（纺织材料与纺织品设计专业论文）织物设计与虚拟场景模拟一体化集成系统的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

论文摘要 本论文研究开发了一套集织物设计、织物模拟到虚拟场景仿真于一体化的织 物c a d 集成系统，不但为织物设计生产提供了便捷工具，而且也为消费者选择 织物、预知产品的视觉效果提供了帮助。本论文主要研究了织物c a d 集成系统 实现过程中的几个关键技术：组织编辑、分色技术、纱线模拟、织物真实感模拟、 蜂巢组织外观的产生原理、虚拟场景仿真等。 组织编辑功能的强弱直接影响到织物c a d 系统的实用性。作为整个系统的 基础，本论文首先研究了经纬组织点取反、角度旋转变换、对称轴变换、翻转变 换、山形斜纹变换、移位变换等十几种组织编辑的算法，并在本系统中实现了这 些编辑功能。 曲线斜纹和复合斜纹是变化斜纹的两大类型，在织物设计中被广泛应用。本 文研究了一种以复合斜纹为基础的曲线斜纹快速生成的新算法，创建了左移矩阵 函数，建立了曲线斜纹生成的理论模型，只要输入基础组织、飞数个数及飞数变 化方向，系统就会自动生成曲线斜纹的组织图。新算法可以快速简便地设计曲线 斜纹。 分色是印花c a d 和纹织c a d 系统中需要解决的首要问题。本文研究了一 种采用快速迭代方法实现等距离聚类分析的分色算法，对于任意一幅给定的图片 可以快速而又准确地实现其设定颜色种类的分色。 织物真实感模拟是仿真技术的重点和难点，本文首先从影响纱线的几个主要 因素颜色、纱支、捻度、捻向、毛羽、光照性能等入手，建立了纱线的模型，用 户只要输入这些因素的主要参数，系统就会自动实现纱线模拟。用户可以根据国 际标准色p a n t o n e 色卡进行颜色编辑，也可以根据需要自己编辑色卡以备调 用。本文还建立了段染纱和雪尼尔纱的纱线模型并实现了段染纱和雪尼尔纱的模 拟。 为进行织物表面模拟，本文建立了纱线纵横向几何结构模型，根据纱线排列 及织物密度，结合光照模型，实现了织物的模拟，不但增强了普通织物模拟的立 体感，而且还可以模拟经纬同色的素织物及经纬同色但不同捻向相间排列所产生 的隐条效果。本文还实现了段染纱和雪尼尔纱织物的模拟，并对典型的复杂组织 蜂巢组织进行了织物外观产生原理的探讨，找出了影响蜂巢组织外观的主要因 v 素，最后从织物结构相角度对蜂巢织物的外观产生原理进行了分析，为复杂组织 外观真实感模拟奠定了基础。 本文采用网格技术和纹理映射进行织物虚拟场景真实感模拟，建立了网格拉 伸、旋转、平移、网格顶点调整等网格调整工具，用户可以自己输入场景图片， 然后根据图片性质交互地进行网格调整；利用坐标变换建立了色空间h s v 与 r g b 的转换关系，经验证此关系能较好地反映色彩的转换，且建立的色空间其 均匀性更符合人眼对色彩的感觉。 织物设计是一项整体设计，应从织物的使用目标出发，设计织物应具有的基 本性能和外观风格，生成基本结构设计方案，然后根据基本结构设计方案再进行 纤维、纱线、织物的设计和加工方案的确定，本文最后对织物整体c a d 系统的 构建进行了展望。 关键词：织物c a d 虚拟场景仿真组织编辑曲线斜纹复合斜纹快速迭 代分色纱线模拟织物真实感模拟蜂巢组织网格技术纹理映射 v i s t u d i e so nt h ei n t e g r a t i o ns y s t e m o ff a b r i cd e s i g na n ds i m u l a t i o ni n3 dv i r t u a le n v i r o n m e n t as u i to ff a b r i cc a di n t e g r a t i o ns y s t e m , w h i c hi n c l u d i n gt h ef a b r i cd e s i g na n d f a b r i cs i m u l a t i o ni n3 dv i r t u a le n v i r o n m e n t , h a sb e e ns t u d i e da n di m p l o r e di nt h i s p a p e r t h es y s t e mn o to n l yp r o v i d e sac o n v e n i e n tt o o lf o rt h ed e s i g na n dp r o d u c eo f f a b r i cb u ta l s og i v e sc o n , a m l e r st h eg o o dd i 删o no f f a b r i cc h o o s i n g t h ek e y - t e c h n o l o g yi nt h ei m p l e m e n tp r o c e s so ff a b r i cc a di n t e g r a t i o ns y s t e m , s u c ha sw e a v ee