纱线的计算机仿真

第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页143第五章织物仿真技术与CAD系统开发本章重点知识点：1．纱线的仿真方法及常用算法的实现；2．纱线排列中的去括号及去数字算法；3．基于真实感图像生成的织物仿真方法基本原理；4．常用的几种织物仿真快速算法原理及实现。第一节概述织物仿真CAD系统，是织物设计领域内产生的一场革命。这项技术可以提高设计效率几十倍甚至上百倍，缩短生产周期，节约产品开发成本，加快对市场的反应速度，增加产品的附加值，从而从根本上增强企业的竞争力。目前在色织厂和毛纺织厂的广泛使用。一、织物仿真技术的概念织物仿真技术就是利用计算机图形技术将设计人员的设计意图以织物仿真模拟的方法快速、形象、直观在显示器上显示出来。设计人员在计算机上输入织物组织、纱线排列和纱线种类后，计算机自动生成织物模拟图像，设计人员可以简单方便地改变各个参数，随心所欲地对织物模拟图上各种色彩的经纬纱线进行调色配色，淋漓尽致地表达设计思想，在上机织造前就能看到实际织物的效果，以达到辅助设计的目的，从而取代利用小样机打小样的繁琐工作。近年来，随着计算机及图形图像技术的不断进步，对织物仿真CAD系统的要求也越来越高，能够真实模拟织物外观和图案效果已成为织物CAD研究人员追求的目标。但是，织物仿真不同于一般物体的仿真，这是因为：首先，构成织物的纤维或纱线的直径是非常细的，甚至不及显示器一个像素的宽度，而显示器是通过像素来表现图像的。在当前显示器的分辨率下，很难表现纤维和纱线的表面细节特征，而这些特征却又很大程度决定了织物外观。其次，织物中的经纬纱线是柔性的，随着织物组织、经纬向紧度、织造工艺参数的不同，纱线将呈现不同的屈曲状态和截面形状，从而造成外观上的差异。这些因素给织物仿真造成一定的技术难度，也正因为这样，织物仿真技术的研究是纺织CAD技术的一个重要的研究课题。二、织物仿真方法第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页144正是由于织物外观仿真技术在纺织CAD系统的开发的重要性及其所具有的技术难度，得到了研究人员足够的重视和研究，许多科研机构、大专院校和纺织厂从各自不同的角度做了大量的研发工作,形成了一些相对比较成熟的模拟方法并成功地应用到一些CAD系统中。目前，国内织物外观仿真方法主要分为3类：配色模纹法；基于纱线设计的织物仿真方法；基于真实感图像生成的织物外观模拟法。1．配色模纹法配色模纹法的基本原理是先根据经纱密度在屏幕作图区的垂直方向铺上经纱，然后根据纬纱密度在作图区的水平方向上铺上纬纱，经纬交错的地方按照组织点的属性判定是显示经纱还是纬纱的颜色。因此这种模拟方法模拟出来的效果图就是缩小的配色模纹图，因此把它称为配色模纹法。这种方法仅仅是根据织物组织、经纬纱的排列和经、纬密这几个因素生成织物模拟图像，而不考虑纱线其它的性质，在这类织物模拟图上织物的组织点仅仅是单一颜色的色块。在纱线很细的情况下，1根纱线可以抽象为1根细直线，1个织物组织点可以抽象为显示器上的1个光点。但是，在纱线较粗的情况下用一种颜色的色块去表示1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平淡，没有质感，只能勉强应用于纱线细、密度高的织物模拟或经纬纱异色的织物模拟。对经纬纱同色的织物模拟出来的图像，要么是网格状，要么是一个矩形的色块。另外，此方法也不能模拟花式纱线和混纺纱线织成的织物。2．基于纱线设计的织物仿真方法在织物外观模拟过程中，对于每一个组织点除了考虑经浮点或纬浮点以及纱线的排列的之外，还要考虑到应该显示纱线的哪部分。在连续的经纬组织点上，纱线上的纤维应该是连续的，纤维伸展的方向、纱线的捻度也应该有所反映。为了能模拟不同粗细的纱线织成的织物图像，各类组织点的大小也相应地有所变化，在使用同一类纱线作为相邻的经纱和纬纱时，在模拟图上应该看得出是使用同类的纱线，但这些相邻的纱线又不完全一样，如此等等。这些考虑都反映了织物的本来面目，因此，织物的模拟应当从纱线设计开始。