（机械设计及理论专业论文）三维环境下服装面料真实感实现技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 织物计算机辅助设计在纺织行业的曰益普及，从根本上改变了纺织品设计 与生产的落后局面，为纺织行业带来了巨大的经济效益和社会效益。织物的外 观模拟使设计人员在设计初期就能感知所设计织物的外观效果，减少了重复打 小样的工作，提高了产品设计成功机率，节省了入力物力，缩短了开发周期。 现有织物c a d 系统大多数停留在二维的织物设计与仿真，多用色块来代 替组织点，无法体现织物外观的三维效果，模拟的效果图不能体现真实织物外 观，另外，织物设计未与服装设计相结合，织物设计人员不能直观地看到面料 做成服装后的着装效果。 本文主要研究服装面料的仿真及其在三维环境下的展示。分析了现有纺织 c a d 的国内外应用现状、发展趋势和存在的问题。在研究织物组织模拟的基础 上，提出以凸透镜形作为纱线截面，建立了相应的纱线空间几何模型和经、纬 纱轴线方程；利用光照理论，结合织物的特点，建立了适用于织物的光照模型。 在现有三维建模软件基础上建立了标准的人体和服装三维模型，分析了模型的 数据组成，读取了关键数据，提出了适合于展示面料的人体和服装拓扑结构， 重新定义模型的数据结构用以控制点、面及面的材质、光照等影响服装和面料 真实感的主要参数：采用八叉树结构控制面片的消隐与可见，运用o p e n g l 三 维图形库对模型进行了重建。以b m p 、j p g 图像文件作为纹理信息，在面料映 射的过程中解决了模型纹理坐标的生成、纹理坐标向设备坐标的转换等关键技 术，采用纹理映射变换解决了纹理图案缩放、旋转等问题，采用m i p - m a p 技术 解决了面料映射到模型时产生的纹理走样问题，模拟环境光，以实现模型的光 照效果。 应用以上研究成果，本文以v c + + 6 o 为开发工具，建立了基于三维环境 的服装面料展示系统，实现了面料在二维和三维环境下的真实感显示。 关键词：光照模型；面料仿真：三维模型；纹理映射 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a b r i cc a d sp o p u l a r i z a t i o ni nt h et e x t i l ei n d u s t l yf i e l d ，t h et e x t i l e d e s i g na n dp r o d u c t i o nh a sb e e nm a d e 乒e a tp r o 掣e s so p p o s i n gi t sf o m l c rl a g g i n g s t a t u s ，a n dg r e a te c o n o m y a n ds o c i e t yb e n e f i t sh a v eb e e nt a k e nf o rt e x t i l ei n d u s t r y t h ed e s i g n e rw o u l dl 【1 1 0 wt h ed e s i g n i n gf a b r i c sf i n a le 仃e c td u r i i l gt l ed e s i g n i n g f o r e p a nb ys i m u l a t i n gt h ef 轴r i c sa p p e a r a i l c e t h i s c a ng e tr i do ft h ew o r ko f m a k i n gs m a l ls a m p l e ，i n c r c a s e t h ee m c i e n c y ，s a v et h em 唧o w e ra 【1 dm a t e r i a l r e s o u r c e s ，a n ds h o r t e n 血ed e s i g np e r i o d m o s to f 出ee x i s t e n tf a b r i cc a d s y s t e m sh a v ed e s i 船e da n d s i m u l a l e df a b r i ci n 2 de n v i r o n m e n t ，a i l du s ec 0 1 0 rb l o c k st or e p r e s e n t 也ec o n t e x n l r ep o i n t s t h e s e s y s t e m sc a n n o ts h o wt h e3 de f f e c to ff a b r i c sa p p e a r a n c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a n n o tr e p l a c em er e a lf 抽r i c sa p p e a r a l l c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef 曲r i cc a dh a sn o t b e e nc o m b i n e dw i mt h eg a n e n td e s i g n s om a tm ef