d i t i n g ，c o l o u rq u e n t i z a t i o n , y a r ns i m u l a t i o n , f a b r i c3 ds i m u l a t i o n , t h e p r i n c i p l eo nt h ed e v e l o p m e n to fh o n e y c o m bw e a v ea p p e a r a n c e ，c l o t hs i m u l a t i o ni n 3 dv i r t u a le n v i r o n m e n t ，a n ds oo n ，i sm a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h ef a b r i cc a ds y s t e mi sa f f e c t e db yt h ef u n c t i o no f w e a v e e d i t i n g o v e rt e na r i t h m e t i co fw e a v ee d i t i n g ，s u c h 勰b a s i cs y m m e t r i cp a t t e r nf l i p ， b a s i cs y m m e t r i cr e v e r p a t t e r nn i p ，s y m m e t r i cd i a g o n a lp a t t e r nf l i p ，w a v e dt w i l l sf l 砸 a n ds oo na r ei n t r o d u c e d , a n da l la b o v ef u n c t i o n sa l er e a l i z e di nt h es y s t e m t h ec u r v e da n dc o m p o u n dt w i l l ，w h i c ha l et h et w om a i nk i n d so fd i v e r s i f i e d t w i l l h a v eb e e n 诵d c l yu s e di n f a b r i cd e s i g n t h ep a p e ri n t r o d u c e sa 肿wa l g o r i t h mt o c r e a t ec u r v e dt w i l l u s i n gt h el e f ts h i f tm a t r i xf u n c t i o n , i te s t a b l i s h e st h et h e o r ym o d e l t oc r e a t ec u r v e dt w i l l i f t h eb a s i cw e a v e , t h en u m b e ro f f l ya n dt h ed i r e c t i o no f f l i pi s m p n t , t h es y s t e mw i l lc r e a t et h ec u r v e dt w i l la u t o m a t i c a l l ya n dq u i c k l y c o l o fq u a n t i z a t i o ni st h ec h i e fp r o b l e mt or e s o l v ei np r i m i n gc a da n dj a c q u a r d c a ds y s t e m t h ep a p e rd e v e l o p sac o l o rq u a n t i z a t i o na l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do n t h ec l u s t e ra n a l y s i sw i t ht h es a m er a n g e u s i n gt h ef a s t e ri n t e r a t i v e ，i tc a ns e p a r a t et h e c o l o rq u i c k l yf o ri m a g e s f o c u s e do ns o m em a i nf a c t o r s ，s u c ha sc o l o r , c o u n t , t w i s t , d i r e c t i o no ft w i s t , h a i l i l l e s s ，e n di l l u m i n a t i o n ，t h em o d e lo fy a r ni se s t a b l i s h e d t h eu s e i so n l yn e e d st o i n p u tt h