（纺织工程专业论文）织物外观仿真软件研发[纺织工程专业优秀论文].pdf

织物外观仿真软件研发 摘要 随着纺织工业的飞速发展，纺织品的更新换代越来越快，而传统 的纺织品设计周期长、速度慢、效率低，不能满足市场需求的快速反 应。织物c a d 系统的发展和应用，不仅代替了传统的设计方法，很 大程度上解决了这一问题，而且带来了巨大的经济效益和社会效益。 但是，现在一般的织物c a d 系统模拟的织物与真实织物仍有很大差 距，为此，如何提高织物外观图像的真实感一直是计算机纺织品设计 领域中研究中的一个热门课题。 本文的研究是开发基于实际纱线的织物外观仿真软件，采用由 y g l 2 2 光电式纱线外观测试仪采集的纱线外观数据，主要建立了织 物组织数学模型、织物几何模型、织物光照模型、纱线捻度模型等数 学模型，采用v c + + 编制软件，软件系统具有织物组织设计功能和织 物图像仿真处理功能，能够基本逼真地仿真出常用织物的外观图像， 并初步实现色织物的仿真。 本文得到的主要结论如下： ( 1 ) 通过对织物中经纬组织点的结构分析，建立经纬组织单元的 图像模型，解决了织物模拟的最基本问题，为织物外观仿真奠定了基 础。 ( 2 ) 以布尔矩阵为基础，建立织物组织数学模型。根据计算机生 成的需要把单系统织物组织分成规则组织与非规则组织。对于规则组 l 织及部分非规则组织，可根据组织结构参数在计算机中模拟出正确的 织物图像；对于其他结构较为复杂的非规则组织，则可通过单独建模 或画图输入组织图来实现对织物的计算机图像模拟。 ( 3 ) 通过研究织物几何模型，根据纱线密度大小，采用简化的圆 形几何模型和简化的跑道形几何模型在织物外观仿真中应用，来解决 织物仿真图像与织物实际尺寸的误差问题。 ( 4 ) 建立织物光照模型及其数学函数，运用图像灰度处理的方法 实现织物外观图像在现实环境中视觉上的立体效果。 ( 5 ) 建立纱线捻度模型及其数学函数，在图像灰度处理的基础上 实现经纬纱线的捻度效果，使织物外观图像具有较好的真实感。 ( 6 ) 应用纱线颜色实现的原理，建立色织模型，并根据经纬色纱 排列，初步实现对色织物的外观仿真。 ( 7 ) 采用面向对象的可视化编程语言完成对织物外观仿真软件 系统的开发。系统主要具有纱线数据处理功能、织物组织设计功能及 织物外观图像仿真功能。整个软件经过调试优化，具有较好的实用性， 对各种常用织物的外观仿真具有较好的效果。 由于纱线数据采集等原因，软件还不能模拟多层组织等复杂组织 的织物外观，有待今后作进一步研究。 关键字：织物外观仿真组织设计图像模拟光照模型灰度处理 i i s t u d yo nt h es o f t w a r eo f f a b r i c a p p e a r a n c es i i m u l a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r y , t h ep e r i o d o ft h e s b s t i t u t i o no fn e wp r o d u c t sf o ro l do n e si sg e t t i n gi n c r e a s i n g l ys h o r t e r b u tc o n v e n t i o n a lt e x t i l ed e s i g nh a s ac h a r a c t e r i s t i co fl o we f f i c i e n c y , s oi t c a n ，tt r l e 咛tw i t ht h eq u i c k - r e s p o n s eo fm a r k e t t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ff a b r i cc a ds y s t e m sn o to n l yh a sr e p l a c e dt h ew a yo f c o n v e n t i o n a ld e s i g n ，b u ta l s ob o u g h th u g ee c o n o m i ca n ds o c i a l e f f e c t s b u t 也e r ei sag r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef a b r i cs i m u l a t e df r o mt h e d r e s e n tf a b r i cc a ds y s t e ma n dt h er e a lf a b r i c ，s oh o w t oi m p r o v et h e t h r e e d i m e n s i o n a la p p e a r a n c eo fs i m u l a t i v e f a b r i ci m a g ei ss t i l lah o t t h e s i si nt h cf i e l do f d e s i g n i n gf a b r i cw i t hc o m p u t e r i nt h i sm e s i s ，t