a b r i cd c s i g n e rc a nn o ts i 曲tt h e i n t u i t i o n a le 氐c t so ft h ed e s i g n e df a b r i cw h i c hb e e nm a d et oc o s t u m e sa n db e e n w o mo nt h em o d e l s t h i sp a p e ri sm a i n l yo nt h es n j d yo f 也es i m u l a t i o no f c o s t u m em a t e r i a la n di t s s h o w i n gi n 3 de n v i m n m e n t f i r s t i y i t h ea u t h o ra n a l y z e st h ep r e s e n tr e s e a r c h e s ， d e v e l o p m e n tt r e n d sa i l dn ”p r o b l e m sa b o u tf 抽r i cc a d s e c o n d l y ，b a s e do n 山e r e s e a r c ho f 也ef 曲r i c sc o n t e x t i l r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ea u t h o rp u t sf o n a r du s i n g 也e c o n v e xs h 印ea sy a r n ss e c t i o n b u i l d st h ey a r i l sd i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e la n d a x e se q u a t i o no fw a r pa n dw e f t e s t a b l i s h e st 1 1 ei l l u m i n a t i o nm o d e lw h i c h i sf i tf o r f 拍r i cw i mi l l 啪i n a t i o nt h e o r y n 心d l y ，m ea _ u m o rs e t su p 廿1 es t a i l d a r db o d ya 1 1 d c o s t 哪e3 dn l o d e l sb yt h e3 dm o d e i i n gs o 矗w a r ei ne x i s t e n c e ，a f l a 王y z e st h e 幽t a m a l ( e u p o ft h em o d e l ，r e a d so u t 也ek e yd a t a ，p u t s f o r w a r d st h e t 叩o l o g i c a l s t m c t u r e so fb o d va n dc o s t l l m e3 dm o d e l sw h j c ha r ef l t f o rs h o w i n gc o s t u m e m a t e r i a l ，r e d e i n e sm ed a t as 廿u c t u r e so fm o d e l s t oc o n t r 0 1 廿1 ek e yp a r 锄e t e r sw h j c h e 舒色c to nt 1 1 ec o s t u m ea n di t sm a t e r i a ls l l r f a c er e a l i t ys e n s es u c ha sp o i n t s ，f a c e s ，t 1 1 e m a t e r i a lo ff 如e sa n di l l 啪i n a t i o n u s e so c t r e es t m c t u r et oc o m r o l t h e b l a r l k i n ga n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 v m i i i t yo f m e f a c e s ，r e b u i l d sm e m o d e l “t ho p e n g l f o u n l l l y t h ea u t h o rr e a d s t h eb m p 锄dj p gi m g ef i l e sa st e x t u r ei 晌r n l a t i o n ，s 0 1 v e st h ek e yt e c l r i o l o g i e s a b o u tt h eg e n e r a t i o no fm o d e l s t e x t u r ec o o r d i n a t e sa 1 1 dt h ec o n v e r s i o n 疗o mt e x t u r e c o o r d i n a t e st od e v i c ec o o r d i n a t e s ，s 0 1 v e s 也et e x t u r