em a i np a r a m e t e r so ft h ef a c t o r s ，t h es y s t e m w i l ls i m u l a t et h e y a r n a u t o m a f i c a l l y u s e r sc a l le d i tt h ec o l o ra c c o r d i n gt ot h ep e n t o n e c o l o rp a l e t t e ，t h e y c a na l s oc r e a t ec o l o rp a l e t t e sb yt h e m s e l v e s t h ep a p e ra l s oe s t a b l i s h e st h em o d e lo f s p a c ed y e dy a m ，c h e n i l l ea n dt a k e st h es i m u l a t i o no nt h e ma sw e l l t h e nt h ep a p e rs e t su pt h eg e o m e t r ym o d e lo f t h ey a r n , a c c o r d i n gt ot h ey a m a r r a y , f a b r i cd e n s i t ya n dt h ei l l u m i n a t i o nm o d e l ，t h es y s t e mr e a l i z e df a b r i c3 ds i m u l a t i o n n o to n l yp a t t e r n sm a d eo ft h es a m ec o l o ro fw e f ta n dw a r py a m sb u tt h ef a i n ts t r i p , e f f e c tc a u s e db yt h ea r r a yo fy a mw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o no ft w i s to ft h es a m ec o l o r c 蛆a l s ob ec l e a r l yi d e n t i f i e d t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo nh o wt h e a p p e a r a n c eo fh o n e y c o m bw e a v ed e v e l o p e d , t h ec h i e ff a c t o r w h i c ha f f e c tt h e a p p e a r a n c eo fh o n e y c o m bw e a v ei sf o u n do u t , t h i sr e s e a r c hl a y sag o o df o u n d a t i o n f o r t h es i m u l a t i o no f c o m p l e xw e a v e c l o t hs i m u l a t i o ni n3 dv i r t u a le n v i r o n m e n ti ss t u d i e db yu s i n gt h em e s ht e c l m i q u e a n dt e x t u r em a p p m g , m e s ha d j u s t i n gt o o l ss u c ha sm e s hs t r e t c h i n g , r e v o l v i n g , t r a n s l a t i o na n dm e s ha p e xa d j u s t h l ga t ee s t a b l i s h e d u s e r sc a ni n p u tt h ei m a g e sa n d a d j u s tt h em e s hi n t e r a c t i v e l y t h ee x c h a n g er e l a t i o n s h i po f c o l o rs p a c eb e t w o e nh s v a n dr g bb yu s i n gt h ec o o r d i n a t e si se s t a b l i s h e d i ti sp r o v e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pc a n r e f l e c tt h et r a n s f e ro f c o l o rm o r ep r o p e r l ya n dt h eu n i f o r m i t yo f t h ee s t a b l i s h e dc o l o r s p a c ei sm o ma d a p t i v et ot h ef e e lo f h u m a n t oc o l o r s 。 