【畢業(yè)學位論文】機織物幾何模型與外觀的計算機三維模擬

目 錄 I 目 錄 題的背景 . 1 織 應用 . 1 織 內(nèi)外發(fā)展狀況 . 4 織 來的發(fā)展及存在問題 . 5 物仿真的存在的問題 . 6 題的研究內(nèi)容，方法及章節(jié)安排 . 8 2 編程語言及工具的介紹 . 10 介 . 10 作原理及流程 . 11 維圖像的顯示 . 12 維圖形的繪制 . 12 景轉(zhuǎn)換與坐標變換 . 14 緩沖技術的原理與運用 . 16 色、光照、材質(zhì)的設置 . 17 色的設置 . 17 照的設置 . 18 質(zhì)的設置 . 21 藏面消隱的設置 . 21 章小結(jié) . 22 3 機織物結(jié)構的幾何描述 . 23 物幾何結(jié)構參數(shù) . 23 物內(nèi)結(jié)構受力分析 . 24 織物的 型 . 26 紋織物的幾何模型的建立 . 30 平紋織物的幾何模型的建立 . 32 章小結(jié) . 35 4 機織物組織的的計算機模擬 . 36 物組織數(shù)學模型 . 36 法實現(xiàn) . 39 線的產(chǎn)生 . 40 物組織的產(chǎn)生 . 41 擬效果圖 . 43 目 錄 章小結(jié) . 47 5 結(jié)論與展望 . 48 致 謝 . 49 參考文獻 . 50 附 錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 1 緒論 1 1 緒論 題的背景 隨著世界經(jīng)濟快 速發(fā)展，各行各業(yè)都面臨著巨大的競爭，紡織行業(yè)猶是如此?，F(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，也導致著人們對生活物質(zhì)的要求也愈來愈快，愈來愈高。所以誰產(chǎn)品的設計周期短，上市時間快，就能更多地搶占市場的份額。通過織造前對織物外觀的仿真模擬，就可以在不需要打小樣的情況下，看到所設計面料或者服裝的外觀，這樣不僅大大降低新產(chǎn)品研發(fā)的生產(chǎn)的時間，縮短產(chǎn)品設計周期，而且還能極大的促進紡織技術的發(fā)展。因此為了紡織企業(yè)能夠在風云變化的市場中不斷競爭，就必須采用計算機仿真技術，來提高紡織產(chǎn)品的設計效率， 減少成品的開發(fā)成本、提高市場快速應對能力、 增強我國紡織企業(yè)的國際競爭能力等都具有深遠的影響 1。 計算機技術的快速發(fā)展以及軟硬件的快速更新，各行業(yè)的緊密聯(lián)系使得計算機技術不斷融入各行業(yè)。而紡織品 2。就是運用了計算機強大的信息計算功能、簡單實時的方便操作、圖像識別處理、海量信息存儲、快速計算及顯示圖形能力，采用人機交互界面，是設計者的想象力，判斷力、鑒別力與計算機的優(yōu)點得到完美融合，這樣不僅使設計效率大大提高，又能使設計者能預先了解到織物的外觀模擬效果，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期 ，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。 織 應用 現(xiàn)代紡織企業(yè)中應用的最廣泛且最為成熟的設計方法就是紡織品 3。由于紡織行業(yè)包含眾多，并無一套能通用 的 術，在市場經(jīng)濟的作用下，以及多年國內(nèi)外的研究與發(fā)展，紡織 術形成一定的規(guī)模， 術逐漸在紡織行業(yè)得到推廣應用。對與紡織服裝行業(yè)有關的 統(tǒng)目前主要有：小提花 統(tǒng)；針織物中的花型 統(tǒng)、橫機 統(tǒng)，經(jīng)緯編織物 花圖紋 織 統(tǒng)；服裝 統(tǒng)中的款式設計 改裁剪 品式 樣 腦繡花 。可以看出因為 件的應用，使得開發(fā)設計有了一個互動的過程，一方面對設計師來說能夠更迅速的看到設計的樣品，一方面當客戶需要發(fā)生變化，又可以及時做出調(diào)整，充分發(fā)揮創(chuàng)造性 4,5,6,7,8,9,10。紡織 類主要 圖 示。 1 緒論 2 圖 織品 分類 （ 1）服裝 裝 紡織 主要應用范圍，也是最早應用的技術領域。主要功能有對服裝款式設計、結(jié)構設計和工藝 設計，其中已經(jīng)比較成熟的有款式設計、樣片設計、放碼、排料等；應用該系統(tǒng)可在屏幕上任意繪制二維服裝款式圖 ,或在事先設定的人體模型上繪制三維服裝款式圖，系統(tǒng)除能提供足夠的色彩以便在款式圖上作調(diào)色或改色外，在標準化的條件下，還可以與后面將要介紹的織物組織 統(tǒng)連接，以便在款式圖上顯示出織物本身的風格；所謂推擋 ,便是按不同人體尺寸對輸入的衣片自動放碼或縮碼 ;排料則是按面料幅寬和服裝工藝要求 (如對條或?qū)Ω?)