ep a 肚e m ss c a l i n ga n dr o t a t i n g 、i 血t 1 1 et e x t u r em a p p i n g 仃 m s f o m lt e c h n o l o g y ，s o l v e st h ep r o b l e mo f 恤et c x t u r e s l o s i n gs h a p ei n 血cc o u r s eo fm 印p i n gw i 也m i p - m a pt e c h n o l o g y ，s i m u l a t e s 也e e n v i r o n m e n t1 i g h t i n gt ol i 曲tm em o d e l b ya p p l y i n g s u c h d e s i g l li d c a s ，t h e a u t l l o rb u i i d sm e3 d _ b a s e dc o s t u m e m a t e r i a le x h i b m o ns y s t e mb yv c + + 6 ，o ，r c a l i z e st 1 1 ec o s t u m em a t e r i a l ss u r f 知e r e a l i 妙s e n s ei nt 1 1 e2 d a n d3 de n v i r o i m l e n t k e yw o r d s ：i l l u m i l l a t i o nm o d e l ，c o s t u m e m a t e r i a ls i h m l a t i o n ，3 dm o d e l t e x t u r em a p p i n g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着人们生活水平的提高，计算机网络技术和信息技术的迅猛发展，消费 者的购买行为发生了很大变化。消费者可选择性增强：从原来的区域性选择转 变为全球性选择；从过去的物美价廉、满足基本生活需求转变到了个性化、多 样化的需求。为适应买方市场，服装生产逐步从批量化生产向个性化定制方向 转变。 顾客希望所穿着的服装不仅能够符合自己的体形，而且能展示个性，跟上 时尚潮流；所以他们不仅希望看到服装在模特身上的标准式样，更希望能看到 穿在自己身上的立体效果，希望能参与到设计中来。服装c a d 技术的发展， 使其成为可能。服装c a d 技术正朝着适应顾客个体需求( m t m ：m a d et om e a s u r e l 的方向发展。 服装设计与面料是密不可分的，顾客不仅希望看到服装款式，更希望能自 己选择服装面料的颜色、图案。然而传统的织物面料设计与服装设计是分离的， 人们无法立即感觉或浏览织物的真正着装效果，这给消费者和设计师带来了很 大的局限性。通过具有较好真实感的织物三维着装仿真系统，可以对不同织物 进行服装着装仿真演示，以服装的最终着装效果来指导面料的设计与生产，使 面料生产真正为服装设计服务，既避免了面料生产的盲目性，也为服装设计选 择面料提供了可靠的依据，将面料生产和服装设计有机地结合起来。同时，也 可使顾客直接看到自己在拟实场景中的着装效果，满足用户的个性化要求，起 到良好的促销作用。 目前在服装c a d c a m 集成系统中，真实感图形显示的好坏是衡量一个 系统质量的标准之一。然而要生成一个高质量、具有真实感的三维图形，尤其 对于具有复杂形体的人体和服装来说，是一项相当复杂的工作。织物的= 维着 装效果的实现已经很成功，但不能实施光照等处理，亦不能旋转以便从不同角 度观察，即不能在拟实环境中展示服装效果。要在拟实环境中展示服装效果， 除了要考虑服装织物的力学性能外，更重要的是必须体现三维服装复杂曲面图 武汉理工大学硕士学位论文 形的真实感，这也是计算机图形学中最引人注目的研究方向。随着仿真、虚拟 现实、虚拟制造、虚拟测量等应用的日益增多，对真实感图形的需求也日益增 多。真实感图形是一种应用计算机图形学算法生成图形的技术。图形真实感问 题涉及几何造型、隐藏面消除、明暗处理、光线跟踪、纹理映射等多方面技术。 1 2 真实感图形技术 人们认识事物，主要通过视觉。因此，虚拟现实技术中的一个重要方面就 是图形仿真。 真实感图形，是指能够反映物体表面特性的由计算机生成的图形。反映物 体的几何形状和物体之间的相互关系、物体表面的颜色和亮度变化、物体的质 感、镜象效果、透明效果是真实感图形的基本特点。 多年来，真实感图形绘制技术一直是计算机图形学的主要研究内容之一。 真实感图形在仿真模拟、虚拟现实、几何造型、科学计算可视化等许多领域得 到了广泛的应用，它对人们的日常工作、学习和生活产生了深远的影响。要生 成一幅具有高度真实感的图形应当考虑照射物体的光源类型、物体表面的性质 以及光源与物体的相对位置、物体以外的环境等等。一般来说，真实感的图形 应具有以下特点： ( 1 ) 能反映物体表面颜色和亮度的细微变化： ( 2 ) 能表现物体表面的质感； ( 3 ) 能通过光照下的物体阴影极大的改善场景的深度感与层次感； ( 4 ) 能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜象效果。 