（纺织工程专业论文）真实感机织物三维效果模拟显示的研究.pdf

真实感机织物三维效果模拟显示的研究 摘要： 根据市场需泰做出快速反应对于今天的纺织行业来说非常重要，而织物c a d 系统的应用为企业快速设计和开发产品提供了有利工具。目前，国内的织物c a d 系统主要是根据织物的组织、纱线的结构叹及花纹图案对织物外观进行模拟，由 于没有充分考虑织物的实际使用状况，模拟显示的织物外观效果缺乏真实感，所 以真实感织物三堆效果的模拟显示是亟待研究的问题。 真实感图形是一种计算机图形生成技术，它首先在计算机中构造出几何模 型，然后根据给定的光照条件，计算号物表面的光亮度，使观察者产生身临其境， 如见其物的视觉效果。本课题认真分析了影响织物真实感的各种因素对真实感 机织物三维效果图的绘制机理进行了深入探讨，并在此基础上开发了一套机织物 设计与三维效果模拟显示系统。 本课题认为：除了织物的使用环境及光照奈件等外部因素外，织物特有的 花纹、织纹、褶皱、悬垂、光泽等是影响织物效果模拟图是否逼真的重要因素。 然而随着观察织物距离的不同，占主导地位的影响因素也不同。近距离观察时， 由织物组织引起的织纹以及细小的花纹是主要影响因素，如果是实际生活环境中 的一般观察距离( 5 0 c m ) ，织物的褶皱、悬垂、光泽以及稍大一点的花纹是影响 视觉效果的主要因素。 同一块织物在不同的场合可能有不同的效果，所以织物的使用环境对获得 真实感也起着非常重要的作用，因此本课题从织物的使用环境开始模拟，将织物 放置到实际的使用环境，绘制出的三维效果图更加真实、自然。 目前，对织物花纹进行模拟的研究较多，其中织物三维效果展示基本上是 先由c a d 系统生成织物的2 d 纹理图片，然后再将图片。粘贴”到三维物体上。 本课题则编制了一个机织物通用纹理函数，绘制织物纹理时，不再通过图片作为 中介方式传递织物信息，而是将所设计织物的组织、规格、工艺等作为入口参数 提供给纹理函数，通过纹理函数的调用获得织物的纹理。该方法的优点是变换织 物品种、调整或修改织物参数非常灵活方便，而且节省了大量纹理图片占用的存 储空阃，同时可以获得任意精度的织物纹理。 织物表面具有“织纹”而且随机分布着许多“褶皱”，本课题对这些织纹和 褶装进行了深八分析，采用向量扰动算法模拟织物表面的织纹和褶皱，并研究了 织纹及褶皱的叠加及其计算方法，使显示的织物更具真实感。 由于光线跟踪算法可以很好地模拟织物表面的反射、透射以及阴影等整体 光照效果，所以，拳课题将光线跟踪技术运用于绘制和显示织物，通过场景的几 何造型、布号、取号、光照计算以及纹理、阴影、反走样等技术的综合运用，获 得了较好的视觉效果。 关键词： 织物、c a d 、真实感、三维图形、模拟、图形学、光照模型、光线跟踪、纹 理映射 s t u d y o nv i v i di m i t a t i o no fw o v e nf a b r i cw i t h3 d i m a g e a b s t r a c t ： f a b r i cc a d s y s t e mp r o v i d e sa t o o lf o rd e s i g n i n gt e x t i l e s t 1 1 i st o o li sv e r y - i m p o r t a n t f o rt e x t i l e i n d u s t r yi nq u i c kr e s p o n s et ot h em a r k e t n o w a d a y s t h ef a b r i cc a d s y s t e m a th o m eo n l yi m i t a t e sf a b r i c s b y t h e w e a v e ，y a r na n dp a t t e r n ，v d t h o u t c o n s i d e r i n g t h ef i n a lu s a g e ，t h ei m a g ei m i t a t e di sl a c ko fav i v i de f f e c t ，s op r o v i d i n ga 3 d i m a g e o ft h ef a b r i c sa p p e a r a n c ew i t l la r e a l i t ye f f e c tb e c o m e s a r tu r g e n tm a t t e r 7 og e tai m a g ew i t hr e a l i t ye f f e c t ，ag e o m e t r ym o d e lo ft h ew o v e nf a b r i ch a st ob e c o n s t r u c t e db yc o m p u t e r , t h e nt h el u m i n o s i t yo ft h es u r f a c eo ft h ef a b r i cb ec a l c u l a t e d a c c e r d i n gt ot h ee n v i r o u r n e n ts i t u a t i o n s ，b yd o i