自動生成排料方案。它的輸出可以是 1:1的衣片圖 ,也可以是直接控制自動裁床的信號 11。 應用服裝 統(tǒng) ,效益是十分明顯的。首先 ,它可以提高用布率 ,一些企業(yè)應用服裝 統(tǒng) ,僅節(jié)省布料一項 ,一年即可節(jié)約開支數(shù)十萬元 ;其次 ,可以加快服裝設計速度 ,這對于時尚不斷變化的服裝市場來說 ,沒有速度就沒有市場 ,而且應用服裝 統(tǒng)也增加了客戶對工廠的信任度。特別是出口企業(yè) ,不應用服裝 統(tǒng) ,將會失去不少客戶的訂單。 （ 2）機織物組織 是計算機強力的圖像繪制功能與現(xiàn)代紡織技術的完美結(jié)合，通過對軟件輸入織物組織的各種參數(shù)就能自動模擬出織物的組織圖像 。功能比較完善的 統(tǒng)不僅能繪制出同種顏色紗線織物 ,還可以繪制多 種不同顏色混紡的紗線、多股異色紗線和一些花色紗線、直徑不同紗線交織而成的織物。由織物組織 統(tǒng)設計產(chǎn)生一套織物模擬圖像只需幾十秒到幾分鐘，而印花織物 統(tǒng) 經(jīng)編織物 統(tǒng) 橫編織物 統(tǒng) 緯編織物 統(tǒng) 印花圖案 織品電腦繡花織物 統(tǒng) 針織物 花織物 花織物 統(tǒng) 機織物 提花（ 物 統(tǒng) 服裝 式 統(tǒng) 設計 統(tǒng) 裁剪 統(tǒng) 1 緒論 3 如果沿襲傳統(tǒng)手工打樣辦法，從設計人員意象中的圖樣到真正織出一小塊樣品往往需要好幾天，節(jié)約了人工成本，提高了設計效率，大大縮短了設計周期。 （ 3）印花圖案 統(tǒng)，是用計算機軟件對織物印花圖案設計與處理，可以利用軟件提供的畫筆工具和一系列的動作包含復制、粘貼、剪切、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等，手動生成圖案；或者由用戶采用工具進行組合創(chuàng)作系統(tǒng)提供的基本形狀和簡單花型；或者通過 彩色畫稿掃描到計算機，由計算機對圖像進行顏色的添加、紋理的添加等。還可以實現(xiàn)分色配色功能 12。 （ 4）針織 統(tǒng)，主要包含針織圓機 統(tǒng)和針織橫機 統(tǒng)。針織圓機 統(tǒng)，用方格來表示針織物線圈，用指定的符號畫在方格內(nèi)，以模擬針織物線圈組織規(guī)律；還可以通過計算機系統(tǒng)對花型進行設計，將其轉(zhuǎn)換為通用的數(shù)據(jù)格式生產(chǎn)；針織橫機 統(tǒng)，則通過操作人手動輸入各類數(shù)據(jù)，對不同的針織物進行樣式設計。系統(tǒng)可以根據(jù)織物樣式、織物密度、組織及不穩(wěn)尺寸計算，同時生成上機工藝單，同時計算出產(chǎn)品克重、用紗量和成本。 （ 5）繡花 統(tǒng)，一般在單頭繡花機或者多頭繡花機中使用，對繡花樣進行計算機智能設計，首先設計出的花樣的格式，再由軟件將花樣轉(zhuǎn)化為繡花機的繡花針法，生成繡花機可以使用的紙帶或磁碟 13。 目前紡織 功能主要有紗線的計算機仿真，主要是模擬仿真紗線外觀顏色效果等各種屬性；設計機織物組織，包含對基礎組織、變化組織，聯(lián)合組織、復雜組織的大部分組織的設計；針織物組織及花型設計，主要是提花型和結(jié)構花型的設計與開發(fā)；紡織品印花圖案設計，對設計好的組織通過計算機實現(xiàn)花紋圖案的印染；以及服裝計算機輔助設計，包含著服 裝設計所有部分，例如服裝款型設計，服裝工藝設計和服裝結(jié)構設計等 14。 （ 1）織物組織的設計：包含著組織圖形的繪制、組織圖的運算及自動生成、通過不同組織排列合成新組織或繪制新組織、以及在文件庫中直接調(diào)用。最大的優(yōu)點就是簡單直觀的將設計者的作品快速顯示。支持對輸入的組織圖進行關系矩陣分析，并生成穿棕圖、紋板圖、穿筘方案或者根據(jù)穿筘圖、紋板圖生成組織圖。 （ 2）織物的紗線設計，通過對設計者所需要使用的各式紗線的仿真，包括普通紗線，混色紗線及花式紗線的仿真 。 通過對織物中紗線的顏色、捻向、捻度進行設 計，根據(jù)一些存在參數(shù)繪制紗線仿真圖形，有的可以模擬出紗線的絨毛。同時生成的紗線圖像可以存進數(shù)據(jù)庫，以便日后操作調(diào)用。 （ 3）織物外觀的模擬，在織物組織和紗線模設計完成后，根據(jù)選定的參數(shù)，對織物進行一個模擬外觀仿真，設計者通過仿真可以觀察到產(chǎn)品的真實效果，這樣可以節(jié)省打小樣的成本與時間。 （ 4）織物的工藝設計，根據(jù)設置所選定的參數(shù)，系統(tǒng)自動計算筘幅、筘號等。 1 緒論 4 現(xiàn)有的織物 對織物外觀的真實感的模擬基本上停留在平面的基礎上，而我國起步較晚，對織物外觀的真實感的模擬的技術還不完善，目前 的織物觀模擬功能的效果主要缺點就是三維立體感和真實感不夠強。以織物的最終效果來指導織物設計是未來設計的路線，同時還能使設計師能夠通過虛擬現(xiàn)實仿真體驗織物的最終效果 15，以前這種希望只有在試生產(chǎn)織物小樣并制作成織物后才能實現(xiàn)，因此開發(fā)出能夠真實模擬織物外觀效果的 在必行。 織 內(nèi)外發(fā)展狀況 對于紡織品的第一印象，大多數(shù)會第一時間想到的是紡織品的紗線、纖維、染配色或者制作工藝，這些對于產(chǎn)品的創(chuàng)新來說頗為重要，但是如何及時根據(jù)消費者需求動態(tài)、市場供給導向做出快速反應對于才是迅速占領 份額的關鍵。從很大程度上講， 術在紡織行業(yè)就是扮演了這樣的一個角色，是企業(yè)能夠快速設計和更新產(chǎn)品 16。 織物模擬領域，由于計算機在國外的紡織行業(yè)中普及較早，在此領域的研究及開發(fā)的時間也遠比國內(nèi)早，因此研究水平處于領先。如美國和德國很早就開發(fā)出了能夠模擬織物組織的三維效果圖的機織物 美國羅姆公司的機織物統(tǒng)，能設計合適的各種織物顏色、規(guī)格、圖案，滿足不同用戶的不同要求；德國 司開發(fā)的 統(tǒng)能夠在紗線開發(fā)的基礎上模塊化操作，對模塊進行顏色紋理初始化，并在仿真中進行 調(diào)用修改； 械制造公司研發(fā)的人機互動開放式提花 統(tǒng)能夠模擬開發(fā)各種多種提花圖形，在設備終端上予以顯示，同時設計者能夠以光標等形式進行快捷修改；在多臂機上，蘇格蘭紡織學院研發(fā)的計算機輔助設計系統(tǒng)，能夠提供大面積的圖案設計區(qū)域，并能真實的模擬出織物的表面質(zhì)感； 司研發(fā)的織物仿真系統(tǒng)能夠?qū)椢锛喚€的細小紋理做完美的示意，其中紗線的路徑、織物整體的外觀絨質(zhì)感、紗線空間的偏移與隱藏等織物多種表面的外觀特點。 國內(nèi)方面由于起步相比國外晚，開始是從國外例如美國格柏（ 司引進一些系統(tǒng)進行 學習分析。同時，國內(nèi)不少于 10 家的科研院所、高等院校在國外產(chǎn)品的基礎上消化吸收，再開發(fā)一批我國有自主知識產(chǎn)權的系統(tǒng)。這些單位經(jīng)過多年的市場競爭，目前軟件擁有了比較完善的功能，亦具有相當?shù)氖袌鲆?guī)模。例如杭州愛科公司、原航天部 710 所等；在印花 ，應用較多的出現(xiàn)在棉印、絲綢、裝飾、巾被等廠家。例如杭州凱地絲綢公司在應用 后，印制出的真絲掛歷、壁畫、真絲報紙等、文字清晰、圖片精美。傳統(tǒng)人工很難達到這樣的高度；紋織物的 統(tǒng)受歡迎的有山東寶鈴公司、浙江大學紋織 用廠家有北京毛巾廠、青島毛 巾廠、南充絲綢集團等；在織物 面，有中國紡織科學院研究開發(fā)的織物組織 統(tǒng)、上海毛麻研究所等都有1 緒論 5 著廣泛的應用范圍。在最終織物布面效果應用方面，上海印染技術研究所和石家莊第一印染廠的技術發(fā)展較快，可以通過虛擬試衣展示圖案人體穿著效果。 織 來的發(fā)展及存在問題 通過計算機對織物的外觀特性進行三維仿真模擬，就需要與紡織品 時還要和我國紡織 未來的發(fā)展趨勢保持統(tǒng)一。需要注意的是，紡織品 統(tǒng)的飛快迅猛發(fā)展，并非是紡織業(yè)的高速發(fā)展而帶動的， 而是因為計算機技術的世界范圍的更新，這樣 統(tǒng)中紡織技術的含量還不是很高。如果不仔細地研究紡織的獨特之處，區(qū)別出其他行業(yè)，否則紡織 只能處在淺層的應用方面，達不到真實、實用的地步。紡織 好的推廣及普及紡織 統(tǒng)，以后的發(fā)展趨勢應該包含以下幾個方面： （ 1）使 算機輔助設計 )、 算機輔助工藝過程設計 )、 算機輔助設計 )更好的實現(xiàn)無縫連接，讓不同系統(tǒng)之間信息的傳遞更加快捷準確，最大限度提高紡織產(chǎn)品的設計生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品設計與生產(chǎn)周期。