真实感图形技术利用各种真实感图形算法，包括光照明模型、光线跟踪算 法、纹理映射算法来渲染场景，最终生成逼真的计算机画面。 面料的真实感模拟就是根据面料织物的相关参数在计算机上模拟出与真 实织物完全相同的图像。 1 3 织物c a d 与服装c a d 的研究现状 有关纺织品c a d 系统的研究开始于上世纪7 0 年代末期，经过2 0 多年的 武汉理工大学硕士学位论文 发展已经渐趋成熟。纺织品c a d 系统代替传统的手工设计，可以大大提高设 计效率，缩短设计周期，适应目前纺织厂多品种、中小批量生产的要求。与纺 织品设计和生产有关的纺织品c a d 系统涉及机织物、针织物、印染、服装以 及刺绣等许多领域。本文着重讨论机织物c a d 系统的应用现状和发展趋势。 纺织品c a d 系统一般具有花型设计、结构设计、组织设计、工艺设计等 功能。 国外的织物c a d 系统发展于上世纪7 0 年代末期，技术已经比较成熟。目 前国内应用较多的系统主要有：n e d g r a p h i c s 公司开发的机织物c a d c a m 系 统，既可用于大提花，又可用于小提花织物的设计；i n f j r d e s i g n 公司开发的机 织物、印花c a d c a m 系统提供了与多种织机相连的接口程序，可以直接用于 织造；苏格兰纺织学院开发的s c o t w e a v e 系统也同时提供了小提花设计和大提 花设计的功能即7 ；还有应用于小提花织物设计的美国的p g m 系统、g g t 系统、 法国的l e c t r a 系统、韩国的y o u n g w o o 系统、德国的e a t 系统等；用于 大提花织物设计的系统常见的有美国j a c q c a d m a s t e r 系统、比利时的s o p h i s 系统以及日本的t l s 系统等 4 “。 我国的织物c a d 系统研究起步较晚，上世纪8 0 年代初，一些高校和科研 枧构陆续开展了机织物c a d 系统的研究，随后不断扩大，并且推出了一系列 可以用于指导工厂实际生产的c a d 系统。浙江丝绸工学院开发的z i s 织物c a d 系统，其特色是具有主要的花色纱线及组织设计功能；上海毛麻纺织科技所开 发的c a d 系统可模拟织物效果、花色线效果、起毛效果和加捻纱效果等l 。 上海百锐数码科技有限公司推出的a ud o b b yc a d 系统可以自由地进行一般 组织、复杂组织、联合组织等织物的设计，并可以生成穿综图、纹板图，同时 还提供常用的织物组织库，该系统的着装模拟可把彩色时装照片、服饰及室内 装饰图片等进行处理后，将所设计的面料直接覆盖到上面，得到效果图以检验 设计效果是否理想。中国纺织科学院先后开发了i d 3 1 0 0 系列，仿真系列，高 级织物仿真的织物c a d 系统软件、杭州宏华电脑技术有限公司开发了g g s 系 统、淄博宝铃纺织机电技术公司开发了宝铃系统、浙江大学光学仪器厂开发了 j w p c c s 系统、香港富怡电脑系统公司开发了p r i m a 系统【4 “。 将设计变为产品之后往往与原来的设计意图有一定差异。这就需要通过产 武汉理工大学硕士学位论文 品试制来修改和完善设计或工艺，直至满意。这一过程会消耗大量的人力、物 力和时间，所以对新产品的外观效果进行仿真和模拟显示对于缩短产品的开发 周期是非常有用的。 2 0 世纪6 0 年代初美国率先将c a d 技术应用于服装加工领域并取得了良好 的效果。目前国外的服装c a d 系统主要有：西班牙i n v e s 仃o n i c a 的3 d f a s h i o n b u i i d e r 软件实现了二维样板与三维人体之间的转换。法国的l e c t r a 系统中的 s t y l e b i n d e r 可供顾客自由选择和组合已陈列在电子目录上的服装、面料和服饰 配件。德国a s s y s t 能模拟三维立体效果，进行结构和面料的设计、度身打版、 多种放码和全自动打版。加拿大的d y n 狮i cg r a p h i c ss y s t e m s 公司开发的 f a s h i o ns t u d i o 系统集逼真的三维人体及服装的设计、演示、运动仿真为一体。能 够对话式地选择和修改不周的三维人体模型，进行二维服装片的设计，并把服 装片缝合和穿戴在三维人体模型上，可以通过选择和设置布料的物理机械性能 参数、重力、风力、以及人体的运动系列进行服装和人体的动力学运动模拟和 仿真，可以通过观察三维服装的运动模拟和仿真效果，直观进行服装设计和布 料及图案选择。此外还有美国的g 盯b e r 、p g m 、加拿大的p a d 、日本的t 0 r a y 。 我国服装c a d 技术起步较晚，但发展速度很快。上世纪8 0 年代，我国服 装行业在引进国外先进技术的同时，科技界也积极开展服装c a d 技术的开发 研究工作。目前，中国国内市场的服装c a d 系统有中国航天航空部7 1 0 研究 所的a r i s a 服装c a d ，它由款式设计、样片设计、放码、排料和试衣五个子系 统组成：杭州爱科( e c h o ) c a d 的演示功能侧重于服装款式设计方面：二维样 板自动缝合在模特身上，立体显示服装的布改线、折叠、收省等。此外，还有 深圳华怡的富恰服装c a d 系统等。 国内服装c a d 软件设计系统以平面图形学原理为基础，多由款式设计系 统，样板结构设计系统，样板缩放系统和排料系统组成。