采用粒子系統(tǒng)的紋織CAD泥地仿真

羅炳金，陳 敏

(浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

泥地是一種重要的紋織物花型圖案元素，泥地典型特點(diǎn)是圖案具有整體的規(guī)律性和局部的隨機(jī)性，此類圖案元素廣泛應(yīng)用于表現(xiàn)提花紋織物底紋的肌理效果和花型表現(xiàn)效果，使產(chǎn)品具有很強(qiáng)的裝飾性和藝術(shù)性。

傳統(tǒng)泥地效果的繪制，是由花型設(shè)計師在意匠紙上手工繪制的，文獻(xiàn)［1－2］從織物組織變化歸納手工繪制泥地方法:錯位排列法、填加法、組織結(jié)合法、平面組合方法、旋轉(zhuǎn)法、重疊組合方法、影光泥地畫法、絲路泥地畫法等。還有文獻(xiàn)將意匠與工藝結(jié)合解說泥地的制作方法，這種方法都是在傳統(tǒng)的意匠紙上，以織物三原組織及其變化組織為基礎(chǔ)，通過組織排列順序變化、浮長線變化、組織組合而手工制作泥地［3－4］。手工制作泥地能結(jié)合工藝要求和織物來描繪泥地，泥地效果逼真，但手工制作泥地效率低下，制作強(qiáng)度比較大，一幅簡單的泥地圖案，通?；◣讉€小時甚至幾天才能繪制、設(shè)計完成。

黃翠蓉［5］探討了織物泥地的計算機(jī)實現(xiàn)設(shè)想、數(shù)學(xué)模型、流程圖和算法，給出了用VC編制的對應(yīng)功能函數(shù)，能使紋織CAD系統(tǒng)實現(xiàn)一定泥地設(shè)計功能，但根據(jù)其試驗效果，生成泥地顆粒的形態(tài)等微觀特性和泥地的整體效果遠(yuǎn)沒有達(dá)到適用的理想效果，在實際操作上也欠實用性。

現(xiàn)在國內(nèi)的紋織CAD系統(tǒng)中，主要利用噴灑泥地點(diǎn)的工具隨機(jī)噴灑顆粒點(diǎn)來實現(xiàn)，并需要手工連續(xù)多次噴灑，形成期望的整體效果。由于是手工噴灑，整體效果較難控制，顆粒點(diǎn)間相互作用的微觀效果亦無法把握，只能實現(xiàn)如基本顆粒泥地簡單的泥地效果。

粒子系統(tǒng)方法是用來仿真和渲染模糊現(xiàn)象的技術(shù)。使用粒子系統(tǒng)仿真和渲染的現(xiàn)象有火花、水流、云、雪、霧、塵埃、爆炸場景、流星尾跡等視覺效果，體現(xiàn)模糊對象的動態(tài)性和隨機(jī)性［6］。文獻(xiàn)［7］討論了基于粒子系統(tǒng)特性控制泥地效果和進(jìn)行泥地模擬的方案，認(rèn)為用粒子系統(tǒng)模擬泥地有2個優(yōu)點(diǎn):粒子系統(tǒng)的離散性和隨機(jī)性體現(xiàn)泥地的特性;由于粒子系統(tǒng)的定義是過程化的由隨機(jī)數(shù)控制，因此不需要大量的人工計算和設(shè)計即可得到細(xì)致的圖像，但是該文獻(xiàn)沒有研究根據(jù)不同泥地效果建立形態(tài)泥地粒子單元的問題，并沒有為粒子單元確定相應(yīng)的表現(xiàn)屬性，如大小、位置、顏色、隨機(jī)性等。

本文基于知識表達(dá)、粒子系統(tǒng)和計算機(jī)圖形學(xué)，面向?qū)ο髽?gòu)建傳統(tǒng)泥地模型，創(chuàng)建不同類型的泥地粒子發(fā)射器、粒子影響器和粒子渲染器，并根據(jù)泥地效果進(jìn)行組合，使泥地特效算法有效地應(yīng)用于紋織CAD系統(tǒng)中，創(chuàng)建出形態(tài)各異、效果多變的紋織泥地圖案。

