（纺织材料与纺织品设计专业论文）单纱的三维模型的研究及其应用[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 当今二个方面因素决定纺织行业的发展。一方面，在技术上尤其是在美学上 要求愈益精美的产品外观，另一方面在快速反应的意义上，要求尽可能缩短投产 过程。因此，计算机辅助的纺织品设计变得越来越重要。本课题在研究国内外c a d 技术和c a d 系统的基础上，以计算机图形学和软件工程知识为理论基础，应用纺 织专业知识，对机织物中纱线的三维几何形态进行深入分析，建立纱线的三维几 何结构模型，进行光照材质设置，结合织物空间几何结构模型和受力模型，实现 平纹织物面料的计算机三维仿真。本课题的主要目的就是研究纱线的三维外观参 数化仿真技术，为纱线、织物真实感三维外观仿真提供设计原理和方法。 本论文首先讨论了纱线的计算机模拟。纱线是组成织物的基本单元，纱线模 拟好坏直接关系到织物模拟的效果。因而，三维纱线几何结构模型的构建是本课 题的重点。根据纱线的横向结构特征和纱线的纵向结构特征，以及纱线的加捻特 性，可将纱线的几何结构模型分解为横向截面几何模型、纵向纱线走向几何模型 和捻度结构模型。通过分析织物几何结构理论和纱线的几何结构特征参数，从纱 线在织物中的受力模型出发，参数化控制纱线的截形状，建立以三次b 样条控制 的纱线横向截面形态；并结合p e i r c e 椭圆形截面模型的几何结构特征参数，以三 次b 样条曲线近似描述纱线纵向的屈曲形态；通过截面旋转来模拟纱线的加捻模 型，从而实现参数化表示的纱线三维外观形态。结合纱线的基本光照材质参数设 置，模拟出纱线的真实光照效果，利用计算机三维实体造型技术和曲面造型技术， 实现纱线的三维真实感仿真。 织物三维外观仿真是一项较难的技术。本研究在现有的织物几何结构理论研 究的基础上，利用上述方法建立的三维真实感仿真纱线，结合织物组织空间几何 结构参数，建立织物计算机三维外观模拟的基本模型。进丽研究织物几何结构模 型的特征参数对仿真效果的影响，并利用计算机三维实体造型技术和曲面造型技 术，实现织物几何结构的三维计算机图形显示，为织物三维外观的真实感图形显 示探索了新的实现思路与方法，也为进一步分析纱线、织物的物理机械性能和服 用性能提供了新的辅助手段。 关键词：c a d ，纱线仿真，三维织物模拟，p e i r c e 模型，o p e n g l ，b 样条曲线 a b s t r a c t t w om a j o rf a c t o r si n v o l v e di nt h es t a t e - o f - t h e - a r td e v e l o p m e n to f t o x t i l ep r o d u c t s a r et h et e c h n o l o g yi nd e s i g n i n ge l e g a n ta p p e a r a n c ea n dt h ec a p a c i t yo fa g i l e m a n u f a c r n i n g 。a m o n gw h i c h ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g nu s u a l l yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e n l eg o a lo ft h ep m s a n t e dw o r ki st h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h eg e o m e t r i c a l a p p e a r a n c eo fy a r na n dw o v f f nf a b r i ci na3 dm a n n e r , t h et e c h n i q u e sf o rs i m u l a t i n g w o v e nf a b r i ca n dp r o b l e m se x i s t i n gi nc u r r a n tc a ds y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h e k n o w l e d g eo f w e a v i n g ，t h e o r yo f c o m l 3 u t c rg r a p h i c sa n do b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n i q u ei se m p l o y e d ，a n dt h e3 d ( t h r e ed i m e n s i o n ) g e o m e t r i cp r o p e r t yo fy a mi n t h ef a b r i ci st h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d 3 dy a r nm o d