这些系统的数学模型 都是平面二维模型。 现有服装c a d 系统制作样衣，必须通过较长时间的手工制作样片，然后 读图入样，再多次手工缝合试样，穿在特定人体上才能反映出该款服装的穿着 效果，各尺码、颜色系列还不一定能够试到，因此一般服装试样接受率较低( 一 般为1 5 3 0 ) 。采用3 d 着装系统技术，可将传统的2 d 服装c a d 生成的纸 4 武汉理工大学硕士学位论文 样组合成一件3 d 服装，悬挂于人台或配以人体穿着的动画效果，以使设计者 能与客户在屏幕前直接从各个方向和角度看到服装穿着效果，根据需要通过人 机交互方式进行修改，提高服装的试样接受率。所姓三维立体化已成为服装 c a d 迫切需要实现的技术。 目前服装c a d 的展示系统在展示服装设计效果时对织物的处理仿照普通 物体上的花纹图案进行处理，即先绘制一些织物的花纹图案，并以图片的形式 保存起来，需要时将织物图片按一定方式“粘贴”到服装上。这种“图片”处 理方式的效果比较呆板，缺乏立体感，不能很好地体现织物的特点和风格1 4 ”。 有一些系统可以展现服装褶皱部分的阴影效果，但仍然是二维图像【4 。 织物区别于其它物体最大的特征是它具有织纹。由于织物的织纹与光照方 向有很大的关联性，同一块织物在不同位置表现出的织纹效果是不同的。所以 现有的图片“粘贴”技术根难解决体现织物真实感的问题。真实感织物的织纹 应该从纱线的模拟开始，根据织物的组织和密度计算纱线在织物中的实际位 置，模拟织物中纱线的交织情况，配合一定的光照条件最终获得织物的真实效 果。国内服装c a d 软件未与纱线c a d 、织物c a d 相结合，织物设计师无法 预见所设计的织物制作成服装的立体效果，所以不适合织物设计师使用。 1 4 本文的课题支撑和主要研究内容 1 4 1 课题来源 1 武汉市科技攻关项目：基于网络的汽车内饰交互式设计系统的开发。 2 企业委托项目：面向客户的汽车内装饰材料拟实设计系统的开发。 3 湖北省教委科研项目：提花织物c a d c a m 系统。 1 4 2 主要研究内容 本文主要研究真实感面料织物在三维环境下的展示，分为三个部分： 第一部分研究二维面料真实感模拟。分析了织物的组织规律，提出了以凸 透镜形为纱线截面的纱线空间几何模型；并根据织物的特点，建立了适用于织 武汉理工大学硕士学位论文 物的光照模型：并在计算机中对织物组织和光照效果进行了仿真。 第二部分建立了面料展示系统的三维环境。采用三维制作软件p o s e r4 o 作 为标准人体和服装三维模型的制作工具，分析和读取了模型数据，提出了适合 展示服装的人体和服装拓扑结构，重新定义模型点、面及面材质等的数据结构。 运用o p e n g l 三维图形库在v c + + 6 o 中对三维模型的进行模型重建，并解决 了模型面片的消隐和可见的问题。 第三部分研究二维面料映射到三维人体的纹理映射过程。由于服装曲面的 复杂性，纹理映射的关键就是建立服装曲面与纹理空间之间的映射关系及算 法。本文采用纹理映射变换解决了纹理坐标生成、坐标系转换以及纹理图案缩 放、旋转等映射过程中的关键问题。为了提高真实感，本文对镜面反射效果、 透明度、环境反射等纹理属性也进行了研究，同时解决了真实感图形绘制过程 中的纹理走样问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章织物织纹效果的仿真 织物c a d 技术己逐步走向成熟，但现有c a d 系统的外观模拟结果离真实 模拟织物的外观仍有距离。织物分机织物和针织物两大类，本文重点研究机织 物。现有机织物外观模拟存在以下问题： ( 1 ) 将织物看作一个二维的平面。 模拟图像时将织物认为是一个二维的平面，只是在组织图的基础上给各组 织点赋予了颜色属性。事实上，织物是一个三维的物体，在织物表面有起伏变 化。 ( 2 ) 没有根据织物结构来模拟织物外观。 织物结构是指织物中经纬纱相互配置的情况，分为组织结构和几何结构两 种。这二者极大地影响着织物的性能与外观。现有研究多数还停留在经纬纱交 织的示意图上，没有再进一步根据经纬纱交织规律导出经纬纱的空间关系，避 开了根据织物结构，特别是几何结构模拟织物外观的难点，模拟出的织物外观 与配色模纹图没有本质上的区别。 ( 3 ) 未考虑光照条件。 织物与光照联系密切，光照量不同，织物的颜色不同；织物的材料不同， 表面呈现的光泽不同：织物的组织不同，产生的明暗视觉效应也不同；即使是 同一织物，在不同的位置。其灰度值也不同。当光线照射到织物时，织物能够 产生反射，在织物的纤维顶部，光线被反射的多，形成高光区，而在纡维之间， 反射的光线少，形成暗淡区。 因此，在对织物进行外观模拟时仅考虑到纱线的粗细、组织类型和纱线的 颜色等，用簇实体颜色去代表一个组织点，显然是不合理或不全面的。 织物最大的特点是具有织纹，本章将研究如何模拟出面料织纹的三维立体 效果。从纱线模拟开始，根据织物组织、织物的几何结构，计算出纱线在织物 中的实际位置，并增加光照效果。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 织物组织及其计算机模拟 2 1 1 织物组织 在织物内，经纬线按一定的规律相互浮沉交织，这种相互浮沉交织的规律 称为织物组织。 当织物组织发生变化时。织物的外观及其内在性质也随之改变。经纬纱相 交之处称为组织点。