（系统分析与集成专业论文）织物场景模拟系统.pdf

塑坚查兰堡主兰垡堡奎! 曼2 签2 2 6 垄薹 摘要 为了缩短开发时间，减少织物设计开销，并在企业和客户间建立起有效的沟 通，使得设计人员可以在设计之初就对所设计产品的效果进行模拟，这种纺织 c a d 软件发展的现状需要专门开发针对织物的真实感效果模拟的软件。 本课题根据纺织c a d 技术发展的现状需要，并结合织物场景模拟的理论算 法基础，提出一种较为真实地进行织物场景模拟的设计方案及实现方法，并取得 了较好的模拟效果。 本文的主要工作有： 1 网格划分模块中利用双线性插值的方法进行网格划分；并提出了一种网格的 动态实时调整方案，使得网格能够更加真实地体现原始场景的褶皱效果。 2 纹理映射模块中应用一种简单、高效的插值算法对物体表面细节进行贴图， 并添加了对明暗效果的处理，提取原场景图亮度与模拟纹理亮度按一定比例 进行叠加，较好地解决了纹理映射中的亮度补偿问题，进一步提高场景模拟 的真实感效果。 该系统能够较好地实现纺织品在不同场景中的真实感效果展示，用户不仅可 以将该模拟系统作为推销手段，也可将其作为服饰面料设计的c a d 辅助工具， 具有很强的实用价值。 关键词：纺织c a d 、曲线拟合、网格划分、实时重绘、纹理跌射、图形用户界 面 浙江大学钡+ 学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os h o r tt h ed e v e l o pt i m e ，r e d u c en l es p e n d i n go ft e x t i l ed e s i g n ，a n d e s t a b l i s he a b c t i v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne m e r p r i s e sa i l dc u s t o m e r s a n d1 e tm e d e s i g n e r sc a ns i m u l a t et h ep r o d u c t se f f 毫c ta tt h eb e g i n n j n g d u et ot h i ss i t u a t i o no f t e x t i i ec a di n d u s t 吼i tn e e d sak i n do fs i m u i a t i o ns o 胁a r ew h i c hf 砘u s e so nt h er e a i s i m u l a t i o ne 行e c tf o rt e x l i l ec a ds y s t e m b a s eo nm ed e v e l o p i n gn e e d so ft e x t i l ec a dt e c h n 0 1 0 9 y ，柚dc o m b i n e d 晰t l lt l l e t h e o r i e sa l g o 订t l l mf o u 玎da t i o na b o u tt e 妯l es c e n es i m u l a t i o n w e 百v eak i n do fd e s i 印 s c h e m ea i l dr e a l i z a t i o nw a ya b o u tt e x t u r es c e n es i m u l a t i o n ，a 1 1 dg e tag o o ds i m u l a t i o n e 疵c t s y s t e m sm a i nf c a t u r e s ： 1 w e g i v ea 妊n do f a d j u s t w a y o f g 谢d y n 锄i ca d j u s t i n g l e t t h e 鲥dc a i ls h o w t h e r e a le n 、e c to f o r i g i n a ls i m u l a t i o np i c t l l r e 2 i nt h et e x t u r em a p p i n gm o d l l l e ，w eg i v eas i m p l ei 呦o l a t i o na l g o r i t l l m ，a d dt l l e 1 i g h ta n ds h a d ep m c e s s i n gi nt e x t u r cm a p p i n 粤w eg e t 】i g h tf 曲mo “g i na r e aa 1 1 d a d di tt om el i 曲to ft h es i m l l l a t i o na r e an o w ，a 1 1 dg e tag o o ds i m u l a t i o ne f r e c t t h i ss y s t e mc a ng e tag o o ds i m u l a t i o ne 黯c ta b o u tt e x t i l ep i c t u r ei nd i 彘r e n t s c e n e s ，u