（纺织工程专业论文）基于结构特性的机织物计算机仿真模拟.pdf

摘要 y9 3 0 2 0 5 缩短产品的设计周期，提高产品的设计质量，已经成为纺织新面科丌发的目标， 计算机辅助设计( c a d ) 技术在纺织领域的应用，成为实现这目标的首选工具。 所以，能否达到真实、逼真的模拟织物外观和图案的效果，成为衡量织物c a d 是 否具有实用价值的标准。 为了这样一个理念，本文存首先回顾已有软件的模型和数学方法的基础上，从 机织物本身入于，首先对大量的机织物进行切片实验，观察纱线在机织物中的真实 截面形态，并使用精密的测量仪器测得数据，结合织物的工艺参数，分析了结构相 对织物的影响及对生产的指导意义；获得切片的显微镜照片后，发现了纱线在机织 物中的截面形态的多样性，在前人的基础上提出了纱线截面形态的新观点并建立了 纱线截面的形态区域理沦。本文认为，纱线在机织物巾的截面形态小能用统一的形 状去定论，并且对卡其类织物，更不适合_ l 规则的几t o j 形状去描述，应该利用不同 的模型对这些截而分门别类，分别对待，而不足概而论。这些新的观点和理论不 但能够方便的概述同浮长线卜- 多个组织点挤紧、压缩、相互支撑的现象，而且对织 物外观仿真模拟处理纱线截面形态时提供了更简单的模型；在此基础上，本文利用 纱线截面形态的新观点建立了用于平纹织物仿真模拟的纱线走向的数学模型，计算 了模型分段中的x 、y 坐标。 本文选用面向对象的程序 发语言d e l p h i 丌发了【z j 以模拟简中机织物外观效 果的软件，为了使模拟的织物图像效果逼真，采用了简币光反射模型，使织物图像 具有表面凹n 、明显阴影变化的效果，而且系统具有良好的人机交瓦界面，使操作 者使用方便。 利用计算机程序语言开发在汁算机二维显不屏上模拟织物的维寺体效果，已 经成为当前开发相关软件的一大目标，本文为r 弥补所丌发软件在这方面的不足， 最后，使用计算机绘图上具a u t o c a d ，采用小同的纱线截血形状及结构相制作了大 量的小提花机织物的几1 j 模型，i j 样可以达到显示三维立体效果的f 1 标，并利用 a u t o c a d 本身的功能可以从小同角度规察纱线在织物巾的空间几f u j 配合天系，收到 了良好的效果。 关键词：机织物c a d 、切片、纱线截面形念、形态区域、光照模犁、结构模型 c o m p u t e ri m i t a t i o no fw o v e nf a b ri c s o nt h eb a s eo fit s s t r u c t u r a lc h a r a c t e ris tic s a b s t r a c t s h o r t e n i n gt h ed e s i g nc y c l ea n du p g r a d i n gt h ed e s i g nq u a n t i t yo fp r o d u c t i o n sh a v e b e c o m i n gt h eo b j e c t i v ei nd e v e l o p i n gn e wt e x t i l e s ，a tt h es a m et i m et h ec o m p u t e r a i d e d d e s i g ni st h ef i r s tm e t h o di nr e a l i z i n gt h et a r g e t f o r i m i t a t i n gt h ev e r i s i m i l a ra p p e a r a n c e o fw o v e nf a b r i c s ，t h i sa r t i c l eh a s r e t r o s p e c t e dt h em o d e l sa n dm e t h o d so fo l ds o f t w a r ea n dt h e nh a sm a d em a n y e x p e r i m e r a so nw o v e nf a b r i c sb ys l i c et e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l s a m p l e s ，w eh a v eo b s e r v e dt h es e c t i o n a ls h a p eo fy a m si nf a b r i c s ，a n a l y z e de f f e c t so f t h e s t r u c t u r ep h a s eo nf a b r i c s ，w h i c hw a si n s t r u c t i v et op r o d u c t i o n w eh a v ed i s c o v e r e dt h e d i v e r s i t yo f s e c t i o n a ls h a p eo f y a r n si nf a b r i c sa n dp r e s e n t e dn e wv i e w