h es o f t w a r eo ff a b r i ca p p e a r a n c e s i m u l a t i o ni s d e v e l o p e dw i t ht h ey a r n d a t ao b t a i n e df r o mt h ep h o t o e l e c t r i cy a m a p p e a r a n c et e s t i n gd e v i c e c a l l e dy g l 2 2 w eh a v em a i n l ye s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft e x t i l ew e a v e ，f a b r i cg e o m e t r ym o d e l s ，af a b r i c i 1 1 u 栅n a t i o nm o d e la n day a mt w i s tm o d e l t h es o f t w a r ew h i c hh a s t h e f 嘶c t i o no ff a b r i ct e x t u r ed e s i g na n dt h et r e a t m e n tf o rf a b r i ca p p e a r a n c e i m a g e i sd e v e l o p e db yv c + + ，a sar e s u l t ，s i m u l a t e da p p e a r a n c ei m a g e s o f c o m m o nf h b r i ca r ea c t u a lb a s i c a l l y , a n d i ta l s or e a l i z e st h es i m u l a t i o no f l i t c o l o r e d a n d w e a v e df a b r i c t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa r e b r i e f l ys u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y s i n gt h e s t r u c t u r eo fw a r po rw e f ti n t e r s e c t i o n p o i n t ，w ee s t a b l i s ht h em o d e lo fw a r pa n dw e f tu n i t i ts o l v e st h em o s t b a s i c p r o b l e mo ff a b r i c s i m u l a t i o na n ds e t u pab a s i sf o rf a b r i c a p p e a r a n c es i m u l a t i o n ( 2 ) b a s e do nb o o l e a nm a t r i x ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so f t e x t i l ew e a v e a r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h en e e d so fc o m p u t e rd e s i g n ，t h es i n g l e f e e dt e x t i l ew e a v ei sr e n e w e d l yd i v i d e di n t or e g u l a rw e a v ea n di r r e g u l a r w e a v e r e g u l a rw e a v ea n dap a r to fi r r e g u l a rw e a v ec a nb es i m u l a t e d c o r r e c t l yi nt h ec o m p u t e ra c c o r d i n gt oh i s t o l o g i c a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s ； t h eo t h e ri r r e g u l a rw e a v ew h i c hh i s t o l o g i c a ls t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e dc a n b es i m u l a t e db ye s t a b l i s h i n gas i n g l em o d e lo ri n p u t t i n gt h ek n o w nw e a v e d i a g r a m ( 3 ) i no r d e rt os o l v et h es i z ee r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t