s e r sn o to n l yc a nl e ti tt ob eac a da s s i s t a n tt o o la b o u tt e x 瑚ep r o d u c t d e s i g n i th a sag o o du t i l i t yv a l u e k e yw o r d ：t e x t i l ec a d 、c u r v ef i t 、g r i dd i v i d e 、r e a l t i m er e d r a w 、t e x t l l 代 m a p p i n g 、g u l 1 1 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 c a d ，c a m ( 计算机辅助设计与制造) 技术，随着研究的不断深化和硬件设 备的不断升级，已经逐步应用到纺织行业。目前已研制的纺织c a d c a m 软件 已应用到纺织的各个领域。c a d c a m 技术的应用，为加快纺织企业的产品开发 速度、提高设计效率、省工省料、降低成本消耗、提高工艺和产品质量等发挥了 明显的作用。织物场景模拟作为织物仿真c a d 的服饰效果展示部分，将为用户 提供面料的真实感着装效果，能够使得用户在设计之初就可以观察到服装着装的 最终效果，从而使面料设计和市场反应有机的结合起来。 1 1c a d 技术发展趋势与纺织c a d 现状 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 【1 i 技术，是进行产品 设计和工程设计的一种新技术，它是以计算机作为主要设计工具进行与产品或工 程相关的工艺设计、信息处理、计算分析的一门应用科学。该技术产生于2 0 世 纪5 0 年代后期。作为一门杰出的工程技术成就，c a d 技术已经广泛地应用于工 程设计的各个领域，其发展和应用使得传统的设计方法和生产模式发生了深刻的 变化，产生了巨大的经济和社会效益。 产业技术革命以来，人们一直致力于提高生产率，创造出高质量的产品，缩 短劳动时间，创造高水准的生活。由于计算机与自动化技术的飞速发展，2 0 世 纪4 0 年代第一台计算机问世，又随着大规模集成电路的发展和计算机硬件技术 的逐渐成熟，作为第三次工业革命浪潮的数字技术席卷了各行各业，先是出现了 现代化的设计工具电子c a d ，随后出现了机械c a d 。在2 0 世纪8 0 年代末，美 国麻省理工学院m i t 的e v a l ls o u t l l l a l l d 教授发明了计算机图形处理技术，从而 使计算机不仅能进行科学计算和处理文字信息，而且有了处理和显示图形的能 力，为c a d 技术的发展开辟了道路。现在的c a d 技术在航空、电子、汽车、 建筑等技术密集型的行业中得到了广泛的应用。 在纺织工业生产中，c a d 技术的应用1 2 1 最早可追溯到6 0 年代。当时i b m 公 司首先成功地研制了纹织工艺自动化系统，使提花织物生产过程中的花型设计从 原先的手工方式设计、画图、冲板，变成用交互方式的屏幕作图和自动冲制纹板， 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 使自动化设计在纺织行业中的应用成为现实。 纺织行业由于门类较多，所以无单一通用的c a d 技术，对它的研究，国外 最早始于7 0 年代，到8 0 年代逐步投入使用。国内则始于8 0 年代。目前，我国 的织物仿真c a d 技术的发展和国际上基本同步，某些方面还领先于国际水平。 按行业特色，纺织工、肚中c a d c a m 技术主要应用于以下几个方面： 1 ) 提花织物： 在纺织行业中，各种丝、麻、棉、毛提花织物和提花工艺品，是我国的传统 产品，在国际上享受较高的声誉。近年来，随着人们生活水平的提高，对纺织品 的需求越来越大，越来越高。而生产格局从大批量、少品种逐步向“小批量、多 品种、多花色”的方向发展。 对提花织物纹样加工的技术改造，国内外很多地方已经在研究并推出产品， 如德国g f o s s e 公司的j a c a r 晓0 0 0 系统，英国b o n a s 公司的c a p s l c a p s 2 c a p s 3 系统，香港京华公司的w p s 一1 0 0 0 系统，以及g e m s 公司的g e m w e a v e 系统等， 国内也有很多单位研制了这类系统，如上交大图像处理和模式识别研究所等单位 共同研制的“微型计算机提花织物图案设计处理系统”、东华大学自动化系软件 教研室研制的“织物结构c a d 软件包”以及天津大学与石家庄市丝绸厂联合研 制的“纹织工艺自动化系统”等 2 ) 印染配色： 染色工业进行配色，以往都依赖配色人员的主观经验，多次大小样试验，得 出一种染色处方。后来随着仪器测色和计算机技术的发展，出现了计算机染色 ( c c m ) ，能够依次提供更多的处方，从而允许印染厂根据染料成本，染色牢度 以及光差性质等作出选择，取得较好的经济效益。 3 ) 棉毛纺织： 在棉纺厂，采用原棉对稳定纺纱生产，保证成纱质量和降低原料成本有着重 大关系。配棉过程实际上是对原料资源、纤维性能、产品用途、成纱质量、工艺 条件以及用棉成本等因素进行综合平衡的过程。