衣片面作为基础造型形态如图3所示。该衣片面需跟随胸凸腰凹的女性人体曲线达到符合人体光滑的布面曲面，实现完美曲面曲率，才能保证在此基础上继续深入探索服装表面肌理参数化上的各种变化形式。本文设计服装为露背款式，由胸肩、腰部及裙摆3部分组成。

图3 服装衣片面视图Fig.3 Views of each part garment. (a)Overlook view;(b)Lateral front view;(c)Orthographic view;(d)Lateral view

2.2 网格建立

将得到的衣片曲面作为参数化基本元素后即可命令控制板中的菱形四边形生成网格。该网格曲面结构线代表了曲面的几何方向，网格均分在上身衣片并随曲面变化而变化。输入衣片曲面及经纬数量参数，选择控制板中“Diamonds”即可输出如图4的衣片均分网格。其网格都是由菱形四边形组成的单层立体面，在此获得的菱形数量为U×V(其中U为经向曲面数量，V为纬向曲面数量)。其次，通过“Triangles”可将衣片廓形边缘进行修剪，过渡更加自然碎片化，增加形体自由感。通过计算机生成的逻辑结构确保了设计结果的可实施性，节奏韵律更加理性化，科技感十足。

图4 衣片面均分网格示意图Fig.4 Uniform mesh sketch map

2.3 曲面生成

仅有简单的四边形网格远远不够，需赋予其一定厚度，使其空间立体感更强，从而增显三维技术的优势与魅力。以上半身为例，形成四边形结构的为3部分曲线，分别是四边形中间圆孔、四边形边线及放样缩放边线。对形成四边形体面的3组曲线进行放样，从而得到具有厚度的立体表皮结构，使肌理感更强，造型风格更加丰富。

提取第2组曲线即菱形四边形边界线，输入命令生成菱形曲面，在曲面上生成菱形，紧接着将菱形曲面数据转换成树形数据，求菱形曲面边界曲线并封闭，此动作结束即获得菱形曲面。将建模软件Grasshopper中电池图的相关功能进行简单概括，对应电池图功能下的模型输出效果如图5所示。

图5 提取边界线过程Fig.5 Process of extracting boundary lines.(a)Grasshopper battery diagram;(b)Output effect diagram

进行调整的第3组曲线即四边形边线的放样缩放，其放样过程如图6所示。以胸口坐标中心点为基准，对菱形曲面边界进行缩放，缩放比是点干扰后的结果，由图6(a)Grasshopper电池图可知，此放样距离参数为0.85，其中使此距离小于1，才能得到符合逻辑的图形[6]。此放样缩放动作为服装胸部以上造型整个模型的结束动作，模型输出效果如图6(b)所示。

图6 放样缩放过程Fig.6 Scaling process. (a)Grasshopper battery diagram； (b)Output effect diagram

其中，提取菱形边界，去除重复的点，闭合成类似圆的封闭曲线。图7示出放样成面过程。由图7(a)所示整合3组曲线，其中D1为菱形原始边界线，D2为缩放边界线以及类似圆的边界线。最终放样成面得到如图7(b)输出效果的造型结构，上半身的模型建立及参量变化基本完成。

图7 放样成面过程Fig.7 Process of forming an surface. (a)Grasshopper battery diagram;(b)Output effect diagram

2.4 参量变化

参数化设计的核心是逻辑建模[7]。比如说两点相连成一条直线这句话本身的逻辑为：2个有距离的坐标点(参量)互相连结(关系)可形成1条直线(结果)。逻辑建模就是将建模过程中的3个因素分解开来：参量-关系-模型，而参量与关系都可随时改变，当坐标点发生位移时，直线的长度、位置随之改变。例如服装上半身网格结构是利用点干扰的方式进行变化，下半身裙摆则是利用曲线来进行干扰变化的。以上半身为例，形成四边形结构的是 3部分曲线，分别是四边形中间圆孔、四边形边线及放样缩放边线。受图8所示5个坐标点的影响，每个四边形的中心圆孔到5个坐标点的距离不同而产生参量变化。

