織物建模軟件的特點(diǎn)及應(yīng)用

左　祺，李小歡，趙立環(huán)

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

織物建模軟件的特點(diǎn)及應(yīng)用

左祺，李小歡，趙立環(huán)

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

文章通過(guò)總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外二維和三維織物建模方法及相應(yīng)軟件特點(diǎn)，認(rèn)為目前二維織物建模軟件及其模型的靈活性差、適用面窄，三維織物建模軟件適用性廣，指出將織物建模與織物性能分析相結(jié)合的三維織物建模軟件是未來(lái)織物建模軟件的發(fā)展方向。

織物模擬；二維建模；三維建模；特點(diǎn)

織物建模旨在利用計(jì)算機(jī)模擬出具有真實(shí)感的織物圖像。如何在計(jì)算機(jī)上模擬出較為逼真的織物一直是計(jì)算機(jī)圖形研究的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。研究織物建模是為了更好地將其應(yīng)用在織物分析、面料設(shè)計(jì)和服裝性能設(shè)計(jì)等方面，運(yùn)用軟件真實(shí)模擬出織物的各項(xiàng)特征，包括交織狀態(tài)，浮長(zhǎng)狀態(tài)，凹凸紋理狀態(tài)，屈曲狀態(tài)，立體感，質(zhì)感等?？椢锝：笥欣诳椢锝Y(jié)構(gòu)研究和織物力學(xué)分析，而且通過(guò)改變經(jīng)緯線顏色或改變各類參數(shù)，可以瞬間產(chǎn)生所需織物模型。在織物模擬速度、效果和穩(wěn)定性等方面取得重要進(jìn)展的同時(shí)，人們也設(shè)計(jì)出了不同的織物建模軟件來(lái)配合不同的建模方法。目前，織物建模軟件種類繁多，建模效果及其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。本文將對(duì)主要的幾種織物建模軟件的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行整理介紹，為各研究者進(jìn)行織物建模提供參考。

1　織物建模的分類

1.1二維建模

織物二維建模主要是用平面示意圖來(lái)表現(xiàn)織物或者紗線的三維表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整紗線的顏色或者模擬經(jīng)過(guò)后整理加工的織物表面形態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的織物模擬，具有極好的織物組織輸入和紗線設(shè)計(jì)功能，如圖1所示。甚至能夠打印出逼真的織物模擬圖像的紙樣，一定程度的減少小樣機(jī)的打樣工作，如圖2所示。但是二維模型缺乏立體感和真實(shí)感，并且局限于紗線或織物的數(shù)據(jù)條件，只能采用理想化的數(shù)據(jù)，無(wú)法很好地模擬一些花式紗線、混紡紗線和復(fù)雜的多層織物，缺乏靈活性，不能適應(yīng)所有的用戶。

圖1　織物模擬圖像

圖2　織物圖案模擬圖像

1.2三維建模

三維模擬就是用三維示意圖來(lái)表現(xiàn)織物或者紗線的三維幾何結(jié)構(gòu)。在模擬程序中，大多能從多個(gè)角度對(duì)模型進(jìn)行觀察，甚至有的軟件還能實(shí)現(xiàn)模擬各個(gè)不同方向的光線的影響。三維織物模擬考慮了紗線的屈曲狀態(tài)，機(jī)織物的交織狀態(tài)，和針織物的嵌套過(guò)程等多方面的因素，其仿真效果很高，加上對(duì)圖片的渲染，配合光源模型，凹凸紋理，基本上能夠真實(shí)地模擬復(fù)雜的織物，并且能在電腦上直觀地看出織物的特征，如圖3所示。

圖3　平紋織物三維模型

2　織物建模軟件

2.1二維織物建模軟件及應(yīng)用

二維建模具有代表性的軟件是織物仿真CAD系統(tǒng)軟件。它可以迅速生成織物模型，適用于普通的織物和一些相對(duì)復(fù)雜的二重組織、雙層組織的織物設(shè)計(jì)?？椢锓抡鍯AD系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是模擬織物外觀形態(tài)(包括配色模紋、織物起毛效果)，通過(guò)圖片渲染和建立光照模型，模擬真實(shí)的視覺效果。但CAD始終是平面展示模擬效果，呈現(xiàn)不出復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4所示[1～2]。

圖4　凹凸紋理模擬圖

除紡織CAD系統(tǒng)外，Photoshop、Flash等平面圖形處理系統(tǒng)也能對(duì)織物平面花紋進(jìn)行模擬，效果不如CAD真實(shí)感強(qiáng)，而且操作繁瑣。

