（纺织工程专业论文）织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发[纺织工程专业优秀论文].pdf

织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发中文摘要 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 中文摘要 计算机辅助设计即c a d 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。用三维图像真实模拟任意机织物的外 观已成为新的研究方向和潮流。本文是在前人研究的基础上，通过分析现有c a d 系 统在三维模拟方面的不足，提出了新的模拟平台3 d s m a x ，并利用a s p n e t 实现了 b s 应用环境的开发。 在模拟过程的实现上，本课题基于p i e r c e 圆柱理论，采用3 d s m a x 内置编程语 言m a x s c r i p t ，实现了三原组织，变换组织和部分联合组织结构的全自动化模拟。同 时通过三维模拟给出了三原组织在各个结构相下的模拟效果图。模拟过程具有全自 动；参数可控制；模拟效果即时可见等特点；模拟效果具有质感强；可自由几何变换： 真实三维等特点。 在模拟的应用平台上，本课题使用了目前最流行的网络应用程序结构，即b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构。基于此应用结构，用户可以直接通过浏览器进行远程操作， 突破了传统单机软件在使用上的空间限制。程序前台使用a s p n e t ( c 并) 开发，拥有 良好的安全性和兼容性。 本课题开发的系统，为产品开发人员、教学研究人员和市场人士，提供了一个易 用的、可操作性强的、立体模拟织物成型结构的展示平台。 关键词：织物结构；三维；远程模拟；网络；环境开发 作 者：杨桦 指导老师：冯岑 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发英文摘要 r e m o t es i m u l a t i o no ft e x t u r et h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r ea n d t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ke n v i r o n m e n t a b s t r a c t c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nw h i c hw eu s u a l l yc a l lc a d i sat h e o r ya n dm e t h o do ft h e p r o d u c t sd e s i g na n da n a l y s i sb yu s i n gt h ec o m p u t e r sc o m p u t i n ga n di m a g ep r o c e s s i n g c a p a b i l i t y u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a li m a g et os i m u l a t et h ea p p e a r a n c eo fa n yw o v e nf a b r i c h a sb e c o m ean e wr e s e a r c hd i r e c t i o na n dt r e n d 。t h i sp a p e rp r o p o s e dan e ws t i m u l a t i o n p l a t f o r mo f3 d s m a xb ya n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c i e so fe x i s t i n gc a ds y s t e mi nt h er e s p e c t o ft h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e sa n da c h i e v e dt h e d e v e l o p m e n to fb sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tw i t ha s p n e t o nt h ep r o c e s s i n go fs i m u l a t i o n , t h es u b j e c ta c h i e v e daf u l l ya u t o m o b i l es t i m u l a t i o no f t h r e e - e l e m e n t a r yw e a v e s ，d e r i v a t i v ew e a v e sa n du n i t e d w e a v e st h r o u g h3 d s m a x