n gt h i s t h ed e s i g ni m a g em a y s h o wa v i v i de f f e c t ，f a c t o r sc o n c e r n i n gt h e3 di m a g ew e r et h o r o u g h l ya n a l y z e di n t h i s i m e s t i g a t i o n l ti sb e l i e v e dt h a tt h ef a b r i ct e x t u r e ，d r a p e ，l u s t e ra n dw r i n k l e ，t h ee n v i r o n m e n ta s w e l la st h el i g h t i n gc o n d i t i o na r et h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ef a b r i ca p p e a r a n c e o nt h eo 也e rh a n d ，也ed i s t a n c eb e t w e e nt h ev i e w e ra n dt h ef a b r i cw i l ld e t e r m i n ew h i c h f a c t o r sb e c o m et h em a j o rc o n c e l t t f a b r i ct e x t u r ea n dd e s i g nm a yb e i m p o r t a n t p a r a m e t e r sf o rc l o s e ro b s e r v a t i o n a n y w a y , w h e n t h eo b s e r v a t i o nd i s t a n c ei n c r e a s e dt o 5 0o i m o r et h a n5 0c e n t i m e t e r s ，v 岍n k l e ，d r a p i n g ，l i g h t n e s sa n dl a r g ep a t t e r n sm a yb e m o r ei m p o r t a n tt h a no t h e rf a c t o r st oi m p r e s st h ev i e w e r o n ep i e c eo ff a b r i cm a ys h o wd i f f e r e n te f f e c ti nd i f f e r e n te n v i r o n m e n tt h u sw h e n d o i n gt h e3 di m a g et h ee n v i r o n m e n ts i t u a t i o nh a st ob et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nf o ra m o r en a t u r a la n dr e a li m a g e s o m ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r kh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h i sf i e l d m o s to ft h e ma r e r e a l i z e d b ym a p p i n ga2 di m a g et h e n c o v e ri tt ot h e3 do b j e c t i nt h i sp r o j e c t ，a g e n e r a lf u n c t i o ni sp r o v i d e d t om a pt h et e x t u r eo f t h e3 do b j e c tw i t hf a b r i cs t r u c t u r e 、 p r o c e s st e c h n o l 0 9 3 7 t 1 1 i sm e t h o d c a nm o d i f yt j 】ed e s i g ne a s i l y , r e d u c et h es t o r i n gs p a c e a c h i e v eat e x t u r ea th i g ha c c u r a c y w r i n k l ee x i s t sa tr a n d o mo nt h ef a b r i cs u r f a c e ，a n a l y s i sw a sm a d eo n t h ew r j 1 k l eb y u s i n gt h er o u g hv i c t o rt h e o r y , i ti sh e l p f u l f o rav i v i dd e m o n s t r a t i o no ft h ef a b r i c t e x t u r e i no r d