织物计算机模拟设计的实现.pdf
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1、第2 5 卷第6 期 纺织学报v 。1 2 5 N o 6 2 0 0 4 年1 2 月 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h D e c 2 0 0 4 织物计算机模拟设计的实现 张森林姜位洪 ( 浙江大学电气工程学院,杭州,3 1 0 0 2 7 ) 摘要:描述了织物计算机模拟设计实现的总体结构,着重从织物纱线的结构人手,采用计算机图形学、计算机图像处理技术、以 及人工智能技术将各个主要因素数字化、模型化,并充分考虑环境因素的影响,提出了基于H s L R G B 颜色空间转换进行光照效果 处理的表面光照模型和快速表里分层的组织结构分析算法。
2、实现了对织物外观的模拟,从而使模拟效果具有较强的真实感。另 外采用活动模板库技术有效地减少了算法的运行时间。 关键词:织物模拟光照模型活动模板库 中圈分类号:T s1 0 5 1 1 2文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 2 0 0 4 ) 0 6 0 0 8 l 0 4 随着计算机辅助设计与自动化技术在纺织行业 的广泛应用,国外早在2 0 世纪8 0 年代便开始了对 织物模拟的研究,时至今日,计算机图形学及计算机 软件技术日趋成熟,当前织物c A D 主流产品中一般 都包含织物模拟功能,德国E A T 公司的产品较 为成熟,其织物模拟功能完善,效果较好。但也存在 着一些问
3、题。如对一些复杂织物( 多层) 的模拟效果 也不是非常逼真,操作较为复杂,而且其产品使用 L i n u x 操作系统,与主流的W i n d o w s 系统不兼容,同 时国外的软件在国内应用,没有汉字界面、度量单位 不一致。国内的绝大部分织物c A D 系统针对大提 花织物的模拟基本是按照横、纵两个方向对织物组 织进行延伸来实现,其模拟效果远不能让人满意。 因此急需研究适合我国特色的织物模拟软件来满足 众多厂家的需求。 织物计算机模拟设计的核心就是通过织物的一 些几何特性和物理参数,用计算机绘制出这样的一 个织物实体,由于真实的织物是一个三维物体,因 此,织物模拟必须从织物的几何结构人手,
4、对织物组 织进行分析并充分考虑织物的三维特性,建立纱线 和织物的表面光照模型,其本质是要精确建立织物 的空间结构以及各织造参数等信息到计算机二维显 示平面各点颜色值的映射关系。以下就系统的主要 功能模块的开发与算法实现原理进行详细阐述。 1 纺织品设计虚拟平台的总体结构 织物模拟c A D 系统的总体结构如图1 所示。 负荷下的变形性能也已影响到服装生产加工及其成 2 型性,而且舒适性、外观保持性能比较差,2 ”布样的 服用性能影响程度小一些。3 。、44 布样的屏蔽性能 能够满足一般设备的防护要求,它们的服用性能比4 常规织物有所下降,但影响程度比较小。因此,作为 防电磁波辐射的功能性服装,
5、如果为大功能射频设 备的强场防护服,不锈钢纤维的比例在2 0 以上, 。 超过3 0 在服装加工缝纫中会带来一些难度,如果 为一般设备的防护服,不锈钢纤维的比例控制在6 5 1 5 为宜。 7 参考文献 1黄明道电磁波屏蔽织物的开发染化杂志,2 0 0 2 ( 2 1 2 ) :1 9 2 1 8 图1 织物设计虚拟现实平台的系统结构图 F i b e r st oA b s o r bE l e c t m m a g n e t i cR a d i a t i o nf 如mE l e c t r o n i cD e V i c e s H i g hP e 南r n l 8 n c
6、eT e x t i l e ,1 9 9 8 ( 1 0 ) :1 刘让同金属短纤维可纺性及其摩擦系数的探讨纺织中心期 刊,2 0 0 2 ( 6 ) :1 4 6 一1 5 0 K B C h e n ge ta 1 E l e c t m m g n e t i cS h i e l d i n gE f 耗c t i v e n e s so fS t a i n l e s s S t e e l P o l ”s t e rW o v e n 胁r i c s T e x d l eR e s e a r c hJ o 哪a l ,2 0 0 l ( 1 ) :4 2 4 8 赵玉
