基于區(qū)塊劃分與矢量折線填充方法的仿手工刺繡質(zhì)感模擬

王維杰, 陳 江, 鄭 丹, 王佳麗, 余衛(wèi)華, 方 佳, 程 明

(1.四川省絲綢科學(xué)研究院有限公司,成都 610031; 2.四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610065;3.四川省佰昉和科技有限公司,成都 610000; 4.杭州天睿絲綢有限公司,杭州 310000)

目前在紡織面料上形成可控彩色圖案的主要工藝手段有刺繡、提花和印花,因?yàn)榇汤C和提花生產(chǎn)工藝流程相較于印花工藝復(fù)雜且成本較高,所以印花面料占據(jù)了面料市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。數(shù)碼印花技術(shù)的發(fā)展解決了消費(fèi)者對(duì)印花圖案的個(gè)性化需求問(wèn)題,有眾多研究人員嘗試采用數(shù)學(xué)模型、人工智能技術(shù)來(lái)促進(jìn)印花圖案的原始創(chuàng)新[1-3],但是目前還存在部分消費(fèi)者傾向于購(gòu)買(mǎi)具有特殊肌理質(zhì)感的紡織品,如具有手工刺繡肌理效果的面料[4]。

為了滿足消費(fèi)者需求同時(shí)保證面料的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本,有研究人員探索了采用印花工藝在面料上模擬刺繡效果的方法,其關(guān)鍵技術(shù)在于利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)來(lái)模擬刺繡的視覺(jué)質(zhì)感效果。在非真實(shí)感圖形學(xué)領(lǐng)域,刺繡風(fēng)格圖像渲染技術(shù)主要可分為基于筆觸渲染的方法、基于圖像類(lèi)比的方法和基于圖像濾波的方法[5],其中基于筆觸渲染的方法是非真實(shí)感圖形學(xué)中常用的技術(shù)[6-9]。雖然基于筆觸渲染的方法可通過(guò)學(xué)習(xí)參考圖像中的信息實(shí)現(xiàn)圖像的風(fēng)格化,但是這種方法不能簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展到針對(duì)其他風(fēng)格的遷移,導(dǎo)致其使用受到限制。隨著深度學(xué)習(xí)在圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展,一種基于深度學(xué)習(xí)的快速圖像風(fēng)格化方法應(yīng)運(yùn)而生。這種圖像風(fēng)格化的方法大大提高了圖片的生成速度,并且生成的圖片具有更好的視覺(jué)效果。隨著網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,一個(gè)單一的可訓(xùn)練模型可以轉(zhuǎn)移任意的藝術(shù)風(fēng)格,并可應(yīng)用于刺繡風(fēng)格模擬問(wèn)題,這解決了需要分別訓(xùn)練不同的針?lè)邮降膯?wèn)題。最近,一種基于CNN的方法被設(shè)計(jì)用于刺繡風(fēng)格遷移,它可以產(chǎn)生不規(guī)則放置的縫線的結(jié)果[10]。然而,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有在包含更多自然內(nèi)容和清晰的高級(jí)語(yǔ)義信息的圖像上才能很好地工作,而且風(fēng)格遷移過(guò)程中缺少用戶(hù)交互操作,忽略了用戶(hù)創(chuàng)意的介入途徑。綜上,雖然采用非真實(shí)感圖形學(xué)方法可以繪制不同刺繡風(fēng)格效果的圖案,然而由于其技術(shù)本質(zhì)是基于對(duì)現(xiàn)有圖像進(jìn)行風(fēng)格化渲染,所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)類(lèi)似手工刺繡效果的可控模擬。與此同時(shí),其技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的程序編制工作,不利于技術(shù)普及應(yīng)用。在應(yīng)用研究方面,王金美等[11]利用Wilcom ES繡花軟件對(duì)刺繡圖案進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)化設(shè)計(jì),并結(jié)合Photoshop軟件對(duì)初始刺繡圖案進(jìn)行二次處理,通過(guò)數(shù)碼印花工藝在絲綢面料上實(shí)現(xiàn)仿齊針繡、戧針繡等肌理效果。然而Wilcom ES等刺繡商業(yè)化軟件是為了輔助電腦繡花的生產(chǎn)而設(shè)計(jì),其對(duì)刺繡效果的模擬清晰度不高,且刺繡針跡間銜接生硬、風(fēng)格單一,將模擬圖案應(yīng)用在印花面料上無(wú)法較好地體現(xiàn)手工刺繡靈活自然的視覺(jué)質(zhì)感。

