（纺织材料与纺织品设计专业论文）花式纱线参数化仿真技术的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

花式纱线参数化仿真技术的研究 摘要 f 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 一3 一 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。本课题的主要目的就是研究花式纱线参数化仿真的技术，为 花式纱线计算机辅助设计提供设计原理和方法。 花式纱线无论是在纱线结构、生产过程、加工方式上，还是在成 型机理、设计方法特点上，都与普通纱线有很大的不同，因此循其自 身固有特点，进行仿真模拟，越来越成为花式纱线品种开发的迫切需 要。而且，花式纱线参数化仿真和模拟，也是纺织c a d 的仿真得以实 现关键所在。本论文不是通过绘图方法模拟花式纱线，也不是通过扫 描直接获取花式纱线信息，而是分析纱线在面料中的物理受力模型， 通过建立纱线基本光照模型和纱线加捻模型，模拟纱线真实光照效果， 讨论了各类花式纱线仿真的主要参数，研究如何在花式纱线c a d 仿真 系统中实现花式纱线的参数化仿真。另外，利用d e l p h i 5 0 编程工具， 依据面向对象设计思想，实现一套简单的花式纱线c a d 系统，验证了 参数化设计花式纱线的可行性。最后，讨论纱线c a d 所设计的纱线的 通用性和标准化，以及如何建立快捷合理的花式纱线库。本论文将努 力做到与实际相结合，与经济相挂钩，切实到达科研与发展的统一彳 i 本论文共包括六大内容：第一部分对国内外c a d 软件系统和纺 织c a d 技术发展进行总结和概述，以及讨论花式纱线分类和国内外的 应用的重要性，分析国内花式纱线目前仿真的现状和不足；第二部分 根据纱线在织物中的受力的物理模型和纱线表面颜色的光强值的分布 规律，提出了花式纱线的基本光照模型和花式纱线的加捻模型，并且 构造纱线基本光照模型和加捻模型实例；第三部分根据花式纱线的分 类和结构，分析几种花式纱线具体的结构特征和外观特性，构造花式 纱线的位图模型和数学参数模型；第四部分定义花式纱线保存的格 式，指出扫描的花式纱样图形基本处理方法和过程，用面向对象数据 库设计思想设计一个花式纱线查询系统实例。第五部分借助面向对象 的高级程序设计语言d e l p h i 5 0 ，设计一套相对完整的花式纱线c a d 仿 真和模拟系统。第六部分总结花式纱线仿真方法并对其展望。 本课题在研究过程中，查阅了大量的国内外相关的资料，并进行 了许多网上查询，对国内外目前纺织c a d 的应用和发展动态，进行了 详细的分类和总结。不仅有助与本课题的开发，对于其他有志与纺织 c a d 研究的同学，也具有好的参考价值。 撇讯加黝纵燃耙彦靴倾 s t u d y o np a r a m e t r i cs i m u l a t i o no f f a n c yy a r n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ed e p e n d so nt w of a c t o r sa tp r e s e n t f o ro n et h i n gi st h e t e c h n o l o g yo fd e s i g n i n gm o r ea n dm o r e e l e g a n tp r o d u c t sa p p e a r a n c e ，f o ra n o t h e rt h i n gi ss h o r t e n i n gt h e p e r i o d o fp u t t i n gi n t o p r o d u c t s oc o m p u t e ra i d e dd e s i g n i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h em a i na i mo f t h i sp a p e r i st o s t u d yt h et e c h n o l o g y o np a r a m e t r i cs i m u l a t i o no ff a n c y y a r n ，i no r d e rt op r o v i d et h ep r i n c i p l ea n dm e t h o df o rc o m p u t e r a i d e dd e s i g n i n go f f a n c yy a r d f a n c yy a r nv a r i e sg r e a tw i t hc o m m o ny a r ni nv a r i o u sa s p e c t s ， n o t o n l y i n y a r ns t r u c t u r e ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r e a n d p r o c e s s i n gm e