（控制理论与控制工程专业论文）织物模拟中纹理问题的研究.pdf

辩珏夫攀磋士学檀豫空 藕要 绞耪模掇技术鬟藤诗算掇建立缪线兰维模蘑，处瑗纱线绞瀵数舞，禳撂织镑 编织模式，再结合计算机图形缭制技术，表现织物的舆安感视觉效果。织物模拟 在国蠹缔邑毒较长跨越磁究，绻瑗了耱娄多静成栗，藏魇系统穗陆续怒璃，慕各 项性貔已接近迭到实际j 燕用水平。 声 零文赞霹挺麓缓糖黪有数工艺、浆织，综会蓬蠹努褒春熬缳穆蒺熬援零，提 出若千实现方懿并分析其优缺点，实现艇杂度镣因素；结合实骏室和个人现有的 磷窕承擎，赞趱英孛种方案及箕绞理薅嚣，送孬实繇磅究弱浮发，袋暴霉蘩我 们取樽的成果，指出方案中存在的问题和我们将来的工作。 凇寰瑗秀察莓毙建立纱线攘墼，努辑辏入绞缀c a d 文黉巾瓣缀缀信塞，缝 台图形绘制技术输出效果图。纱线模型w 以从输入的纱线数码黼像中分析其形状 黪堑势黢来建盛，但避常我识凭壹观感激建立数学表达式，觋察生裁懿缝累袋调 整表达忒的参数，甚至建立更宠善的袭这式：黼对我们遮用数碣图像中的纹理特 征来筏饿对纱线复杂微溉结构的建模，褥又裁满足表现纱线豹凝实感效果；绪会 模型秘纹理，遮雳绞壤捷静技术，我稍生成遥囊的纱线。 ，主一 本实现方鬃涉及剥牧理分析、综合，纹理蛾射，掇拖织物三维组织分析等技 术，论文主要对每绞理挺关静技术露一定斡霹谕，绞瑷分糈运怒频谱、夺波分褥 或马可夫随机场建模纹理图像猩空间上的分布特征，纹理基元的种类和其分布。 纹瑾鲸会在输入一枣块鹣纹理基磁主垒藏荏薏：大夺斡绞理，考我锯话缨分辨这嚣 块纹理时，感馓它们是相同的。纹理映射把纹璁图像映射到三维物体表黼上，谯 耱薅务装蕹士缎壤不会交落窝勰鞭，两羹毒摄好静努辨搴。 堂磐查兰堡生兰垡笙茎 a b t r a c t w eu s e c o m p u t e rt om o d e l 孓dy a m s 。p r o c e s st e x t u r ei m a g ed a t aa n d p r o d u c ei m a g eo fv i s u a le f f e c tb yc o m p u t e rg r a p h i c s a c c o r d i n gt h ek n i t t i n g p a t t e m ，i ns i m u l a t i o no f f a b r i c i t sb e e ns e v e r a ly e a r sw er e s e a r c h e di nt h i s p r o j e c t ，b o t hi n t e m a la n de x t e r n a l m a n yt e c h n i q u e sh a v e o b t a i n e da n ds o m e a p p l i c a | i o ns y s t e m se m e r g e d m o s t o ff u n c t i o n sa l e a p p r o a c h i n gp r a c t i c e i nt h i s p a p e rw ef i r s ts u g g e s t ss o m es c h e m e sa l o n gw i t hs p e c i f i co f j a c q u a r df a b r i cc o m b i n e dw i t h l a t e s tg r a 曲 c 霉a n dv i s i o nt e c h n i q u e sa n d c o m p a r e st h e rf u n c t i o n s 。a d v a n t a g e c o m p l e x i t i e sa n ds oo n w ew o r k e do n o n eo ft h e s es c h e m e sa tt h ec o n s i d e r a t i o no fo u rr e s e a m hl e v e l l a t e rw e e x h i b i to u rr e s u l t s ，i n d i c s t et h ee x i s t e dp r o b l e m sa n do u rf u t u r ew o r k i nt h i ss c h e m ew em o d e l y a r n sf i r s t ，t h e na n a l y z et h ek n i t t i n gp a t t e r nf r o m i n p u tc a df i l e r e n d e rt h ey a m s i nf a b r i ca n d m a p t e x t u r eo n t o t h e m t h o u g h i t i sp o s s i b l et om o d e lay a m b ye x t r a c t i n gs h a p ef e a t u r ef r o md i g i t a l i z e dy a m i m a g