纺织部设计院和京棉一厂在 c r o m e m c o 和b c m j i 微机上建立了计算机配棉系统，应用模糊数学解决了接 替棉的选择，用多目标规划确定最佳配偶，并用动态数学模型进行成纱预测。这 一技术在全国十多个省市得到广泛应用。 2 浙江大学颔十学位论爻第一章绪论 4 ) 图案创作： 属于智能模拟系统，即将资料、素材、基本数据收集贮藏与计算机构成素材 库，又将有关规则构成知识库，计算机依据知识库和素材库，高速全面t e 较，寻 求最佳答案。浙江大学和上海印染技术研究所在c r o m e m c 0 i i 微机上研制的 计算机彩色平面图案创作系统，是具有智能模拟的图形系统。它由构图系统、色 彩协调系统和底纹库系统三者组成。 5 ) 服装设计： 随着服装工业的发展，原始的手工设计裁剪制衣方式不再能适应，故而丌始 研制服装设计的c a d 系统。上海大学工学院8 5 年在i b m p c 上，研制成功s f 1 服装设计排料c a d 系统。整个程序用编译b a s i c 写成，主要功能包括图形复制、 排料、自动设计制图等。计算机辅助设计在服装设计中的应用，为生产多品种、 新样式、高质量的服装，提高市场的竞争能力起到了至关重要的作用。 总而言之，c a d c a m 在纺织工业中的应用，为这一传统行业的发展开创了 新的纪元，工程技术人员可以通过人机交互方式进行必要的干预，从而使设计、 制造和管理过程处于最佳状态，使得人们摆脱单调、机械得体力劳动，而且也可 以摆脱繁琐、重复得手工方式得脑力劳动。c a d 提供智能手段代替了设计人员 创造性的艺术劳动，c a m 改变了纺织工业品生产的方式，由此带来的推动力将 从根本上改变纺织工厂的面貌。 1 2 课题研究的目的和意义 目前的市场上，很多制造领带、沙发、窗帘等产品的纺织行业大中型企业， 大量的采用悬挂服装、布料实物的方法来展示面料。这样做会产生许多实际的问 题，传统纺织c a d 系统中，面料的设计工作和应用是分开的，设计师的设计思 想只有在试生产出样品之后，将它布置在特定场景中，才能看到场景中的应用效 果。对面料销售商来说，面料的各种场景效果图是他们提供给顾客选购的必要资 料，但是通过拍摄得到的效果图毕竟是有限的，不能随心所欲地更换不同的场景， 如果在c a d 系统中增加面料的虚拟场景模拟的功能，把各种面料和场景输入到 计算机中，通过计算处理，生成面料在场景中的真实感效果，这样既有利于设计 者的设计，也有利于面料销售商的销售，而对消费者来说，他们可以提供自己真 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 实感场景的照片，通过替换场景中的不同面料来实现家居的虚拟场景的装潢。面 料包括很多种，如服装面料、装饰布、地毯、窗帘等等，场景也有很多，如着装 模特、居室、包装等等。 首先，展示服装以及织物面料需要大量空间场所。这些场所以及设施的使用 和维护对企业的产品成本造成很大的负担，企业不愿意看到这些。 其次，客户必须亲临现场，挑选服装或面料。这对顾客选购面料造成了相当 的不便。这也对企业产品的推销起到了一定的阻碍作用。 再次，客户只能查看单独的布料或者服装，而无法观察句料或者服装在各种 场景中的搭配外观效果。这对顾客选择布料构成了相当的困难。 本文着眼于用一种新型的计算机场景模拟技术的展示方案，有效地减小企业 的运营成本，大大地丰富了展销的手段。企业不仅可以将新型展示系统作为推销 手段，亦可将其作为服饰面料设计的c a d 辅助工具。 当然，模拟展示系统也可以用在家居设计、广告制作等其它行业上。总之， 本系统的投入使用必将给企业带来良好的经济效益，具有很强的实际意义。 1 3 论文的主要工作及论文组织结构 1 3 1 论文的主要工作 本课题在充分熟悉计算机图形学基础和计算机真实感图形绘制算法的基础 t ，并结合常用的图形图像处理算法，给出了一种织物面料虚拟场景模拟的解决 方案。本课题完成的主要工作如下所示： 1 在整个系统最重要的网格划分模块中，使用双线性插值网格划分算法进行网 格划分并进行细分处理，增加了人工交互地进行实时网格动态调整功能，包 括边界线调整和内部网格密度调整，有效地提高了网格划分的真实感。 2 在纹理映射模块中，采用双线性纹理映射法为模型表面添加织物纹理图案： 并应用计算机颜色模型理论，对模拟效果进行调整；同时，我们使用提取原 场景图亮度与模拟纹理亮度按照一定比例叠加的方法实现了模拟场景的明暗 效果变化。另外，针对纹理映射后的图像设置了亮度、饱和度、对比度等功 能调节。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 论文组织结构 文章的组织结构图如下所示： 1 4 小结 图1 1 文章组织结构图 本章首先介绍了纺织c a d 技术发展现状；简要介绍了纺织产品场景模拟课 题的研究背景；明确了课题研究的意义和日的；最后介绍了论文的主要工作和组 织结构示意图。 浙江人学硕上学位论文 第一章计算机豳形图像理论基础 第二章系统分析与整体方案设计 2 1 织物场景模拟系统硬件设计 织物场景模拟系统的硬件部分主要由工作站、图形输入设备和图形输出设备 组成，如图2 1 所示。