一種增強(qiáng)模擬緯編針織物外觀真實(shí)感的方法

于斌成，李柏巖，劉曉強(qiáng)，王府梅

（東華大學(xué)a.計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.紡織學(xué)院，上海 201620）

一種增強(qiáng)模擬緯編針織物外觀真實(shí)感的方法

于斌成a，李柏巖a，劉曉強(qiáng)a，王府梅b

（東華大學(xué)a.計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.紡織學(xué)院，上海 201620）

為增強(qiáng)模擬緯編針織物外觀的真實(shí)感，在已有三維線圈模型的基礎(chǔ)上，通過引入球的極坐標(biāo)方程和基于類正態(tài)分布函數(shù)的隨機(jī)方法計算毛羽模型控制點(diǎn)，構(gòu)造曲線模擬毛羽走向，控制構(gòu)建股線的單紗根數(shù)和彎曲度，從微觀結(jié)構(gòu)上使線圈模擬更為逼真.最后對已生成的線圈圖像進(jìn)行特征像素提取，計算最小重復(fù)周期，使其滿足四方連通性，形成緯編針織物外觀紋理.

針織物；毛羽；控制點(diǎn)；股線；特征像素；四方連通性

織物外觀仿真模擬是利用計算機(jī)圖形技術(shù)將織物的外觀以模擬的方法快速、形象、直觀地在顯示器上顯示出來.在緯編針織物的外觀模擬中，織物外觀特征主要取決于股線的模擬和針織物的組織結(jié)構(gòu)，而股線的毛羽及其單紗的排列結(jié)構(gòu)是形成股線外觀質(zhì)感的重要元素.為股線構(gòu)建合適的單紗排列模型和逼真的毛羽對提升模擬針織物的外觀真實(shí)感有著至關(guān)重要的作用.

目前對三維毛羽模型構(gòu)建方法已有一些研究.文獻(xiàn)［1］提出在紗線表面小平面的相鄰頂點(diǎn)上，按照伸出的角度和長度，隨機(jī)生成一個三角形的面片來模擬毛羽，該方法的缺點(diǎn)是紗線圖像放大后效果變差.文獻(xiàn)［2］提出一種旋轉(zhuǎn)面片的方法實(shí)現(xiàn)紗線毛羽，首先按照紗線直徑大小，生成亮度變化的隨機(jī)點(diǎn)，組成一個切片（類似于紗線界面），然后根據(jù)捻回角的大小和方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到紗線毛羽和股線效果，但是這種方法在建立紗線的結(jié)構(gòu)時存在不足，即在股線的彎曲處難以處理.此外，另有一些CAD軟件提供成熟的三維毛羽構(gòu)建插件，如文獻(xiàn)［3］提出使用3ds MAX中的毛發(fā)系統(tǒng)制作紗線的毛羽和股線，但使用CAD插件模擬紗線毛羽與用戶的交互性較差且通用性不強(qiáng).

針對以上模擬方法的缺點(diǎn)，本文提出使用羅列小球的方法模擬股線，控制小球的間距產(chǎn)生紗線的橫向紋理，使股線更有質(zhì)感，并利用球的極坐標(biāo)方程和類正態(tài)分布的隨機(jī)策略產(chǎn)生毛羽控制點(diǎn)，使用圓弧連接控制點(diǎn)，構(gòu)建三維股線毛羽，這樣既能夠逼真地模擬股線的組織結(jié)構(gòu)和毛羽的形態(tài)，又有較好的交互性和通用性，而且模擬效果不受模型放大或縮小的影響.最后，使用數(shù)字圖像處理的相關(guān)技術(shù)，計算出具有四方連通性的緯編針織物紋理圖像.

1 股線模擬

股線是由若干根單紗合股而成，因此，對單紗仿真的效果直接影響對股線的仿真.本文仿真股線的方法是將若干小球順序排列、部分相交、連接成一根單紗，然后調(diào)整多根單紗的相對位置和延伸角度，形成股線，如圖1（a）所示.設(shè)置捻回角，將多根單紗纏繞，并不斷延展，模擬針織物股線，調(diào)整小球的間距，產(chǎn)生橫向紋理，使股線表面看起來更有質(zhì)感，如圖1（b）所示.