e di m a g ea n d r e a lf a b r i c ，w es t u d yf a b r i cg e o m e t r ym o d e l sa n da p p l yt h es i m p l i f i e d c i r c u l a rc r o s s s e c t i o ng e o m e t r ym o d e la n dt h es i m p l i f i e dr a c e t r a c k s e c t i o ng e o m e t r ym o d e lt os i m u l a t ef a b r i ca p p e a r a n c ea c c o r d i n gt ot h e y a md e n s i t y ( 4 ) a f a b r i ci l l u m i n a t i o nm o d e la n di t sm a t h e m a t i c a lf u n c t i o n sa r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h ew a yo fg r a yt r e a t m e n ti sa p p l i e dt oc a r r yo u tt h e f a b r i ca p p e a r a n c ei m a g e st h a th a v eat h r e e - d i m e n s i o n a le f f e c ti nt h er e a l i v v i s i o nc o n d i t i o n ( 5 ) ay a r nt w i s tm o d e la n di t sm a t h e m a t i c a lf u n c t i o n sa r ee s t a b l i s h e d ， w h i c hc a r r i e so u tt h et w i s te f f e c ti nt h ey a m so ff a b r i ct h a tp r o v i d e sa b e t t e rt h r e e d i m e n s i o n a le f f e c ti nt h ef a b r i ca p p e a r a n c ei m a g e s ( 6 ) a p p l y i n gt h et h e o r yo ft h er e a l i z a t i o no fy a mc o l o r , ac o l o r w e a v em o d e li se s t a b l i s h e d ，w h i c hr e a l i z e s t h es i m u l a t i o no f c o l o r e d a n d w e a v e df a b r i ct h r o u g ht h ea r r a n g e m e n to fc o l o r e dy a r n s ( 7 ) a c c o m p l i s ht h ed e v e l o p i n go ft h es o f t w a r eo ff a b r i ca p p e a r a n c e s i m u l a t i o n t h es o f t w a r ei n d i c a t e si t sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya f t e rb e i n g d e b u g g e da n d t h ei m a g e sh a v eag o o de f f e c ti nt h ea p p e a r a n c es i m u l a t i o n o fc o m m o nf a b r i c s b e c a u s eo ft h ee f f e c to fy a md a t ac o l l e c t i o n , t h es o f t w a r e i s i n c a p a b l eo fs i m u l a t i n gt h ea p p e a r a n c eo fc o m p o s e dw e a v e ss u c ha s m u l t i p l ew e a v e i ti sn e c e s s a r y t od oaf u r t h e rr e s e a r c ho nt h i sm a t t e ri n t h ef u t u r e c h e nj u n y a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db ya s s p r o f w a n g j u n k e yw o r d s ：f a b r i ca p p e a r a n c es i m u l a t i o n ，w e a v ed e s i g n ，i m a g e s i m u l a t i o n ，i l l u m i n a t i o nm o d e l ，伊a yt r e a t m e n t ， v 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。