為了解決目前商業(yè)刺繡模擬軟件圖片清晰度差、風(fēng)格單調(diào)與基于非真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)無(wú)法可控模擬手工刺繡效果這兩個(gè)問(wèn)題,本文基于對(duì)刺繡質(zhì)感形成原理的研究,提出了采用區(qū)域劃分和矢量折線填充的方法來(lái)模擬刺繡質(zhì)感,并基于Adobe Illustrator軟件平臺(tái)與參數(shù)探索實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了清晰度高、兼容性強(qiáng)、交互性好的模擬刺繡圖案。最后基于在絲綢面料上進(jìn)行數(shù)碼印花實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性與適應(yīng)性。

1 刺繡視覺(jué)質(zhì)感的形成原因與繪制原理

研究刺繡質(zhì)感的形成原因?qū)δM繪制刺繡質(zhì)感至關(guān)重要。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域,物體表面真實(shí)視覺(jué)質(zhì)感的繪制是真實(shí)感圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一。根據(jù)基于物理的光照模型(Physically Based Rendering,PBR)可以得知,影響質(zhì)感的兩個(gè)因素是物體表面的光學(xué)特性和幾何細(xì)節(jié)。對(duì)于不透明物體,物體表面的光學(xué)特性即材質(zhì)本身特性造成的光線特定反射現(xiàn)象,與材質(zhì)表面的反照率、粗糙度與金屬度有關(guān);幾何細(xì)節(jié)為材質(zhì)在空間中的組織排列形式,表現(xiàn)為物體在亞宏觀結(jié)構(gòu)層呈現(xiàn)的凹凸紋理,與材質(zhì)表面的法線分布有關(guān)。下式為反射率方程,描述的是物體表面上一點(diǎn)反射到觀察方向的出射輻射亮度Lo的計(jì)算方法,依次計(jì)算材質(zhì)表面每一點(diǎn)的出射輻射亮度值便可以繪制出物體表面的真實(shí)質(zhì)感。

(1)

式中：物體表面上p點(diǎn)的出射輻射亮度Lo(p,wo)由入射光輻射亮度Li(p,wi)、入射光與p點(diǎn)法線的夾角的余弦值及p點(diǎn)處的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)值fr(p,wi,wo)控制,半球積分表示多光源直接光照與間接光照的疊加。

BRDF計(jì)算的是p點(diǎn)入射方向到出射方向光的反射比例,物體表面不同點(diǎn)的材質(zhì)特性不同,因此具有不同的BRDF值。BRDF中包含一個(gè)漫反射項(xiàng)和一個(gè)鏡面反射項(xiàng),在漫反射項(xiàng)中c為p點(diǎn)材質(zhì)的反照率即表面顏色。鏡面反射項(xiàng)的計(jì)算與D(法線分布函數(shù))、F(菲涅爾函數(shù))和G(幾何函數(shù))有關(guān),如下式所示。

(2)

下式為法線分布函數(shù),其中α為p點(diǎn)的粗糙度、n為p點(diǎn)法線、h為半角向量。

(3)

下式為菲涅爾函數(shù),由p點(diǎn)的基礎(chǔ)反射率F0、半角向量h及視角方向v計(jì)算得出。其中F0=F0×(1-metallic)+c×metallic,當(dāng)p點(diǎn)金屬度為1時(shí),F0為p點(diǎn)材質(zhì)的反照率,當(dāng)p點(diǎn)金屬度為0時(shí)表示為電介質(zhì),F0為固定值0.04。

Fschlick(h,v,F0)=F0+(1-F0)(1-(h·v))5

(4)