p o i n t so ni t t h et e x th a sn e g a t e dt h ed e s c r i p t i o no fs e c t i o n a ls h a p ei nu s i n gt h es a m es h a p ea n d b r o u g h tu pas h a p ez o n et od e s c r i b ec o m p l e xs e c t i o n a ls h a p eo ff a b r i c s ，s u c ha s3 1t w i l l t h o s en e wv i e w p o i n t sa n dt h e o r i e sn o to n l yc a l lc a p s u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o m p r e s s f r o ms e v e r a lw e a v ed o t su n d e rt h es a n l ef l o a t ，b u ta l s oc a no f f e ras i m p l ym o d e lf o r i m i t a t i o no fw o v e nf a b r i c s t h et e x ta l s os e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e l so fy a m s t r e n do f p l a i nw e a v e sa n dc a l c u l a t e dxc o o r d i n a t ea n dyc o o r d i n a t ei nt h em o d e l s t h et e x th a sd e v e l o p e das o f t w a r et h r o u g hak i n do fc o m p u t e rp r o g r a m m i n g l a n g u a g e d e l p h i ，w h i c hi sa no b j e c to r i e n t e dp r o g r a ml a n g u a g e ，t h es o f t w a r ec a ni m i t a t e s i m p l yw o v e nf a b r i c s f o rt h es a k eo fo b t a i n i n gr e a l i s t i ci m a g e ，t h es o f t w a r ec h o o s e s i m p l ei l l u m i n a t i o nm o d e li nt h ed e v e l o p m e n t ，w h i c hm a d et h ei m i t a t e di m a g e c o n c a v e - c o n v e x ，b r i g h ta n dd i m ，a n dw h a ti sm o r e ，t h es o r w a r eh a sm a n m a c h i n e a l t e r n a t i v ei n t e r f a c et h a tm a d eo p e r a t i o nc o n v e n i e n t l y i ti sp r e d o m i n a n tf o rs o f t w a r et oi m i t a t et h r e ed i m e n s i o ne f f e c t so ff a b r i c so n c o m p u t e rs c r e e n ，t h e r e f o r e ，t h et e x tm a d ed i v e r s i t ym o d e l su s i n ga u t o c a dt h a t c a n s h o wt h er e l a t i o n s h i po fy a m si nw o v e nf a b r i c s ，a n dd i f f e r e n tm o d e l sh a v ed i f f e r e n t s e c t i o n a ls h a p e s ，i nt h em e a nw h i l ew ec a no b s e r v et h es p a c i a lg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i pb y o b s e r v i n g w a n gy a n - x i n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db y ：l i ur a n g t o n g ( p r o f e s s o r ) k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e d d e s i g no f w o v e nf a b r i c s ，s l i c et e c h n i q u e ，s e c t i o n a l s h a p eo f y a r n s ，s h a p ez o n e ，i l l u m i n a t i o nm o d e l ，s t r u c t u r a lm o d e l 第1 章绪论 1 绪论 我国纺织工业在过去的几年中获得了长足的发展，但也越来越面临更多的竞 争，其发展空间正逐步缩小。