t h o d ，b u ta l s o i ni t s s p i n n i n g m e c h a n i s ma n d c h a r a c t e r i s t i co fd e s i g n i n gm e t h o d s oi ti s b e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p e r a t i v ef o rp r o d u c t d e v e l o p m e n tt h r o u g hf a n c yy a r n s i m u l a t i o n a c c o r d i n g i t so w n f e a t u r e a l s o ，p a r a m e t r i c s i m u l a t i o no ff a n c yy a r ni st h ek e yt ot h er e a l i z a t i o no ft e x t i l e c a ds i m u l a t i o n i nt h i s p a p e r t h ea u t h o rd i dn o ts i m u l a t et h e f a n c yy a r nb yd r a w i n gi t ，o rs c a n n i n gt h ef a n c yy a r nt og e ti t s i m a g e s i n f o r m a t i o n t h ea u t h o ra n a l y s e st h em o d e lo ff a n c y y a r nw h e n i n f l u e n c e d b yf o r c ei nf a b r i c ，b u i l d su pt h eb a s i cl i g h t m o d e la n dt w i s t e dm o d e lo ff a n c y y a r n ，d i s c u s s t h em a i n p a r a m e t e r si nt h es i m u l a t i o no ff a n c yy a r n ，s t u d yh o w t or e a l i z e t h e f a n c yy a r n sp a r a m e t r i cs i m u l a t i o ni n t h e f a n c yy a r nc a d s i m u l a t i o n s y s t e m b e s i d e ，a s e to f f a n c yy a r n c a dw a s d e v e l o p e db yd e l p h i 5 0k i t t i n gt 0 0 1 t h ef a n c yy a r nc a dp r o v e d t h ef e a s i b i l i t yo fp a r a m e t r i cs i m u l a t i o no ff a n c yy a r n a tl a s t ， t h ea u t h o rs t u d i e sh o wt oc o n s t r u c tt h ef a n c y y a r nd a t a b a s e t h i s p a p e ri st r y i n gt o c o m b i n et h et h e o r yw i t hr e a l i t yt om a k et h e s y s t e mm o r eb e n e f i c i a lt ot e x t i l ei n d u s t r y t h i s p a p e r i sd i v i d e di n t os i x p a r t s i nc h a p t e ro n e ，a s u m m a r yw a sg i v e n a b o u tt h e d e v e l o p m e n t o ft e x t i l ec a d s y s t e mh o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h ec l a s s i f i c a t i o no ff a n c y y a r n a n di t s i m p o r t a n c e o f a p p l i c a t i o n ，p o i n t i n g o u tt h e i n s u m c i e n c y o f f a n c yy a r ns i m u l a t i o ni no u rc o u n t r y i nc h a p t e r t w o ，l i g h t m o d e la n dt w i s t e dm o d e lo ff a n c y y a r n w a s p u t f