其中工作站起核心控制作用，其他的设备分别执行绘图、 打印输出、输入、照相、存储等任务。 2 1 1 工作站主机1 4 1 输入经过场景模拟处理后的图像 图2 1 系统硬件结构图 织物场景模拟系统的工作站主机，是图形显示设备、软件和主机结合在一起 的一种高性能的单用户计算机，非常适合用于人机交互。一般可分为两类：一类 是以工作站( w ( ) r k s l a t i o n ) 为主机，普遍采用u n j x 或l i n u x 操作系统；另一类 是以高端p c 为主机，通常采用w i n d o w sn t 操作系统。工作站是由2 0 世纪8 0 年代初的大中型计算机转变而来的，克服了原来体积庞大的缺点，增强了图形处 理、网络互连和硬件可扩充的能力，并大幅度降低成本与价格，如：s u n 、h p 、 浙江大学硕_ 上学位论文 第二章计算机图形图像理论基础 l b m 、s g i 等公司的多种系统。工作站计算机具有处理速度、虚拟存储、图形处 理等方面的优势，支持多任务、多媒体的多窗口平台。一般纺织c a d 工作站主 机较多地采用高端p c 兼容机。 2 1 2 图形输入设备 图形输入设备包括数字化仪、扫描仪、彩色摄像仪以及数码相机【5 j 。 1 图形数字化仪( d 蟾i t i z e r ) 图形数字化仪是一种实现图形数据转换的设备。小型的图形数字化仪有时也 称为图形输入板。如专门为二维绘图作业设计的数字化仪，是一种实现图形数据 输入的电子图形数据转化设备，由一块图形输入板和一个游标定位器( 或触笔) 组成，输入板的下面是网格状的金属丝，不同的x 、y 位置由不同的感应电压来 决定。大型的图形数字化仪还称为读版机。 2 扫描仪( s c a n n e r ) 扫描仪是一种将图片通过投射光线和镜头传输到感光元器件上，并把读取的 每行象素转换成数据存入计算机的设备。扫描仪按操作方式有台式扫描仪、手动 扫描仪和大型扫描仪3 种；按色彩可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按扫描宽度 划分，可分为台式扫描仪和滚筒式扫描仪。纺织c a d 一般采用平板式彩色扫描 仪，幅面有a 3 或者a 4 大小。通过彩色扫描仪可以逼真地把彩色照片和图片输 入到计算机内存储。扫描仪用于织物场景模拟系统，其作用是协助建立图片数据 库。 3 彩色摄像仪和数码相机( d i g j t a lc a m e 翔) 彩色摄像仪和数码相机是计算机动态图象输入设备，用于织物场景模拟系 统，数码相机只需利用一个串联接口就可以与计算机直接相连，对物体拍摄后， 可以直接将图像数据输送到计算机旱。 2 1 3 图形输出设备 常用的图形输出设备有打印机、绘图仪等。纺织产品三维场景模拟中采用打 印机作为图形输出设备。种类分为针式打印机、喷墨打印机、激光打印机及热感 应打印机。纺织c a d 一般采用的是a 4 或a 3 幅面彩色喷墨打印机，可以输出彩 浙江人学硕士学位论文第一二章计算机图形图像理论基础 色效果图、按比例缩小的排料图、生产工艺指导单、客户档案及相关管理信息等。 2 2 织物场景模拟系统软件系统分析与概要设计 2 2 1 软件工程及面向对象程序设计 计算机发展的早期，由于人们认识上的局限，形成了一些不太准确或者错误 的概念。在后来的软件设计中，人们使用了这些早期的概念和做法，使得大型软 件的开发和维护都非常的困难，从而造成了极大的人力物力浪费。后来，人们把 这一系列问题称为“软件危机”，并且开始认真研究解决软件危机的方法，从而 形成了计算机科学技术领域的一门重要学科：软件工程【3 l 。 一个软件系统从定义、开发、使用、维护直到最后的放弃，通常是一个漫长 的过程，在软件工程中，我们把该过程称为软件的生命周期 代码维护 编写代码 详细设计 总体设计 需求分析 可行性分析 问题定义 段 图2 2 软件生命周期图 软件开发从最初的问题定义开始，确定需要解决的问题，然后进行可行性研 究，决定该问题是否存在一个可行的解决方案，在此基础上，进行需求分析，深 入具体了解软件用户的需求，广泛征求他们的一件。软件定义完成之后，进入软 件的开发时期，首先需要对软件进行总体设计和详细设计，然后开始程序代码的 渐江久学硕士学位论文 第二章计算机图形图像理论幕础 编写，t 匕码完成后，还必须经过大量的测试工作才最终得以交付。 软件工程是采用工程化的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件，同时 把经过时问考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合 起来，从而尽可能减少软件_ 丌发与维护的等价。 通常，软件工程有以下几个方面的目标：软件的可修改性、软件的效率、软 件的可靠性以及软件文档( 包括程序代码) 的可读性。为了实现以上目标，我们 在程序设计的时候必须要遵守以下原则：模块化、局部化、抽象化和信息隐藏、 可分块测试性，以及一致性和完备性。 面向对象的程序设计方法使得我们摆脱了具体的数据格式和过程的束缚，能 够集中精力去研究所要处理的对象，同时其数据抽象和信息封装等机理使得对象 的内部实现了与外界的隔离，从而构成理想的可重用的软件成分。在软件重用的 技术中，面向对象的设计是摄为成功的范例。 