与发达国家相比，我国的纺织工业具有科技含量少， 附加值低，易于同构模仿等特点。面对新形势下的挑战，采用先进的技术改造纺织 业，利用信息技术提升传统行业的思想同样适用于纺织业这样的传统行业，提高纺 织产品的附加值成为纺织工业的发展趋势。 1 1 机织物c a d 与机织物仿真模拟技术 随着计算机辅助设计( c a d ) 技术在纺织领域的应用和不断成熟，在其出现的 近7 0 年的漫长历史中，其功能不断完善。外观模拟作为织物c a d 系统的一项重要 功能，已经得到人们的格外重视，国内外纺织技术研究人员和软件爱好者希望借助 计算机技术达到快速、形象、直观、真实地在计算机显示器上显示机织物外观的目 的，从而提升机织物c a d 系统的应用价值，缩短产品的设计周期，提高产品的设 计质量。近年来，随着计算机及图形图像技术的不断进步，对织物c a d 技术的要 求也越来越高，能够真实模拟织物外观和图案效果已成为织物c a d 研究人员追求 的日标。 1 2 机织物仿真模拟技术的历史及发展现状 否 图1 1 传统纺织新产品的开发流程 从三、四十年代织物c a d 出现开始，纺织生产的小部分l 作出现了【i j 以通过 自动化的方式j ：展的局面，这就引出了借助计算机辅助技术丌展纺织生产自动化的 第1 章绪论 的优越性，在纺织新产品的丌发和设计上当然也不例外，研究设计人员设想是否能 够通过计算机来达到纺织新产品的快速反应( q r ) ，从而把传统纺织新产品开发的 过程( 如图1 1 ) 用c a d 技术代替，摒弃这种繁琐的手工劳动。 随着计算机辅助设计技术( c a d ) 在纺织领域的应用和不断成熟，有很多软件，i ： 发者从8 0 年代末期就开始借助计算机进行织物的模拟，试图代替纺织品的手工设计。 国内外很多组织和个人进行了此项研究1 ”l ，如浙江大学、南通工学院、浙江工程学 院、东华大学、天津工业大学、华中科技大学、中山大学、武汉科技学院等，他们从 不同的思想和方法入手，扦发了各具特点的系统或软件，如南通： 学院王君泽晃：发的 “机织物c a d 及三维仿真系统” 5 1 、天津工业大学郑天勇开发的“机织物外观、结构 的i 维模拟软件” 1 “、华巾科技大学邓中民和武汉科技学院吕红梅开发的“机织物 c a d 系统”f 2 1 、大连轻工业学院汪德湟等开发的“网络版织物组织c a d 系统” 1 7 1 、上 海视博数码科技有限公司与上海东华大学及绍兴轻纺科技中心有限公司联合开发的 “f c a d 电脑提花设计软件” 1 5 】，在此就不一一列举，总之，这些系统和软件从各自的 侧重点出发，都为织物模拟技术的发展做出了贡献。 织物模拟技术从出现到现在，已经经历了从二维的平面视觉的纱线模拟到三维 纱线和三维股线的模拟，从织物本身的外观模拟到应用效果的模拟，其中运用了很 多数学模型和算法( 详述见下) ，考虑了影响织物外观的织物自身的因素以及环境 凶素，把织物模拟技术也从平面模拟上升到了三维模拟的高度。可以说，不论在织 物模拟上使用什么样的模型和方法，每一次的进步都推动了织物模拟技术的发展。 1 3 实现机织物外观模拟的不同理论模型和方法 如上所述，机织物外观模拟主要经历了纱线模拟、织物模拟和织物应用效果的 模拟三个阶段，而每个阶段都采用了不同的理论模型和实现方法，主要包括以下几 个局面。 1 3 1 织物的二维平面模拟 期的机织物外观模拟实际上是用二维的理念看待织物，用色块拼接形成织物 。2 第1 章绪论 的过程。其基本原理是根据经纱和纬纱密度分别在计算机屏幕的作图区的垂直和水 平方向上铺上相对应的经、纬纱线，经、纬纱交错的地方按照组织点的属性判定是 经纱还是纬纱，从而显示经纬组织点1 1 ”。这种模拟方法只从纯数学的角度出发，把 织物组织、经纬纱密度、纱线的排列等影响因素数字化，所以显示的模拟图就是直 线与直线的交叉平铺，看到的组织点外观是个个矩形色块，没有屈蓝，更没有质 感，而且这种模拟只能勉强显示经纬纱异色的情形，对于素色织物，模拟的效果只 是一片网格或矩形块的铺展，而且模拟的织物组织范围极其有限。 1 3 2 基于数学方法的纱线仿真 1 3 2 1 纱线的几何建模 对纱线进行建模的传统方法是用图形的方式对纱线进行参数化设计从而达到模 拟纱线的目的，设计思想是用一组循环排列的倾斜放置的矩形色块来表示纱线，每个 具有色彩的小矩形即代表纱线每个单元块的仿真模型，如图1 2 所示。