o r w a r da f t e r a n a l y z i n g t h em o d e lo f f a n c yy a r n w h e n i n f l u e n c e d b y f o r c ei nf a b r i ca n dt h ed i s t r i b u t i o no f l i g h t i n t e n s i t y o ff a n c yy a r n s c o l o r ，a n d c o n s t r u c tt h ei n s t a n c eo f t h e s et w om o d e l s i nc h a p t e rt h r e e ，s e v e r a ld e t a i l e dc o n s t r u c t f e a t u r ea n d a p p e a r a n c e c h a r a c t e r i s t i co f f a n c yy a r n w a s a n a l y z e da n db m p m o d e la n dm a t h e m a t i cp a r a m e t r i cm o d e lw a s c o n s t r u c t e da c c o r d i n gi t sc l a s s i f i c a t i o na n ds t r u c t u r e i nc h a p t e r f o u r t h ef o r m a to fs a v i n gt h ef a n c yy a r n si m a g ew a sd e f i n e d a n das e a r c h i n gd a t a b a s ew a sc o n s t r u c t e d i nc h a p t e rf i v e ，as e t o ff a n c y y a r n c a ds i m u l a t i o n s y s t e m w a s d e v e l o p e d w i t h d e p h i 5 0k i t t i n g t o o l s i nc h a p t e rs i x ，ac o n c l u s i o nw a sd r a w n f r o mt h e p r e v i o u sp a r t s a n di t s d e v e l o p m e n tp r o s p e c t w a s m e n t i o n e d i nt h er e s e a r c ho ft h i st h e s i s i v er e a dal o ta b o u tt h i sf i e l d a st ot h ea p p l i c a t i o na n dt r e n do ft e x t i l ec a d ，ih a v ec l a s s i f i e d a n dd r a wac o n c l u s i o n i nd e t a i l s i ti sn o t o n l yh e l p f u l t o d e v e l o p i n gt h i sc a d ，b u ta l s on i c er e f e r e n c et ot h e o t h e r sw h o h a si n t e r e s t si ni t a l t h o u g hi ti sj u s tap r o g r a m ，i tw i l lb ek i n d o f h e l p f u lt ot e x t i l ed e s i g n e r s t a n gf u h u a ( t e x t i l em a t e r i a la n d t e x t i l ed e s i g n ) d i r e c t e d b y ) 也! i 垦坠y q 坠g k e y w o r d s ：t e x t i l e c a d ，f a n c yy a r n ，l i g h t i n gm o d e l ， p a r a m e t r i cs i m u l a t i o n 第一章 第一章绪论 1 1 纺织c a d 技术应用的概况 当今二个方面因素决定纺织行业的发展。一方面，技术上，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，处于竞争激烈的纺织企业，不能设想没 有计算机辅助的产品设计。 计算机辅助设计利用计算机强有力的计算和高效率的图形分析能 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，信息存储量大，记忆力强，计算可靠性高，能快速反应与显 示图形、图象的特点；同时作为操作的人，具有较强的想象力、判断 力鉴别力和选取有用信息的能力，利用人机交换的手段进行设计，可 以充分发挥人和计算机各自优点，使设计质量和效率极大提高。 