金蘭名， 蔣高明， 叢洪蓮

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

緯編提花絎縫織物凹凸曲面的測量及三維建模

金蘭名， 蔣高明， 叢洪蓮

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

針對(duì)緯編提花絎縫織物花型圖案復(fù)雜、織物尺寸較大、多層結(jié)構(gòu)易致仿真困難等特點(diǎn)，為節(jié)省設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中造成大量時(shí)間、人力、物力資源的浪費(fèi)，試圖建立常規(guī)絎縫提花織物曲面模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。綜合考慮織物面密度和生產(chǎn)工藝的影響，共試織10種不同規(guī)格的織物樣品進(jìn)行凹凸效果分析，對(duì)連接紗引起的織物表面凹凸變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，參考泛克里格法插值獲得初步仿真結(jié)果，根據(jù)4塊試樣凹陷曲線方程對(duì)仿真過程進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建緯編提花絎縫織物三維模型。結(jié)果對(duì)于具有立體效果的織物計(jì)算機(jī)仿真有一定指導(dǎo)意義，為三維織物仿真系統(tǒng)的建立提供理論參考。

緯編； 絎縫織物； 三維建模； 曲面建模

提花絎縫織物較好的透氣性、環(huán)保性和美觀大方的圖案使其在服裝、家紡領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。這種絎縫織物由于襯緯紗的存在產(chǎn)生了一定厚度,前后編織的連接紗將織物面紗、地紗和襯緯紗連接固定，并根據(jù)不同規(guī)格形成凹凸效果不等的立體感，因此，較為平面的花型設(shè)計(jì)圖案與相對(duì)立體的最終織物產(chǎn)生了較大差距。

近年來,織物三維仿真技術(shù)研究已經(jīng)屢見不鮮，Peirce模型及其衍生紗線模型、結(jié)構(gòu)可控的非均勻有理B樣條曲線、NURBS曲線等理論研究以線圈結(jié)構(gòu)為主，并不適合提花絎縫織物小線圈、大提花、組織簡單、立體感強(qiáng)[1]的特點(diǎn)，建立單個(gè)線圈模型更易降低仿真的真實(shí)感和速度。

本文研究針對(duì)提花絎縫織物的特點(diǎn)，提出建立三維凹凸曲面模型對(duì)此類織物進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。共試織10種相同原料、不同規(guī)格的織物，通過測試其凹凸效果得出相應(yīng)數(shù)據(jù)及曲線方程，建立不同織物的曲面模型。本文實(shí)驗(yàn)是織物三維模擬仿真的完善，對(duì)提花絎縫等具有凹凸效果的織物三維模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)有一定指導(dǎo)意義。

1 提花絎縫織物的仿真及方法

1.1 提花絎縫織物的仿真

提花絎縫織物由電腦提花圓機(jī)織造，其中圖案開發(fā)和上機(jī)打板2個(gè)環(huán)節(jié)大都浪費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。主要問題為織物表面凹凸效果預(yù)判錯(cuò)誤，顏色、圖案搭配不當(dāng)，織物密度及機(jī)器參數(shù)設(shè)置造成圖案變形等。主要原因是提花絎縫織物的花型設(shè)計(jì)和織物實(shí)物的對(duì)比相距甚遠(yuǎn)，織物最終效果難以預(yù)估。如圖1所示緯編提花絎縫織物，花型設(shè)計(jì)圖可為以像素為單位的bmp格式文件生成，其與實(shí)際織物花型邊緣形成的凹凸效應(yīng)差距較大。如能通過三維建模預(yù)測不同面密度的設(shè)計(jì)意匠圖，將減少產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和損耗，有助于提升企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)能力。

1.2 提花絎縫織物的仿真方法

緯編提花絎縫織物線圈較小，編織工藝簡單，原料紗線較細(xì)，立體感強(qiáng)，此類織物在設(shè)計(jì)過程中的預(yù)測重點(diǎn)是花型圖案的凹凸效果、顏色搭配、圖案大小。從二維角度模擬織物外觀，削弱了織物外觀的真實(shí)感效果[2]，建立線圈模型更易降低仿真的真實(shí)感和速度，因此，本文提出根據(jù)三維曲面模型進(jìn)行織物模擬，從織物織造方法及產(chǎn)生凹凸效果的原因入手,分析影響織物外觀效應(yīng)各因素之間的關(guān)系,以仿真真實(shí)度與仿真時(shí)間作為主要指標(biāo)對(duì)織物仿真中的若干問題進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

