1、基于分形的數(shù)碼紡織藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)    第一章 緒 論 1.1課題研究背景和意義 分形藝術(shù)是指將分形理論與計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)相結(jié)合,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法來構(gòu)造形式,從生成各種分形圖形，再經(jīng)與圖形處理軟件相結(jié)合,最終得到絢麗多彩的藝術(shù)圖像。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中分形研究的深入發(fā)展和在圖案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,使得藝術(shù)家可以用更多的方式和思路來進(jìn)行創(chuàng)作,也給圖案設(shè)計(jì)帶來了新的元素。分形藝術(shù)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和美學(xué)的結(jié)合,是科學(xué)和藝術(shù)完美結(jié)合的典范,它的創(chuàng)新性對(duì)紡織品設(shè)計(jì)來說具有越來越重要的意義,尤其是在紡織品印花和織造圖案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分形藝術(shù)與傳統(tǒng)藝術(shù)相比無疑有較大的創(chuàng)

2、新。分形圖形可以由不同的分形算法生成,圖形絢麗多彩、風(fēng)格多變。分形圖形的形態(tài)造型有類似于自然景物的具象造型,例如樹木、植物葉子、花朵、山巒、雪花等;以及自相似幾何形體或偶然形體的抽象造型,抽象造型的分形圖案與幾何圖形非常相似,不但可以自動(dòng)生成形象的幾何花型,這些分形圖案都跟傳統(tǒng)圖形的某些類別相似,因此可以在分形圖集中找出很多與傳統(tǒng)紋樣吻合的地方,并將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)圖案設(shè)計(jì)中,而部分分形藝術(shù)圖形與傳統(tǒng)紡織紋樣相似,具備作紡織紋樣的條件，因此可用作紡織紋樣,再結(jié)合傳統(tǒng)紡織藝術(shù)設(shè)計(jì)所提供的豐富形式和格律,就能開發(fā)出獨(dú)具一格的紡織圖案。由于分形圖形具有無限的精細(xì)結(jié)構(gòu)和意想不到的結(jié)果,利用分形藝術(shù)設(shè)計(jì)的

3、紡織圖案,風(fēng)格獨(dú)特,時(shí)尚性強(qiáng),個(gè)性突出,與紡織品需求多元化發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)。因此，利用分形理論產(chǎn)生的分形圖形設(shè)計(jì)有獨(dú)特的魅力，它應(yīng)用在紡織和紡織圖案設(shè)計(jì)，必將開辟一個(gè)新的天地。 1.2分形研究 上世紀(jì)70年代，分形幾何的概念第一次由波蘭科學(xué)家芒德勃羅提出，目前，分形理論已成為非線性科學(xué)研究的重要理論。在過去數(shù)十年來，快速發(fā)展，現(xiàn)在的分形已成為自然科學(xué)研究的主要工具。從分形理論的概念引入到其成熟，到今天廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。 第一階段是從1827年到1925年。在此階段，數(shù)學(xué)家們構(gòu)造并且研究了種種奇異或病態(tài)的集合及其圖像，而且試圖對(duì)這類集合與經(jīng)典幾何的差別進(jìn)行描述、分類和刻畫

4、，其中一些后來被認(rèn)為是典型的分形。19世紀(jì)60年代，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，一個(gè)連續(xù)但不可微曲線的存在，一般以為這種情況應(yīng)該是很少見的。直到瑞典數(shù)學(xué)家科赫在1904年通過初定方法構(gòu)造出了具有處處不可微的連續(xù)曲線，如今稱之為“科赫曲線”，并且討論了該曲線的性質(zhì)，由于該曲線的構(gòu)造方法極為簡(jiǎn)單，從而改變了人們認(rèn)為構(gòu)造連續(xù)不可微曲線的一定非常復(fù)雜的看法。在分形理論發(fā)展的第一階段，人們已經(jīng)提出了一些典型的“分形”對(duì)象和相關(guān)問題，并為討論這些問題提供了一些最基本的數(shù)學(xué)工具。 第二階段大致為1926年到1975年。在這半個(gè)世紀(jì)中，人們深入研究了分形性質(zhì)，特別是分階形維數(shù)理論方面取得了巨大成就。在這一階段，系統(tǒng)、深入