在过去的1 0 到1 5 年之间，计算机辅助设计技术在纺织业中的应 用与其他如汽车、造船、建筑等工业一样，呈现巨大的发展趋势。大 体可以分以下几个领域：产品和色泽模拟；生产工序的控制和监测； 与生产计划和控制以及工厂数据记录系统的连接；维护和服务设备的 扩充；质量管理功能；商业软件的综合；多种任务处理应用。并且c a d 系统今后发展的趋势和重点是：产品模拟用扩展设施；三维显示；最 终产品模拟( 考虑模型) ；精确模拟织物组织和色泽；模拟色泽方案而 不需生产小样；c a d 系统与工厂数据记录和生产及过程控制相结合； 联网技术和多任务处理：硬件的标准化；硬件和软件的配置；与环境 友好的打印机等。 1 1 1 计算机技术应用在纺织品设计模拟方面的功能分类： 1 、纱线的计算机仿真，包括各种普通纱线、混色纱线及花式纱线仿 真。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 一l 第一章 线本身颜色纱号等。纱线的模拟可安装要求模拟一定程度毛羽和组成 的织物的外观。 2 、机织物组织的设计。包括绝大部分组织的计算机设计，如三原组 织、变化组织、联合组织、复杂组织等。其中多层织物设计可由三维 织物的设计来体现。织物组织的设计可以与纱线的配色功能相结合设 计色织物或配色模纹织物；组织设计的方式可以是以手工方式输入计 算机或输入参数式由计算机自动生成。组织设计还可以模拟嵌入式纱 线的效果。可以通过输入的组织图的关系矩阵分析织物组织并可以绘 制织物机构图形。除此外，可以进行大提花型设计，用户可直接进行 编辑，并将不同织物组织嵌套，模拟不同的效果得出相应的工艺参数。 3 、针织物组织及花型设计，包括各种提花花型设计与结构花型设计， 丰富的色板和工具，各式纱线及不同形状尺寸的画笔，使其具有强大 的绘图功能。 4 、纺织品印花图案设计，素织物在设计好组织后，有的要通过印染 配上花样图案，花样图案的设计爷可以通过计算机实现。该类软件一 般提供三种功能：徒手画功能，提供一定的环境，包括一系列的工具， 如笔、线型、颜色等，以及工具菜单，如翻转、旋转、放大和缩小等， 由设计师任意创作。还有一个功能是系统提供一些基本的几何图形以 及基本花型，用用户工具进行组合形成花样图案。 5 、织物染色配色设计，主要针对织物的染色加工工艺设计。根据织 物的原样色彩分析其色彩参数以及染色工艺，并通过对色彩参数以及 染色工艺的设置来模拟织物实际的色彩。 6 、服装计算机辅助设计，包括二维服装设计与三维服装设计。该 技术功能已经覆盖了服装设计的所以部分。即款式设计，结构设计和 工艺设计，其中已产品化的系统有款式设计、样片设计、放码、排料 等，同时还有自动量体系统和试衣系统等。 1 1 2 国内c a d 发展状况： 织物c a d 系统在国内已经有十几年的研究历史，今年来市场出 - 2 第章 现了性能价格比为企业接受的硬件，c a d 系统进入推广实用阶段，这 使得织物c a d 系统的软件开始进入与国际接轨的新里程。国内比较成 熟的c a d 系统有：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，可模拟织物效应、花色效应、起毛效应、加 捻效果等，功能较强；视博数码科技公司的f c a d 2 0 0 0 系统，等等。“。 国内的c a d 系统普遍存在的一个问题是，在花式纱线设计功能方面的 欠缺和模拟真实感有待进一步完善，另外一个方面就是面料外观的仿 真，与国外系统存在较大的差距。 国内在二维服装c a d 系统方面已推向实用化，尤其是在放码、排 料和二维设计方面已比较成熟，如航天部7 1 0 研究所的a r i s a 系统、 太阳公司的s l 系统、杭州爱科( e c h o ) 系统、纺织总会的时高系统等 都达到了实用化程度【7 1 。但从软件展示的功能看，除二维款式构成及 一些工艺设计外，至多包括了花样、图案设计功能，而未与纱线c a d 及织物组织c a d 相结合，故主要针对服装设计师，不适合于织物设计 师使用。近年来，国内许多公司正着手于纺织一体化的新感念服装c a d 系统和适应于市场的服装效果设计系统的开发。以缩小在系统集成性 和高技术含量方面与国外的差距。 1 1 3 国外的c a b 商家和软件系统 国外纺织服装c a d 技术发展较早，目前关于这方面的c a d 系统 也非常多见。t h e c o m p u t e ri n t e g r a t e 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 i t d a ) 是国外一个专门负责纺织工业中计算机集成设计 ( c i d ) 和计算机集成制造( c i m ) 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 方面的软件系统在织物设计和印 染方面的有：法国的s a g a 系统、英格兰的s c o t w e a v e 系统、德国的 g a e s l e r 和v o l t e r 系统，以及d e s i g n e rs o f t w a r e 系统、a v ll o o m s 第一章 ( a v lc o l o r a d ot e x t i l ed e s i g ns o f t w a r e ) 系统、m o n a r c h 系统、i n f o m a x 系统。