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导f ，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：角锹 日期：矽多年1 月，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o 学位论文作者签名：1 绍、诿穆l 指导教师签名 日期：) 勿年工月名e t 乡啤 日期：，6 年谰i 日 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近几十年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机在纺织行业的应用面越来 越广泛，特别是计算机在织物设计与生产中的应用，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。越来越多的 纺织企业及专业人员认识到使用计算机辅助设计( c a d - - c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) “1 技术的优越性和重要性，并逐渐将c a d 作为一种现代化的有效手段， 代替传统的设计工作。其中，织物的计算机辅助设计( 即织物c a d ) 技术0 1 ， 目前已得到越来越广泛的应用，在织物组织设计、提花组织等方面已取得许多成 果。随着现代信息技术的进展，虚拟制造也进入了纺织科技者的视野，织物外观 仿真就是其中的应用之一，特别是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，为探索更为有效的织物仿真方法创造了条件。本章将介绍机织物 c a d 及外观仿真的国内外研究状况。 1 1 机织物c a d 发展概述 在纺织工业生产中，c a d 技术的应用最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，当 时美国i b m 公司首先研制成功了纹织工艺自动化系统，使提花织物生产过程中 的花型设计从原来的手工方式设计、画图、冲版变为采用交互式的屏幕作图和自 动冲版，实现了纹织工艺自动化，使得自动化设计在纺织行业的应用成为现实。1 。 此后，英国、法国、日本和我国相继开展了这方面的研究。 机织物设计和生产分为小提花和大提花两种，所以机织物c a d 又分为小提 花c a d 和大提花c a d 。小提花c a d 又称多臂c a d ，可设计的织物的经纬纱组 织循环较小，目前主要用在色织物的设计上。大提花c a d 又称纹织c a d ，其设 计织物的经纬纱循环数可达数千，主要用在丝绸、毛巾、商标、领带、家具布和 地毯等经纬纱组织循环较大的织物的设计上“1 。 1 1 1 国外主要的机织c a d 系统 近年来，世界各国尤其是发达国家竞相开展与纺织品开发和生产有关的计算 机辅助设计系统，开发和研制了许多著名的机织物c a d 系统，如英国曼彻斯特 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 大学研制的u m i s t 系统“1 ，德国h e l l 公司的p a r t 0 4 0 0 0 花型准备系统“1 ，英国的 s c o t w e a v e 、g e m w e a v e 和t g s 系统“1 ，美国的p g m 系统、日本的t l s 系统以 及意大利的h i t e x 系统”1 。所有的这些系统提供的软件功能各具特色，但基本 上都具有纱线的设计与仿真、织物的设计与仿真、配色与印花的设计、映像仿真 ( 大部分为二维映像) 、图像管理、服装设计与模拟等主要功能，并且相应的提供 了纱线库、基本织物库和服装类库。 此外，国外还有一些机织物c a d 系统，如b o n u s 、s t o r k 、c i s 、j a c 系列、 n e d g r a p h i c s 、d i l a n 、u 4 i a 、s o p h i s 等。国外这些c a d 系统的开发，给纺织行 业的产品开发与生产提供了强有力的辅助工具，显示出了很强的生命力。 1 1 2 国内主要的机织c a d 系统 国内一些科研单位和高等院校在机织物c a d 领域也进行了大量的研究，开 发和研制了一些商品化的c a d 系统。其中，中国纺织科学研究院开发的织物仿 真系统0 3 ，是将计算机图形技术和织造工艺结合起来的高科技产品，该系统具有 很强的织物仿真模拟功能，在很大程度上能代替织物的小样机打样工作，而且组 织、纱线排列、纱线种类、颜色等均可随意变换，大大缩短了设计周期和减少工 作量，效率是普通手工打样的几十倍甚至几百倍；上海毛麻纺织研究所研制的 c f d 8 系统“”，可用于色织、毛纺业的布料设计，该系统可实现布料工艺设计、 布料配色、花色线设计、起毛等，特别是能打印出与布料一致的纸样和上机资料， 直接用于生产：浙江大学研制的j w p c c s 系统，在大提花设计上有广泛应用， 该系统的自动放祥和颜色聚类识别技术，具有扫描速度快，输入图像质量好，修 改工作量少等优点，而且系统的微机图形工作站具有丰富的图形编辑处理功能。 