圖1 股線外觀Fig.1 Appearance of folded yarn

2 紗線毛羽模擬

紗線毛羽仿真是緯編針織物外觀真實(shí)感模擬的關(guān)鍵，能否構(gòu)建逼真的毛羽模型直接影響針織物的仿真效果.毛羽模型的走向由若干控制點(diǎn)決定，因而控制點(diǎn)的計算是至關(guān)重要的.本文以球的極坐標(biāo)方程為原型，輔以一種類正態(tài)分布算法計算控制點(diǎn)的坐標(biāo).計算控制點(diǎn)坐標(biāo)的方程為其中：（x，y，z）表示控制點(diǎn)的坐標(biāo)；r為構(gòu)建單紗的小球半徑；α為控制點(diǎn)和球心的連線與z軸的夾角；β為控制點(diǎn)和球心的連線與x軸的夾角.

2.1 計算毛羽偏轉(zhuǎn)角度

由中心極限定理可知，當(dāng)樣本容量足夠大時，樣本均值的抽樣分布近似服從正態(tài)分布.由于織物的毛羽數(shù)量很大，所有可以認(rèn)為毛羽的偏轉(zhuǎn)角度基本符合正態(tài)分布，在控制點(diǎn)坐標(biāo)方程中，α的取值可通過一種類正態(tài)分布函數(shù)獲取，規(guī)定α的變化區(qū)間為［0°，20°］，通過隨機(jī)函數(shù)獲得隨機(jī)數(shù)n，n除以100取余數(shù)，當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間（0，1］時，α＝1°；當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間［2，3］時，α＝2°；當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間［4，6］時，α＝3°；……；當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間［55，64］時，α＝10°.至此，α在區(qū)間［1°，10°］的取值概率是逐級遞增的.類似于以上所述，α在區(qū)間［11°，20°］的取值概率是逐級遞減的，即當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間［65，72］時，α＝11°；當(dāng)余數(shù)屬于區(qū)間［73，79］時，α＝12°；……；當(dāng)余數(shù)屬于［99，100）時，α＝20°.因?yàn)棣碌闹挡粫绊懨鸬闹饕呦?，所以β在區(qū)間［0°，360°］中隨機(jī)取值.通過以上方法可使毛羽的走向模型基本符合真實(shí)毛羽形狀.

2.2 計算控制點(diǎn)

構(gòu)建毛羽模型，需要有若干個控制點(diǎn)，本文對單根羽毛使用8個控制點(diǎn).規(guī)定模擬單紗的小球球心是毛羽模型的第一控制點(diǎn)，通過式（1）和使用2.1節(jié)所述方法計算出的α和β值，求出球面上的一點(diǎn)，即第二控制點(diǎn).如圖2所示，O為第一控制點(diǎn)（小球的球心坐標(biāo)），A為第二控制點(diǎn)（球面上一點(diǎn)），直線OA與z軸正方向的夾角就是使用偏轉(zhuǎn)算法隨機(jī)生成的偏轉(zhuǎn)角α，當(dāng)計算第三控制點(diǎn)時，以A點(diǎn)為球心，r為半徑，并計算出偏轉(zhuǎn)角α1.從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，α1是相對于直線OA的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)際偏轉(zhuǎn)角為α1＋δ，顯然α＝δ，所以新的z向偏轉(zhuǎn)角是α1＋α，隨機(jī)產(chǎn)生新的β值，即可使用式（1）求出第三控制點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）.以此類推可求出其他控制點(diǎn)坐標(biāo).

