（计算机软件与理论专业论文）纱线建模和纹织物三维仿真技术研究.pdf

9 j - ，l l 卜 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 l u l iii l l l l le i ii i iii ii il 17 9 3 0 8 7 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 究做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：垦尘塾日期：兰丝：幺 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。 论文作者签名：拙师签名：陋 9 ， j 1 i i 气 q 晦 气 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 相关研究现状2 1 2 相关背景知识4 1 2 1 纹织c a d 系统简介一4 1 2 2 纹织物相关概念6 1 2 3 织物组织7 1 3 本文的工作和组织结构8 第2 章纱线的三维建模技术9 2 1 纱线参数的定义及意义：9 2 2 纱线形态表示9 2 2 1 纱线截面9 2 2 2 纱线屈曲形态1 0 2 3 纱线模型计算1 2 2 3 1 表面点坐标的计算1 2 2 3 2 法向量的计算1 6 2 4 实验结果1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章纹织物的三维仿真技术1 9 3 1 纹织物组织信息的表示1 9 3 2 纹织物结构分析2 l 3 3 纹织物建模方法2 3 3 4 纹织物模型简化2 5 3 5 纹理映射2 7 3 6 实验结果2 9 3 7 本章小结3 0 山东大学硕士学位论文 第4 章纹织物三维仿真软件设计与实现3 2 4 1 纹织物三维仿真软件设计与实现3 2 4 1 1 相关技术3 3 4 1 1 1c 斗_ 垤l i 简介3 3 4 1 1 2o s g 简介3 4 4 1 2 模型计算组件3 6 4 1 3 界面控制组件3 7 4 1 4 三维演示组件3 7 4 2 软件部署3 8 4 2 1c l i c k o n c e 简介3 8 4 2 2 具体部署4 0 4 3 实验结果4 0 4 4 本章小结4 2 第5 章总结和展望4 3 参考文献4 4 致谢4 7 攻读学位期间发表的学术论文目录4 8 攻读学位期间参与的科研项目4 9 a 1 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i 红 a b r s t r a c ti ne n g l i s h i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n s p i r a t i o n s ，1 1 2g e n e r a la p p r o a c h e s 2 1 2b a c k g r o u n d 4 1 2 1i n t r o d u c t i o nt oj a c q u a r dc a d 4 1 2 2c o n c e p t so nj a c q u a r d 6 1 2 3f a b r i cw e a v e 7 1 3o u t l i n e 8 c h a p t e r23 dm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fy a m 9 2 1c o n c e p t so ny a mp a r a m e t e r s 9 2 2r e p r e s e n t a t i o no f y a mc o n f o r m a t i o n 9 2 2 1y a mc r o s ss e c t i o n 9 2 2 2y a mb u c k l i n gs h a p e 1 0 2 3y a r nm o d e lc o m p u t a t i o n 1 2 2 3 1c o o r d i n a t ec o m p u t 撕o n 1 2 2 3 2n o r m a lc o m p u t a t i o n 。