j a c q c a dm a s t e r 系统、a p s oc a d v a i n a g ed e s i g n 系统、 i n f o r d e s i g n 系统等。除了这些纺织c a d 软件包外，在c a de x p o 展览 会上以及在i n t e r n e t 网络上展示的较成熟的纺织服装的c a d 系统有： 法国力克( l e c t r a ) 系统、美国格博( g e r b e r ) 公司的系统、加拿大的 派特( p a d ) 系统、德国的艾斯特( a s s y s t ：a u t o m a t e ds o f t w a r e a n d s y s t e m s ) 、西班牙的英维斯( i n v e s t r o n i c a ) 、日本s h i m as e i k i 公司的 c a d 系统、德国e a t 公司的系统、荷兰n e d g r a p h i c s 系统、日本4 d b o x 系统、美国c d i ( c o m p u t e rd e s i g ni n c ) 的系统等等 8 - 2 1 1 。 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，有些系统对曲线织 物的表示如蜂窝形或提花凸纹双层织物的仿真存在困难；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；各种c a d 系统对影响仿真功能的处理不外乎下列三 种：建立服装部件和衣片；使用个别点可调整的方形网眼；使用可在 其上面画两个坐标轴的方形网眼；个别c a d 系统可提供三维映象功 能，它通过三维实体库来支持映象仿真实体的旋转，可以从不同的角 度观察实体的效果。各种c a d 系统采用的操作系统平台不外乎下列五 种：d o s 、w i n d o w s 、m a c 、v m s 和u n i x ；硬件开发平台不外乎三种： p c 、m a c 和工作站。 现对国外几家先进的服装c a d 系统做一介绍。在服装c a d 领域， 目前较有影响的有g e r b e r 系统、c d i 系统、a s s y s t 系统、i n v e s t r o n i c a 系统、p a d 等系统1 2 2 2 4 。其中三个典型系统的功能为： 1 、a s s y s t 系统能模拟三维立体效果，进行结构图和面料的设计。 还有4 0 0 多种数据库供选择打新版、描版和修版，能进行度身打版、 第一章 多种放码和全自动打版。智能型数据库，使款式管理变得更快捷、高 效。 2 、西班牙的i n v e s t r o n i c a 系统突出特点是应用人工智能等技术方 面作出了有效努力。其c a d m 系统的特点是：具有成熟的成本管理系 统，缝制吊挂系统、仓库管理系统的完善的综合体；从顾客选定款式、 面料，对顾客进行体型测量，经过自动样片设计、放码、排料、自动 单片裁减机完成服装的制作，是一个高度自动化的面向顾客系统。 3 、l e c t r a 系统比较重视c a d 软件的集成化，自1 9 9 8 年其，系统 执行了新的策略规划用以扩展其技术，给整个纺织行业提供了用纱线 和纺织品设计开始、到产生虚拟商品、一直到产品成衣制作的模拟系 统。这使得整个工艺流程具有相当的灵活性，代表了新一代纺织服装 c a d 发展方向。 通过对国内外纺织c a d 软件系统分析，目前的软件开发功能集中 于下列几个方面：织物设计与仿真( 提花织物与多臂织物、针织物) ； 模拟织物立体效果或织物映射，如s o p h i s 公司已推出具有3 d 织物 映射功能的产品；建立可视化数据库；视频会议；i n t e r n e t 和 i n t r a n e t 上传替信息或通过i n t e r n e t 进行进行交互设计，如i n f od e s i g n 可在i n t e r n e t 上对图形数据库的数据进行传递。从系统角度而言，目前 的纺织c a d 软件开发上提出的软件开发目标是：采用标准文件形 式，即开发o f f t h e s h e l f 型软件包，以便与其他不同程序及平台集成； 降低软件价格；高级版本向低级版本的兼容；提高售后服务； 开发的软件平台转向高版本w i n d o w s 系统或w i n d o w sn t 系统。另 外，国内早期一些已实用化的基于d o s 的c a d 软件包，由于w i n d o w s 的诸多优点，如快捷、安全性好、轻松界面、丰富图形图象操作、多 用户功能等，目前已成功转移到w i n d o w s 平台。另外国内与国外的纺 织c a d 软件系统差距也比较大，实用化程度也较低。在9 6 年c a d e x p o 展览会上，国外展出的c a d 产品不下数十家，而国内的c a d 产品无 论从数量或者从功能上均不能与国外相匹敌。 