二維織物模擬忽略了織物的部分特征，用其來(lái)分析織物性能，結(jié)果不太準(zhǔn)確，因此只將其應(yīng)用于展示織物效果圖。

2.2三維織物建模軟件及應(yīng)用

2.2.1TexGen新型織物仿真軟件

TexGen軟件是由英國(guó)諾丁漢大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的模擬織物幾何結(jié)構(gòu)的軟件，可以最大程度地展現(xiàn)織物的結(jié)構(gòu)特性和柔性。該軟件能夠快速創(chuàng)建二維和三維織物模型，并對(duì)已創(chuàng)建好的織物模型進(jìn)行修改并輸出。其特點(diǎn)有：

(1)根據(jù)軟件的建模原理，仿真方法簡(jiǎn)單，創(chuàng)建模型迅速。

(2)既能生成二維模型也能生成三維模型，能模擬絕大多數(shù)織物的幾何結(jié)構(gòu)，還包括因紗線粗細(xì)不勻而局部改變截面形狀和尺寸的功能。

(3)軟件輸出后與有限元分析軟件兼容，應(yīng)用于織物力學(xué)分析、材料力學(xué)等性能的分析[3～4]。

(4)在針織物模擬方面，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選擇可以與三維模型達(dá)到較好的一致性，同時(shí)線圈過(guò)渡平滑，線圈間的連接也比較光滑，仿真效果較為理想[5]。

TexGen作為新型的紡織軟件是專門針對(duì)織物模擬設(shè)計(jì)的，仿真效果十分逼真，并且功能強(qiáng)大。將TexGen模擬的三維模型以． stp 或． inp 等格式的文件導(dǎo)出，可以直接在Abaqus 中導(dǎo)入生成模型。這樣就能在Abaqus軟件中進(jìn)行織物應(yīng)用性能分析。但若TexGen模擬的模型有織物中紗線間的嵌入問(wèn)題會(huì)對(duì)有限元分析造成很大的誤差，所以建模時(shí)要避免紗線間的嵌入。

采用TexGen軟件建立的紗線模型和機(jī)織物模型分別如圖5和圖6所示。

圖5　紗線模型

圖6　織物模型

2.2.23DS MAX軟件

基于3DS MAX軟件平臺(tái)，運(yùn)用其內(nèi)置語(yǔ)言MaxScript進(jìn)行編程，開發(fā)織物組織全自動(dòng)三維模擬系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)三維模擬效果，特點(diǎn)如下：

(1)3DS MAX可以簡(jiǎn)化顏色、發(fā)光程度、透明程度和反光程度等特征參數(shù)數(shù)據(jù)，在光照模型和紋理渲染的三維模擬方面比OpenGL系統(tǒng)的三維模擬的效果更好[6]。

(2)該軟件根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，將獲得的織物各種參數(shù)規(guī)范化，把組織結(jié)構(gòu)的源代碼和模板中的參變量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)替換，生成建模代碼文件。

(3)基于NURBS曲線建模，保證放樣后紗線屈曲的部分不會(huì)出現(xiàn)尖銳拐角和通過(guò)修改控制點(diǎn)(修改因子)方便調(diào)整紗線模型的狀態(tài)[7]。

(4)按照陣列復(fù)制完全組織的方法，產(chǎn)生整個(gè)機(jī)織物的三維模型。完全組織如圖7所示。

圖7　完全組織

(5)在針織方面，可以創(chuàng)建動(dòng)畫，動(dòng)態(tài)模擬成圈三角及針舌的運(yùn)動(dòng)和紗線變形，從而模擬基本組織的編織過(guò)程[8]。

3DS MAX的建模過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但不能很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。該軟件有自己的語(yǔ)言，與很多通用的有限元分析軟件不兼容。若要使已有的模型導(dǎo)入有限元分析軟件就必須將三維模型的代碼轉(zhuǎn)換成VC++代碼，再導(dǎo)入其他軟件，這樣工作量就增大了。

2.2.3OpenGL三維圖形系統(tǒng)

在VC++開發(fā)環(huán)境下，通過(guò)不同的建模方法建立模型，用OpenGL圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)織物結(jié)構(gòu)的三維模擬,特點(diǎn)如下：

(1)B樣條插值曲線設(shè)計(jì)(建模方法)：疊代法近似計(jì)算插值B樣條的控制定點(diǎn)；反算法計(jì)算控制定點(diǎn)；這些方法計(jì)算量大，而且參數(shù)不好控制。通過(guò)研究幾何關(guān)系，建立多項(xiàng)式模型的方法，雖然計(jì)算量也不小，但優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制改變屈曲交織形態(tài)[9]。

