雙針床短毛絨織物的CAD設(shè)計(jì)與仿真

雷 惠，叢洪蓮，張愛軍

(江南大學(xué)針織工程研究中心，江蘇無錫 214122)

雙針床短毛絨織物是在雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的一種絨類織物，具有抗壓性強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好，不易脫毛，手感豐滿，絨面彈性感強(qiáng)，抗皺能力好，洗后縮水率低等優(yōu)點(diǎn)。利用色紗和組織變化可以生產(chǎn)出花紋色彩豐富的經(jīng)編短絨織物，廣泛應(yīng)用于裝飾領(lǐng)域和服用領(lǐng)域，例如沙發(fā)套、汽車坐墊、靠背、席夢思面料、墻布及窗簾、服裝等［1］。

隨著雙針床短毛絨織物需求量增大，傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法繁瑣，需要手動(dòng)畫出墊紗數(shù)碼圖和意匠圖，設(shè)計(jì)人員工作量大［2］，無法適應(yīng)市場需求，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以簡化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性［3］。目前雙針床短毛絨織物的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)有德國的EAT系統(tǒng)、江南大學(xué)的WKCAD系統(tǒng)。EAT系統(tǒng)可以通過墊紗和穿經(jīng)設(shè)計(jì)毛絨織物，但仿真效果一般。WKCAD系統(tǒng)通過墊紗、穿經(jīng)和花型意匠設(shè)計(jì)毛絨織物，仿真效果也不夠理想。

本文深入研究毛絨織物的外觀特點(diǎn)，將圖像處理技術(shù)中的模糊濾鏡功能應(yīng)用于織物仿真，探索出一種新的毛絨織物表面模擬方法，獲得與實(shí)物絨毛圖像更接近的仿真效果。

1 雙針床短毛絨織物CAD設(shè)計(jì)模型

1.1 意匠圖的數(shù)學(xué)模型

意匠圖主要控制毛絨梳櫛的墊紗運(yùn)動(dòng)，利用不同顏色表示織物絨梳的墊紗運(yùn)動(dòng)信息，可以用二維矩陣 E［5］表示。式(1)中 i=1，2，…，m，m 為完全組織的橫列數(shù);j=1，2，…，n，n為完全組織的縱行數(shù);eij的取值范圍為1，2，…，Z，Z為設(shè)計(jì)意匠圖時(shí)所用的顏色總數(shù)。

1.2 穿經(jīng)循環(huán)的數(shù)學(xué)模型

雙針床毛絨織物一般采用6～8把梳櫛進(jìn)行編織，每把梳櫛都有各自的穿紗方式［6］，穿經(jīng)方式的數(shù)學(xué)模型用矩陣表示：

式中：p為參加編織的梳櫛總數(shù);n為完全組織的縱行數(shù)，Cpn的取值為0，1，2…… “0”表示梳櫛在當(dāng)前針間位置空穿。其他數(shù)值代表梳櫛在當(dāng)前針間位置所穿紗線的類型［7］。

1.3 墊紗數(shù)碼的數(shù)學(xué)模型

雙針床織物的墊紗數(shù)碼中，每個(gè)橫列由4個(gè)墊紗數(shù)碼組成，前2個(gè)數(shù)值表示前針床墊紗情況，后2個(gè)數(shù)值表示后針床墊紗的情況，同一橫列間的數(shù)字用“-”連接，在各橫列之間，用“/”分開，墊紗數(shù)碼從右向左進(jìn)行標(biāo)注。

雙針床短毛絨織物的地梳GB1和GB2只作用于前針床，GB5和 GB6只作用于后針床，GB3和GB4作用于前后針床，但其墊紗數(shù)碼在前后針床完全一致，因而墊紗數(shù)碼可以簡化成2個(gè)數(shù)字表示，GB1、GB2、GB3、GB4 僅用前 2 個(gè)數(shù)字表示，GB5、GB6僅用后2個(gè)數(shù)字表示，即轉(zhuǎn)化為單針床墊紗數(shù)碼的表示方法：

式中：k=1，2，…，p，p 為參加編織的梳櫛總數(shù);i=1，2，…，m;Bi1=B(k，i，1)表示第 k 把梳櫛在第 i橫列針前橫移前的位置，Bi2表示第k把梳櫛在第i橫列針前橫移的位置［8］。