凡经纱浮在纬纱上，称为经组织点；纬纱浮在经纱上，称 为纬组织点。 当经组织点和纬组织点沉浮规律达到循环时，称为一个组织循环或完全组 织。织物组织循环越大，所构成的织纹也越复杂。 织物组织的浮沉规律通常用分式表示。以经向浮沉规律为例：分子表示经 纱在纬纱之上连续跨越的纬纱根数，即连续的经组织点数；分母表示经纱在纬 纱之下连续跨越的纬纱根数，即连续的纬组织点数。对于复杂的浮沉规律可以 用复合分式的形式表示。用来表示浮沉规律的复合分式不仅表明了经纱的浮沉 顺序，而且表明了各段浮长线的长度。 织物组织z 通常是用几上几下表示，如式2 1 所示。 z = ! 凸：生：血 d i d l dv d ， 式中，矗表示经组织点连续浮长，巩表示纬组织点连续浮长t 埘、h 分别为 一个完整组织循环中出现连续经、纬组织点的次数。 2 1 2 织物组织在计算机中的描述 在计算机模拟织物组织时，通常定义一个二维的n l n 2 数组，其中每个 元素为o 或1 ，用0 表示纬组织点，用1 表示经组织点，这个数组就可以表示 出织物的组织规律。例如瞄0 代表的就是经、纬线一上一下相问交织的组织。 复杂组织的浮沉规律用一个数列 口矗= 口，表示。数列中的各个元素即 为复合分式中的分子和分母，一般偶数元素与分子相对应，奇数元素与分母相 武汉理工大学硕士学位论文 对应。若浮沉规律的第一个组织点是纬组织点，则数列的第一个元素为“o ”。 2 1 3 规则组织 在织物组织中，同一系统内的相邻两根纱线上，相应的经( 或纬) 组织点 之间相隔的纬( 或经) 线数( 即相应的经( 或纬) 组织点在另一系统纱线上的 序数之差) 称之为飞数。按照飞数方向可分为经向飞数和纬向飞数两种。 在一个完整的组织循环中，所有经纱的浮沉规律都相同，相邻经纱之间只 相差一个相同或不同的经向飞数，这样的组织称之为规则组织。例如：原组织 中的平纹、斜纹、缎纹以及它们的部分变化组织，如一些重平组织和方平组织 以及加强斜纹、复合斜纹、急斜纹、山形斜纹、锯齿斜纹、曲线斜纹、重缎纹、 加强缎纹等，它们都属于规则组织。 同理，在一个完整的组织循环中，所有纬纱的浮沉规律都相同，相邻纬纱 之间相差一个相同或不同的纬向飞数，这样的组织也称之为规则组织，如纬山 形、缓斜纹组织等。前者称之为经向规则组织，后者称之为纬向规则组织。 规则组织是实际工作中使用范围较广、使用频率较高的常用组织。 三原组织包括平纹、斜纹和缎纹组织，它是各种组织的基础，一切变化组 织和复杂组织均可由三原组织变化衍生。 三原组织在一个组织循环内，每一根经线或纬线只具有一个经组织点，其 余的都是纬组织点；或者只具有一个纬组织点，其余的都是经组织点。 1 平纹组织 平纹组织为最简单的组织，它是由经、纬线一 上一下相间交织而成。平纹组织在一个组织循环内 有两个经组织点和两个纬组织点，故无正反面区别， 1 可用分式三。来表示。其中分子表示经组织点数，分 l 母表示纬组织点数。如图2 1 所示。 2 斜纹组织 图2 1 平纹组织图 斜纹组织的特点是经( 或纬) 组织点连接而在织物表面构成斜向的纹路。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 所示为4 枚斜纹。斜纹组织的完全经纬线数 r 1 = r 。4 ，其飞数s = s 。= l 。 1 图中斜纹组织以兰：1 分式来表示，分子表示完全组 二 织内一根纱线上的经组织点数目为2 ，分母表示纬组织 点的数目也为2 ，表示斜纹的方向，l 代表飞数。 3 缎纹组织 缎纹组织的特点在于其经线或纬线在织物中形成一 些单独的、互不连续的经组织点或纬组织点。图2 3 为5 枚纬面缎纹组织。 本文对平纹组织、斜纹组织、缎纹组织以及斜纹的 变化组织( 如山形斜纹) 在计算机中进行了模拟。图2 4 为各种组织的模拟图。 a 平纹组织模拟b 斜纹组织模拟 图2 3 缎纹组织图 c 缎纹组织模拟d 山形斜纹组织模拟 图2 4 组织模拟图 1 0 醴潍弱 9 7 5 3 1 日 5 3 l 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 纱线的空间几何模型 用建立数学方程的方法研究织物几何结构最早期、最经典的论说是p e i r c e 理论【5 6 】。 p e i r c e 理论假设织物内的经纬线是具有圆形截面、既不可伸长又不可压缩 的完全柔软的物体。因此，在经纬线相互包覆屈曲之处，应具有圆弧形状，其 余为直线段。p e i r c e 理论是在一定的假设条件下，从纯几何学的角度去建立模 型和解决问题的，因此所建立的纱线几何模型与织物内纱线的实际状态有一定 的差异。 织物内纱线的截面形态，以圆形、椭圆形、跑道形和凸透镜形态进行描述。 如图2 5 所示。 o口o 圆形跑道形椭圆形凸透镜形 图2 5 各种理论描述的纱线截面 现有纱线仿真多只采用圆形或椭圆形截面。由于纱线受自身重力影响会产 生压扁变形，所以实际的纱线截面不可能为圆形。采用圆形截面模拟出来的效 果不逼真；椭圆形截面长轴两端附近的点的法向量与长轴几乎平行，光照后产 生的阴影太多，太重，所以效果不好；跑道 形截面存在同样问题。 由织物切片实样可知，纱线在织物内大 多呈现出不同扁平度的凸透镜形截面，并且 根据这种截面模拟出来的织物最接近实际 织物。本文采用凸透镜形截面进行研究。 凸透镜形截面是由两段圆弧对置构成 的。