楊 樺，仝曉婷，馮 岑.2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

基于3DS MAX機(jī)織物組織三維模擬的理論設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 樺1，仝曉婷1，馮 岑1.2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

基于3DS MAX9.0軟件平臺(tái)，運(yùn)用其內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)織物組織全自動(dòng)三維模擬系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)三維模擬效果。提出采用織物結(jié)構(gòu)Peirce模型和浮長(zhǎng)線(xiàn)相結(jié)合的方法作為相應(yīng)的理論支持，探討和建立了織物組織結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和表達(dá)要素的方法。通過(guò)建立的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型編寫(xiě)的各類(lèi)不同組織的通用代碼，再由服務(wù)器端生成代碼實(shí)現(xiàn)織物組織三維模擬效果。

3DS MAX；織物結(jié)構(gòu)；三維模擬；理論設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)技術(shù)越來(lái)越普遍地在紡織行業(yè)中應(yīng)用，特別是織物的三維模擬已成為研究的核心方向。當(dāng)前織物的三維模擬方法有：基于HSL/RGB顏色空間轉(zhuǎn)換進(jìn)行光照效果處理的表面光照模型和快速表里分層的組織結(jié)構(gòu)分析算法，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)織物外觀的模擬[1]；在采用VC編程環(huán)境下，結(jié)合OpenGL圖形函數(shù)庫(kù)繪制圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)織物結(jié)構(gòu)的三維模擬[2]；在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用VRML和Java圖形技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)織物計(jì)算機(jī)三維模擬系統(tǒng)[3]；基于織物結(jié)構(gòu)的Peirce模型，借助于Visual C++與OpenGL開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)織物的三維模擬[4]。本研究提出運(yùn)用3DS MAX9.0三維圖形工具軟件包，借助其內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)良好的織物三維展示界面平臺(tái)。為了開(kāi)發(fā)相應(yīng)的三維模擬軟件，必須建立適合各種機(jī)織物的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算機(jī)織物結(jié)構(gòu)和紗線(xiàn)的空間構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)三原組織、變化組織和部分聯(lián)合組織結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)化模擬。

1 3DS MAX程序的模塊設(shè)計(jì)與環(huán)境

3DS MAX可簡(jiǎn)化建立復(fù)雜模型所使用的數(shù)據(jù)，采用它建模具有很好的三維模擬效果[5]。其可以通過(guò)調(diào)節(jié)顏色、發(fā)光程度、透明程度和反光程度等特性參數(shù)，逼真地模擬織物組織結(jié)構(gòu)的形成。相對(duì)于OpenGL三維圖形系統(tǒng)，在使用性、光照模型、紋理渲染效果等方面都要強(qiáng)很多。本研究使用3DS MAX9.0自帶的腳本語(yǔ)言MaxScript進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)織物的三維模擬。它不但擁有一般程序語(yǔ)言的所有特點(diǎn)，還能在程序內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎所有在3DS MAX界面下的交互操作，功能非常強(qiáng)大，可以很方便快捷地建立宏程序[6]，在織物組織的模擬中，有大量重復(fù)的動(dòng)作，宏的靈活使用將大大加快程序的開(kāi)發(fā)。

本程序開(kāi)發(fā)的主要功能是組織結(jié)構(gòu)的三維模擬，其前提是借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件功能的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線(xiàn)和織物結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)和演示。其模塊包括前臺(tái)數(shù)據(jù)的輸入和輸出模塊、代碼生成模塊(包括各類(lèi)不同組織生成通用代碼)、服務(wù)器端模擬效果圖生成模塊等。

建模代碼是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。為了取得比較好的模擬效果，需要獲取所有的組織參數(shù)，包括組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度、上下飛數(shù)、結(jié)構(gòu)相等，根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，將參數(shù)規(guī)范化，通過(guò)組織結(jié)構(gòu)的源代碼模板，將模板中的參變量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)替換，由組織名生成建模代碼文件。結(jié)合建立的包含組織結(jié)構(gòu)線(xiàn)段生成、經(jīng)緯纖度渲染和顏色渲染及光照處理等內(nèi)容的三維模型生成通用代碼模板，通過(guò)三維圖像處理軟件3DS MAX內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript執(zhí)行程序代碼，自動(dòng)生成相關(guān)的織物組織模擬圖。

