緯編針織物三維仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

彭燕芳，武志云

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在紡織行業(yè)的運(yùn)用越來越廣泛。國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)中新型材料的開發(fā)和織造技術(shù)的應(yīng)用愈加繁復(fù)，使得織物設(shè)計(jì)品種日益繁多，對(duì)織物設(shè)計(jì)的要求也就更加精確。這恰恰推進(jìn)了紡織產(chǎn)品設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)?，F(xiàn)階段緯編CAD軟件是在二維的基礎(chǔ)上，對(duì)織物組織及花型進(jìn)行設(shè)計(jì)，能快速設(shè)計(jì)出獨(dú)具特色的新型花型圖案。緯編針織物三維仿真技術(shù)是針織CAD技術(shù)在緯編領(lǐng)域的必然趨勢(shì)，三維仿真相對(duì)于二維仿真具有更直觀、更逼真的效果，但三維模型的建立較為困難，經(jīng)過專家學(xué)者多年的研究，三維仿真技術(shù)已取得了初步成果。

1 研究現(xiàn)狀

緯編針織物與機(jī)織物和經(jīng)編針織物相比，緯編針織物具有廣泛的適用性。

1.1 紗線的三維仿真

紗線的計(jì)算機(jī)仿真是織物仿真的基礎(chǔ)，紗線模型的好壞直接影響織物的模擬效果。紗線是特殊的柔性實(shí)體，要建立能夠適用于不同紡紗系統(tǒng)或者不同紗線類型的模型是相當(dāng)困難的，不僅要考慮其本身的物理性質(zhì)，還要考慮其在織物中所呈現(xiàn)的屈曲狀態(tài)和受力情況。

紗線三維模型的建立過程，主要可以歸為四大類：第一類是幾何形狀填充法，其分為矩形單元模擬法和平行四邊形單元模擬法。其中，矩形單元模擬法是用一組循環(huán)排列的傾斜放置的矩形色塊來表示紗線，每個(gè)具有色彩的小矩形即代表紗線每個(gè)單元塊的仿真模型。而平行四邊形單元模擬法在實(shí)現(xiàn)過程中，可以采用擦去四個(gè)角的平行四邊形來模擬。這種方法簡(jiǎn)單易行，效率較高，能夠較好地模擬單紗或者股線的外觀，但缺乏真實(shí)感和立體感［1］。

第二類是掃描處理法，首先利用數(shù)字照相機(jī)或掃描儀將紗線圖像輸入，根據(jù)實(shí)物圖像對(duì)紗線形態(tài)進(jìn)行分析，然后建立紗線三維模型。例如，童小素［2］等嘗試?yán)貌杉降牟煌馁|(zhì)的紗線圖像，在二維模擬的基礎(chǔ)上，運(yùn)用色彩學(xué)與光照模型對(duì)紗線的光澤與纖維聚集形態(tài)進(jìn)行模擬。該方法雖然模擬速度較快，但與三維模擬方法相比，在反映紗線的立體感方面稍有欠缺。

第三類是計(jì)算機(jī)三維模擬法，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識(shí)，根據(jù)紗線的參數(shù)，如紗線捻度、細(xì)度、橫截面和紗線路徑等對(duì)紗線進(jìn)行分析，運(yùn)用VRML和NURBS等曲面算法來建立紗線的三維模型，在C＋＋和OpenGL中編程實(shí)現(xiàn)。這種建模方法往往需要對(duì)紗線形態(tài)進(jìn)行假設(shè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將紗線截面簡(jiǎn)化為圓形或橢圓形，然后利用各種數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立紗線的三維模型?，F(xiàn)階段隨著計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，出現(xiàn)許多面對(duì)對(duì)象的語(yǔ)言和軟件，這對(duì)仿真技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

1.2 織物組織的三維仿真

線圈是組成織物結(jié)構(gòu)的基本單元，不同組織結(jié)構(gòu)的線圈形態(tài)也不相同，因此要實(shí)現(xiàn)良好的織物三維仿真效果，對(duì)于線圈的模擬是必不可少的環(huán)節(jié)。線圈模型的建立可劃分成三個(gè)階段。