此外，国内还开发了如香港京华自动化有限公司研制的w d s 一1 0 0 0 织物图 样设计系统，浙江丝绸工学院研制的z i s 系统，杭州宏华电脑技术有限公司制的 g g s 系统等一系列机织物c a d 系统“。随着同类产品技术水平不断提高，配套 设备性能不断完善，国内许多c a d 系统己实现系统化、集成化，工f 向c i m s 方 向发展。 东华大学硕1 一学位论文 第一章绪论 1 2 机织物c a d 系统的主要功能 1 2 1 组织设计 织物组织的计算机辅助设计包括组织图、穿综图和纹板图的设计，在整个设 计过程中，组织图、穿综图和纹板图三者是紧密相连的，变动其中任一个或两个， 便会使其它一个或两个图作相应的变动，其中，又以组织图的设计最为关键。现 有的机织物c a d 系统中所提供的织物组织设计功能一般有以下四种类型： ( 1 ) 单纯的组织图绘制和编辑功能：这种设计方法在一定程度上加快了织物 的设计进程，但从本质上说还是借助于计算机快速处理的优点，把人们已构思好 的设计借助于计算机工具加以实现，没有能充分发挥系统的智能。其特点是用电 子屏幕代替了意匠纸，用光笔、鼠标或键盘代替了绘图笔。而且，当织物组织复 杂时，这种设计方法t e 较费时且易出错。 ( 2 ) 组织运算功能“：软件研制者根据组织图、穿综图和纹板图之问的关系 进行变化组织和联合组织的设计，这种设计方法符合一般设计者的思维逻辑，但 它缺乏对织物组织进行抽象的数学描述，各种组织的变化是通过有限的算法操作 来实现，对于设计更加新颖的织物组织就显得无能为力。 ( 3 ) 组织库功能：将织物组织命名后以数据库的形式存放。这种设计方法能 快速地从计算机中调出设计需要的织物组织，但对当组织比较复杂时，需占据的 内存空间较大，而且没有一个数据库能包含所有类型的织物组织。 ( 4 ) 参数设计功能：给计算机输入几个必要的组织参数，计算机能按要求根 据组织特点生成组织。这是一种数学设计方法，该方法是以布尔矩阵的形式来表 示织物组织，运用数学方法通过对布尔阵“2 1 的操作，得到各种组织图，此方法缺 乏对织物组织进行具体的描述，由此在进行随机设计时，对于一个布尔矩阵能否 满足一定的织物形成条件，是否代表特定的织物组织，还有待进行系统的分析和 探讨。 目前的机织物c a d 系统绝大多数仍局限在由一个系统的经纱和纬纱组成的 单层织物组织设计上，有少数系统可以进行复杂织物组织如二重织物、双层织物 的设计，但对多重、多层织物的设计还有待于进一步研究。 1 2 2 纱线模拟 一般的c a d 系统提供一个现成的纱线库并可设计纱线，包括普通纱线、混 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 色纱线和花式纱线等的计算机设计，还可调整组成纱线的纤维的色彩及混纺比、 纱线的股数及捻度，纱线本身颜色、纱线号数等“”。纱线还可按要求模拟一定程 度的毛羽，并可将模拟的纱线随机嵌入到一定织物结构的经纬纱图像上，模拟该 种纱线形成的织物外观。纱线的计算机模拟是织物仿真的基础。 1 2 3 织物外观仿真 将所设计的织物的外观效果在显示器上显示或用打印机输出，可以让设计者 直接观察到织物的实际效果。这是虚拟制造技术在机织物c a d 系统中的应用之 一，该功能有可能取代人工织造小样，可大大提高设计速度并节约原材料。关于 织物外观仿真功能将在1 4 中详细介绍。 1 2 4 其他功能 具有多种输入和输出方式，输入方式可采用键盘、扫描仪、鼠标、光笔、数 字化仪等，输出方式主要有显示器和打印机；文档管理，对系统内部文档进行新 建、编程、保存、删除等操作；工艺参数的计算，现实部分参数的计算机自动计 算，并可生成相应的工艺单。此外，还有边字设计，自动轧纹板等功能。 1 3 机织物c a d 的发展方向 机织物c a d 技术在国内外的迅猛发展和广泛应用，为产品设计人员提供了 先进的设计手段，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。但这并不是机织物c a d 技术发展的终极目标。 方面，现行的机织物c a d 系统在织物组织( 特别是复杂组织) 设计功能 上还有待进一步完善，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 发展方向之一，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日的是为了生产，由计算机根据设计参数 控制机器工作，这就是c a m ( 计算机辅助制造) 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 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 机织物c a d 技术的发展指明了方向。 