1 6 2 4e x p e r i m e n tr e s u l t s 1 7 2 5s u m m a r y 1 8 c h a p t e r33 ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f j a c q u a r d 1 9 3 1r e p r e s e n t a t i o no f j a c q u a r df a b r i cw e a v e 1 9 3 2a n a l y s i so nj a c q u a r ds t r u c t u r e 2 1 3 3m e t h o dt oj a c q u a r dm o d e l i n g 2 3 3 4s i m p l i f i c a t i o no f j a c q u a r dm o d e l 2 5 3 5t e x t u r em a p p i n g 2 7 3 6e x p e r i m e n tr e s u l t s 2 9 3 7s u m m a r y 3 0 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r4d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f j a q u a r d3 d s i m u l a t i o ns o f t w a r e 3 2 4 1r e a l i z a t i o no f j a c q u a r ds i m u l a t i o ns o f t w a r e 3 2 4 1 1r e l a t e d t e c h n i q u e 3 3 国 4 1 1 1i n t r o d u c t i o nt oc 抖c l i 3 3 4 1 1 2i n t r o d u c t i o nt oo s g 3 4 ， 4 1 2m o d e lc o m p u t a t i o nc o m p o n e n t 3 6 4 1 31 5 1c o n t r o lc o m p o n e n t 3 7 4 1 43 dr e n d e r i n gc o m p o n e n t 3 7 4 2s o f t w a r ed e p l o y m e n t 3 8 4 2 1i n t r o d c u t i o nt oc l i c k o n c e 3 8 4 2 2c o n c r e t ed e p l o y m e n t 。4 0 4 3e x p e r i m e n tr e s u l t s 4 0 4 4s u m m a r y 4 2 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n 4 3 r e f e r e n c e s 4 4 一 a c k n o w l e d g e m e n t 4 7 t h et h e s e sp u b l i s h e df o rt h em a s t e r sd e g r e e 4 8 i t h ep r o j e c t sp a r t i c i p a t e df o rt h em a s t e r sd e g r e e 。4 9 l v l h 电 ， 1 山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术的发展，纹织c a d c a m 技术不断地改进和完善。其中，纹 织物仿真是纹织c a d c a m 中一个重要的研究方向。纹织物仿真能够向设计人员 演示织物产品的外观和组织结构，帮助设计人员进行产品设计与修改，可以有效 地减少织物产品的试织次数，缩短产品生产周期，降低成本。 论文介绍了国内外常见的纹织物仿真技术，包括纹织物的二维仿真与三维仿 真，并进行了比较。提出了一种基于纱线建模的纹织物三维仿真方法，并以此为 基础设计实现了纹织物三维仿真软件，并对软件进行了部署。 论文的主要研究内容及贡献包括以下几个方面： 首先，介绍了纱线建模的方法，给出了一系列纱线参数的定义，包括纱线直 径、纱线间距、纱线张力、纱线颜色与纹理。使用圆和椭圆分别表示未受挤压和 受挤压的纱线横截面，对纱线进行分段并提出使用三次b 样条曲线段和直线段相 互衔接来表示纱线的弯曲形态，给出了利用坐标变换计算纱线模型的算法。 