5、的研究深化了第一階段的思想，不僅逐漸形成的理論，而且將研究范圍擴(kuò)大到了數(shù)學(xué)的許多分支之中。在1968年，美國(guó)生物學(xué)家林得梅葉提出了研究植物形態(tài)與生長(zhǎng)的“L系統(tǒng)”方法，在80年代“L系統(tǒng)”被引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)從而廣為人知，并成為生成分形圖形的最典型方法之一。盡管在此階段分形的研究取得了許多重要的成果，并且使這一學(xué)科在理論上初見雛形，但是在此階段，絕大部分從事這一領(lǐng)域工作的人主要局限于純數(shù)學(xué)理論的研究，而未與其他學(xué)科發(fā)生聯(lián)系。但是，與此同時(shí)，在許多學(xué)科已經(jīng)產(chǎn)生了很多與分形相關(guān)的問題，迫切需要有一種強(qiáng)大的理論工具對(duì)此進(jìn)行解釋，正是在這種情況下，芒德勃羅采用獨(dú)特的想法，對(duì)海岸線結(jié)構(gòu)、電子通信中的噪音、月

6、球的表面和典型的自然景觀幾何性質(zhì)的分形現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)、深入、創(chuàng)造性的研究，并取得了一系列令人矚目的理論成果。 第三階段為1976年至今，這是分形形成了一門獨(dú)立學(xué)科，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得全面發(fā)展。由于分形幾何具在自然現(xiàn)象模擬有極強(qiáng)的應(yīng)用性，所以在自然圖形的模擬、圖象壓縮、地震斷裂帶分析、高分子的聚合、酶的生長(zhǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，取得了可喜的成果。在應(yīng)用學(xué)科和計(jì)算機(jī)圖形的推動(dòng)下，分形的隨機(jī)理論，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的吸引子理論與分形的局部結(jié)構(gòu)等方面也獲得了較深入的研究結(jié)果。 1.3紡織圖案設(shè)計(jì) 紡織品設(shè)計(jì)是將工程與藝術(shù)相結(jié)合的一門技術(shù)，主要包括面料設(shè)計(jì)和服飾設(shè)計(jì)兩大方面。面料設(shè)計(jì)是服飾設(shè)計(jì)的前道工序，具有

7、基礎(chǔ)性地位，面料設(shè)計(jì)的好壞，也制約著服飾設(shè)計(jì)成功與否。 面料設(shè)計(jì)從其在生產(chǎn)工藝上實(shí)現(xiàn)來分，主要包括織花圖案和印花圖案設(shè)計(jì)兩方面，織花圖案設(shè)計(jì)主要用于織物生產(chǎn)過程，生產(chǎn)織物的機(jī)器可分為提花織機(jī)和非提花織機(jī)，提花織機(jī)主要用于生產(chǎn)含有復(fù)雜顏色結(jié)構(gòu)圖案的織物，是在古代普通織機(jī)基礎(chǔ)上，通過提綜和換梭（換色）方法生成圖案，生產(chǎn)出的織物不需要進(jìn)行印花，可直接用于服飾生產(chǎn)，但生產(chǎn)較慢效率較低。非提花織機(jī)，如噴氣（噴水）織機(jī)，主要用于簡(jiǎn)單循環(huán)重復(fù)的圖案，生產(chǎn)較快效率較高，可是普通織機(jī)的十幾倍，甚至幾十倍，一般地，生產(chǎn)出的織物顏色少、圖案簡(jiǎn)單，需要進(jìn)行印花。印花圖案設(shè)計(jì)，就是借助于化學(xué)藥劑對(duì)織物的染色作用，利用套

