织物三维仿真及在三维场景展示的研究.doc

浙江理工大学学位论文开题报告 织物三维仿真及在三维场景中展示的研究 硕士研究生学位论文开题报告题目：织物三维模拟及在三维场景展示的研究学 院： 信息电子学院 学科专业： 计算机应用技术 研究方向： 数字图像处理与计算机辅助设计 姓 名： 李昌玉 指导教师： 张瑞林 学 号： 0920602021 入学年月： 2009.09 选题来源： 根据情况 报告日期 2010 年 11月 24 日目 录1、研究的目的、意义22、目前国内外的研究现状32.1 国外纺织CAD发展现状32.2 国内纺织CAD发展现状43、主要研究内容及方案53.1 研究内容53.2 研究方案53.3 关键技术64、论文的创新点65、论文的基本框架6第一章：绪论6第二章：织物组织结构的数学模型6第三章：织物外观仿真6第四章：三维场景模拟技术基础7第五章：三维场景模拟系统设计7第六章：三维场景模拟系统实现及效果展示7第七章 总结与展望76、论文研究计划7参考文献目录9附录一： 开题报告审查意见10附录二：开题报告评议小组名单111、研究的目的、意义随着纺织生产技术的不断提高，计算机图形学、计算机仿真和虚拟现实等相关领域的飞速发展，计算机技术已经在纺织生产的各个领域被广泛应用。虚拟现实和计算机仿真技术成为面向21世纪发展亟待的新兴学科。衣食住行衣为先，可见织物在人民日常生活中的重要性。由于织物具有高度变形的特点，如何有效和逼真地模拟织物一直是计算机图形学研究中一个极具挑战性的课题。早期的方法采用刚性物体的建模方法生成刚性曲面，然后对刚性曲面进行纹理映射产生柔性织物的仿真图形，刚性物体的模拟技术已经非常成熟，但这种刚性模型对织物并不合适，模拟出的图形真实感较差。作为一种柔性体，在外力作用下，织物会产生很大的形变，不同材料、不同制造方法，乃至不同剪裁、不同缝制的衣料，它们的形变都各不相同。科学家和研究人员作了大量的实验和研究，获得了织物在外力作用下形变的物理参数，并试图开发了一些模型描述这些形变，但由于织物的内在特性，这些模型并未得到广泛的应用1。在1998年的SIGGRAPH年会中，计算机生成真实感服装被列为计算机图形学鱼需解决的三大问题之一2。当前，浙江省内有许多制造床上用品、沙发、服装等纺织产品的企业，随着纺织CAD技术的推广，己经有不少企业都开始使用CAD技术进行纺织产品的开发与设计，产生了巨大的经济效益。但是传统的纺织CAD系统存在不少问题，主要的来说有两个方面:首先在纺织产品的设计环节，织物的设计工作与织物的应用是分开的，设计师的设计意图只有在生产出样品，然后将其摆放在特定的场景中，才能体现出织物的应用效果。这样一来就延长了设计的周期，提高了设计的成本。此外在纺织产品的销售环节，一般的纺织CAD系统都没有考虑到这一环节，所以目前纺织企业都是采用现场展示纺织品实物的方法来进行销售。采用这种方法造成:首先，展示纺织品实物需要大量的空间和人力，这给企业造成了很大的负担；其次，客户必须亲临现场进行挑选，这给顾客也带来了不便；再次，顾客只能看到制作好的样品，不能根据自己的意愿来观察不同织物的搭配效果，这使得展示效果打了折扣。针对这些问题，本课题提出将三维展示技术引入纺织CAD系统，利用其丰富的交互手段和感知功能，在三维场景中对织物进行方便的辅助设计与展示。这样便实现了基于三维场景的CAD系统，它继承了传统纺织CAD系统的优点，给CAD系统提供了一个逼真、自然、多感知的设计展示环境，从而可大大提高设计的效率和质量。三维场景展示CAD系统优势体现在：在设计环节，它可以使设计者进行CAD操作时更加简洁、直观，更能充分发挥设计者的设计能力，提高设计效率和质量；可免除制造实物样品需要的费用与时间，降低成本；便于对样品方案进行比较，选择最优方案。在销售环节，它可以使顾客在挑选纺织产品时拥有更大的自由度；同时为企业节省了布置实物展厅的成本；也可以与网络技术相结合，通过网上构建虚拟商店，使客户足不出户就能逼真的浏览纺织产品的信息，方便地对其进行挑选、修改和定制，这样就可以减少中间环节和运转周期，降低双方的成本。综上所述，若能将织物仿真与三维场景展示相结合的纺织CAD系统投入实际使用，必能给企业带来良好的经济效益，有很强的实际意义。 