1 傳統(tǒng)泥地繪制的專家模型構(gòu)建

針對各種泥地特點(diǎn)和傳統(tǒng)手繪的方法，建立基于知識表達(dá)和面向?qū)ο蟮膶＜夷嗟厥掷L模型，再結(jié)合粒子系統(tǒng)構(gòu)建泥地特效算法，并應(yīng)用Visual C++編程環(huán)境，對泥地算法進(jìn)行實現(xiàn)，整個過程見圖1。

圖1 基于粒子系統(tǒng)的紋織CAD泥地仿真實現(xiàn)過程Fig.1 Implementation process of simulation for mud in fabric CAD based on particle system

知識表達(dá)是將一些過程、事實、關(guān)系等編碼成為一種能被計算機(jī)所接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以適當(dāng)方式產(chǎn)生智能的行為。在進(jìn)行知識表達(dá)時，面向?qū)ο竽Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計最為關(guān)鍵。通過面向?qū)ο蟮哪Ｐ蜆?gòu)建把知識規(guī)范地表達(dá)出來，使面向?qū)ο竽Ｐ偷闹R具有封裝、繼承的基本特征。

提花紋織物花紋圖案的特點(diǎn)不同，所需要的泥地種類和風(fēng)格也不一樣，提花紋織物所采用的泥地種類有顆粒泥地、冰片泥地、燥筆泥地、漸變泥地、圖案泥地等。傳統(tǒng)設(shè)計師設(shè)計時會根據(jù)花型需要，確定整體的區(qū)域和效果，再據(jù)此分布泥地單元，在繪制每個泥地單元時，既要考慮適應(yīng)整體效果，又要考慮每個泥地單元自身的隨機(jī)變化，使其自然而不凌亂。

各種泥地效果的傳統(tǒng)繪制方法是不同的。手工繪制冰片泥地重點(diǎn)在冰片單元間邊界線位置的確定，通過邊界線分割出一個個冰片單元，達(dá)到既要保證冰片的形態(tài)，又要有一定的隨機(jī)性的要求;手工繪制顆粒泥地，重點(diǎn)在顆粒點(diǎn)的大小和形狀，并盡量使顆粒點(diǎn)分布均勻，使整體效果均勻自然;手工繪制燥筆泥地，重點(diǎn)在泥地點(diǎn)隨著筆勢消逝的過程(整體上具有運(yùn)筆從深到淺的過程)，效果上具有燥筆特有的風(fēng)格特點(diǎn);手工繪制漸變泥地，重點(diǎn)在整體泥地效果的變化過程，如顆粒漸變泥地，顆粒點(diǎn)大小和間隙會按一定趨勢逐漸變化，繪制變化的自然無痕，才能達(dá)到理想的漸變效果;手工繪制圖案泥地，重點(diǎn)在圖案位置的分布和圖案大小的變化，以實現(xiàn)與顆粒泥地有一定相似性。

根據(jù)每種泥地效果的特點(diǎn)，對花型設(shè)計師手工繪制泥地方法的經(jīng)驗進(jìn)行提煉總結(jié)，建立泥地特效模型，即將手工繪制泥地的特點(diǎn)歸納為對象屬性(包括各種泥地與紋織花型的紋針數(shù)，經(jīng)緯密，接回頭的關(guān)系等);將手工繪制泥地的過程歸納為對象方法;將專家傳統(tǒng)手工繪制泥地的經(jīng)驗，封裝到一個個對象組件中。在紋織泥地粒子系統(tǒng)的構(gòu)建時，根據(jù)要實現(xiàn)的紋織圖案泥地效果的目標(biāo)需求，通過合適的屬性和組件，對專家經(jīng)驗的調(diào)用和繼承，形成基于粒子系統(tǒng)紋織泥地特效算法的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

以冰片泥地為例，根據(jù)傳統(tǒng)冰片泥地的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和繪制方法，采用冰片種子膨脹模型，實現(xiàn)冰片泥地的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，流程見圖2。

圖2 冰片泥地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形成過程Fig.2 Formation process of data structure on ice mud