第一章 绪论 1 2花式纱线模拟仿真发展状况 1 2 1 花式纱线分类及其应用【2 5 】 花式纱线指各种各样的截面分布不规则、结构不同或色泽各异的， 集功能性与审美性于一体的，并与传统的纱线有很大不同的特殊纱线。 在欧美被称为f a n c yy a r n ，e f f e c ty a r n 。也有人认为应该作 如下定义更合适：通过工艺设计及利用特殊工艺手段( 设备和装置) ， 在纺纱、纺丝和成纱过程中，是纱线沿长度的截面和表面发生结构、 组分、色泽和物理特征的变化。 花式纱线一般包括二大类： f 1 ) 花式纱线：具有不规则的外形与纱线结构。如纱线截面具有不 规则的形状。纱线结构的各种变化中，包括捻度的变化、捻向的变化、 捻合方式的变化以及纱线本身的光泽，热收缩性能的变化等。其中包 括：粗节纱线、圈装纱线、螺旋状纱线、特殊花式纱线等。 ( 2 ) 花色纱线：纱线外观在其长度方向上呈现不同的色泽变化和特 殊效果的色泽。如一根纱线呈现两种以上的颜色。这种色彩分布有规 则，也可以随机分布。其中包括：间隔印色纱线、绞纱印色纱线、飞 溅染色纱线、混色纺纱线和差异染色纱线等。 我国的花式纱线生产主要兴起于八十年代。主要以圈圈绒纱为代 表的圈圈绒线、马海毛绒线、辫子绒线等品种。但是，经过一段时间 的流行后，因为技术、品种、工艺和质量等问题，不再满足消费者的 需求而逐渐退出市场。目前，随着我国国民经济的不断发展与国民收 入的不断提高，花式纱线的研究进一步加强和新型花式纱线纺纱技术 的开发与实现，花式纱线的主要原料的价格下降，花式纱线的种类出 现了空前繁荣。因此，国内生产的花式纱线无论是品质数量还是品种 数量上而言，都与八十年代刚刚开发，有了显著的提高。同时消费者 对服饰、服饰用品的时尚化、个性化越来趋向明显的需求趋势，人们 需求品种的多样化和少量化，迫使花式纱线生产由传统的大规模、品 种单一的生产模式，转变为小规模、品种丰富的个性化生产。 第一章 国外，花式纱线得到了较早开发与应用，花式纱线及其最终产品 的开发已经形成了系列化，应用范围越来越广泛。很多花式纱线生产 商就看到了花式纱的发展前景。比如：h u n t i n g d o n gy a r nm i l l ，i n c 、 的总经理r o b e r tb i r k e n b a c h 说：“在今天，花式纱线在服装生产中，处 于非常重要的位置，它们赋予服装表面外观和质地，使服装产生了普 通纱线难以达到的效果”【2 6 1 。l a r r yy o w ，g l e n r a v e n m a r k e t i n gc o r p ， 的副总经理如是说：“特殊效果的纱线，将会用来产生许多新的外观： 结子、竹节、多色混色，间隔染色等也都会产生作用” 27 1 。从中，不 难看出花式纱线在国际纺织品市场中所处的重要地位。 1 2 2 花式纱线仿真和模拟现状 关于花式纱线、混色纱线c a d 的理论研究方法，在国内外发展均 较缓慢，国内外的文献并不多，只有武汉纺织工学院邓中明采用图形、 图块并接及颜色调配方法模拟花式纱线【2 8 】；在国外，就纱线的仿真方 面，英国利斯纺织学院用经纬纱正态或均一分布的概率密度函数求沿 纱线轴向的浓淡值，从而模拟混纺纱线【29 1 。 现有国内外的纱线模型仿真系统有以下几种： 日本三菱模拟仿真系统，以输入纱的支数、们捻向及捻度等 参数条件作为普通纱线的模拟，可以建档存档，若需要对花式纱线模 拟，则必须以普通纱线作为基础，再利用鼠标或光笔再屏幕上或绘图 板上修改。 德国c i s 图形及图像处理公司( c i s g r a p h i k u n d b i l d v e r a r b e i t u n gg m b ho f v i e r s e n ) 开发的纱线模拟仿真系统，对于花 式纱线的设计，不是采用输入纱线的有关数据进行仿真，而是用已经 建档的基本纱样，经过适当修改，来得到新的花式纱线。其“c o l o r 2 ” 模块是基于对颜色的设置及填充的纱线辅助设计系统，在参照同类样 品的基础上或按照r g b 颜色来进行配色设置。该“c o l o r 2 ”纱线模拟 系统考虑到纱线结构表面结构的光线反射行为，并进行优化设计，能 模拟一些纱线的逼真外观效果。 武汉纺织工学院开发研制的花式纱线计算机仿真系统：该系统 第一章 又称花式纱线的设计、制造模拟系统，具有造纱( 花式，花色设计) 、 纱色号管理( 纱线颜色) 、纱号管理( 纱线支数) 三大功能。系统设计 纱线思想是：用一组循环排列的倾斜放置的色彩小方块来表示花式纱 线，每个具有色彩的小长方形代表纱线单元块的仿真模型。系统设计 纱线的图形实现原理：纱线单元用一个长方形偏转a 角来表示，并以 颜色填充其框，从而绘出一个立体感强的纱线块，用以表示该种花式 纱线的仿真图形。为了获得逼真的效果，各种参数必须经过反复调试， 直至形成满意理想的花式纱线为止。然后，将此组参数图形存入纱号 库中，提取即可。该机附有全屏幕数据编辑和显示。 该系统可以说是目前国内极少数的一套完整的花式纱线计算机仿 真系统，但是局限较大。