為了判斷梳櫛針前橫移方向，設(shè)定數(shù)組U(i，j)來表示梳櫛針前橫移的情況。U(i，j)=l(i，j，2)-l(i，j，1)，若 U(i，j) ＞ 0，梳櫛在當(dāng)前橫列從右向左進(jìn)行針前橫移;若U(i，j)＜0，梳櫛在當(dāng)前橫列從左向右進(jìn)行針前橫移。

經(jīng)編短毛絨織物的地組織的墊紗相對固定，GB1和GB6采用5針襯緯組織，GB2和GB5采用同向的開口編鏈，確定花高后，其墊紗數(shù)碼可以迅速確定。

絨梳的墊紗運(yùn)動(dòng)由意匠圖和穿紗情況共同決定。同一橫列毛絨梳在前后針床的墊紗運(yùn)動(dòng)一致，且與相應(yīng)針床的地梳針前墊紗方向相同。設(shè)計(jì)者只需要畫出毛絨梳櫛的走紗軌跡，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以自動(dòng)讀取所在橫列地梳的針前墊紗方向，使毛絨梳櫛的針前墊紗方向與地梳一致，自動(dòng)生成相應(yīng)的墊紗數(shù)碼。

2 雙針床短毛絨織物仿真方法

毛絨織物的表面具有特殊的絨面效果，目前的仿真方法難以真實(shí)地表現(xiàn)織物的外觀。由于柔性織物本身的物理力學(xué)性能非常復(fù)雜，其材料的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及形狀的不規(guī)則性都給織物的仿真帶來很大的困難［9］。通過分析毛絨織物的表面效果，得到毛絨織物的外觀特點(diǎn)，運(yùn)用圖像處理技術(shù)中的模糊濾鏡功能處理毛絨意匠圖，可模擬毛絨織物表面效果，探索出新的毛絨仿真方法。

2.1 毛絨織物的仿真原理

通過分析毛絨織物的表面效果，發(fā)現(xiàn)相對于其他少梳經(jīng)編織物，毛絨織物最大的特點(diǎn)是花紋輪廓模糊。利用圖像處理軟件中不同的模糊濾鏡進(jìn)行一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過像素化濾鏡與模糊濾鏡共同處理毛絨意匠圖的效果最接近毛絨織物效果，對這2種算法深入研究，得到了毛絨織物表面模擬方法。

濾鏡的功能是通過像素重算實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)內(nèi)部根據(jù)濾鏡的命令分析或選擇區(qū)域的色度值和每個(gè)像素的位置，根據(jù)復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果代替原來的像素，并應(yīng)用到圖像中，使圖像呈現(xiàn)出另一種效果［10］。使用模糊濾鏡組中的濾鏡功能可以將圖像邊緣過度清晰或?qū)Ρ榷冗^于強(qiáng)烈的區(qū)域進(jìn)行模糊，起到柔化圖像的作用。

徑向模糊算法的實(shí)質(zhì)為目標(biāo)圖像上某點(diǎn)顏色值為源圖像對應(yīng)點(diǎn)向中心點(diǎn)方向上一定距離的像素平均值。如圖1所示，方點(diǎn)為采樣點(diǎn)，處理每個(gè)像素都要找到其對應(yīng)的采樣點(diǎn)，計(jì)算這些點(diǎn)的顏色平均值，顏色平均值即為目標(biāo)圖像上該點(diǎn)的像素值。其中采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)在程序中稱為步數(shù)(step)，點(diǎn)的間隔成為步長，在程序中步長為采樣點(diǎn)間距(scale)值，采樣點(diǎn)間距不是等距離的，離中心點(diǎn)越近采樣點(diǎn)越稀疏。

圖1 采樣點(diǎn)選取圖Fig.1 Sampling points selected diagram

圖2 圖像顆?；幚砹鞒蘁ig.2 Process flow of pattern granulation

2.2 雙針床毛絨織物仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)毛絨織物的仿真原理，研究雙針床短毛絨織物的仿真算法，利用VC++.NET程序語言作為軟件開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)雙針床短毛絨織物的仿真。

圖像毛絨化處理的過程主要分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段為圖像顆?；幚?，第2個(gè)階段為徑向模糊。圖像顆粒化通過遍歷意匠圖像素點(diǎn)，在符合條件的顆粒點(diǎn)處做圓，其余地方像素取反，具體過程如圖2所示。