同時需要系統(tǒng)高度集成， 可使設計與生產(chǎn)過程自由的轉(zhuǎn)換，設計者隨時可以對方案進行微調(diào)，一方面不用到車間就能了解到生產(chǎn)情況，提高產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面也方便廠家實施全自動生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。 （ 2） 紡織 服裝 織 者印花 統(tǒng)的組合。設計者不僅可以看到織物的外觀效果，而且還可以看到所設計產(chǎn)品針對不同樣式的服裝的最終的外觀模擬。 （ 3） 趨于網(wǎng)絡的發(fā)展。隨著因特網(wǎng)的在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，企業(yè)也應該充分利用網(wǎng)絡信息交換速率快的優(yōu)勢，對企業(yè)內(nèi)部實現(xiàn)資源信息共享，對企業(yè)內(nèi)部的資源進行合理調(diào)動與配置，和諧調(diào)用 企業(yè)內(nèi)部資源。同樣，為了利于最終產(chǎn)品的推廣和終端的銷售，方便對客戶信息的反饋收集，紡織品 軟件系統(tǒng)還要支持聯(lián)網(wǎng)，這也是未來發(fā)展的重點。 （ 4）往智能方向發(fā)展。開發(fā)出一套能進行自我學習自我記憶的功能的系統(tǒng)一直是紡織 發(fā)展方向。當只需向系統(tǒng)輸入要設計織物的幾個關鍵字，系統(tǒng)就能準確而迅速的將方案設計出，設計者只需在此基礎上查缺補漏，完善設計。這樣的智能系統(tǒng)不僅能降低開發(fā)設計難度，而且能極大的提高新產(chǎn)品的開發(fā)周期與效率。 （ 5）企業(yè)信息化發(fā)展。通過系統(tǒng)，使企業(yè)中的各個環(huán)節(jié)或者因素能有效的結(jié)合，包含供應商、客戶及企業(yè)內(nèi)部、各環(huán)節(jié)的信息集成，實現(xiàn)資源共享和前臺到后勤的信息暢通，從材料的采購到產(chǎn)品的生產(chǎn)，從物流的配送終端的銷售，提高企業(yè)快速反應能力。 1 緒論 6 同時還有一些其他的發(fā)展，例如對織物最終應用效果顯示，比如模特穿著效果 ,或作為床單、被套、窗簾、桌墻布等的室內(nèi)裝潢效果圖；直接與紡織機械接口，設計文件和數(shù)據(jù)文件直接輸入紡織機械電子控制模塊進行生產(chǎn) ,即產(chǎn)生成 17。 物仿真的存在的問題 通過以上的介紹，可以看出，機織物外觀模擬是機織 統(tǒng)的一項重要功能，一方面能使設計者充 分理解織物的真正結(jié)構，另一方面仿真又能減少織小樣所帶來的時間與材料的消耗，節(jié)約不必要的成本。常見的二維平面仿真方法有：配色模紋法、紗線紋理設計的外觀模擬法、織物空間結(jié)構與光亮度計算的織物模擬法等 18,19,20,21。 這些方法所模擬出的效果與真實情況相比，存在著較大的缺陷，對織物內(nèi)紗線的空間交織不能完美呈現(xiàn)，也不能清楚的展現(xiàn)織物的紋理特征。因此，國內(nèi)很多科研機構、高等院校相繼開展了機織物的三維仿真模擬研究，也有一些成果問世： H Y A B 樣條曲線為基礎，以圓形模擬織物中紗線的橫截面，計算出不同密度、不同屈曲波高的簡單組織織物，并進行仿真模擬 22。 i 用 術 (計算機輔助幾何設計 將紗線簡化成實心狀圓柱體，用三角函數(shù)曲線建立經(jīng)緯紗線的縱向屈曲形態(tài)，紗線截面設定圓型、橢圓型、跑道型三種形態(tài)，分別進行織物的計算機仿真 23。 鄭天勇教授在他的博士學位論文中，詳細分析了機織物的組織結(jié)構，充分肯定織物組織中浮長線的重要作用，對組織的凹凸、花紋的形成有相當重要的影響：浮長線在組織中產(chǎn)生對紗線一個 分離、拉攏作用，導致紗線在織物中凹陷或凸起；或者使同一浮長線覆蓋下的另一個系統(tǒng)的幾根紗線產(chǎn)生移位現(xiàn)象；或者將處在不同浮長線內(nèi)另一個系統(tǒng)的多跟紗線拉伸開甚至擠壓成孔洞狀；理論上浮長越長，此浮長處經(jīng)緯紗線在三維場景中 Z 方向上的凹凸程度越大。以 3 次 B 樣條曲線模擬紗線的屈曲形態(tài)?？椢锉砻娴墓庹彰靼党潭葎t運用 照模型進行計算，一方面繪制通過組織和光照呈現(xiàn)出織物表面的凹凸狀況、紗線的屈曲和紗線原材質(zhì)，一方面又以消隱技術完善空間中不可見紗線的遮擋與消除，得到織物的三維模擬仿真圖 24。 王君澤等采用在 形平臺上的 言編程，分析織物中紗線受到的三種屈曲力：使紗線發(fā)生起伏的垂直于織物表面的力、與織物表面平行但分別垂直經(jīng)緯紗線的力，并建立了相應的紗線受力模型。