e rt oh a v eab e t t e re f f e c tt oi m i t a t et h er e f l e c t i o n ，p r o j e c t i o nm a ds h a d o w , r a y t r a c i n gt e c h n o l o g yw a se m p l o y e d t e c h n o l o g i e ss u c ha sg e o m e t r i c a lm o d e l ，s c e n e r y ， v i e ws e l e c t i o n ，l u m i n o s i t yc a l c u l a t i o n ，s h a d o w , t e x t u r ea n da n t i - a l i a sw e r eu s e dt o i m p j e v et h ei m a g ee f f e c t ，s a t i s f a c t o r yv i e w i n gi m a g e w a sr e a l i z e d k e y w o r d s ： f a b r i c ，c a d ，r e a l i t y ( v i r t u a lr e a l i t y ) ，3 di m a g e ，i m i t a t i o n ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，l i g h t m o d e l ，r a y t r a c i n g ，t e x t u r em a p p i n g 图4 3z 缓冲器算法图4 _ 8 两步法纹理映射效果 图5 3 0 “掏挖”组合 图5 5 镜面反射效果图5 1 5 超级采样与锥形光线跟踪效果对比 图6 - 2 三维模拟显示系统操作界面 图5 - 8 凹凸纹理模拟水面波纹的效果 ( a ) 无阴影( b ) 阴影区内的环境光均匀一致 ( c ) 阴影区内的环境光具有一定的取向度( d ) 半透明物体的阴影 图5 1 l 阴影效果 图6 1 4 室内织物装饰效果 圉6 - 1 5 沙发 图6 - 1 6 裙子 图5 - 9 凹凸纹理模拟织物表面的织纹 堡主兰! ! 堡墨塞壅壁垫塑塑三丝塾墨壅塑垦重塑婴塞 ! 真实感机织物三维效果模拟显示的研究 第一章概述 “衣食住行”是人类生活的基本需要，而“衣”又被排在了首位，可见其 蕈要程度。众所周知，纺织在我国已有几千年的历史。纺织的进步创造出了光辉 灿烂的古代文化和丰富多彩的现代文明。然而，随着现代计算机技术的飞速发展， 计算机在纺织领域中的应用从根本上改变了纺织行业的现状，为传统的纺织行业 带来巨大的变革。目前，国内、外特别是一些发达国家都在大力研究计算机在纺 织中的应用，并已取得很大进展。 第一节国内、外研究发展情况 提到纺织品的开发，过去关注较多的是纤维、纱线、染化料以及加工工艺 等，这些固然对于新产品开发非常重要，但是如何及时根据市场动态、客户需求 做出快速反应对于今天的纺织行业来说更为重要。从很大程度上讲，c a d 技术 在纺织行业的应用为企业快速设计和开发产品创造了条件。据有关资料统计， c a d 系统在欧美发达国家的服装企业中使用率已达8 0 阱上，台湾也有3 0 的 企业使用c a d 系统，而我国国内的普及率不足6 。但是，据中国纺织工业协 会产业部最近对全国1 0 0 0 多家纺织服装企业的普查和全国2 0 0 家重点企业的调 查分析，“十五”期间纺织服装企业信息技术应用增长最快的领域是m i s e r p 和 c a d c a m 系统，资金投入约为4 0 亿元人民币【i 2 i 。 目前，织物c a d 系统发展较快，其中最具特色的功能是利用织物的外观效 果图替代小样试织，而服装c a d 系统中比较成熟的是推档排料功能，利用这 些功能可有效缩短设计周期、减少设计人员的劳动强度，但是服装c a d 系统的 其它功能仍有待于进步完善和扩展。目前，服装c a d 的发展趋势主要是全自 动排版、量身定制、系统的网络化等。如：日本旭化成株式会社研制开发的a g m s 服装c a d c a m 系统已涵盖了设计、制版、推档、排料、缝制式样、三维制作、 全自动排版等功能。现在，该公司又研制开发出量身定制系统”3 1 ，使服装 c a d c a m 上升到一个更高的层次。 随着互联网的迅速发展，国际纺织服装行业越来越依赖网络这种高效率的 工具进行信息沟通，因此，许多发达国家还制定了纺织服装c a d 系统的数据交 换标准，如美国的a a m a d x f 标准、日本的t i i p d x f 标准等，从而使分布在 世界各地不同c a d 系统间可以进行远程数据交换，从而可以有效地减少技术差 错，并能大大节约纸样或效果图的邮寄时间和费用。 美国格柏科技有限公司最近推出了a r t w o r k sw e bd r a p i n g 开发工具，利用 该玎发工具，用户能够在互联网上将织物拖放到数字照片或草图上，从而生成独 特的三维模拟图1 ”】，设计师不再需要生成最终产品的各种色彩和结构组合，节省 了时间和劳力，降低了成本，为企业提供了一种廉价而快速的商务决策手段。 