e l i n ga n dr e n d e r i n gt e c h n i q u ei s d e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r i e so f w o v e n f a b t i eg e o m e t r ya n dm e c h a n i c s y a mi st h eb a s i ce l e m e n to fw o v e nf a b r i c t h es i m u l a t i o no fy a r nh a sd i r e c t i m p a c t so nt h e3 dv i s u a l i z a t i o no f w o v e nf a b r i c ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ec o n s t r u c t i o n o f3 dm o d e ls h o u l db ee m p h a s i z e d a c c o r d i n gt ot h ew i d t h w i s ea n dl e n g t h w i s e c o n f i g u r a t i o no f y a m , a sw e l ta st h et w i s t i n gc o n f i g u r a t i o no f y a r n , 3 dy a r nm o d e l i n g c a nb ed i v i d e di n t oc r o s s s e c t i o nm o d e l i n g 。y a r np a t hm o d e l i n ga n dt w i s tm o d e l i n g a 3 dg e o m e t r i c a lm o d e li sb u l i ti nt e r m so ft h et h e o r i e so fw o v e nf a b r i cg e o m e t r ya n d m e c h a n i c s i nt h i sm o d e l t h ec r o s ss e c t i o no f y a r ni sd e s c r i b e da sac o n t r o l l e dc u b i c b - s p l i n e ，a n dt h ey a mp a t hi s d e s c r i b e da sac u b i cb s p l i n ec o n t r o l l e db yt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fp e k c ce l l i p i s es e c t i o nm o d e l t h et w i s ts i m u l a t i o no fy a r n i sa p p r o a c h e dt h r o u g ht h ec r o s ss e c t i o nr o t a t i o n t h eb a s i cl i g h t e n i n ga n dm a t e r i a l m o d e lo fy a r ni sa l s oe m p l o y e dt os i m u l a t et h ei l l u m i n a t i o no fy a r ni nt h ep h y s i c a l w o r l d f u r t h e r m o r e , y a ms t r u c t u r e si n t h r e ed i m e n s i o n sa r ed i s p l a y e dt h o u g h s o l i d - m o d e l i n gt e c h n i q u e sa n ds u r f a c e m o d e l i n gt e c h n i q u e s a f t e ra n a l y z i n gt h es e c t i o ns h a p e c u r v es h a p ea n dr e l a t i v ep o s i t i o i l so fy a r n s a m o n gt h ef a b r i cs p a c e ，t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h ey a m si nr e a lf a b r i ci se x p l o r e d a n dt h ew o v f f f ls r u c t a r e si nt h r e ed i m e n s i o n sa r ed i s p l a y e db yu s i n gs o l i d - m o d e l i n g t e c h n i q u e sa