m a x s c r i p to nt h eb a s i so fp i e r c et h e o r y m e a n w h i l e ，s o m ep i c t u r e so fs t i m u l a t i o ne f f e c t u n d e re v e r ys t r u c t u r ep h a s eo ft h r e e - e l e m e n t a r yw e a v e sw e r eg i v e nb yt h r e e - d i m e n s i o n a l s t i m u l a t i o n ：t h e r ea r et h r e ea d v a n t a g e si nt h es t i m u l a t i o np r o c e s ss u c ha sf u l l - a u t o m a t i c ， u s e r - d e f i n e dp a r a m e t e r s ，ar e a l - t i m ev i s i b i l i t ya n ds oo n s t i m u l a t i o ne f f e c t sh a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n gt e x t u r e ， f r e eg e o m e t r i ct r a n s f o r ma n dt r u et h r e e - d i m e n s i o n a st ot h ea p p l i c a t i o np l a t f o r m , t h i ss u b j e c tm a d eu s eo fb s ( b r o w s e r s e r v e r ) w h i c hi s t h em o s tp o p u l a rw e ba p p l i c a t i o ns t r u c t u r en o w a d a y s b a s e do nt h i ss t n l c t u r e ，u s e r sc a l l r e a l i z er e m o t eo p e r a t i o nt h r o u g hb r o w s e rd i r e c t l y , b r e a k t h r o u g ht h es p a c ec o n s t r a i n t so f t r a d i t i o n a ls t a n d - a l o n es o f t w a r e t h ea p p l i c a t i o no fa s p n e t ( c 舞) i np r o g r a mf o r e g r o u n d p r o v i d e dt h i ss y s t e m 晰t hg o o ds e c u r i t i e sa n dc o m p a t i b i l i t i e s t h i ss y s t e mo f f e r e dp r o d u c td e v e l o p e r s ，t e a c h i n ga n ds t u d y i n gp e r s o n n e la n dm a r k e t s t a f f sad i s p l a yp l a t f o r mw h i c hi sf a c i l e ，s t r o n g l yo p e r a t i o n a b l ea n ds t e r e os t i m u l a n to f f a b r i cf o r m i n g n 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发英文摘要 k e yw o r d s ：f a b r i cs t r u c t u r e ；3 d ；r e m o t es i m u l a t e s ；n e t w o r k ；t h ed e v e l o p m e n to f e n v i r o n m e n t w r i t t e nb y ：h u ay a n g s u p e r v i s e db y ：c e nf e n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：叠曼辑日期：趟辇竭毋j 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 第一章绪论 1 1 织物c a d 的发展现状 第一章绪论 c a d ( f a b r i cc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 即计算机织物辅助设计，主要是研究计 算机辅助产品设计及制造的技术【1 1 。c a d 技术在纺织行业上的应用，主要指利用计 算机图形技术，使用模拟的方法，根据织物设计人员的设计意图自动生成模拟图像， 并利用显示器输t 2 j t 3 1 。