1 4 织物外观仿真与虚拟制造 1 4 1 织物外观仿真技术 近十几年来，织物外观仿真技术作为织物c a d 技术的延伸和扩展，经过不 断的探索研究，有了长足的发展。早期织物外观仿真的基本原理是：首先根据经 纱密度在屏幕的作图区垂直方向铺上经纱，然后根据纬纱密度在作图区的水平方 向上铺上纬纱，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”。这种方法仅仅根据织物组织、经纬纱的排列和经纬纱密度这几个因素来 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一个光点，但是，在纱线较粗的 情况下用一个单一颜色的色块去表示一个组织点显然是不够的，必须有更丰富的 信息才能将其认同为组织点，因而，这种方法模拟出来的图像实质上是一个配色 模纹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 出来的效果要么是网格状，要么是一个矩形的色块，还远达不到仿真的效果。 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， 除考虑经浮点或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仿真方 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 ，可对 纱线进行开发或配色，并运用于随后的织物仿真。文献 1 6 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块 来表示纱线，每个具有色彩的小长方形即代表纱线单元块的仿真模型。文献 1 7 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 来模拟织物的外观。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仿真方法较成功地解决了由花 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 系统中有应用。 但其仿真效果与实际仍有距离，尤其对单色纱线织成的织物仿真效果并不理想。 影响织物外观的因素很多，就织物本身因素来讲就包括织物组织类型、经纬 东牛人学硕l 学位论文第一章绪论 密度、纱线号数、捻向、纱线颜色和原料种类等，要考虑众多的因素，在显示器 上真实地再现织物的表面状态，无疑有很大的难度。尽管如此，众多学者们还是 在这一领域进行不断的研究和摸索，如借助于模糊逻辑显示单色织物外观“：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 观伍呻。这些方法的研究对提高织物外观仿真的真实感都作了很好的尝试。 尽管织物c a d 技术己逐步走向成熟，但目前的c a d 系统尚不能真实模拟 许多组织的织物外观的原因主要有以下几方面： ( 1 ) 认为织物是一个二维的平面 模拟时将织物认为是一个二维的平面，模拟图像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，在织物的表面有起伏、 突起的地方，也有凹下的地方，如斜纹组织、凸条组织、蜂巢组织等。特别是一 些复杂的织物组织，如多重组织、多层组织、起毛组织、毛巾组织、纱罗组织等 更是如此。 ( 2 ) 绕过了根据织物结构特别是几何结构模拟织物外观的难点 织物结构是指织物中经纬纱相互配置的情况，织物结构可分为组织结构和几 何结构两种。组织结构是指织物中经纬纱相互交错和彼此浮沉的规律，几何结构 是指织物中经纬纱的空间关系，包括经纬纱的屈曲波高、几何结构相等，二者极 大地影响着织物的性能与外观。研究时主要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，避开了根掘织物结构特 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。事实上，经纬纱在织物中的位置不会像组织图中那样均匀分布，纱线有 屈曲，有移位，甚至还有重叠，而几何结构的某些参数的变化也会使织物产生不 同的外观效应。如平纹织物，当织物中经纬纱特数相近( 或相等) ，而经纬纱密 度相差较大时，则将在织物上产生横向或纵向条纹，当采用特数不同的经纬纱织 造时，则可能产生纵向或横向凸条纹的外观效应。 ( 3 ) 光照条件考虑不全 织物与光照的联系较为密切，织物的颜色不同，光照量不同；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 东华入学硕卜学位论文第一章绪论 是同一织物，在不同的位置，其灰度值也不同。因此，在对织物进行外观仿真时 仅考虑到纱线的粗细、组织类型和纱线的颜色等，用一簇实体颜色去代表一个组 织点，这显然是不合理的。建立织物的光照模型，来模拟织物的外观，将是实现 织物外观的真实感图形显示很有意义的尝试和探索。”。 1 4 2 虚拟制造 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) ，也有称为拟实制造，是在2 0 世纪 9 0 年代由美国首先提出的一种先进制造技术的全新概念。