然后，介绍了论文中所使用的纹织物组织信息表示方法。利用纹织物组织信 息对织物结构进行了分析，通过在各个组织点的将纱线进分层来计算织物中纱线 位置，提出了以纱线建模为基础建立纹织物三维模型的算法，并通过建立光照模 型与纹理映射两种方式来绘制纹织物三维模型，提升仿真的真实感。 最后，论文在研究基于纱线建模的纹织物三维仿真算法的同时，对算法加以 实现，并给出了详细的实验结果。在此基础上，对纹织物三维仿真软件进行了设 计实现与部署，并对相关技术进行了简单介绍。 关键字：纹织c a d c a m ；纱线建模；纹织物仿真；纹理映射 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , ja c q u a r dc a d c a mt e c h n o l o g yi s c o n s t a n t l yi m p r o v e d j a c q u a r ds i m u l a t i o ni so n eo ft h em o s tf a s c i n a t i n ga r e a so f ja c q u a r dc a d c a m j a c q u a r ds i m u l a t i o nc a i ls h o wt h ea p p e a r a n c ea n ds t r u c t u r eo f ja c q u a r dp r o d u c t st ot h ed e s i g n e r sa n dt h i sh e l p st h e mt om o d i f yd e s i g no fja c q u a r d p r o d u c t s t h eja c q u a r dm a n u f a c t u r e sc a ns h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l ea n dr e d u c e c o s t s t h i st h e s i si n t r o d u c e st e c h n o l o g yo f j a c q u a r ds i m u l a t i o n ，i n c l u d i n g2 ds i m u l a t i o n ， 3 ds i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m am e t h o dt oi m p l e m e n t3 ds i m u l a t i o n o fja c q u a r db a s e do ny a mm o d e l i n gi sp r o p o s e di n t h i sp a p e r a n dw ed e s i g na n d d e p l o yja c q u a i d3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r et h r o u g ht h i sm e t h o d t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r e ： f i r s t ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h em o d e l i n gm e t h o d so fy a m s o m ed e f i n i t i o n so f y a m p a r a m e t e r sa r eg i v e n ，i n c l u d i n gy a md i a m e t e r , y a ms p a c i n g ，y a mt e n s i o n ，e t c c y t i e a n de l l i p s ei su s e dt or e p r e s e n tt h ec r o s s - s e c t i o no fy a m ，w h i l ec u b i cb s p l i n e s e g m e n t sa n dl i n es e g m e n t sa