下式為幾何函數(shù),描述了物體表面微平面相互遮擋導(dǎo)致的光線能量減少或丟失的現(xiàn)象,與p點(diǎn)的粗糙度、法線n及視角和光線方向有關(guān)。

(5)

因此,物體表面的光學(xué)特性主要由BRDF決定,通過(guò)逐像素地定義材質(zhì)反照率、粗糙度和金屬度便可以計(jì)算每個(gè)像素的顏色,從而形成不同的顏色和光澤效果。除此之外,對(duì)于材質(zhì)表面的幾何細(xì)節(jié)則需要逐像素地定義表面法線方向,從而影響著色,產(chǎn)生凹凸不平的視覺(jué)效果。

以刺繡材質(zhì)為例,表面的光特性主要與繡線的顏色和粗糙度有關(guān),如圖1(a)所示。由于繡線為電介質(zhì)材質(zhì),表面基礎(chǔ)反射率為常數(shù)0.04,顏色主要由漫反射提供,不同顏色的繡線即代表不同的反照率,通過(guò)指定不同位置的反照率即可定義刺繡材質(zhì)上不同區(qū)域的顏色;此外由于刺繡所采用的散線與股線表面的粗糙度存在較大差異,通常散線的粗糙度低于股線的粗糙度,因此基于散線繡制的刺繡作品鏡面反射更加強(qiáng)烈。刺繡表面的幾何細(xì)節(jié)體現(xiàn)為不同長(zhǎng)度和方向的針腳所形成的緊密凹凸質(zhì)感,可以通過(guò)表面法線貼圖來(lái)定義刺繡表面的幾何細(xì)節(jié)。通過(guò)逐像素定義刺繡材質(zhì)的反照率、粗糙度與法線方向便可以繪制出人眼看到的真實(shí)刺繡質(zhì)感圖像,如圖1(b)所示。在具體的PBR渲染流程中,可以分別通過(guò)顏色紋理貼圖、粗糙度紋理貼圖、高度紋理貼圖和法線紋理貼圖來(lái)定義刺繡物體表面質(zhì)感,如圖2所示。

基于以上真實(shí)刺繡質(zhì)感的形成原理,可以為真實(shí)質(zhì)感的刺繡模擬提供理論支撐。為真實(shí)再現(xiàn)刺繡材質(zhì)的光學(xué)特性與幾何細(xì)節(jié),一些研究采用了商業(yè)繡花制版軟件Wilcom來(lái)制作刺繡模擬圖,然而Wilcom并非為了生成刺繡模擬圖而開(kāi)發(fā),其生成的模擬刺繡圖片無(wú)法體現(xiàn)針腳之間的陰影,從而影響了刺繡表面幾何細(xì)節(jié)的表達(dá)。與此同時(shí),因?yàn)楣に嚄l件的局限性,機(jī)繡只能采用有限顏色的繡線還原圖案效果,從而導(dǎo)致色彩間過(guò)渡生硬[12]。更為重要的一點(diǎn)是,機(jī)器刺繡的針?lè)ú蝗缡止ご汤C針?lè)`活,無(wú)法提高刺繡模擬圖案的審美價(jià)值。以Adobe Substance 3D Sampler刺繡濾鏡生成的刺繡材質(zhì)效果為例,雖然通過(guò)各類(lèi)貼圖的計(jì)算還原了刺繡材質(zhì)的光學(xué)特性和幾何細(xì)節(jié),但是色塊間相互獨(dú)立,沒(méi)有顏色過(guò)渡效果,而且最多只能呈現(xiàn)10種顏色,如圖3所示。通過(guò)觀察刺繡材質(zhì)的放大圖可以得知相同色塊內(nèi)的針腳排列無(wú)規(guī)律,因此無(wú)法呈現(xiàn)類(lèi)似手工刺繡的藝術(shù)審美效果。

圖3 基于Adobe Substance 3D Sampler制作的刺繡紋理效果Fig.3 Embroidery texture image made based on Adobe Substance 3D Sampler