(2)通過(guò)改變法線向量的求法改變光照效果，從而建立光照模型。

(3)模擬圖能夠任意改變大小方向，在不同角度的光線下觀察織物組織結(jié)構(gòu)。

(4)可以任意選擇紗線或者隱去紗線、改變紗線的根數(shù)、截面積和顏色。為了研究織物的組織結(jié)構(gòu)可以只顯示單根紗線。

(5)通過(guò)多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的三維建模，得到的紗線并非完全直線狀，模擬度高，符合織物中紗線的實(shí)際交織情況[10]。

(6)在針織方面，NURBS曲線進(jìn)行的線圈模擬，加入光照、材質(zhì)因素和紋理、明顯體現(xiàn)線圈之間的嵌套關(guān)系，真實(shí)感強(qiáng)烈[11]。

OpenGL建模計(jì)算復(fù)雜，但是織物外觀模擬效果好。而且基于VC++開發(fā)環(huán)境，代碼通用性好。生成模型文件后，通過(guò)更改文件類型就能將模型導(dǎo)入通用的有限元分析軟件。

2.2.4在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的織物三維模擬

基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言建立織物空間幾何模型，經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)的劃分、組織循環(huán)的命名和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸并且能遠(yuǎn)程操作觀察三維仿真效果。在這個(gè)基礎(chǔ)上利用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)織物外觀紗線色彩和光照效果在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)輸入和實(shí)時(shí)修改，但是容易忽略了經(jīng)緯紗線在織物中移位的不均勻性問(wèn)題[12～13]。

2.2.5織物模擬CAD系統(tǒng)改進(jìn)成三維模擬

基于HSL/RGB顏色空間轉(zhuǎn)換進(jìn)行光照效果處理的表面光照模型和快速表里分層的組織結(jié)構(gòu)分析算法，主要從織物紗線的結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)造在視覺上有3D效果的紗線模型[14]。研究人員也逐漸關(guān)注對(duì)CAD系統(tǒng)的二維模擬進(jìn)行改善，使其具有三維效果。

Pro/E、AutoCAD、SolidWorks、UG這些傳統(tǒng)的三維模型軟件，在織物模型上尚未普遍應(yīng)用。例如：基于DirectX 3D技術(shù)的三維模擬仿真，主要模擬織物的飄擺效果，使織物看起來(lái)不只是一個(gè)平面圖，具有凹凸屈曲的視覺效果[15]?；赨G的三維正交機(jī)織物模型構(gòu)建，主要是整體正交組織的建模，再用巨元體法建立紗線截面尺寸的計(jì)算方法等[16]。這些軟件對(duì)于導(dǎo)入有限元分析軟件有很大的優(yōu)勢(shì)，所以將這些軟件應(yīng)用于織物三維模擬也是有研究意義的。

3　結(jié)論

現(xiàn)有的各種模擬軟件的特點(diǎn)總的來(lái)說(shuō)就是先通過(guò)對(duì)一根具有結(jié)構(gòu)相的紗線建模，然后讓這些紗線通過(guò)織物組織結(jié)構(gòu)相交形成織物單元，最后通過(guò)復(fù)制粘貼構(gòu)成整個(gè)織物模型。當(dāng)不考慮屈曲狀態(tài)和結(jié)構(gòu)組織時(shí)，模擬出來(lái)就是二維模型。而考慮上屈曲、交織狀態(tài)和陰影光照時(shí)就能模擬出逼真的三維模型。在織物模擬上，隨著類似于Texgen等的專業(yè)織物模擬軟件的出現(xiàn)，模擬的程度逐漸完善。今后的織物軟件開發(fā)方向?qū)⑹悄M和分析相結(jié)合，因此能夠形象地模擬紗線及其織物三維幾何結(jié)構(gòu)，并且能直接進(jìn)行性能分析及其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的織物建模軟件必將得到研究者及其他使用者的青睞。

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Characteristics and Application of Fabric Modeling Software

Zuo Qi，Li Xiaohuan，Zhao Lihuan

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The modeling methods and software features of the two-dimensional and three-dimensional fabric at home and abroad were summarized and analyzed. At present, it was considered that the flexibility and applicability of the two-dimensional fabric modeling software and its model were limited. Three-dimensional fabric modeling software was widely used. The paper put forward that the three-dimensional fabric software combining fabric modeling with fabric’s performance analysis would be the development direction of the future fabric modeling software.

fabric simulation;two-dimensional modeling;three-dimensional modeling;characteristics

2015-09-18

左祺(1995—)，女，湖南湘潭人，學(xué)士。

TP391.41

B

1009-3028(2015)06-0038-04