2 基于粒子系統(tǒng)的泥地效果仿真

粒子系統(tǒng)理論為用紋織CAD繪制各種泥地效果提供了可行的方法，但要得到逼真自然的泥地圖案效果，關(guān)鍵在于設(shè)計與不同泥地效果相對應(yīng)的合理完善的粒子發(fā)生器、粒子影響器和粒子渲染器。并根據(jù)不同的泥地效果，將相應(yīng)的泥地粒子發(fā)射器、泥地粒子影響器、泥地粒子渲染器進(jìn)行組合，創(chuàng)建出形態(tài)各異、效果多變的紋織泥地圖案，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機(jī)結(jié)合在一起，不僅有效表現(xiàn)泥地的宏觀整體效果，還要準(zhǔn)確表現(xiàn)泥地顆粒單元的形態(tài)與分布的效果。為此，根據(jù)手工繪制泥地方法提煉的模型和顆粒泥地、冰片泥地、燥筆泥地、漸變泥地、圖案泥地等數(shù)據(jù)庫，結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)和物理動力學(xué)原理，建立粒子系統(tǒng)的粒子發(fā)射器、粒子影響器和粒子渲染器。

2.1 泥地粒子的起始位置和方向控制

在進(jìn)行泥地效果仿真時，粒子發(fā)生器可以采用多種形狀，例如點(diǎn)、直線、曲線、矩形、橢圓、圓形，并利用粒子發(fā)生器控制粒子的發(fā)射范圍、發(fā)射強(qiáng)度、粒子尺寸、粒子形狀等特性。根據(jù)各種泥地效果的特點(diǎn)，針對不同的泥地類型，采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立隨機(jī)過程函數(shù)控制泥地顆粒單元的形態(tài)與分布(利用隨機(jī)函數(shù)對其進(jìn)行初始值的分配，使各種泥地粒子各具特色)，設(shè)計出高效的泥地粒子生成方法，從而創(chuàng)建不同類型的粒子發(fā)射器，形成不同形態(tài)的泥地粒子單元，并為泥地粒子單元確定相應(yīng)的表現(xiàn)屬性。例如對于燥筆泥地，將濃度值作用于隨機(jī)函數(shù)，使這種泥地效果從密集到稀疏呈不規(guī)則排列;對于沿輪廓漸變的泥地，將粒子發(fā)生器按一定密度均勻分布在圖案輪廓上，并按輪廓曲線的垂線方向進(jìn)行發(fā)射;對于圖案泥地，用指定的圖案元素，作為粒子發(fā)生器發(fā)射的粒子，實現(xiàn)相應(yīng)的圖案泥地特效。

2.2 利用粒子影響器對粒子進(jìn)行修正

根據(jù)物理動力學(xué)原理，結(jié)合風(fēng)力和重力的專業(yè)計算數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的逼近函數(shù)，模擬粒子單元受重力或風(fēng)等外界因素的影響，改變粒子位置等屬性，控制泥地的宏觀整體效果，利用粒子影響器對粒子發(fā)射器發(fā)射出的粒子進(jìn)行修正，以達(dá)到更逼真自然的泥地效果。如燥筆泥地效果，除了要考慮粒子發(fā)射器沿筆跡走向的分布外，還要考慮筆劃輕重，墨跡擴(kuò)散等對泥地效果的影響，這就要構(gòu)建合理的粒子影響器，使粒子的形態(tài)和分布更逼真自然，符合燥筆泥地的風(fēng)格。

2.3 泥地粒子的效果渲染

運(yùn)用粒子渲染器，通過陰影、光照、濃度、消隱和幾何變化等技術(shù)修飾泥地粒子的間距、粒子的形態(tài)、粒子消亡的變化趨勢，進(jìn)一步實現(xiàn)紋織泥地的典型特點(diǎn):即圖案具有整體的規(guī)律性和局部的隨機(jī)性，使紋織泥地效果在技術(shù)上充分實現(xiàn)逼真和美感的要求。例如對燥筆泥地效果，通過構(gòu)建理想的消隱處理技術(shù)，更逼真地模擬燥筆干墨的蒼勁效果;對于漸變泥地，按照濃、漸濃、漸稀、稀4部分，進(jìn)行組織點(diǎn)的長度漸變，使泥地形式變化多端，花紋生動活潑;對冰片泥地利用點(diǎn)、線、多邊形等多種方式渲染粒子，使冰片泥地如“敲碎的冰塊”的機(jī)制更加明顯。