2、目前国内外的研究现状2.1 国外纺织CAD发展现状 国外纺织CAD技术发展较早3。近几年，世界各国尤其是发达国家竞相开展与纺织品开发和生产有关的计算机辅助设计系统，开发研制出了许多著名的织物CAD系统。如英国曼彻斯特大学研制的UMIST系统4，德国Hell公司的Part04000花型准备系统5，英国的Scotweave、Gemwevae和TGS系统6，美国的PGM系统、日本的TLS系统以及意大利的Hi-Tex系统7等。其中比较成熟的纺织服装的CAD系统有：法国力克(Lectra)系统、美国格博(Gerber)公司的系统、加拿大的派特(PAD)系统、享有服装CAD/CAM系统“奔驰”美誉的德国艾斯特(Assyst: Automated Software and Systems)、西班牙的英维斯(Investronica)、日本ShimaSeiki公司的CAD系统、德国EAT公司的系统、荷兰Nedgraphics、斯洛文尼亚的ArahWeave系统、日本4Dbox系统、美国CDI(Computer Design Inc.)系统8。英国特伦特大学的纺织服装系开发的Virtuosi系统，Geneva大学利用混合建模的方法对织物和服装变形形态进行模拟研究，对虚拟设计在服装CAD领域的应用做出了积极的探索9-12。国外的这些CAD系统的开发，给纺织行业的产品开发与生产提供了强有力的辅助工具，显示出了很强的生命力13。综合国外的织物CAD系统，其提供的软件功能各具特色，基本上都具有纱线的设计与仿真、织物的设计与仿真、配色与印花的设计、影像仿真、图像管理、服装设计与模拟等功能，都具有不同程度的织物仿真能力。虽然国外的纺织CAD技术已经具有相当高的水平，其功能强大，模拟效果较好。但是对一些复杂(多层)织物的模拟效果仍然不是非常逼真，且操作较为复杂，模拟所需时间较长，实际功能应用也受到限制。同时国外的软件在国内应用也存在着没有汉化界面、度量单位不一致等问题，给国内用户带来诸多不便。2.2 国内纺织CAD发展现状我国的纺织CAD系统自从“七五”组织科技公关以来，在了可喜的进展。除了引进多种纺织CAD系统外，许多由高校、“八五”期间获得科研单位、企业自主研制开发的纺织CAD系统已经接近或达到国际先进水平，其技术已经成熟，功能与国外产品相差无几，但价格只是国外产品的一半或者三分之一，两者竞争的格局已经形成。“九五”期间，国家继续大力推广纺织CAD的普及工作，组建了纺织CAD咨询推广服务中心，建立CAD技术应用示范点，大力促进纺织CAD技术的推广和应用15。 在国内，浙江大学电气自动化研究所是最早开展纺织CAD系统研究的单位。在1979年，完成了“黑白丝织象景纹织工艺自动化系统”的研制，在国内首次实现提花织物纹织工艺自动化。在1988年完成了I型纹织CAD系统的研制，并不断推出升级版本，自动化处理有了重大突破。此外，其他具有使用价值的CAD系统还有:纺织工业部纺织科学研究院的CAD系统，在具有一般的织物设计、模拟的功能外，还增加了许多与工艺相关的计算功能;天津纺织研究所的CAD系统，具有较强的组织设计、花线设计、颜色配置功能；浙江理工大学的素织物CAD系统，具有主要的花色纱线和组织设计功能;上海麻毛纺织研究所与上海十一毛联合开发的CAD系统，可以模拟织物效应、花色线效应、加捻效果等，功能较强;上海百锐数码科技有限公司推出的AU Dobby CAD系统，可以自由地进行一般组织、复杂组织、联合组织等织物设计，并可以生成穿综图、文板图；西安工程科技学院的自动缥丝工艺设计CAD系统和纱线条干实时监控专家系统；视博数码科技公司的Fcad2000系统;中国纺织科学研究院的呢绒CAD系统；等等14,16-17。国内的CAD系统在面料的外观仿真上与国外的系统还有一定的差距。服装CAD一直都是纺织CAD研究领域的一项重要内容18-19。国内二维的服装CAD技术已经推向实用化，尤其是在放码、排料和二维设计方面己经形成了自己的特色。目前，比较成熟的服装CAD系统有:航天部710研究所的ARISA系统;北京四通集团公司的GCAD系统;北京太阳电脑公司的SL系统；日升天辰服装CAD系统;富怡服装CAD系统;等等。当前，随着对着装合体性、舒适性要求的提高，服装款式变化的加快，研究三维服装CAD技术已经成为最重要的研究方向和研究热点。