r ei n t e r c o n n e c t e dt or e p r e s e n tb u c k l i n gs h a p eo fy a m s a n dw ec o m p m et h ey a mm o d e lt h r o u g hc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n t h e n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sr e p r e s e n t a t i o no fja c q u a r dw e a v ei n f o r m a t i o ni n c o m p m e r s a c c o r d i n gt ot h ew e a v ei n f o r m a t i o n ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h es t r u c t u r eo f ja c q u a r da n dc o m p u t e sl o c a t i o n so f e a c hy a mi nt h eja c q u a r db ys t r a t i f y i n gy a m sa t e a c hi n t e r l a c i n g j a c q u a r dm o d e li st h e ne s t a b l i s h e db a s e do ny a r nm o d e l i n g ，a n d e i t h e rl i g h t i n gm o d e lo rt e x t u r em a p p i n gi s a p p l i e dt 0i m p r o v et h er e a l i t yt ot h e r e s u l t s f i n a l l y , t h i st h e s i si m p l e m e n t st h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i sa n da n a l y z e s t h e d e t a i l e dr e s u l t s t h e s o f t w a r ef o r3 ds i m u l a t i o no fj a c q u a r db a s e do nt h i s a l g o r i t h mi st h e nr e a l i z e da n dd e p l o y e d k e y w o r d s ：w e a v ec a d c a m ；y a r nm o d e l i n g ；j a c q u a r ds i m u l a t i o n ；t e x t u r em a p p m g i i 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究意义 纺织业在人们的日常生活中扮演着重要的角色，服装、毛巾、毛毯、床单、 窗帘以及一些装饰用品都属于纺织品。作为一门古老、传统的产业，纺织业在工 业体系结构中有着重要的地位，中国是纺织品生产和出口的大国，具备世界上最 完整的纺织产业链，最高的加工配套水平，纺织业在我国经济体系中占有重要地 位。纺织品类别繁多，纹织物也称提花织物，是其中的一大类别，是纺织产品的 重要组成部分，丝绸、棉纺、毛巾、床单、窗帘、床单等都可归类为提花织物， 提花行业是我国传统的出口创汇行业之一。 随着科技的发展，纺织业从最原始的手工制作发展到大规模地机器生产，2 0 世纪6 0 年代，开始出现用计算机辅助纺织品图案设计和制作的c a d c a m 系统， 到了2 0 世纪7 0 年代，纺织品c a d 技术进入实用阶段，并在以后的三十多年得到 了迅猛的发展。目前纺织行业所用的c a d c a m 系统大致包括印染、纹织( 或称 提花) 、服装三大类。 在纹织c a d t l 4 】中，织物仿真可以向设计人员直观地展示织物模拟效果图， 减少产品的试织次数，从而大大地提高设计人员的工作效率，缩短产品生产周期， 降低企业生产成本。 织物仿真是指利用计算机图形图像技术，结合织物的组织信息、纱线种类、 纱线排列、经纬密度等信息，自动生成织物的仿真模拟效果。