e , w eu s u a l l ym o d e l 珏玲e x p e r i e n c e w ea d j u s tt h ep a r a m e t e mo ft h e m o d e lb y c h e c k i n gt h er e s u l ty a m ，e v e nr e f o r m u l a t et h i sm o d e i i fn o ts a t i s f i e d w eu s et h et e x t u r ei nt h ey a m i m a g et os i m p l i f yt h em o d e l i n go fc o m p l i c a t e d m i c r o s t r u c l u r eo f y a ma n dt h i s m e t h o dc o u l da s op r o d u c e g o o d r e s u l t c o m b i n e dw i t ht h em o d e la n d t e x t u e 。w eg e tv i s u a ly a m s ， 一 t h i ss c h e m ec o v e r st e c h n i q u e so ft e x t u r ea n a l y s i s ，s y n t h e s i s ，t e x t u r e m a p p i n ga n d3 - dk n i t t i n gp a t t e r na n a l y s i so ff a b d c w ed i s c u s sh e r et h e t e c h n i q u e sr e l a t e dt ot e x t u r e t e x t u r ea n a l y s i su s e sf r e q u e n d - d o m a i n 。w a v e l e t o rm r ft og e tf e a t u r ed i s t r i b u t i o no ft e x t u r ei m a g e , c l a s s e so ft e x e la n dt h e m l eo fp l a c e m e n t 、t e x t u r e s y n t h e s i sg e n e r a t e su n l i m i t e ds i z et e x t u r ei m a g eb y i n p u tap a t c ho fs m a l lt e x t u r e t h o u g hs u f f i c i e n t l yd i f f e r e n t , w h e np e r c e i v e db y h u m a nb e i n g ，t h e ya r es a m eu n d e rs t o c h a s t i c p r o c e s s t e x t u r em a p p i n g t e c h n i q u em a p s t e x t u r eo n t os u r f a c eo f3 - d o b j e c t ，g e n e r a t i n gn oi n t e r r u p t i o n a n y w h e r ea n dh a v i n gf i n er e s o l u t i o n k e y w o r d s t e x t u r e a n a l y s i s a n d s y n t h e s i s , t e x t u r er e a p i n g ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ， m a r k o vr a n d o m f i e l d ( m r f ) 。t e x t u r ea n t i - a l i a s i n g ，t e x t u r e s e g m e n t a t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , a p p r o x i m a t en e a r e s t n e i g h b o r s ，t e x t u r em a t c h 。 b - s p l i n e ，l i g h t i n gm o d e l ，h i e r a r c h i c a lp a t t e r nm a p p i n g f a c e - c l u s t e r , o p e n g l 2 逝垩查兰蹩主! 丝堡塞 第一章绪论 我凿的翁缀工韭在告霆去的几年中获褥了长是的发展，僮也越来越面稿麓多翦 竞争，其发展空间正邂步缩小。与发达豳家相比，我国的纺织工业科技禽量少， 舔葫穗低，逶入f j 橙低。荔予潮构筷镑等特煮，越南、窜度等国象在菜登秀覆已 对我豳的纺织正业构成竞争。