与传统的面向过程的程序设计方法相比，面向对象( o o ) 程序设计具有很 多优点：易于编程、修改和维护，能大大提高软件生产率和软件质量。它具有下 边几个最重要的术语： 1 对象( o b j e c t ) ：对象是相互依赖的数据结构及其对该数据结构的操作的结 合体，是面向对象中最重要最基本的独立单元。 2 实例( i s t a n c e ) ：实例是某个类的实现，即该类所描述的一个对象。 3 类( c l a s s ) ：类是对象的“数据类型”，是对一组具有相同的数据结构及其操 作的对象描述，类是面向对象语言中提供的可重用软件部分。 4 消息( m e s s a g e ) ：消息是要求某个对象执行其类中定义的操作的规格说明， 消息由三个部分组成：接受消息的对象、消息名、变元。 5 方法( m e t h o d ) ：方法是对象能够执行的操作，在o b i e c tp a s c a l 上实际为函 数( f u n c t i o n ) 和过程( p r o c e d e ) 。 面向对象方法的设计步骤： l 。分析确定在问题空间和解空问出现的所有对象及其属性。 2 确定每个对象固有的处理能力，即对象所具有的操作。 3 分析对象之间的联系，确定对象彼此问应传递的消息。 4 在此基础上，设计对象的消息模式。消息模式与前面的对象处理能力共同构 9 浙江大学硕士学位论立第二章计算机图形图像理论基础 成对象的外部特性。 5 分析各个对象的外部特性，将具有相同外部特性的对象放在一起，从而确定 所需要的类。 6 确定类与类之间的继承关系，将每个对象的公共属性放在较为上层的类中描 述，然后通过继承实现对这些公共属性描述的共享。 7 设计每个类的关于其对象外部特性的描述，以及每个类的内部实现( 即相互 依赖的数据结构及其操作) 。 8 声明所需要的对象，并向它们发送消息以实现对象之间的联系。 2 2 2 系统软件整体架构 根据面向对象的程序设计原则，我们把织物场景模拟分为三个相对独立的模 块：场景的获取模块( 包括从硬盘输入模拟场景图、人工交互获取场景模拟区域 轮廓) 、模拟区域曲面网格模型划分模块( 包括网格划分后的实时动念调整) 、面 料纹理映射和颜色合成模块( 包括纹理贴图和明暗效果处理) 。 系统软件整体架构如图2 - 3 所示。 图2 3 系统软件架构图 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章计算机图形图像理论基础 2 2 3 系统各个模块功能描述 1 场景获取模块： 我们依据一定的原则，可以通过多种方式来得到场景图。将颜色纹理映射到 模拟区域时，为了增强模拟的真实感效果，映射后每个纹理象素的亮度和饱和度 都是由原纹理象素和映射目标象素的亮度和饱和度经过一定计算得到的，这样原 始场景中的纹理一定程度上被叠加到最终的模拟效果图中。因此，要求选择的场 景中需模拟的区域必须为单色( 即没有任何花型纹理) 。选择好场景图像后就需 要勾勒出其中需要模拟的区域轮廓。在一个场景图像中可能包括几个场景，如一 幅着衣模特图像就可以分为衬衫、领带、外套、裤子等不同场景，而每个场景又 包括几个模拟区域，例如衬衫中就包括衣片、口袋、领口等模拟区域。每个模拟 区域都是通过手工选定若干区域路径描述点，依次将描述点由直线连接起来，得 到曲边四边形。这里要求人工选点尽可能精确，因此这个四边形基本上可以准确 描述区域轮廓。 2 曲面网格模型建立模块： 网格模型是针对每一个模拟区域的，就是说我们要对每一个模拟区域建一个 曲面网格模型。模拟区域为一一个曲边四边形区域。首先根据区域轮廓在区域外用 折线勾勒出区域的四条边( 两条经线走向，两条纬线走向) ，它们相交后形成了 一个包围整个模拟区域的曲边四边形，每条边的走向反映了相应轮廓的走向。为 了同时体现区域内部的变形褶皱情况，在区域内增加内部控制线，内部控制线是 沿着区域中某条经线或纬线的走向来确定的。经线方向的控制线与纬线方向的控 制线相交将模拟区域划分为若干个小曲边四边形，在小曲边四边形内用双线性插 值的方法进行网格细分，各网格点的连线表示出经纬线的弯曲走势，体现了织物 内部的变形褶皱情况。这样就建立了织物的曲面网格模型。这个益面仅仅是静态 的，要达到织物场景动态模拟的视觉效果，我们还需要对该网格边缘的点以及内 部的点进行动态调整，让网格进行实时的动态调整，使得用户能够调整网格的变 化情况。 3 面料纹理映射模块： 在纹理映射时采用双线性插值纹理映射法求出目标区域中各点在纹理图像 上的对应点坐标，再采用象素点颜色合成的方法，将目标区域与纹理图像相应象 浙江大学硕士学位论文 第一章计算机图形目像理论基础 紊点的饱和度与亮度，通过一定比例结合在一起，得出目标区域中各点的最终颜 色值，较好的解决了亮度补偿参数问题，避免了由于人为原因而造成的模拟失真。 2 3 小结 本章详细地介绍了系统的软硬件设计方案，其中引出了软件工程学中的一个 重要概念面向对象程序设计方法学，并用面向对象的程序分析方法将本系统 进行模块划分，简要介绍各个模块的主要功能。 浙江人学硕上学位论义第三章区域提取及网格划分 第三章区域提取及网格划分 3 1 模拟区域的设计与处理 本系统给用户提供了自己提取模拟区域的功能，使用户可以根据设计的需要 选择合适的区域来检验面料的效果。