2 織物組織三維建模的理論支持

目前結(jié)構(gòu)模型建立方法主要有：依據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)織物結(jié)構(gòu)的Peirce模型建立和以浮長(zhǎng)線(xiàn)為基礎(chǔ)來(lái)研究機(jī)織物結(jié)構(gòu)和外觀形成原理。比較這兩種結(jié)構(gòu)模型建立方法，可以發(fā)現(xiàn)，第二種方法充分考慮到了浮長(zhǎng)線(xiàn)在織物組織中的作用，可以很好地表現(xiàn)出織物組織表面的凹凸和明暗效果，可以相對(duì)較好地形成織物的質(zhì)感和立體感。本研究在組織建模上采用了Peirce模型與浮長(zhǎng)線(xiàn)相結(jié)合的方法。

2.1 織物的幾何結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)是指經(jīng)、緯紗線(xiàn)在織物中交織的空間形態(tài)關(guān)系。織物結(jié)構(gòu)對(duì)織物的外觀、性能都有很大影響。由于構(gòu)成織物的經(jīng)、緯紗線(xiàn)屬于黏彈性材料，在形成織物前，都在一定的張力下呈伸直狀態(tài)；但交織成織物后，便會(huì)由原來(lái)的直線(xiàn)狀態(tài)變?yōu)椴ㄐ吻鸂顟B(tài)，而形成不同結(jié)構(gòu)的織物。圖1為織物中經(jīng)、緯紗空間屈曲形態(tài)的示意圖[7]。

2.2 織物幾何結(jié)構(gòu)的Peirce理論

Peirce理論可以用圖2所示的幾何模型進(jìn)行表達(dá)。Peirce假設(shè)織物中的經(jīng)緯紗是具有圓形截面、既不可伸長(zhǎng)又不可壓縮的完全柔軟的物體，在經(jīng)緯紗相互包覆屈曲之處，應(yīng)具有圓弧形狀，其余為直線(xiàn)段。圖2列出了9個(gè)變量：經(jīng)緯紗直徑dj、dw，及兩者之和D，屈曲波高h(yuǎn)j、hw，曲線(xiàn)紗線(xiàn)長(zhǎng)度Lj，交織角θj，幾何密度ρj、ρw。Peirce理論的近似式如下：

在實(shí)際應(yīng)用中，因Cj、Cw，和ρj、ρw比較容易獲得，所以使用Peirce的近似式可以對(duì)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)做出估算[7]?？椢锛喚€(xiàn)構(gòu)型主要由屈曲波形和給定位置的紗線(xiàn)橫截面決定，可以通過(guò)組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度、紗線(xiàn)直徑等參數(shù)，計(jì)算出紗線(xiàn)的屈曲波高、幾何密度和紗線(xiàn)的渲染直徑。紗線(xiàn)的參數(shù)是否在可織范圍，參數(shù)估算得是否準(zhǔn)確，是模擬效果是否真實(shí)的必要前提。

圖1 織物中經(jīng)、緯紗線(xiàn)的空間屈曲形態(tài)Fig.1 Space buckling shape of warp-weft in fabric

圖2 織物幾何結(jié)構(gòu)的Peirce模型Fig.2 Peirce model of fabric geometric structure

3 織物幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的設(shè)計(jì)與表達(dá)

3.1 經(jīng)緯屈曲波高和幾何結(jié)構(gòu)相

織物經(jīng)、緯紗的屈曲程度是影響織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，只有通過(guò)對(duì)織物結(jié)構(gòu)屈曲波高較為準(zhǔn)確地估算，才能較好地模擬出織物的結(jié)構(gòu)三維圖，才能在4個(gè)視圖(俯視圖、左視圖、前視圖、透視圖)中都能對(duì)組織結(jié)構(gòu)有很好的表達(dá)。

3.1.1 織物厚度和支持面

織物中經(jīng)、緯紗屈曲波高會(huì)影響織物厚度和支持面。織物中的3種交織狀態(tài)反映了3種支持面：經(jīng)紗與織物正、反表面接觸的經(jīng)支持面，緯紗與織物正、反表面接觸的緯支持面，經(jīng)、緯紗均與織物正、反表面接觸的等支持面。

在基于織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系的應(yīng)用與分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)發(fā)程序算法，可以很方便地獲取織物厚度的量化值，并且通過(guò)左視圖和前視圖可以很直觀地反映出織物的厚度。圖3為經(jīng)緯纖度不等的基礎(chǔ)平紋的左視圖和前視圖，可以很容易地觀察出織物的厚度和支持面。