中国纺织科学院开发的织物仿真c a d 系统【i5 1 是将计算机图形技术和制造工 第一章概述 艺结合起来的高科技产品，适用于毛纺织厂和色织厂的织物辅助设计。该系统具 有很强的织物仿真模拟功能，在很大程度上能够代替织物的小样机打样工作，它 具有很好的组织输入和纱线设计功能，可以设计单色纱、混纺纱、合股纱、竹节 纱、毛粒子纱，并能模拟由这些纱线织成的织物。该系统可以随意调整纱线的颜 色，甚至可以模拟起毛、拉毛等后整理加工后的织物表面状态，并能在高级彩色 喷墨打印机上打印出逼真的织物模拟图的纸样。它不但能用于普通组织的织物设 计，而且可用于复杂组织如纬二重、经二重、双层组织包括表里换层组织的织物 设计。该系统产生一幅织物模拟图只需要几十秒钟到几分钟，而且组织、纱线排 列、纱线种类、颜色等均可随意变换，大大缩短了设计周期和减少了工作量，效 率是普通手工打样的几十倍甚至上百倍。 上海百锐数码科技有限公司推出的a ud o b b yc a d 系统6 1 可以自由地进行 。般组织、复杂组织、联合组织等织物的设计，并可以生成穿综图、纹板图，同 时还提供常用的织物组织库。在纱线设计方面可自由设计棉毛丝麻等不同原料的 单纱、股线、节子纱、圈圈纱、大肚纱等各种纱线。该系统能够直观形象地进行 织物配色模拟，可以通过改变纱线种类、颜色、组织、经纬密等动态地观察面料 配色的模拟效果。还可根据面料设计进行织物的正反面模拟、起毛模拟、放缩模 拟、旋转模拟、布样十二套色等多种布样模拟功能。该系统的着装模拟可把彩色 时装照片、服饰及室内装饰图片等进行处理后，将所设计的面料直接覆盖到上面， 得到立体效果图以检验设计效果是否理想。 纺织c a d 一般分为花型设计、造型设计、款式设计、结构设计、组织设计、 工艺设计等许多类型，如：机织c a d 、针织c a d 、印花c a d 、绣花c a d 、服 装c a d 等，由于设计对象不同、目的要求不同，不同的c a d 具有不同的设计 功能。但是，花型或造型设计等图案( 图形) 设计是c a d 系统的基本功能，除 此之外c a d 系统还要能够自动地将这些花型或造型迅速方便地转交成生产工 艺，以便能够控制生产过程。一般来说将“设计”变成“产品”之后往往与原来 的设计意图会有一定差异( 有些差异还很大) ，这时就需要对原设计或工艺进行 完善和修改，直至得到满意的产品。在这一过程中，产品试制是必不可少的，由 于产品试制需要消耗大量的人力、物力和时间，因此，一个好的纺织c a d 系统 通常还要具有新产品外观效果的仿真和模拟显示功能，以代替费时费力的产品试 制过程。 如服装从打版到成衣的正式生产要经过一个样衣制作过程，许多设计最终 没能投入批量生产，很大一部分是由于样衣制成后发现存在缺陷。如果能够提前 看到成衣效果，对错误进行修改，将节省大量的工作，提高效率。目前，虚拟样 衣制作这一技术尚处于研制阶段，距实用化还有一定差距；但某些高级服装c a d 系统( 如日本京板研究所的d r e s s i n g s i m 系统1 ) 已经可以在对样板下料之前， 将二维样板立体化，在计算机的屏幕上将根据样板制成的成衣试穿在虚拟模特 上，对样板的效果进行评价和修改，这就是所谓的3 d 展示技术。但是，不同的 面料和组织结构，即使采用相同的款式，其着装效果也是不同的，因此提高真实 感是3 d 展示技术发展的关键。 另外，计算机辅助制造( c a m ) 主要是利用计算机对生产工艺过程进行自 动控制。现代的纺织设备几乎都配备了电脑控制系统，电子监控、电脑横机、电 脑圆机、电脑制版、电脑印花、电脑绣花、电子提花、电子多臂、电子轧花、电 脑排料、电脑推档、电脑缝纫等“电”字头的名词不断涌现。计算机辅助制造显 博士学位论文真实感机织 壹j 三维效果模拟显示的研究 著地提高了生产效率；降低了生产成本；同时还提高了产品质量；减轻了劳动强 度。 计算机辅助分析是发达国家近年来的研究热点，它是一个由计算机和自动 检测( 测量) 及图像处理相结合的高度智能化系统，它能快速准确地为c a d 系 统提供所需的数据资料，与c a d c a m 一起组成一个完整的产品制作系统。目 i j 0 主要的研究有：计算机测配色系统、织物参数自动分析系统、织物( 复合材料) 性能预测系统、服装尺码自动测量系统等。 近年来，我国计算机在纺织中的应用也取得了长足的进步，相继开发出一 些c a d c a m 系统。就系统而言，国内外纺织c a d c a m 各有所长，但国内的 总体水平距发达国家还有一定差距。特别是c a d 系统中，产品效果的模拟显示 还不太理想，一般只能做到二维静态模拟显示，而发达国家的发展方向是具有真 实感的三维动态模拟显示。 目前，国内关于织物三维真实感效果的模拟显示的研究，主要是对一块处 二平铺状态下的织物从织物结构、纱线结构和经纬纱交织状况出发，根据织物表 嘲纱线的屈曲情况、捻度捻向情况以及纤维分布情况和毛羽情况使织物表面产生 立体感，也就是在近距离或“放大”状态下进行观察的视觉效果 3 8 1 。对于非平铺 状态下的织物( 如窗帘、沙发、服装) 在一般观察距离( 3 0 3 0 0 e m ) 内的三维 视觉效果的研究报道却不多。 