由于通過(guò)以上方法繪制的刺繡質(zhì)感圖片均無(wú)法保存為矢量圖格式,因此在面料上印花時(shí)容易造成分辨率不足等問(wèn)題。除此之外,由于數(shù)碼印花機(jī)精度的限制與墨水的滲化作用導(dǎo)致刺繡圖案細(xì)節(jié)在印花過(guò)程中丟失,從而影響刺繡質(zhì)感圖案的模擬效果。針對(duì)由圖案導(dǎo)致的問(wèn)題與印花環(huán)節(jié)導(dǎo)致的問(wèn)題,本文從圖案設(shè)計(jì)的角度出發(fā)提出了相應(yīng)的解決方法,如表1所示。

表1 基于本文方法解決的問(wèn)題與對(duì)應(yīng)策略Tab.1 Problems solved based on this method and corresponding strategies

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 基于區(qū)塊劃分與矢量折線填充方法的刺繡質(zhì)感圖案繪制流程

刺繡質(zhì)感圖案的繪制流程如圖4所示。第一步,選取待繪制原始圖片,使用Adobe Illustrator軟件鋼筆工具繪制主體對(duì)象輪廓,根據(jù)主體對(duì)象結(jié)構(gòu)特征及相似色相區(qū)域進(jìn)一步劃分對(duì)象細(xì)分區(qū)塊輪廓。第二步,按照原始圖片中主體對(duì)象的顏色填充相應(yīng)區(qū)塊內(nèi)顏色。第三步,基于邊緣切向流(Edge Tangent Flow,ETF)算法計(jì)算分析主體對(duì)象結(jié)構(gòu)走勢(shì),如圖4案例中,依據(jù)鳥(niǎo)羽毛的生長(zhǎng)方向確定區(qū)塊內(nèi)待填充折線的方向。第四步,為了確保模擬刺繡針長(zhǎng)度的均勻性,依托對(duì)象結(jié)構(gòu)走勢(shì)對(duì)顏色區(qū)塊面積較大的區(qū)域進(jìn)行二次分割。圖5顯示了經(jīng)過(guò)二次區(qū)塊分割與未經(jīng)過(guò)區(qū)塊二次分割對(duì)刺繡模擬效果的影響。第五步,基于Adobe Illustrator軟件中的涂抹工具在相應(yīng)區(qū)塊內(nèi)快速填充矢量折線。第六步,依次調(diào)整區(qū)塊內(nèi)折線填充方向α,折線密度β,折線寬度γ,折線變化參數(shù)δ、ε,區(qū)塊過(guò)渡參數(shù)θ,最終獲得具有刺繡質(zhì)感的模擬圖案。其中,折線填充方向、折線密度、折線寬度、折線變化參數(shù)、區(qū)塊過(guò)渡參數(shù)與Adobe Illustrator軟件中調(diào)整的參數(shù)對(duì)應(yīng)情況如表2所示。

圖4 刺繡質(zhì)感圖案繪制流程Fig.4 Flowchart of embroidery texture pattern drawing

圖5 經(jīng)過(guò)與未經(jīng)過(guò)區(qū)塊二次分割效果對(duì)比Fig.5 Simulation comparison diagram with and without secondary block segmentation

表2 區(qū)塊折線調(diào)整參數(shù)與Adobe Illustrator軟件中參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between block polyline adjustment parameters and parameters in Adobe Illustrator software

2.2 基于邊緣切向流的圖像內(nèi)容特征向量提取

分析圖像中主體的結(jié)構(gòu)走勢(shì)本質(zhì)上是獲取圖像主體的特征線,可以通過(guò)建立平滑的向量場(chǎng)作為圖像的流場(chǎng)來(lái)保存主體對(duì)象的特征線信息。借鑒Kang等[13]提出的基于流的各向異性DoG數(shù)學(xué)模型,其中通過(guò)構(gòu)建二維圖像的邊緣切向流場(chǎng)能夠很好地提取圖像中具有方向性等特征的結(jié)構(gòu),可以通過(guò)流場(chǎng)向量方向來(lái)指導(dǎo)本文中折線填充方向。

定義t(x)為邊緣切向流,其方向垂直于圖像的梯度,如下式所示。

(6)