8、印的方法，在已織好的紡織品面料上，印上適合需要的色彩繽紛的圖案。 織物圖案設(shè)計(jì)和印花圖案設(shè)計(jì)過程實(shí)質(zhì)上是結(jié)合生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)的過程，圖案設(shè)計(jì)是它們共有的重要組成部分。近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的推廣運(yùn)用，工藝上有些過程可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，織物圖案設(shè)計(jì)和印花圖案設(shè)計(jì)人員主要精力就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行紡織品圖案創(chuàng)意設(shè)計(jì)。圖案設(shè)計(jì)也漸漸地獨(dú)立于織花圖案設(shè)計(jì)和印花圖案設(shè)計(jì)，成為紡織品生產(chǎn)企業(yè)一個(gè)專門的職位。 紡織品設(shè)計(jì)在紡織生產(chǎn)中的一個(gè)非常重要的作用，今天，隨著人們生活水平的不斷改善，人們悅來越追求時(shí)尚，對(duì)紡織品和消費(fèi)產(chǎn)品的選擇，不但重視產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也注重紡織消費(fèi)品圖案的時(shí)尚性和藝術(shù)內(nèi)涵。而且

9、，時(shí)尚是變化的，速度越來越快，紡織品生產(chǎn)企業(yè)要實(shí)現(xiàn)其銷量和利潤(rùn)的增長(zhǎng)，就必須不斷推出適合時(shí)尚和具有藝術(shù)內(nèi)涵紡織新品，推陳出新的速度往往成為一個(gè)企業(yè)生存和發(fā)展的決定性因素，這就是對(duì)紡織品圖案設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求。 中國(guó)是個(gè)紡織品出口大國(guó)，全球大約有一半以上的紡織消費(fèi)品產(chǎn)于中國(guó)，但是，我國(guó)的絕大多數(shù)紡織品都處于市場(chǎng)低端，靠量大價(jià)廉取勝，難以走進(jìn)高端市場(chǎng)，企業(yè)利潤(rùn)微薄。主要原因是我國(guó)紡織品在圖案設(shè)計(jì)創(chuàng)意和工藝創(chuàng)新方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大差距。 1.4數(shù)碼圖案設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)狀 紡織品圖案設(shè)計(jì)人員使用的圖形處理軟件主要可分為通用軟件和紡織圖案設(shè)計(jì)專用軟件兩種。目前，通用軟件主要有以下幾種： Photosh

10、op，是Adobe公司的研制開發(fā)的一款圖像處理軟件，在中國(guó)，有相當(dāng)多的專業(yè)圖案設(shè)計(jì)者都在使用該軟件。無論是圖案的繪制，還是圖案效果的處理，它都是必不可少的工具，而且隨著數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，電腦的普及，Photoshop的應(yīng)用也越來越廣泛。Photoshop對(duì)于圖案的處理具有強(qiáng)大的功能，擁有多種選擇工具，而且這些選擇工具可以結(jié)合起來選擇較為復(fù)雜的圖像，這樣對(duì)于圖案的編輯就相當(dāng)?shù)姆奖?；Photoshop自帶多種濾鏡，而且還支持外掛濾鏡，它的濾鏡可以說“取之不盡，用之不竭”，這樣對(duì)于圖案的特殊效果的處理就顯得游刃有余。Photoshop簡(jiǎn)單易學(xué)，功能強(qiáng)大，適合于不同水平的用戶，更適合于專業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)較強(qiáng)，

11、但電腦水平一般的專業(yè)設(shè)計(jì)人士。 CorelDarw：應(yīng)該說是應(yīng)用最為廣泛的平面設(shè)計(jì)軟件之一，也是相當(dāng)出色的矢量繪圖軟件。它是一個(gè)很好的工具，它能令你事半功倍。使用它來制作和設(shè)計(jì)作品，不僅得心應(yīng)手，還會(huì)在創(chuàng)作的過程中，從它那里得到源源不斷的啟發(fā)，創(chuàng)造出更美好的，更讓人不可思議的圖案。它以功能豐富而著稱，而且在新的版本上功能不斷的強(qiáng)大。 紡織圖案設(shè)計(jì)專用軟件主要有： AT-DESGIN，是浙江杭州宏華電腦技術(shù)有限公司研制開發(fā)的產(chǎn)品，1997年推出的紡織品設(shè)計(jì)軟件，該軟件是以印花圖案設(shè)計(jì)及服裝款式設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。跟一些單一的設(shè)計(jì)軟件相比，該軟件保持了分色系統(tǒng)的全面、實(shí)用的特色，同時(shí)該系統(tǒng)提供了圖