要将设计好花样的面料以成品形式在场景中 展示并达到好的模拟效果，第一步是选择合适的区域。模拟区域的选择不仅可以 展现产品的时尚性，体现产品的美感，也直接影响区域提取的难易程度和最终的 模拟效果的好坏。现有的纺织产品模拟系统对模特的选择都有自己的限定并无法 适用于所有模特图样，一般所选择原有场景图中的模特最好没有花样，颜色尽量 单。，这是为了在模拟时可以建立准确的零度模型，以便可以再现模特原有的褶 皱明暗效果，增加其立体感和真实性。路径应尽量简单清晰，一般的纺织产品( 如 窗帘) 无法用一条封闭路径完全描述出来，往往需要几条封闭路径共同才能完全 描述，这样显然会增加模特制作的复杂度和工作量，所以在选择模特时应尽量选 择路径简单清晰的模特图片。本系统可以允许用户通过多种途径来得到原始模特 图片，可以为任何2 4 位b m p 格式的图片，这些图片用户可以根据需要通过扫 描，网络，数码相机等方式来得到。 3 1 1 累加弦长曲线插值算法旧 在绘图术语中，样条是指通过一组指定点集而生成平滑曲线的柔性带。当绘 制曲线时，几个较小的加权沿着样条的长度分配并固定在绘图表上的相应位置。 样条曲线( s p l i n ec u r v e ) 原指使用这种方式绘制的曲线。数学上使用分段三次多项 式函数来描述这种曲线，其中在各种曲线的连接处有连续的一次和二次导数。在 计算机图形学中，样条曲线则指由多项式曲线连接而成的曲线，在每段的边界处 满足特定的连续性条件。在图形学中，样条用于设计曲线和曲面形状，并对图形 数字化以便将信息存入计算机，以及标识场景中物体或摄影的动画路径。样条的 典型c a d 应用包括：汽车车身设计、飞机和航天飞机表面的设计以及船体设计。 一般所用的参数样条曲线多以三次样条为工具，采用累加弦长的方法，但这 浙江大学硕+ 学位论文 第三章区域提取及网格翔分 些方法普遍具有计算繁琐，插值精度不高的缺陷。因此，我们在研究中采用二次 样条替代三次样条，生成累加弦长二次参数样条曲线来插值边界曲线。 1 二次样条 在区间 a ，b 】内指定一个分划：a t o t 1 t n = b ，若函数x ( t ) 在区间【a ，b 】 上满足： 1 ) 每一个子区间【t i “t i 】上为二次多项式；滓0 ，1 ，n 2 ) x ( t ) 在整个区间【a ，b 】上一阶连续可导； 则称x ( t ) 为区问bb 1 上关于分划的二次样条函数，其中t 。( i = o ，l ， 曲称为节点。 若上述函数x ( t ) 还满足插值条件： 3 ) x ( t i ) 。x ，仁o ，1 ，n 则称x ( t ) 为区间bb 上关于分划的二次样条插值。 2 二次样条插值 给定插值节点t 。及相应函数值x i 和t o ( 或t n ) 处的导数值x o ( 或x 。) ，则相 应的二次样条插值分段表达式为( 已知x o7 的情形) ： x ( t ) = a + b ( t t 。) + c 。( t t j ) ( t t ) t i t t 。+ l ( 3 一1 ) 匕式中：a = x ，b ，= ( x 。“一x j ) h 。rh i = t ，“一t 。，i = o ，1 ，n 一1 c 。2 ( 警一x 0 ) h o ， 铲一等吒h 半一半m - c s 国 根据以上二次样条插值的原理，我们可以构造参数样条曲线。给定一组型值 点p i ( x i ，y i ) ，我们需要构造二个关于参数t 的二次样条插值：x - x ( t ) ，y = y ( t ) 它 们分别插值于点集( t i ，x i ) ，( t i ，y i ) 。然后，将二者合并，形成二次参数样条曲线： p ( t ) 2 x ( t ) ，y ( 1 ) 】 关于参数t ，累加弧长是最直观的选择，但在得到曲线之前，我们无法获得 弧长的具体数值。一般情况下，人们用累加弦长作为参数构造样条曲线。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章区域提取及f 6 4 格划分 给定型值点r ( x i ，y i ) ，i - o ，1 ，n 则与型值点p k ( k _ o ，l ，n ) 相对应的 累加弦长为：t o o ， t ，：艺一，：壹畦p j i ：圭水i = i 了了万丽 j = lj = jj = l k = 0 ，l ，n( 3 3 ) 由此得到一张数据表 表3 1 t t ot ot j t n x x ox ox 】 x n y y oy oy 1 y n 根据该数据表即可构造二次样条插值函数x - x ( t ) ，y = y ( t ) ，它们在区间hb 上一阶连续可微，都是参数t 的分段二次多项式。因而，所得到的参数样条曲线 p ( t ) = 【x ( t ) ，y ( t ) 】也是阶连续的，且具有连续的斜率。 3 参数样条曲线的端点条件( 平面曲线) 在求参数样条曲线的端点时，首先给定首( 末) 端的斜率y y ：塑：塑坐：地，v 一：纰：堂 d x d x d t x 。( t ) 。 