目前并没有统一的定 义，比较通行的说法是“”：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即 采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算 机上群组协同工作，实现产品的设计，工艺规划、加工制造、性能分析、质量检 验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各 级的决策与控制能力。 目前，虚拟制造技术主要应用在军事、航空航天、汽车制造等相关领域。 而在纺织工业的生产过程中，虚拟制造技术的应用并不是很多，但是对于织物外 观的计算机仿真技术的研究和探索，为实现基于虚拟制造技术的纺织c a d c 触讧 系统打下了良好的基础，同时也在为实现纺织企业实施大规模定制生产模式啊 上迈出了坚实的一步。 1 5 课题主要研究内容 本课题是在前人研究基础上，对基于实际纱线的外观仿真软件进行开发和研 究，主要研究了织物组织数学模型和计算机实现、织物几何模型在仿真中的应用、 织物光照模型的建立和应用，采用面向对象的可视化编程语言编制软件，使其具 有织物组织设计功能和织物图像仿真处理功能，能够较逼真地仿真出常用织物的 外观图像，并对实现色织物仿真进行初步的研究。论文的章节安排如下： 第一章，机织物c a d 及外观仿真的国内外研究现状综述。介绍机织物c a d 的发展状况与主要功能，重点阐述机织物c a d 在织物外观仿真上的应用和存在 问题，并提出了织物仿真技术与虚拟制造之间的关系。 第二章，软件系统的总体设计方案。介绍软件系统设计的总体思路，给出软 件主界面，并说明各功能模块及其变量参数。 第三章，纱线数据处理和经纬组织单元的图像生成。说明软件所用的纱线数 东牛大学硕士学位论文第一章绪论 据来源及其处理方法，根据计算机图像模拟的理论基础，建立经纬交织单元的图 像模型。 第四章，织物组织的计算机生成方法及其实现。把织物组织划分为规则组织 和非规则组织，建立织物组织数学模型，详细阐述织物组织的计算机生成方法， 并给出实例。 第五章，机织物几何结构在织物外观仿真上的应用。研究织物几何模型与织 物外观仿真的关系，采用不同的几何模型进行织物外观仿真。 第六章，织物外观仿真效果的图像处理。建立织物光照模型、捻度模型，主 要研究对织物外观仿真效果图进行灰度、捻度处理的方法。 第七章，色织物外观仿真初步。研究纱线颜色的实现原理，并在此基础上对 实现色织物的仿真进行初步的探索。 第八章，结论与展望。对全文工作进行总结，同时指出织物外观仿真软件系 统存在的不足，并对今后的研究工作提出展望。 东华大学硕士学位论文 第二章软件系统的总体设计方案 第二章软件系统的总体设计方案 任何一个完整的事物，都有它的生命周期。作为先进高科技的产物一软件产 品，自然也不例外。软件生命周期的各个环节将软件系统开发大致分为四个阶段： 系统规划、系统分析、系统设计和系统实施。”。之后便是一系列的具体工作，例 如程序设计，系统测试，以及接下来的维护、修改等后续工作。其中处于关键地 位的一环便是对于软件系统的设计，下面详细介绍本软件的总体设计方案。 2 1 系统目标 在原有的基础上，对织物组织数学模型和计算机实现、织物几何模型在仿真 中的应用、织物光照模型的建立和应用及色织物仿真等方面作进深入研究，采用 面向对象的可视化编程语言编制软件，完成织物外观仿真软件开发的目标。利 用软件编程进行机织物设计及其外观仿真，不但工作效率远高于传统的手工设计 方法，还可以大大缩短设计周期，提高面料的快速反应。 2 2 系统开发的软硬件配置 2 2 1 软件环境配置 系统采用可视化编程软件v i s u a lc + + 6 0 作为编程工具，它提供了一个高度 集成的工具集，开发者可以同时在诸如编辑、建立、调试等不同任务之间快速切 换，甚至可以同时执行，使得设计人员在开发应用程序的全过程中都保证了较高 效率m 1 。 系统的运行建议在w i n d o w s 2 0 0 0 以上版本的操作系统环境下。 2 2 2 硬件环境配置 硬件配詈建议如下： ( 1 ) c p u ：奔腾 4 处理器2 6 g h z ； ( 2 ) 硬盘：8 0 0 g ： ( 3 ) 内存：5 1 2 m ； ( 4 ) s v g a 图形显示控制器，可使用的颜色为2 “种( 真彩色) ； ( 5 ) 高解析度彩色显示器，分辨率分别可达1 0 2 4 7 6 8 以上。“； 9 东华大学顾j 学位论文第二章软件系统的总体设计方案 ( 6 ) c a n o ni 5 6 0 彩色喷墨打印机。 2 3 系统的总体设计 系统的总体设计主要考虑实现三大功能，即：纱线数据处理功能、织物组织 设计模拟功能及织物外观图像仿真处理功能。本软件采用v c + + 6 0 的基于对话 框的单视窗结构，通过编程对单一视窗内各个模块功能的实现来完成织物外观仿 真软件系统的开发。下面详细介绍总体设计的三大功能。 2 3 1 纱线数据处理功能 纱线数据处理功能主要包括： ( 1 ) 纱线数据的读写方式。 ( 2 ) 纱线平均直径的计算。 ( 3 ) 纱线中特殊数据的处理。 ( 4 ) 纱线数据的重复使用。 2 3 2 织物组织设计模拟功能 织物组织设计模拟功能主要包括： ( 1 ) 研究并建立织物计算机模拟的基本模型，即单个经、纬组织单元的图像 模型。 ( 2 ) 研究织物组织结构，把织物组织划分成规则组织和非规则组织( 详见论 文第四章) ，着重建立三原及其变化组织的数学模型，并可根据组织结构参数在 计算机中模拟出正确的织物图像。 2 3 3 织物外观图像仿真处理功能 织物外观图像仿真处理功能主要包括： ( 1 ) 研究织物几何结构，即纱线在空间上的屈曲，选用合适的几何模型在织 物外观仿真中应用。 ( 2 ) 建立适当的光照模型并优化改进，对织物外观模拟图像进行灰度处理， 使图像具有立体感。 ( 3 ) 建立纱线捻度模型，运用灰度处理使图像中纱线具有捻度效果，从而使 织物外观仿真图像具有更好的真实感。 ( 4 ) 建立色织物模型，根据经纬色纱排列顺序，使织物图像上的经纬纱线具 o 东华大学硕士学位论文 第二章软件系统的总体设计方案 有不同的颜色，实现对色织物仿真的初步探索。 2 4 软件主界面 软件设计采用的是面向对象的可视化技术，力求达到操作方便、功能齐全、 界面美观等要求。如图2 一l 所示，软件主界面上主要包括织物( 图像) 模块、 纱线模块、窗口菜单和一些功能按钮。 图2 一l 软件主界面 织物( 图像) 模块包括模拟生成的织物文件的命名、织物组织结构的选择及 设计、图像背景色的选择、图像分辨率、图像宽度、高度的输入及是否生成布边 效果、是否放大打印的选择。 纱线模块包括经纬纱线数据文件的选择、织物经纬密度的输入、纱线颜色的 选择。 窗口菜单的各命令与功能按钮相对应。主要的功能按钮有：参数设置、新建 模拟、打开模拟、保存模拟、组织设计( 分平纹、斜纹、缎纹、自定义四类) 、 图像预览、图像打印、退出。 东华大学硕士学位论文第二章软件系统的总体设计方案 2 5 功能模块及其变量参数 2 5 1 功能模块 软件功能模块主要包括：参数设置模块、新建模拟模块、打开模拟模块、保 存模拟模块、组织设计模块、图像预览模块、图像打印模块、退出模块。 参数设置模块：设置模拟参数和路径参数值，更改当前缺省模拟参数和路径 参数。 新建模拟模块：使模拟参数和路径参数恢复初始化文件缺省值。 打开模拟模块：将库存的模拟参数和路径参数调出； 保存模拟模块：将当前模拟参数和路径参数保存； 组织设计模块：输入组织参数来设计三原及其变化组织，将设计结果保存到 模拟参数中； 图像预览模块：根据模拟参数进行织物模拟，生成图像文件，并将图像文件 通过显示器输出； 图像打印模块：将图像文件通过打印机输出； 退出模块：退出软件系统。 2 5 2 变量参数 软件系统的变量参数可分为三类：模拟参数、路径参数以及部分控制参数。 模拟参数由织物规格、纱线规格、图像分辨率、纱线颜色、图像背景色、模 拟对象等参数组成。 路径参数则由显示软件路径参数、纱线数据路径参数、日志文件路径参数以 及模拟效果图像存放路径参数组成。 控制参数是用于判断经纬纱是否载入、库存模拟是否已载入、日志文件是否 已产生、模拟结果是否已产生结果等的一些参数。 2 6 本章小结 本章介绍了软件系统设计的总体思路，并说明了软件主界面、各功能模块及 其变量参数，对之后的软件编程工作起指导作用。 东华大学硕j 学位论文 第三章纱线数据处理和绎纬组织单元的图像生成 第三章纱线数据处理和经纬组织单元的图像生成 3 1 纱线的计算机模拟 纱线是构成织物的基础。纱线真实感模拟的效果，也直接决定着织物模拟的 最终效果。纱线的特征除了颜色、粗细外，还包括毛感、质感、捻度、卷曲性等 多种特征信息。由于大部分纱线是由数量庞大的纤维构成的，其微观结构十分复 杂。单根纤维的直径只有用精密仪器才能测量，所以除非放大或者以相当近的距 离观察，否则单根纤维是微不足道、不易被察觉的。但是，正是纤维的聚集和它 们的空间关系决定了纱线的视觉效果。 如何模拟纱线在织物中的显示形态，是一个非常重要的问题。文献 2 8 中采 用了圆柱体或弯曲的椭圆柱体对纱线进行建模，然后采用了局部光照明模型来计 算纱线表面上每一处的亮度值和颜色值。采用圆柱体模型来模拟交织中的纱线， 方法比较简单，但是，它并不能真实地表现交织中纱线的形态。因为，纱线并不 是简单的圆柱体，它是由更细的纤维按照一定的捻度加捻而成，所以，它的表面 并不是光滑的，而是有螺旋状的凹槽，在光线作用下，出现明暗相问的螺纹状纹 理。文献 2 9 在模拟针织物的过程中，采用了旋转的光片模型来模拟针织物中的 纱线，得到的效果非常的逼真，在实际应用中，光片的生成，以及光片在织物形 成中的应用，都是建立在三维结构之上的，有不小的计算量。 由于纱线的种类繁多，细节特征又极其丰富，为了更好的获得纱线的真实感 效果，可采取对真实纱线扫描采样，并对扫描的纱线利用数字图像处理原理进行 图像提取重构，建立纱线库的方法。在使用纱线时，从纱线库中选取相应类型的 纱线，并由用户交互设置纱线的粗细，颜色等参数值。 3 2 本软件的纱线数据及数据处理 3 2 1 纱线数据 本软件与一般的机织物c a d 软件所用的设计纱线的不同之处是基于实际纱 线数据而设计的。用实际纱线数据来模拟织物的外观效果，从纱线数据来源上保 证织物外观模拟效果将比一般机织物c a d 仿真软件模拟效果更加接近真实织 东华大学硕士学位论文 第三章纱线数据处理和经纬组织单元的图像生成 物。 本软件用到的纱线数据来源于长岭股份有限公司试制的y g l 2 2 光电