在此基礎上，建立紗線的三次 B 樣條曲線，結(jié)合圓形的紗線截面完成對經(jīng)緯紗線空間交織狀態(tài)的三維模擬 25。 1 緒論 7 劉基宏等從設計三維紗線總體框架開始，通過織物組織結(jié)構參數(shù)和紗線參數(shù)建立紗線中心的控制點，以線段方式連接控制點組成紗線屈曲形態(tài)中心軸曲線，構造出紗線在三維空間的交織狀態(tài)。以紗線為中心，在紗線周圍取 15 個不 同的二維坐標點進行，再將這些點彼此首尾相接構成紗線的的截面形態(tài)。在 于紗線表面紋理則采用位圖讀入的方式，位圖文件來自對紗線紋理圖片的掃描 26。 吳奕立、顏鋼鋒運用正弦函數(shù)描述紗線軸心線屈曲狀態(tài)，定義紗線截面形態(tài)為橢圓形，光照采用 準模型 型，通過對紗線表面各個結(jié)構點的分析，計算出光照的一系列的參數(shù)，得到紗線表面的每個點的明暗度 43。利用正余弦 方程構造紗線屈曲方程能模擬出紗線的形態(tài)，但與織物內(nèi)紗線實際的屈曲狀態(tài)不完全重合，而且應用范圍較小。 諸葛振榮采用 +臺下結(jié)合 數(shù)庫進行模擬，理論依據(jù)為緯紗大多數(shù)粗過經(jīng)紗很多，跟經(jīng)紗相比，看起來緯紗的彎曲度要比經(jīng)紗小很多，故假定緯紗無彎曲，認為經(jīng)紗圍繞緯紗上下波動。組織的不同導致緯紗分層，判斷在同一層的緯紗，在顯示時可按紗線在同軸線同一水平面上進行計算，不同層次的緯線之間應留有相當?shù)目障?，以便觀察紗線的交織關系。以 立三維坐標下的幾何模 型，最后經(jīng)、緯紗線的表示為一個個圓柱體套接起來的方式完成對織物經(jīng)緯紗的三維模擬 27。 祝雙武以可視化面向?qū)ο蟪绦蛘Z言 為開發(fā)工具，并建立仿真技術統(tǒng)。把經(jīng)紗交織狀態(tài)下紗線軸心線的屈曲形態(tài)看成一條有規(guī)律的三角函數(shù)曲線，紗線的屈曲波高即振幅，是由緯紗的幾何密度和經(jīng)紗的連續(xù)浮點決定的，以橢圓形截面來模擬紗線的截面形態(tài)；系統(tǒng)由圖片文件編輯模塊、組織圖生成模塊和織物外觀模擬模塊三個模塊共同組成 28。 朱華健等人在現(xiàn)已經(jīng)完成的織物模擬平面圖形基礎上，以貼圖方式將平面模擬圖形作為紋理貼在曲面上，從而 達到織物的紋理效果。利用 面，構造織物的褶皺卷曲形態(tài)。最后利用 術，通過視角變換、場景變換等，對織物模擬效果進行全方位、多角度的模擬 29。 蘇州大學的秦芳采用多項式擬合對紗線的中心軸曲線進行模擬，曲面采用二次曲面方程構造，以 +合 像開發(fā)庫實現(xiàn)三維圖像的繪制、轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)等。以多項式函數(shù)表達形式上看起來也較簡單，而且便于計算和模擬 30。非平紋組織則在平紋基礎上結(jié)合直線進行繪制，總體效果能夠達到，但是具體細節(jié)方面須待改進。 綜合以上國內(nèi)外的分析，可以 看出，在織物外觀的計算機三維模擬中，總的方向就是首先要分析織物紗線的空間走向，選擇合適方式來進行描述。模擬中大多采用的截面是橢圓或者圓形，屈曲形態(tài)多為三角函數(shù)、 B 樣條曲線或多項式方程 31,32。 1 緒論 8 題的研究內(nèi)容，方法及章節(jié)安排 織物組織是并非是一個二維平面，需要以三維模擬才能更真實的體現(xiàn)出織物中紗線的交織狀況和空間走向；同時織物外觀不僅僅是紗線顏色和材質(zhì)的簡單模擬，還需要考慮到在織物內(nèi)部由于受到各種力導致織物形成凹凸不均的花紋；對紗線的空間走向的模型不能只用 型來解決 33。織物的表面并 非是平平整整，而是一個凹凸起伏狀，這些影響到織物的光照效果，最終影響到織物的實際外觀。顯然，簡單的二維模擬很難表述織物的起伏凹凸的花紋、表面的陰影明暗效果。要能使機織物的模擬更加趨近于織物的真實形態(tài)，就應該采取織物三維模擬方法。 本文的研究內(nèi)容就是建立一些能夠完成對部分織物組織的外觀計算機三維模擬圖像，為進一步模擬比較復雜的織物組織和外觀指導一些有建設性的思路。研究的內(nèi)容如下： （ 1）在 型基礎上，仔細研究機織物幾何結(jié)構模型，通過已知的某些參數(shù)，計算紗線上組織點的初始位置， 計算出由浮長線作用導致 紗線上各組織點的最終位置的三維坐標系中初始位置的偏移量，加上 型計算出的紗線上各個組織點的原始坐標， 再結(jié)合線密度、紗線直徑、紗線壓扁系數(shù)等已知參數(shù)就可以得出最終坐標位置；最終 用曲線擬合的方法，得出紗線的空間幾何形態(tài)。 （ 2）依據(jù)計算機圖形學原理，結(jié)合 照、顏色、材質(zhì)、紋理等設置模型，對織物表面進行顏色添加、場景光照模擬、材質(zhì)的處理，表現(xiàn)出織物表面不同的凹凸程度的明暗程度。 （ 3）對模擬效果進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，使圖像能夠在空間中多視角的展示。 本文研究方法：首先，分析織 物中經(jīng)緯紗線受到擠壓狀態(tài)，得出合適的截面模型；再分析被平行于織物表面卻垂直于經(jīng)緯紗的力以及浮長線因素造成的紗線移位與分離拉攏狀態(tài)，得到紗線的中心軸的屈曲軌跡。然后應用計算機圖形顯示方法，研究織物表面上點的明暗變化規(guī)律，建立織物表面光照模型。通過 對比已有的研究成果，提出改進方案，實現(xiàn)織物外觀的計算機模擬。 本文的章節(jié)安排如下： 第一章 緒論部分，主要闡述當前織物 應用范圍、功能特點、技術水平、以及國內(nèi)外織物仿真模擬的研究部分，和本論文的研究方法和內(nèi)容； 第二章 介紹編程語言 數(shù)應用庫 的應用，以及在本文中的地位； 第三章 介紹機織物的一些特征參數(shù)，在 論的基礎上和浮長線對織物結(jié)構的影響下，尋找合適的能夠模擬出紗線屈曲形態(tài)的數(shù)學描述； 第四章 在 +程工具下，利用 言，編寫程序，實現(xiàn)對織物幾何結(jié)構的模擬，并展示模擬效果； 1 緒論 9 第五章 總結(jié)論文的工作，提出不足之處以及未來的研究方向。 2 編程語言及工具的介紹 10 2 編程語言及工具的介紹 介 開放性圖形庫 由 多家公司聯(lián)合推出的一個以 常被稱為“ 用程序接口， 。這個接口是程序員可以調(diào)用的程序，利用 以編寫很多很強大的圖形，如今已經(jīng)稱為三維圖形的標準， 廣泛的用于游戲，醫(yī)學影像、地理信、氣象模擬等方面，是高性能圖形和交互性場景處理的行業(yè)標準 34。 嚴格來說， 該定義為“一種圖形硬件的軟件接口”。從本質(zhì)上說，是 一個 3D 圖形和模型庫，一方面具有跨平臺的高可移植性，一方面又具有非常快的渲染速度。利用 造出來的 3D 圖像，其視覺質(zhì)量可以接近于光線追蹤儀，符合現(xiàn)實中光學原理，非常適合模擬仿真。 要功能如下： （ 1）建模： 形庫包含基本的點、線、多邊形的繪制函數(shù)，還能提供復雜的三維物體，諸如球體、錐體、多面體、茶壺等，復雜曲線和曲面，例如貝塞爾（ 線和表面、非均勻有理 線來繪制函數(shù)。 （ 2）變換：包括模型、視圖和投影操作，他們由矩陣乘法表示。這些操作包括 旋轉(zhuǎn)、移動、縮放、發(fā)射、正投影和透視投影等 35。 （ 3）顏色模式設置：包含 示模式和顏色索引模式，前者顏色顯示數(shù)量有幀緩沖區(qū)的位平面（ 量決定，每個像素一個位平面表示一位數(shù)據(jù)， 8 個顏色位平面，每個像素便用 8 位來表示，一共可以顯示 28=256 中不用的顏色；后者則類似畫家調(diào)色板混合顏料，準備根據(jù)顏色編號繪制場景。 （ 4）光照和材質(zhì)：屬于 造 3D 圖像的核心所在，可以說正是因為出類拔萃的光照和材質(zhì)功能，才能奠定 形學中強大的地位。光照模型 把光分為 4 種獨立的光：環(huán)境光 (散射光 (鏡面光 (發(fā)射光 (對于某個圖形，可以說它的表面是有顏色的，其顏色是有反射光的材料組成，還必須指定這種材料對于環(huán)境、散射和鏡面光源的散射屬性。 （ 5）紋理貼圖：通過將現(xiàn)實中的圖像，映射到一組多邊形構成的表面上，也可以把它貼到曲面上，還可以在一個或者多個方向重復應用同一個紋理來覆蓋整個表面。另外還可以把紋理圖像自動映射到物體上，用它表示被觀察物體的輪廓線或者其他屬性。從細節(jié)上表現(xiàn)物圖的真實感，是通過 把圖片細節(jié)映射到三維圖形表面來體現(xiàn)。 （ 6）位圖顯示與圖像增強：繪制像素、位圖、字體、圖像，并提供混合、抗鋸齒等明顯增加模擬真實度的操作。 2 編程語言及工具的介紹 11 （ 7）雙緩存動畫：以兩個緩沖區(qū)進行繪圖。 當一個緩沖區(qū)被顯示時，另一個正在進行繪圖。 主要特點在其圖像質(zhì)量高，開發(fā)出的圖像不僅美觀而且真實；擁有國際通用的標準，唯一真正開放性的、獨立性與硬件廠商的跨平臺標準；擁有著良好的可控性與穩(wěn)定性；利用開源性可以隨時的擴充 數(shù)，適應最新的硬件發(fā)展和繪圖要求； 口豐富，程序代碼簡單高效，無需額外更多的封裝信息。 