n ds u r f a c e - m o d e l i n gt e c h n i q u e s t h eo u t r i u to f t h i sr e s e a r c hc a r lb eu s e f u l i nt h ev i s u a l i z a t i o no fw o v e nf a b r i c n i d e aa n dm e t h o d se m p l o ) 7 e di nt h i sw o r k p r o v i d ea n e ww a yt oa n a l y z et h ef a c i a la p p e a r a n c eo f y a ma n df a b r i c d o n g f e n gw a n g ( t e x t i l em a t e r i a l sa n dt e x t i l ed e s i g n ) s u p e r v i s o rb y ：p r o fs h i z h o n gc u iw i t hz z t i a s s o c i a t ep r o ft i a n y o n gz h e n gw i t h z 2 | t i p r o f s h a n y u a nw a n g k e y w o r d s ：c a d , y a ms i m u l a t i o n , 3 df a b r i cs i m u l a t i o n , p e i r c em o d e l ，o p e n g l b - s p l i n ec u r v e 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所里交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责。并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王三童簪 日期：础年1 月7 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 指导教师签名： 日期；年，月夕日 辉i j j王 ：日 名彳 签 月 昔f僻，睁 文 肋 擞 矽 位 瓤 学 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节纺织g a d 的发展现状与趋势 计算机辅助设计是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力， 辅助进行产品的设计与分析的理论和方法。由于计算机具有运算速度快、信息储 存量大、记忆能力强、计算可靠性高、能快速反应与显示图形、图像等诸多特点； 人又具备较强的想象力、判断能力、鉴别能力和选择有用信息的能力，利用人机 交互的手段进行设计，可充分发挥人和计算机两方面的优点，使设计质量和效率 大大提高。 在过去的1 0 - 1 5 年时间里，计算机辅助设计技术在纺织工业中的应用与其他 诸如汽车、造船、建筑等工业一样，在国内外的迅猛发展和广泛应用，计算机 辅助织物设计为产品设计人员提供了先进的设计手段，它突破了传统的设计方 式，用显示器屏幕和鼠标等代替了意匠纸和笔，设计者可以在屏幕上很方便地设 计和修改织物的组织，使设计者从繁重的手工设计中解放出来，可以有更多的精 力用于新产品的构思和开发之中。但这并不是织物c a d 技术发展的终极，一方面， 现行的c a d 系统在织物组织( 特别是复杂组织) 设计功能上有待进一步完善，现行 c a d 系统离真实模拟织物外观的要求还有相当的距离，因此，从单纯的组织设计 向组织外观效果的真实模拟方向发展将仍是织物c a d 技术的研究主题，而从织物 的组织结构入手，研究织物的几何模型，从而进行三维模拟的研究将是实现外观 效果真实模拟的较为理想的途径，国内外正在开展这方面的研究。另一方面，计 算机辅助设计的最终目的是为了生产，如何由计算机根据设计目标参数控制机器 生产出所需产品，是c a m ( 计算机榭助制造) 的内容，而由设计、生产、成本核算 到管理等一系列企业活动则是c i m s ( 计算机集成制造系统) 的内容，因此，从c a d 到c a m 直至c i m s ，对机织物c a d 系统提出了更高的要求，也为机织物c a d 技术的发 展指明了方向。 1 1 1 国外纺织c a d 发展状况及趋势 国外纺织c a d 技术发展较早，目前关于这方面的系统也非常多见。t h e c o m p u t e r _ n _ t c g r a t c d t e x t i l e d e s i g n a s s o c i a t i o n ( c l t d a ) 是国外一个专门负责纺织 第一章绪论 工业中计算机集成设计( c l d ) 和计算机集成制造( c 玎) 系统的使用、管理和开发的 主要协会，该协会收录的一些大的纺织c a d 方面的软件系统。