c o s 口 当端点具有水平切线时，y7 = o ，得到： j x = l l y = o 当端点具有垂直切线时，y = 一，因而有 i x = 0 i y = l 一( 3 - 6 ) 4 累加弦长二次参数样条曲线的计算步骤 输入型值点p i ( x i y ) ，滓0 ，1 ，n ( 1 ) 根据式( 3 - 3 ) 计算累加弦长 ( 2 ) 根据端点条件，参照式( 3 1 2 ) 求h i ，a i ，b 。，c i ，i - o ，l ，n 1 篡 + 一 + 一 = i i x y r，、l p r 浙江大学硕士学位论文 第三章区域提取及嘲格划分 ( 3 ) 掘式( 3 1 ) 得x ( t ) ，y ( t ) 的表达式，确定参数祥条醯线p ( t ) 2 【x ，y ( 锈。 3 1 2 模拟区域数据结构的设计 我们把一块完整的面料理解为四边形的形状 7 】在场景图象中，由于面料的 变形与褶皱等原因，原先四边形的4 条边都变成了曲线形状，沿着面料的边界， 可以勾勒出面料4 条边的曲线轮廓，它们相交后形成了曲边四边形，曲边四边形 所表示的面料曲面，其4 条边界曲线与面料四边形的4 条边相对应。如图3 ，l 所 示： 、 。 k厂 。7 图3 1 轮廓曲边四边形 曲边四边形的每条边是通过人工交互选取型值点并通过曲线拟合来形成，因 此，我们设计一个二维数据来存放这些点的坐标等信息。数组的结构如下： t p o i n t2d a c k e dr e c o r d xl “g 【1 0 yl 0 n g i n t ： 锄d ： l p b o d yaa m l y 【0 io 】o f t h i 眦；驯豫采存放每条边1 i 的型值点，点的数目程1 0 个以内 t p o i “l n u m 2a 玎婶【o 3 】甜i n t g 盯用粜存放每条迓上的真的数l ；j 忡b o d ，l l n e = 拼a y i o3 1o f i p b o 曲；一维数纽，用来存放堋条边1 的型擅点的坐标信息。 曲边四边形只是勾勒出面料边界线的位置与变形走向，它还不能表现出整块 面料在场景中的形态，还必须对面料的内部作为一步描述。由于面料是出经纬线 交织而成的，因此可以用相隔一定距离的经线与纬线相交而形成的网格，来表示 面料的曲面。可沿着经线纬线方向，对曲边四边形进行有限元网格划分，各网格 点的连线所表示的经纬线的弯曲走势。体现了面料内部的变形褶皱情况 6 浙江大学硕士学位论文 第三章区域提取殷网格划分 3 1 3 模拟区域的提取 我们通过人工交瓦的方式来提取模拟区域。建立模拟区域的曲面网格模型 时，以原始场景为背景，先勾勒出面料的曲边四边形。指定曲线上的若干个型值 点，插值出边界曲线。手工选取型值点时应尽量精确反映模拟区域的边界走向。 给定一组称为控制点的坐标点，可以得到一条样条曲线，这些点给出了曲线 的大致形状。根据这些控制点选取分段连续多项式函数，当选取的多项式使得曲 线通过每个控制点，则所得曲线称为这组控制点的插值样条曲线。 给定一组型值点只( 薯，咒) ，f o ，1 ，埘，构造两个关于参数t 的插值二次样条 函数 x = x 0 ) ，y = y 0 ) 它们分别插值于点集( f 。x ，) ，( ， ) ，f 1 0 ，1 ，”，然后，再将两者合并，形成 二次参数样条曲线 p ( f ) = z ( f ) ，j ，o ) 】 ( 3 7 ) 关于参数t 的选取，因为要对曲线围成的曲边四边形进行网格划分，那就要 对曲线进行分割。所以为了方便地计算曲线的弧长，累加弧长是参数t 最直观的 选择。但是，在得到曲线之前，却无法获得弧长的具体数值，所以，用累加弦长 来近似弧长，将其作为参数构造样条曲线，称为累加弦长参数样条曲线，简称为 参数样条曲线。这样，曲线上某一点的参数t ，就约等于从曲线起始点到该点的 曲线段弧长。 采用上小节中介绍的累加弦长参数样条曲线确定方法，可以得出累加弦长参 数h 。，a i ，b i ，c j ，i _ o ，1 ，n 1 ，从而得到曲线方程： x ( t ) = a ，+ b 。( t t ，) + c ，( t t ，) ( t t ) 其中t 。t t i 十i 。 同理可阱得出y ( t ) ，则得到累加弦长二次参数样条曲线p ( d = x ( t ) y ( t ) 】的表达 式。进而可以方便地计算曲线上任意两点间的曲线段弧长。比如，曲线上p ( ) 和 p ( f ：) 两点之间的弧长为l f ：一毛l 。 浙江人学顽十学位论文 第三章区域提取及网格划分 选取时，首先用鼠标选择起始点，然后依次选取轮廓型值点，当第一条轮廓 线选取完毕时，鼠标左键连同s h i f t 键起按下，用3 3 的矩形小方格来记录 转折点。同理，用相同的方法选择第二、三、四条轮廓线上的型值点。当选择完 毕时，最后一个点与起始点重合，选择过程结束。轮廓线此时已选择完毕。 选取型值点并构建模拟区域数据结构的操作在i m a g e l m o u s e d o w n 消息中进 行响应。具体代码见附录( 程序清单) 。 3 1 4 模拟区域的存储 对于每一副图像来说我们都需要进行模拟区域的选择过程，因此，当我们多 次调用这张背景图片时，这种选择过程就显得十分繁琐和没有必要，因此，我们 需要对背景图的信息以及选择的数据结构进行存储，以后我们使用的时候就可以 直接通过对硬盘中文件的调用就可以实现。 