徑向模糊的效果是通過在意匠圖上所有像素點(diǎn)與其模糊中心點(diǎn)連線上取若干點(diǎn)像素值，將取得的所有像素值的平均值作為該點(diǎn)的新像素值而得到的。具體過程如圖3所示。

圖3 徑向模糊處理流程Fig.3 Process flow of radial blurring

當(dāng)毛絨長度為6 mm時(shí)，將毛絨意匠圖進(jìn)行如上處理后，圖片效果如圖4示。按照新方法進(jìn)行處理的仿真圖效果更接近真實(shí)的毛絨織物。

2.3 毛絨狀態(tài)影響因素分析

在仿真過程中，毛絨狀態(tài)主要決定因素有毛絨的密度、長度和起毛方向。

1)毛絨的密度(z)。毛絨的密度與2個(gè)參數(shù)有關(guān)，即絨紗紗線的孔數(shù)F以及線密度D(tex)。在仿真中當(dāng)紗線的密度γ(g/cm3)確定后，起毛顆粒的直徑d由紗線的線密度和孔數(shù)決定，紗線的細(xì)度用特克斯表示時(shí)，起毛顆粒的直徑d(mm)的計(jì)算值為

每個(gè)毛絨線圈的基部有2個(gè)延展線形成毛絨，因此毛絨的密集程度即起毛顆粒的數(shù)目z=2F。在仿真過程中，當(dāng)2個(gè)隨機(jī)參數(shù)滿足密度條件時(shí)，以d為半徑在隨機(jī)點(diǎn)處作1個(gè)圓，這個(gè)圓即為徑向模糊時(shí)的目標(biāo)像素點(diǎn)，其余位置像素值取反。

圖4 仿真效果Fig.4 Simulation effect.(a)Fabric simulation diagram;(b)Short pile fabric picture

3)毛絨長度(L)：雙針床毛絨織物的毛絨長度由2個(gè)脫圈板之間的距離(h)決定，毛絨的長度L近似等于脫圈板之間距離的一半，即L=h/2。仿真時(shí)，毛絨的長度決定采樣點(diǎn)的步數(shù)和步長。采樣點(diǎn)的步數(shù)即徑向模糊時(shí)的長度，對應(yīng)毛絨的長度L。選取的步長根據(jù)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)計(jì)算得到，計(jì)算式為

式中：S為選取采樣點(diǎn)的步長;f為采樣點(diǎn)與模糊中心點(diǎn)之間的距離;l為采樣點(diǎn)的步數(shù);n為完全組織縱行數(shù)的寬度;i為采樣點(diǎn)的計(jì)數(shù)變量。

3)起毛纖維的方向控制：若毛絨織物不經(jīng)過軋花工藝處理，則織物表面的絨毛呈現(xiàn)出整體一致，局部隨機(jī)的效果。在仿真過程中，起毛方向就是起毛中心點(diǎn)與目標(biāo)像素點(diǎn)連線的方向。每個(gè)目標(biāo)像素點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)模糊中心點(diǎn)。模糊中心點(diǎn)P(x，y)的選取方式如下：

式中：Px為中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)值;Py為中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

3 結(jié)論

1)由于雙針床毛絨織物的絨梳在前后針床的墊紗數(shù)碼相同，因而其墊紗數(shù)碼的數(shù)學(xué)模型可以簡化為二維數(shù)組，且絨梳與其相應(yīng)橫列地組織針前墊紗方向相同，在墊紗軌跡確定后即可根據(jù)前后針床地組織的墊紗方向確定墊紗數(shù)碼，實(shí)現(xiàn)墊紗數(shù)碼的自動(dòng)生成。

2)通過分析毛絨織物的表面特征，發(fā)現(xiàn)毛絨織物的花型圖案邊緣模糊，這種效果可以通過數(shù)字圖像處理技術(shù)中的模糊功能實(shí)現(xiàn)，通過顆?；蛷较蚰：?個(gè)階段處理可以獲得與實(shí)物圖效果相近的毛絨效果。

3)在毛絨織物的仿真過程中，本文僅考慮普通剖絨織物的仿真，在實(shí)際生產(chǎn)中，也常采用軋花等后處理工藝，使絨毛方向呈現(xiàn)特定倒伏規(guī)律，可以在本文方法的基礎(chǔ)上，增加控制模糊中心點(diǎn)的控制模塊，即可實(shí)現(xiàn)軋花工藝效果。

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