成对新形势下的挑战，采用先进适用技术改造纺织 堑，糕璎蓓惑技零提秀矮绞费簸，提鑫统织产麓瓣錾热壤藏受纺织工盈瓣发震趋 势。 第一节织物模拟技术发展现状 农纺织工娥孛，墩絮绫毒、鞭带等撼麓臻兹为栈表黪纺织产熬其有毒萼鼓含量 大，附加值高的特点，是我国纺织业的一个重要发展方向。在发达国家，家纺产 丞在按个纺织正业中占据了缀藤的选重，其生产秘警理懿信息让程度菲卷岗；生 产过稷中广泛采用c a d c a m 技术，机械装备用计算机、光帆电设备集成控 制。我国家纺工业这几车也取褥丁很大的发展：领带占据了世界市场的很大比重， 唐装这几年在鞫内国际枉会上流行。 秃论是国内还是国外企业，采用电子信息技术提升纺织工业，降低成本，缩 短产箍浚诗帮试撵藩麓，搓寒产瑟隰热壤仍瑟羧缓多瀑熬。窝建终辩繇醣掰、企 业进行了大量有意义的研究工掸，开发了许多不错的织物模拟技术；有的诞发展 了一套实验蛙绦舞摸熬系统。这些系统穗用量 舅搬强丈豹数据熟鬻戆力避纷纹理 分析、建模和缘台，提供设计备种纱线的工具，将计算机闺形技术和织造正艺有 效结，配合输入的纹理，输出一幅织物模拟真实感视觉效果图，遁用予窳纺厂 的织物辅助设蕾t 。这些系统具有很强的缓物模拟功能，在很大程度上能代蒋织物 的小样机打样置作。它们具有极好的织物组织输入和纱线设计功熊，可以设计单 色纱、混纺纱、台竣殄、嚣麓畛、毛粒予纱，势能模攒穗这些纱线织成静织耪， 可以随意调整纱线的颜色，甚鼙可以模拟起毛拉毛后整理加工厨织物的表面状 态，势戆在囊缀彩色蠡鞠掇主封露凄遥冀魏绥穆攘粒圈豫纸襻。纛豹系统苓毽戆 用于酱通组织的织物设计，而且可用于复杂组织如纬二熬、经：熬、双层组织包 括表爨抉层组织的织甥设诗。这些系统产生强一般只菘凡十秽镑剿几分铮，丽且 组织、纱线撵列、纱线种类、颜色等均w 随意变换，大大缩短了设计周期和减少 了工 馨量，效率是普通拳工打样的几十倍甚至几百倍。这魑系统弹阕了设计人员 静惹路，提供了一个设计久员翕由骢骋的空闯。 织物模拟系统由此一般可以分为纱线建模系统、纱线纹理分析综合系统( 或 纱线竣铸工具) 及绞翳绘裁系统兰大块。 浙江大学硕士学位论文 纱线建模系统根据纱线参数如直径、颜色和捻度等信息，结合行业工作者的 经验，设计出纱线几何模型的数学表达式；当然我们可以从输入的纱线段数码图 像分析其几何形状特征来建立模型，这需要较强的图像处理技术，通常我们用第 一种方案来实现纱线的建模。 纱线纹理分析综合系统根据输入的纱线段数码图像，应用各种可行的纹理 分析方法( 如数学形态学、分形维数、取f ) 估计纹理特征参数，采用各种纹理 综合策略( 片复制、点或片采样、直方图或非参数睬f 综合) 生成大尺寸的纹理 图像。对织物片纹理进行综合能够生成非常逼真的真实感效果图，如下图所示： f j g 1 1 织物的纹理综合 织物绘制系统根据纱线建模系统生成的纱线库，根据输入纹织c a d 文件中的 信息进行组织分析，结合图形渲染技术和纹理映射技术生成最终效果图。在图形 学中，我们考虑的光源有点光源、线光源和面光源等。由光照明理论可知，一个 完整的光照明模型应该包括八个分量，它们分别表示由光源和环境引起的漫反射 分量、镜面反射分量、规则透射分量以及漫透射分量。仅考虑由光源引起的漫反 射分量和镜面反射分量，而环境反射则简单地用一常数来代替，这类光照明模型 称为局部光照明模型。反之，能同时模拟光源和环境照明效果地光照明模型称为 整体光照明模型，整体光照明模型的典型代表是i t t e d 模型及辐射度模型。织 物模拟应用在一般情况下，织物和光源之间的距离大大超过纱线半径，点光源的 影响已微乎其微，同时为简化计算，通常我们假定光源为平行照射光源。考虑到 纱线的颜色特性，我们主要考虑其光源的漫反射分量、规则透射分量和浸透射分 量，环境光的规则透射分量，其它方向的环境光对被照射点的影响用一常数泛光 项来模拟。 第二节纹理研究的内容 什么是纹理 根据纹理定义域的不同，纹理可分为二维纹理和三维纹理；基于纹理的表现 形式，纹理又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理。颜色纹理指的是呈现在物 体表面上的各种花纹、图案和文字等，如大理石墙面、墙上贴的字画、器皿上的 6 塑望查翌塑主塑堡墨 一。一 图案蒋都哥髓赣琶纹理来模拯。几何纹薅是搐基子景穆表瑟徽鼹允 莓形状静表蟊 纹理，如桔子、树干、岩石、山脉等表顾呈现的凹凸不平的纹理细节。而i 生程纹 理委裘瑷了各秘蔑羽竣不篾蘩瓣动态交纯瓣蠡然豢象，黧瘩渡、嚣、尖、烟雾等 一幅纹理图像可以看成是种或多种纹理凭在= 维空间上周期或隧机地分 毒兹结果。麸数学塞义上巍，纹理露缀怒菜秘纹理嚣性( 包括与毙照爨菠壁及表 面几何有关的各种参数，如表蕊法向量、漫反射系数等) 在某个尺度上其统计特 性处处相同面其细节叉不楣同的二维数学函数。 麓 2 上圉鸯# 纹理，f 圉为薮瑗 特征提墩( f e a t u r ee x t r a c t o n ) 摄摄教磅究斡黠象产垒一缝基本姆短，象毒戳楚待算凄采瓣( 当泼瓣象 是波形或数字图像时) ，也可以时用仪袭或传感器溅量出来的( 淌该对象魁实物 或某种过程时) ，这样产生的特征列擞蹶始特征。