织物c a d 技术的引入，大大加快了纺织产品的开发速度， 提高了设计效率，降低了运作成本，对于生产工艺技术的改进起到了极其重要的作 用。c a d 技术的发展历史不过短短的三十年，已迅速成为科学技术和产品生产领域 进行研究、设计和开发所必需的重要手段4 】【5 】嘲。 纺织品c a d 系统在辅助设计上的主要应用在于织物组织的模拟。现有大多数 机织物c a d 系统的外观模拟功能，对于部分织物已经可以快速获取所设计织物的 外观效果。其模拟原理可以简述为：首先，根据经纱密度在屏幕的作图区内沿垂直 方向铺上经纱，然后根据纬纱的密度在作图区的水平方向上铺上纬纱，在经纬纱交 错的地方按照组织点的属性判定是显示经纱还是显示纬纱。这样的模拟图像，通常 缺乏足够的立体感和质感。目前，使用三维图像真实模拟任意机织物的外观，已成 为新的研究方向和潮流【7 】。 1 1 1 国外c a d 技术发展和主要c a d 系统介绍 国外机织物c a d 系统始于上世纪7 0 年代末期，随着计算机硬件和软件技术 的进步，经过近3 0 年的发展，在织物组织的模拟能力上有了很大提高，对于密度变 化的复杂组织也能进行相当好的模拟。同时国外c a d 系统已经开发出了很多针对 不同需求的c a d 系统，基本覆盖了纺织品设计的所有领域，其中很多机织物c a d 系统在国内都有广泛应用。 目前国内应用较多的c a d 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；i n f od e s i g n 公司开发的机织物、印花c a d c a m 系统；苏格兰纺织学 院开发的s c o t w e a v e 系统。国内比较常见应用于小提花织物设计的系统有：美国的 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 p g m 系统、g g t 系统、法国的l e c t r a 系统、德国的e a t 系统等。用于大提花 设计的系统常见的有：美国的j a c q c a dm 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。除此之外，还有一些国内不常见的c a d 系统如：s k y 、s t o r k 、 c i sj a c 等等。国外主要c a d 系统介绍见表卜1 。这些主流国外c a d 系统提供的功 能都各具特色，但是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 印花设计、映像仿真功能。 表1 1国外比较典型的c a d 系统软件及其特点1 6 1 1 8 】【9 j f l o j 【i l j 【i2 j 【3 j 织物c a d 名称研发地区主要特点备注 主要以服装c a d 系统为主， 结合平面图形和3 d 技术，能初步1 9 9 5 年在中国 p g m 系统 美国实现三位人体，显示面料悬垂感，设立p g m 服装 并依尺寸显示样板试穿后的真实c a d c a m 中心 效果。 分为机织面料设计和梭织面 料设计，此软件系统经过近年来的1 9 9 5 年上海双 发展，已拥有比较完整的设计系九实业有限公司开 h i - t e x 系统意大利 统，包括t 自由设计组织、各类纱始研发，并将其推 线设计、面料仿真及用纱量计算等向了中国市场。 功能。 该系统能完成机织物、针织物德国e a t 纺织 等的花型设计与仿真，同时可对针电气公司和j u c 计 e a t 织物系统 德国织物的花边进行设计，最大的特点 算机公司联合开发 是已实现计算机软件与机器的数p r o c a d 针织物系 据转移。统软件。 该系统是为机织物( 多臂和提 全球大约有5 0 n e d g r a p h i c s 荷兰花) 、印花织物、地毯设计与生产 个国家6 0 0 多个公 系统 司使用其1 5 0 0 多个 提供的多种c a d c a m 系统。 系统。 它是一款机织物和印花的其c a d 系统已 i i l f 0d e s i g n 美国c a d c a m 系统，以w m d o w s 9 5有与多种纺织机械 系统 n t 作为操作平台，操作简单。相连的接口程序。 该系统最初是为苏格兰织物 s c o t w e a v e 苏格兰纺织的生产提供设计工具，该c a d 系 系统 学院统现发展到可以用于多臂和提花 机织物的设计，并可用于生产。 2 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 第一章绪论 ( 1 ) s o p h i s 公司c a d c a m 系统，由于网络的使用，可以做到客户、 代理商、生产厂家联机设计纺织品； ( 2 ) d i l a n 公司的j a c q c a dm a s t e r 系统专用于提花织物的设计与生 其他c a d 系统 产： ( 3 ) c o m p u t e rd e s i g n 公司用于印染的u 4 i a 系统可用于印花图案的分 色、拼接等； ( 4 ) 日本b r l n 公司的c h e c k m a k e r c a d 系统。 