总之，国内的织物c a d 系统侧重的是织物组织、纱线结构的模拟，没有很 好地考虑影响织物外观效果的其它因素，因此模拟出的织物外观效果缺乏真实 感，所咀真实感织物三维效果的模拟显示是一个亟待解决问题。 第二节本课题研究的目的和意义 织物仿真就是根据织物的有关参数在计算机上“生成”一块与真实织物完 全相同“织物”。这里的所谓“相同”仅仅是指感觉上的相同。人类有五大感觉 系统，即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。织物不是食品，研究味觉仿真没有实 际意义，所以利用计算机对其它四种感觉进行仿真模拟在纺织品设计领域具有非 常重要的意义和实用价值。 但是，就目前的而言，气味合成技术的研究即便是在国外发达国家也刚刚 开始起步，人们还不能随心所欲地象色彩那样用三基色进行合成，因此，对于芳 香类织物的嗅觉的仿真还比较困难，目前国内外尚无有关报道，有待将来科学技 术的进一步发展去解决。至于触觉的仿真，国内尚无报道，国外发达国家的美国 和日本曾有过报道，但目前也还是处于研究阶段。据有关资料介绍，美国的一家 公司发明了一种触觉模拟器。它的结构与鼠标很相似，也就是在普通鼠标的基础 上安装了两个微型电机和横竖两个摩擦轮。其工作原理是：操作者移动触觉模拟 器，计算机则根据屏幕上光标所指物体的部位不同而发出控制信号，使微型电机 正反转动，从而带动摩擦轮产生不同的摩擦力，使人能感到物体的边沿情况、 表面粗糙的程度以及类似网球拍上的弦的弹性等。目前该研究还只是初步的，远 尚未达到实用的水平。 现代的计算机最擅长和最成熟的技术是图像与声音的处理，即计算机可以 很好地进行视觉和听觉的仿真。然而，对于织物最重要的是视觉( 当然在动画环 境中声音也是非常重要的，如迎风招展的红旗等) 效果，所以本研究选择织物视 第一章概述 4 觉效果的仿真怍为课题，即模拟显示具有三维真实感的织物外观，重点解决非平 _ | j i 状态f 的织物在一般观察距离内的三维视觉效果的模拟显示。这一课题的研究 成果在以下几方面具有积极的意义： ( 1 ) 可进一步提高纺织c a d 系统的性能。目前，国内纺织行业c a d 系统的 使用情况与国外相差很大，究其原因，一方面受前阶段来纺织不景气的影响， 纺织企业力不从心：另一方面对于大多数的中小企业，国外的c a d 系统性能好 但价格高，而国内的c a d 系统价格虽低但性能不够理想。我国加入w t o 后为 纺织行业的发展带来了机遇，所以尽快提高国内c a d 系统的性能是当务之急。 本课题的研究有助于使“面料试织”、“服装试穿”的效果更加逼真，从而推动c a d 系统的普及。 ( 2 ) 适应现代计算机网络发展的需要。随着计算机信息技术迅猛发展，计算 机刚络f t 益普及，电子商务、网上购物蓬勃发展。在未来的网上订货、网上交易 的情况下，客户通过网络向厂家提出要求，厂家如能根据客户的要求，在计算机 上迅速“生产”出样品交客户确认将会大大提高成交率。同样在网上购物环境中， 如果能够提供犹如消费者己把商品搬回家后的感觉，那么，相对于只能提供呆板 的商品照片、机械的商品录像，商家将占尽商机。 ( 3 ) 为虚拟现实技术提供支持。现在的动画片也好、卡通人物也好，身上的 服装、家居的装饰几乎都是由各种颜色的色块组成，如果将它们改为具有真实感 的织物也许会别具风格。退一步讲，如果晓动画片、卡通人物要的就是这种简洁 明陕的风格，那么，在未来的虚拟现实技术中具有真实感的织物、服装是必不可 少的。 第三节本课题研究的方法、内容和要解决的关键问题 本课题研究的核心是一个三维纹理映射问题。按照纹理的表现形式，纹理 _ l j 分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理等。颜色纹理是指呈现在物体表面上的各 种花纹、图案和文字等；几何纹理是指物体表面凹凸不平的微观几何形状：过程 纹理则表现的是各种规则或不规则的动态变化情况，如水波、云彩、火焰、烟雾 等。目前，关于纹理的研究有很多，但大多数是关于石材、木材、瓷器、浮雕等 的纹理研究，而对于织物的纹理研究较少。在进行织物纹理映射时如果直接套用 石材、木材等纹理映射技术则不能真实地反映实际情况，所以必须根据织物本身 的特点研究适合织物的纹理映射方法和规律。 三维真实感织物效果的模拟显示拟按照织物参数设计、场景造型设计、取 景变换、视域裁剪、隐藏面消除、光亮度计算、纹理映射等步骤进行。由于该领 域涉及的范围较广，因此本课题以织物的纹理映射方法和规律为主要研究方向。 纹理映射的关键是建立纹理空间和景物空间以及景物空间和屏幕空间之间 的映刺关系及其算法。为了满足真实感的要求，纹理属性应包括：表面颜色( 表 面的漫反射系数) 、镜面反射分量( 表面的镜面反射系数) 、透明度、表面法向量 ( 表面的凹凸纹理) 、环境的漫反射和镜面反射效果等。同时要解决好真实感图 形绘制过程中的反走样问题。 博螳垃论文真实感嬲物三绻效果摸拟显示的研究 第二章织物的真实感 真实感图形是一种计算机图形生成技术，它首先在计算机中构造出所需场 景的几何模型，然后根据假定的光照条件，计算画面上可见的各景物表面的光亮 度，使观察者产生身i 临其境，如见其物的视觉效果。通过该技术，设计人员在产 品设计阶段就可以浏览产品的形状结构、外观效果，甚至跨越时间或空间体验虚 幻的模拟世界。