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)

三維緯編提花織物的計算機(jī)仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)

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)

針對三維緯編提花織物在仿真速度及真實感模擬等方面的不足，提出從曲面模型入手建立基于Unity3D 平臺的織物計算機(jī)仿真系統(tǒng)。通過三維織物的曲面數(shù)據(jù)采集和坐標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，實現(xiàn)三維模型、紋理數(shù)據(jù)的建立和導(dǎo)入，針對復(fù)雜提花織物提出一種三因素模擬算法控制織物模型凹凸效果。確定下陷深度、迭代次數(shù)和影響范圍3個參數(shù)，最大限度地與實際織物真實數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維引擎Unity3D實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)與二維空間數(shù)據(jù)整合和三維虛擬展示。與線圈仿真相比較，該系統(tǒng)以織物真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可較好地實現(xiàn)具有三維效果的緯編提花織物的預(yù)測與仿真，且效率較高。

緯編； 提花織物； 計算機(jī)仿真； 三維建模

近年來，三維緯編提花織物因較好的透氣性、環(huán)保性、保暖性和美觀大方的圖案配合織物的三維凹凸效果使其受到消費者青睞，在服裝、家紡領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但此類織物的圖案設(shè)計與實際產(chǎn)品差距較大，現(xiàn)有CAD系統(tǒng)對三維織物仿真及真實感模擬的效果不理想，造成產(chǎn)品開發(fā)的時間、成本增加，這與現(xiàn)代紡織 數(shù)字化、智能化的特點相違背。

對于針織物仿真而言，目前的研究基于彈簧-質(zhì)點模型解決織物平鋪、褶皺、碰撞等虛擬展示方面的問題，較好地模擬了織物的動態(tài)[1]；用B樣條曲線、Pierce線圈模型等從微觀角度模擬線圈結(jié)構(gòu)，有利于識別復(fù)雜的織造工藝[2]。

本文針對三維緯編提花織物的特點，從宏觀角度根據(jù)織物表面形態(tài)建立凹凸曲面模型，提出一種三因素模擬算法控制模型曲線，基于Unity3D平臺運用C#及JavaScript構(gòu)架仿真系統(tǒng)，結(jié)合法線貼圖、紋理貼圖方法增強(qiáng)織物外觀真實感，對此類織物進(jìn)行虛擬展示。本文方法仿真時間短，真實感較強(qiáng)，對提花絎縫等具有凹凸效果的織物仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)有一定指導(dǎo)意義。

1 三維緯編提花織物

1.1 三維緯編提花織物的特征

本文選用的三維緯編提花織物由電腦提花圓機(jī)織造，基本組織為絎縫組織?？椢镉捎谝r緯紗的存在產(chǎn)生了一定厚度,前后編織的連接紗通過電子選針將織物面紗、地紗和襯緯紗連接固定，并產(chǎn)生立體感[3]，因此，較為平面的花型設(shè)計圖案與相對立體的最終織物產(chǎn)生了較大差距,如圖1所示。設(shè)計意匠圖采用以像素為單位的bmp格式文件，與實際織物圖差距較大，主要區(qū)別為實物圖花型邊緣形成的凹凸效應(yīng)。面密度越高，織物表面凹凸效應(yīng)越明顯。如能通過意匠圖CAD預(yù)測不同面密度的織物，將減少產(chǎn)品開發(fā)的時間和損耗，有助于提升產(chǎn)品開發(fā)。

現(xiàn)有CAD軟件對于此類三維織物的仿真并不理想，原因在于織物線圈較小，花型循環(huán)較大，編織工藝簡單，原料紗線較細(xì)，立體感強(qiáng)。建立單個線圈模型易降低仿真的真實感和速度，且無法體現(xiàn)織物豐富的提花效果。本文從三維角度出發(fā)，以真實感和仿真時間為標(biāo)準(zhǔn)建立整幅織物曲面模型，以表現(xiàn)織物凹凸效果為目的進(jìn)行真實感模擬。

1.2 織物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

三維緯編提花織物在設(shè)計過程中的預(yù)測重點是花型圖案的凹凸效果、顏色搭配、圖案變形。系統(tǒng)將以向?qū)?、菜單?種方式實現(xiàn)織物仿真。以設(shè)計意匠圖為初始文件導(dǎo)入格式，以單個連接紗線圈引起的凹凸曲面為單位進(jìn)行仿真，目的是快速可見仿真結(jié)果并進(jìn)行虛擬展示。系統(tǒng)的最大特點是可根據(jù)使用者對原料、面密度、編織工藝等參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行最終結(jié)果的預(yù)判，成品織物可進(jìn)行360°三維展示。