作原理及流程 一個完整的窗口系統(tǒng)的 形處理系統(tǒng)的結(jié)構為：通過最底層的圖形硬件（依賴于硬件，但獨立于硬件），由操作系統(tǒng)進行分配合理的資源，經(jīng)由窗口系統(tǒng)調(diào)用 數(shù)庫，最后實現(xiàn)應用軟件的圖像處理。如圖 示： 圖 形 硬 件操 作 系 統(tǒng)窗 口 系 統(tǒng)O 應 用 軟 件圖 形處理系統(tǒng) 主要的工作 ,就是將二維及三維的物體描繪至幀緩存 示 型的頂點集、線集、多邊形集合）存入求解器， 在求解器中對幾何頂點數(shù)據(jù)進行操作和圖元組裝。很多指令可被安排在顯示列表中 ,通過評價器計算輸入值的多項式函數(shù) ,為近似曲線和曲面等幾何物體提供有效手段。和幾何頂點數(shù)據(jù)不同的圖像像素數(shù)據(jù)（像素集、影像集、位圖集等），是由像素操作后直接入光柵化處理，最后這兩種處理過的數(shù)據(jù)流都寫入幀緩沖器中。幾何頂點數(shù)據(jù)和圖像像素數(shù)據(jù)即可以馬上進行處理，又可以存儲在顯示列表中延遲處理。 2 編程語言及工具的介紹 12 幾 何 頂點 數(shù) 據(jù)圖 像 像素 數(shù) 據(jù)顯 示 列 表求 解 器紋 理 映 射依 次 操 作 定點 和 圖 元 組裝像 素 操 作光柵化逐 個 片 段 操 作列 表幀 緩 存圖 繪制原理 求解器提供了一種方式，只需要用少數(shù)的控制點來制定曲線或 曲面表面（或其中的一部分上的點），就可以按照多項式映射來渲染曲線或曲面。此外還可以自動計算表面的法線向量。還可以按照多種方式使用求職器返回的點，例如繪制點狀表面、繪制線框表面，也可以繪制進行了完全的光、著色甚至紋理處理的表面 36。 求把所有的幾何圖形單元都用頂點來描述，這樣運算器就可以針對每個頂點分別進行計算和操作，然后進行光柵化形成圖形碎片；對于像素數(shù)據(jù)，像素操作結(jié)果被存儲在紋理組裝用的內(nèi)存中，再像幾何頂點操作一樣光柵化形成圖形片元 37。 將幾何頂點數(shù)據(jù)、圖像像素數(shù)據(jù)對應到各自的處理過程 全部由很大數(shù)量的狀態(tài)設定來控制。這些狀態(tài)在整個繪制系統(tǒng)中不會因為設置其中一個狀態(tài)而影響到其他狀態(tài)。這個就是用來更新幀緩存內(nèi)容的狀態(tài)機。 維圖像的顯示 在計算機中顯示圖像，基本步驟包含設置像素格式、建立景物模型、舞臺布景、效果處理，最后經(jīng)光柵化處理存入幀緩沖區(qū)。通過幀緩沖區(qū)就可以將里面存儲的圖像顯示的顯示屏上。 維圖形的繪制 在 ，任何圖元都是一組頂點基本數(shù)組（點集、線集、面集）的集合，然后由這些基本集合組成了計算機屏幕上顯示的任何圖形。 以通過內(nèi)置的 10 種圖元 繪制函數(shù)，包含從最簡單的一點到任意數(shù)量邊的閉合多邊形。具體繪制函數(shù)見表 示： 2 編程語言及工具的介紹 13 表 何圖元的名稱和定義 函數(shù)名 函數(shù)含義 個的點 接兩個頂點，畫一條直線 系列的連接直線 一個頂點和最后一個頂點彼此相連的一系列直線 接三個頂點，成為一個三角形 系列的三角形 接成扇形的三角形系列 接 4個頂點，成為一個四邊形 邊形的連接串 意的 3個以上的點鏈接為簡單的凸多邊形 這些繪制函數(shù)的前提是需要在程序的 和 之間描述了 n 個頂點（ 1,.這些頂點包含的最重要的信息室它們的坐標，這些坐標有 )函數(shù)制定。 34 34v( 此函數(shù)指定了一個用于描述幾何物體的頂點。既可以提供一個只包含 2 個坐標的（ x， y）的頂點，又可以提供包含 4 個坐標（ x,y,z,w）的頂點，如果選擇的函數(shù)版本沒有顯式的指定 z 或 w， z 就會默認 0， w 則當作 1。 當指定好頂點后，就可以利用表 函數(shù)進行繪制基本幾何圖元。可以對頂點進行平滑連接組成直線，或者組成各種多邊形。同時可以對定點的集合進行自定義。例如我們定義函數(shù) )2co s()( e x 為了繪制函數(shù)，可以簡單的在 x 值閉區(qū)間幾何 0,4中進行采樣，頂點坐標就可以用（ x,f(x)）來表示，這樣在沒一個 x 值對應的 f(x)處畫一個點。在連續(xù)的 x 值之間就可以得到一個平滑曲線，算法如下： x=0;x( 在這個函數(shù)中， x 表示參數(shù)的個數(shù)，可以為 3 或 4， 3 個參數(shù)則表示是紅、綠、藍。 4 個參數(shù)則多了個 。 