如图2 6 所示，设凸透镜的宽和高分别 z 。l 。 d j l 。i 山 、 7 i h1 个卜7 x 图2 6 凸透镜形截面 武汉理工大学硕士学位论文 为w 和 ，圆弧的弧度为日，吐。，为纬线宽度，勘为经线宽度，则上圆弧中心坐 标为( o ，l 2 勘，一l 2 勘c 蜮日陀) ) ，圆弧半径r 为l ，2 弓出胁( 纠2 ) ，下圆弧由 于处于织物底面，不考虑。则经纱截面形态方程如式2 2 所示： 坚二堕掣堡蔓+ 坠! 型；坐丝l 1 ( 2 2 ) r 。r 。 2 3 织物的几何结构 织物内经纬线交织时的空间形态关系，称之为织物的几何结构，通常采用 几何方法来研究。由于织物的经纬线属弹性材料，在形成织物之前，它们都可 在一定的张力下呈伸直状态，但一经交织后，便会由原来的直线状态变为波形 屈曲状态，从而形成不同结构的织物。由于经纬线原料、线密度、密度、上机 张力及织物组织等不同，使经纬线之间可有各种各样的配合关系，如果再考虑 经纬线受力变形等影响，则经纬线的空间形态关系极为复杂。 为了研究织物的几何结构，本文设定经纬纱交织处于理想状态，即设定处 于非交叉区域的纬纱处于同一水平线，处于经纬交叉区域上下的纬纱间的距离 是在非交叉区域纬纱间距离的基础上再加上压扁的经纱直径。 每根纱线在织物内的屈曲形态，无论何种组织均可看作右经纬交叉区域与 非交叉区域两个部位的屈蓝形态所组成。在经纬非交叉区域即浮长段，纱线的 屈曲形态不论织物紧密与否，均可假设为呈直线形态。而在经纬交叉区域，纱 线的屈曲形态却因受纤维原料、织物组织、经纬密度、线密度以及织造、后处 理工艺等影响，在织物内所表现出的屈曲形态也各不相同，但多数织物可概括 为正弦曲线状。为了研究方便，结合实际状况本文将纱线的屈曲形态看作正弦 曲线状。 图2 7 为z ：冬的织物组织的经向切面图。图中为非交叉区域两纬纱 3 之间的距离，k 为交叉区域两纬纱之间的距离。其中由纬组织点到经组织点的 交叉区域，经纱的弧度区间为【一一，o 】；由经组织点到纬组织点的交叉区域，经 纱的弧度区间为 o ，z 】。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 j r、厂飞nnn 厂 7 ( m l一l 卜 7x 7 l 23 4 图2 7 织物组织的经向切面图 假定织物在经纬交织中，经纱的屈曲波高为吩，纬纱间的距离为，建立 的三维坐标系x 轴平行于经向，y 轴垂直于织物平面向上，则经纱轴线方程如 式( 2 3 ) 所示： _ y = ，= 1 2 向jc o s ，。石+ 石) 经纱在交叉区域由经组织点到纬组 织点的轴线屈曲形状方程x e 1 2 1 ，2 ，c o s ( 工，。x 万) 1 2 j 经纱在非交叉区域轴线为直线xe 2 经纱在交叉区域由经组织点到纬组 ( 2 - 3 ) 织点的轴线屈曲形状方程x 3 经纱在非交叉区域轴线为直线x 。 纬纱轴线方程与经纱轴线方程类似。 2 4 适于织物的光照模型 光照模型( i l l 啪i n a t i o nm o d e l ) 是生成真实感图形的基础，它是根据光学 物理的有关定律，计算物体表面可见点的颜色或光亮度大小。一旦确定了物体 表面的光学属性、场景中面片的相对位置关系、光源的颜色和位置、视点及视 平面的位置和方向等信息，就可以根据光照模型计算出物体表面可见点投向观 察点的光线颜色和亮度。因此，光照模型对获得真实感图形起着非常重要的作 用。 当光照射到物体表面时，会产生三种情况：反射光、透射光以及被物体吸 武汉理工大学硕士学位论文 收的部分光，对一般织物而言，透射现象可以不考虑，织物表面反射的光又可 分为环境反射光、漫反射光和镜面反射光。 2 4 1 环境光 物体即使不直接暴露于光源之下，往往也受到周围环境光的照射而呈现出 一定的亮度。环境光来自四面八方，精确计算非常困难，因此通常假定环境光 的强度是均匀的，并用一个常数来表示。物体对光线有一定的吸收率，因而环 境光在物体表面光亮度中的贡献率为一个常数。通常在光照模型中，用环境光 反射作为全局漫反射光照效果的一种近似表达。全局漫反射光均匀地散布在各 个方向上，与观察者的位鼍无关。在不考虑镜面反射光的情况下，利用方程 i 。4 = k d i l 可建立入射环境光与全局漫反射光之间的强度关系。式中，。为漫反射光 的光强度，虬为物体表面的漫反射系数，为入射的环境光的光强度。 2 4 2 漫反射 点光源产生的漫反射效果也可以用与环境光类似的方法来模拟计算，即光 线的强度与观察者的位置无关。朗伯余弦定律( l 锄b e r sc o s i n cl a w ) 总结了点 光源所发出的光照射在一个完全漫反射体上时光的反射法则【5 2 1 。根据朗伯定 律，一个完全漫射体上反射出来的光的强度同入射光与物体表面法线之间夹角 的余弦成正比。即有 ，= ，i “c o s 口 ( o 臼7 以) 式中五为点光源的强度，口为入射光方向与表面法向之间的夹角a 2 。4 3 镜面反射 织物表面由许多法向量指向不同方向的微小平面组成，这些小平面会镜面 反射光线。镜面反射光的光强决定于入射光的角度、入射光的波长以及反射表 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 面的材料性质等。镜面反射光是有方向的，对于一个理想反射表面，反射角等 于入射角，故只有严格位于此角度上的观察者才能看到反射光。