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山东大学硕士学位论文 机织物外观与结构仿真的研究与实现 研究生：张璇 指导教师：盂祥旭教授 摘要 传统机织工业生产流程中，试织是验证织物样式、结构设计是否正确，是 否符合客户要求的重要环节。很多情况下试织需要反复进行，往往造成人力、 物力的浪费，对机织物结构与外观的计算机仿真，可以大大节约生产成本，提高 生产效率，有效地解决由试织带来的资源浪费的问题。随着计算机技术的普及 与发展及实际生产、展示、教学的需求，机织物外观与结构的计算机仿真研究 越来越受到人们的重视。同时，游戏、电影等娱乐产业蓬勃发展，对织物外观 仿真的需求越来越多，质量要求也越来越高，此课题的研究结果，可用于上述 行业的实际生产过程中。 本文主要研究内容和贡献有以下几个方面： 纱线的三维仿真 纱线仿真是织物外观仿真的基础。我们基于每一种纱线有唯一形式的横截 面片这一观察，提出了基于纱线横截面片的纱线三维绘制方法，以纱线的横截 面片作为绘制的基本单位，通过横截面片的平移、旋转等操作，绘制出给定参 数和路径的纱线。我们采取起纱点作为中间点，利用b 样条插值来绘制出平 滑、逼真的纱线。为了增强纱线的真实感，我们还讨论了如何体现纱线的材 质，如毛羽效果的绘制，并进行了初步验证。 ，山东大学硕士学位论文 机织物结构表示 提出了新的机织物结构表示。机织物结构表示合理实用，能正确真实的仿 真机织物结构与外观，能方便的绘制加捻纱线，满足不同细节等级下织物的绘 制，便于织物设计人员的设计开发。 机织物结构与外观的三维仿真 在提出新的机织物结构表示基础上，进行了机织物结构与外观的三维仿 真。为了提高绘制的效率，在绘制机织物结构时，只绘制单股纱线来表示其交 织关系，这并不影响观察组织的交织关系的体现。对机织物外观的三维仿真能 满足不同细节等级下织物的绘制，取得了较好的效果。为了提高大片织物的绘 制效率，还利用显示列表来加速算法，以及利用图像处理的方法对其外观三维 绘制的结果进行后期处理，进一步增强其绘制效果。 关键词：仿真机织物b 样条插值横截面片计算机图形学图像 处理 n ，山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ns t r u c t u r ea n d p a t t e r ni m i t a t i o no fw o v e nf a b r i c g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gx u a n t u t o r ：p r o lm e n gx i a n g x u a b s t r a c t i nt h et r a d i t i o np r o d u c t i o nf l o wo f w o v e nf a b r i ci n d u s t r y , t r y i n gw e a v i n gi st h e v e r yi m p o r t a n tl i n kt ov a l i d a t ei ft h ew o v e np a t t e r na n ds t r u c t u r ed e s i g ni sc o r r e c t ， a n di ft h ep r o d u c ta c c o r dw i t ht h ec l i e n t s r e q u e s t s i nm a n yi n s t a n c e s ，t r y i n g w e a v i n gi fn e e d e dt og oo nr e p e a t e d l y , i tw i l lw a s t eag r e a td e a lo fh u m a na n d m a t e r i a lr e s o u r c e s t h ec o m p u t e ri m i t a t i o no ft h es t r u c t u r ea n dp a t t e r no fw o v e n f a b r i cc a ng r e a t l ys a v ep r o d u c t i o nb e c o m ea n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , r e s o l v et h ep r o b l e mo fr e s o u r c e sw a s t i n g a l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，r e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o n ，e x h i b i t i o na n d t e a c h i n g ，m o r ea n dm o