分指定顏色的透明程度。絕大多數(shù)使用 序在指定每種顏色強度時，最小強度用 大強度用 示。 t 表示參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，可以使 b、 d、 f、 i、 s、 別表示字 節(jié)型、雙精度型、浮點型、整型、短整型、無符號字節(jié)型、無符號整型和無符號短整型。 照的設置 光照時圖形具有真實感的基礎。一個沒有光照的物體是很難呈現(xiàn)出三維效果的?？梢韵胂笠幌?，同樣的一塊織物放在陽光下，放在屋子里日光燈下，或者在灰蒙蒙的沒有太陽下的場景下，看到的織物顏色將會完全不同。事實上，如果沒有光照，通過 制的物體根本就像一個三維物體。這就決定了光照在三維模擬中的重要性。 以對場景中物體的光照進行準確的描述，以精確的物理光學特性為原理，模擬出來的物體更加真實。 在 立的光照環(huán)境中 40,41,如果物體自身不發(fā)射光線的話，一般會受到三種光：環(huán)境光（ 散射光（ 鏡面光（ 發(fā)射光（ 1） 環(huán)境光（ 也稱為背景光。其來源不確定，并非是直接在光源下被照射，只要周圍有物體被照明，就能夠被看見。當環(huán)境光照射到物體表2 編程語言及工具的介紹 19 面時，會使光線向房間中或場景中四處反射，沒有方向性。在場景中，被環(huán)境光照射的物體亮度均勻。 用漫反射參數(shù) 射光線中被漫反 射部分的百分比，取值來源于物體的材質(zhì)，范圍為大于等于 0，小于等于 1。 環(huán)境光的漫反射公式是： 式（ 2） 散射光（ 也叫漫反射光，來自于某個方向。如果從正面對模擬物體進行照射，會發(fā)現(xiàn)其亮度比別處更亮；反之。如果光照時斜著掠過表面，看起來就是暗淡。但是，同環(huán)境光一樣，當光線撞擊表面時，也會均勻地向所有方向進行發(fā)散。 對 于織物來說，其散射光可以理解為 ,場景中某特定方向與強度的光源，照射在紗線表面，表面發(fā)射的光向周圍各個方向均勻反射，散射光強度與織物自身的屬性和光源的位置有關 ,與觀察者視角無關。根據(jù)郎伯定律 41:對于一個漫反反射體 ,表面的反射光亮度和點光源入射角的余弦成正比 ,即 : dd )2,0( i 式（ 這里 ,i 為點光源的入射角，即入射光線與物體表面光點發(fā)向量之間的夾角。 真實物體是肯定會受到環(huán)境光的照射。因此實際的漫反射量為： c o )2,0( i 式（ 物體表面的亮度還與光源到表面的距離有關。按照常識，觀察者對光源距離越遠，光強度越弱 。理想光照模式是物體表面的光照強度與光源到物體該表面的距離的平方成反比，實際情況中，物體表面的亮度在距離上的衰減規(guī)律呈線性分布，則此時可以得到光照模型公式： KD c o s )2,0( i 式（ K 為常數(shù)， D 為物體表面到點光源的距離。 3）鏡面光（ 來自特定的方向，幾乎將所有入射光全部反射，類似與從一面高質(zhì) 量的鏡子反射回的情景。具有光澤的金屬或者塑料具有非常高的鏡面成分，而粉筆，地毯則幾乎不存在鏡面成分。鏡面反射可以在物體表面產(chǎn)生高亮度或者一個亮點，即所謂的“高光”效應 42。 對于大多數(shù)織物 ,紗線表面看作是一面面微小的“鏡子”組成，隨著織物紗線的起伏，“鏡子”所面對的方向也跟著變化，這些“鏡子”按照鏡面反射定律，將射向紗線表面的光發(fā)射到周圍。鏡面反射的公式一般如下： 2 編程語言及工具的介紹 20 IE 2,0j 式（ j 為入射角 i 的余角， n 為鏡面反射光的匯聚指數(shù)， n 值與物體表面自身材質(zhì)有關聯(lián)，越粗糙的物體越小，越光滑的物體越大。 4）發(fā)射光（ 模擬源自某些物體的光。在 照模型中，表面的發(fā)射光可以增加物體的強度，但是它不受任何光源的影響。另外在整體場景中，發(fā)射光也沒有起到作為一種額外的光照?？梢杂靡粋€光強 示就行。 當物體表面被多個光源同時照射時，其表面光照強度為多種光源共同疊加的效果。因此完整的基本光照模型表示如下： s 321 式（ 光照函數(shù)的使用如下： 函數(shù)中 定要求查詢是哪個光源。范圍從 0 到 8，表示開啟幾號光源； 定所查詢的是光源的屬性。具體屬性見表 表 照模型 數(shù)列表 參數(shù)名 意義 境光強度變量 射光強度變量 面光強度變量 源位置的坐標 向聚光燈的方向 光指數(shù) 光燈的切割角度值 常量衰減值 線性衰減值 二次衰減值 2 編程語言及工具的介紹 21 質(zhì)的設置 創(chuàng)建了光源之后，就需要設置一些材料屬性，這樣繪制的物體才能反射光線。一般來說一個物體呈現(xiàn)某種顏色，并不是