12、案繪制、花型組合、紋理效果、單元循環(huán)和云紋制作等工具，在紡織面料領(lǐng)域獲得應(yīng)用;也提供服裝款式設(shè)計(jì)以及服裝的模擬，并且，可以用作裝飾面料在不同的場(chǎng)景中的進(jìn)行立體式的模擬，而且提供顏色的自動(dòng)配色功能及對(duì)局部和整個(gè)圖形進(jìn)行調(diào)色處理。在廣度和深度上，該軟件都占有很大的優(yōu)勢(shì)。它的推出無疑讓一直停留在手工制繪階段的設(shè)計(jì)師眼前為之欣喜，成為服裝設(shè)計(jì)師、紡織圖案創(chuàng)意設(shè)計(jì)師最理想的設(shè)計(jì)工具。 AT-ADSL，是矢量電腦分色印花軟件，由浙江杭州宏華電腦技術(shù)有限公司1997年研制成功，是一款對(duì)各種印花圖案進(jìn)編輯、分色、設(shè)計(jì)及其工藝后處理的標(biāo)準(zhǔn)程序軟件。AT-ADSL是印花CAD領(lǐng)域的先驅(qū)，它可以快捷的分色描稿、真正

13、的矢量化處理、并有獨(dú)創(chuàng)的六分色功能，具有智能化線條描繪功能，可以輕松的處理超大型的圖像。新的版本增加了更多的新功能:對(duì)于掃描圖像可以去除網(wǎng)紋;可以調(diào)整圖像的明亮度和對(duì)比度:增加了噴筆的多種效果，可以繪制風(fēng)格各異的圖案；它的對(duì)于圖案的強(qiáng)大的連曬功能也給設(shè)計(jì)師提供了極大的便利。AT-ADSL友好的界面、強(qiáng)大的功能和方便的操作已經(jīng)得到用戶的青睞，是電腦印花分色設(shè)計(jì)系統(tǒng)的再一次突破。 金昌印花EX900O分色系統(tǒng)，是金昌軟件開發(fā)公司研發(fā)的分色制版系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)著名的印染分色軟件，其快捷的速度，完善的功能，使得它在印花行業(yè)中占據(jù)一席之地。它具備處理高精度、高難度花稿的能力和無與倫比的可靠性。 1.5基于分

14、形的數(shù)碼紡織藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 目前，常用的紡織品圖案設(shè)計(jì)軟件具有圖像處理能力強(qiáng)，圖案編輯方便、色彩處理豐富等特點(diǎn)，但與市場(chǎng)對(duì)紡織品設(shè)計(jì)的要求相比，仍一些不足，一是對(duì)設(shè)計(jì)者的依耐性很高，如果沒有一定的藝術(shù)修養(yǎng)一級(jí)對(duì)這些軟件的熟練掌握，無法創(chuàng)作出別致新穎的設(shè)計(jì)圖案；二是圖案設(shè)計(jì)速度慢，需要多天的時(shí)間；三是對(duì)素材要求較高，缺乏素材后果嚴(yán)重。 為此，本設(shè)計(jì)把分形理論引進(jìn)紡織品圖案設(shè)計(jì)過程中來，運(yùn)用Visual C+6.0作為軟件開發(fā)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開發(fā)出一個(gè)具有人機(jī)交互界面的圖案分形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采取理論比較成熟的四個(gè)分形圖形產(chǎn)生子系統(tǒng)組成，它們分別是函數(shù)遞歸分形系統(tǒng)、林氏系統(tǒng)（L系統(tǒng)）、迭代函數(shù)系統(tǒng)分形系統(tǒng)