圖3 平紋三維模擬Fig.3 Three-dimensional simulation of plain weave

3.1.2 織物幾何結(jié)構(gòu)相

幾何結(jié)構(gòu)相指經(jīng)、緯紗屈曲波高的配合狀況?？椢锝?jīng)、緯紗屈曲波高h(yuǎn)j和hw是互相制約的一對(duì)參數(shù)。為了便于研究，將經(jīng)、緯紗直徑之和(dj＋dw)等分為0、1/8(dj＋dw)、2/8(dj＋dw)……8/8(dj＋dw)等9個(gè)階序，并把這9個(gè)階序當(dāng)作hj與hw變化的階序。因此，hj與hw互相配合能構(gòu)成9個(gè)結(jié)構(gòu)相。在dj＝dw＝d的條件下，結(jié)構(gòu)相與對(duì)應(yīng)的hj、hw及τ值的關(guān)系如表1所示。

表1 織物結(jié)構(gòu)相與經(jīng)緯屈曲波高(dj＝dw＝d)Tab.1 Fabric structure phase and warp-weft buckling wave height(dj=dw=d)

對(duì)于某一具體織物而言，結(jié)構(gòu)相序號(hào)ψ并不一定正好為整數(shù)，其屈曲波高的關(guān)系如下：

織物結(jié)構(gòu)相的變化是與經(jīng)、緯紗的纖度，經(jīng)、緯密度的配置密切相關(guān)的。在經(jīng)緯同纖度的情況下，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)密大、緯密小的為高結(jié)構(gòu)相經(jīng)支持面，經(jīng)密小、緯密大的則為低結(jié)構(gòu)相緯支持面，經(jīng)緯密度相等的則為第5結(jié)構(gòu)相等支持面。這些在程序所做的模擬圖中都有較為清晰的展示。通過(guò)結(jié)構(gòu)相的調(diào)整，可以方便地改變組織的外觀風(fēng)格，使得CAD輔助設(shè)計(jì)更有效率。

圖4 結(jié)構(gòu)相透視Fig.4 Perspective of structural phase

3.2 交織狀態(tài)與浮長(zhǎng)狀態(tài)

織物經(jīng)、緯屈曲交織形成交織狀態(tài)和浮長(zhǎng)兩部分，交織次數(shù)和平均浮長(zhǎng)便是描述這兩部分結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，它們直接影響織物的交織堅(jiān)固度和手感。在模擬程序中，通過(guò)改變交織狀態(tài)和交織浮長(zhǎng)可以有效地改變織物外觀的模擬效果。

3.2.1 交織狀態(tài)的特征參數(shù)

3.2.1.1 完全組織中的交織次數(shù)

在一個(gè)完全組織中，每根經(jīng)(緯)紗和緯(經(jīng))紗交織，由浮到沉，再由沉到浮，稱(chēng)為一次交織。一次交織包含著由浮到沉和由沉到浮的二次交叉。

3.2.1.2 單位面積中的交織次數(shù)

織物中紗線(xiàn)按一定的密度排列，不同的經(jīng)、緯密度表示織物單位長(zhǎng)度和單位面積中所涵蓋的完全組織數(shù)是不同的，則單位長(zhǎng)度和單位面積中織物的交織次數(shù)即交織密度是不同的。

3.2.1.3 交織面積

若沿織物平面剖開(kāi)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯紗線(xiàn)一次交織有2個(gè)紗線(xiàn)截面。這里定義的交織面積是指在單位面積的織物中所有交織連接紗線(xiàn)的總截面積。

3.2.2 浮長(zhǎng)狀態(tài)的特征參數(shù)

3.2.2.1 平均浮長(zhǎng)

規(guī)則組織的經(jīng)(緯)紗平均浮長(zhǎng)，即每交叉一次所占的平均浮點(diǎn)數(shù)。對(duì)于非規(guī)則組織，由于組織循環(huán)中各根經(jīng)、緯紗交織次數(shù)不等，可以用求和的方法計(jì)算出一個(gè)完全組織中一根經(jīng)(緯)紗的平均浮長(zhǎng)。

3.2.2.2 平均浮點(diǎn)數(shù)

平均浮點(diǎn)數(shù)又稱(chēng)組織系數(shù)，它是描述織物組織松緊程度的又一指標(biāo)。圖5為同樣面積下不同浮長(zhǎng)組織的交織狀態(tài)和模擬圖對(duì)比。