1 1 2 国内c a d 技术发展和主要c a d 系统介绍 国内机织物c a d 系统研究起步于上世纪8 0 年代初，于9 0 年代陆续推出了一 系列织物c a d 系统。这些c a d 系统已经能满足部分工厂的实际需要，但普遍存在 如下问题：模拟织物缺乏立体感，素色织物的模拟几乎看不出交织状况；显示、打 印和织制的试样之间颜色一致性较差；缺乏智能化分析能力等。另外国内的大多数 c a d 系统都没有提供与纺织机械的直接接1 2 1 ，很难实现辅助生产功能4 1 1 1 5 1 。 表l - 2国内比较典型的c a d 系统1 6 1 1 7 1 1 9 1 1 1 3 】【l 旬 织物c a d 名称研发地区研制公司备注 宝铃中国 淄博宝铃纺织机电技术公司 大提花 c f d 8 中国上海毛麻纺织研究所小提花 g g s 中国杭州宏华电脑技术有限公司小提花 j w p c c s中国浙江大学光学仪器厂大提花 3 8 6 系列中国纺织科学研究院 小提花 a 】u s a 中国航天工业总公司7 1 0 研究所小提花 r b 七u 系列香港特别行政区天虹电脑机械公司大提花 w d s ，凯普9 6香港特别行政区京华自动化有限公司y j , j , 提花 p r i m ar i c h 香港特别行政区富怡电脑系统公司 大小提花 p e a c e 心香港特别行政区兴华科仪有限公司y j 4 , 提花 国内用于小提花设计的织物c a d 系统主要有：中国纺织科学院先后开发的 i d 3 1 0 0 系列，3 8 6 系列，仿真系列，高级织物仿真四代共八个版本的织物c a d 系 统软件；浙江丝绸工学院开发的s 织物c a d 系统；杭州宏华电脑技术有限公司 3 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 开发的g g s 系统等。用于大提花设计的c a d 系统有：淄博宝铃纺织机电技术公 司开发的宝铃系统，浙江大学光学仪器厂开发的j w p c c s 系统，香港天虹电脑机械 公司开发的r b 2 l u 系列等。另外，香港富怡电脑系统公司开发的p r i m a 、r i c h p e a c e 系统，既可用于小提花的设计，也可用于大提花的设计。国内主要c a d 系统见表 1 - 2 。 这些机织物c a d 系统基本都拥有比较完善的组织设计和图案编辑，但在织物 模拟和辅助生产方面尚不能完全满足需要。特别是在设计与生产相结合、智能化、 集成化、网络化方面都做得远远不够。系统提供的功能不能满足纺织品设计人员的 要求，造成国内系统在纺织厂内普及的困难，影响了国内c a d 系统进入市场。目 前，我国纺织企业中机织物c a d 系统的使用普及率较低。对照当前国际上纺织品 c a d 的应用和发展情况，可以看到，我国的纺织品c a d 技术相对还比较落后。 1 2 当前织物c a d 系统 1 2 1 织物c a d 系统的主要功能 ( 1 ) 织物组织设计功能【1 7 1 1 叼 机织物设计的最基本工作就是组织图和上机图的设计，目前几乎所有的c a d 系统都可以实现组织图的自动生成。系统再根据组织图自动生成上机图，包括穿综 图和纹板图，并且允许用户根据实际情况随意修改。目前多数c a d 系统还可以实 现二重、双层织物组织的设计，可显示织物的结构、提供织物的交织示意图。例如 能显示衬经和衬纬，也能显示地纱和面纱的固结形式，更重要的是能通过对交织结 构的示意图进行编辑，达到修改组织的目的，这对于多层织物的设计非常有用。 目前，虽然单层或规律性强的双层组织设计已经比较完善，但是由于任何一种 程序软件系统都是根据一定运算规律编写的，所以在一些复杂的多层、多重织物组 织设计上还存在很多未解决的问题，有待于进一步的研究。目前织物c a d 系统的 功能框架主要见图l 一1 。 4 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 图1 1 织物组织c a d 系统功能框架 ( 2 ) 纱线设计功能 纱线设计是为织物组织模拟服务的。采用不同的颜色、号数、种类的纱线对于 织物模拟的表现效果会有很大影响，因而为了更加真实地模拟出最终效果，就必须 能设计出各种不同的纱线效果。目前大多数的c a d 系统都设计了纱线库，纱线库 包括了色彩、号数、捻度、股线、花式纱和花式线等参数。 在模拟方法上，很多学者都作了研究，典型的有：( i ) 童步章( 大连轻工学院) 教授将模拟单纱的小方块倾斜放置，形成纱线的加捻仿真【1 9 1 。( ) 张瑞云，李汝勤 ( 东华大学) 利用扫描纱线，再对纱线进行图像处理的方法模拟花式纱网。( ) 马云芳，王小华等人( 台州职业技术学院，杭州电子工业学院) 建立在童步章教授 的基础上，对模拟单纱的矩形小方块进行修正，用圆弧行四边形代替矩形小方块， 模拟的效果比较好【2 1 1 。这些模拟方法都是平面模拟，并没有考虑到纱线的三维立体 效果。就此王志东，张瑞林等人，提出了三维模拟的算法，直接从人的视觉角度人 手，利用h l s 和r g b 颜色系统空间的转换，并结合一定的图像处理算法，使模拟 5 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 出来的纱线具有更逼真的立体效果2 2 】【矧。( ) 在国外，模拟纱线在织物中的三维 效果更为明显，方法也有不同。