式中：Ω(x)為x的鄰域;k表示向量的標(biāo)準(zhǔn)化量;ωs為空間歸一化函數(shù),ωm為大小權(quán)重函數(shù),ωd為方向權(quán)重函數(shù)。

ωs、ωm、ωm的定義分別如下式所示。

(7)

ωm(x,y)=(1+tanh[η×(?(x)-?(y))]/2

(8)

ωd(x,y)=|tcur(x)×tcur(y)|

(9)

式中：r為Ω(x)的半徑;?(z)表示在z處標(biāo)準(zhǔn)化后梯度值的大小;η表示下降率;tcur(z)表示當(dāng)前在z處標(biāo)準(zhǔn)化的正切向量。

通過(guò)在Matlab軟件中實(shí)現(xiàn)上述功能,其算法流程如圖6所示。

圖6 邊緣切向流場(chǎng)計(jì)算流程Fig.6 Flow chart of edge tangent flow field calculation

在該程序中,通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到圖像中物體的輪廓信息。隨后使用梯度計(jì)算技術(shù)計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的梯度,得到圖像中每個(gè)位置的梯度信息。之后計(jì)算這些梯度向量的切向量得到切向流場(chǎng),如圖7所示,切線流場(chǎng)的方向與圖像中鳥(niǎo)的羽毛方向相對(duì)應(yīng)。

圖7 邊緣切向流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of edge tangent flow field

2.3 刺繡圖案印花效果的模糊綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 建立評(píng)價(jià)因素集

因素集通常由影響事物整體評(píng)價(jià)的各因素組成,由于刺繡質(zhì)感需要從幾何細(xì)節(jié)和光學(xué)特性?xún)蓚€(gè)角度進(jìn)行模擬,所以通過(guò)綜合這兩個(gè)方面建立針對(duì)刺繡印花圖案質(zhì)感的綜合評(píng)價(jià)體系。刺繡質(zhì)感的幾何細(xì)節(jié)由針腳之間的清晰度和針腳過(guò)渡柔和程度來(lái)評(píng)價(jià),光學(xué)特性由顏色鮮亮度和肌理光澤感來(lái)評(píng)價(jià),最終確定刺繡圖案印花效果評(píng)價(jià)指標(biāo)U,U=(u1,u2,u3,u4),其中u1=針腳清晰度,u2=過(guò)渡柔和度,u3=色彩鮮亮度,u4=肌理光澤感。

2.3.2 確定模擬效果評(píng)估集

評(píng)價(jià)集是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象中的各因素進(jìn)行的各種評(píng)價(jià)結(jié)果的集合,常用字母V來(lái)表示。本案例中采用七級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)V=(v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7),其中v1=非常差,v2=很差,v3=比較差,v4=一般,v5=比較好,v6=很好,v7=非常好。即刺繡圖案印花效果指標(biāo)的評(píng)估集為V=[非常差,很差,比較差,一般,比較好,很好,非常好]。

2.3.3 確定因素集中各指標(biāo)的權(quán)重

在對(duì)某一刺繡圖案印花效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)需要確定不同的評(píng)價(jià)因素對(duì)最終刺繡模擬效果評(píng)判的重要程度,即權(quán)重。本文采用層次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)中計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法。

第一步,對(duì)不同評(píng)價(jià)因素的重要性進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建比較判斷矩陣A。

(10)

矩陣中的對(duì)角元素是款式類(lèi)目的自比較,因此aij=1,其中i=j;讓aij=1/aji,aij>0,i≠j。

具體地,采用Satty提出的比例九標(biāo)度法(表3),通過(guò)邀請(qǐng)5位對(duì)刺繡與計(jì)算機(jī)圖形繪制較為熟悉的服裝與服飾設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的研究生作為專(zhuān)家組,共發(fā)放問(wèn)卷5份,收回5份,并采用Yaahp軟件進(jìn)行各因素權(quán)重計(jì)算。

表3 Satty比例九標(biāo)度體系Tab.3 Satty proportional nine scale system

第二步,計(jì)算因素集中各指標(biāo)的權(quán)重。

采用標(biāo)準(zhǔn)化幾何平均值法(Normalization of the Geometric Mean,NGM)來(lái)計(jì)算因素集中各指標(biāo)的權(quán)重。設(shè)Wi表示因素集中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,如下式所示。