提花絎縫織物的原料可分為面紗、提花紗以及襯緯紗。根據(jù)對(duì)織物面密度的要求，在織物組織中添加不同規(guī)格的滌綸網(wǎng)絡(luò)絲增加織物的立體感[3]。

2.1 面料樣品

本文選用德國邁耶·西公司生產(chǎn)的OVJA 1.6E電腦提花圓機(jī)進(jìn)行小樣試織。采用28 tex人造棉纖維作為正面紗，16.7 tex/76 f 拉伸變形絲(DTY)作為反面紗，搭配66.7 tex/192 f 拉伸變形絲作為襯緯紗。這種具有立體效果的雙面織物，織物的2個(gè)表面分別在針筒和針盤針上編織，內(nèi)襯紗的增減使織物產(chǎn)生不同的厚度變化，根據(jù)不同工藝要求通過電腦選針使反面紗線在正面成圈,起到連接前后面及襯緯紗的作用。

實(shí)驗(yàn)選擇試織10種常見規(guī)格的織物，如表1所示。分為5種紗線配置方案織造，面密度為630 g/m2的樣品是為目前機(jī)器批量生產(chǎn)的最大值。

表1 試樣1#～10#規(guī)格表Tab.1 Specifications of sample 1#-10#

2.2 提花絎縫緯編織物厚度的測量與計(jì)算

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，10塊試樣采用相同工藝進(jìn)行編織。圖2示出織物提花示意圖。黑色意匠格代表提花紗線，為不影響相鄰2個(gè)提花紗線圈的相互作用，選擇間隔1.5 cm的方式進(jìn)行織造。

織物曲面厚度差即曲面織物最大曲面形變相對(duì)于參照面的最大距離。曲面織物高度如圖3所示。在曲面織物中間接近高度最大的地方使用厚度儀多次測量高度，取其最大值。厚度差的測量和計(jì)算公式如下:

h=A1-A2/2

式中：h為織物的厚度差；A1和A2分別代表織物最大厚度和最小厚度，mm。h值越大,織物的立體感越強(qiáng)。

曲面翹曲度。曲面織物的曲面形變表達(dá)是其重要指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)在現(xiàn)有紡織品評(píng)價(jià)體系中還不完善，參考伍杰一[4]提出曲面織物的曲面翹曲度概念并運(yùn)用公式表示如下：

R=h/l

式中：R為曲面織物的最大翹曲度；h為厚度差，mm；l為曲面的投影長度,mm。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 試樣數(shù)據(jù)分析

3.2 數(shù)據(jù)測量及計(jì)算

為準(zhǔn)確獲得曲面投影長度求得試樣曲面翹曲度，需參考實(shí)際織物的圖像。將切片后的織物截面運(yùn)用超景深顯微鏡取像后轉(zhuǎn)為閾值為110的無彩色像素圖像，其輪廓較為清晰，如圖5所示。

由圖5可看出，點(diǎn)A為達(dá)到曲線EA峰值首個(gè)像素點(diǎn)，點(diǎn)E為凹陷處首個(gè)像素點(diǎn)，EF為水平方向，直線AB平行于EF，BD垂直于EF且平行于AC，根據(jù)已知織物曲面的厚度差數(shù)值和像素的數(shù)量之間的關(guān)系,可計(jì)算曲面投影長度:

l=l1h/h1

式中：l為曲面變化范圍；h為織物最厚處；h1為AC像素?cái)?shù)量；l1為AB像素?cái)?shù)量。

本次仿真選擇1#、3#、6#、8#試樣進(jìn)行像素測量和三維建模，由表3所示，曲面翹曲度R隨投影長度和織物厚度差的增加而增加。

表3 1#、3#、6#、8#試樣像素測量結(jié)果Tab.3 Pixels measurement results of sample 1#, 3#, 6# and 8#

4 緯編絎縫提花織物三維建模

4.1 曲面三維模型的初步建立

確定提花絎縫織物4塊試樣的曲面數(shù)值后，利用數(shù)字高程模型DEM(digital elevation model)給定二維數(shù)值高程值進(jìn)行初步仿真模擬，模型結(jié)構(gòu)簡單，易于構(gòu)網(wǎng)，存儲(chǔ)量小，分析計(jì)算簡便,適用于提供基本的數(shù)據(jù)支持地形建模的過程。具體流程[5]如圖6所示。

通過在X和Y方向上按等距離方式記錄斷面上點(diǎn)的坐標(biāo),利用一系列在X,Y方向上等間隔排列的地形點(diǎn)的高程Z表示表面形態(tài),形成矩形格網(wǎng)[6]。在數(shù)學(xué)上可表示為一個(gè)矩陣,表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列，用函數(shù)形式描述為：