在机织物设计方 面的有1 1 - 2 1 ； a m s l c r r e xa g 瑞士a m s l e rt e xa g w w w a m s | e r t e x c o m m t i l l e rj a k o b a g 瑞士j a k o bm o l l e r a g w w w m u e l l e r - f r i e k c o m a + p 德国a 憎m a s c h i n c e n b a uc n n b hw w w a - u - p c o m c r o s s e 德国o r o s s ew e b e r e i m a s c h i n e no m b hw w w g r o s s e - e l t e x c o m a c t i v eo n l i n eo m b h 德国a c t i v eo n l i n eg m b hw w w a c t i v e - o n l i n e d e s e h o e n h e r r 德国s c h o e n h e r rt e x t i l m a s c h i n e n b a ug m b h w w w s c h o e n h e r r - m a c h i n e r y 一d e w i r t h 德国d r w l t _ t hc r r a f i s c h et e c h n i kg m b hc o k g w w w d r w i r t h d e e a t 德国e a to r a b h t h ed e s i g n s c o p ecompanywwwdesimxseoveeomvanveom a r s h a mk o o s h a 伊朗c oa r s h a mk o o s h acowwwarshamkooshacom b o o r i ac a d c a ms y s t e m s 伊朗b o o f i ac a d c a ms y s t e m s w w w b o o r i a c o m d r a c u pl i m i t e d 英国d r a c u p ( l r k ) l i m i t e dw w w d r a c u p u k e o m s e o t w e a v e 英国s e o t w e a v e w w w s e o t w e a v e e o m m e i 意大利m e ii n t e r n a t i o n a ls i l l w w w m e i l a b e l i t o r i n t e x 意大利o r i n t e xs r 1 w w w o r i n t e x i t o m e g ac e n t e r 意大利o m e g ac e n t e rs 。r 1 w w w o m e g a c e n t e r i t h i t e x 意大利h i t e xs r 1 w w w h i - t e x i t d si r f f o r m a t i c a 意大利d si n f o r m a t i e as n cd id e l l a n g e l os t e f a n o & c w w w d s - i n f o r m a t i c a i t v i a b l es y s t e m s 美国v i a b l es y s t e m si n c w w w v i a c a d c o m t e x t r o n l c s 印度t e x t r o n i c sd e s i g ns y s t e m s ( dpvt。lidw w w t e x t r o n l c e o m w o n d e r w e a v es 印度w o n d e rw e a v e ssystemswwwwonderweavescom c o n t i n e n t a ls y s t e m s 印度c o n t i n e n t a la u t o m a t i o ns y s t e m sp v t m w w w e o n t i n e n t a l s y s t e m s c o m n e d g r a p h i e s 荷兰b l u e f o xn e d g r a p h i c s w w w b l u e f o x t a c o m y x e n d i s 法国y x e n d i ss o f t w a r ew w w y x e n d i s e o m 第一章绪论 l e c t r a 法国l e c t r as a w w w , l e c t r a c o m p i x e l a r t 西班牙p i x e l a n t , s l w w w p i x e l a r t e s f r a c t a lg r a p h i c s 西班牙f r a e t a l , g r a p h i c ss l w w w f r a c t