第一階段是Pierce理想線圈模型的建立，它能反映線圈的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)，但其針編弧、沉降弧與圈柱的連接部分不是光滑連接，不符合紗線是一個(gè)連續(xù)整體的結(jié)構(gòu)特性，而且該模型為了表達(dá)簡(jiǎn)單方便，假設(shè)了線圈結(jié)構(gòu)是幾何形態(tài)的線性關(guān)系，這種假設(shè)未考慮到實(shí)際紗線材料性能及受力大小的變化而引起的實(shí)際織物線圈結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。

第二階段是借助Pierce理想線圈模型，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上做了改進(jìn)。王輝［3］等人在經(jīng)典線圈模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用B樣條曲線進(jìn)行線圈形態(tài)的控制和線圈模型的優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化線圈模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析、結(jié)論分析。B樣條曲線建立的線圈模型比Pierce線圈模型具有更好的適應(yīng)性。蒙冉菊［4］則運(yùn)用NURBS樣條曲線進(jìn)行線圈結(jié)構(gòu)單元建模，其針對(duì)Pierce理想化模型形態(tài)單一且缺乏變形能力進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)用NURBS的靈活性和較好的幾何特征來模擬紗線的中心軸向，建立線圈模型。劉夙［5］所建立的線圈模型是用幾段參數(shù)方程來表示空間圓弧和曲線連接組成的紗線路徑，在Visual C＋ ＋ 編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)OpenGL庫(kù)函數(shù)的調(diào)用，采用這種建模和實(shí)現(xiàn)方法可較為逼真地顯示出緯平針織物線圈在三維空間中相互串套的效果，但模擬效果視覺角度單一，不同角度下需要建立不同的線圈模型。

第三階段是線圈三維模型的建立，鑒于不同組織結(jié)構(gòu)的線圈模型的不同，所以首先研究的是基本組織結(jié)構(gòu)的線圈模型，然后在此基礎(chǔ)上分析研究，對(duì)其它變化組織進(jìn)行建模。趙磊［6］建立的緯編針織物基本線圈三維模型，明確了線圈與線圈之間的結(jié)合點(diǎn)，然后通過結(jié)合點(diǎn)連接線圈與沉降弧形成三維緯編結(jié)構(gòu)。將沉降弧和圈干視為由諸多圓球體構(gòu)成的，用OpenGL工具調(diào)用圓球體并結(jié)合三角函數(shù)的參數(shù)曲線方程構(gòu)建完整的三維線圈模型。王少?。?］則是降低建模復(fù)雜程度，不考慮紗線在織物中的受力情況，采用圓柱體結(jié)構(gòu)來模擬紗線。借助NURBS曲線的可控性，建立緯編針織物三維線圈結(jié)構(gòu)模型，并利用OpenGL和Visual C＋＋開發(fā)工具模擬仿真緯編針織物線圈結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)線圈模型進(jìn)行光照、材質(zhì)、紋理結(jié)構(gòu)的處理。

2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，緯編針織物產(chǎn)品廣泛運(yùn)用到不同領(lǐng)域，推動(dòng)了功能性材料及織物組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展，因此對(duì)于緯編針織物仿真技術(shù)也應(yīng)該向著多元化的方向發(fā)展。

2.1 織物種類多元化

2.1.1 材料種類多元化

不同種類的織物原料仿真的效果不同，隨著新材料的出現(xiàn)，研究人員對(duì)于紡織新產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)不再局限于外觀設(shè)計(jì)，更趨向于功能化，新型纖維原料在針織行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。對(duì)于新材料的仿真，要研究分析其物理性能，并在此基礎(chǔ)上提高視覺效應(yīng)?，F(xiàn)階段出現(xiàn)許多功能性材料，如：抗輻射、環(huán)保型新材料的開發(fā)運(yùn)用，對(duì)于這些織物的三維模擬將有助于織物結(jié)構(gòu)的物理性能分析。