Vi=(Xi,Yi,Zi) (i=1, 2,…,n)

其中：(Xi，Yi∈D)是平面坐標(biāo)；Zi是(Xi，Yi)對(duì)應(yīng)的高程。

高程數(shù)字模型內(nèi)插的具體方法較多，考慮到絎縫織物凹陷非劇烈起伏，本文中使用相對(duì)誤差較小的泛克里格方法來實(shí)現(xiàn)。泛克里格(universal kriging)假設(shè)數(shù)據(jù)中存在主導(dǎo)趨勢，且該趨勢可用1個(gè)確定的函數(shù)或多項(xiàng)式來擬合[7]。在此方法中， 預(yù)測值z(S0) 由2部分組成。一部分是m(S0)估計(jì)值，通過不同環(huán)境解釋變量對(duì)主變量的回歸估計(jì)，S0表示待估測點(diǎn)位置；第2部分是通過克里格插值殘差e(S0)。泛克里格估計(jì)公式[8]如下：

z(S0)=m(S0)+e(S0)

式中：βk表示趨勢模型的估計(jì)參數(shù)，本研究中選擇普通最小二乘法進(jìn)行估計(jì)；wi表示不同采樣點(diǎn)位置殘差的權(quán)重，此權(quán)重由殘差半變異函數(shù)確定；e表示回歸模型的殘差。

選擇其中4個(gè)試樣進(jìn)行建模，由于離散數(shù)據(jù)易引起模型異常，因此每個(gè)試樣選擇以織物凹陷處投影范圍為半徑的圓上的1#～9#個(gè)點(diǎn)為坐標(biāo)值(X，Y)，具體如表4所示。

通過泛克里格插值確定圓內(nèi)各點(diǎn)高程值(Z)后即可得出建模結(jié)果。如圖7所示利用數(shù)字高程模型制作的立體模型?？膳袛嗪穸炔町悤?huì)影響提花絎縫織物的立體效果，通過相對(duì)簡單、準(zhǔn)確的數(shù)值能夠?qū)ζ渥罱K效果進(jìn)行初步仿真。運(yùn)用DEM模擬的織物雖然可基本表示其凹凸效果，但DEM本身是自然地表的逼近而非數(shù)學(xué)表達(dá)，其誤差來源于離散高程點(diǎn)的采樣誤差和插值或擬合所產(chǎn)生的逼近誤差。由圖還可看到連接點(diǎn)處凹陷過于理想，僅憑借曲面翹曲程度內(nèi)插建模不能完全展現(xiàn)織物形態(tài)。DEM的內(nèi)插模型由離散的格網(wǎng)數(shù)據(jù)直接構(gòu)建的連續(xù)曲面，不符合由點(diǎn)到線、再由線到面的構(gòu)造機(jī)理[9]，因此，由實(shí)際織物翹曲范圍坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的曲線將更準(zhǔn)確地展現(xiàn)絎縫織物的凹凸變化。

表4 1#，3#，6#，8#試樣坐標(biāo)值Tab.4 Coordinate figure (X,Y,Z)of sample 1#，3#，6# and 8#

4.2 緯編提花絎縫織物的三維建模

由上述仿真試驗(yàn)可知，單純加入高程值的模型對(duì)后續(xù)織物真實(shí)感的模擬與預(yù)測不能起到基礎(chǔ)作用，因此，運(yùn)用織物翹曲變化規(guī)律建模，按照凹陷區(qū)域計(jì)算出織物真實(shí)凹陷變化曲線方程，借鑒DEM插值的算法進(jìn)行建模。

圖8示出織物凹陷處三維示意圖。假設(shè)點(diǎn)O為織物最小厚度的一點(diǎn)，OM為曲面投影范圍，N為縱向?qū)?yīng)曲線上的一點(diǎn)，即織物厚度為MN。以O(shè)Z為中軸線，ON旋轉(zhuǎn)一周形成三維凹陷面，即織物連接點(diǎn)處形成的模型，故以此能準(zhǔn)確分析織物連接區(qū)域的厚度變化。