(11)

即因素集中各指標(biāo)的權(quán)重集為W=[w1,w2,…wn]T;i=1,2,…,n。

在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)由于客觀事物的復(fù)雜性與人判斷能力的局限性,從而導(dǎo)致人們?cè)趯?duì)各因素重要性的判斷過(guò)程中做出矛盾的評(píng)判。為了確保成對(duì)比較矩陣的評(píng)估是合理有效的,需要對(duì)因素集中各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性比率指標(biāo)CR如下式所示。

CR=CI/RI

(12)

式中：CI=(λmax-n)/(n-1)為一致性指標(biāo),RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定的。

λmax為最大特征根,計(jì)算如下式所示。

(13)

當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為矩陣的不一致程度是可以接受的;否則認(rèn)為不一致性較為嚴(yán)重,需要重新對(duì)判斷矩陣做出相應(yīng)調(diào)整。

2.3.4 單因素模糊評(píng)判

設(shè)評(píng)判對(duì)象按因素集中的因素ui進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),對(duì)評(píng)價(jià)集中的元素vj的隸屬程度為rij,對(duì)于ui的評(píng)價(jià)結(jié)果如下式所示。

(14)

式中：Ri稱(chēng)為單因素評(píng)判集,是評(píng)價(jià)集V上的一個(gè)模糊集合。

把n個(gè)單因素評(píng)價(jià)集組合在一起則構(gòu)成了單因素評(píng)價(jià)矩陣R。

(15)

采用專(zhuān)家評(píng)分法對(duì)因素集中的每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),打分范圍在區(qū)間[0,1]。例如,專(zhuān)家給ui項(xiàng)評(píng)價(jià)因素打分時(shí),應(yīng)滿足：

(16)

專(zhuān)家打完分后對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)因素在每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的得分取平均值,計(jì)算最終得分作為評(píng)價(jià)集中元素ui對(duì)應(yīng)的隸屬度。

2.3.5 模糊綜合評(píng)判

結(jié)合權(quán)重集W與單因素評(píng)價(jià)矩陣R,計(jì)算得到模糊綜合評(píng)判結(jié)果B。

=(b1,b2,…,bm)

(17)

式中：bj(j=1,2,…,m)為模糊綜合評(píng)判指標(biāo);bj表示在考慮了評(píng)判對(duì)象所有因素時(shí),評(píng)判對(duì)象對(duì)評(píng)判集中某一元素的隸屬度。

3 結(jié)果與分析

3.1 刺繡圖案Adobe Illustrator中的參數(shù)設(shè)計(jì)

Adobe Illustrator中填充折線的參數(shù)包括角度、間距、描邊寬度、路徑重疊、間距變化、路徑重疊變化,其中角度控制區(qū)塊內(nèi)折線的總方向,可以設(shè)置360°任意朝向。在實(shí)際操作中,依據(jù)圖案中主體對(duì)象的結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置,未經(jīng)方向調(diào)整的折線填充效果與經(jīng)過(guò)方向調(diào)整的折線填充效果對(duì)比如圖8所示。未經(jīng)折線方向調(diào)整的圖案區(qū)塊間無(wú)明顯界限,導(dǎo)致圖案層次感較差,經(jīng)過(guò)區(qū)塊折線方向調(diào)整的圖案具有明顯的區(qū)塊界限,能夠較好地呈現(xiàn)刺繡質(zhì)感效果。

圖8 折線方向未調(diào)整與調(diào)整結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of results of unadjusted and adjusted polyline direction