f a b r i cd e s i g ni sa c o m p l e t ed e s i g n , w es h o u l d f l 苫tf o c u s0 1 1t h ep r a c t i c a lp u r p o s eo f f a b r i ct od e s i g nt h ee l e m e n t a r yq u a l i t ya n do u t l o o ks t y l e ，t h e nc r e a t et h ed e s i g n s c h e m e a f t e rd o i n gt h i s ，w ec o nd e c i d eh o wt od e s i g na n dp r o c e s st h ef i b e r , y a ma n d f a b r i c a tl a s tt h ep a p e rm a k e sap r o s p e c tt ot h ef a b r i cc a ds y s t e ma saw h o l e k e yw o r d s ：f a b r i cc a d ，v i l t u a le n v i r o n m e n ts i m u l a t i o n , v * e g n ee d i t i n g ，c u r v e dt w i l l ， f a s t e r i n t e r a t i v e ，c o l o rq u a n t i z a t i o n , y a ms i m u l a t i o n , f a b r i c3 ds i m u l a t i o n , h o n e y c o m bw e a v e ) m e s ht e c h n i q u e ，t e x t u r em a p p i n g , 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明：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卞，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：王构珍 日期：口y 年月1 0 日 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密d 。 学位论文作者签名：互柱殄 指导教师签名： 期： 艿年占月1 0 日日期：r 年月，日 m 致谢 本论文是在导师王善元、王府梅二位教授的悉心指导下完成 的，二位教授一丝不苟的治学作风和平易近人的师长风范给我留 下了深刻的印象，使我终身受益。整个论文工作得到了他们的大 力指导和帮助，尤其是在我因工作而耽误论文写作的时候，二位 教授对我再三包容，使我深受感动在此，谨向二位教授表示我 衷心的感谢，我将终身铭记二位教授的教诲，努力工作。 在论文的研究和完成过程中也得到了东华大学纺织学院及 浙江纺织服装职业技术学院领导和教师的关心和支持，在此一并 表示衷心感谢。 最后我要特别感谢我的爱人蔡明伦先生，他给了我无私的帮 助和支持，论文的完成也凝聚了他的一份心血。同时，我还要衷 心感谢我的父母和女儿，感谢他们多年来对我的关怀和默默支 持。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术的迅猛发展和纺织行业的自身发展需求，计 算机新技术不断融进纺织行业，并促其向前发展。其应用已涉及 机织、针织、印染、刺绣、服装等各个领域，范围也从普通的产 品设计c a d c a m 扩展到原料优化搭配、产品工艺设计、产品性 能预测、三维仿真模拟、生产管理及营销等各个环节。在工厂的 生产制造环节上，计算机集成制造系统c i m s 综合现代制造技术， 管理技术，自动化技术等，使工厂要素有机结合并优化运行。在 产品数量管理上，产品数量管理p d m 有机地组织与产品相关的全 部数据，是企业之间、企业内部、企业与顾客之间传递与沟通的 桥梁。销售环节上，电子商务中虚拟现实技术的应用，使人们在 网络上进行身临其境的购物体验。在上面的任何新技术中，信息 技术都融于其中并扮演着重要的角色，作为一个独立的主体，它 使纺织行业产生了新的机遇和活力，并和其他的一系列新技术一 起整合到了c a d 系统中。计算机的应用对提高纺织产品设计质量、 缩短设计周期、提高经济效益及提升核心竞争力都起到了积极作 用。