具體建模流程圖如圖9所示。首先對(duì)截面圖進(jìn)行二值化處理，使凹陷面能夠被清晰鑒別。將切片后的織物截面拍照后轉(zhuǎn)為閾值為110的無彩色像素圖像，其輪廓較為清晰。根據(jù)已知織物曲面的厚度差數(shù)值和像素?cái)?shù)量之間的關(guān)系,計(jì)算曲面的變化范圍數(shù)值。本文基于MatLab獲取各點(diǎn)平面坐標(biāo)。然后，對(duì)曲面邊緣進(jìn)行快速檢測，計(jì)算機(jī)將黑色像素點(diǎn)定義數(shù)值為0，白色像素點(diǎn)定義數(shù)值為1，檢索時(shí)只針對(duì)0、1交界處的像素點(diǎn)進(jìn)行查找，獲取點(diǎn)N坐標(biāo)值(m,z)。隨后，計(jì)算機(jī)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的曲線擬合，如圖10所示，獲得曲線方程。

最終建立織物曲面曲線方程，方法如下：

以3#試樣為例，假設(shè)每一個(gè)連接紗線圈造成的曲面凹凸范圍形成一個(gè)半徑為r的圓，計(jì)算其內(nèi)部凹凸變化[10]。每個(gè)曲面坐標(biāo)通過以下方程確定:

x=msinθ

y=mcosθ

z=0.003 6m3- 0.160 9m2+ 3.266 7m-3.106 8

式中：r為曲面凹凸范圍所在圓的半徑；m為半徑內(nèi)的任一點(diǎn)，0

提花絎縫織物的建模以每個(gè)連接紗線圈及其凹凸曲面為單元建立，圖11示出不同角度的3#試樣三維模型。圖中0°角下的為截面圖。通過查看不同角度的織物凹陷變化曲線可知，與線圈仿真相比，曲面建模所得仿真結(jié)果更加接近實(shí)際織物。配合運(yùn)用光照模型和紋理映射等方式可增強(qiáng)織物表面真實(shí)感。圖12示出運(yùn)用文中所述方法對(duì)某斜紋提花絎縫織物進(jìn)行建模和真實(shí)感模擬，可從不同角度清晰辨別織物提花紗線造成的凹凸表面，效果較為逼真。

5 結(jié) 論

針對(duì)線圈建模不適合提花絎縫織物等具有立體效果的織物，線圈過小、織物仿真面積過大以及計(jì)算機(jī)處理速度為影響最終效果的重要因素的問題，本文對(duì)提花絎縫織物的曲面凹凸效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并建立模型，目的是建立此類織物的三維模型，經(jīng)研究得出以下結(jié)論：1)通過10種不同面密度的織物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，織物翹曲度是決定織物立體感的關(guān)鍵，織物凹凸曲面的測量有助于立體效果織物的仿真;2)運(yùn)用高程數(shù)字模型(DEM)配合泛克里格插值算法可基本表現(xiàn)出由于厚度差引起的織物規(guī)則凹陷，但是由算法誤差造成的曲面過于理想;3)通過建立凹陷區(qū)域曲線方程建立三維曲面模型，能夠較全面地觀察此類織物的特征，較好展現(xiàn)提花絎縫織物的凹凸效果。

通過研究實(shí)現(xiàn)了緯編提花絎縫織物的三維仿真，后續(xù)工作可針對(duì)不同工藝圖案提花織物進(jìn)行研究，并嘗試建立三維立體提花織物的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。

FZXB

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Determination and 3-D modeling of weft knitted jacquard quilted fabric with concave surface

JIN Lanming, JIANG Gaoming, CONG Honglian

(Engineering Research Center of Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

Focusing on the problems of weft knitted jacquard quilted fabric on complicated pattern, large fabric size and easy simulation of the multilayer structure of fabric, in order to save a great amount of time, manpower and material resources in the design and production processes, the curved surface modeling and computer simulation are performed on conventional weft knitted jacquard quilted fabric. Considering the effect of surface density and production process, 20 kinds of fabric samples with different specifications is subjected to the concave-convex effect analysis, data acquisition and calculation are performed on the concave-convex change rule of the fabric surface caused by connecting yarn, and the initial simulation result is obtained in reference to Universal Kriging. The simulation process is modified according to the concave curve equation of 4 samples, and the 3-D model of the weft knitted jacquard quilted fabric is established. The result provides guiding significance for the computer simulation of the fabric, and establishes a theoretical basis for the simulation system of 3-D fabrics.

weft knitted; quilted fabric; 3-D modeling; curved surface modeling

10.13475/j.fzxb.20150403407

2015-04-20

2016-02-17

國家科技支撐項(xiàng)目(2012BAF13B03)

金蘭名(1988—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)槿S緯編提花織物的計(jì)算機(jī)仿真。蔣高明，通信作者，E-mail：jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 186.2

A