原始特挺的数薰缀丈，绞孝说 样本怒处于一个高维空间中，通过映射( 或交换) 的方法可以用低维空间来表示 样本，这个过獠即特征提取。映射后的特征叫二次特征，它们是原始特征的某种 维合( 通常是线往组合) 。所请特征提取在广义士靛是搔种交按。 纹理分析( t e x t u r ea n a l y s i s ) 纹理分辑怒窝橡登瀵荨谖剐照重要戮究癌容箨燕熹乏一。箕关键窝题爨甄楚 抽取有效的纹理特征。遄常希望特征的维数不大，抽取的计算量小，能够对火量未 知类熬熬纹理避短正确瓣分类、分惑秘壤聪。近勰年寒，入朝糖爨了 等多绞理分 析技术f 1 5 】、【1 6 】、【1 7 】，如最初的直方图、频谱分析方法刘最近出现的小 波分掇方法，采用马珂失疆机场的统计分析方法釉结构分析，数学形态学蒜。 马可夹随机场( m a r k o vr a n d o mf i e l d ，l e f ) 马可夫随机场模型是由o g e l l a r l 和s g e s a r l 在1 9 8 4 年提出的，是马硝夫髓 橇遘獠程二维参数集孛魏接广；佟为一种籀述鹜像绩摘懿概率壤黧，它己广泛应 浙江大学顿士学位论文 薅予黧像分裁、露像谈嬲、圈像恢复、纹理分耩、图豫黧译等领域，其突蹬特森 是通过适当定义的领域系和相废的连通系上的能量函数引入了结构信息。由于它 毒攒熬退吠雾法熬支持，在楚像处瑾镶壤方特豫戆震途。邻壤m f 瓣数学定义絮 下： 设善= j 驽，毛，奄是蘸枫场，n = w o ，毛歹奄是邻域系，篓| l 翔纂瓣一切 ( j 力群1 x 1 ，肖： p 而= 唧i 妇= ，( 女，z ) 辅( f d 。p 而；峋 嘲= x d ，( 七，) 的j 藏髂x 是关予锫域系l 瓣i l r f 。 i r f 定义的直观意义是，如果把o ，力看作为“将来”，而把 0 肴作“现在”， 所有冀它的o ，j ) 看俸“过去”，财在已知“现在”的状态条件下，过程的“将 来”默态豹擐攀与其“过去”瓣状态光关。挨令角度采漤，瓴力只受裂茭题墨 点即m ，的影响，而与其它的点无关。 纹瑾综合( t e x t u r es y n t h e s i s ) 纹理综合阔题可以描述如下：给定一个纹理图像岛，我们生成一个新豹纹 二 理，口螂，与原纹理图像脊巨大麓异，但观察者观察这个纹理时，感觉这两个纹理 是遥遐一令稳溺豹痣程滚视遂瓣生残熬。 如下蹦所示； 驽酬萎暴 f 埘1 3 纹磺综合介绸 纹理欢射( t e x t u r e 髓弦i 姆) 纹理映射一般可以分为二缳纹理映射、几何( 凹凸) 纹理映射和三维( 体) 纹理映射。 二缝纹疆! 映射实质上楚获二维纹理平瑟封三维豢物袁黼的一个映射。一般来 塑坚查兰堡主兰堡堡兰 说，二维纹理定义在一平面区域上，它可以用数学函数解析的表达，亦可以用各 种数字化图像来离散定义。这样，该平面区域上的每一点处，均定义有一灰度值 或颜色值。我们称该平面区域为纹理空间。在图形绘制时，应用纹理映射方法可 以方便的确定景物表面上任一可见点p 在纹理空间中的对应位置( u ，v ) ，而( u ， v ) 处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面在p 点处的籀种纹理属性。这 里所指的纹理属性包括与光照明模型及表面几何有关的各种参数，如表面法向 量、漫反射系数等。 二维纹理映射只能在光滑表面上描绘各种事先定义的花纹图案，但不能表现 由于表面的微观几何形状凹凸不平而呈现出来的粗糙质感。1 9 7 8 年，b ii n n 提出 了一种无需修改表面几何模型，既能模拟表面凹凸不平效果的有效方法一一几何 ( 凹凸) 纹理映射( b o m p = a p p i r i g ) 技术。该技术通过对景物表面各采样点的位 置作微小扰动来改变表面的微观几何形状，从而引起景物表面的法向量的扰动。 由于表面光亮度是景物表面的法向量的函数，上述法向量的扰动必将导致表面光 亮度的突变，从而产生了表面凹凸不平的真实感效果。值得注意的是，并不是任 一扰动方法都能获得逼真的凹凸纹理效果。一般来说，一个好的扰动方法应使得 扰动后得法向量不依赖于表面得朝向和位置，不论表面如何运动或观察者从哪一 方向观察表面，扰动后的表面法向量保持不变。 三维纹理映射又称体纹理映射技术，这种方法将三维纹理函数直接定义在三 维空间中，因而纹理空间与景物空间是等同的，可通过空间嵌入来实现纹理映射， 嵌入在三维纹理空间中的景物表面的纹理属性由该表面与三维纹理场的交来确 定。将景物嵌入到纹理空间的过程也就是三维纹理映射的过程，这只需将景物变 换到纹理空间的局部坐标系中即可。 伴随着纹理映射技术的发展，纹理反走样( a n t i a li a s i n g ) 技术也得到了 极大的发展。 一 纹理反走样( a n t i a ii a s i n ( j ) 反走样是纹理映射技术中的一个重要研究内容。注意到纹理映射常涉及到将 一纹理图案映射到不同大小的景物表面上，当各屏幕象素中的可见曲面区域与纹 理象素的大小相匹配时，它们之间形成一对一的映射。而当景物表面在屏幕上的 投影区域较小时，位于一个屏幕象素内的曲面区域映射到纹理平面上后可能覆盖 多个纹理象素，因此，必须取这一区域上纹理象素颜色的平均值作为当前屏幕象 索内可见区域的平均纹理属性。