这种方法简单 明了，在理论研究上很有意义，但在实际软件开发过程中，由于缺乏纱线模拟的真实 性和程序实现的方便性，所以在2 0 0 2 年1 2 月，杭州电子工、止学院的马云芳、王小华在 进行纱线的计算机模拟时采用了擦去四个角的平行四边形来模拟纱线的方法1 1 5 】，其纱 线的单元块模型如图1 | 3 所示，这种方法在考虑纱线捻度的基础上增强了纱线的凹凸 感，为织物模拟奠定了良好的基础。 a 氏拗 第l 章绪论 数在系统运行时取随机数。 2 0 0 3 年2 月华中科技大学的邓中明和武汉科技大学的吕红梅合作采用上述两种 方法的智能结合模拟纱线【2 i ，对有规律的股线或段染纱用数字化描述，而对于花式 纱线中的装饰如线结、彩点、毛羽等用图像或随机规律表达，这样易于形象逼真的 表示各种特殊纱线的效果。计算机可以根据纱线的形状判断并转化成纱线参数( 如 号数、捻度、色泽、捻向等) ，且可以将设计完成的纱线存入纱线库，以备后期织 物模拟时调用。 1 3 2 3 通过纱线外观的统计特性模拟纱线 我们知道当光线照到纱线表面上时，纱线的颜色或明暗程度由于其形态( 弯曲、 不光滑) 及光源的照射角度的不同呈不对称分布。浙江工程学院的施国生和梁道雷 认为，如果把纱线外形看成圆柱形，则纱线的颜色变化表现为具有统计规律的随机 特性，并丁2 0 0 4 年4 月提出了用随机过程的马氏链模型建立纱线模型的方案3 1 ，并 在织物模拟时取得了一定的效果，且在纱线的模拟技术上丌辟了又一条新思路。 1 3 2 4 纱线的三维建模( 结合物理方法) 在绝大多数的枫织物c a d 系统的织物外观模拟功能中，基本都提供了纱线的 设计功能，但基本上都是二维造型的，而且是单纱。2 0 0 2 年4 月5 月天津_ 2 , l k 大 学的郑天勇博士致力于更加真实地反映纱线在织物中的空间状态的研究，运用数学 和物理结合的方法建立了纱线和股线的三维模型1 4 】【1 9 】。其研究理论是，利用n u r b s 曲线构造纱线的表面，采用纹理映射4 均方法反映纱线表商的粗糙度和捻度，得到 的织物模拟图像具有高低起伏的凹凸感和阴影效果，并改变了过去模拟图像中纱线 的单调和光滑的局面。这些模型的建立使织物模拟技术更进了一步，并使织物模拟 技术上升到了三维模拟的阶段。 1 3 2 5 基于纱线仿真的织物模拟技术分析 经过研究人员的不断摸索，建立了很多基于纱线仿真的织物外观模拟的模型， 其中较突出的方法如表1 1 所示。每种方法都使纱线的模拟技术逐步完善，同时也 拓宽了织物模拟的思路。 ( 表1 1 见下一页) 4 一 第1 章绪论 在对纱线进行计算机仿真时考虑了纱线的外观( 包括捻度、毛羽、纹理、颜色 等) 、表面粗糙度、光照等诸方面的影响因素，但由于计算机技术与纺织的结合还 存在瓶颈，在定程度上制约了两者智能化结合的发展。而且，纱线模拟时所建立 的模型仍然与实际的纱线结构存在差距，使纱线的模拟仍然在探索当中。 1 3 3 数学和物理方法相结合的织物模拟 1 3 3 1 纱线的三维建模( 见1 3 2 4 ) 1 3 3 2 考虑织物几何结构对织物进行模拟 除了色彩属性，织物的外观和性能主要由织物的原料及几何结构决定。若假定 原料相同，在确定了织物的几何结构的前提下，便可以进行织物的外观模拟。 织物的儿何结构主要由织物内经纬纱的交织规律、经纬纱的截面形态、经纬纱 的密度和其轴心线的屈曲形态确定，由于浮长线1 1 6 1 1 2 0 】1 2 l 】f 2 2 2 3 3 对纱线具有拉拢、分 离和重叠作用( 如图1 4 和图1 5 ) ，并使纱线在织物中形成凹凸和明暗效应，所以 结合b 样条公式，计算各个组织点位置，在计算机屏幕上对纱线进行实体造型2 引， 纱线颜色根据色纱排列得到，再结合光照模型计算纱线上各处的明暗程度，得到织 物三维模拟图像。 这种基于浮长线理论【1 6 j 进4 7 i i d 织物外观模拟技术是2 0 0 1 年天津工业大学的郑 天勇博士在完成学位论文时首先提出的观点，此方法结合了纱线的仿真、纱线的实 s 一 第1 章绪论 体造型、光照模型，扦创了以考虑纱线在织物中的几何形态为线索的织物模拟方法， 并且到目前为止，这种以研究织物几何结构为基础，数学和物理方法相结合的织物 模拟方案是织物外观模拟技术方谣达到的最好效果，它不但能解决上述方法中的问 题，还可用于多层、多重织物及复杂织物的模拟。 ，二二二 型 l 1 韬。0 巡黜盂骞9 图1 4 浮长线唧凸成因示意图图1 5 浮长线拉拢和分离规律示意图 然而，在模型的建立之前假定织物原料相同，但我们知道，纱线在织物中因组 织结构的不同要受到各种力的作用，且纱线的表面由于受力表现成曲面，这个弯曲 的程度和大小又与多方面的因素有关，如表面有明显凹凸效应的蜂巢组织”l 。所以， 用普遍性的规律，基于同一个模型，模拟出的织物外观效果还是不能与实际纱线的 弯曲和捻乒l 严格对等，新的理论和方法还有待开发。 1 3 4 织物应用效果模拟技术 上述对织物的模拟是从织物本身考虑，展示了其实际的表面外观图案和花纹 而织物设计的最终用途是要与实际环境和实际对象结合的，所以为了展示设计出的 织物的质感、悬垂性、运动、织纹、光泽等在不同用途下表现出的特征，就引出了 织物应用效果模拟技术，1 9 8 6 年w e i l 使用悬链线法模拟出下垂的布2 6 1 ，之后，使 得织物的真实感仿真和动画模拟成为计算机图形学的一个热点，吸引了众多学者对 此开展了深入研究。 