r ep e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et ot h ec o m p u t e ri m i t a t i o no f t h e s t r u c t u r ea n dp a t t e r no fw o v e nf a b r i c c o n t e m p o r a r y , a m u s e m e n td o m a i n se x g a m e ， m o v i ee t c a r eg r o w i n gv i g o r o u s l gt h e r ea r em o r ea n dm o r ed e m a n d s ，r e q u i r e h i g h e ra n dh i g h e rt h ep a t t e r ni m i t a t i o no fw o v e nf a b r i c t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i s s u b j e c tc a nb eu s e dt ot h ef i e l do f v i r t u a lr e a l i t y t h et h e s i sf o c u s e do ns u c hr e s e a r c hf o c u s e sa n dg a i nc o n t r i b u t i o n sa sf o l l o w s t h e3 ds i m u l a t i o no fy a r n s t h es i m u l a t i o no fy a m si st h ef o u n d a t i o no ft h ep a t t e ms i m u l a t i o no fw o v e n f a b r i c t h ec r o s ss e c t i o no ft h es a m ek i n do fy a m si st h es a m e s ow ep u tf o r w a r d t h e3 dr e n d e r i n go fy a m sb a s e do nt h ec r o s ss e c t i o ns l i c e w er e g a r das i n g l ec r o s s ，山东大学硕士学位论文 = = = = = = = ：= ：= = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = s e c t i o no fy a m sb a s i cp r i m i t i v eo fr e n d e r i n g w ec a ng e ts e v e r a ly a r n sw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dp a t hb yas e r i e so fr o t a t i o na n dd i s p l a c e m e n to p e r a t i o n s w en e e da d e q u a c ye n o u g hs p o t st or e n d e ry a r n sw i t hd i f f e r e n tp a t h ，b e c a u s et h e i n p u td a t ai st h ep r o t u b e r a n ts p o t so fy a m s b yu s i n gb s p l i n ei n t e r p o l a t i o n ，w e r e n d e re v e r yy a mb a s e do nas e q u e n c eo fr o t a t e dc r o s ss e c t i o n s w ea l s od i s c u s s h o wt or e n d e rt h em a t e r i a lo fy a m s ，e x f u r r i n g ，a n dg e te x p e c t e dr e s u l t s t h en e wd a t as t r u c t u r eo fw o v e nf a b r i c kp u tf o r w a r dan e wd a t as t r u c t u r eo fw o v e nf a b r i c i no r d e rt og e tt h e c o r r e c ta n dr e a ls i m u l a t i o no fw o v e ns t r u c t u r e ，a c c o m m o d a t ev a r y i n gl e v e