7、峰等抗静电、防电磁辐射织物与服装功能性指标要求与检 测技术第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集, 2 0 0 2 :1 5 2 1 6 2 王府梅服装面料的性能设计上海:中国纺织大学出版社, 2 0 0 0 :8 2 0 杨建忠等新型纺织材料及应用上海:东华大学出版社,2 0 0 3 : 1 7 8 1 8 9 赵书经纺织材料实验教程北京:中国纺织出版社,1 9 9 5 :3 5 6 3 9 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【8 2 】
8、 纺织学报 2 0 0 4 年第6 期 图1 中的织物组织设计模块能针对各类型组织 提供相应的设计、修改、复制等功能,并最终将织物 组织信息和编织信息以标准文件的形式输出;纱线 模拟模块主要是针对不同种类的纱线材质类型、纱 线属性以及纱线本身的光泽效应运用计算机图形学 技术建立纱线模型,然后结合纱线模拟算法运算并 最终在计算机屏幕上输出其模拟效果,并定义纱线 文件的数据结构类型以便保存;环境信息模块主要 是对各模拟参数进行设定,如织机信息、环境光源、 纱线选取及其排列方式和经纬密度等;织物模拟模 块是整个系统的核心部分,主要是根据织物的组织 信息、编织信息以及各模拟参数值分析,判断并提取 出织
9、物的表层信息,并在纱线模拟模块的基础上,结 合织物模拟算法进一步细化表达织物的表面阴影和 立体效果,生成模拟效果图。 2基于H S L ,R G B 颜色空间转换的纱线模拟 2 1 纱线的绘制方法 以往的纱线的计算机模拟基本上都是采用色块 填充的方式,这种方法绘制的纱线是一种平面的效 果,没有光照效果,只是外形比较相似而已,这将直 接影响后面的织物模拟效果,其它的一些方法诸如 倾斜放置小长方块模拟纱线加捻,由于不能够很好 地解决纱线的光照效果问题,也不是很理想。本文 提出一种基于纱线参数和颜色空间转换的纱线绘制 方法,该方法绘制简单、快速,模拟效果也很好。 纱线的捻向分z 捻、S 捻。不同的加
10、捻方式导 致纱线的表面形成捻纹,股纱比单纱有更明显的捻 纹,特别是用异色单纱加捻而成的股纱,捻纹更加明 显。单股未加捻纱线近似为柱状模型,其截面 见图2 。 A , b 厂八。 亮度I 。 。 与中心成( Q Y 肭处 Q1 角鏖 图2 单股未加捻纱线柱状模型围3 纱线表面亮魇过渡曲线 图2 中A 为光入射方向,6 和c 为纱线的边 缘,根据视觉原理,柱状物体的中部明显要亮于边缘 部位,也就是整个亮度值是由顶端口处向边缘6 、c 两处递减,递减的幅度一般是按照余弦规律变化,假 如在a 处的亮度值为厶,根据余弦变化的过渡曲线 得到与中心成夹角p 的e 处亮度值为: L 。= I ,o c o s
11、 口( 1 ) 纱线表面的亮度过渡曲线如图3 所示。 2 2 单股纱线模型 考虑到单股未加捻纱线的柱状模型以及纱线表 面的亮度过渡曲线,这里采用一种基于颜色空问转 化的绘制方法,显示器上显示的图像其实是由R G B 颜色空间的许多像素点组成,R G B 颜色空间可以代 表任何一个颜色值,但是它却不能够体现颜色亮度 的变化规律,必须进行颜色空间的转换,而H s L 颜 色空间也就是色度、饱和度、亮度空间则可以通过调 节L 的值进行相应颜色的亮度控制,由于在绘制时 还是在R G B 空间完成,所以必须再把H s L 空间转换 到R G B 空间,用此时的R G B 值进行纱线的绘制,这 里进行的工
12、作也就是用不同亮度值所代表的颜色画 水平直线,相邻两条直线的、s 分量是相同的,而 分量则符合余弦变换规律,经过这种方法绘制的 纱线中间亮边缘暗,在视觉效果上有非常不错的3 D 效果,如图4 所示。 图4 纱线光照柱状效果图 2 3 多股纱线模型 对于多股加捻纱线的绘制,原理与单股纱线的 绘制一样,只是由于要体现每一股纱线的明暗效果 和倾斜效果,也要体现多股纱线整体的明暗效果,因 而在绘制时分为2 块:一是每一股色纱的绘制,二是 多股纱线整体明暗效果处理。根据多股纱线的各个 参数:线密度、股数、捻度、捻向等,结合R G B 和H s L 颜色空间转换模型进行绘制,根据捻度值得到的捻 角来画斜直
13、线,两边平行的斜直线亮度值按照余弦 规律递减。视觉上的效果就是每一股纱线中间最 亮,亮度值向两边递减,每一股色纱绘制好以后接下 来便是整体的明暗效果处理,整体的明暗效果的处 理和单股未加捻纱线的处理的方法一样:用不同的 亮度值的颜色画一系列平行于最大亮度值水平线的 直线,其亮度值从中间向两边的方向余弦递减,绘制 出的效果如图5 所示。 图5 加捻纱线模拟图 由于纱线的种类不同,会有长短不一的毛绒。 此时,可循环绘制亮度递减的斜线之后再沿纱线直 径方向进行亮度递减的处理;并采用扩散算法( 即以 像素点周围8 个像素点的颜色值来对当前像素点的 颜色值进行随机替代) 体现纱线的毛绒效果,毛绒长 万方
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