进入2 1 世纪，高科技的电影、电视、广告、电子游戏等大量采 用真实感图形技术，如今的普通微机也可配置真实感图形生成系统，人们完全可 以在办公室或个人电脑上生成自己喜爱的真实感图形。 第一节影响真实感的主要因素 训。算机真实感图形是一种光栅图形。光栅图形显示器的屏幕由一系列显示 单元组成，每卜显示单元称为一个像素。生成一幅真实感图形时必须逐个像 索地计算画面上相应景物表面区域的颜色。显然，在计算可见景物表面区域的 颜色时，不但要考虑光源对该区域a 射方向、光亮度以及光谱组成等，还要考 虑该表面区域相对于光源和视点的朝向，景物表面对光线的反射特性等，总之， 真实感图形是基于场景几何和光照模型用计算机生成的图形。 、物体的描述 要获得真实感的图形首先要对场景中物体进行描述。这种描述包括几何描 述和物理属性描述。物理属性主要涉及各种漫反射率、镜面反射率以及折射率、 透明度等光学特性。几何描述比较复杂，它必须是三维的，而且要尽可能地精 确。通常对物体的描述采用边界表示法，即对一个三维的物体用一组曲面来描 述这些曲面将物体分为内部和外部，丽物体的内部一般具有均匀的材质。 场景中的物体千变万化、种类繁多，如水、气、烟、雾、钢材、木材、石 材、砖瓦、玻璃、橡胶、塑料、织物、皮毛等等。由于它们形态不同、性质各 异，不可能用一种方法很好地描述所有不同特征的物体，因此产生了许许多多 的描述方法，如：多边_ 形、二次曲面适用于多面体、球体等简单欧氏体的描述： 样条i 血面适用于机翼、齿轮等复杂曲面的精确描述；柔性曲面则适用于肌肉、 水滴等非固体形状的描述；分形结构、粒子系统等可以给出山川云雾、花革树 木、雨雪冰霜等自然景物的描述。不同的描述方法随着对物体描述精细程度的 不同，用于描述物体的数据量也不同。般来说对物体的几何描述越精细，图 形的真实感越强，绘制物体所需的数据量和计算量也越大。 二、光照模型 来自光源和周围环境的光线照射在物体表面时有三种可能情况，即光线被 物体吸收、反射和透射。被吸收的光线转化为热能，我们不能直接看到，而其 余的光线朝四面八方反射或透射，其中那些射向视点方向的反射和透射光线使 我们可以看到物体。若朝向视点方向的反射和透射光中，各种波长的光线含量 相等，则物体呈现出黑自或不同层次的灰色；若这些光线中各种波长成分具有 第二章甥物的真实感 不同的能量分布，则物体呈现出彩色。彩色的颜色是可见光的一种视觉特性， 光线中不同波长成分的能量分布称作光谱，它决定了光线的颜色。 物体表面反射和透射光线的颜色和亮度不仅取决于物体表面的朝向、材料、 光滑程度以及它与光源之间的相对位置，而且还取决于光源的性质。光源的属 性包括它向四周辐射的光谱分布以及光亮度的空间分布、光源的几何形状等。 显然，荧光灯与白炽灯发出的光线具有不同的光谱分布，前者偏青后者偏黄 凼此两者的光照效果也不同。探照灯或聚光灯可以发出定向的光线，而磨砂灯 泡则向四周均匀地发出柔和的光线。从几何形状上来看，光源可分为点光源、 线光源、面光源以及体光源等。其中点光源最简单，处理速度最快，但将场景 中的光源都处理成点光源往往会影响图形的真实感。一个折衷的方案是采用分 布式光源，即用按一定规律分布的点光源替代线光源和面光源，可以收到很好 的效果。 除了光源之外，环境光对图形真实感的影响也很大。环境光是由光源发出 的光线被大气或其它物质无数次地折射、反射最终到达物体表面的光线。因此 环境光来自四面八方，通常情况是把它按照均匀假设来处理。然而，在某些情 况下均匀假设与实际情况有较大差距，因而图形的真实感受到影响。一种改进 的方法是将环境光等效成一个扣在场景上面的半球面形光源，半球面上的光谱、 光亮度等可按实际情况非均匀分布，在很大程度上改善了图形的真实感。实际 上环境光与非均匀体光源的光照效果最相似，如果将环境光等效成体光源，则 可大大提高图形的真实感，但是体光源的分析计算非常困难，目前还没有较为 完善的快速算法。 、绘图算法 绘图算法是绘制真实感图形中的另个重要因素。常用的z 缓冲器算法比 较简单，已成为标准算法，并且可以用硬件来实现，但是用z 缓冲器算法绘制 出的图形真实感较差。目前，光线跟踪算法是生成真实感图形的主要算法之一， 改算法的原理并不复杂，并且能够产生逼真的视觉效果，所以在许多领域得到 广泛的应用。 尽管光线跟踪算法成功地模拟了物体表面的镜面反射、规则透射以及阴影 等整体光照效果，但是由于光线跟踪算法采样特性的局限，该方法很难模拟物 体表面之间的多重漫反射效果。如现实生活中靠墙悬挂着的红色衣服会在洁白 的墙面上印出片淡淡的红晕，这种相距较近物体之间的颜色辉映现象正是物 体表面多重漫反射光能传递的结果，而辐射度算法可以很好地解决这一问题。 辐射度算法是继光线跟踪算法之后另一个真实感图形绘制方法，该方法基于辐 射过程中的能量传递和守恒定律，用能量平衡系统方程来定量表达并进行整体 求解，一旦得到物体表面的辐射度分布，就可绘制出高质量的真实感图形。一 般来说，图形的真实感越强，算法的计算工作量也越大，因此需要权衡利弊找 到一个最佳结合点。 阴影是一种自然现象，广泛存在于各种场合中。通过阴影可以从平面图形 中判断物体的位置，产生立体感，因而阴影在真实感图形中起着烘托效果的重 要作用。阴影的基本要求是正确、自然。所谓正确是指阴影的位置、大小、形 博士学位论文真实感机织物三维效果模拟显示的研究 状要正确，所谓自然是指阴影的深浅过渡要自然。