a l 盘 a p h i c s c o m i n f o r m a f i c at e x f i l 西班牙i n f o r m a t i c at e x t i l w w w i n f o t e x e s h i m c t e x 日本h i m c t c x w w w h i m c k o b a t a c o m g l o r i a 俄罗斯f e d e r a t i o nt c s g l o r i acolidw w w m t u - n c t r u w i l c o m - t c c o sb e l g i u mb v b a 比利时w i l e o m t e e o sb e l g i u mb v b a w w w w i 1 c o m - t e c o s c o m 综合国外的织物c a d 系统，其提供的软件功能各具特色，但是基本都具有纱 线的设计与仿真、织物的设计与仿真、配色与印花设计、映象仿真功能( 大部分 为二维映象) 。对于纱线的仿真，系统基本上都可以模拟花式或混色纱线的效果， 大部分可让用户为新种类纱线扩大纱线库；各个系统具有不同程度的织物仿真能 力，有些系统对复杂组织织物的表示如蜂窝形或提花凸纹双层织物豹仿真存在困 难；有些系统可展示织物的截面示意图，并可以直接修改，这种修改直接影响纱 线及纹板图，这对于多层织物的设计很有用；有个别软件还提供多层织物的三维 设计功能；至于服装设计功能，大部分放码、排料已完成由手工向全自动方向的 转换，衣片、款式设计也逐渐向智能化发展。有的软件除了二维系统的功能外， 对三维系统还提供了三维服装到二维衣片的展开及二维衣片到三维服装的综合 变换功能，并可将二维衣片的信息传递给图案系统与成本会计系统：有的系统还 允许用户指定衣料的特征，模拟出面料图案、纹理等，然后覆盖到三维款式的设 计图形上去；有的系统不仅可实时地生成服装穿着效果图，甚至还可模拟三维图 象的背景内容，以达到最佳的表现效果1 3 - 9 。 目前，市场上比较成熟的国外织物模拟仿真软件有：德国d e s i g n s c o p e 公司 的e a t 、荷兰的n e g g r a p h i c s 、英国s c o t w e a v e 。最新版本都能显示织物的三维 外观，现在分别对这几个c a d 系统给予介绍： 1 、e a t ：该系统是一个多任务系统，能够最大程度的发挥各个子系统的效用。 所有的窗口都能够移动、调整大小，并根据需要提供各种显示视图；在织物定制 时可以同时使用好几种工具，提供个性化设计环境：在模拟织物时操作相对简单， 可以分别设置和显示纱线的细度、颜色和经纬纱密度，且可以单独的编织显示多 层织物的每层，也可以对织物进行整体显示和操作；实时显示，不论你对哪个部 第一章绪论 分的参数作修改，模拟图像都会实时的进行调整，保持输入数据和显示输出同步。 该系统提供以下功能“”： 经纬纱方向可以使用最多1 6 种不同的纱线 可以改变经纬纱排列顺序 每根纱线可以显示期望的颜色 经纬纱密度可以单独设定 单层织物可以由经纬纱自由定义 纱线截面或轮廓随经纬纱系统而改变 纱线尺寸可由输入的绝对精确数值决定 每根纱线间和纱线层间的位置是可变 模拟效果图如下： 图1 1e a t 的3 dw e a v e 模拟效果图 2 、n e d g r a p h i c s ：该软件是提花织机软件，由织纹编辑、织机编辑、织物编 辑和产品生产几个子系统组成；可以从纱线库中调用需要的纱线，也可以编辑经 纬纱的颜色和排列；可以由简单组织转换成复杂组织，也可从复杂组织转换成简 单组织；能够模拟显示股线、花色纱、花式纱等各种纱线的织物模拟效果；织物 第一章绪论 的生产设计数据可在各个子系统交换、显示、打印、存储；在向导工具的帮助下， 可以多角度观测织物的三维模拟效果。模拟效果如下图1 2 所示1 。 图1 2n e d g r a p h i c s 织物的三维模拟效果图 3 、s e o t w e a v e ：s c o t w e a v e 由多个功能完善单一系统组成。有纱线设计系统， 工艺图设计系统，大小提花设计系统，天鹅绒大小提花设计系统和动态悬垂性模 拟系统。纱线和工艺图设计系统是提花设计该系统的基础，通过扫描现有的纱线、 织物，分析织物结构和纱线排列顺序，获得纱线和织物组织的相关参数，改变相 ， 关纱线组织参数获得不同的设计目标，模拟仿真设计织物的三维外观，控制织机 生产设计的产品。w e a v e3 d 是提花设计系统的一个子系统，允许观察者改变观 察点，来多角度观察研究不同层织物的结构形态和不同组织点区域内纱线的截面 形态。外观动态悬垂性模拟系统是一个三维可视化工具，显示s e o t w e a v e 织物覆 盖在真实的三维模型上时的动态形变状态和阴影形态，用以表示织物的服用悬垂 性能。w e a v e3 d 显示的模拟效果如下图所示【1 2 1 。 图1 3s c o t w e a v e 织物的三维模拟效果图 第一章绪论 随着计算机软件、硬件的发展，以及c a d 技术研究的不断深入，纺织品c a d 系统的功能必将愈加强化，其发展将集中在以下几个方面： 1 ) 功能更加完善、应用范围更加广泛 随着计算机技术的不断发展，机织物c a d 系统的界面将变得更加友好，使 用更加方便。