计算机在纺织工业的应用可以大致分为以下几个方面： 1 计算机辅助产品设计( c a d ) 织物cad 技术是最近2 0 多年来迅速发展成熟起来的一门综 合性计算机应用技术，它以计算机为主要手段来完成和运用各种 数字信息和图像信息以进行纺织产品设计，c a d 技术在纺织工业中 的应用最早可追溯到二十世纪6 0 年代，当时美国i b m 公司首先成 功的研制了纹制工艺自动化系统，此后，我国以及英国、法国、日 本相继开展了这方面的研究，到了7 0 年代，c a d 技术在纺织工业中 的应用才真正开始进入到实用阶段。现有的纺织c a d 系统涉及纺 织品设计的各个领域，主要有机织物c a d ( 包括大提花c a d 和小提 花c a d ) 、针织物c a d ( 包括针织横机c a d ，针织圆纬机c a d 和经编 c a d ) 、印染c a d 、测配色c a d 、刺绣c a d 、服装c a d 等。 2 计算机辅助产品生产及管理 计算机辅助产品生产一般指通过与生产过程直接或间接的计 算机接口，采用计算机计划、管理和控制制造的生产运行。计算 第一章绪论 机辅助产品生产的应用可分为两类：一类是计算机监控，计算机 直接与制造过程相连，以监控生产过程；另一类是计算机用以支 撑生产运行，主要用于进行计划、安排、预测、指导及提供信息 等，以使企业的生产管理更有效。如计算机系统通过控制聚合物 的特性黏度、均匀度及熔融纺丝中的压力、温度、泵速等参数来 辅助纤维生产；通过控制提花笼头、监测经纬线断头等辅助织造 生产；通过控制温度或酸度、碱度等来控制坯布上染率、染料投 放量和溶液温度等辅助染色生产；通过自动推档、排料，并且控 制裁床等辅助服装制造 。1 ”。 3 计算机辅助产品性能预测及检测 利用计算机技术可以进行原料性能、毛条性能，纱线性能、 成品性能及纺织品市场的预测。例如澳大利亚d i r o l a n y a r n s p e c 预测软件利用纤维品质指标对纱线质量进行预测，在 指定的纺纱条件下，使用特定的毛条纺出给定纱线所能达到的质 量水准和纺纱性能。美国农业部棉花公司和c i s 图表公司合作开 发了c y r o s 预测系统，能生动模拟纱线在最终产品中的表现。 王府梅等开发的精纺毛型织物服用性能设计预测系统可以帮助 预测织物的基本力学性能、手感和形态风格，同时提供服装款式 推荐和咨询决策等功能。利用计算机图像处理技术可以进行纤维 性能检测、纱线性能检测、半制品检测、织物成品检测等。如瑞 士u s t e r 公司推出的自动检布系统，德国o b d i x 光电子技术公 司开发的在线织物检验系统，用图像识别技术对织物表面疵点、 表面起毛情况等进行识别并自动评价；利用图像处理技术还可进 行丝线匀度、洁净度、清洁度的检验，也可以进行混纺纱中各纤 维的识别及棉网棉结的检验等o7 1 。 4 计算机辅助产品市场营销及管理 在销售环节上，电子商务的应用给传统的纺织品营销方式带 来了一场革命。电子商务是一个庞大的系统，而虚拟现实技术的 发展使人们足不出户就可逼真的游览产品信息。商店能够在网上 构筑销售其产品的虚拟展厅，通过逼真的视频图像、动画技术、 辅以文字、声音等附加信息，对产品进行全方位的描述与介绍， 使用户或消费者远在万里之遥也能够收到身临其境的现场效果。 在网络构成的世界大展厅里，人们还能货比三家，择其所爱。计 2 第一章绪论 算机还可进行市场预测，纺织品市场预测系统，包括市场信息管理、 销售信息、市场分析( 包括竞争分析、消费群体分析、产品市场、 机会分析等) 、预测( 包括定性、定量、市场因子推演，问卷调查等) ， 信息查询、通讯、系统及辅助决策【1 。 1 2 织物c a d 技术的现状 1 2 1 国内外主要织物c a d 系统介绍 国外的织物c a d 系统开发较早，技术已经比较成熟。目前国 内应用较多的系统主要有：n e d g r a p h i e s 公司开发的织物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c a d 、斯洛文尼亚a r a h n e 开 发的织物c a d 系统、苏格兰纺织学院开发的s e o t w e a v e 系统，德国 的e a t 系统，日本的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 e ) 系统，a p s oc a d 系统，m o n a r c hc a d 系统，j a c q c a dm a s t e r 系 统，比利时s o p h i s 公司开发的c a d 系统( 现已与n e d g r a p h i c s 公司 联合) ，另外，国外一些原先主要从事服装c a d 开发的软件商家， 也开始了织物c a d 系统的开发或与织物c a d 系统联合，将织物c a d 与服装c a d 集成一体。如法国的l e e t r a 系统，美国的g e r b e r 系统， p g m 系统，加拿大的p a d 系统，德国的a s s y s t 系统，西班牙的 i n v e s t r o n i e a 系统等 2 9 - 4 6 。 