若仍基于屏幕象素中心在纹理平面上作点采样， 则会导致严重的走样现象。如考虑将一黑白方格的图案映射到一景物表面上，若 景物离视点非常远，且它在屏幕上的投影只覆盖一个象素，此时，若取该象素中 心点作纹理采样，则该物体显示的颜色将完全是黑色或白色。当物体运动时，将 会出现严重的闪烁现象。 浙江大学硕士学位论文 织物模拟系统综合运用上述技术，结合计算机图形技术和织造工艺，实现织 物真实感视觉效果的模拟。织物模拟系统输入在纹织c a d 中设计的作品，分析其 组织工艺，配合输入的纹理，设置光照明模型，纱线材质属性( 表面的漫反射系 数、表面的镜面反射系数、透明度、表面法向量、环境漫反射和镜面f ：s d l 十等) ， 进行场景渲染和纹理映射，输出一幅织物模拟真实感视觉效果图。 纹理的计算机模拟 计算机自然纹理模拟是计算机图形学中重要的领域之一，对于表现物体的色 彩、质感起着关键的作用。利用不同物体的几何构成和灰度上的差别，已发展了 多种纹理模拟和生成的方法。根据生成方法的不同可以把纹理分为二维( 表面) 纹理和三维( 体) 纹理两种。二维表面纹理是通过纹理映射生成的，从数学上讲， 它是一种二维图象到空间曲面的映射，即把带有材质纹路特点的平面图象“包 裹”到三维物体的表面上。二维纹理技术虽然已经发展得很成熟，应用非常广泛， 但它存在几个难以克服的缺点：一是纹理拼接问题，在边界上难以处理；二是由 于平面图象的离散性，放缩时有马赛克现象，需要单独处理。而三维纹理的思想 是：定义一个三维实体空间，在其中对每种纹理直接建模，空间任意曲面的纹理 可以通过计算其在纹理空间的颜色来得到。同时，为了增强真实性，还用噪声的 方法对纹理空间进行扰动，使纹理更为自然。与二维纹理不同，三维纹理中的纹 路不是从平面图象中得到，而是直接由算法生成的，因此，也被称为过程性纹理。 参考文献 【1 1 】s z l i m a r k o vr a n d o mf i e l d m o d e l i n g i n c o m p u t e rv i s i o n h t t o ：l l w w w v i s i o n e e e t h z c h l - r p a , q e t j m a r k o v l b o o k h t m l 。 【1 2 1 彭群生，鲍虎军，金小刚编著计算机真实感图形的算法基础科学出 版社，1 9 9 9 一 【1 3 】边肇祺，张学工等编著模式识别第二版清华大学出版社，1 9 9 9 【1 4 1 章毓晋编著图像处理和分析清华大学出版社，1 9 9 9 【1 1 5 】h a r a l i c kr m s t a t i s t i c a la n ds t r u c t u r a la p p r o a c h e st ot e x t u r e p r o ci e e e 1 9 7 9 ，6 7 ：7 8 6 8 0 4 【1 6 】g o o llv ，d e w a e l ep ，o s t r e d i n c k t e x t u r ea n a l y s i sa n n o1 9 8 3 c o m p u t e r v i s i o ng r a p h i c si m a g e p r o c e s s i n g ，19 8 5 。2 9 ：3 3 6 3 5 7 n 7 1r e e dtr ，d u b u fjmh ar e v i e wo fr e c e n tt e x t u r es e g m e n t a t i o na n d f e a t u r ee x t r a c t i o nt e c h n i q u e s i m a g e u n d e r s t a n d i n g 。1 9 9 3 。5 7 ：3 5 9 3 7 2 1 0 堂坚查竺堡圭兰垒笙塞 第二章若干模拟实现方案 最初绘制其有重鬟模式的嘏质物体酱遍采用体纹理技术【2 1 】、【2 2 】最早 的体纹理模型，我们称乏为纹溅基元，出k a ji y a 和峨1 驰9 年提出【2 1 】。采用 这种模型绘制的玩其熊至今仍瀚是毛皮物体模掾中最成功之一：所用到鲍光线蹑 踪算法仍是绘制该类场景中最常见的算法。其它绘制毛皮物体的算法包括g o l d b a n 的毛蔽仿造绘潮2 霹藕l e n g y e t 弱实辩蓖皮绘锅箨法2 。蟠。孙l 葫糙b 拜l 稷率竞爨 明模溅在一般视点距离绘制一件覆盖琶皮的大衣。l e g y e l 用a i p h a - b l e n d i n g 技术 窝薅纹理近议绘制毛覆。 织物绘制和其它黾皮物体相比有其妈众不同的特性。织物真实感模拟的一个 障碍愁纱线复杂的微残结籀，尤其是那热由多根细小纡缎构成的纱线，虽纱线和 编织的尺寸超过纤维的尺寸，所以排除采用b i d i r e c t i o n a | r e f l e c t a n c e d i s t r i b u c i o nf u n c t i o n ( b r d f ) 模型。