织物模拟范围将不断扩大，图像仿真程度更高。各种花式纱线和新 型纱线的仿真模拟将进一步拓宽织物的设计范畴。三维图像将能模拟织物的质感 ( 如蓬松感) 以及纺织品的基本结构：最终产品模型即是纺织品最终应用效果的模 拟，如显示织物的穿着或装饰时的三维动态显示效果，在制出真实的样品前使设 计师或用户看到逼真的屏幕上的设计效果。使用成本计算模型可使设计者立即看 到原材料、机器设定和整理等各种方案的费用，这也是为客户提供即时信息的最 重要工具。 2 ) 集成化程度日益提高 纺织品的计算机集成生产( c i m ) 是纺织品c a d c a m 技术的发展方向，纺织 品c i m 被认为是未来纺织厂的模式。现阶段一些c a d 系统已经能够提供与纺织 机械的接口，使纺织品ca d 5 b 的设计结果直接用于控制生产，比如电子提花。 随着c a d 技术的不断成熟，这种设计、生产集成化的程度将日益增高。同时纺 织品cad 系统还逐渐扩展到市场分析、经营决策、销售和售后服务领域，包括 纺织生产和库存管理、财务资源管理等全部运营活动。 3 ) 系统向网络化方向发展 纺织厂通过计算机网络将生产过程中涉及到的各个系统连接在一起，实现数 据的采集、交换和共享，减少了数据的重复输入和输出，大大提高整个系统扶定 单、原料、设计、工艺到生产、供货全过程的效率，并提高产品质量，降低成本。 1 1 2 国内纺织c a d 发展状况及趋势 国内ca d 研究发展已经有十几年的历史，很多企业和科研院校研发出具有各 自特色纺织和服装c a d 产品，如浙江丝绸工学院的织物c a d 系统，其特色是具 有主要的花色纱线即组织设计功能；纺织工业部科学研究院的系统，除了具有纱 线设计、组织设计及织物模拟外，还增加了与工艺相关的许多计算功能；天津纺 织研究所的c a d 系统，除组织设计及较强的颜色配置外，花式纱线的设计功能 较强；上海毛麻纺织科研所与上海十一毛联合开发的c a d 系统，可模拟织物效 第一章绪论 应、花色效应、起毛效应、加捻效果等，功能较强；杭州浙江大学经纬自动化工 程公司和电气自动化研究所开发的纹织c a d 系统，适用于丝绸、领带、贡缎、 经编、毛巾、毛毯、装饰布等各种规格的提花织物纹织工艺自动化；视博数码科 技公司的f c a d 2 0 0 0 系统等。现对其中技术比较成熟的产品介绍一下【1 3 16 】： 1 、佰锐数码科技有限公司推出的百锐多臂计算机辅助设计系统( a u d o b b y c a d ) 包括以下功能： 组织设计：可以自由地进行组织设计，包括一般组织、复杂组织、及组织， 并可生成穿综图、纹板图等并提供常用的组织库； 纱线设计：自由设计棉、毛、丝、麻等不同原料的单纱、股线、混色纱、节 子纱、圈圈纱、大肚纱等各种纱线； 面料设计：直观形象地进行织物配色模纹、经纬密等，并且可以动态地观察 面料的配色效果，及改变纱线种类颜色、组织、经纬密等来观察面料模拟效果； 服装及装饰模拟：把彩色的时装照片、服饰及室内装饰图片等进行处理后， 可以您设计的面料覆盖到上面，得到立体效果图检验您的设计效果是否理想。 2 、中国纺织科学研究院开发织物仿真c a d 系统，它具有极好的织物组织输 入和纱线设计功能，可以设计单色丝、混纺丝、和股纱、毛粒子纱，并能模拟出 这些纱线织成的织物，可以随意调整纱线的颜色，甚至可以模拟起毛拉毛后整理 加工后织物的表面状态，它不但能用于普通组织的织物设计，而且可用于复杂组 织如二重、双层组织包括表里换层组织的织物设计。有以下功能和特点：纱线设 计、存储和读取，可自建纱线库；多种组织输入方法和复杂组织的生成、存储和 读取；织物模拟图像的自动生成和织物起毛表面状态的模拟；上机图设计，照图 穿综和自动穿综，自动生成纹板图；织物模拟图像的彩色打印输出，可以获得和 实物“l 的密度和花型、规格。 3 、东华大学、上海视博数码科技有限公司、轻纺科技中心联合推出的f c a d2 0 0 0 系统。f c a d 2 0 0 0 ( f a b r i c c a d ) 是运用在纺织业上的计算机辅助设计工 具，它可以设计出单层组织小提花、变化规则组织、缎纹组织和一些复杂多层组 织( 包括二重组织、多层结节组织和换层组织) 。它包括组织设计、纱线设计、面 料设计、布样和模特模拟、布样分析等五个部分。f c a d 2 0 0 0 不仅让设计者能方 便、快捷、直观地设计出客户所需要的面料，还大大地缩短了设计同期，并提高 - 7 - 第一章绪论 了产品设计质量，因此能符合和适应当前厂家的需求。主要的附属设备为一台数 字化仪、一台扫描仪以及一台彩色打印机。系统软件运行环境为w m d o w s9 x 或 w m d o w sn t 4 0 以上。 目前国内的织物仿真设计c a d 系统的功能主要有：组织图绘制、图形编辑 ( 缩放，剪接、旋转、翻转、移动，拷贝) ；配色及组织图的运算及自动生成， 可在输入组织参数的基础上自动生成各种组织如：平纹、斜纹、缎纹及其变化组 织、各种复杂组织等，可对一个或多个组织进行迭加、旋转、拼合运算，可自动 生成组织图，纹板图、穿综图，并有循环扩展功能，建有组织库，简单组织可直 接调用：织物外观模拟显示功能，可进行纱线仿真，小样图仿真，色彩仿真， 如再配有电脑织样机，则可进行织物设计仿真模拟，其中小样图仿真国内可达到 模拟布料的拉毛、多次起毛的效果。 