間距對(duì)應(yīng)針腳線跡之間的距離,通過(guò)調(diào)整間距可以模擬繡線之間的疏密程度。手工刺繡時(shí)用繡針將繡線按順序排列產(chǎn)生絲光立體效果,繡線與繡線之間距離的疏密,對(duì)刺繡圖案的風(fēng)格、立體絲光效果都有直接影響。設(shè)置描邊寬度為0.05 mm,線跡間距分別為0.15、0.3、0.45 mm的刺繡圖案對(duì)比效果如圖9所示。由圖9(a～c)可知,線跡距離越小,線條之間越緊密,但是單個(gè)線跡越不清晰。線跡距離越大,單個(gè)線跡越清晰,但是線條之間越稀疏。在描邊寬度為0.05 mm時(shí),圖案線跡間距的合理參數(shù)取值范圍為0.15～0.3 mm。由圖9(d～f)可知,描邊寬度通過(guò)設(shè)置線條的粗細(xì)來(lái)描述針腳粗細(xì),具體應(yīng)根據(jù)圖案大小進(jìn)行設(shè)置,本文設(shè)置描邊寬度為0.05 mm。

路徑重疊參數(shù)可以控制折線超出區(qū)塊輪廓距離的大小,取值范圍為-352.78～352.78 mm。圖10中,綠色線條為區(qū)塊邊界,當(dāng)取值為正時(shí)路徑重疊參數(shù)數(shù)值越大,折線超出區(qū)塊界限越多,對(duì)應(yīng)區(qū)塊間過(guò)渡區(qū)域越多;相反當(dāng)取值為負(fù)時(shí),數(shù)值越小,折線區(qū)域收縮越多,區(qū)塊間呈現(xiàn)明顯間距。路徑重疊參數(shù)可以用來(lái)模擬刺繡針腳之間的不同過(guò)渡狀態(tài),如水路效果、齊針效果與暈針效果。

為了進(jìn)一步模擬真實(shí)刺繡效果中不同針腳長(zhǎng)度與錯(cuò)位疊加效果,提出了間距變化與路徑重疊變化參數(shù),以此分別模擬真實(shí)刺繡場(chǎng)景中不同針腳間距與錯(cuò)位間距的差異,增強(qiáng)整體效果的層次感。通過(guò)路徑重疊變化參數(shù)與間距變化參數(shù)調(diào)整可以更好地模擬手工刺繡針腳自然過(guò)渡的效果,如圖11所示。

圖11 添加變化參數(shù)與未添加變化參數(shù)的模擬效果對(duì)比Fig.11 Comparison of simulation results with and without variable parameters

3.2 數(shù)碼印花面料實(shí)物效果

將刺繡圖案按照參數(shù)化設(shè)計(jì)方法處理后的圖案進(jìn)行印制,以此驗(yàn)證圖案參數(shù)化設(shè)計(jì)效果。本文將參數(shù)化處理后的圖案經(jīng)數(shù)碼印花設(shè)備印制到平紋絲綢織物上。刺繡模擬效果如圖12(a)所示,設(shè)置折線間距為0.15 mm,描邊寬度為0.05 mm,路徑重疊為0.2 mm,路徑重疊變化參數(shù)為0.3 mm,間距變化參數(shù)為0.1 mm。印染實(shí)物如圖12(b)所示,可以看出數(shù)碼印花圖案參數(shù)設(shè)置合理、效果逼真,達(dá)到暈針繡風(fēng)格的視覺(jué)效果,可以實(shí)現(xiàn)絲綢織物數(shù)碼印花刺繡質(zhì)感圖案的高效、便捷印制。同時(shí),數(shù)碼印花刺繡質(zhì)感圖案較傳統(tǒng)刺繡生產(chǎn)效率高,對(duì)從業(yè)人員技術(shù)要求低,具有可行性及較高的推廣價(jià)值。

圖12 數(shù)碼印花面料效果Fig.12 Effect of digital printed fabric

3.3 刺繡質(zhì)感模擬效果的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)因素集中各因素兩兩比較結(jié)果構(gòu)建得到的判斷矩陣A為：

采用NGM法計(jì)算因素集中各指標(biāo)的權(quán)重W為：

W=[0.40 0.09 0.13 0.38]

一致性比率指標(biāo)CR=CI/RI=0.031 3<0.1,所以比較判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)專(zhuān)家評(píng)分法計(jì)算得到的單因素評(píng)價(jià)矩陣R為：