基于纱线设计的织物外观模拟法的基本原理是在模拟织物之前先模拟出纱线的外观效果，将模拟好的纱线放入纱线库，再根据设计的需要从纱线库中取出所需的纱线按照织物组织中经纬纱线的覆盖关系平铺，从而完成对织物外观的仿真模拟。这种仿真方第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页145法仿真出来的织物模拟图像更具有质感，不但能模拟单色细支纱的织物模拟图像，而且对粗支纱、花式纱线织成的织物的模拟也非常成功。这种仿真方法认为纱线是构成织物的基础，纱线真实感的模拟效果直接决定着织物的最终模拟效果。因此纱线的仿真方法是这种织物仿真方法的关键。3.基于真实感图像生成的织物外观模拟法基于纱线设计的织物外观模拟方法较成功地解决了对花色或花式纱线织物外观的模拟问题。但由于纱线在织物中存在不同的曲屈形态，凸起部分与凹陷部分由于对光线的反射效果不一样，因此呈现不同的视觉效应，这一点是基于纱线设计的织物外观模拟方法无法实现的。所以其仿真效果与实际仍有距离，尤其对单色纱线织成的织物模拟效果不理想，也不能真实模拟复杂织物的外观，没有解决机织物外观模拟的全部问题。基于真实感图像生成的织物外观模拟方法的基本原理是利用计算机图形学的方法，通过分析织物的内部结构特征，根据织物类型对纱线、织物的空间结构和织物的表面结构进行建模，并在几何模型的基础上建立光照模型，根据光照模型计算出织物表面各点的颜色，最后显示得到织物的仿真图像。机织物是由经纬纱按照一定的组织规律交织而成，织物的几何结构是指经纱和纬纱的空间关系，它包括经纬纱的交织规律、经纬纱截面积大小和形状、经纬纱的密度和其轴心线的屈曲形态、纱线的飘移等。不同几何结构的织物，当外在因素一定时，物体表面各点的反射光强不同，也就产生不同的外观效果。因而，能否真实地反映织物的几何结构以及织物表面光泽的变化是体现织物真实感的关键所在。配色模纹法单纯从经纬纱颜色和织物组织出发研究织物外观的仿真，忽略了纱线与织物受光照、飘移与压缩等因素的影响,所以模拟出的织物平淡而没有质感。由于这种模拟方法比较简单，因此本书就不再对这种方法进行详细的探讨。基于纱线设计的织物仿真方法由于能够较好的反映纱线的表面特征，而基于真实感图像生成的织物仿真方法则能够较逼真地反映了织物实体外观，这两种方法目前被广泛使用，下面就对这两种方法进行重点介绍和探讨。第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页146第二节基于纱线设计的织物仿真方法织物是由经纬纱线按照一定的规律交织而成，纱线的外观在很大程度上决定了织物的最终外观。基于纱线的织物外观仿真方法，就是先进行纱线的设计，建立纱线库，根据织物组织及所需要的纱线情况从纱线库中选择相应的纱线进行平铺，获得织物外观。因此纱线的设计是这种模拟方法的关键所在，下面首先来介绍纱线的仿真方法。一、纱线的计算机仿真纱线的计算机仿真,主要包括普通纱线、混色纱线及花式纱线的仿真。通过键入几个纱线参数，计算机迅速仿真出要试纺纱线的效果，并可以调整组成纱线的纤维色彩和混纺比、纱线的股数及捻度、纱线本身颜色和纱线线密度等，还可按要求模拟一定程度的纱线毛羽，并可将模拟的纱线随机嵌入织物的经纬纱图像之中，模拟该种纱线形成的织物外观。纱线的计算机仿真方法有很多，经常使用的方法有：意匠格填充方法、几何形状填充法和随机矩阵模型方法等。下面对这些方法及所涉及到的主要算法进行介绍。1．意匠格填充法意匠格填充方法是根据纱线的线密度，计算纱线的直径，按照一定的放大倍数和意匠格的大小确定所需意匠格的纵横数；根据捻角，利用不同的色块对意匠格进行填充。填充完后，缩小至每个单元格对应一个像素，于是纱线模拟就完成了。如图5-1所示，（a）为意匠填充效果，（b）模拟的纱线效果。（a）（b）图5-1意匠格填充法模拟效果图主要的数学模型如下：（1）纱线的直径纱线直径是进行织物设计和确定织造工艺的重要依据之一。