阴影在手工绘画中比较难掌 握，而计算机则可以根据物体与光源的相对位置进行精确地计算。 j 、纹理 纹理是物体表面的细节。理论上讲只要对物体描述得足够精细就可以反映 物体表面的细节，然而这样做花费的代价太大。较好的方法是只对物体进行宏 观或大尺度上的几何描述，然后用纹理表现物体表面的细节。纹理主要包括颜 色纹理与几何纹理。颜色纹理实际上反映的是物体表面不同位置对各种颜色( 波 长j 光线的吸收率。如果光源是白色的，物体表面一些地方对蓝光的吸收率较 高，则该处呈现偏黄的颜色，若另一些方对红光的吸收率较高，则该处呈现偏 青的觑色，于是在白光的照射下物体表面呈现出各种颜色的花纹图案。几何纹 理则反映的是物体表面微小的凹凸不平，这里的微小仅仅是指凹凸部位的波峰 或波谷偏离理想物体表面的距离相对于物体到视点的距离小到可以忽略不记的 程度，但是，即使是微小的凹凸也会造成物体表面法向量的明显变化，所以对 图形真实感的影响非常显著。就象苹果和桔子一样，纹理是产生“质感”区别 不同材质或物体的重要依据。 第二节织物的真实感 以上是绘制一般物体使之具有真实感必须考虑的问题，而用计算机绘制织 物时除了受上述因素影响外，织物特有的花纹、织纹、褶皱、悬垂、光泽等都会 对织物的真实感产生重要的影响。这是因为，织物的这些独有特征是区别具有相 似几何形态的其它物体( 如：塑料布、橡胶膜、纸张以及各种薄板等) 最重要的 视觉依据，也是区别不同原料、组织与结构的织物所必须考虑的问题。 一、织物的花纹 织物的花纹分印花和色织两种。除了色织花纹的花型有自身的特点外，印 花织物的花纹与普通的绘画没有太大差异，所以许多服装c a d 系统在展示服装 设计效果时，对织物的处理仿照普通物体上的花纹图案进行处理，即先绘制一些 织物的花纹图案，并以图片的形式保存起来，需要时将织物图片按一定方式“粘 贴”到服装上。这种“图片”处理方式的效果比较呆板，缺乏立体感，不能很好 地体现织物的特点和风格。优点是可以利用现有的图片“粘贴”技术，在一般的 常用图形处理平台或图形处理软件系统中就能实现。 、织物的织纹 织物区别于其它物体最大的特点是它具有织纹，特别是提花织物主要是利 用织纹表现织物的风格。当然，用图片“粘贴”技术也可以处理织纹，方法是 把织纹画入图片。但是，织物的织纹与光照方向有很大的相关性，同一块织物在 不同位置表现出的织纹效果是不一样的，因此，现有的图片“粘贴”技术很难 解决这一问题。真实感织物的织纹应该从纱线的模拟开始，根据织物的组织和密 度计算纱线在织物中的实际位置，模拟织物中纱线的交织情况，配合一定的光照 条件最终获得织物的织纹。 、织物的褶皱 第二章织物的真实感 许多松弛状态下的织物表面通常具有一些褶皱，如裙子、窗帘、被单、床 罩等，即使是笔挺的西装也存在着特意设计的褶。1 这些规则或不规则的褶皱形成 了织物特有的风格，因而对织物褶皱的模拟是获得真实感织物的重要方法之一。 彭i 物上的褶皱有大有小、有高有低，分布状况更是千变万化，有些甚至随时问而 变( 如飘动的红旗) 。目前，有关模拟织物褶皱的报道很少，对如何快速、逼真 地模拟织物的褶皱有待进一步研究。 四、织物的悬垂性 织物的悬垂性是织物力学性能的综台体现，它不仅是区别其它材质的重要 视觉依据，而且可以用来区别不同原料、不同组织、不同规格和参数的织物。物 体受的力是不n j 见的，然而象织物这样的柔性物体，通过计算机对其悬垂性的模 拟，刈出让我们看到织物受力后的状态，因此，不仅从色彩学上而且从力学上展 1 r 一幅“真实”的服装穿着效果，为改进设计提供更加直观的参考依据。国外 发达国家对织物的悬垂性的研究比较深入，利用有限元法对织物进行力学分析， 根据势能函数的最小化计算出穿着情况下或局部受力状态下织物的变形，由此绘 制出在重力的作用下悬垂织物的稳定形态，获得具有内在真实感的织物图形。 h 势：物的光泽 够j 物有着特殊的光泽，纤维原料、纱线结构、织物组织与结构都对织物的 光泽产生影响，特别是一些象隐条、隐格类的织物，就是利用织物结构与光线的 相互作用而呈现出各种花纹，因此，要获得真实感的织物还必须对织物的光泽进 行模拟。 总之，以上儿点是在绘制真实感织物时要考虑的主要因素，除此之外还有 很多比女l ：展示服装效果，有时还需要考虑在排版、裁剪过程中进行的“对花” 等纠l 节问题，又如：织物微小的不规则扭曲、歪斜对真实感的影响，以及动态显 示织物时还要考虑织物的弹性、摩擦性能，甚至包括织物的通透性等。 就计算机图形技术而言，织物的花纹主要依靠颜色纹理来模拟，织物的织 纹主要靠凹凸纹理来模拟( 织物在显微放大状态下除外) ，织物的悬垂性必须在 埘物体进行几何描述时就加以考虑，而织物的褶皱介于凹凸纹理与几何描述之 州，l , l j 较大的褶皱必须采用几何描述，较小的褶皱则可以采用凹凸纹理的方法来 解决。| _ = = | 前，通过颜色纹理来模拟织物的花纹已经实用化，而用凹凸纹理来模拟 织物f 向织纹尚未达到实用化的水平，对织物的褶皱、悬垂等特征的模拟尚处于研 亢阶段。 博士学位论文真实感机织物三维效果模拟显示的研究 第三章计算机三维绘图基础 在计算机上生成一幅三维的图形画面一般要经过几何造型、布景、取景、 剪裁、消隐、光照计算等步骤才能绘制完成。