為構(gòu)建仿真系統(tǒng)，首先對提花織物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與測量，獲得影響其凹凸效果的因素及變化規(guī)律，根據(jù)其截面曲線建立基本幾何模型。針對復(fù)雜提花織物，提出了影響范圍、影響深度和迭代次數(shù)三因素模擬算法控制模型生成含有高度數(shù)據(jù)的灰度圖像，運用法線貼圖技術(shù)增強(qiáng)其立體效果，結(jié)合紋理貼圖技術(shù)基于Unity3D平臺達(dá)到仿真與虛擬展示要求，具體流程如圖2所示。

2 實驗設(shè)計與模型建立

2.1 實驗設(shè)計

三維緯編提花織物的圖案包含底板花紋和主體花紋，其凹凸效果隨織物圖案的變化而變化。底板花紋起到連接織物正反面、固定襯緯紗、增強(qiáng)主體花紋層次感的作用，一般以斜紋、點紋等簡易規(guī)則幾何圖形為主[4]，其織物截面如圖3(a)所示。主體圖案通過不同組織的設(shè)計形成任意尺寸的提花花型，由于尺寸較大，組織設(shè)計較復(fù)雜，通?；ㄐ瓦吘売休^強(qiáng)的凹凸變化[5]，截面曲線變化不規(guī)律，如圖3(b)所示。

實驗運用Mayer&Cie OVJA 1.6EE電腦提花圓機(jī)織造10種試樣(編號為1#～10#)，根據(jù)其截面形態(tài)建立曲線方程，主要測量指標(biāo)為織物的面密度及厚度(曲線變化深度)，通過圖像處理計算得到單個提花線圈的影響范圍，示意圖如圖4所示。

為使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，本次實驗對象為斜紋底板圖案。單個提花線圈的影響范圍較明顯，利于測量與觀察。1#～10#試樣采用相同工藝、原料進(jìn)行編織，僅襯緯紗含量不同。圖5示出織物提花示意圖。圖中黑色意匠格代表提花紗線，間隔1.5 cm進(jìn)行織造，目的是不影響相鄰2個提花紗線圈的相互作用。

2.2 數(shù)據(jù)處理與模型建立

將織物截面運用超景深顯微鏡取像后轉(zhuǎn)為閾值圖像，其輪廓較為清晰。根據(jù)已知織物曲面的厚度差值和織物截面閾值圖像像素之間的關(guān)系,計算曲面投影長度:

l=l1h/h1

(1)

式中:l為曲面變化范圍，h為織物最厚處，h1為織物厚度像素數(shù)量，l1為影響范圍像素數(shù)量。

表1示出試樣測量結(jié)果。測得織物厚度差及投影長度后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可獲得連接紗線圈造成的織物凹陷截面曲線方程。圖6示出織物凹陷處三維示意圖。假設(shè)o點為織物最小厚度處，om為曲面投影范圍，n為縱向?qū)?yīng)曲線上的一點，即mn為織物厚度，以oZ為中軸線，on旋轉(zhuǎn)1周形成三維凹陷面，即織物連接點處形成的模型，故以此能準(zhǔn)確分析織物連接區(qū)域的厚度變化。

表1 試樣測量結(jié)果

3 三維緯編提花織物的仿真

3.1 三維織物模擬算法

通過織物實驗及單線圈三維模型的建立，得出影響織物凹凸效果的關(guān)鍵因素為截面曲線。該因素受織物厚度、投影范圍控制，準(zhǔn)確的曲線方程可實現(xiàn)建模，但復(fù)雜提花織物的意匠圖變化較多，連續(xù)意匠格之間的相互影響較大，不規(guī)則或連續(xù)意匠格將干擾模型的建立，延長仿真時間，因此，針對復(fù)雜提花織物凹凸效果不規(guī)律、變化范圍較大的特點，本文在截面曲線方程的基礎(chǔ)上提出三維織物模擬算法。

首先，所有提花意匠格均被定義為中心質(zhì)點，計算機(jī)根據(jù)質(zhì)點顏色識別質(zhì)點坐標(biāo)位置后對應(yīng)至相應(yīng)的mesh網(wǎng)格。各質(zhì)點均勻分布在空間網(wǎng)格上，質(zhì)點模擬受內(nèi)力作用向下移動。然后，下拉中心質(zhì)點深度，模擬提花紗線連接面紗與襯緯紗所形成的凹陷。由于周圍質(zhì)點不受影響，因此網(wǎng)格形成圓錐形凹陷，見圖7。

參考粒子系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)彈簧約束相鄰2個質(zhì)點的變化[6]，本文將任意相鄰的2個質(zhì)點設(shè)置為一組關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。通過限制2個質(zhì)點間的距離，使其逼近修正值。在保證中心質(zhì)點下拉不會造成表層網(wǎng)格突變，超過修正范圍的相鄰質(zhì)點將按照修正方向調(diào)整。所有質(zhì)點的每次調(diào)整記作1次迭代(D)，通過迭代不斷修正2個點之間的位置。