设纱线为圆柱体，则纱线的直径d(mm)与纱线的线密度（texN）、体积质量为)(3cmg之间的关系为：d=0.03568texN（5-1）第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页147于是根据用户输入的纱线的线密度texN，就可计算出纱线直径。由于纱线直径很小，为了便于设计，对纱线放大，放大倍数根据纱线的细度一般有所不同，通常在5～10之间。于是纱线在屏幕上所占的像素数Pix与纱线直径d之间有：Pix=(d/Dot)*B（5-2）式中：Dot——为单位象素的宽度，它可以由显示器分辨率获得；B——为放大倍数；纱线在屏幕上所占的像素数计算出来后，一个像素对应一个意匠格，于是意匠格的纵格数就确定下来。有时候为了模拟纱线表面的毛羽，可在纱线主干的上下增加一些意匠格，形成毛羽区，来模拟毛羽。（2）捻角纱线加捻后，纱线的表层纤维对纱轴的倾角，叫捻角。捻角是标志纱线加捻程度的指标之一，同时也是决定纱线外观的一个重要参数。但是由于测量捻角不太方便，在实际中比较纱线的加捻程度，一般不用捻角，而使用捻度或捻系数。因此首先必须把捻度转变成捻角。这里设texN为纱线的线密度、为纱的体积质量、texT为纱的捻度（cm10捻）、为捻角，于是有：textexNTtg892(5-3)纱线的体积质量随组成纱线的纤维的种类性质及纱线的捻系数而不同，纱线的体积质量可参考相关手册。（3）颜色的填充方法对于单纱来说，纤维经加捻后，部分纤维凹陷，部分纤维凸起。而凹陷区域由于对光线的反射能力弱，所以凹陷区域比凸起区域暗，从而形成加捻外观。于是对于单纱的填色方法是：确定纱颜色，在保证色调的基础上降低明度得到一个新的颜色，按照捻角在意匠格上涂上一条条斜线，斜线的宽度、斜线与斜线的距离通过随机数来确定。然后用纱的颜色对其余部分进行填充。对于股线的来说，填色方法与单纱相似，只是斜线之间的距离由单纱的直径和捻度确定，最后填色时，采用两种颜色交替填充，填充方法可以采用种子填充法。种子填充又称边界填色（Boundaryfilling）。它是根据已知的一个多边形区域内第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页148部的一个象素点来找到区域内其它的象素点进行填充的。区域可以由内部点或边界来定义，一般来说是采用边界定义，即边界区域上所有象素被置为特定值，而区域内部所有的象素均不取这个值。区域又分为四连接和八连接两种，如果区域是四连接的，那么区域内每一个象素点可以通过四个方向（上、下、左、右）组合达到。而对于八连接区域，区域内每个象素可通过上下左右以及四个对角线方向的移动组合达到。最后可在毛羽区按照不同的填充密度采用随机数进行填色，再按照一定约束条件，如每个绒毛必须上下相连，越靠近纱干部分越粗等进行不断优化，从而完成对纱线表面的毛羽进行模拟。2．几何形状填充法采用几何形状进行填充法仿真纱线，根据所采用的模型不同又分为矩形单元模拟法和平行四边形单元模拟法。（1）矩形单元模拟法设计思想是用一组循环排列的倾斜放置的矩形色块来表示纱线，每个具有色彩的小矩形即代表纱线每个单元块的仿真模型，如图5-2所示。这种方法简单明了，在理论研究上很有意义。图5-2单纱仿真示意图设纱线的线密度为Ntex，体积质量为、捻度为Ttex，于是纱线的直径d、捻角可由公式（5-1）（5-2）计算，而其它参数计算如下：90（5-3）ds=100/Ttex（5-4）B=ds/cos（5-5）第五章织物仿真技术与CAD系统开发第页1492L=(d–B*sin)/cos（5-6）由于计算的纱线的直径d，在模拟过程中要按照一定的放大倍数进行放大。在矩形计算时，以0x点为基点,通过0x由式（5-7）点求出1x、2x、3x各点的坐标。y-B*y=xxα*x+NX*Bx=xxαy-B*y=xyα*x+NX*Bx=xxαL*y-y=xxL*x-NX*x=xxcos..sin..cos..sin..sin2..cos2..030312120101（5-7）为了显示单纱的加捻方向，这里NX参数表示纱线的捻向变化,当NX为l时画出的纱线为Z捻,相反NX为-l时画出的纱线为S捻。如图5