国内c a d 系统的开发起步较晚，上世纪8 0 年代初，一些高校 和科研机构陆续开展了机织物c a d 系统的研究，随后不断扩大，并 且推出了一系列可以用于指导工厂实际生产的c a d 系统，如较早进 入实用阶段的中国纺科院开发的织物c a d 系统，浙江丝绸工学院开 发的z i s 索织物c a d 系统，上海十一毛与纺织科学研究院联合研制 的精纺昵绒c a d 系统，杭州宏华电脑技术有限公司开发的g g s 系 统，淄博宝铃纺织机电公司开发的大提花c a d 系统，浙大光学仪器 厂开发的j w p c c s 系统，香港富怡电脑公司开发的p r i m a r i c h p e a e e c a d 系统等，但国内的机织物c a d 系统，除了浙大开发的大提花 c a d 系统较稳步占领市场之外，其他的织物c a d 系统，一般都是 针对某一功能进行开发，缺乏系统集成，目前在国内还没有形成有 较大影响的小提花c a d 系统 4 7 - s o 。 1 2 2 织物c a d 的基本功能 大都数国外织物c a d 系统及部分国内c a d 系统，一般具有如 第一章绪论 下功能： 1 组织设计功能：组织图和上机图的设计是机织物设计中最基 本的工作，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，并且允许用户根据实际情况随意修改。同时，系统可以根据组 织图自动生成上机图，包括穿综图和纹板图。对于同一种组织还可 以生成多种穿综方法。只要知道组织图、穿综图、纹板图三者中的 任意二个，系统就会自动生成第三个。有的系统还可以自动检查所 设计的组织浮长，并提出浮长过长无法织造的警告。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。 2 纱线设计功能：可进行包括色彩、支数、捻度、股数、花 式线等在内的纱线设计，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象上，模拟该种纱 形成的织物外观。 3 图案编辑功能：大多数织物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。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 织物模拟功能：在计算机显示屏上直接显示织物正反面的 模拟效果，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) ，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。 5 纹板电子提花：系统根据意匠图，用计算机控制轧扎机轧 纹板，或采用电子提花，直接控制经纱的运动。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。 6 管理和工艺计算；所有的机织物c a d 系统都提供了文档 管理功能，可以实现当前结果的保存和调出，并在此基础上进行 4 第一章绪论 修改。目前，许多c a d 系统都集成了工艺计算模块，即根据设 计的组织和规格自动生成上机工艺，包括用纱量、总经根数、平 方米重，重量偏差、筘号、每筘穿入数等，可以直接打印工艺单， 指导上机生产。有的c a d 系统甚至不仅仅局限于工艺计算，而 且还是一个工厂的管理系统，包括布机监控系统、质量管理系统、 物料管理系统、成本管理和财务管理系统等。相当多的c a d 系 统设计的产品之间的信息可以交换，一些系统支持企业内部网 络。 可以说织物c a d 系统的_ 般功能已比较齐全，接下来的研 究方向是如何使模拟的织物更加逼真、能够达到以假乱真并进行 虚拟展示，软件向着操作更加简单、功能更加齐全，并向智能化、 集成化，网络化方向发展。 1 2 3 织物c a d 系统存在的主要问题 1 组织设计：一般的织物c a d 系统只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 设计则显得无能为力。现有的组织设计实际上是单纯的组织图绘 制和编辑，缺乏对织物组织进行抽象的数学描述，对于设计更加 新颖的织物组织就显得无能为力，也就是说缺乏智能化设计功能。 2 纱线设计：能进行普通纱线和一般常见花式纱线的设计，但 对一些新颖的花式纱线的设计还非常有限，而且纱线只能模拟捻 度、支数等大致信息，缺乏细节部分的描述，与真实纱线还相差 甚远。 3 织物真实外观的模拟：目前的c a d 系统尚不能满足对任意 组织的外观进行真实模拟的要求。尤其是对具有较长浮长线的复 杂组织，由于浮长线的作用使经纬纱线在织物中的位置不一定象 组织图中那样的均匀分布，纱线有弯曲，移位甚至重叠，如透孔 组织、蜂巢组织等，现有的织物c a d 对织物的模拟更象是配色模 纹图，无法反映由于织物组织、纱线捻度、捻向、纱线材料及纱 线张力不同而产生的织物外观。 4 系统缺乏织物虚拟展示的功能，设计师无法直观地观察其设 计的织物做成实物是什么效果，设计带有盲目性。 