李麗麗(中國(guó)紡織科學(xué)研究院)

1 引言

織物仿真從紗線仿真開始，紗線模擬設(shè)計(jì)的好壞直接影響織物外觀的模擬效果。在早期的織物仿真CAD系統(tǒng)中，由于紗線設(shè)計(jì)模塊的功能單一，普通的織物模擬沒有考慮到紗線本身的性質(zhì)，一根單顏色的紗線僅用一塊單顏色的色塊來表示，導(dǎo)致最后模擬出來的織物效果沒有立體感，嚴(yán)重失真。尤其是模擬單色織物，出來的效果就是一整塊顏色塊，沒有任何織物效果。另外設(shè)計(jì)復(fù)雜的花式紗線操作很復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)師用鼠標(biāo)一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地去設(shè)計(jì)，很不方便，設(shè)計(jì)效率很低。

2 紗線模擬系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

紗線種類繁多，每根紗線表面信息也很豐富，我們要在電腦屏幕上模擬出其效果，只能選擇其主要特征對(duì)它進(jìn)行大致的模擬。紗線的主要特征有顏色、類型、捻度、捻向、粗細(xì)、體積重量、毛羽等。我們可以根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)出紗線模擬的框架，設(shè)計(jì)師只要在系統(tǒng)中輸入這些參數(shù)，便可自動(dòng)模擬出對(duì)應(yīng)的紗線。

2.1 紗線的細(xì)度

不同種類的紗線，因?yàn)槠潴w積密度和特?cái)?shù)、公支數(shù)、旦數(shù)不同而不同，其公式如下：

2.2 紗線的捻度

織物紗線捻向和捻回角示意圖如圖1所示。

圖1 紗線捻向和捻回角

2.3 紗線的毛羽

紗線毛羽由毛羽長(zhǎng)度、毛羽量及毛羽產(chǎn)生位置來決定。毛羽長(zhǎng)度、毛羽量設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際需要可以定量來設(shè)置，毛羽產(chǎn)生位置系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置為隨機(jī)，這樣生成的紗線效果也更加逼真。

2.4 紗線類型

此系統(tǒng)中紗線類型分為單股紗、合股紗、混色紗、段染紗、竹節(jié)紗及其他六種。前面五種是自動(dòng)生成的，也可以在自動(dòng)生成的基礎(chǔ)上再點(diǎn)擊其他，選擇高級(jí)選項(xiàng)后自己再編輯更復(fù)雜的紗線，如圈圈紗、大肚子紗、毛圈紗、雪尼爾紗等。

2.5 紗線顏色

除了單股紗的顏色是一種顏色外，其他類型紗線的顏色數(shù)可以隨便添加。每種顏色也可以在顏色調(diào)整框中選擇，不僅顏色非常豐富，操作也很方便、快捷。

最后根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)的紗線模擬系統(tǒng)的界面如圖2所示。

圖2 紗線模擬系統(tǒng)界面

圖3 紗線顏色模型

3 紗線模擬光照模型

在早期的紗線設(shè)計(jì)系統(tǒng)中沒有考慮到紗線的光照，一根單色紗直接用一個(gè)色塊表示，沒有考慮紗線本身的明暗特性，立體感很差。

當(dāng)光線照射到物體表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下三種情形：

（1）光照射到物體表面后向空間反射，產(chǎn)生反射光；

（2）如果是透明體，光則穿透該物體從另一端射出，產(chǎn)生透射光；

（3）部分光將被物體表面吸收而轉(zhuǎn)換成熱。

在這三部分光中，僅反射光和透射光能產(chǎn)生視覺效果。反射光和透射光強(qiáng)弱決定物體表面的明暗程度。

對(duì)于簡(jiǎn)單光照模型，物體不透明的話，則物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定。在一般情況下，將反射光看成三個(gè)分量的組合，即環(huán)境反射、漫反射和鏡面反射。

圖7為氣流出口與垂直方向成30°霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)氣流出口方向與對(duì)自然風(fēng)相逆時(shí)，在其出風(fēng)口產(chǎn)生水平向前的氣流速度，可減小霧滴向噴頭下風(fēng)向飄移的速度，從而增大了霧滴沉積的可能性，減小霧滴飄移量，產(chǎn)生的下風(fēng)區(qū)域較大，渦流速度較小，進(jìn)一步減少了霧滴的飄移潛能和向上卷吸潛能，從而有助于降低霧滴的飄移量。隨著氣流出口與垂直方向夾角的增大，輔助氣流對(duì)自然風(fēng)流場(chǎng)的影響范圍遷移出霧滴運(yùn)動(dòng)范圍之外，從而使得輔助氣流減少飄移的效果降低。

漫反射光可以認(rèn)為是在位置光源的照射下，光被物體表面吸收后，重新反射出來的光。漫反射光是從一點(diǎn)照射，向多個(gè)方向反射，均勻地散布在各個(gè)方向。

郎伯（Lambert）余弦定律總結(jié)了位置光源所發(fā)出的光線照射在一個(gè)完全漫反射物體上的反射法則。根據(jù)郎伯定律，物體漫反射出來的光強(qiáng)同入射光與物體表面法線之間夾角的余弦成正比。即：

鏡面反射光是朝一定方向反射的光。在光線的照射下，光滑物體會(huì)形成一片非常亮的區(qū)域，成為高光區(qū)域。

Phong于1973年提出了計(jì)算鏡面反射光的計(jì)算公式，公式用余弦函數(shù)的冪次來模擬鏡面反射光的空間分布，可以表示為：

[1]。

根據(jù)紗線的捻向和紗線的光照性能，建立一個(gè)紗線顏色模型。每一種顏色用5個(gè)色階來表示。在選定紗線顏色和捻向后，根據(jù)建立的顏色模型以確定每個(gè)像素點(diǎn)的顏色，這樣模擬出的紗線具有明暗立體及捻向效果。紗線顏色模型如圖3所示。

4 紗線自定義設(shè)計(jì)

對(duì)于普通的紗線，如單股紗、合股紗、混色紗、段染紗、竹節(jié)紗等，只要輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)模擬出紗線。對(duì)于其他一些大肚子紗、毛圈紗、雪尼爾紗等，設(shè)計(jì)人員可以在自定義設(shè)計(jì)窗口中根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)各種紗線。

紗線自定義窗口如圖4所示。

圖4 紗線自定義設(shè)計(jì)

5 紗線模擬效果

單股紗模擬效果如圖5所示。

圖5 單股紗模擬效果

合股紗模擬效果如圖6所示。

圖6 合股紗模擬效果

竹節(jié)紗模擬效果如圖7所示。

圖7 竹節(jié)紗模擬效果

6 小結(jié)

新版本的紗線設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的紗線立體感強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)普通紗線的自動(dòng)生成、花式紗線等一些復(fù)雜紗線的自定義設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)界面友好、功能較強(qiáng)，為織物的仿真模擬打下了很好的基礎(chǔ)。

[1] 王梅珍.織物設(shè)計(jì)與虛擬場(chǎng)景模擬一體化集成系統(tǒng)的研究.2004,67～68.