仿真的效果可以是 二维的，即生成织物外观的仿真模拟效果”1 图像，也可以是织物的三维模型， 并对三维模型赋以颜色、光照或者纹理，来仿真外观。通过织物的仿真模拟效果 图像，设计人员只能对设计花样进行修正，而无法判断织物组织是否合理。与纹 织物的二维仿真相比，在纹织c a d 中，三维仿真不仅能够演示织物的外观模拟 结果，还能够向设计人员直观地展示更多信息，如织物结构是否合理、经纬纱密 度等，因此，三维仿真能够更好地帮助织物设计人员利用纹织c a d 系统进行设 计。 目前，国外很多纹织c a d 软件提供了织物仿真的功能，如德国e a t 公司的 d e s i g ns c o p ev i c t o r 、荷“- n e d g r a p h i c s 公司的n e d g r a p h i c st e x c e l l e 、美n g e r b e r 山东大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y 公司的f a s h i o ns t u d i o 、印度的w o n d e rw e a v e ss y s t e m s 公司的w o v e n f a b r i cd e s i g ns t u d i o 、日本的4 d b o x 系统等都提供了织物仿真的功能，但是这些 仿真一般只是生成织物外观的仿真模拟图像，很少提供织物的三维仿真功能或者 仅提供简单织物组织的三维模型，图1 1 为d e s i g ns c o p ev i c t o r 提供的织物外观 模拟效果。国内的纹织c a d 软件主要有浙大经纬纹织c a d 系统、山大纹织c a d 系统等，这些软件大多基于意匠图【1 4 1 进行图案设计与工艺参数输入，而纹织物 的仿真模拟功能仅仅处于开发阶断。因此，对织物仿真的研究在实际应用与商业 领域均有较大的意义。 图1 - 1 织物外观模拟仿真效果示例：d e s i g ns c o p ev i c t o r 模拟的两种花样 1 2 相关研究现状 随着计算机技术的不断发展，织物仿真的方法自上世纪8 0 年代开始，一直被 不断地提出和改进。目前，国外的纹织c a d 系统的织物外观模拟仿真效果较好， 但是出于技术及商业保密措施，这些公司很少会公开其仿真算法的详细理论【1 6 1 。 当然，国内外的一些大学、科研机构也一直对织物仿真进行研究，并提出了很多 算法，这些算法很多已经应用在商业的纹织c a d 系统中。 与织物的三维仿真方法相比较，利用织物组织信息，结合工艺特点、纱线特 性、光照模型等生成织物外观模拟图像的算法不断地被提出，通过图像来仿真织 物模拟外观大都以配色模板法【1 6 】为基础，可以通过纱线模拟【1 7 1 、纱线设计5 1 、工 艺参数分析【6 1 ，辅以光照模型等技术来生成织物外观模拟图像。a d a b a l a 等人2 】【1 8 】 通过从w i f 文件中获取织物组织信息来分析织物结构，利用光线跟踪算法来绘制 织物在不同光照与视线条件下的外观模拟图像( 图1 2 ) ，并且通过生成绘制真 2 山东大学硕士学位论文 实感图像，对织物进行实时绘制。李胜、孟详旭等人 1 1 提出了用面向对象的方法 表示织物，并为织物建立网状结构模型，对表面细节进行柔性几何建模的技术， 在此基础上生成织物外观的模拟图像。h a k a n0 z d e m i r 等人 3 1 1 4 1 分别利用真实纱线 照片来仿真织物结构和织物外观，这两种方法可以仿真简单的织物组织，但对于 复杂的织物组织的仿真并没有给出好的解决方案。 ( c )( d ) 图1 - 2 使用光线跟踪算法仿真织物：( a ) 和( c ) 是织物的实际扫描图，( b ) 和( d ) 是织 物仿真模拟效果图 织物三维仿真的方法主要通过对织物进行结构分析、物理特性分析等方法来 建立织物三维模型，通过光照模型、纹理映射等方法来增加纹织物仿真效果的真 实感。对织物进行三维仿真目前尚没有十分成熟的方法，目前，三维仿真功能尚 处于研究与开发阶段，国内外流行的纹织c a d 系统也很少有提供织物的三维仿 真功能。在织物三维仿真方法中，一般是通过对纱线进行三维模拟，再根据织物 组织信息来将纱线模型组合，生成织物的三维模型。