第一事绪论 1 2 4 织物c a d 系统的发展趋势 1 功能更加完善、模拟更加逼真、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。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 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c a d 中的设 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 优设计和工艺方案。例如，智能化的图标菜单结构，能够根据使 用频率自动组合，调节位置，操作指令十分直观简洁。随着光标 的移动，动态导引器能够自动抬取，理解使用者的设计意图，记 忆常用的步骤，并提示使用者下一步可能要做的工作。利用图像 的分形( f r a c t a l ) 技术，智能化图案创作将改变传统纺织c a d 花 形设计仅依靠欧氏几何和微分几何生成图像的技术，从而使产生 的图像更逼真地描绘变化万千的自然界。利用模式识别方法可以 模糊查询和检索图像文件，模式识别与计算机图像处理技术相结 6 第一章绪论 合，可以用于自动识别织物的结构。 4 系统向网络化方向发展 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，通过 计算机网络可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。网络使得多个设计人员可以 同时编辑同一花样，能够把各个设计人员的想法立体化，实现异 地设计协同。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。 网络化还为虚拟的产品展示和实现网上销销售创造条件。 1 3 机织物外观真实感模拟的研究现状 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，然后根据纬纱密度 在作图区的水平方向上铺上纬纱，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纬纱【5 1 】。这种模拟方法仅仅是根据 织物组织、经纬纱的排列和经密、纬密这几个因素生成织物模拟 图像，而不考虑纱线本身其他的性质，在这类织模拟图上织物组 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，这种模拟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，模拟的图像平淡，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，只能是一个矩形的 色块。 随着研究的深入，人们认识到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 虑组成纱线纤维的色彩、混纺比、纱线的股数及捻度等，这样就 7 第一章绪论 有了基于纱线设计的织物外观计算机模拟方法。文献【5 2 】中介绍 了德国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或配色，并运用于随后的织物 仿真。文献【5 3 】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【5 4 】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。文献【5 5 】介绍了借助 于模糊逻辑模拟素织物的外观，文献 5 6 】 5 7 】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。这些方法的研究使织物外观模拟技术有了突破性进展，织物 模拟图像也更具质感。 近年来，对织物外观真实感模拟的研究集中在织物几何结构 的建模、织物变形形态的研究和纹理映射等图像处理技术三个方 面。 1 3 1 机织物几何结构的研究现状 为了描述织物中纱线的几何形态，纺织研究专家提出了很多 模型。一般总是从纱线的纵向形态( 屈曲形态) 和横截面形状入 手建模。横截面形态有圆形、椭圆形、跑道形、棱形、不规则形 等，纱线的纵向形态有直线型、正弦形、b 样条曲线、多项式方 程等。 机织物几何结构的系统研究始于1 9 3 7 年，f t p e i r c e f 58 】在一 篇题为“织物几何结构”( g e o m e t r yo fc l o t hs t r u c t u r e ) 一文中， 提出了著名的p e i r c e 平纹织物几何结构模型，在此模型中，他 建立了二维的结构单元，用圆型和直线段共同组成来描述纱线理 想的路径，将纱线的截面假设为圆型的、不可压缩的，同时是完 全柔韧体，每组纱线具有相同的屈曲，这样就可获得平纹织物的 几何结构模型，纱线间距、屈曲波高、屈曲角、织物厚度之间的 关系构成了几何结构的基本参数。