这种对织物的仿真模拟，思想是将设计好的织物穿到人体或模特身卜，或贴到 沙发、桌子等不同形状的静物上，或将多种实物组合即整间房间中织物的实物效果， 观察其褶皱、变形及织物特有的柔性。织物的这些特征是区别于其他具有相似几何 形态的物体( 如颦料、橡胶膜、纸张等) 的，所以将模拟出的织物实用化，也是织 物模拟技术的发展趋势。2 0 0 1 年1 2 月，中山大学的高成英、刘宁、罗笑南合作， 提出了基于数学和物理结合的方法【”，解决曲面织物真实感模拟、动念仿真等问题， 第1 章绪论 增强了织物模拟三维效果的应用价值；2 0 0 3 年1 1 月，浙江大学的朱华健和张森林 利用o p e n g l 技术 6 ，加入了物理环境对织物模拟的影响，考虑光照、观察角度等 因素，进行织物模拟三维效果的实现。 有的学者认为这项技术不能归属到织物模拟技术当中，但我们认为织物模拟技 术的实用性及其未来的发展趋势恰恰体现在此。在这方面，国内外已有很多纺织技 术及计算机研究人员进行了探索和研究8 】 1 7 】【2 6 【2 7 脚】【2 9 】。 1 。4 机织物外观模拟技术的原理 织物模拟技术是以织物组织设计为基础，从对形成织物的纱线分析及纱线设计 入手，将各种影响织物外观效果的主要的因素( 如纱线的细度、纱线在织物中的屈 曲变形、织物的密度、环境因素等) 数字化、模型化，采用纯数学的方法或数学与 物理结合的方法显示织物，从而达到实现织物的实物模拟，模拟生成的织物样品最 终还可应用于织物的悬垂、褶皱、运动的模拟，以及实物的场景模拟。 综合织物模拟技术的发展和现有的机织物模拟方法，我们可以将机织物外观模 拟技术的本质原理分为两类：纯数学的方法；数学与物理相结合的方法。纯数 学的方法是指在进行纱线设计时把纱线与数学模型联系起来，如纱线的图像描述、 纱线的统计特性分析、采用样条曲线表示纱线等，从而求出纱线上的各种参数，达 到纱线模拟的目的；数学与物理相结合的方法是指在实现织物模拟时，除了运用数 学手段显示织物外，在织物的光泽和褶皱的模拟上加上光照模型，使织物模拟更接 近实物。 从织物模拟技术的发展历史来看，机织物外观模拟主要经历了i 个阶段：纱线 模拟、织物模拟和织物应用效果的模拟，而每个阶段运用的方法也经历了从纯数学 的方法向数学与物理相结合的方法的过渡，所实现的模拟效果也从二维提升到i 维。其内在的逻辑联系如图1 6 ( 见下一页) 。 纯数学的方法主要应用在纱线的设计上，也应用在织物模拟的仞级阶段如对 纱线的几何建模、对纱线的图像及数字化描述、对纱线的统计特性分析以及织物模 拟的二维阶段，这些方法采用不同的数学手段力求得到逼真的纱线外观模型；采用 7 第l 章绪论 数学与物理相结合的方法主要应用在织物的生成及织物的应用效果的模拟上，由于 采用了物理手段，在织物形成时加入了场景的设计，使采用几何曲线形成织物曲面 与光照模型相结合，把织物模拟的外观效果提升到三维阶段，织物的应用效果模拟 技术也从单的实物效果模拟上升为多种实物组合的模拟。 纯数学法数学和物理结合法 图1 6 织物模拟技术各阶段之间的逻辑关系 1 5 机织物外观模拟技术存在的问题及未来的发展方向 1 5 1 机织物外观模拟技术存在的问题 经过以上我们对现有机织物外观模拟技术的实现原理、所使用的模型、方法及 在此基础上开发的系统或软件的分析，我们发现，无论采用数学方法，还是数学与 物理相结合的方法进行织物的模拟，都有其优点和缺点。尽管该技术在不断的成熟 和进步，但仍然仔在一些有待解决的问题： 没有充分利用计算机技术体现组成织物的纱线在材质上的特殊性： 使用物理方法时，光照模型的选取过于单一； 使用普遍性的模型模拟织物这个千变万化的物体。 1 5 2 机织物外观模拟技术未来发展的重点和方向 如同前述，织物模拟技术经历了一个研究人员不断摸索的漫k 经历，但由于在 实现外观模拟时仍然存在上述的不足，所以决定了它今后的研究重点和发展方向 ( 女图1 7 所示) 。 第1 章绪论 ，一一l 恰当的梗型 图1 ，7 织物模拟的重点、难点及未来发展趋势分析图 1 5 2 1 纱线设计是否能体现材料的质感 基于纱线设计及纱线实体造型技术的织物模拟，在定程度上推动了织物模拟 技术的发展，但织物模拟是有别于与之具有相似形态的其他物体的，所以如何在纱 线设计时就体现其材质的独特性，将成为研究人员着手于提高织物模拟效果的一个 切入点。 1 5 2 2 有针对性的设计 考虑织物的几何结构，利用浮长线对纱线的作用对织物进行的模拟虽已达到了 目前认为的织物模拟的最好效果，但由于几何模型的建立是有假定条件的，而纱线 的截面形态在织物巾究竟具体是怎样的形状，与多种因素有关，所以针对不同织物， 采用与之相对应的不同几何模型结构来提高织物外观模拟效果将是今后研究的方 向之一。 1 5 2 3 织物模拟应用效果显示 用没计得到的织物模拟人体穿着效果，或模拟窗帘、床上用品、桌布等室内布 置的装饰效果，已达到织物模拟的实用价值，这项技术成为织物模拟技术的研究重 点和难点，也是未来织物模拟技术研究的热点。 1 5 2 4 与网络技术结合达到织物设计的快速反应 织物模拟技术是织物c a d 中一项必不可缺的内容，它的进步同时影响着织物 c a d 技术的发展。