lo fd e t a i l ， a n df a c i l i t a t et h ew o v e nf a b r i cd e s i g n t h e3 ds i m u l a t i o no ft h es t r u c t u r ea n dp a t t e r no fw o v e nf a b r i c w ei m p l e m e n tt h e3 di m i t a t i o no f t h es t r u c t u r ea n dp a t t e r nb a s e do no u r n e w d a t as t r u c t u r eo f w o v e nf a b r i c t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , w eo n l yr e n d e rs i n g l e f i b e ry a m st os h o wt h es t r u c t u r ew h e nr e n d e r i n gt h es t r u c t u r eo f w o v e nf a b r i c t h e 3 dp a t t e ms i m u l a t i o no f w o v e nf a b r i cc a na c c o m m o d a t ev a r y i n gl e v e lo f d e t a i l ， a n dg e tg o o dr e s u l t s w eu s ed i s p l a yl i s to fo p e n g lt oi m p r o v eo u fa r i t h m e t i c t h eu s i n go fi m a g ep r o c e s s i n gi m p r o v et h er e n d e r i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n1w o v e nf a b r i c b - s p l i n ei n t e r p o l a t i o n c r o s ss e c t i o n s l i c e c o m p u t e rg r a p h i c s i m a g ep r o c e s s i n g 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：筮遮日期：兰! ! ! ：兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丞选导师签名：e t 期：丝竺：笙 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 机织物是我国的传统出口产品，在对外贸易中占据重要地位。我国加入 w t o 以来，各个纺织企业面临着了新的机遇和挑战。在纺织行业激烈的竞争 中，纺织企业只有在设计上紧抓时尚潮流脉搏，在生产上对需求信息快速反应， 高效高产高质量才能在竞争中立于不败之地。在这种大环境中，机织 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 系统的功能不断完善，纺织行业的自动化和信息化 程度越来越高，使用机织c a d 来辅助生产已成为整个行业的趋势。在机织c a d 的各项功能中，对机织物结构与外观的仿真功能是不可缺少的，对纺织工业的发 ”，j 展起到了巨大的推动作用。 传统纺织工业生产流程，主要包括结构与样式设计、绘制意匠图、纹版轧 制、织机装造、试织等工序( 见图i 1 ) 。其中上机试织是新品种设计的一个重要 环节。品种的设计规格只有经过试织才能验证其设计是否合理，织物性能是否达 一 到预期效果，是否符合客户要求原料利用、经纬组合、组织结构、花样配置、 工艺流程、提花机装造、经纬密度配置以及印染后处理的各种因素的变化，均会 影响织物的表面效果及其使用性能。很多情况下试织需要反复进行，往往造成人 力、物力的巨大浪费，大大增加了生产成本，降低了生产效率。机织物仿真正是 基于这种实际需求，在计算机上仿真出机织物的外观、结构，这能大大缩短生产 流程，节约生产成本，提高生产的效率，会对纺织工业起到巨大的推动作用。织 物仿真的结果( 如图1 2 ) 还可直接展示给用户，获得用户反馈意见，赢得用户 的认可，免除了试织的人力、物力消耗。同时，织物外观的仿真也为服装辅助设 计提供了必要的基础。 目前的机织c a d 系统基本上都具有织物外观和结构的仿真功能，但其效果 ，山东大学硕士学位论文 远不能适应生产与展示的需求，对设计人员设计的支持也有待提高。在机织c a d 需要解决的诸多问题中，织物外观与结构的仿真功能仍然是当前各个纺织企业关 注的焦点，他们迫切需要有织物仿真的先进技术来赢得客户，指导生产，提高生 产效率，获得经济效益。