h y l i n 和a n e w t o n 利用b 样条曲线构建纱线的纵 向形态，用圆形构建纱线的横截面进行织物模拟刎；t i a n y il i a o 采用c a g d 技术 【2 5 】( 计算机辅助几何设计c o m p u t e r a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ) ，将纱线看成三维实心 固体，用正弦方程构建纱线的纵向形态，分别采用圆型、椭圆型、跑道型作为纱线 的横截面进行织物的三维模拟。此后还有很多的学者提出三维模拟的新方法，其中 以余弦曲线模拟纱线表面，突出光照的明暗最为受到大家的肯定。 ( 3 ) 组织编辑功能 大多数机织物c a d 系统都提供了图案编辑的功能。可以对设计的组织图或花 纹图案进行平移、旋转、复制、组合、修改、填充色彩和放缩等操作。这对于联合 组织的设计以及不同配色模纹的设计修改是非常有用的。为了更好地实现这一功能， 一些c a d 系统中还加入了流行的p h o t o s h o p 等图形图像设计和处理软件，使c a d 系统的图案编辑功能更加强大。 ( 4 ) 组织模拟功能 模拟织物的正反面外观，将所设计的织物正反面外观效果在显示器上显示或者 打印，让设计者查看织物的实际效果，这是机织物c a d 系统的最重要的功能之一。 通过模拟效果的展示，可以让设计者或决策者直观地察看织物的实际效果，大大提 高了设计效率。大多数c a d 系统设计了织物库，设计的织物可以重复使用。 随着机织物c a d 技术的不断成熟，目前的许多c a d 系统在织物模拟功能上作 了大量改进，表现在以下几个方面： i 不仅可以模拟简单的织物，经判断后也可以模拟一些复杂的织物。一些系统 可以模拟由各种花式纱线织造的织物的表面效果；有的系统还可以模拟簇绒织物、 毛巾织物的外观；采用纱线颜色变化技术，一些系统也能模拟出经纬纱同色织物的 交织状态；有的系统还可以模拟表面有凹凸( 如蜂巢状等) 的织物。 大多数系统可以模拟表面采用多种方法处理的织物外观，比如织物经过起毛、 起绒、起皱等整理后效果，尽量表现出织物的手感和纹理质地效果。 国外c a d 系统大多可以实现立体贴图的功能。所谓立体贴图是指将所选图 案的织物贴在空间任意形状三维物体上，观看其效果。一些c a d 系统还可以模拟 6 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 织物的悬垂性能。这两项技术已经被广泛用于服装c a d 的自动试衣系统和房间装 修软件系统中，织物可以被贴在设计者指定的人体模型或者沙发、墙壁、桌子上， 展示纺织面料的最终使用效果。 有些c a d 系统提供了设计密度变化织物的功能，筘齿穿入数可以变化，甚 至可以空筘，这样就可以设计由于密度变化而产生疏密条子的织物。 ( 5 ) 自动轧纹板电子提花 这是大提花c a d 系统中特有的功能，也是一项非常重要的功能。系统根据意 匠图，用计算机控制轧扎机轧纹板，取代人工轧纹板的工作。更高级的c a d 系统 甚至不需要纹板，采用电子提花，直接控制经纱的运动。电子提花或自动轧纹板使 得大提花织物的生产准备简单，生产周期缩短。随着c a d 系统的不断完善，大提 花c a d 系统的通用性越来越好，可以控制多种不同型号的机器。 1 2 2 当前c a d 系统在织物模拟功能上的不足 当前计算机辅助设计最大的不足就是对织物外观的模拟。能否真实地显示所设 计织物的外观是c a d 系统是否完善的重要判断标准。如果对织物外观的模拟失真 或不能显示，将大大地减少c a d 系统的应用范围。但就目前国内外的十余种c a d 系统来看，尚不能满足对任意组织的外观进行真实模拟的要求。这些问题的产生和 研发人员的研发角度和专业有关，如程序开发人员对纺织品具体行业标准的概念模 糊，或开发人员对计算机程序算法开发的能力不足。影响织物外观的因素简述如下： ( 1 ) 纱线原料的影响：大多数织物c a d 设计软件都只考虑到纱线的几何参 数( 纱线纤维的色彩、成分、混纱比、根数、捻度、捻向等) 并没有考虑纱线纤维 的原料对最终织物仿真的影响，例如毛羽的长短、原料的种类、纤维的光泽和质感 等。 ( 2 ) 未考虑光照条件：织物与光照的联系较为紧密，织物的颜色不同，光照 量就不同；织物组织不同，所产生的明暗效果也不同；即使是同一块织物，在不同 的位置进行观察，光泽效果也是不同的。特别是当光线照到织物时，织物能产生反 射。在织物纤维的项部，反射的光线多，形成高光区，而在纤维之间，反射的光线 少，形成黯淡区。 7 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 第一章绪论 ( 3 ) 三维显示缺乏真实感：由于国内三维模拟多采用光学投影处理，数学模 型复杂，大多只能显示边缘比较明显的织物，对起毛、拉毛织物尤其是花型的三维 显示比较困难，并且显示速度比较慢。尽管很多研究者在这方面都作了很多努力， 但三维显示的效果都远远不能达到要求。 ( 4 ) 未涉及成本预算：计算机辅助纺织产品设计软件( c a l d ) 和辅助织造 软件基本都只注重产品设计和织造工艺优化，缺少严格地成本计算和合理的工艺接 口，不能使纺织c a d c a m 技术很好的融入纺织企业的信息化的过程中，各院校和 企业开发的软件也不能达到良好的兼容性和相互接口使用。 