国内在这方面的研究还处于起步阶段，实用性的产品不多，现在主要有：杭州爱科(ECHO)服装CAD系统，具有平面衣片到三维衣片的转换，模特效果动态显示，三维着装效果动态显示三大功能；布易科技ET3D设计系统，结合了服装技术与信息技术，具有二维、三维互动设计，三维仿真，三维测试，三维立裁设计，电子商务等功能。国内纺织品CAD软件的功能比较完善，同类产品技术水平不断提高，配套设备性能完善，功能强大，大多数已实现系统化、集成化，正向计算机集成制造系统（CIMS，computer intergrated manufacture system）方向发展。但国内纺织品CAD软件仍存在不足之处，例如，三维模拟多采用光学投影技术，数学模型复杂，显示速度较慢；可立体显示的植物品种不多；成型的纺织专家系统还不完善，无法完成高效的辅助设计、分析、决策功能，这些均有进一步完善 20 。3、主要研究内容及方案3.1 研究内容在模拟织物时，通过分析织物的物理性能属性及其建模方法，并对比其方法应用上的优越性，提出一种改进的建模方法，以实现对织物的三维模拟。将Perlin算法应用到织物中，生成织物表面的毛羽效果。在光照条件方面，运用光线反射和透射的光照模型，结合BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数) 算法，通过这个可供分析的光照模型，表现织物对于光线照射的反应，同时根据织物的组织结构，表现出光线在反射和透射过程中的反应。织物在三维场景中的展示方面，融合了OpenGL具有完善的模型变换、真实感图形显示功能和3DS MAX软件具有强大建模功能的优势。首先利用3DS MAX软件建立原始三维场景模型，导出模型3DS文件。基于3DS文件块结构特点，设计一个3DS文件读入类读取3DS文件中的模型点、面、纹理坐标、颜色、法线等信息；通过设定最大最小点实现模型的全显示，建立虚拟球，实现对模型的旋转、平移、缩放操作;建立光照模型体现场景的三维立体感，在以上操作的基础上调用OpenGL函数实现对模型的重建。对重建的模型采用某种算法进行平滑处理。提出三种纹理坐标分配方案，实现良好的纹理映射效果。对于多模型场景，提出多模型场景选择算法，实现对场景中不同模型的选择与操作，最终得到理想的三维模拟效果。3.2 研究方案 具体研究方案如下： （1）通过分析织物的物理性能属性及其建模方法，并对比其方法应用上的优越性，提出一种改进的建模方法，以实现对织物的三维模拟。（2）将Perlin噪声与BRDF算法相结合，以模拟纱线的外观形态。（3）借助3DS MAX软件建立原始三维场景模型并导出模型3DS文件，然后利用VC+开发平台及OpenGL三维引擎设计模拟系统，实现对模型的重建。（4）利用改进的网格划分算法建立三维场景中物体的网格模型，并为其映射区域添加纹理图案，以及光照明暗效果，实现对织物三维模拟效果的展示。3.3 关键技术（1） 如何通过对目前织物模拟中所采用的建模方法进行分析，提出一种改进的织物建模方法。（2） 对织物纹理及光照效果的模拟实现。（3） 三维场景模型在3DS MAX平台的建立，在VC+开发平台下模型的重建。（4） 改进的网格化分算法对三维场景中模型进行网格化分，对三维模型的点或者网格片面利用某种算法添加模拟的织物外观，并进行三维场景明暗效果的处理。4、论文的创新点本文研究织物三维仿真及在三维场景中展示的效果。其重点在织物三维模型的建立， Perlin噪声算法与BRDF算法模拟织物外观，然后将模拟效果在建立的三维场景中展示。本课题的创新点如下：（1）通过分析织物的物理性能属性及其建模方法，并对比其方法应用上的优越性，提出一种改进的建模方法，以实现对织物的三维模拟。（2）为了提高三维场景中物体曲面网格的表现力，改进的网格化分算法对三维场景中物体进行网格划分。5、论文的基本框架第一章：绪论首先对课题研究的目的及意义进行阐述，介绍了此课题研究的必要性。并对国内外能够实现织物组织识别和模拟的CAD系统的研究现状进行归类分析总结。第二章：织物组织结构的数学模型介绍适合于建立机织物数学模型的织物分类方法，分门别类地介绍单系统各种类别织物组织的数学模型，然后对比其方法应用上的优越性，提出一种改进的建模方法，以实现对织物的三维模拟。