圖2 控制點(diǎn)與偏轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.2 Relation of control point and deflection angle

2.3 毛羽模型彎角的處理

如圖3所示，A，B和C是毛羽模型上任意3個相鄰的控制點(diǎn)，假設(shè)3個控制點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xA，yA，zA）、（xB，yB，zB）和（xC，yC，zC），直接連接B，A，C3點(diǎn)會產(chǎn)生一個尖銳的夾角，使毛羽模型不夠圓滑，影響毛羽的整體效果.本文使用畫圓弧的方案解決此問題，需要求出圓弧上點(diǎn)的坐標(biāo).由不在同一條直線上的3個點(diǎn)可以決定一個平面可知，A，B，C這3點(diǎn)可構(gòu)成一個平面，設(shè)平面方程為

a（x－xA）＋b（y－yA）＋c（z－zA）＝0 （2）

圖3 毛羽彎曲圖Fig.3 Hairiness bending diagram

The pair-matching procedure is eventually accomplished by repeatedly maximizing Eq.(39)forThereafter,the estimated centralazimuth and elevation DOAscan be expressed as

圖4 毛羽附著于單紗上Fig.4 Hairiness attached to strand

3 生成緯編針織物紋理圖像

緯編針織物由大量紗線線圈構(gòu)成，本文所使用的線圈模型由文獻(xiàn)［4］提出，在三維Pierce線圈模型基礎(chǔ)上引入B樣條及橢圓描述線圈，從而建立的三維幾何線圈模型.將通過本文所述方法構(gòu)建的毛羽添加到該線圈模型中，調(diào)節(jié)毛羽分布密度，產(chǎn)生效果如圖5和6所示.

圖5 比較稀疏的毛羽Fig.5 Sparse hairiness

通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，所生成的圖像并不滿足四方連通性，不能用作緯編針織物的映射紋理.本文使用數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)解決此問題，即去噪、選取特征像素、設(shè)定閾值、二值化、計算紋理最小循環(huán)周期，其步驟如下所述.

圖6 比較稠密的毛羽Fig.6 Densely hairiness

（1）去噪.在圖5中，毛羽以及圖像周圍的黑色部分均屬于噪聲點(diǎn)，生成一幅沒有添加毛羽的圖像，并將四周的黑色區(qū)域剪裁掉，如圖7所示.

圖7 去噪以后的圖像Fig.7 Denoised image

（2）選取特征像素.選取圖7的中間一行，并讀取其像素的RGB值，因圖中G像素的變化區(qū)間較大，則G就被認(rèn)定為特征像素，計算像素G的均值.

（3）設(shè)定閾值并二值化.本文選取了特征像素均值的1.25倍作為閾值，并進(jìn)行二值化（特征像素點(diǎn)G值小于閾值則將其置為0，反之則置為255）.

（4）計算紋理最小循環(huán)周期.根據(jù)二值化的結(jié)果可以計算出該圖片的橫向的最小循環(huán)周期.

同理，取圖7中的一列，計算出縱向最小循環(huán)周期.根據(jù)求出的橫縱最小循環(huán)周期，得到循環(huán)矩陣如圖8所示.

將圖8最小循環(huán)周期矩陣進(jìn)行橫向、縱向的擴(kuò)展可得效果如圖9所示.由圖9可以看出，使用此方法計算出的區(qū)域滿足四方連通性.

圖8 最小循環(huán)矩陣Fig.8 Minimum cycle matrix

圖9 較大的連通區(qū)域Fig.9 Larger regional connectivity

圖10 比較稀疏的毛羽Fig.10 Sparse hairiness

圖11 比較稠密的毛羽Fig.11 Densely hairiness

4 試驗(yàn)效果對比與分析

4.1 單紗對比

文獻(xiàn)［6］提出了使用Perlin噪聲函數(shù)模擬紗線毛羽，其效果如圖12所示.圖13為使用本文所述方法模擬毛羽所生成的紗線毛羽圖像.圖14為紗線及其毛羽的微觀掃描圖.通過比較可以看出：圖13所構(gòu)建的紗線毛羽在細(xì)節(jié)上更為逼真，能更好地展現(xiàn)出毛羽的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

4.2 織物外觀對比

真實(shí)的針織物掃描圖如圖15所示，圖16為使用本文提出的方法模擬的緯編針織物外觀整體圖.