1 2 3 织物c a d 系统的发展趋势2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】 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。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。目前织物c a d 的发展趋势主 要有以下几个方面： ( 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。 三维图像将成功地模拟织物的质感( 如蓬松感) 以及纺织品的基本结构。色彩 模拟逼真，并可实现显示屏、打印纸及最终纺织品之间颜色的一致，在定货过程中 可以用打印的样品代替传统的纺织品布样。随着机织物c a d 系统的发展，借助于 最终产品模拟和成本计算模型，可使设计人员在开发产品的过程中兼顾费用和使用 效果，能及时调整，减少设计的盲目性。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 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c a d 中的设计结果直接用于控制 矗 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第章绪论 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c a d 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 ) 不断引入智能化技术：现有的一些c a d 系统已部分智能化，例如自动 分色、自动转换意匠图、自动分析生产工艺等。随着计算机人工智能化的发展，织 物c a d 将能模拟人脑推理、分析能力，实现综合判断，提出最优的设计和工艺方 案。 ( 4 )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，大大提高整个系统从定单、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。纺织厂c a d c a m 的网络化为c i m 的实现创造了条 件。 同时，全球性网络化的形成使设计人员从根本上改变封闭的状况，纺织品设计 人员、生产人员、销售人员以及最终的用户能通过c a d 系统对纺织品的设计进行 商讨，制定最佳方案，并且可以通过国际互联网采集最新信息，借鉴新技术进行同 行间的交流。 1 3 课题意义及主要研究内容 计算机辅助设计即c a d 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。在过去的1 5 - 2 0 年时间里，计算 机辅助设计技术在纺织工业中的应用得到迅猛发展。 目前对于任意机织物的三维真实模拟已经成为研究热门，现在主要的机织物 c a d 三维模拟软件基本是按照计算机图形学原理，在o p e n g l 三维图形系统中采用 g o r o u n d 模型建立织物表面纱线的光照模型。根据光源的强度、色相、光源的位置 结合纱线的材料、颜色、结构、表面粗糙度、捻度和纱线在织物中的位置研究织物 表面颜色明暗变化规律，并最终模拟机织物的外观效果。但是采用o p e n g l 三维图 形系统也有明显的缺点，最大的问题就是光照模型的选取和纹理贴图。 9 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 此外目前绝大多数的c a d 三维模拟软件都是基于单机运行的，在这个网络化 时代，明显是不符合软件应用趋势的。单机程序，对于程序的维护，资料的更新和 适用用户范围都有较大的限制。 近年来，各种三维图形工具软件包相继推出，如3 d s m a x ，m a y a ，a u t o c a d ， 以及近年来的p h i c s ，p e x ，r e n d e r m a n 等都可以方便的建立三维模型，这些三维 图形工具软件包有些侧重于使用方便，有些侧重于渲染效果或与应用软件的连接。 在本课题中，使用了3 d s m a x 作为建模工具。相对于o p e n g l 三维图形系统， 3 d s m a x 在使用性，光照模型，纹理渲染效果等方面都要强很多。并且由于计算机 性能的大幅提高，曾经渲染时间太长的问题也已经不复存在。 为了开发机织物c a d 三维模拟软件，必须建立适合各种机织物的结构模型， 精确计算机织物结构，得到纱线的空间构型。目前结构模型建立方法主要有：( 1 ) 依据传统的计算机织物结构的p i e r c e 模型建立；( 2 ) 以浮长线为基础来研究机织物 结构和外观形成原理。 比较上面两种结构模型建立方法，可以发现，第二种方法充分考虑到了浮长线 在织物组织中的作用，可以很好的表现出织物组织表面的凹凸和明暗效应，可以相 对较好的形成织物的质感和立体感。 本课题为了解决这些问题，实现织物组织结构的远程模拟。在组织建模上采用 了p i e r c e 模型和浮长线相结合的方法；在应用程序上采用a s p n e t 开发网络应用程 序；在三维作图上采用3 d s m a x 9 0 。