目前，国外开发的三维图形工作站、 三维绘图实用软件等有很多，功能也很强大，但考虑到织物的特殊性以及将来开 发具有自主知识产权的应用软件，本课题的研究并没有在现有的三维绘图软件平 台l 进行研究开发，而是从基础开始，编制三维绘图所需的基本绘图函数，为绘 制真实感图形奠定了基础。 第节场景造型与坐标变换 一、景物的数据结构 在计算机绘图过程中，为了便于对场景中的物体进行客观描述，需要建立 各种数学模型，通常使用较多的是曲面模型和多面体模型。对于结构简单的物体 ( 如：球体、圆柱体等) 使用曲面模型比较方便，但是对于几何结构比较复杂的 物体，使用曲面模型无论是表述还是分析计算都比较困难，而多面体模型与曲面 模型相比有以下优点：( 1 ) 任何几何物体都用且只用多边形面片构成，由于多边 形形状简单，便于统一分析计算和处理；( 2 ) 多面体可以任意精度逼近曲面物体， 并且可以表示结构非常复杂的物体；( 3 ) 信息存储格式简单，只需存储各个多边 形及其顶点就可以完整地表示物体的几何信息，如果需要多边形内部任意可见点 的信息，则可利用相应顶点的信息进行差值计算而得到。当然，采用多面体模型 进行场景造型也有缺点，如：对于细节较丰富的物体常常需要用非常多的细小多 边形来表示，因而使计算处理的工作量变得很大。鉴于多面体模型的表述和计算 方法简单统一，而且易于编程，所以本文主要采用多面体模型来表示物体。 为了便于分析计算及处理有关信息和数据，本课题场景中物体的信息采用 层次结构表示和存储。一个场景中可能有若干个物体，将其依次编号做成一张物 体表，添加或删除物体以及改变各物体之间的相对关系( 动画效果) 均需在该层 面进行：每个物体又由若干个多边形面片( 以下简称面片) 组成，对所有的面片 进行统一编号做成一张面片表，每个物体所需的面片都以链表的形式用指针指向 面片表；同样，每个面片又由若干个顶点围成，所以也对全部的顶点进行统一编 号做成一张顶点表，每个面片所需的顶点也都以链表的形式用指针指向顶点表， 如图3 1 所示。 物体表面片表顶点表 物体1面片1顶点l 物体2 面片2 顶点2 物体3 面片3顶点3 _ ： ： ： 图3 - 1 景物数据结构 第三章计算o - l = 维绘图梁础 顶点表的内容主要包括：每个顶点的三维空间坐标以及该点采样处的真实 法向量。另外，为了便于纹理殃射，每个顶点还要对应纹理平面上的一个二维坐 标。 面片表的内容主要包括：每个面片所对应的法向量以及包围它的顶点编号， 顶点的排列顺序本课题遵循的是右手法则，即右手握住面片的法线，拇指指向法 州量的f 方向t 面片的正面) ，则其余四指的指向便是顶点的顺序( 或者从面片 的i l - i 面看，顶点呈逆时针方向顺序排列) 。除此之外，还有面片的颜色、光学、 纹理等属性参数。 物体表的内容主要包括：每个物体所对应的面片编号以及该物体的位置、 方向及其它属性等。物体般分为凸面体和非凸面体。凸面体的基本特征是对于 物体上的任何一个面片而言，所有其它面片上的顶点均位于该面片( 或其延展面) 的同一侧，由于这一特征凸面体的分析处理比较简单，所以本课题造型使用的基 本物体咀凸面体为主，并且用这些基本的凸面体通过剖、切、挖、补等方法组合 形成比较复杂的非凸面体。 、坐标系统 要想绘制某一真实的场景必须先建立一个坐标系统来描述和表示该场景。 为了方便图形操作，根据坐标系的用途不同，坐标系统可分为局部坐标系、场景 坐标系、视点坐标系和屏幕坐标系等。 1 局部坐标系( 又称相对坐标系) ：现实生活中的场景是由许多相对独立 的基本物体构成，所谓相对独立是指物体各个部分的形状和位置相对固定，也就 是说它是由许多面片组成的一个刚体。为了方便物体造型，在物体上或物体的附 近选择一个合适的参考点作为坐标原点建立一个局部坐标系，物体各部位的几何 形状及相关关系都用这个局部坐标表示。例如：一个长方体，可把局部坐标系的 原点置于它的中心或某个顶点处，三个坐标轴与其棱边相平行；而对于一个旋转 体，则可使局部坐标系的z 轴与旋转轴重合。本文中局部坐标系的x 轴规定为 水平向右：y 轴规定为水平向后；z 轴规定为垂直向上。改变物体的形状只需在 政局部坐标系内即可。 2 场景坐标系( 又称全局坐标系) ：要表现的场景可能包含多个物体，每 个物体在其局部坐标系中完成造型后，就可放入场景坐标系中适当的位置，从而 确定场景中物体与物体之间的相互关系。如果物体在场景坐标系中的位置随时间 不断改变，则可得到动画效果。建立场景坐标系时先要选择一个适当的坐标原点， 通常是1 , g - 观察者视线的焦点作为坐标原点，x y z 三轴与局部坐标系一样构成一 个诈交的右手坐标系。 3视点坐标系( 又称摄像机坐标系) ：它是以视点为坐标原点，视线方向 为z 轴正方向，过视点与z 轴垂直的平面为视平面，根据人们的视觉习惯，选 取观察者两只眼睛的连线在视平面上的投影为x 轴( 正方向向右) ，而与x 轴相 垂直( 即口与鼻的连线在视平面上的投影) 的轴定为y 轴，为了使视点坐标系 的x y z 轴构仍然成为一个正交的右手坐标系x 轴的正方向向右、y 轴的正方向 向f 。场景坐标系和视点坐标系都属于景物空间。 4屏幕坐标系：它是一个二维平面坐标系，位于视点前方一定距离且垂直 于视线的平面坐标系，一般是将视点坐标系的x y 平面( 即视平面) 沿z 轴正 向平