对纱线的模拟比较简单方法 的是使用三维曲线、三维曲面片来模拟，这种方法的缺点仿真结果的真实感差； 也有使用圆柱体【7 1 来模拟纱线生成织物三维模型的，这种方法缺点是纱线中轴线 3 山东大学硕士学位论文 被当成了直线段来处理，无法演示纹织物的组织结构；另一种方法是利用b 6 z i e r 曲线、b 样条曲线来模拟纱线屈曲形态隅1 1 9 1 2 0 l ，用圆、椭圆等模拟纱线截面，通 过这类方法模拟纱线，建立的纹织物三维模型，能够充分地展示织物的组织结构， 但是计算量较大、占用资源多。另外，对织物的三维仿真的研究也有一些侧重于 通过建立纱线模型，结合织物组织对纱线物理特性进行分析【l o 】【1 1 】。 由于织物组织种类繁多、复杂多变，上面提到的三维仿真方法，多是针对由 简单织物组织组成的织物进行仿真。而在实际中，织物设计人员设计的织物图案 一般是由复杂的织物组织构成，现有的方法难以满足纹织c a d 系统的设计需求。 1 2 相关背景知识 1 2 1 纹织c a d 系统简介 纹织c a d 系统的主要辅助提花织物的设计人员对织物的花样进行图像编辑 与意匠工艺处理，生成纹板数据文件，可以控制冲孔机自动冲制纹板，也可以直 接转换成符合指定的电子提花笼头的电子纹板信息格式的数据文件，来控制提花 。 织机中的经纬纱线沉浮。图1 3 显示了使用纹织c a d 系统针对传统提花织机与电 子提花织机的设计流程。 织物设计 图案 纹织c a d 系统 自动纹板冲孔 机进行轧孔 传统提花织机 图1 3 使用纹织c a d 系统进行提花织物设计 尽管国内外纹织c a d 系统繁多，但是工作原理大体相同。本文工作使用山 东大学纹织c a d 系统现有的应用程序接口获取织物组织信息、意匠工艺参数， 故在此以山大纹织c a d 系统为基础对纹织c a d 系统框架进行介绍。 纹织c a d 系统一般由图像输入、意匠处理、纹板处理、纹板冲孔四个子系 统组成，对应于这四个组成部分，山大纹织c a d 系统由扫描分色、意匠编辑、 4 山东大学硕士学位论文 装造定义、轧孔变算四个主要部分组成。扫描分色子系统主要完成提花织物设计 图案的输入，可以打开现有的图像文件，也可以连接扫描仪等设备扫描得到的图 像。同时，扫描分色子系统可以对输入的织物图案进行分色，生成供意匠编辑进 行处理的意匠文件。意匠编辑主要是提供对织物设计图案进行图像编辑，修正设 计花样，设置织物的意匠工艺参数，设计织物组织信息等功能。装造定义主要是 用于样卡编辑，建立样卡库，以便也意匠文件、组织文件一起进行轧孔变算。轧 孔变算子系统用于对前面三部分设计好的意匠文件、组织库文件、样卡文件进行 轧孔变算生成织机控制文件，控制织机完成提花织物的织造。 图1 3 山东大学纹织c a d 系统框架及工艺流程 修 改 意 匠 图 像 山东大学硕士学位论文 目前，国内纹织c a d 系统的织物仿真功能仍处于开发阶段，织物的仿真模 拟功能仍未被广泛的使用。这样在使用纹织c a d 系统进行提花织物设计时，不 得不根据设计人员的经验以及通过试织的方式来检验设计的意匠图像是否满足 客户需求。通过织物仿真来帮助设计人员检查织物设计是否合理可以有效的减少 试织次数，缩短生产周期。本文在山东大学纹织c a d 系统的基础上进行再开发， 设计实现了用于山东大学纹织c a d 系统的织物仿真子系统，图1 3 显示了加入织 物仿真功能后的山东大学纹织c a d 系统的整体框架与工艺流程。 1 2 2 纹织物相关概念 织物大体上可以分为机织物、针织物和非织造布三类1 2 】。其中机织物是指由 经、纬两系统纱线在织机上按一定的沉浮规律相互交织而成的织物。经纱是指机 织物中平行于布边方向的纱线，纬纱则是指与布边方向垂直的纱线，经纱与纬纱 按照一定的规律浮沉交织，形成不同种类的机织物。根据织物组织的不同，传统 机织物可以分为三原织物、小提花织物和大提花织物三种。提花织物通常是指在 提花织机上进行织造的具有一定花纹的织物，分大提花和小提花( 素织物) 两种， 是纺织行业产品的一个重要组成部分，它是利用各种颜色的经纱和纬纱编织形成 的具有图案的织物。大提花织物又称为纹织物，图1 4 为纹织物示例。 图1 - 4 大提花织物产品实例 纹织物的历史非常悠久，在毛织、丝织等行业中均有生产，深受人们的喜爱 和欢迎纹织物不但美化了人们的服饰，它还大量的用于装饰织物，如窗帘、沙 6 山东大学硕士学位论文 发布、地毯、商标等，它在各个方面装饰着人们的生活。目前在一些高科技的产 业用纺织品中，也有了纹织物的用武之地。它已成为文明社会不可或缺的一部分。 