由于i n t e m e t 、p d m 、e b u s i n e s s 和网络数据库等新技术的飞速 发展，为纺织品设计注入了更新的理念，近期出现了网络版织物组织c a d 系统【9 1 和基于网络的纺织y i t - 算机辅助设计( f n a d ) 3 0 1 ，支持动态建模和产品性能设计， 实现远程面料、服装及其仿真模拟的设计，以期实现全球化的设汁生产系统。如果 9 j ，譬节罨 第1 章绪论 在c a d 与网络结合的模式下能够不断满足客户对织物模拟所得样品的要求，将会 人力推进c a d 的网络化和纺织品设计的时效性。毋庸置疑，随着计算机技术及其 他学科的发展，纺织品c a d 将更加集成化、网络化、智能化和科学化。 1 6 本课题的研究目标和设计思路 本课题的研究思路正是从1 5 中的存在问题出发，计划解决四个问题： 为机织物进行简单归类，从织物原料、织物组织、织物的几何结构、织造的 工艺要求、织物的布面风格及其产生的原因入手，分析各类机织物的外观特点； 按卜i 述织物的分类对织物进行切片实验，从实验得出每种具体织物中纱线的 截面形态，为截面形念分类，并用数学方法建立相应的几何模型，不用普遍性的纱 线截面模型模拟千变万化的织物形态； 考虑到织物中纱线的加捻和纱线本身的毛羽、织物的表而颗粒( 凸起) 效果， 以及织物中经纬纱线的不同配置关系引起的图案、花纹外观效果的独特性，用适当 的纹理模型给纱线和织物添加表面细节，表现其布面的凹凸效应； 根据不同织物的外观光泽效果，从光照模型的三个影响因素出发，为织物建 直相应的光照模型，表现其在光照条件下的光泽、颜色、粗糙或光滑特性。 1 6 1 机织物按原料、织物组织、布面风格简单分类 首先从织物所用的原料和组织结构特征出发，给织物进行简单的分类 1 2 1 1 引i i 5 1 3 i - 3 5 1 ( 如表1 2 ) ，从巾分析得到由于织物所用的原料不【一j 、织物组织的差别 以及织造工艺要求等方面看出织物外观风格存在显著的差异，所以必须要对不同的 织物在模拟时进行区别，力求达到模拟效果的真实性。 从上表我们得知，经纬纱的原料、粗细、密度以及织物组织等不同，使经纬纱 之间具有千变万化的相互配置关系，所以就要从影响织物模拟的这些因素入手，扣。 破使用普遍性模型模拟织物的思想。 ( 表1 2 见下一页) 第l 章绪论 表1 2 机织物按原料、织物组织、布面风格的简单分类 1 6 2 利用切片实验实测纱线在不同织物中的截面形态 织物足个窄间中的三维实体，经纬纱在形成织物时由于互相作用( 交纵) 而 成为波浪形态，即屈曲形态，经纬纱之间屈曲程度的不同配置会显示出不同的结构 特7 l f ，使它们的表面并不是光滑如平面的，有凸起也有下凹，这种【兀i 起和下凹也是 形成织物纹理的原因之一。在此通过研究织物中纱线的截面形态，试图在计算机的 二维显示屏幕卜表现织物的这种外观效果。 关于纱线在织物巾的截面形态，2 0 年来对此已有多种论点 2 【3 6 】：f r e d r i c kt o m a s p i o r e e 主张以圆形或椭圆形描述，a k e m p 主张跑道形截面，h e a r l e 和s h a n a n a n 提 出凸透镜形截而，还有人提出了碗形截面。各截面形状如图1 8 所示。 据有些资料提供【5 3 】，埘本色棉布和部分毛织物切片观测，提出织物中的单独浮 1 1 第1 章绪论 点的纱线截面采用正弦弧和圆弧衔接而成的图形进行描述的主张( 如图1 8 ，图中 弧a b 和弧c d 是i l - ：l b ；线) ，长丝织物用凸透镜形描述，也就是将弧a b c d 的弧a c 和 弧b d 分别收缩后的形状。 oo ) oq 圆形椭圆形跑道形 凸透镜形正弦弧与圆弧衔接 图1 8 纱线在织物中的截面形状 然而我们知道，从组成织物的原料分，织物尚有棉、毛、丝、麻等不同种类的 品种，姑且不谈混纺及化纤织物，不同的原料再配合不同的组织结构，织物种类更 是形形色色，这一点已经可以通过表1 2 看出。所以我们不能用有限的纱线截面类 型覆盖众多类型的织物截面，应该从实际出发进行研究。 1 6 3 给纱线添加表面纹理 任何物体的表面都不是绝对光滑的，织物当然也不例外，即使是丝织物，表面 由丁有织纹的存在也是有细节的【3 7 1 1 3 8 1 。织物表面的这种表面细节主要由纱线原 料、经纬纱密度、组织结构( 浮长线的长短) 、纱线加捻程度、织造工艺等因素 决定。给物体添加表面细节的方法较多，如用多边形模拟表面细节、纹理映射、凹 凸映射、过程式纹理映射、帧映射或帖图方式等5 脚1 1 ”l 。但在各种给物体添加 细节的方法巾，纹理映射的方法最适合纱线的表面细节的添加。 纹理映射法是将纹理模式映射到物体表而上，通俗讲，比如我们把有术纹形象 的纸贴在墙上，墙壁似乎是用木材装裱了一样。这种方法使用的是坐标的空间映射 法，即将纹理映射模式映射到物体表面，然后再映射至投影平面，或者将像素区域 映射下物体表面，再映射到纹理空间( 图1 9 ) 5 8 1 ，由像素空间向纹理空问的映射 是最常用的纹理映射方法。