这正是本文研究的意义所在 另外，游戏、电影等娱乐产业蓬勃发展，对织物外观仿真的需求越来越多， 要求也越来越高，本文的研究结果，可用于虚拟现实的应用，取得较好的社会与 经济效应。 图1 1 传统织物生产流程 图1 2 织物仿真效果图 1 2 国内外机织物仿真研究现状与发展趋势 从6 0 年代机织c a d 的实验阶段n 8 0 年代机织c a d 的应用，再到当今机织c a d i 拘 普及，其功能不断完善，力求贴近设计、生产的需求，其中织物外观与结构的仿 真功能也不断改进 1 - 1 5 。当前的机织c a d 主流产品中一般都包含有织物外观与 2 山东大学硕士学位论文 结构的仿真功能，但良莠不齐，有的可以提供纱线设计、织物仿真甚至织物3 d 场 景模拟，有的只能提供简单的织物表面模拟。像德国e a t 、美国v i a b l e 、西班牙 p i x e l a r t 等，这些产品比较成熟，织物外观的平面模拟功能强大，效果较好，但 也存在着一些问题。如对一些复杂织物( 多层) 的仿真效果不是非常逼真，操作较 为复杂，效率较低，在实际生产中此功能的使用受到了限制。对纱线设计的支持 比较弱，不能很好的体现织物细节。同时国外的软件在国内应用也存在非汉字界 面、度量单位不一致等问题，价格因素也限制了其在国内的推广应用。国内的机 织c a d 系统发展迅速，如中国纺织科学研究院开发的织物仿真c a d 系统，浙江大 学电气自动化研究所( 浙大经纬) 开发的纹织c a d 系统，上海百锐纹织物计算机辅 助设计系统，宝铃纺织机电技术公司开发的宝铃机织c a d 等。但与国外同类产品 相比还有一定差距，对于机织物外观效果的仿真生成不能令人满意，缺少纱线设 计的支持，对织物细节的绘制也远达不到展示的要求。 目前对织物外观的仿真，多采用二维图像的方法仿真机织物的外观和图案， 用色块的叠加来表现织物魄外观和结构【1 1 7 ，这远远不能满足设计人员和客户 的要求。也有研究将织物的三维特性考虑进来，改进其二维显示结果 1 8 】，但其 对光照的体现和细微仿真效果都有待改进。近来也有研究采用三维建模的方法来 仿真机织物 1 9 】 2 0 】，一般用三次曲面来建立织物的三维模型，但其结构表示没有 考虑到实际设计的需要，对生产中的参数考虑不足，也欠缺对织物细微等级的仿 真。随着计算机技术的发展，使用三维的方法对织物进行仿真将成为发展趋势， 也是本文研究的重点。同时需要看到的是，目前只用三维的方法对织物进行外观 仿真，显然在效率和效果上都需要改进。 合理、实用的织物结构表示是织物仿真的基础。从织物设计人员的角度来 看，织物设计的流程包括：选择所使用的经线、纬线( 经线、纬线的性质，如其 捻度、捻向等) ；织造的样式和结构；织造参数的设定( 如经密，纬密等) ；后续 处理( 如印花、褶皱等工艺处理) 2 1 。现有的织物仿真中织物的结构表示，都 ，山东大学硕士学位论文 是从织物成品的角度来考虑，如将织物表示为矩阵【1 1 7 2 2 ，或者将纬格作为数 据结构的表示单元 2 0 】，这些结构表示的方法并不能满足设计流程的需求，很多 实际生产中很重要的参数不能很好的体现，也不利于表示重组织【2 3 】等复杂结 构，这直接限制了织物仿真对纺织实际生产的辅助作用。 纱线的仿真是织物仿真研究的难点，研究人员不断的进行探索，取得了很多 成果 2 4 4 4 】。在以往的研究中，多采用纹理贴图的方法【19 】来仿真纱线的捻度、 捻向，但此方法的局限性很多，首先纹理的生成不能很好的支持参数化，对于纱 线捻度、捻向等重要外观特征的表现有限，效果也不令人满意。文献 2 5 研究使 用体绘制的方法得到纱线的逼真效果，能体现纱线的材质，但效率低，用于交互 设计显然并不合适。文献 2 6 考虑到纱线的光照属性，用二维图像的方法来仿真 纱线。文献 z 7 1 5 b 以图形方式对纱线的参数化设计进行仿真，其设计思想使用一 组循环排列的倾斜纺织的色彩小方块来表示纱线，每个具有色彩的小长方形代表 纱线单元块的仿真模型。文献 2 8 】中讨论了通过纱线扫描图像，在经过一定的处 理与分析，填绘于织物的组织点中以仿真织物的外观。文献【2 9 【3 7 】提出用带有圆 弧边的倾斜的矩形色块作为基本单元拼接成纱线，并用随机产生的抛物线或样条 曲线作为毛羽模板来仿真纱线的计算机图形显示。但因为其二维特性，无法体现 光线对纱线的作用。对其材质的体现大多使用简单的图像模糊处理来实现，在效 果上有待提高 1 3 研究内容及解决的关键问题 目前用于实际生产的机织c a d 系统存在着不少问题，而对机织物结构和外观 的仿真功能是需要改进的重点。通过对纺织生产企业的调研，当前机织物仿真急 待解决的问题有：正确表现织物经、纬线的交织关系，特别是复杂组织织物的组 织结构；对不同细节等级织物的绘制；对织物材质的体现；可进一步在此基础上 进行织物运动仿真等，这也是机织物仿真的趋势所在。 4 山东大学硕士学位论文 基于上述需求和实际现状的考虑，本文的研究内容及解决的关键问题有： 纱线的仿真。