d e l p h i 中对位图信息以及数据结构的存储需要用到内存流，其实现原理如下： 内存流t m e m o r y s 仃e a m 对于一般的二进制格式文件的存取可以起到独特的 效果，通过位图的s a v e t o s t r e 锄函数，可以很方便地将位图存取到流中，从流 中恢复也可以用位图的l o a d f f o m s 拄e a m 函数，图片文件存取到流中不仅可以起 到加密的作用，而且可以使得压缩更为方便。实现过程如下代码所示： 1 图像流存取： p r o c e d u r es a v e b i n n ：i p t b s l 糟a m ( a b j c m 8 p ：n i i t n l ap 1a s t f c a m t s f 抟a m ) ， v a r m s ：t m e ) r y s t r c m ； s i z c1n c e g e r ； b e g m a s s e ( s s i g n e d ( a b i c m a p ) ) ； a s s e n ( a s s i g n c d ( a s t r 曲m ) ) ； m s ：= t m c m o r y s t r c a n c r c a t t r y a n l i n a ps a v c t o s t r c a r l l ( m s ) ； n l s p o s i 石o n ：2o ； s i 瓒f m s s i z c ： a s t r c 越 w r i t e b 1 l k r 【m 姥，s z 坟s i z c ) ) ， a s i r e a 丌l ，c o p y p r o m ( m s ，s l z e ) ； n n 蚰l v 1 n s 什e e e n d ： 浙江大学颤：l 学位论文第三章区域提取及网格划分 c n d 。 在按钮b t n s a v e s t r e a m 的单击事件中调用该过程，将文件存取在硬盘的路径 为e ：b n 】p w h d r o c e d i i r et m a i n f 。m 1 b 枷s a v c s l r c a i l 以1 i c k t s e n d c r 。i i ) h j e c t i v a r s t r e 甜n ：r i n e m 0 1 y s h t a m ： b c g n s t r e n m i m e m o r y s 骶o 7 ) ( ：f e 融e ： s a v e t j 诖n 1 叩1 0 s t r e a n l ( i n l a g e l1 1 i c t u r e 1 l i l l ”a p s l r e a m k s t r c a m s a v c t o f i i c e ：怕1 ：【l pw h ) ， s l r e a mf r e e ； c n d ： 2 图像流复原： n m c e d u r cl o a d b j t f l l 8 p f r o m s 眦a m ( a b h m a p + f b i t m a p ；a 甜。8 m 1i s 幢翔”) ； v a f m sim e m o h s t r e a m s i 黜i n t c 掣r ： b g m a s s c d a s s i g n e d ( a b l t m a p ) x a s s c f h a 5 s i 掣1 e d ( a s u c a m ，) ， 1 1 1 s = im e m o i 了s t 雎a m ( 、r e a l e ， t f y 瞄t r c a m r e 硼n u 俄“i ，s i z e o h s l ) ) ： m s c o p y f r o m ( a s 仃c a m ，s l z c ) ， m s n o s i t i o n ：2f k a b i n 】a 口乙o a d 抒o m s 打e a d l m s ) ， 粕na l l v m s f r e o d ： e n d ： 在按钮b m l o a d s n e a m 的单击事件中调用此过程： p r o c c d u r et m a i n f o r m b t n l o a d s t r e a n l ( ：1 ；c k i s e n d e ci ( ) b j e c l ) ： v a r s t r e a 坤：t m e m o r y s t 删： b j t m a p ：t b n m 印： h g i n s t 陀a i n = t m c m o 巧蚰a mc r e a t e ； m m a p ：一1 _ b 1 1 l n 婶c 陀a 幅 s t r c 瓶ll o a d 跏m f 钉c ( k ：协m p ，w j l ) ： s t r e a ms a v cr ( 1 刖e _ e = 、1 w ： h ) a d b i t m a r o m s 啦锄( b i t m a p ：s t r e 刨) ： b i t m 印s a v e i o 州“七、b m pb m p x 9 浙江大学硕上学位论文 第三章区域提取及网格划分 i m a g e l