圖15 緯編針織物樣品的外觀圖Fig.15 Appearance of weft knitted fabric sample

圖16 本文方法模擬的緯編針織物外觀圖Fig.16 Appearance of weft knitted fabric simulated by the method in this paper

通過與緯編針織物樣品的微觀掃描圖對比可以看出，經(jīng)過對線圈高度、寬度、毛羽生成策略以及疏密程度的調(diào)整，使用本文所述方法模擬的緯編針織物外觀圖在細(xì)節(jié)上與真實(shí)織物的外觀很相似.

4.3 織物外觀模擬生成效率

本文所述方法能夠較快地生成織物外觀模擬圖，當(dāng)電腦的CPU主頻為2.13GHz，內(nèi)存為4 Gbyte時，生成帶有稀疏毛羽的緯編針織物外觀模擬圖的時間為2 234ms，帶有稠密毛羽的緯編針織物外觀模擬圖的時間為4 455ms，如果能夠配置較好的顯卡，生成速度會有大幅度的提高.

5 結(jié) 語

通過使用球的極坐標(biāo)方程以及空間偏轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)建緯編針織物毛羽的三維模型，能夠真實(shí)地反映毛羽的走向以及織物毛羽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).將獲取的紗線毛羽外觀圖像作為緯編針織物仿真紋理，會使緯編針織物外觀模擬在細(xì)節(jié)上更為逼真，顯著提高針織物仿真CAD的微觀仿真效果.

參 考 文 獻(xiàn)

［1］CHEN Y Y，XU Y Q，LIN S，et al.Photorealistic rendering of knitwear using the lumislice［C］／／ ACM SIGGRAPH Proceedings of the 28th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques，Los Angeles：CA，USA，2001：391－398.

［2］ZHONG H，XU Y Q，GUO B N，et al.Realistic and efficient rendering of free－form knitwear［J］.Journal of Visualization and Computer Animation，2001，12（1）：13－22.

［3］孫光武.基于openGL技術(shù)的單紗外觀的三維模擬［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，2011：46.

［4］吳周鏡，宋暉，李柏巖，等.緯編針織物在計算機(jī)中的仿真［J］.東華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，37（2）：210－214.

［5］施國生，朱安邦.股線的數(shù)學(xué)模型和外觀模擬［J］.東華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，31（2）：17－19.

［6］譚彬.織物外觀模擬的研究與設(shè)計［D］.杭州：浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2004：79.

A Method to Improve the Sense of Reality of Simulated Weft Knitted Fabric Appearance

YUBin－chenga，LIBai－yana，LIUXiao－qianga，WANGFu－meib
（a.School of Computer Science and Technology；b.College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

In order to make the appearance of 3D simulated weft knitted fabric look more realistic，a novel method that simulates the microstructure of fabric yarns and hairiness is proposed.The method adopts polar equations to present the model of yarns and uses approximately normal distribution function to compute the positions of control points on the model within a block of fabric.It allows user to promote the sense of reality of simulated fabric by tuning parameters to change the microstructure of fabric surface，such as the direction of fabric hairiness，the number and twisting degree of yarn which makes up folded yarns.And at last，on the basis of extracting the feature pixels from the generated coil pictures and calculating the minimum repetition period，the hairiness of the knitted fabric are simulated to acquire quartet connectivity，thus forming the appearance of seamless knitted texture.

knitted fabric；hairiness；control point；folded yarn；characteristic pixel；quartet connectivity

TP 391.7

A

1671－0444（2013）05－0644－06

2012－07－17

上海市科委重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目（10511500902）

于斌成（1986—），男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向計算機(jī)圖形處理、織物仿真.E－mail：yubincheng8＠163.com

李柏巖（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：libaiyan＠dhu.edu.cn