阕形学研究者运用体绘制技术已经有效的 在乎瑟上实瑷纱线鹊徽溪结摘【2 5 】、【2 秘、【2 7 】。餐【2 6 】孛奔绍的蠢缓缳踪 算法裔三个主要缺点：计算复杂，用户必须对不同的组织创建不同的体纹理( 这 对于复杂组缓豹建搂鸯缀大嚣髌) ，当织魏交形瓣会密瑷鼹显懿痰霰 ( a r t i f a c t s ) 。在【2 7 】中介绍了用g o u r a u d 明略处理三角简片建模纱线的微观结 构，在一敷视轰距离- f 该技术表现了很好的效聚，但没露解决避襁踅下弱效果。 本章结合瞄前最新的绘镥技术、建秽方法和织物模拟应用的特点，提出了若 干实现方案，并根据其实现特点，分析相应的优缺点，如算法复杂度、多分溪率、 天祝交蓝以及w 扩展饺等。由予我们主餮针对绞织织物避行模拟，奄普通织物( 各 种平纹、斜纹布等) 、编织物( 针织物、泡衣等) 、绣花品等最大的不同在于其独 特静缀织结褥；整无论舞 莓静实瑶方案，蒸三绫组缓分褥都燕糕弱酶，我们在 下一章简要介绢三维组织分析的方法。 第一节基于纱线裁片模型的绘制 窳狻羹实感模按豹一伞障褥楚纱线簧蘩静稳l 麓结梅，党萁是那些垂多校缨，j 、 纤维构成的纱线。过去对于复杂组织织物和多分辨率功能的实现方法上需要大量 趣 卡冀帮存貉资源，瑟爨掰采媛熬辏墼爨生残麴效莱囊在囊实惑方覆爨毒缎多工 作。采用何种适当的模溅并在此之上研究有效的簿法来表现纱线的微观结构是研 究的黛点。我们注意到纱线横裁葱能够幸# 秀织物的基本建攘零嚣( 筵髂为裁 片) 【2 1 0 ，它描述了纱线横截筒的作用半径，能有效的处理如纤维间的遮挡、 阴影和多重敖射等问题。通过以一系列相似且旋转的纱线载片，能比较有效舶表 现势 褥瓣微蕊鳐梅帮任意静绫镑缀织；潜游基予耩翟静这种策略畿维荮的椴据褫 塑垩奎兰照主兰量堂巍一 点及鞭离调整输出图像的分辩攀* f i g 2 左圈：裁片如何构成纱线；右圈：擞成的纱线 f i g ，2 1 巾左图左上角表永了纱线横截面上纤维( 绒毛) 静褥度分布，沿垂 直方向纱线裁片逆时针旋转，构成一根纱线；纱线横截谢上纤维的密度分布能唯 一确定纱线静鞭数、妻径，旋转角度瓣决定了纱线静捻囊。右圈鬟示7 生成豹纱 线。 我袋逶避嚣令爱次建模实瑷织耪效莱罄豹绘裁： 1 局部建模：用纱线裁片来表现纤维张微观结构上形状和相互作用，我 薛】锻定横截嚣上纡镶( 绒毛) 遵守定鲍密度分蠢函数。 2 全尚建横：根据输入纹织c a d 文件中的组织信息，织物由纱线按照相 应的编织方式表示，面纱线可以表示为一系列不同位援和定向的相似 裁冀的缝合。 + 这种基于裁片的织物绘制礴下列优点： 。藩都鹫彤及效暴霹班鬏受诗算著麓手整个参 耱豹缭爨孛。 2 采用啊i p - i g a p s 相似的数据结构和算法，由多精度裁片能方便的得 到困视点交让g 趣豹不瓣层次缨第粒效累蓬。 3 织物组织与运动物理模型结合能歼发织物动画等皮用。 4 与光线耀踪算法相比，蒸于裁片信息绘制的任意缎织织物有更好 的视觉效粟和较小的计算代价。 基于裁片的纱线建模是一个有效可行的解决途径，但纱线种类繁多，测量横 截瑟上纤维鸯爱分森饕常困难，蔼虽这静方法逶麓子虢罨特征 常琚显豹纱线， 一旦织物纬密较高或纱线比较致密，该模型中纤维分布衡度显得多余。 裁片接述了蠢髂豢( v o x e l s ) 撼成麴纱线豹横敲嚣。舄簿令薅素褪联系懿濯缝 数组包括透明度和反射函数，反射函数寝示了单位强度光从方向l ( e t 咖) ，照射 舞体豢并向矿蛾靠) 方向发射的强度。麓传统的姝酐不简之处在子我们考虑了 光经道周嗣纱线导致舶强度衰减，弗用传素反射函数( v o x e lr e f l e c t a n c e f u n c t i o n ，v r f ) 来计冀。 浙江大学磁士学位论文 。裁片酶计算 如上所述，每个裁片有两个相关量，绒毛透明度和v p , f ；透暇度由绒范密度 分毒审接导爨，籀f i g 。2 1 左黧掰示，势覆定对耀一蔽纱线囊毒裁冀透骥菠分毒 都是相同的。我们的v r f 由参数( 从体素p 出射的半径) 给出- 需要考虑三个 基本物理因素：绒毛密度p p ，纱线光照模登掣和相邻 拳綮n 经多重散射盼光照 分毒钿。这些医素对彩豹影响为： r p = 乃甲u p + 屯芝，唧) ， 辩 其中屯是光照强度，劐体素p 的衰减因子。甲莱用【2 8 】中的光照模型和2 9 】 中静0 ，瑟知= 龟，7 麓拜，其中燕光线在纱线毯戮鑫憨入翻点，芦憝光线 传输疑减因子一定，可以写为： r p ( 岛，嘞，靠，如) = 如c 卿，卉，岛，如) ， 其中1 ( 岛，卉，邬，九) 。j 掣( 研，卉，岛，九) 陋，善或+ f 。厶。驴( 绣，仍) 】 c _ 帮为v r f ，楚岛，卉，瓯，蟊的豳维函数，o e o , 2 _ r ，卉e 卜，】。 为达到更强鲍簇实感，考虑纱线蠹纾维的多重教射，相邻体素n 攫方囱缎，舞) 对 p 的多重散射计算为： i 御( e i ，氟) ：腑v ( 岛，舞_ 晚，磊扣一7 荟只 在实鼯座霞中，考瘩一次邻域瓣豁髂素戆影穗8 经赞瀵怒要袁了。 我们预先计算纱线裁片并存于表中，一个由( 既，九) 索引的v r f 的2 维r g b 颜色袭盒透瞒发表。 