此模型计算简便实用。但此模 型的假设如圆型截面，纱线长度方向结构均匀，完全柔韧体，不 可压缩性等过于理想化，这些导致了此模型应用的局限性。实际 上，织物在织造过程中由于织造紧密造成纱线之间相互挤压而使 纱线压扁，p e i r c e 也认识到了这一点，同时提出了修改的椭圆截 8 第一掌绪论 面模型。由于此模型计算复杂，他进行了近似处理，只是将纱线 圆形部分用椭圆的小半径部分代替，这样的处理对低密度织物来 说是适用的，但对结构紧密，纱线挤压严重的织物来说并不实用。 为了克服这一缺陷，a k e m p ! ”j 提出了跑道模型来描述纱线截面， 用二半圆及与之相切的二直线共同构成纱线的截面。h a m i l t o n l 6 0 l 将跑道模型从平纹织物引伸到非平纹织物，他还分别提出了适用 于低密度、中密度、高密度的跑道模型。 h y l i n l 将b 样条曲线引入到织物几何结构模型中。样条 曲线可用三次多项式描述： y ( x ) = a x 3 + 戡2 + c x + d 函数j ，叫通过各支点，在各支点处其一阶导数和二阶导数连 续，y t 印是一个分段连续的三次多项式。将其应用到纱线空间形 态，纱线的屈曲形态曲线可以看作是分段连续的三次曲线。曲线 的受力点来自纱线的交织点，只要知道交织点的位置就可知道纱 线的方程，控制点的位置设在经、纬纱组织点和相邻经( 纬) 纱 截面的中点处，相邻两控制点之间构造一段三次b 样条曲线，控 制点的确定与织物的结构参数、织物组织有关，只要输入纱线直 径、纱线密度、织物组织、屈曲波高，就可以计算出各控制点的 位置。 t i a n y il i a o 1 6 2 j 等将二维的机织物结构模型引申到三维的织物 结构中，将纱线看作是三维实体造型，纱线的路径方向为正弦曲 线，纱线的横截面分别作为圆型、椭圆型、跑道型构造纱线的三 维形态。 y j i a n g 和x c h e n 【6 列考虑到纱线挤压变形等原因，将纱线的 截面分成超椭圆型和不规则型二种。不规则截面的截西方程采用 二次b 样条曲线，样条曲线的控制点取值在最大点与最小点之 间，利用控制点，就可获得样条曲线方程，从而定义纱线的横截 面纱线的路径并没有采用常用的n u r b s ( 非均匀b 样条曲线) 曲线而是采用二次参数样条曲线。 t v s a g a r l 6 1 】等在“用能量法求纤维集合体交织模型”一文中 采用的截面是椭圆但其将纱线的路径分为接触区和非接触区，接 触区的坐标方程采用横截面的椭圆方程表述，非接触区采用五次 多项式表达，他将用此模型表达的织物屈曲率预测结果与采用其 他模型的预测结果及真实测试结果进行了比较，认为用此模型更 9 第一章绪论 接近实际。 利用织物的几何结构结合光照模型，国内外专家学者已经在 织物真实感模拟方面进行了很多有益的尝试。h y l i n 等利用文 献【6 1 】介绍的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，文中给出了不同密度、不同卷曲波高的 平纹、斜纹、段纹等织物模拟效果。t i a ny il i a o 6 2 采用c a g d 技术( 计算机辅助几何设计c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i c d e s i g n ) ， 将纱线看成是三维实心固体，用诈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。y j i a n g 等利用文【6 3 】构建的纱线方程，进行了织物三维 立体模拟。文献【6 5 】采用余弦曲线描述纱线轴心线屈曲形态，用 椭圆形曲线描述纱线截面形态，光照模型采用p h o n e 光照模型， 根据已建立的织物空间几何模型计算织物表面各点的法矢量，从 而计算出光线入射角和反射角，即可求出织物表面各点的明暗度 值。文献【6 6 】 6 7 】论述了浮长线对织物外观的影响原理，通过对 各种织物的分析，发现某系统纱线上的浮长越大，其本身可能的 凸起或凹下程度越大，而且对另一系统的纱线的拉拢或分离作用 越大，换句话说，越有可能使另一系统的纱线偏离织造初始位置。 据此，作者提出了利用浮长线法分析织物外观及纱线位置偏移程 度，引入了“浮长标度”的概念。首先确定各组织点按经纱和纬 纱密度均匀分布时的初始坐标，然后求出各组织点在浮长线作用 下的偏移量，文献【6 8 】详细介绍了偏移量的计算方法。偏移量为 偏移系数k 和偏移常数c 的积。偏移常数k 与浮长线长度及组 织点在浮长中的位置有关，偏移常数c 是织物密度、纤维材料和 纱线号数等参数有关，从而可以算出各组织点在浮长线作用下的 新位置，以算出的各个组织点位置为控制点按照几何造型上常用 的3 次b 样条曲线构造纱线的纵向方程，采用椭圆方程构造纱线 的横截面。光亮度计算采用l a m b e r t 余弦定律，依据g o u r a u d 光 照模型计算纱线上各处的明暗程度。为了进一步提高纱线模拟的 真