近期，东华大学、天津工业大学和南通工学院不断有织物三维显示的论文发 表，表明我国纺织物的外观模拟已从二维模拟走向了三维立体模拟的阶段 1 7 - 2 0 1 。 国内的三维织物模拟显示多采用光学影像或不同光学照度模拟，大多数只能显示 长丝织物，对于复杂织物组织的三维模拟显示速度慢，而且效果并不算理想。因 而我国的织物立体模拟技术有待于进一步发展和研究。 第二节织物仿真中存在的问题 早期的织物c a d 系统模拟织物外观的基本原理是：首先根据经纱密度在屏幕 的作图区垂直方向铺上经纱，然后根据纬纱的密度在作图区水平方向铺上纬纱， 经纬交错的地方按照组织点的属性判定是显示经组织点还是纬组织点。这种模拟 方法仅仅根据织物组织、经纬纱的排列和经纬密度这几个因素生成织物模拟图 像，而不考虑纱线本身其它的性质，在这类织物模拟图上织物的组织点仅仅是单 一颜色的色块。在纱线很细的情况下，一根纱线可以抽象为一根细直线，一个织 物组织点可以抽象为显示器上的个光点，但是，在纱线较粗的情况下用个单 一颜色的色块去表示一个组织点显然是不够的，必须更丰富的信息才能将其认同 为组织点，因丽，这种模拟方法模拟出来的图像实质上是一个配色模拟图或者是 变形的配色模纹图，模拟图像平淡、没有质感，可勉强应用于纱线细、密度高的 织物模拟或经纬纱异色的织物模拟，对于经纬纱同色的织物，模拟出来的效果要 第一章绪论 么是网格状，要么是一个矩形的色块。另外，它也不能模拟花式纱线和混纺纱线 织成的织物。 随着研究的深入，人们认识到在生成织物模拟图像时，对于每一个组织点， 除考虑经、纬浮点以及纱线的排列外，还要考虑组成纱线的纤维的色彩及混合比， 纱线的股数及捻度等，这样就有了基于纱线设计的织物外观计算机模拟方法。德 国c i s 公司的d e s i g n 3 计算机辅助设计系统中的纱线模块c o l o r 2 ，该模块可对纱线 进行开发和配色，并运用于随后的织物仿真。在花式纱线的仿真中以图形方式对 纱线的参数化设计进行模拟，其设计思想是用一组循环排列的倾斜放置的色彩小 方格来表示纱线，每个具有彩色的小长方形即代表纱线单元块的仿真模型。嵌有 花式纱线织物组织计算机模拟中讨论了通过纱线扫描图像，再经过一定的处理与 分析，填绘于织物的组织点中以模拟织物的外观。这些方法的研究使织物仿真技 术有了突破性进展，织物模拟图像也更具质感。基于纱线设计的织物外观计算机 模拟方法较成功的解决了由花色或花式纱线织成的织物外观的模拟问题，这一方 法在许多c a d 系统中应用，但其仿真效果与实际仍有差距，尤其对单色纱线织 成的织物模拟效果不理想，也不能真实模拟复杂织物组织的外观。近几年有一些 文献中提出并构建了圆形截面的3 d 纱线，并以此纱线为基础，结合织物组织中 纱线中心轴走向，模拟出各种织物组织的三维外观形态，使织物仿真技术跨出一 大步，但仍存在一定的问题，部分模拟组织中有穿刺现象，织物纹理模拟为扫描 图像映射，与真实纱线、织物还有较大的差距，为预测纱线、织物的物理性能和 服用性能带来一定的困难。 影响织物外观的因素众多，就织物本身因素来讲就包括织物组织类型、织物 规格( 经纬密度、纱线号数、捻向) 、纱线颜色和原料种类等，要考虑这些因素， 在显示器上真实的再现织物的表面状态，无疑有一定的难度。研究工作者在这一 领域进行了不断的研究和探索，如借助于模糊逻辑显示素织物的外观；研究织物 组织结构，运用浮长线对纱线的聚拢和分离作用，显示织物的外观 运用分形理 论显示织物的粗糙度或对特定的织物建立特定的数学模型以模拟其外观。这些方 法的研究对提高真实感织物外观的模拟起较大的促进作用。 综合比较现有国内外织物c a d 系统的功能可知，当前这些纺织c a d 系统较之 以前有了较大地发展，但是它还有一些难点问题未从根本上解决，织物仿真技术 第一章绪论 没有得到根本提高。造成这种局面包括多方面的因素，织物结构复杂性是根本内 因，但还有人为原因，这包括人们对织物仿真方面的认知偏差，建立的纱线织物 结构存在缺陷，以及未充分考虑光照材质条件对织物外观的影响等【2 ”引。 1 2 1 仿真设计的认知偏差 认知偏差存在于很多纺织c a d 系统的设计过程之中，其中主要有几个方面： 1 ) 在织物仿真时，认为织物是巍粹的二维平面。在二维仿真方面，这样简化 本身没有什么问题，但是却造成很多c a d 系统未综合考虑实际织物外观，并把 与之相关的参数引入其仿真技术中去。因此，在概念内涵上出现偏差，二维仿真 成为在计算机上“织物平面化”，忽略织物三维特性的表示。这样，二维仿真效 果不能很好地反映实际织物的外观特征。 2 ) 认为织物仿真效果就是配色模纹图。在这样思路下的仿真效果图上，纱 线是均匀分布的，未考虑纱线在织物中的飘移、压缩等问题。 1 2 2 纱线与织物的结构模型问。题 纱线和织物结构模型还不能充分地再现实际结构，还有待完善。 1 ) 在纱线方面：历史上有许多模型用于描述机织物中纱线的形态。