所以,根據(jù)式(13)計(jì)算得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B為：

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,模擬效果為比較差的隸屬度為4.18%;一般的隸屬度為18.56%;比較好的隸屬度為40.82%;很好的隸屬度為31.36%;非常好的隸屬度為4.32%。根據(jù)最大隸屬度原則,模擬刺繡印花圖案的質(zhì)感效果為比較好。

3.4 本文方法的有效性

本文的方法能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)在區(qū)塊內(nèi)設(shè)置不同填充方向、填充密度、折線寬度和區(qū)塊過(guò)渡效果的刺繡質(zhì)感,所繪制的刺繡質(zhì)感效果具備較高的真實(shí)感,如圖13所示。本文方法采用基本的折線幾何圖元組成矢量刺繡針腳,因此具備矢量圖形的所有優(yōu)點(diǎn),如可擴(kuò)展性、易于編輯和修改、文件小、兼容性等。

圖13 刺繡模擬圖案在不同倍率下的放大效果Fig.13 Magnification effect of a simulated embroidery pattern at different magnifications

3.5 本文方法與其他方法的對(duì)比

目前對(duì)圖案進(jìn)行刺繡質(zhì)感風(fēng)格化處理主要基于現(xiàn)有商業(yè)刺繡工藝軟件與編程方法來(lái)進(jìn)行制作,通過(guò)將Wilcom ES繡花軟件、非真實(shí)感圖形風(fēng)格化編程與本文所提刺繡質(zhì)感生成方法在刺繡質(zhì)感生成原理的先進(jìn)性、用戶(hù)操作的便捷性、修改速度、對(duì)用戶(hù)自身的專(zhuān)業(yè)要求及模擬效果等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比(表4),可以發(fā)現(xiàn)Wilcom ES繡花軟件在制作刺繡質(zhì)感圖案的原理上比較落后,而且其刺繡質(zhì)感模擬效果較差。非真實(shí)感圖形風(fēng)格化編程方法在生成刺繡的原理上比較先進(jìn),但用戶(hù)操作不方便,質(zhì)感渲染耗時(shí)長(zhǎng),對(duì)設(shè)計(jì)師的軟件操作要求高,不便于設(shè)計(jì)師對(duì)刺繡肌理進(jìn)行快速繪制。采用本文所提的區(qū)塊劃分與折線填充方法可以快速地生成逼真的刺繡肌理,而且采用參數(shù)控制刺繡肌理的屬性,能夠達(dá)到實(shí)時(shí)的修改效果,本文方法可以在矢量繪圖軟件Adobe Illustrator中實(shí)現(xiàn),對(duì)設(shè)計(jì)師的軟件操作要求低,適合設(shè)計(jì)師在工作中快速表現(xiàn)產(chǎn)品的刺繡肌理效果。

表4 本文方法與其他方法的對(duì)比Tab.4 Comparison between this method and other methods

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于區(qū)塊劃分與矢量折線填充方法的刺繡質(zhì)感模擬方法,為了更好地控制刺繡質(zhì)感模型的幾何細(xì)節(jié)與光學(xué)特性,定義了區(qū)塊內(nèi)折線填充方向、折線密度、折線寬度、折線變化參數(shù)與區(qū)塊過(guò)渡參數(shù),最終獲得具有刺繡質(zhì)感的模擬圖案,并通過(guò)數(shù)碼印花實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法生成的刺繡圖案具有較好的視覺(jué)效果?；贏dobe Illustrator軟件實(shí)現(xiàn)了本文所提方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提方法能夠有效地模擬具有真實(shí)質(zhì)感的刺繡效果,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多種圖案刺繡質(zhì)感的繪制。由于該方法不需要對(duì)刺繡效果進(jìn)行復(fù)雜的風(fēng)格化編程運(yùn)算,對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求不高,使得設(shè)計(jì)師能夠通過(guò)參數(shù)控制快速生成滿足設(shè)計(jì)需求的刺繡質(zhì)感,生成的刺繡圖案具備較高真實(shí)感與多樣性,可滿足設(shè)計(jì)師的不同繪制和數(shù)碼印花需求。

《絲綢》官網(wǎng)下載

中國(guó)知網(wǎng)下載