要有对纱线捻度、捻向等重要参数的支持，并讨论如何体 现纱线的材质，着重研究纱线毛羽效果的绘制； 提出合理的机织物结构表示，能正确的体现经、纬的交织关系，支持重 要的参数，能更加方便的进行其结构与外观的三维仿真，对不同细节等 级的结果绘制； 对机织物结构与外观的三维仿真； 进一步提高机织物外观仿真的效率和增强效果，并不局限于三维仿真。 1 4 论文结构 本文主要探讨机织物结构与外观仿真技术的研究，各章节的内容如下： 第一章，绪论，包括机织物结构与外观仿真的目的及意义、国内外机织c a d 织物仿真功能现状与发展趋势、研究的内容及解决的关键问题。 第二章，介绍了机织行业的相关知识，包括织物与组织的知识、纱线的相关 知识、传统机织物设计流程与参数。 第三章，介绍纱线的三维绘制与毛羽效果。包括纱线的结构表示与其绘制的 流程，然后着重介绍复丝纱线的绘制方法。最后，讨论了对纱线进行起毛效果的 绘制。 第四章，介绍机织物外观与结构的三维仿真。为便于机织物外观与结构的三 维仿真，首先给出了新的机织物结构表示，然后介绍了具体方法。最后介绍利用 显示列表来进行算法加速，同时利用图像处理的方法对其外观三维绘制的结果进 行后期处理，进一步增强其绘制效果。 第五章，对全文进行了总结，介绍了文章的创新点，指出了需要进一步研究 的问题。 山东大学硕士学位论文 第二章机织物相关知识 机织行业的专业知识非常繁杂，本章将着重介绍与机织物仿真有关的织物与 组织、纱线以及传统机织物设计步骤等知识。 2 1 织物与组织 织物是指用纺织纤维制造而成的片状物体，主要分为机织物、针织物及非织 造布。机织物都是由纵向的经纱和横向的纬纱交织而成，交织的规律称为“织物 组织”经纱覆盖在纬纱上的交织点称为“经浮点”，纬纱覆盖在经纱上的交织点 称为“纬浮点“。经纬两个方向经过一定循环后，经纬组织点浮、沉规律出现重 复时，称为一个组织循环或一个完全组织。当织物组织发生变化时，织物的外观 及其内在性质也随之改变。 织物按纱线原料的不同一般可分为纯纺织物、混纺织物及交织物。 ( 1 ) 纯纺织物： 指织物中经纱与纬纱都是用同一种纤维纺成的，用这样的纱织成的织物即为 纯纺织物。如纯棉织物、纯毛织物、丝织物及纯化纤织物等。 ( 2 ) 混纺织物： 指织物中的经纱和纬纱是用两种或两种以上的不同种类的纤维纺成的。 ( 3 ) 交织物： 指织物中的经纱所用的纤维原料与纬纱所用的纤维原料是不同种类的，用这 样的经纬纱织成的织物称为交织物。 织物按组织分可分为原组织织物、小提花组织织物、复杂组织织物和大提花 组织织物。 ( 1 ) 原组织织物： 即基本组织织物，有平纹、斜纹、缎纹。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 小提花组织织物： 由基本组织变化或联音而形成的组织，包括变化组织 和联合组织。如方平、山形斜纹和皱纹组织等。 ( 3 ) 复杂组织： 。 由若干系统经纱和若干系统纬纱所构成的织物。如灯芯绒、 平绒和毛巾等。 ( 4 ) 大提花组织织物： 指织物外观具有大的组织图案，如提花毛巾被、提花 毛毯等。 在织物内经纬线按一定的沉浮规律相互浮沉交织，这种相互浮沉交织的规律 称为织物组织。当织物组织变化时，织物外观及其内在性质也随之改变。 织物组织可以用图形来表示，这种表示织物的图形称为组织图。有意匠图表 t 示法和直线表示法两种。一般采用意匠图来表示组织。意匠图表示法根据纹样结 一 一“ 合织物组织将花形放大并用点子绘在一定规格的格子纸( 意匠纸) 上的图样。意 匠图是纹版轧孔的依据，绘制意匠图是手工轧制纹版前的重要工序。意匠图上一 ， 般只画一个花纹循环，当花纹对称时，可以省略对称部分，只画其二分之一或四 分之一。意匠图形的大小用一个花纹循环所需要的纵、横格数表示。意匠图上涂 绘的颜色只代表织物中不同的组织结构，并不代表花纹的色彩，也不必与纹样色 彩一致，只要求用色醒目、花界分明，便于识图和纹版轧孔。意匠纸是一种印有 长方格或正方格的纸张，纵格相当于织物中的经纱，横格相当于纬纱。意匠纸有 多种规格，可根据织物经、纬密度、组织结构和上机条件适当选用。意匠纸规格 选用不当，会使花纹变形。意匠纸的规格用单位长度内纵、横格数的比值表示。 图2 1 所示为八之八意匠图。纸上小方格的纵行表示经线，次序为自左自右；横行 表示纬线，次序为自下而上。每根经线与纬线的相交的小方格表示组织点。在方 格内绘有符号表示经线浮于纬线之上，称经组织点( 经浮点) ；方格内不绘符号的表 ，山东大学硕士学位论文 示纬线浮于经线之上，称为纬组织点( 纬浮点) 。 彩过客乡沿 圈蒸蠢 图2 1 八之八意匠纸、组织图、平纹组织示意图 织物组织是构成织物的要素，种类繁多，根据参加交织的经、纬线组数以及 交织规律等因素，可分为以下几类 ( 1 ) 简单组织，见图2 2 ， 这类组织是由一组经线和一组纬线交织而成。可分为： 原组织：它是各种组织的基础； 变化组织：是由原组织变化而成； 联合组织：是由两种或两种以上的原组织或变化组织按不同的方式联合而生 成的组织。 ( 2 ) 复杂组织 这类组织使用多组经、纬线交织而成的组织结构较为复杂。