由于纱线 在织物中的路径呈现出特有的几何特征，人们对这一特征较难把握，于是从各自 不同角度考虑，所以出现不少不同的模型。最早是p e i r c c ( 上世纪3 0 年代) 的纱 线结构模型，他认为纱线路径是圆弧与直线的组合图形。接着，不少模型认为， 纱线路径是圆弧、直线和正弦曲线相结合。这些路径都不是实际的路径，不过都 是合理的近似。然而，在真实织物中，纱线的截面形状在不同的位置时是不同的； 纱线路径也很复杂，这不仅反映单根纱线本身的性质，而且纱线在织物中不是按 组织横纵垂直分布的，会有出现位移和变形，甚至出现扭曲。 2 ) 在织物方面；严格地讲，织物是一个三维实体，用三维模型表达可在计算 机上得到最好的织物仿真模拟效果。但是现有的机织物计算机辅助( c a d ) 系统大 都是通过将组织图缩小并在横纵两个方向上延伸来实现，这样虽然可以显示出织 物的基本花型，但与织物实际的外观效果有一定的差距。当构成织物的经纬纱线 较细，并且经纬纱不同色时，用上述的方法来实现织物组织的模拟，效果较明显。 但是，当经纬纱同色时，无论是由平纹、斜纹还是其它组织构成的织物，其结果 都将是一片颜色。对于经纬纱较粗的织物，模拟时需要表现出一定的立体感，如 第一章绪论 果仍然用一些色块按照组织图进行简单的排列，这样的组织模拟效果不会有经纬 纱交织的感觉，更没有立体感而言。 1 2 3 织物的光照仿真问题 织物光照问题主要在以下几方面 1 ) 模型方面：大多模型中，将纱线抽象为光滑的柱状物，但实际的纱线经不 同程度的加捻会有一定的捻向；模型中也未考虑纱线的质感，不同原料的纱线质 感不同；不同原料采用不同方式加捻形成的纱线，其表面光学特性不同，视觉效 果也各异。然而，在进行织物模拟时，通常考虑的是织物的总体效果，对模型的 度量采用的是纱线直径大小的数量级，而纱线的加捻效果只能由纤维直径的数量 级的空间构造来描述。因此，当描述织物的整体效果时，加捻效果的影响可以忽 略。当然，这仅仅是对较细的纱线来说，对较粗的纱线，忽略加捻效果会造成模 拟效果的失真。 2 ) 光源方面：大多数模型所采用的光照条件为最简单的白色平行光垂直照 射，考虑纱线表面的反射时，忽略了光线二次反射及折射。这样傲，一方面是由 于计算机计算能力所限，计算织物整体效果时，如考虑复杂光源及表面的二次反 射和折射，计算次数将大大增加，将无法很快得到效果图；另一方面的原因是织 物中纱线排列紧密，而且为有规律结构，从最后的模拟效果看，采用对整体的处 理结果进行预处理和二次处理的方法也能得到较为满意的效果。 3 ) 算法方面；由于织物复杂性，光照处理计算开销很大，计算机处理速 度较慢。 第三节本研究的意义与任务 1 3 1 研究的意义 近年来，尽管织物c a d 技术已经进入实用阶段，但在组织设计方面仍以单层 组织为主，对复杂组织的研究还不够深入；另一方面，现有的织物外观仿真方法 基本上是以经、纬交织的示意图为基础而进行的二维平面图形的模拟与显示，实 际织物是一个三维的物体，织物表面有凸凹起伏，现有的织物外观仿真系统不能 很好地反应织物真实感外观效果。即使现有的国外某些织物c a d 系统实现了多 层复杂组织的织物三维仿真，但仿真效果并不理想，纱线截面形态、织物空间几 第一章绪论 何结构存在不足，织物真实感外观效果还未能很好地实现，织物仿真技术还有待 突破。随着计算机图形学技术的迅猛发展和许多优秀的设计平台的出现，为探索 更有效的织物仿真方法创造了条件，为此，本课题提出了基于纱线截面形态和织 物空间几何结构的机织物外观的三维计算机模拟的构想，进行纱线、织物三维仿 真技术的研究，为织物外观真实感图形显示探索新的实现思路与方法。 1 3 2 研究的任务 根据本课题要达到的目的，主要对以下几方面进行课题研究： 1 、研究纱线截面形态曲线和纱线表面结构形态曲面，建立纱线受力压缩后 截面形态模型，结合纱线在织物中的路径走向，构建纱线表面形态曲面，完成可 变截面的纱线几何结构模型的构建。 2 、设置纱线、织物生成的场景，建立纱线的光照材质模型，生成真实感较 强的三维纱线。 3 、研究织物组织结构对纱线路径的影响，确定纱线与织物相关参数。 4 、研究织物几何结构和几种典型几何模型，确定并模拟纱线在织物中的路 径走向，结合纱线截面形态和织物组织参数，建立织物的空间结构模型。利用 o p e n g l 编程技术，实现织物的三维外观效果。 第四节本文的结构安排 本论文共分六章，具体结构安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了本论文研究内容所涉及的领域和学科的现状和发 展趋势，以及当前存在的问题和本论文所解决的问题。第一节主要介绍国内外纺 织c a d 的发展现状与趋势。第二节总结了织物c a d 系统仿真中存在的问题和技术 难点。第三节介绍本课题研究的意义与任务。第四节是全文的结构安排。 第二章对本论文的几个研究方向中涉及的概念和技术进行了全面综述。第一 节对虚拟环境中的对象模型进行分类，分为几何模型和非几何模型。第二节介绍 和总结了三维几何造型技术中的线框造型技术、实体造型技术和曲面造型技术， 并对曲面造型技术中的多边形网格和参数化曲面这两种主要方法进行了分类说 明和比较。第三节介绍了本论文将用到的0 p e n g l 相关技术和v