每組關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)調(diào)整范圍參考胡克定律通過下式可得：

(2)

影響范圍系數(shù)根據(jù)織物厚度差和投影范圍的比值而定。可根據(jù)系數(shù)大小衡量織物曲面形變。參考文獻(xiàn)[7]提出曲面織物的曲面翹曲度概念將影響范圍系數(shù)運用公式表示為

(3)

式中：h-h1為織物厚度差；l為曲面的投影長度。

影響范圍系數(shù)根據(jù)表1實測織物的數(shù)據(jù)和式(3)得出，結(jié)果如表2所示。在下降深度與迭代次數(shù)相同的情況下，影響范圍越大，影響系數(shù)越小，模型凹凸效果越不明顯，這與實際織物相吻合。圖8示出不同影響系數(shù)模擬織物對此圖。

表2 模擬試樣測量結(jié)果

基于粒子系統(tǒng)建立網(wǎng)格有利于表現(xiàn)織物的凹凸細(xì)節(jié)，網(wǎng)格細(xì)分層次的增加將延長仿真的實時渲染時間，因此，本文以清晰表現(xiàn)織物立體效應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)，固定了網(wǎng)格層次的數(shù)量，沒有對其基本組分情況進(jìn)行過多研究。

綜上所述，本文提出一種針對復(fù)雜提花織物仿真的模擬算法，通過對變化深度D、迭代次數(shù)I、影響范圍K3個參數(shù)的確定和調(diào)整，最大限度地與實際織物真實數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。仿真結(jié)果基本可以自然地表現(xiàn)織物的凹凸效果，且速度較快。

3.2 法線貼圖技術(shù)

法線貼圖simulated通過凹凸映射圖和切線空間的數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)具有高度值的灰度圖像[8]，將有利于體現(xiàn)織物的凹凸不平。此技術(shù)適合表現(xiàn)高程值不劇烈的立體效果，凹凸映射運算在每個頂點位置上計算出指向光的方向向量L。(切向量T′從頂點的屬性數(shù)組中讀取，B′向量從對象空間轉(zhuǎn)換到切線空間的矩陣計算。)結(jié)合RGB編碼格式，記錄凹凸映射坐標(biāo)及紋理映射坐標(biāo)。圖9為像素位置示意圖。利用高度圖中的數(shù)據(jù)，計算2個差向量(1, 0, Hr- Hg)和(0, 1, Ha- Hg)，而法線等于它們的外積。其中Hg為當(dāng)前像素，Ha為當(dāng)前像素正上方像素，Hr為當(dāng)前像素右方像素。

其公式如下：

(4)

運用法線貼圖技術(shù)和紋理貼圖技術(shù)基于Unity3D平臺與模型相結(jié)合，可達(dá)到增強(qiáng)織物真實感的目的。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

4.1 系統(tǒng)框架

本文研究基于Unity3D進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)，建立三維緯編提花織物仿真系統(tǒng)。作為一個多平臺的游戲開發(fā)工具，Unity3D平臺可以創(chuàng)建三維視頻游戲、實時三維動畫、建筑可視化等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具，是目前最具發(fā)展前景的專業(yè)游戲設(shè)計引擎[9]。與織物虛擬展示的要求相吻合，可以快速、高效地完成交互式仿真過程。

系統(tǒng)以導(dǎo)入花形圖開始，分析圖中提花紗線意匠格位置，得出凹陷處坐標(biāo)數(shù)據(jù)。確定待模擬織物的原料、預(yù)期厚度，這決定了3個主要參數(shù)的選擇。計算機(jī)識別花型后進(jìn)入迭代過程，達(dá)到要求后完成變形，生成含有高度信息的灰度圖像，這是仿真過程的關(guān)鍵。最后判斷此圖像是否符合預(yù)期要求，如有出入將重新選擇，重復(fù)上述步驟。具體過程為：導(dǎo)入花型文件→識別提花紗線位置→mesh網(wǎng)格相互對應(yīng)→選擇受力曲線→計算各點下拉受力→判斷相鄰點距離→迭代進(jìn)行變形約束→生成高度信息圖→法線貼圖→紋理貼圖。