把纹理映射的方法应用存纱线上，原理如图1 1 0 所示， 就是先给纱线的单元添加细爷，再将图案通过纹理映射的方法映射到循环排列的单 元上，就得到了纱线的表面细耵。当然织物上的细节还有捻度、毛羽引起的纹理效 第1 章绪论 果，进一步处理比较复杂。 图1 9 映射的方法 1 6 4 织物表面的光照模型 图1 1 0 运用在纱线上的映射 织物是现实世界中的实体，它还应受放置环境的影响，这种影响主要是指它们 与光线的作用( 吸收和反射) ，从而产生织物表面的颜色、光泽、明暗效果，所以 为了在计算机屁示器上真实地反映织物的外观效应，需要给织物建立光照模型。光 照模型由物体类型、物体相对于光源与其他物体的位置及场景中所设置的光源属性 - ：h 面因素决定 4 2 】f 5 6 心 。所以，对于织物的光照模型，首先就要考虑织物的材 质，其次光源相对于织物的角度( 即视觉角度的影响) ，最后就是为织物设置光源 的属性( 包括光源的颜色、光强、光源环境、光源的类型等) 。 首先把织物看作近似于不透明、不发光的物体，我们之所以能看见织物，就是 因为它们处在一个有光源的场景中或被其他物体表面的反射光照亮，亦或是二者共 同作用的结果，使光线到达人眼产生了视觉效果，又因为织物表面上所受光源( 发 光体或反射光源) 照射的光强度不同，产生了织物表面上的明亮区和暗淡区。 考虑到织物所处的实际环境，应该为不同的纵物建立不同的光照模型。 第，不同材质的织物与光线的作用不同。当光线照射到织物表面( 不透明、 不发光) 上时，部分光线被反射，部分光线被吸收，而织物材质的不同就决定了反 射光线的强弱。表而最光滑的丝织物反射的光线最多，棉织物和毛织物次之：对于 吸收光线的多少，则决定于织物的颜色，深色织物较浅色织物吸收的光线多。 第：，织物的表面有粗糙与光滑之别。对丁| 织物的风格不能一概而论，要考虑 其具体用途。例如现在对毛型织物的要求要分季节，夏季穿着用织物要求轻薄、手 1 第1 章绪论 感滑糯，秋冬季毛织物要求厚实保暖，而棉织物用作内衣面料时更多地考虑舒适性， 有时也织的厚实而粗糙，但强力要求较高，如帆布。从光学角度讲，织物糊糙度不 同，或是否要在建立光照模型时考虑粗糙度，是因为织物的应用场合、纱线细度、 织造工艺、组织结构等因素有关。粗糙织物的表面与光线的作用大多数考虑为漫反 射，从视觉角度讲，观察到的织物表面上的光亮度几乎相同，这也是我们通常看到 毛织物和棉织物光泽度要比丝织物的光泽度柔和的主要原因，而对于丝织物，由于 其本身材质决定，会在相对于光线直射的区域表现出高_ ) 匕区域或强光区域，是因为 对于它光滑的表面考虑更多的是镜面反射，所以丝织物在强光的照射下显得光彩夺 目。 以上四点就是本课题基于机织物外观模拟技术的原理计划解决的问题。 第2 章机织物切片的制作 2 机织物切片的制作 2 1 织物切片技术及织物切片的目的 2 1 1 织物切片技术 织物切片技术源于对织物结构的研究，2 0 世纪3 0 年代，f t 皮尔斯、h r 诺维可夫、a k e m p 、并木觉等学者从纱线在织物内的形态出发，根据几何关系分 析几何结构，并进行了必要的计算。一直到8 0 年代末，才又有学者进行了这方面 的研究5 引。在这方面展开研究的前提就是要对大量的织物进行切片观测。 织物切片技术包括对织物进行着色、包埋、切片、粘片、观测等操作( 以后分 节详细介绍) ，有的切片还要对样布进行脱水、置换等，不论采用什么方法，每一 步骤都决定着切片的质量，在着色剂、包埋剂、粘片剂的选择以及每一步的开展都 i i , 要操作谨慎。这样j 可能得到优质的切片，为后续从织物切片中观测和计算纱线的 几何结构和形态埋下伏笔。 2 1 2 织物切片的目的 织物结构在原料一定的条件下，主要内含织物的几何结构。经纬纱线在织物中 相互交错与配置的空间形态称为织物的几何结构4 ”。机织物的几何结构状态，包括 经纬纱的交织规律、经纬纱的截面积大小和形态、经纬纱的密度和其轴心线的屈曲 形态等。 织物的外观和织物的性能，主要由织物的原料和其几何结构所决定，通俗的讲， “原料是根据，结构是基础，结构决定性能”，所以，对于织物的设计和生产，研 究织物的结构是很重要的。 在实际织物中，纱线是可以发生伸长和挤压变形的 44 1 ，从而影响到织物的几何 结构，纱线的变形取决于纤维原料和纱线结构。存织物中的这种微妙而隐性的变化 从织物的表面是难以识别的，我们必须找到一种能够从织物的内部分析纱线在织物 1s 第2 章机织物切片的制作 中变形形态的研究方法，这项工作就是对织物进行切片，从纱线的截面结构与形态 分析纱线的变形，从而找到纱线的几何截面形态与织物外观的关系，并用这些结论 来指导机织物仿真模拟，使这样的仿真模拟真正从实际出发，有针对性的设计织物， 更具有力的数据和说服力。 所以，检查织物的几何结构形态对机织物的仿真模拟有着至关重要的作用。 2 2 切片 切片是用锋利的刀片，将材料切成符合实验目的和要求的厚度的操作。机织物切 片是指利用锋利的刀片对经过着色和包埋处理的织物进行的切割操作。对织物进行切 片时刀片必须沿着经向或纬向纱线的轴心线，保证得到的纱线的截面是沿纱线直径方 向的。机织物切片分为经向切片和纬向切片两种，用于观测织物中经纬纱线的变形形 态和截面形状，便于计算纱线的相关参数，并指导织物的设计。 