1 2 3 织物组织 织物组织的概念主要是针对机织物与针织物，是指织物中经纱和纬纱相互交 错或经纱和纬纱彼此浮沉的规律。织物组织直接影响着织物外观的纹路和花纹， 织物表面的光照特性、内在的物理特性也会受织物组织的影响。 织物中经纱与纬纱的相交处称为组织点。织物组织中凡经纱浮在纬纱之上的 点称经组织点或经浮点；凡纬纱浮在经纱之上的点称纬组织点或纬浮点。一根经 纱上连续出现的经组织点个数称为经浮长，一根纬纱上连续出现的纬组织点个数 称为纬浮长。 织物组织可以用画在方格纸上的图来表示，称为组织图。组织图中的每一个 方格点便表示织物中的组织点。一般使用纵行表示织物的经纱，方向从左到右， 使用横行表示织物的纬纱，方向从下到上。在组织图中，经组织点用符号、 o 、表示，纬组织点用组织图中的空格口表示。 暖隅晖 ( a ) 平纹组织 ( b ) l 3 斜纹组织( c ) 5 枚缎纹组织 图1 - 5 三原组织的组织图表示 织物组织中最基本的是原组织，分为平纹组织、斜纹组织、缎纹组织三种， 其它组织都在原组织的基础上变化衍生出来的，图1 - 5 显示为三原组织的组织图。 常见的织物组织有三种： 夺变化组织：平纹变化组织( 包括重平、方平等组织) 、斜纹变化组织( 包 括加强斜纹、复合斜纹、曲线斜纹、山斜纹等组织) 和缎纹变化组织( 包 括加强缎纹、变则缎纹、重缎纹等) ； 夺联合组织：条格组织( 纵条纹、横条纹、方格组织) 、绉组织、透孔组织、 蜂巢组织、凸条组织、网目组织、小提花组织等： 7 山东大学硕士学位论文 夺复杂组织：重组织( 包括重经和重纬组织) 、双层组织、起绒或起毛组织、 纱罗组织等 纹织物组织一般由复杂组织组成，其中最常见的是重纬组织。参考织物组织 图的表示方法，可以使用矩阵、数组等数据结构来在计算机中存储织物组织信息， 在后面的章节中会给出介绍。 1 3 本文的工作和组织结构 本文以山东大学开发的纹织c a d 系统为基础，在p e i r c e 模型【1 2 】的基础上，通 过对纹织物中的纱线进行分层，并考虑纱线的形变因素，对纹织物的几何结构进 分析，建立了纹织物的三维模型，然后利用纱线浮长特性等方法来简化纱线模型， 最后，通过光照明模型以及使用实际纱线扫描图像对三维模型进行纹理映射两种 不同的方式来提升织物三维仿真的真实感，并给出了实验结果。 第一章主要介绍论文工作的研究意义，论述了织物仿真的研究现状，介绍了 纹织物仿真的相关背景知识，包括纹织c a d 、纹织物的相关概念以及织物组织， 并在最后对论文的工作和组织结构进行了介绍。 第二章论述本文工作中使用的纱线模型计算方法，介绍了使用的纱线参数及 意义、纱线型态表示，给出了计算纱线表面点坐标与法向量的方法，并给出了纱 线模型计算后显示结果。 第三章对织物进行三维建模，论述织物组织信息的提取与表示，对织物的几 何结构进行分析，提出了纹织物三维建模方法，并提出了三维模型的简化方法。 最后分别使用光照明模型与纹理映射来提升仿真效果的真实感，给出了织物三维 仿真的演示结果，并进行了分析。 第四章以山东大学纹织c a d 系统为基础，使用第二章与第三章中提出的纹 织物三维方法，设计并实现的织物三维仿真软件，并使用c l i c k o n c e 技术进行了 安装部署。 第五章对全文工作进行总结与展望，对前几章的实验结果进行了总结分析， 并对未来的工作与研究方向进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第2 章纱线的三维建模技术 纱线是组成纹织物的基本单元。经纱与纬纱相互交错形成纹织物，纱线形态 结构、物理特性直接影响着织物的外观。在纹织物仿真的研究中，对纱线的模拟 仿真与设计有着十分重要的地位，很多纹织物仿真方法是以分析纱线特性、计算 纱线形态结构、模拟设计纱线为基础来对纹织物进行仿真的。本章给出通过局部 坐标变换来计算纱线模型的算法。 2 1 纱线参数的定义及意义 要计算纱线的三维模型，需要确定纱线的一些参数，这些参数可以由设计人 员根据实际情况进行输入。本文计算砂线模型所需要的纱线参数包括： 经( 纬) 纱直径：指用来近似表示纱线横截面圆形的直径或椭圆的长轴，使 用符号西) 表示，单位为毫米( m m ) 。 经( 纬) 纱间距：相邻经( 纬) 纱之间的距离，用来反映经( 纬) 纱密度的 大小，使用符号p ，。) 表示，单位为毫米( m m ) 。 经( 纬) 纱张力：指经( 纬) 纱在受到外力挤压时，纱线内部所产生的内力， 张力越大，表示纱线受挤压时形变越小。