图8 四边形圆孔参数变化Fig.8 Parameter change of quadrangular round hole

在进行参量变化时，上衣网格曲面U×V细分的数值大小决定了对应上半身菱形格数量的多少[8]：当上衣U×V细分数值较小，菱形格数量减少、稀疏分布；曲面U数值减小，菱形格数量减少；曲面V数值增大，菱形格数量增多；曲面U数值增大，菱形格数量增多；曲面U数值不变，曲面V数值增大，菱形格数量增多；曲面V数值翻倍增大，菱形格数量密集；因此可以得出结论，U×V细分数值与菱形格的数量关系成正比。

基于符合现代服装形态的美学特征下，菱形体面的大小之分随女性人体柔美曲线进行顺势变化。正如亚里士多德认为的，美的主要形式是“秩序、匀称和明确”[3]。越靠近颈部位置，流动趋势更为紧密，越往胸部凸出位置流动，曲面变大，趋势分布愈加舒缓。反之，越往肩部外舒展延伸的流动趋势愈加疏松。微妙的疏密变化使得服装造型更加生动自如。

服装上身结构通过5个坐标点的干扰进行变化而产出，而下半身裙摆是利用曲线进行干扰作由上至下的线性变化，如图9所示。使用线性变化干扰方式可使服装裙摆线条更加流畅且廓形延展性强，展现了有条不紊的节奏韵律感，使得服装层次感强，空间感十足[9]。

图9 裙摆曲线干扰关系Fig.9 Skirt curve interference relationship. (a)Schematic diagram of curve interference;(b)Generating result diagram

综上为服装模型的建立及进行参数化干扰的过程，其过程为：廓形确立—网格建立—曲面生成—参量变化。

2.5 渲染成品

将服装胸肩部分、腰部及裙子3部分整合，放置于人体模型上，再进行微调使其更加贴合人体尺寸。渲染过程中，加入白色的漫反射材质，通过渲染得到更加生动、逼真的服装造型。Rhino获得的三维模型精度高，可为实物模型的3D打印提供良好的模型基础[10]。整套三维服装利用先进的参数化技术生成了具有变化的几何联结的立体结构，不仅节省制作时间、人工成本，并且数据精准、尺寸标准。图10 示出最终渲染效果图。

图10 成衣效果图Fig.10 Clothing effect diagram. (a)Front; (b)Lateral front;(c)Lateral back;(d)Back

3 参数化技术衍生

为满足设计师构建服装形态的独特个性化需求，也可利用Grasshopper编程式的建模方法，通过修改相应参数，使方案快速匹配定制要求[11]。同时，编程化的建模方式还可通过干扰、编织、Voronoi、随机、生长循环等计算机运算方式生成新颖、奇特的造型，给人们带来不同的视觉感受。在变化干扰方式上，不仅可通过点干扰、曲线干扰或图像干扰的基本方式，还可通过自然界中水滴波纹、声音频率等自然变化进行干扰。例如在建立好的基本网格形态中加入水滴干扰，可根据水滴大小、水滴是否密集形成的水面波纹而拥有不同变化，这些变化可作为输入命令体现生成在网格衣面形态上，从而形成变化丰富的灵动结构[12]。

4 结束语

参数化设计能够将感性思维与理性逻辑相结合，解放设计师们在传统设计中的思想束缚，将艺术与技术相互碰撞，为现代产品、现代服装新形态提供更多的可能性。在构建现代服装新形态中，设计师更多追求非线性自由形态，亦或是变化丰富的立体结构，目前利用参数化技术Grasshopper结合Rhino可基本实现其设计想法。数字化时代下，设计者赋予现代服装新形态以参数化设计技术，可让服装领域拥有更广阔的未来。

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