根据切片的厚度，切片有以下三种类型： 厚切片：5 微米以上。如石蜡切片、滑走切片； 半薄切片：0 5 2 微米，如g m a 切片； 超薄切片：4 0 1 0 0 纳米，如电镜切片。 机织物切片属于第一种类型厚切片，但由于组成织物的纱线因织物工艺参数的 不同要求和千差万别的配置，纱线的支数各不相同，所以，机织物的切片也因此而 厚度不一，纱支越高的机织物切片厚度越小，反之，厚度越大。般而言，切片越 薄，可能达到的分辨率越高，观察的效果越清晰，但越薄的切片越难得到，制片方 法越精密，操作要求越苛刻，相对应的着色剂、包埋剂和粘片剂的选择也更加严格。 2 3 包埋、包埋剂及常见的包埋方法 2 3 1 包埋与包埋剂 包埋是使包埋剂- j 材料固化为一体并便于将材料切成适当薄的切片的一种操 作方法。对织物进行切片前，首先要对织物进行包埋处理，以此固定织物的结构状 第2 章机织物切片的制作 态，防止切片时织物内的纱线发生松散。 包埋剂是为了便于织物切片和显微观测，用来固定织物中纱线相对位置而使用 的胶水或蜡质材料。所以包埋剂主要有两个基本作用，一是固定织物中的纱线位置， 二是为织物切片和织物几何结构的观测提供良好条件。包埋剂的选择直接决定了切 片能否j t n 和j 进行，使用何种包埋剂决定了后续选择相应的切片方式，并决定了切片 的其他试剂及操作过程。所以，包埋剂对切片的成功起着决定性作用。 对包埋剂有以下四个方面的基本要求： 对织物中的纱线和纤维不产生化学的或物理的影响，或这种影响小到可以忽 略不计； 凝固时给织物带来的体积变化微乎其微： 凝固后的硬度适中，便于切片操作； 透明度好，即包埋剂包埋后的织物仍然可以看清纹路，利于进行切片。 常用于织物切片的包埋剂有石蜡、火棉胶、甲基丙烯酸甲酯共聚物以及某些树 脂材料配成的胶水，针对切片的精度、切片方法或切片仪器、切片的用途等选择相 应适当的包埋剂对织物进行包埋。 2 3 2 常见的包埋方法 因为包埋剂在制片中起着举足轻重的作用，所以包埋方法和切片方法通常以包 埋剂命名，常见的用丁织物制片的包埋方法( 切片方法) 有普通胶水包埋法、火棉 胶包埋法、树脂材料包埋法、石蜡包埋法等，还有如医学上常用的g m a 包埋法、 b m m 包埋法、环氧树脂包埋法等4 5 删。包埋方法的选择要与切片的要求严格对应 起来，即包埋剂的确定同时也确定了切片的操作方式和方法。 2 4 着色剂的选择 织物在包埋前应首先着色( 坯织物、漂白织物以及色泽很浅的成品织物均需着 色) 。着色的目的是提高织物切片中经、纬纱截面和纱线与包埋剂之间的反差，使 两个系统的纱线在显微观测中显现m 足够强的色筹，便于分辨各系统的纱线。 1 7 第2 章机织物切片的制作 为了避免包埋剂沾色或与包埋剂发生化学发应，并保持包埋剂的透明性能，一 般应等待着色剂干燥之后再对织物进行上胶包埋操作。由于纺织纤维遇水均有物理 变化，所以不采用水溶性的着色剂。本实验中采用亚甲基兰的无水酒精溶液作为着 色剂，它能使棉织物着色之后变形在1 左右，而使用水溶性着色剂会使织物的变 形在3 左右，影响了纱线在织物中的真实几何形态的研究。亚甲基兰无水酒精溶 液基本适用于各种原料织制的纺织品及其混纺织物。 2 5 粘片与粘片剂 粘片是把完好的剀片用适当的粘片剂粘贴在贴有标识的载玻片上，使切片在以 后的处理过程中不会从载玻片上脱落。粘片在切片过程中起着节点的作用，在一定 意义上讲，粘片的成功决定了整个切片过程的最终完成。因为切片微小，所以在使 用镊子捏取切片时用力要恰到好处，既不能大到因压力使切片变形，也不能微弱到 捏不住切片，这个捏取的具体力度要身体力行，通过多次实践才能掌握。 粘片剂一股选用普通胶水或火棉胶，使用时一般先用刷子蘸取少量粘片剂并在 载玻片上涂覆一层粘膜，这样，可以直接将镊子中的切片放置在适当位置。最好不 使用将镊子中的切片直接蘸取粘片剂的方法，以免粘片剂过多使切片吸收粘片剂膨 胀变形以及给切片的显微观测造成困难，或粘片剂过少导致切片粘贴不稳固而造成 切片滑脱的现象。 2 6 机织物切片方案的设计 切片方案以包埋剂命名( 2 3 2 ) ，本实验按照包埋剂的不同设计了四种切片方 案，分别是普通胶水切片法、树脂材料切片法、火棉胶切片法和石蜡切片法。在这 四种方案中又涉及到切片方法的选择，即徒手切片或使用切片仪切片，根据切片对 象的不同选择相应的方法，并在各自方案的实验仪器中给以详细说明。 2 6 1 方案i 普通胶水切片法 实验仪器及材料 第2 章机织物切片的制作 双面刀片、有机玻璃尺、载玻片、排刷、表面皿、眼罩( 5 x 或7 x ) 、标识卡、 玻璃板( 4 0 c m * 3 0 c m ) 、平u 不锈钢镊子、普通物理显微镜、滴管、不同组织机织 物样布若于块 实验试剂 包埋剂：普通胶水 着色剂：亚甲基兰无水酒精溶液 粘片剂：普通胶水或火棉胶 切片方式 徒手切片 切片准备切片 拍片 图2 1 织物切片流程图 方案特点 普通胶水切片法是织物切片方法当中实验设计最单一、实验试剂最低廉、实验 方法最省时的一种实验方案，但就因为这种方法的简单造成了该方法有较多的缺 点，如下： a 普通胶水在上胶包埋时容易起泡沫，切片的显微观测易出现孔洞； b 由于