2.1.2 結(jié)構(gòu)種類多元化

緯編針織物結(jié)構(gòu)種類的仿真研究現(xiàn)階段還比較少，目前只是對(duì)于一些基本線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模分析，對(duì)于組織變化還需進(jìn)一步研究。針織品研究人員在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究，推動(dòng)了更多新織物組織的出現(xiàn)，這就要求我們結(jié)合不同的工藝條件，對(duì)不同織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，針對(duì)不同的組織參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，擴(kuò)展針織物新品種的仿真，從而促進(jìn)仿真技術(shù)向紡織多元化的方向發(fā)展。

2.2 仿真技術(shù)多元化

研究人員對(duì)于緯編針織物仿真技術(shù)的研究經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的幾何分析到基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言復(fù)雜的編程過程，再加上針織物產(chǎn)品最終是以整體構(gòu)造的形式呈現(xiàn)，所以要結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)更好體現(xiàn)織物的仿真效果。對(duì)于仿真過程中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的運(yùn)用表明，仿真技術(shù)的發(fā)展需要融會(huì)不同學(xué)科，這樣不僅能滿足科研的需要，同時(shí)也推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科技術(shù)的革新。不同學(xué)科之間是相互貫通的，只有學(xué)科間相互運(yùn)用才能促進(jìn)各個(gè)學(xué)科的縱向發(fā)展?，F(xiàn)有技術(shù)還存在的一個(gè)弊端是從紗線到織物組織的仿真以及仿真系統(tǒng)的構(gòu)建還沒有成熟化。研究學(xué)者只對(duì)其中一個(gè)方面進(jìn)行研究，只有各個(gè)學(xué)科之間緊密聯(lián)系才能推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

仿真技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，主要表現(xiàn)在：一方面人們可以根據(jù)自己的需要對(duì)織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少試織過程，如利用三維仿真技術(shù)可以進(jìn)行面料設(shè)計(jì)展示，提前預(yù)測(cè)面料的受歡迎程度；另一方面，人們可以對(duì)織物性能進(jìn)行分析，以便運(yùn)用在不同的場(chǎng)合。因此，針織物仿真技術(shù)的研究有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

緯編針織物三維仿真技術(shù)是針織CAD技術(shù)在緯編領(lǐng)域的必然趨勢(shì)，經(jīng)過多年的研究已從最初的探索階段逐步有了成果。現(xiàn)有針織物紗線、織物結(jié)構(gòu)的三維仿真研究，為緯編針織物三維仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。三維仿真技術(shù)的研究已經(jīng)不局限于紡織行業(yè)，對(duì)于其他領(lǐng)域的知識(shí)的學(xué)習(xí)也會(huì)推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)階段我們要將各個(gè)學(xué)科融會(huì)貫通，從而實(shí)現(xiàn)緯編針織物三維仿真技術(shù)的再次突破。

［1］祝雙武等.紡織 CAD／CAM［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2007.

［2］童小素，張瑞林.紗線真實(shí)感的計(jì)算機(jī)仿真［J］.紡織學(xué)報(bào)，2008，29（6）：117—120.

［3］王輝，方圓，潘優(yōu)華.緯編針織物線圈模型的分析與研究［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25（5）：522—525.

［4］蒙冉菊，方園.NURBS樣條曲線緯編針織物線圈結(jié)構(gòu)的建模分析［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（3）：220—224.

［5］劉夙，龍海如.緯平針織物的計(jì)算機(jī)三維模擬［J］.紡織學(xué)報(bào)，2007，28（12）：41—44.

［6］趙磊，鄧中民.緯編針織物線圈的三維模擬及變形實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢紡織大學(xué)，2011.

［7］王少俊，包曉敏.基于OpenGL的緯編針織物三維仿真真實(shí)感的研究［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（3）：312—314.