最后实现对织物组织光照模型，纹理贴图， 结构组织等方面较好地模拟。并且最终模拟图像是真实的三维立体图像，可以通过 旋转，翻转任意角度细致观察织物组织的各种视图表现。可以通过织物性能数y y d y y 的建立，指导工厂生产和学校教学，提高我国纺织品设计的自动化水平。 本课题使用3 d s m a x 软件，通过m a x s c r i p t 编程可以为设计者提供了一个简单 易用的平台，并通过a s p n e t 完成网络应用程序的开发，从而实现和用户在时间和 空间上的互动。课题的主要内容： 第一章，绪论。综述了织物c a d 系统的发展历史与现状；国内外主要织物c a d 系统的特点和缺点；现有织物c a d 系统的主要功能以及发展趋势；以及本课题研 究的内容、意义及章节安排。 1 0 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第一章绪论 第二章，程序的总体设计。表述了程序实现的功能、程序整体框架结构、程序 内部的功能模块设计，以及建模程序的开发环境和应用环境。在开发和应用两个层 面上，比较了传统的o p e n g l + v c 平台和本课题使用的3 d s m a x + a s p 强平台， 分别对两者的环境进行了描述和对比。重点介绍了课题使用编程工具的优势和选择 应用环境的思路。 第三章，织物组织三维建模的基础理论。结合本系统软件开发时所涉及到的计 算机图形学原理和纱线的特征分析知识，概述了本研究的理论支持。主要内容包括： p i e r c e 结构理论与模型、织物几何结构的特征参数及一些影响到织物组织最终三维 模拟效果的因素。 第四章，建模程序的开发过程。包括程序设计的主要内容和其具体实现过程。 分析了关键模块的代码，并且对本系统软件开发的织物组织模拟界面的功能作了详 细的介绍。 第五章，织物三维模拟的效果图演示和说明，包括三元组织、变化组织、联合 组织三个部分，并对结构相部分做了详细演示。描述了程序的核心代码，提供了常 见组织的四视图效果演示。 第六章，结论与展望。概述本论文的主要研究内容、创新点、不足之处和今后 进一步研究的方向。 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第二章建模程序的总体设计 第二章建模程序的总体设计 2 1 程序实现的功能及框架设计 2 1 1 程序的功能 对于纺织设计人员，在设计的过程中能够实时的看到设计效果图是一大难题。 生成真实效果图的难点主要有如下四点： ( 1 ) 纺织纤维的种类过多。不同纤维的物理特性都不同，产生的光泽和纹理也 就相差很大，这就要求软件能够提供良好的纹理渲染和光照环境支持。 ( 2 ) 效果图的三维程度不够。如果能在多视角的显示织物的结构特性，显然将 大大方便设计员的工作，比如真实的三维图将能很清楚的显示出织物的支撑面和厚 度。 ( 3 ) 影响织物模拟效果的参数很多。如纱线的纤度，浮长，织物组织等，并且 这些因素并不是独立的，而是互相制约的。这就对模拟程序的算法设计提出了比较 高的要求。 ( 4 ) 织物组织的物理特性。因为纤维并不是刚性的，由于应力，初始模量等物 理特性的影响，需要在设计程序时考虑纤维的物理形变等问题，这个是目前较难解 决的问题之一，它是计算机真实模拟织物组织的主要障碍，因为纺织设计人员需要 的是真实织物效果图，而不仅仅是结构交织模拟图。 本程序的主要功能是织物组织结构的三维模拟。基于的前提是借助于计算机系 统软件功能的开发，实现对纱线与织物结构的理论设计和演示。由于时间问题，没 有考虑到织物物理特性。对( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 做了针对性的解决。 本文所开发的程序有如下功能：( 1 ) 可以模拟包括三元组织、部分变化组织、 部分变化组织等近2 0 种常用组织结构，并且可以对三元组织的结构相进行模拟。( 2 ) 所有组织的的参数都支持用户手动输入，这就确保了织物模拟效果是可以变化的， 可以根据设计人员的设计方案实时输出模拟图像；( 3 ) 模拟的图像效果通过纹理贴 1 2 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 第二章建模程序的总体设计 图和光照环境的渲染，基本可以表现出纤维的真实纹理。( 4 ) 提供四个视图的模拟 效果图，可以从多个角度查看效果图，如经纬向截面图，俯视图，透视图。 2 1 2 程序的主体框架 在明确了需要实现的功能后，需要明确功能实现的模块和步骤，通过搭建全局 框架将有助于分析程序开发的顺序和检查开发进度，使得整个程序的开发进度平稳 有序，从而可以按时、高效的完成开发工作。 本文程序可以简述为：通过用户前台输入织物参数，远程网络化生成三维模拟 图片并实时返回给用户。具体实现过程有如下四步： ( 1 ) 使用者在客户端通过浏览器输入颜色，组织结构，纱线直径等参数； ( 2 ) 浏览器把这些参数传递到服务器端，结合后台源码模块生成程序代码； ( 3 ) 服务器端通过三维图像处理软件3 d s m a x 9 0 内置程序语言m a x s c r i p t 执 行程序代码，生成模拟图； ( 4 ) 最后返回给用户模拟图。 