有下面几种类 型； 重纬组织：有两组或两组以上的纬线和一组经线重叠交织而成的组织： 重经组织：有两组或两组以上的经线和一组纬线重叠交织而成的组织； 双层组织：有两组经线和两组纬线分别交织而成的两层重叠的组织； 多层组织：有多组经线和多组纬线分别交织而成的多层重叠的组织； 起绒组织：由一组经线和一组纬线交织构成地组织，另一组绒纬或绒经在织 物的表面竖立形成绒毛或绒圈的组织； 纱罗组织：由地经或交经互相交转地与纬线交织，使织物具有纱空效应的组 山东大学硕士学位论文 织。 l r 上q u _ p 岍l u 章h 强圈 w k l u 羽j u l u 书1 1 净曲日日日叫止臌喇净b 州斟旺凸日p 口丑日 斗b 画b q 妇叫- 州矧日吲划每印旺d h 碍咄 j d 止阿划 _ d 蒯爿曲凸吲凹b 【( 口由匹7 睁b 如 堑醋黜羞罪蝌茸零勰，曲b ! 凶b 凶斟硎p 嘲蓖己卫l 噩誓旺 瓣瓣勰 平纹组织 ， 斜纹组织缎纹组织 图2 2 机织物三种基本组织 对机织物来说常见的概念有： 1 、经向、经纱、经纱密度面料长度方向；该向纱线称做经纱；其1 厘米内 纱线的排列根数为经密( 经纱密度) ； 2 、纬向、纬纱、纬纱密度面料宽度方向；该向纱线称做纬纱，其1 厘米内 纱线的排列根数为纬密( 纬纱密度) ； 3 、密度用于表示梭织物单位长度内纱线的根数，一般为l 英寸或1 0 厘米内 纱线的根数，我国国家标准规定使用1 0 厘米内纱线的根数表示密度，但纺织企 业仍习惯沿用1 英寸内纱线的根数来表示密度。如通常见到的“4 5 x 4 5 1 0 8 x 5 8 ”表示经纱纬纱分别4 5 支，经纬密度为1 0 8 、5 8 。经密纬密对机织物外观的影 响很大。图2 3 中，同样的组织循环，采用不同的经密、纬密，得到的机织物外 观有显著不同。 4 、幅宽面料的有效宽度，一般习惯用英寸或厘米表示，常见的有3 6 英寸、 4 4 英寸、5 6 6 0 英寸等等，分别称作窄幅、中幅与宽幅，高于6 0 英寸的面料为特 宽幅，一般常叫做宽幅布，当今我国特宽面料的幅宽可以达到3 6 0 厘米。幅宽一 般标记在密度后面，如3 中所提到的面料如果加上幅宽则表示为：“4 5 x 4 5 1 0 8 x 5 8 6 0 ”即幅宽为6 0 英寸。 5 、克重面料的克重一般为平方米面料重量的克数，克重是针织面料的一个 ，山东大学硕士学位论文 重要的技术指标，粗纺毛呢通常也把克重作为重要的技术指标。牛仔面料的克重 一般用“盎司( o z ) ”来表达，即每平方码面料重量的盎司数，如7 盎司、1 2 盎 司牛仔布等； 纬密 1 0t h r e a d s c m 1 5t h r e a d s c m 经密 t 垂 翳 一蒌霾 垂 i ； 薹嚣鲤毽 ； ! l ： 苫 i ： 毒 ： |堇 2i| ： 导 i 4 净 i ： 暑 ! i | i ： ；i 一一 吕 孽 岂 鲁 暑 图2 3 同一组织，不同经密、纬密度得到的结果 6 、色织日本称做“先染织物”，是指先将纱线或长丝经过染色，然后使用色 纱进行织布的工艺方法，这种面料称为“色织布”，生产色织布的工厂一般称为 染织厂，如牛仔布，及大部分的衬衫面科都是色织布； 2 2 纱线的相关知识 纱线与组织结构的选择，共同影响着织物的外观与性质。对织物外观的仿真 离不开纱线的仿真。机织用纱指加工机织物所用纱线，分经纱和纬纱两种。经纱 用作织物纵向纱线，具有捻度较大、强力较高、耐磨较好的特点；纬纱用作织物 0 山东大学硕士学位论文 横向纱线，具有捻度较小、强力较低、但柔软的特点。纱线是纤维的束装物，分 为三种：短纤纱、长丝纱与花式纱。短纤纱是由短纤维经加一定的捻度或纺织 ( 如气流纺纱) 集结在一起的束装材料；长丝纱是由长丝( 如天然丝、化纤丝或 人造丝) 并合在一起的束装物：花式纱主要表现为纱线外表或颜色上的变化。主 要有包缠、包芯、竹节、大肚，彩点、波形、辫子、毛巾、圈圈、结子、羽毛、 牙刷、蜈蚣、带子、段染、雪尼尔等等。 在织物设计中对纱线的选择一般要考虑以下几个参数： 纱线的细度指标，前面我们说过，用于表示纱线细度的指标主要有：英 制支数、公制支数、特数、旦数。 a 、英制支数( n e ) 在公定回潮率下，1 磅重纱线长度的8 4 0 码的倍数， 也就是说1 磅重纱线正好8 4 0 码长，为1 支纱，l 磅重纱线长度为2 1 8 4 0 码 长，纱线的细度为2 1 支，写为2 1 s 。英制支数是定重制，因此支数越大纱线越 细。英制支数不是我国当今法定的纱线细度指标，但在企业中仍然被广泛的使。 用，尤其是棉型纺织行业。 b 、公制支数( n m ) 在公定回潮率下，l 克重纱线长度的米倍数，也就 是说1 克重纱线正好1 米长，为l ( 公) 支纱，1 克重纱线长度为2 0 0 米长，纱 线的细度为2 0 0 支。公制支数也是定重制，因此支数越大纱线越细。棉纺织毛纺 织行业都有使用。 c 、特克斯( t e x ) 数又称“号数”，是指1 0 0 0 米长纱线在公定回潮率下 重量的克数，它是定长制单位，克重越大纱线越粗，常用来表示毛纱。 