在花式纱线模型的输入与实际的差距较大， 人为因素较多，而且其采取一组循环排列的倾斜放置的色彩小块来表 示纱线，这种简单的色彩小块模型对于复杂的花式纱线设计是无能为 力。 另外，目前出现很多的纺织c a d 系统，虽然没有单独的纱线模拟 仿真设计系统，但大都具有纱线设计功能，实现了简单的纱线真实效 果的模拟，以便设计人员按照自己的想法设计出新的纱线，比如不同 的纤维混纺比、异色合股线、竹节纱等。如：上海视博数码有限公司 与我校联合开发的名为f c a d 2 0 0 0 的织物设计系统，具有纱线设计功 能，可以对单纱、股线、混色纱、花饰线进行自由设计，所设计的纱 线可以存入纱线库；日本著名服装集团公司j u n 开发的面料的电脑辅 助设计系统。可以进行各类单纱、混纱及捻纱设计，以及扫描真实纱 线导入设计；通过表格输入，以工艺表的形式输入所选纱线的根数， 密度；以条纹输入，直观形象的通过图像方式输入织物所需纱线根数、 密度参数等。 从以上的无论各种纱线模拟仿真系统还是织物c a d 中的纱线设 计功能模块，只是提供了或是用户通过画图绘制纱线，或是真实纱样 扫描导入系统再进行修改，或是几种简单的参数化纱线向导式纱线设 计等。对于纱线，尤其是花式纱线，存在繁多的种类，纱线本身光照、 第章 材质和纹理方面的特殊性，这些系统实现模拟仿真存在很大的局限性， 尤其是花式纱线设计方面。 1 3 本论文研究的内容 花式纱线参数化仿真和模拟，是纺织c a d 的仿真得以实现关键所 在。因此，本课题主要任务是分析纱线在面料中的物理受力模型，通 过建立纱线基本光照模型和纱线加捻模型模拟真实纱线真实光照效 果，讨论各类花式纱线仿真模拟的主要参数，研究在花式纱线c a d 仿 真模拟系统中如何实现花式纱线的参数化仿真。另外，通过d e l p h i 编 程工具，按照设计思想实现一套简单的花式纱线c a d ，验证这种设计 思想的可行性。最后，作为纺织c a d 一部分，讨论纱线c a d 所设计 的纱线的通用性和标准化，如何建立快捷合理的花式纱线库。本课题 将努力做到与实际相结合，与经济相挂钩，切实到达科研与发展的统 本文主要工作和章节安排如下： 第一章为绪论，首先对国内外软件系统和纺织c a d 技术发展进行 总结和概述；接着讨论花式纱线分类和国内外的应用的重要性；然后 讨论花式纱线目前仿真的现状和不足。最后，提出本论文的研究内容。 第二章为花式纱线的光照模型与实现，首先根据纱线在织物中的 受力的物理模型分析，讨论影响纱线外观真实的颜色光强分布规律， 提出了花式纱线的基本光照模型和花式纱线的加捻模型，讨论r g b 颜 色模型和h s v 颜色模型的转换和颜色处理，然后，建立纱线基本光照 模型和加捻模型实例，采用双线性光强插值法，用o p e n g l 和d e l p h i 语言工具实现，实例结果很好的模拟出纱线的明暗真实的效果。 第三章为花式纱线设计原理与实现，首先讨论了花式纱线定义、 分类和结构原理，接着描述目前花式纱线仿真系统研究内容，最后根 第一章 据花式纱线的分类和结构，研究几种具体的花式纱线的参数化仿真模 拟，通过位图控制法将屏幕的象素和纱线的点颜色值结合起来，构造 花式纱线的位图模型和数学参数模型。 第四章为纱线库的建立，首先讨论花式纱线保存的格式和扫描导入 的花式纱样图形处理的基本方法和步骤，接着运用面向对象数据库设 计思想构造了一个花式纱线查询系统实例。 第五章为花式纱线c a d 系统设计和功能模块，这一章在第二章花 式纱线的基本光照模型和加捻模型、第三章的花式纱线的参数化设计 原理和实现方法的基础上，用面向对象的高级程序设计语言d e l p h i 5 0 设计一套相对完整的花式纱线c a d 仿真和模拟系统。 第六章为总结和展望，对全文作出总结，在概括主要贡献的基础 上，指出研究过程尚存在的缺陷和不足，并对花式纱线模拟和仿真进 行展望，进一步探讨研究方向。 第二章 花式纱线的光照模型与实现 第二章花式纱线的光照模型与实现 近年来花式纱线织物有更广泛流行的趋势，这也是增加产品附加 值得一种手段。设计更多的采用花式纱线的新面料是摆在设计师面前 的新课题。传统方法是用手工小样机打出小样来表现设计师的设计思 想。这里暂时不说手工打样的繁杂，这样做的另一个必要条件就是就 是没有合适的纱线。有没有一种方法，不用纱线也可以进行设计? 回 答是肯定的。采用花式纱线c a d 系统设计各种纱线。在纱线很细的情 况下，一根纱线可以抽象为一个细直线，一个织物组织点可以抽象为 显示器一个光点【3 “。但是，对于花式纱线，用一个单一的颜色块去表 示一个织物组织点是不够的。人们需要更丰富的信息：比如纤维的色 彩和混纺比，纱线股数和捻向等。因此，真正的织物外观模拟仿真首 先要从纱线模拟仿真开始 3 ”。 2 1 织物中纱线对象特性 织物是用成千上万的经纱和纬纱交织而成。因此，对于织物真实 感，最基本来自于纱线的真实感o2 1 。为了提供织物仿真模拟，首先要 实现织物中纱线的仿真模拟。对于花式纱线的仿真，是提供织物仿真 的关键。因此，本节通过对织物中的纱线的物理状态的分析，从光照 的角度来模拟纱线的真实感。 人的视觉对光强、颜色( 光频) ，或晶状体调节肌的紧张程度 ( 有关距离) 的变化较敏感，观察一个图形时，往往集中在图形的某 些特殊的细节上，如变化频率大或是轮廓上突变之处等等。