仿真系統(tǒng)分為文件管理、編輯視圖、工藝設(shè)置、三維仿真和虛擬展示5個模塊。除了能夠預(yù)測目標(biāo)花型的立體效果外，仿真系統(tǒng)有如下特點：場景實時顯示，通過參數(shù)的改變實現(xiàn)對虛擬織物的模型、光效實時控制與顯示；動態(tài)加載場景，根據(jù)客戶需要實現(xiàn)對虛擬場景的添加與刪除，如臥室、客廳等；虛擬交互操作，通過鼠標(biāo)、觸屏等方式實現(xiàn)對虛擬織物的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等動作；動態(tài)實時跟蹤定位，設(shè)置動態(tài)跟蹤功能，虛擬展示效果隨光標(biāo)自動定位，增強(qiáng)使用者的漫游體驗[10-11]。

4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

運用三維緯編提花織物仿真系統(tǒng)對斜紋底板進(jìn)行仿真。進(jìn)行法線貼圖與紋理貼圖后的仿真效果如圖10所示。圖中織物的面密度為320 g/m2。

4.3 仿真效果實驗驗證

采用三維緯編提花織物仿真系統(tǒng)對復(fù)雜提花織物進(jìn)行仿真驗證，效果如圖11所示。本文研究設(shè)計了菱形提花織物，選用一種面密度上機(jī)織造并對4種不同面密度織物進(jìn)行預(yù)測仿真。意匠圖如圖11(a)所示，通過十字形斜紋的填充使菱形內(nèi)部凹陷，邊緣凸起，十字形斜紋由7個連續(xù)意匠格組成，面密度為320g/m2的實物圖如圖11(b)所示，仿真效果如圖11(c)所示。

將仿真圖與織物意匠圖比較可發(fā)現(xiàn)，織物根據(jù)圖案設(shè)計產(chǎn)生了明顯的凹凸效果，立體效果較好，畫面真實度較高；與真實織物圖相比較可見織物曲線選擇較為準(zhǔn)確，算法較合理，仿真圖可清楚地展現(xiàn)出提花部分引起的織物立體效果，與實物圖較接近。

通過實驗可得，采用Unity3D技術(shù)實現(xiàn)的織物預(yù)測及仿真系統(tǒng)，運行效果好，真實度高。該系統(tǒng)三維展示功能強(qiáng)大，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)各種效果的展示功能，滿足用戶不同的需求，如提花紗線顏色的復(fù)合、絎縫效果復(fù)合、虛擬展示漫游等。

5 結(jié) 論

三維緯編提花絎縫織物因柔軟的手感、豐富的提花圖案、較強(qiáng)的立體效果在服裝、家紡等不同領(lǐng)域受到消費者歡迎。本文研究在Unity3D中實現(xiàn)GUI 界面生成，對織物提花、絎縫等立體效應(yīng)做出預(yù)測和仿真，提高了仿真速度和真實感，得到以下結(jié)論。

1)通過織物截面曲線建模方式獲取曲面方程，從三維角度對提花絎縫織物進(jìn)行三維數(shù)據(jù)提取與量化。結(jié)果表明，該方法能夠有效地建立三維織物的凹凸曲線方程, 為織物的仿真與預(yù)測提供了較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2)提出一種適合復(fù)雜三維提花織物的仿真算法。通過對下陷深度、迭代次數(shù)、影響范圍3個參數(shù)的確定和調(diào)整，最大限度地與實際織物真實數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，為三維織物仿真提供理論參考。

3)利用Unity3D 引擎與C#、Javascript 進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)了將三維建模、法線貼圖、紋理貼圖等技術(shù)整合仿真，為三維織物仿真提供了一種新的技術(shù)方法，節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的時間和成本。

FZXB

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Computer simulation and system realization of 3-D weft knitted jacquard fabric

JIN Lanming， JIANG Gaoming， CONG Honglian

(EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Aiming at solving the shortage of weft knitted jacquard fabric in 3-D simulation speed and realistic simulation aspects, a computer simulation system of 3-D weft knitted jacquard fabric is established based on the 3-D virtual fabric Unity3D platform with curved surface model. Firstly, the estalishment and import of 3-D model and texture data were realized by data acquisition and union for the curved fabric surface. Secondly, a three factors simulation algorithm for complex jacquard fabric was put forward to control the effect of the fabric model. Three factors including subsidence depth, number of iterations and sphere of influence were determined to maximize fitting with the real data of actual fabric. Based on this and combined 3-D engine Unity3D platform, the integration of 3-D model data with 2-D spatial data and 3-D virtual simulation was realized. In comparison with the simulation of the loop model, this experiment based on the real data of fabric and could be proved to be more effective for the prediction and simulation of 3-D weft knitted jacquard fabric.

weft knitting; jacquard fabric; computer simulation; 3-D modeling

10.13475/j.fzxb.20150705807

2015-07-27

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金項目(11302085)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目(BY2013015-38，BY2014023-34)

金蘭名(1988—)，女，博士生。主要研究方向為三維緯編提花織物的計算機(jī)仿真。蔣高明，通信作者，E-mail：jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 186.2

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