2 纱线半径的计算 默褫点v 溅察靛纱线半径r 诗算巍： r ：p 罗。一r 洗n 心 p = p n e a r 如图所示： 浙江大学颟士学位论文 一t f i g 2 2 从横截面计算半径用种发光_ 吸收模型，计算从榄点v 观察，晶m r 到r 翔体豢怼半经豹撵震。 第嚣节基于组织信息的纹理拼接 懿莱织耪戆够鬏聚缱织蠹慧分残餮鬟貔、不相互融会或交叉瓣若于嚣域，每 块内的组织相同，那么最终生成的织物在每块内的纹理储息是相同的，我们可以 逶过纹理综合戆方法，出该块a 憾形状投卷l 生成提应的绞理块，攒接各纹理块组 合成熬幅效果圈。 根据输入盼文件信息，容易把整个织物分成组织不阿的若干区域。其余纹理 拼接w 采用【2 1 1 中绘出的算法：给定任意形状的“包释器”圈豫和任意形状的 “瓷片”图像集合，选择与目标区域颜色相近的“瓷片”，若有必要可对其作细 镞豹黛形，然螽尽可戆致密豹搂充“毽容器”，疆终褥到鞍妊褫觉效莱瓣黼豫。 如f i g 2 ，3 所永： f i g 2 3 图像拼版马赛克算法以任意形状的“包容器”图像和任意形状的“瓷片一圈像集合 ( 左) 作为辕入并生残马囊巍辕出( 裘) 。该算竣选择与彝标区壤颧色提近鲍“瓷片气落有必 要可对其作细微的变形，然后尽可耱致密的填充“包容器”，生成较令人满意图像 在织物模掀中r 我们裰据织锈不丽维织分成若干区域，作为“包容器”，选 | 4 塑坚查璺媛主丝笙杰一 取一块纸耪躐一段爹绫蓬豫穆舞8 瓷劈”。堂“憩容器”静一羹嚣壤蓑犬辩，我 们采用第四颦中的纹理综合算 袅生成大的纹理域犬“瓷片”。 这释绞囊爨菠方法鲶琏煮程予霹簿释缀錾、颜色、纱凌弹炭豹交识，都簧 要创建相应的纹理，撵致纹理艨相当的庞大。姗集织物组织或颜色变化较频繁， 鬏掇缀织分裁成熬嚣域薅 # 鬻零簿，缀难运用纹理爨凌梅疆整壤霉象。璐显要求 效果阁上的簿琰纹理酝域是任j 敷几何澎状( 至少也要求媾任意凸的) ，但撼孵在块 边界上纹理效巢将会下降，甚至产生错误。该方法最主爨的难点趣在于如何攒接 各绞瑗块。螽亏：组织躐纱线静变诧，在褫觉效暴上，嚣淡之舞会霄较臻嚣瓣努雾 线 但在编织上，它们之间有对接关系，纱线之间需要形成一定的交错。我们根 据缀鳜信患麓毙臻意簿块逮器楚静纹理，蒸惹黜i 逶孬鼹巅绽骥绦台冀法赛瑗。 值得注意的鼹，每块纹理内部褒现的纱线位置等信息可髓与实际的组织不同，即 我翁产生瓣袋聚鎏势举蹙严捺按照耱入戆绞缳濑文群串翁痿惑剖建熬，健该结 果圈成能很好的表现寓际织物的视觉效果。 与其它缀燧模拟方法相比，绞理拼接嘉法只嚣要在块级上避行综念，不需 要对每程纱绫进行摸羧，雨且纹理中保留了最落蘑像中所有虢缭麓结采。不需要 设最光源、纱线模型、颜色参数来计算效果图，因此在模拟阶段船显著降低计算 复杂褒裙癌存港耗。荣耀最舞靛缓理缭会按寒，藤上会毽缝璎_ 块边赛，瘦辘满足 织物模拟应用的需求。但该方法舶缺点也是显丽易见的，融于没有采用模溅计算， 热鬃输天嚣纹缀渤文件静参数毒些诲转交耗，艇簧要效交辕入绞毽；穰难热天 新的_ 陂用到蕊统中。 第三节基于纱线纹鹱与脯模型的绘制 逸是i i 前纺织工业中应用比较普遍的织物模拟算法。纺织业中榱据蓿午参数 蒺料、颜色、蠹径、捻度等鬻纱线努类，囊辩狭定予纱线爱射参数等颜惫瑶蛙， 捻度对纱线的绒毛有定的影嗡。我们w 以根错这些参数建立纱线模型，结台输 入纹织c a d 文件的组织信息绘露效果爨。 貉。舅骖绫模登鹤方法符合襄安惑窝彩绘截翁基本多獠，是一耱狠遥瘸懿实瑗 算法一由于纱线采用模型来表现，当改变其中的项参数时，很氍易生成新的纱 线，扶嚣诱节整兮织勤酶最终效象，这在织蘩糖缀嚣惑上茏箕羹簧，嚣辩专鼗美 术设计师对颜色非常敏感，能轻易的发现设计的c a b 图察与最终缴造出实物问细 赣鹣黻色差裂。霹露我爨姥基于运释摸受，援掇糁毽运妨概理建嶷瀵知鬻鸯蓬最 飘动渤画等鼹鬣杂的威用。 姬侮建立纱线摸囊楚本方竣中最关键的瀑题。我弱霹毅攫据纱缝壹经、捻瘦 等参数建立a 俺形状t 不同于第一节中黻横截丽密度分布函数来寝现复合纤维表 浙江大学硕士学位论丈 面复杂的微观结构，我们可戬通过纹理特往来簿纯辩纱线细节的薅模，兰l 纱线篦 较致密，织物纬密很高时，其绒毛等特性影响比较小，此时纹理能近似表示纱线 酶褫懿效果。对于象秀衣这样边莽其有率富绒纛戆编织耪，我餐矮南子采孀第一 节中的裁片模趔来实现，但在随纬密织物时，不如建立纱线几何模型直接有效。 与第二秘方法襁觳，对不弱魏纱线，我钠簧要找翻摇应熬纹理，这藏要求建立庞 大的纹理库，不同之处在于。纹理拼接算法需簧对每种缎织、颜德创建相应的纹 理，黼这里我们只嚣要对每种类的纱线建立纹理，其蓐w 以大大缀小，面鼠基于 模螫的体系结构带来系统的可伸缩性。 采用这种方法遇到的一个问题是，模拟出来的纱线象一条条囊线段，周一种 纱线鼹所有旃健在缀秘中风孚楚处稳丽，这将使输出圈j # 常静不鸯然，瑟实际静 织物憩会有一定的纱线弯曲和变形，颜色上的变化。我们( 一般滗法用精确的数 学遘程来表这这耱褒象) 逶过程绘素遘稷孛叠热会逶熬熬糗干挽来实瑷逮耱蠡熬 效果。随机干扰可以叠加到多个参量上，常用的是纱线几何形状和颜色纹理。下 图掰零是见姆形捩叠热髓极于扰豹效果。 f ( b “ 一 f i g 。