程序流程如图2 1 ： 网兰塑冈3 d s m a x l 服务器端l 一l i 一返回模拟图一 图2 - l 软件程序简易流程图 程序软件开发框架如图2 - 2 ： 2 2 程序的模块设计 2 2 1 用户前台数据输入输出模块 此模块完成织物三维模拟程序与用户的互动，用于织物组织信息的获取和页面 内容的改变，此模块将直接影响程序的使用效果。 1 3 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发 第二章建模程序的总体设计 图2 - 2 软件系统框架 1 4 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第二章建模程序的总体设计 输入方面指使用a s p n e t 进行网络化编程，让用户通过友好的界面，选择纱线 的粗细、结构相、经纬密度、组织结构( 如斜纹的几上几下，缎纹的枚数飞数等) 、 颜色、原料等纱线参数。有固定数值的参数会提供下拉列表，例如结构相会提供1 母 个结构相供选择；组织结构会提供平纹，斜纹，缎纹。对于不确定数值的参数，如 纱线粗细、经纬密度等，采用通过文本框，让用户自由输入的方法获取数值。 输出指在服务器端响应用户的输入请求，改变浏览器端的页面显示内容，或者 是将后台生成的图像呈现在用户面前。 2 2 2 代码生成模块 此模块是最重要也是最复杂的模块，用于生成建模代码文件，是下一步自动生 成模拟图的前提。这一模块分为通用代码编程和在服务器端生成代码文件两个部分。 通用代码编程，指前期在p i e r c e 模型的基础上，根据织物组织结构的交织规律， 编写出适用于各类不同组织的通用代码。这些代码在纱线参数上均采用变量代替， 从而保证可以适合正常范围内的参数变化，同时代码内容还要包括光照环境，纹理 渲染等影响组织感官效果的环境设定。 在服务器端生成代码文件，是为了提供下一步在3 d s m a x 中生成实际效果图 做准备的。它是第一模块和第三模块的桥梁，通过结合第一模块提供的纱线参数， 再结合通用代码生成文件，并将文件存储在服务器上。这个文件将可以在 3 d s m a x 9 0 中全自动生成织物组织的三维图像。 2 2 3 服务器端模拟效果图生成模块 管理员通过第二模块生成的程序代码，结合3 d s m a x 9 0 内置的m a x s c r i p t 自 动生成三维效果图，由于程序代码中已经包括了图像生成，光照模型，纹理渲染， 所以整个过程管理员无需操作，实现完全自动化，管理员只需要通过程序提供的后 台管理系统，把最终模拟效果图传递给对应用户即可。 1 5 织物组织三维结构的远程模拟和网络环境开发第二章建模程序的总体设计 2 3 三维模拟开发环境的选择 在软件的应用上，近些年来采用v c 编程环境下结合o p e n g l 图形函数库来实 现图形的绘制，最终实现对织物外观的三维模拟的方法居多，但由于其自身的缺点 使三维仿真模拟只能在一个相似实物的基础上。 ( 1 ) 建模程序编写复杂 o p e n g l 是为c 语言而写的，而c 语言并不适合用来编写复杂的应用程序。同 时o p e n g l 软件一个最大的缺点就是：必须首先创建一个窗1 2 1 来放置图形，但是 o p e n g l 没有提供创建窗1 3 的方法，这就需要用到c 语言中的编程来解决，但这个 过程是相对比较复杂的。所以o p e n g l 对于初学者来说显得比较困难。此外，在 o p e n g l 中纱线屈曲的曲线方程是利用五次多项式曲线拟合来模拟的。当织物组织 复杂，组织循环变大时，利用一根纱线平移和截取来实现经、纬纱的排列，在编程 上会很繁琐，从而对复杂组织外观的三维模拟造成了相当大的困难。 图2 - 3o p e n g l 基本工作流程的简化图 ( 2 ) 纹理，材质不能较好的模拟 由于o p e n g l 三维图形系统模型纹理贴图功能的不完善，一般只能采用纹理映 射来模拟织物的纹理和材质，这样对于不同材质的布样模拟难度将很大，会大大影 响织物纹理的模拟准确度。所以o p e n g l 在三维图像仿真上比较适合于机械器件、 游戏三维制作和一些边缘要求不高的实物模拟上，而对于边缘有毛羽的纱线模拟上 缺乏真实感，在织物模拟上也只限于可以看出三维的纱线交织规律和真实织物的表 面相距甚远。 ( 3 ) 光照模型功能不够强大 1 6 织物组织三维结构的远程攥拟目镕g 境开发 第= 章建捶程序的腰体设计 在o p e n g l 三维图形系统中采用g o r o u n d 模型建立织物表面纱线的光照模型a 迁有一些更优的光照模型，如p h o n g 模型，全局光照模型等，但这些模型的计算复 杂，计算量大，因此使3 d 模拟模型的光线明瞎问题解决的不好。 图2 4 使用o p e n g l 的平纹组织模拟围 基于以上原因，本文采用了3 d s m a x 作为本程序的三维模拟软件。 2 4 基于3 d s m a x 的建模环境 3 d s m a x 是世界著名的三维动画软件，具有很好的三维立体表现效果，广泛用 于电脑游戏、影视制作、工业设计、建筑装潢等行业，其应用价值越来越得到重视， 而在纺织行业应用却很少。织物组织是研究织物结构变化的一门学科，对于初学者 来说，要弄清织物的组织结构，正确理解组织图，还是有一定的难度的。利用 3 d s m a x 来建模表现