用符号日吼) 表示，取值范围为 o ，1 。 经( 纬) 纱颜色或纹理：经( 纬) 纱纹理在计算纱线三维模型时，并不需要， 但是在绘制纱线模型时，需要指定纱线的颜色或者纹理。用户根据织机上各个梭 子上使用的纱线，根据纱线排列来确定纱线的颜色或者纹理。在第三章，织物三 维模型建立部分本文会给出详细介绍。 2 2 纱线形态表示 给出纱线模型的计算方法之前，还需要确定纹织物内纱线的形态要如何表 示。需要确定两点，一是纱线的截面表示方法，二是纱线的屈曲形态表示方法。 爪 2 2 1 纱线截面 织物内纱线的截面形态，数十年来有多种论述，f t 皮尔斯、h t 诺维柯夫 9 山东大学硕士学位论文 等学者主张以圆形或椭圆形进行描述，a 肯泼主张以跑道形进行描述，也有的学 者以凸透镜形态进行描述，如图2 1 。 o 口 图2 1 纱线截面表示 因纱线在织物内的截面形态受到纤维原料、织物组织、织物密度等因素的影 响，因此在讨论织物几何结构概念时，一般采用圆形截面作为各项概算的依据， 但应充分考虑纱线在织物内被压扁的实际情况。本文中，在纱线未被挤压时，使 用圆形来表示截面，而挤压时，使用椭圆来表示。使用椭圆表示时，需要根据压 扁系数与纱线直径来计算纱线模型。 压扁系数是指纱线在织物切面上垂直于布面方向上的直径 与纱线直径d 的 比值，使用协( ) 来分别表示经( 纬) 纱的压扁系数。另，使用穰示横截面的长 轴a ，而h 贝l j 相当于横截面短轴b 。协( 叩w ) 的取值与经( 纬) 纱的张力碾) 有关， 巧吼) 越大，n x n 。) 越大。协( 叩w ) 的取值范围也是 o ，l 】，本文实现的算法中假定r b ( r t 。) 与瓶) 值相等。 2 2 。2 纱线屈曲形态 在纹织物的织造过程中，经纱与纬纱按照织物组织的规律相互交错沉浮，形 成了一定的屈曲形态。计算纱线的三维模型，需要确定纱线的屈曲形态，也就是 纱线中轴线的曲线表示方法。 在织物仿真的方法中，最简单的纱线屈曲形态表示方法是使用圆柱体来表 示，即纱线的中轴线是一段直线，这种方法计算速度快、效率高，但是，在仿真 结果中，难以反映织物的几何结构，组织信息，无法向设计人员提供关于织物组 织设计方面的足够的意见，在一些文献资料中，也有使用正弦曲线来分析纱线屈 曲形态【1 2 】的，但是正弦曲线计算速度慢，且过于规律，并不适合用来纹织物的 三维仿真中计算纱线屈曲形态。在织物的三维仿真中，更多的使用b 6 z i e r 曲线或 者b 样条曲线来表示纱线的屈曲形态，将每根纱线的中轴线看成是由多个b 6 z i e r 1 0 山东大学硕士学位论文 |i i 曲线段或者b 样条曲线段衔接而成。 使用b 6 z i e r 曲线进行表示纱线屈曲形态，具有许多优点，如凸包性、保型性 等1 3 】，但也存在缺点：缺少局部性，修改某一控制顶点将影响整条曲线，不适 合展示纱线的局部特点；当纱线屈曲形态较复杂时，无论采用高次曲线还是多段 低次曲线拼接起来的曲线，都相当复杂。b 样条曲线作为b 6 z i e r l 描线，克服了b 样 条曲线的缺点，每个基函数有影响的曲域是有限的，根据b 样条曲线的局部性， 采用b 样条曲线表示纱线屈曲形态具有如下的优点： ( 1 ) 能够反映浮长线的拉拢与分离作用； ( 2 ) 可以局部控制纱线的偏移，当改变较大组织中的局部组织时，只影响 该部分邻近纱线的造型，其它部分组织点的位置并不受影响； ( 3 ) 当邻近组织点位置波动剧烈时，使用b 样条，可以使纱线自然平滑地 过渡，符合纱线在织物中伸长率不会过大的实际规律； ( 4 ) b 样条曲线能根据控制点的值生成直线，正确反应一些织物，如平纹、 斜纹织物中纱线不偏移的规律； ( 5 ) b 样条曲线是一种分段多项式曲线，计算速度快，效率高，可以提高 织物仿真算法的性能。 在织物组织中，可以看到对于连续的经浮点或者纬浮点，纱线形态趋于直线， 虽然可以通过控制点，来使用b 样条生成直线来表示纱线形态，但是仍然不如直 接使用直线来表示连线经( 纬) 浮点的纱线段效率高。所以本文中，我们使用三 次均匀b 样曲线段与直线段相结合的方法来表示纱线的屈曲形态，相比较于只使 用b 样条曲线段衔接来表示的方法，这种方法在保证纱线屈曲形态符合实际情况 的条件下，可以进一步提升仿真方法的性能。 确定纱线的屈曲形态表示方法，下一步便需要决定如何来对织物中的纱线进 行分段。本文中，为了保证纹织物仿真中的纱线形态更加