d 、纤度( d ) 又称“旦数”或( 旦尼尔：d e n i e r ) ，是指在公定回潮率 下，9 0 0 0 米纱线或纤维所具有重量的克数，它同样是定长制单位，克重越大纱线 或纤维越粗，常用来表示化纤长丝、真丝等。 由于纤维长丝与纱线形状不规则，且纱线表面有毛羽( 伸出的纤维短毛) ， ，山东大学硕士学位论文 因此我们不能够用直径表示其细度，所以纺织工作者使用上述指标表示。 纱线细度指标计算公式与换算关系如下： n e = 纱线长度码数，( 8 4 0 * 纱线重量磅数) n m = 纤维或纱线长度米数重量克数 n t e x = ( 1 0 0 0 纤维或纱线重量克数) 长度米数 n d e n = ( 9 0 0 0 * 纤维或纱线重量克数) 长度米数 换算关系： n m = 9 0 0 0 n d e n n t e x = 1 0 0 0 n m n t e x = n d e n 9 n t e x = 5 8 3 n e ( 棉型材料) ； n t e x = 5 9 0 5 n e ( 化纤) 纱线的颜色 在色织物的织造中，先将纱线或长丝经过染色，然后使用色纱进行织造。所 以纱线的颜色也是其重要的参数。 纱线的材质 纱线的材质直接影响着纱线的外观和性质，进而影响着整个织物的外观和性 质。 纱线的材料一般有天然纤维与化学纤维。常规的天然纤维有棉、麻、丝、 毛，随着科学技术的发展，新的天然纤维又有出现，比如菠萝叶纤维与现在普遍 使用的竹纤维。它们都是大自然奉献给我们的优质纺织纤维原料。 化学纤维是随着化工行业的发展兴起的，目前已经成为纺织纤维的主体。 它分为两大类，一类是合成纤维，一类是再生纤维。合成纤维是以石油为原料， 经化学聚合而成，主要纤维材料有涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶、氨纶 等。再生纤维，也叫做人造纤维，是利用天然材料经制浆喷丝而成，有再生纤维 2 山东大学硕士学位论文 素与再生蛋白质之分。其中最常用的是粘胶纤维( 再生纤维素纤维) ，它具有 棉、麻的主要特性，但强力低于棉麻，且湿态强力更小再生蛋白质使用较少， 甲壳质纤维已经很成熟的用于当今医学领域。 纯纺纱是由一种纤维材料纺成的纱，如棉纱、毛纱、麻纱和绢纺纱等。此类 纱适宜制作纯纺织物。混纺纱是由两种或两种以上的纤维所纺成的纱，如涤纶与 -， 棉的混纺纱，羊毛与粘胶的混纺纱等。此类纱用于突出两种纤维优点的织物。 纱线的捻向 加捻的捻回是有方向的，称为捻向，也就是加捻纱中纤维的倾斜方向或加捻 股线中单纱的倾斜方向。捻向分z 捻和s 捻两种。若单纱中的纤维或股线中的单 纱在加捻后，其倾斜方向自下而上，从右至左的叫s 捻，也称为右手捻或右捻； 若倾斜方向自下而上，从左奎右的叫z 捻，也称作左手捻或左捻。 纱线的捻向对织物的外观和手感有很大影响。合理利用捻向可得到各种理想 外观效果的织物面料。如平纹织物，经纬纱捻向不同，则织物表面反光一致，光 泽较好，织物松厚柔软。斜纹织物如华达呢，当经纱采用s 捻，纬纱采用z 捻 时，由于经纬纱的捻向与织物斜纹方向垂直，则反光方向与斜纹纹路一致，因而 纹路清晰。而当若干根s 捻、z 捻纱线相间排列时，织物可产生隐条隐格效应， 如某些花呢衣料。当然，捻度大小不等的纱线捻合在一起构成织物时，会产生波 纹效应。捻向对一些采用较粗、加捻纱线的装饰布料、毛毯等织物的外观影响很 大。 纱线的捻度 一 加捻是纺纱的目的之- ，加捻的多少则是衡量纱线性能的重要指标，一般用 捻度表示。捻度是指纱线单位长度上的捻回数( 即螺旋圈数) 。单位长度随纱线 的种类变化而取值不同，其计量单位可表示为“捻l l o c m ”或“捻，m ”，前者用于 棉及棉型化纤纱线，后者用于精纺毛纱及化纤长丝纱的捻度计量。捻度影响纱线 山东大学硕士学位论文 的强力、刚柔性、弹性、缩率等指标。随着纱线捻度的增加，其强力是增大的， 但捻度不能超过一定的值，否则其强力反而下降，这一定值称为纱线的l 晦界捻 度。不同原料的纱线，其临界捻度是不一样的。纱线的柔软程度、弹性好坏、缩 率大小也与捻度密切相关。一般，在满足强力要求的前提下，纱线捻度越小越 好，因为捻度的增加会使纱线的手感变硬、弹性下降、缩率增大，这便是长丝纱 一般尽量不加捻或少加捻的缘故。此外，捻度对纱线的体积重量和直径也有影 响，加捻作用使纱的紧密度增加。在一定范围内，纱的体积重量随捻度的增加而 增大，纱的直径随捻度的增加而减小，从而使织物的覆盖性和舒适性等发生变 化。 纱线捻度应根据不同的织物用途加以选择。如经纱需要具有较高的强度，捻 度应大一些；纬纱及针织用纱需柔软，捻度应小一些；机织和针织起绒织物用 纱，捻度应小一些，以利于起绒；薄爽的绉类织物，要求具有滑、挺、爽的特 点，纱的捻度应大一些。图2 4 中，左边是s 捻的纱线示意，右上是捻度很大的 z 捻纱线，右下是z 捻的纱线示意。 y 。