2 4 a 无琏机半拢b ) 小随枫干扰：c ) 丈随极干扰。 可戳发现，该算法综合了纱线模型鞠纹理拼按算法的若干特点，无论碰计算 复杂殿和可扩展性上都有比较优势。本文下面将对这种算法作更详细的描述。 参考文献 【2 1 】j t k a j i y aa n dt l k a y r e n d e d n gf u rw i t ht h r e ed i m e n s i o n a lt e x t u r e s c o m p u t e rg r a p h i c s ( p r o c e e d i n g so fs i g g r a p h 跚，2 3 ( 3 ) ：2 7 1 - 2 8 0 ，j u l y 1 9 8 9 猛。萄f 。n e y m t 。m o d e l i n g ，a n i m a t i n g ，a n dr e n d e r i n gc o m p l e xs c e n e su s i n g v o l u m e t r i ct e x t u r e s i e e et r a n s a c t i o n s o nv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e r g r a p h i c s ，4 ( 1 ) ：5 5 - 7 0 。j a n u a r y - m a r c h1 9 9 8 【2 3 ld b g o l d m a n f a k ef u r r e n d e n n g p r o c e e d i n g so fs i g g r a p hg t , 1 6 塑坚垄兰堡主! 坠垒茎 一 p a g e s1 2 7 - 1 3 4 ，a u g u s t1 9 9 7 f 2 4 lj l e n g y e l r e a l - t i m ef u r e u r o g r a p h i c sr e n d e r i n gw o r k s h o p2 0 0 0 , p a g e s2 4 3 - 2 5 6 ，j u n e 2 0 0 0 【2 5 】e g r o l l e r ，r t r a u ，a n dw s t r a i n e r m o d e l i n ga n dv i s u a l i z a t i o n o f k n i t w e a r 1 e e et r a n s a c t i o n so nv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s 。 1 ( 4 ) ：3 0 2 - 3 1 0 ，d e c e m b e r 1 9 9 5 【2 6 e g r o l l e r ，r t r a u ，a n d w s t r a l j e r m o d e l i n g t e x t i l e sa st h r e e d i m e n s i o n a l t e x t u r e s e u r o g r a p h i c sr e n d e r i n gw o r k s h o p1 9 9 6 ，p a g e s 2 0 孓之1 4 j u n e1 9 9 6 2 7 】h z h o n g ，y x u ，b g u o ，a n dh 。s h u m r e a l i s t i ca n de f f i c i e n tr e n d e d n go f f r e e - f o r mk n i t w e a r j o u r n a lo fv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e ra n i m a t i o n ， s p e c i a li s s u eo nc l o t hs i m u l a t i o n 2 0 0 0 f 2 8 】j t k a j i y aa n dt l k a y r e n d e d n gf u r w i t ht h r e ed i m e n s i o n a l t e x t u r e s c o m p u t e rg r a p h , s ( p r o c e e d i n g so f s i g g r a p he g ) ，2 3 ( 3 ) ：2 7 1 - 2 8 0 ， j u l y1 9 8 9 1 2 9 】s c h a n d r a s e k a r r a d i a u v et r a n s f e r d o v e rp u b l i c a t i o n s ，n e wy o r k 。 1 9 6 0 f 2 1 0 】h z h o n g y x u ，b g u o ，a n dh s h u m r e a l i s t i ca n de f f i c i e n tr e n d e r i n g o ff r e e - f o r mk n i