圖5 同面積不同浮長(zhǎng)組織的交織狀態(tài)和模擬Fig.5 Mimic diagram of different fl oat loop and intertwined state with same area

4 三維模型生成通用代碼模板的開(kāi)發(fā)

此模板用于織物組織圖的自動(dòng)生成，包含組織構(gòu)成線(xiàn)段的生成、經(jīng)緯線(xiàn)段的纖度渲染和顏色渲染、場(chǎng)景的光照處理等。模板程序運(yùn)行過(guò)程全自動(dòng)化，程序全代碼化。主體部分為常量，不同的組織結(jié)構(gòu)均有對(duì)應(yīng)的模板代碼，本程序設(shè)置內(nèi)置模板若干。組織參數(shù)部分使用變量控制，此為模板概念的關(guān)鍵，即可以根據(jù)用戶(hù)輸入的不同參數(shù)，自動(dòng)替換相應(yīng)變量，從而生成不同的、用于最終生成模擬圖的建模文件。以通用斜紋代碼模板為例，主要由5個(gè)部分構(gòu)成：

1)直線(xiàn)函數(shù)的定義：MaxScript沒(méi)有直線(xiàn)的函數(shù)，所以需要手動(dòng)編寫(xiě)描繪直線(xiàn)的函數(shù)，方便后面程序的調(diào)用。

2)參數(shù)的獲取和計(jì)算：對(duì)用戶(hù)輸入的織物組織參數(shù)進(jìn)行分析和規(guī)范化，通過(guò)Peirce模型的相關(guān)公式計(jì)算獲得模擬線(xiàn)段各個(gè)點(diǎn)的空間位置。

3)使用MaxScript編程模擬經(jīng)緯線(xiàn)結(jié)構(gòu)：主要是通過(guò)大量的循環(huán)、判斷語(yǔ)句和經(jīng)緯線(xiàn)的浮出部分的弧線(xiàn)和浮長(zhǎng)線(xiàn)繪圖函數(shù)，模擬出織物的組織圖。

4)組織經(jīng)緯線(xiàn)段的渲染和場(chǎng)景光照處理：以纖度渲染、顏色渲染，光源和光強(qiáng)調(diào)整才能獲得真實(shí)的組織結(jié)構(gòu)。

5)整體結(jié)構(gòu)調(diào)整：通過(guò)對(duì)所有線(xiàn)段的組合、旋轉(zhuǎn)、平移，使其能夠以最合適的角度和尺寸表現(xiàn)在渲染場(chǎng)景中。

5 結(jié) 論

1)基于3DS MAX9.0的軟件平臺(tái)，利用其內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript編寫(xiě)部分織物組織結(jié)構(gòu)的通用建模代碼，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)機(jī)織物組織的三維全自動(dòng)化模擬。

2)運(yùn)用Peirce模型作為建模理論，通過(guò)Peirce公式計(jì)算各個(gè)沉浮點(diǎn)的位置，使用圓弧和直線(xiàn)分別模擬連接處的線(xiàn)段和浮長(zhǎng)線(xiàn)。通過(guò)織物幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模的理論表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件編程模擬出織物結(jié)構(gòu)的三維效果圖。

3)以通用斜紋代碼模板為例，說(shuō)明運(yùn)用內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript編寫(xiě)三維模型生成通用代碼模板所必需的5個(gè)部分代碼。

[1]張森林，姜位洪. 織物計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)[J].紡織學(xué)報(bào)，2004，25(6)：82-84.

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Theoretical design and achievement for three-dimensional simulation of fabric weave based on 3DS MAX

YANG Hua1,TONG Xiao-ting1, FENG Cen1,2
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk,Suzhou 215123, China)

An automatic three-dimensional simulation system based on 3DS MAX9.0 software platform and programming of MaxScript was proposed in this paper. This paper adopts the combination with Peirce model and float loop as theory support, and studies the method of fabric weave parameters and expressional elements.Designed versatility codes of different weave through mathematical model. In the end, the effect of threedimensional simulation of fabric weave was accomplished though the codes building in Server-side.

3DS MAX; Fabric structure; Three-dimensional simulation; Theoretical designn

TS105.11；TP391.72

A

1001-7003(2011)04-0024-04

2010-09-27

江蘇省高校研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CX10B-037Z)；江蘇省絲綢工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(KJS0916)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科一期建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2011]6號(hào))

楊樺(1983－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化紡織技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。通訊作者：馮岑，副教授，fengcen@suda.edu.cn。