我们结合 对真实织物面料图样视觉效果的分析可知，在织物中的纱线仿真对象 具有下述二个最主要的特点。 ( 1 ) 立体感 一个物体给人最为直接的就是它的立体感，光的明暗度，阴影 都体现立体感觉。一根纱线由于本身近似圆柱体，由于光照，会 1 1 第二章花式纱线的光照模型与实现 出现远近阴影的立体效果。 ( 2 ) 纹理特性 纹理是物体表面上的微观结构，对于织物中的纱线图形，纹理主 要体现于由经纬纱线的内部加捻缠绕以及交织点等因素形成的表面特 性。我们建立一个纱线交织时的受力分析图。如图2 1 所示。 t it ! ( a ) 纱线整体受力分析，表现为t 1 和t 2 合力t ( b ) 纱线受到合力t 的垂直纱线轴线方向力t 1 影响 ( c ) 纱线受合力t 的沿纱线轴线方向力t 2 影响 图2 1 纱线交织点受力分析 首先，由于交织点处纱线受侧向拉力t 沿纱线轴线方向f 长度方 向) 的分量t 2 ( 图2 1 ( c ) ) 和垂直于纱线轴线方向( 垂直长度方向) 的 分量t 1 ( 图2 1 c o ) ) 的共同影响，其边缘产生形变，形成由轴线逐渐 向垂直方向亮度逐渐减小的变化；除此之外，由于纱线线的内部加捻 缠绕，形成了特殊的纱线亮度变化规律，使整个纱线图形表面呈现出 具有一定规律光亮度变化的纹理特性。 从以上分析可知，纱线仿真应建立在表现这两方面特性的基础之 上。纱线的屈曲波高以及经纬交织点处受力引起的纱线表面的凹凸变 化，纱线的内部加捻缠绕等特性引起的纱线表面呈现出的纹理效果等 1 2 第二章花式纱线的光照模型与实现 因素，使纱线图形体现出较强的局部规律性。因此，本文从微观入 手，重点对两个交织点之间的一段纱线线进行基于几何特征的局部建 模，以重现纱线模拟的这两点特性，进而实现对纱线图形整体效果的 仿真。 基于此，本节提出了两种纱线模型：基本光照模型和纱线纹理模 型。基本光照模型主要体现纱线表面的立体效果；纱线纹理模型则在 基本光照模型的基础上对纹理细节进行深入描述，体现纱线的加捻的 纹理效果。 2 2纱线基本光照模型 2 2 1r g b 颜色模型1 3 3 1 我们的眼睛通过三种可见光对视网膜的椎状细胞的刺激来感受 颜色。这些光在波长为6 3 0 r i m ( 红) 5 3 0 r i m ( 绿) 和4 5 0 ( 蓝) 时的刺激达 到高峰。通过对各刺激强度的比较，我们感受到光的颜色。这种视 觉理论就是使用红、绿、蓝三种基色来显示彩色的基础，称之为 r g b 颜色模型。以r 、g 、b 三个参数为坐标，我们可以得到如下 的一个单位立方体来描述r g b 颜色模型。请看下图2 2 a ： 图2 2 ar g b 颜色模型和颜色范围值 大多数显示器均采用红、绿、蓝三原色，即使用r g b 颜色模型， 各个象素的点色彩均是由这三原色按照一定比例组成。r g b 颜色模型 1 3 第二章 花式纱线的光照模型与实现 是三维直角坐标系统中的一个单位正六体，在正方体的主对角线上， 各原色的量相等，产生由暗到明的白色，即灰度。( 0 , 0 ，0 ) 为黑色， ( 1 ，1 ，1 ) 则为白色。正方体的其他六个角点分别为红、黄、绿、青、 蓝、和品红。如图所示2 2 b 。 蓝( 0 , 0 。1 ) a 红( 1 , 0 , 1 ) 红( 1 , 0 ，0 )黄( i , i ，o ) 青( 0 ，l ，i ) 绿( o , 1 0 ) 一 第二章花式纱线的光照模型与实现 亮程度。 2 2 3r g b 颜色模型和h s l 颜色模型转化 颜色模型是计算机图形学的基础，可以分为基于三基色颜色模 型，包括：x t z 颜色模型、r g b 颜色模型、y i q 颜色模型和y u v 颜色 模型等，和直观的颜色模型，包括h s v 颜色模型和h s l 颜色模型。 其中，在许多软件工具中，r g b 是标准的颜色模型，有许多标准 的r g b 颜色处理函数。但是r g b 颜色模型，不能很好的任意控制同一 种颜色的明暗度。因此，要利用另外一种颜色模型：h s v 颜色模型。 在r g b 颜色和h s v 颜色模型之间，必须实现颜色模型之间的转化。 为了实现r g b 到h s v 颜色之间的转化。可以构造几个函数”】： r g b t o h s v ，和h s v t o r g b 函数分别实现2 种颜色之间的转化。 其中r g b 转化到h s v 的算法：函数r g b t o h s v m a x = m a x ( r g , b ) m i n = m i n ( r ，g , b ) i f r = m “，h = ( g - b ) ( m a x - m m ) i f g = m a x ，h = 2 + ( b r ) ( m a x m i n ) i f b = n l a x ，h = 4 + ( r - g ) ( m a x - m i n ) h = h + 6 0 i f h 0 h = h + 3 6 0 v = m a x ( r ，g b ) s = ( m a x - m i n ) m a x 其中h s v 转化到r g b 的算法：函数h