15、和復(fù)數(shù)運(yùn)算與點(diǎn)列迭代分形系統(tǒng)。 函數(shù)遞歸分形生成系統(tǒng)，它生成原理是一個(gè)由線段組成的圖形，將原圖的每個(gè)線段單元用縮小后的原圖代替，反復(fù)迭代，生成圖形。通過定義一個(gè)由線段組成的簡(jiǎn)單圖形，反復(fù)迭代，生成復(fù)雜的分形圖形。 林氏系統(tǒng)，又稱L系統(tǒng)，實(shí)際上是一種字符串重寫系統(tǒng)。它主要由一個(gè)公理(原始符串)和一組替代規(guī)則（字符串產(chǎn)生式）組成，通過字符反復(fù)迭代替換生成復(fù)雜長(zhǎng)字符串，再用字符控制龜標(biāo)繪制圖形。 迭代函數(shù)系統(tǒng)分形系，由多條線性變換規(guī)則組成，每個(gè)規(guī)則把坐標(biāo)點(diǎn)<x,y>進(jìn)行線性變換<x=ax+by+e,y=cx+dy+f>,每個(gè)變換規(guī)則按某種概率分布，隨機(jī)的采用各個(gè)規(guī)則進(jìn)行變換，

16、最后根據(jù)生成的所有點(diǎn)<x,y>繪制圖形。 復(fù)數(shù)運(yùn)算與點(diǎn)列迭代分形系統(tǒng)，主要是通過產(chǎn)生芒德勃羅集（Mandelbrot set）、朱麗亞集(Julia)和牛頓盆 (NewTon basin)這三個(gè)經(jīng)典的復(fù)數(shù)分形圖，因?yàn)檫@三個(gè)圖可以無限放大，因此，這三個(gè)圖形內(nèi)部包含了無數(shù)個(gè)形態(tài)各異的分形子圖，設(shè)計(jì)者可以查看放大后的圖片，選取一部分作為自己的設(shè)計(jì)之用。 該圖案分形設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有生成方法多樣、圖形參數(shù)輸入簡(jiǎn)單、生成原理易于理解等特點(diǎn)，生成的圖形既源于現(xiàn)實(shí)世界，又不同于現(xiàn)實(shí)世界，內(nèi)涵豐富、形狀多樣，可成為圖案設(shè)計(jì)者創(chuàng)意設(shè)計(jì)的重要來源之一。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有分形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和初步的圖像編輯處理功

17、能，使設(shè)計(jì)者更方便地進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)創(chuàng)作。 1.6紡織品分形設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，分形的發(fā)展很快，特別是在應(yīng)用方面，在物理相變理論、材料的結(jié)構(gòu)與控制、力學(xué)中的斷裂、高分子鏈的聚合、自然圖形的模擬、酶的生長(zhǎng)等領(lǐng)域取得了令人矚目的成果。在應(yīng)用學(xué)科和計(jì)算機(jī)圖形的推動(dòng)下，分形的隨機(jī)理論，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的吸引子理論與分形的局部結(jié)構(gòu)等方面也獲得了較深入的研究結(jié)果。 在應(yīng)用于紡織品圖案設(shè)計(jì)方面，也有人進(jìn)行了嘗試，取得了一些成果，但許多應(yīng)用方法單一，缺乏系統(tǒng)性，有很大的局限性。到目前為止，尚一款成熟的基于分形的紡織品圖案通用設(shè)計(jì)軟件。因些，研發(fā)一種集多種分形方法的功能強(qiáng)大的通用紡織品圖案設(shè)計(jì)軟件非常有

18、必要。 1.7 Visual C+ 6.0簡(jiǎn)介 Visual C+ (簡(jiǎn)稱VC)是在Windows平臺(tái)下構(gòu)建32位應(yīng)用程序的強(qiáng)大而又復(fù)雜的可視化軟件開發(fā)工具，是目前世界上使用最多的開發(fā)工具之一。VC+的應(yīng)用非常廣泛，從桌面應(yīng)用程序到服務(wù)器端軟件，從系統(tǒng)軟件到應(yīng)用軟件，從單機(jī)程序到分布式應(yīng)用程序，從圖形圖像處理到游戲的開發(fā)，VC+無所不在。自1993年Microsoft公司推出Visual C+1.0后，隨著其新版本的不斷問世，Visual C+已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開發(fā)的首選工具。 Visual C+6.0不僅是一個(gè)C+編譯器，而且是一個(gè)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment,IDE）。Visual C+6.0由許多組件組成，包括編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)ppWizard、類向?qū)lass Wizard等開發(fā)工具。 這些組件通過一個(gè)名為Developer St