对于非理想反 图2 8 镜面反射光 射表面，到达观察者的光取决于镜面反射光的空间分布。光滑表面上反射光的 空间分布比较窄或会聚性较好；而对于粗糙表面，反射光将散射开去。如图2 8 所示。 b u i t u o n gp h o n g 提出镜面反射光的计算公式旧：，。= ，女。c o s “口，a 为观察方向与镜面反射方向的夹角；n 为正幂数，它反映镜面反射光的集聚程 度。n 的值越大，镜面反射率越大。 在实际应用中，如果直接采用视线矢量v 来计算镜面反射光强，计算量特 别大，这里采用l 与v 之间的中值矢量h 来计算镜面反射光强，从而得到简 化的p h o n g 模型： l = ，。冬( 日) ”，式中，h = 击撕。n 为平面法向量，l 为入射光矢 一 l l t ，i 量。 2 4 4 织物的整体光照模型 织物表面的颜色和明暗过渡由以上三种反射光的颜色所决定。这三种光所 占一定的比例，分别设为k a ，k b ，k c 。假设外界只有一个白色的光源，可以建 立织物的光照模型，如式2 4 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 j = 七。，胪+ 如，础c o s 目+ 七。，雕c o s ”口 ( 2 4 ) 为了包含光源颜色，需要将强度方程写成带有光源和织物表面颜色属性的 函数，将反射系数标识为三元向量( k d r ，k d g ，k 招) 。通常用白色光源来照亮织 物表面，并设置表面颜色，使其反射光中r g b 值均不为零，可以将镜面反射 系数与颜色相关联，从而近似模拟这些织物表面上的镜面反射效果。式3 5 为 光照模型中各点光强r g b 值的计算公式。 ir = k 。i 啤+ k b r i 曲c o s 8 + k c r i m c o s ra ，g = 犀。一+ 吒g ，砷c o s 口+ 七c g ，印c o s ”口 ( 2 - 5 ) jb = k 4 j 阳+ k b b j 曲c o s 8 + 耗：8 j ”c o 分a 厶、坛、如分别为点光强的r g b 值，k 为环境反射光的光强。为漫反 射光的r g b 值，为镜面反射光的r g b 值，目为入射光法向与表面法向夹角， a 为反射光法向与视线夹角，屯、b 补g 、b 、七讯、k g 、如口均为常数。 2 5 织物的计算机模拟 图2 9 采用了z = 三一：斜纹组织。设定一 上 个矩阵m = o o o l 11 1o ll l0 o o 01 来模拟斜纹组织，若 m 【j d = l ，经线在上，若m 【i 】啪卸，纬线在上。 在光照模型中，设k f 0 ，1 ，i p a - 0 1 + i p b ， k b 萨o 7 5 ，k 。r = 0 2 5 ，k b g o 8 5 ，k g ：0 1 5 ， 图2 9 织物斜纹组织结构 k h b = o 8 5 ，k b 8 = o 1 5 。其中图2 1 0 一a 只有平铺效果，无立体效果：图2 1 0 - b 为施 加光照效果后织物组织的模拟效果，立体感较好。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 a 原c a d 的织物模拟效果 b 光照模型下的织物组织模拟效果 图2 1 0 织物模拟效果对比图 图2 1 l 中织物的组织为 a 和b 图分别为织物原图和织物组织光照模拟图。 厂oo1 1oo1 1oo l1oo1loo o1lo o1 1oo1loo1 1oo11 l o11oo1 1oo1 1oo1 1ooloo1 1oo oo1 1o o1 1oo1 i m = l llo ol10 0l 1o ol 10 01llo ollool10 011ool1ool i 1o o1 1o o1 1oo1 1oo1 1o1 loo1loo1 loo1 1ool lo l a 丝光面料原图b 织物组织光照模拟图 图2 1 l山形斜纹实际织物与模拟效果对 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 本章小节 本章模拟了织物组织，在研究现有纱线截面的基础上，建立以凸透镜形截 面作为纱线截面的纱线空间几何模型；分析了织物的几何结构，建立了经、纬 纱轴线方程；根据织物特点，建立了适用于织物的光照模型；最后在计算机上 进行了模拟。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章三维服装展示中人体和服装的建模技术基础 本章分析现有人体建模方法，根据人体和服装的特点，提出基于特征的建 模方法。采用现有三维建模软件p o s e r 建立人体和服装标准三维模型，分析其 数据组成，定义数据结构，来达到对模型数据的控制，并实现模型的重新绘制。 3 1 三维服装展示中人体和服装模型的建模方法 人体建模方法分为线框建模、实体建模、曲面建模、基于物理的建模等方 法。 线框建模是计算机图形学c a d ，c a m 领域中最早用来表示形体的模型，它 采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体。线框建模只用点、线的信息 表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快。但是线框 建模包含的信息有限，