y s z 图2 4 纱线捻向、捻度示意 2 3 传统机织物设计步骤与参数 在机织物设计中，设计人员从设计到产品成型经过的步骤有： 4 山东大学硕士学位论文 邑所使用的经线、纬线的种类 b 织造样式和结构 c 经线和纬线的密度 d ( 可选) 后续处理。如印花， 缩水，褶皱，等 我们对机织物外观和结构的仿真要考虑到设计流程中的诸多参数，为了更加 方便和高效的支持织物设计，需要对一些重要参数有参数化支持。根据上面两节 的介绍，我们的机织物外观与结构的仿真需要支持以下参数，考虑到仿真的方便 需求，一些参数的单位与实际生产中惯用的单位不同，换算比较方便简单： 织物的组织结构( 经线纬线交织关系) 经纱密度，纬纱密度单位：根c m 纱线的粗度单位：c m 纱线的捻度单位：捻c m 。 4 纱线的捻向s z 纱线的纤维股数单位：股 纱线的颜色 纱线的仿真是织物仿真的基础，在下一章中，我们将介绍纱线的结构表示， 绘制方法与流程，纱线毛羽效果的尝试，和后期效果处理。 ，山东大学硕士学位论文 第三章纱线的绘制 在机织物的设计中，设计人员根据所要设计机织物的外观和手感等因素来选 择所要选用的纱线。在实际设计中，所选用纱线的捻度、捻向、半径、材质等参 数都是要考虑的因素。纱线的绘制效果直接影响了细微等级织物的绘制效果。特 别是采用半径较粗、加捻纱线的装饰布等大提花织物的细微仿真更需要纱线细微 仿真的支持。 本章首先介绍了纱线的结构表示与其绘制的流程，单丝纱线的绘制比较简 单，在纱线的绘制中应用了b 样条插值，着重介绍复丝纱线的绘制方法。最后， 对纱线进行毛羽效果的绘制。 3 1 纱线的结构表示与绘制流程 通过对纱线的细致观察，可以发现，同一种类型的纱线，有着同样的横截面 片。因此可以用纱线的横截面片作为绘制的基元，同一种类型的纱线可以通过对 其横截面片的旋转，位移等操作进行绘制。为便于绘制，需要有一种新的结构表 示。 将条纱线看作一个对象。其具有的属性有：纱线i d ；纱线的起纱点坐标数 组。纱线的i d 是某一种纱线的唯一编号，在纱线库中查找出与经线、纬线列表中 相应i d 的纱线，可以得到其具体属性，如颜色、半径，材质、捻度、捻向、组成 纱线的纤维股数，材质根据这些信息，可以得到纱线的横截面片纱线的捻 度，捻向，组成纱线的纤维股数都可以通过横截面片来控制，通过横截面片的旋 转、位移来绘制纱线。在绘制中，需要有足够密的点，才能得到平滑、逼真的纱 线，只有浮点坐标显然不能满足要求。所以增加了b 样条拟合的步骤，来得到足 够多的中间点。这样，单根纱线就可以绘制出来，能有效的绘制单根纱线会带给 设计人员极大的方便，他们可以选择任意一条经线或纬线进行绘制，验证结构关 山东大学硕士学位论文 系是否正确。体现纱线的材质问题比较复杂，直接用三维绘制的方法显然效率 低，不能满足设计生产的需要，所以在生成三维中间结果后，我们用图像的方法 来得到纱线的起毛效果，在一定程度可以体现纱线的材质。 线纱线库独立出来，并可对纱线库进行维护，便于设计人员进行设计。纱线 的起纱点坐标数组记录了纱线的起纱点的位置信息，掘纱线的路径和纱线的具体 属性，可以绘制出各种走向和形态的纱线。纱线的绘制流程如图3 1 所示。 田 3 2 单丝纱线的绘制 图3 1 纱线绘制流程图 单丝纱线由于没有捻度、捻向等信息，我们能很方便的用一个圆柱横截面来 代表其横截面，进行绘制。单股纱线的绘制见图3 3 。 ，山东大学硕士学位论文 绘制织物时，只需要绘制其露在织物表面的部分。对经纱，此部分我们称之 为经浮点，纬纱称为纬浮点。纱线路径上需要有足够密的点，才能得到平滑真实 的绘制结果。我们将经浮点或纬浮点作为初始点，利用b 样条参数曲线插值，得 到中间点，结果近似平滑。图3 2 中l 显示的是平纹组织中一条纬线的纬浮点坐 标。2 显示的是浮点坐标经过b 样条拟合的纬线采样点，两浮点之间采样点个数是 7 。3 显示的b 样条拟合后两浮点间采样点个数为1 4 的结果。这三者显示的都是原 始结果放大4 倍后的结果。图3 3 是单股纱线的绘制结果，上面的对应图3 中2 的采 样结果，下面的对应图3 中3 的采样结果，比原始大小放大了1 4 倍，效果的差别比 较明显，但因为在实际应用中放大的倍数不会如此高，采用图3 中2 的采样密度基 本上能满足显示要求。 图3 2b 样条参数曲线插值采样密度 山东大学硕士学位论文 图3 3 单股纤维纱线的绘制结果放大图 3 3 复丝纱线的绘制 3 3 1 绘制方法 复丝纱线是由多股纤维缠绕组成的纱线，加捻的多少则是衡量纱线性能的重 要指标。捻度、捻向等是复丝纱线的重要属性，在设计中要着重考虑的问题。我 们将讨论如何自动的支持纱线的参数，绘制出我们所要的纱线。 图3 4 中，黑色的曲线是一条纱线的骨架，骨架上的点p 。，p ：p ，是对起纱点 进行b 样条参数曲线插值后得到的采样点。蓝色圆形区域表示纱线的横截面片。 这个横截面片由三个圆柱组成，分别代表三股组成纱线的纤维。将其横截面片的 中心放置到p 。点，并将横截面片置于平面工= p 。上。可以想像一条纬线，用垂 直于纬线的竖直平面截取横截面片，而一条经线，用垂直于经线的水平平面来截 取。 图3 4 纱线横截面片放置 、 、 图3 5 横截