2.4 粒子系統(tǒng)的負(fù)反饋機(jī)制引入

為更好表現(xiàn)粒子系統(tǒng)所生成的紋織泥地效果，對粒子系統(tǒng)引入負(fù)反饋機(jī)制，構(gòu)建紋織泥地效果評測機(jī)，將評測機(jī)測得的泥地效果評測值作為負(fù)反饋參數(shù)，據(jù)此對粒子系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，當(dāng)泥地粒子系統(tǒng)動態(tài)生成新的粒子點(diǎn)，就對不良粒子點(diǎn)進(jìn)行干涉，令其死亡;當(dāng)泥地效果在粒子系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟逻_(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)后，泥地生成過程自動結(jié)束。

3 泥地仿真效果實現(xiàn)

應(yīng)用Visual C++是可視化C++語言編程環(huán)境，進(jìn)行面向?qū)ο缶幊?，實現(xiàn)泥地算法仿真。在算法實現(xiàn)過程中，除了要構(gòu)造合理的泥地特效算法對象外，還要考慮算法的實時性。泥地效果越逼真，設(shè)計的泥地算法相應(yīng)也越復(fù)雜，泥地效果生成的運(yùn)算量也就越大，但紋織CAD系統(tǒng)在設(shè)計階段，本身就要求有很高的實時性，才能具有實用性，如冰片泥地效果，操作是利用鼠標(biāo)或數(shù)字化筆完成，因而要求冰片泥地特效的生成是根據(jù)鼠標(biāo)或數(shù)字化筆的運(yùn)動軌跡實時生成。這種實時性，需要對泥地算法進(jìn)行優(yōu)化處理。圖3示出縱向間隔20，橫向間隔20，種子點(diǎn)隨機(jī)度70%冰片泥地分布及效果圖。在自動處理花幅寬度40 cm，花幅高度40 cm范圍的泥地時，意匠自動處理在1 min內(nèi)，實驗測試結(jié)果體現(xiàn)了該算法能有效快速地表現(xiàn)冰片泥地的形態(tài)和隨機(jī)性。圖4示出梵高《向日葵》的顆粒泥地效果。

圖3 冰片泥地分布及效果圖Fig.3 Demonstration for distribution of ice mud(a)and effectiveness of ice mud(b)

圖4 梵高《向日葵》顆粒泥地效果Fig.4 Effect of particle mud for ″sunflower″of Van Gogh

4 結(jié)語

粒子系統(tǒng)理論為使用紋織CAD繪制各種泥地效果提供了可行的方法，但要得到逼真自然的泥地圖案效果，首先要根據(jù)各類傳統(tǒng)繪制的泥地特點(diǎn)，基于知識表達(dá)和面向?qū)ο?，?gòu)建傳統(tǒng)泥地的模型，再根據(jù)手工繪制泥地方法提煉的模型，設(shè)計相對應(yīng)的合理完善的粒子發(fā)生器、粒子影響器和粒子渲染器。并根據(jù)不同的泥地效果，將相應(yīng)的泥地粒子發(fā)射器、泥地粒子影響器、泥地粒子渲染器進(jìn)行組合，創(chuàng)建出形態(tài)各異、效果多變的紋織泥地圖案，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機(jī)結(jié)合在一起，達(dá)到有效表現(xiàn)泥地宏觀整體效果的目的，并準(zhǔn)確表現(xiàn)泥地顆粒單元形態(tài)與分布效果。應(yīng)用Visual C++編程環(huán)境，對泥地算法進(jìn)行實現(xiàn)，結(jié)果表明該算法能很好且快速地表現(xiàn)冰片泥地的形態(tài)和隨機(jī)性。

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