第三章：织物外观仿真 首先运用改进的建模方法对织物结构建模，然后将Perlin噪声与BRDF算法相结合，以模拟纱线的外观形态。第四章：三维场景模拟技术基础对开发三维场景模拟系统的知识准备，对3DS MAX和OpenGL进行介绍。在3DS MAX方面，介绍3DS MAX的建模方法、导出的3DS文件的具体结构，展示了通过3DS MAX建立的三维场景模型。在OpenGL方面，介绍OpenGL的基本功能，基本绘图流程以及它的优缺点，重点讲解运用OpenGL实现变换、光照材质处理、纹理映射的步骤和注意事项。第五章：三维场景模拟系统设计介绍系统的各个模块及其实现原理。借助3DS MAX软件建立原始三维场景模型并导出模型3DS文件，然后利用VC+开发平台及OpenGL三维引擎设计模拟系统，实现对模型的重建。运用改进的网格化分算法对三维场景中模型进行网格化分，对三维模型的点或者网格片面利用某种算法添加模拟的织物外观，并进行三维场景明暗效果的处理。第六章：三维场景模拟系统实现及效果展示实现的三维场景模拟系统的界面及软件结构，并展示了基于这个系统的一些模拟效果。第七章 总结与展望6、论文研究计划l 2010年12月-2011年1月：大量阅读关于织物模拟方法与数学建模、图像处理的相关中英文文献，收集并分析其研究成果。l 2011年2月-2011年3月：查阅国内外有关织物模拟的文献资料，并收集相关纱线和织物的样本，搞清楚织物结构的基本概念。l 2010年4月-2010年5月：研究适合于建立机织物数学模型的织物分类方法，分门别类地研究单系统各种类别织物组织的数学模型，然后对比其方法应用上的优越性，对建模方法进行改进，以实现对织物的三维模拟。l 2010年6月-2010年7月：对开发三维场景模拟系统的知识准备。阅读3DS MAX的相关书籍，了解三维场景建模的操作方法。研究OpenGL的基本功能，基本绘图流程。l 2011年7月-2010年10月：借助3DS MAX软件建立原始三维场景模型并导出模型3DS文件，然后利用VC+开发平台及OpenGL三维引擎设计模拟系统，实现对模型的重建。运用改进的网格化分算法对三维场景中模型进行网格化分，对三维模型的点或者网格片面利用某种算法添加模拟的织物外观，并进行三维场景明暗效果的处理。l 2011年11月底：完成论文初稿。l 2011年12月：完成完善论文，准备论文送审和毕业答辩。参考文献目录l成迟慧，石教英，徐迎庆等.基于物理模型的窗帘运动实时动画J.软件学报，2000，11(9):1221-12272刘卉，陈纯，施伯乐.基于改进的弹簧支点模型的三维服装模拟J.软件学报，2003，14(3):61，6273 T .Matsuo .The Design_ Logic of Textile Products J. The Textile Institute, 1997.4 H.-Y.Lin and A.Newton. Computer Representation of Woven Fabric by Using B-splinesJ. JTI，1999，(1):59-72.5 董玉德.色织物计算机辅助分析与设计D.上海:东华大学，1993.6 Denton MJ，etal. Computer Simulation of the Appearnace of Fabric Woven from the Blend-fibre YarnsJ. JTI，1989,(3):345-351.7 郑天勇，李克兢.关于机织物CAD技术的研究J.天津纺织工学院学报，1998，(2):97.8 张森林，姜位洪.纹织CAD技术的应用及其发展方向J.纺织学报，2004，25(3):126-1299Teri Ross. CITDA Conference Offers CAD Solutions. ATI，1996，25(8).10Walter N.Rozelle. Info Design-Reed Chatwood Have CAD/CAM Partnership. Textile World，1996，146(2).11Russell E.CAD/CAM Soft in Appa