織物仿真CAD在紗線模擬技術方面的新進展

李麗麗(中國紡織科學研究院)

1 引言

織物仿真從紗線仿真開始，紗線模擬設計的好壞直接影響織物外觀的模擬效果。在早期的織物仿真CAD系統(tǒng)中，由于紗線設計模塊的功能單一，普通的織物模擬沒有考慮到紗線本身的性質(zhì)，一根單顏色的紗線僅用一塊單顏色的色塊來表示，導致最后模擬出來的織物效果沒有立體感，嚴重失真。尤其是模擬單色織物，出來的效果就是一整塊顏色塊，沒有任何織物效果。另外設計復雜的花式紗線操作很復雜，需要設計師用鼠標一個點一個點地去設計，很不方便，設計效率很低。

2 紗線模擬系統(tǒng)框架設計

紗線種類繁多，每根紗線表面信息也很豐富，我們要在電腦屏幕上模擬出其效果，只能選擇其主要特征對它進行大致的模擬。紗線的主要特征有顏色、類型、捻度、捻向、粗細、體積重量、毛羽等。我們可以根據(jù)這些參數(shù)設計出紗線模擬的框架，設計師只要在系統(tǒng)中輸入這些參數(shù)，便可自動模擬出對應的紗線。

2.1 紗線的細度

不同種類的紗線，因為其體積密度和特數(shù)、公支數(shù)、旦數(shù)不同而不同，其公式如下：

2.2 紗線的捻度

織物紗線捻向和捻回角示意圖如圖1所示。

圖1 紗線捻向和捻回角

2.3 紗線的毛羽

紗線毛羽由毛羽長度、毛羽量及毛羽產(chǎn)生位置來決定。毛羽長度、毛羽量設計師根據(jù)實際需要可以定量來設置，毛羽產(chǎn)生位置系統(tǒng)自動設置為隨機，這樣生成的紗線效果也更加逼真。

2.4 紗線類型

此系統(tǒng)中紗線類型分為單股紗、合股紗、混色紗、段染紗、竹節(jié)紗及其他六種。前面五種是自動生成的，也可以在自動生成的基礎上再點擊其他，選擇高級選項后自己再編輯更復雜的紗線，如圈圈紗、大肚子紗、毛圈紗、雪尼爾紗等。

2.5 紗線顏色

除了單股紗的顏色是一種顏色外，其他類型紗線的顏色數(shù)可以隨便添加。每種顏色也可以在顏色調(diào)整框中選擇，不僅顏色非常豐富，操作也很方便、快捷。

最后根據(jù)這些參數(shù)設計的紗線模擬系統(tǒng)的界面如圖2所示。

圖2 紗線模擬系統(tǒng)界面

圖3 紗線顏色模型

3 紗線模擬光照模型

在早期的紗線設計系統(tǒng)中沒有考慮到紗線的光照，一根單色紗直接用一個色塊表示，沒有考慮紗線本身的明暗特性，立體感很差。

當光線照射到物體表面時，會出現(xiàn)以下三種情形：

（1）光照射到物體表面后向空間反射，產(chǎn)生反射光；

（2）如果是透明體，光則穿透該物體從另一端射出，產(chǎn)生透射光；

（3）部分光將被物體表面吸收而轉換成熱。

在這三部分光中，僅反射光和透射光能產(chǎn)生視覺效果。反射光和透射光強弱決定物體表面的明暗程度。

對于簡單光照模型，物體不透明的話，則物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定。在一般情況下，將反射光看成三個分量的組合，即環(huán)境反射、漫反射和鏡面反射。

圖7為氣流出口與垂直方向成30°霧滴運動軌跡。當氣流出口方向與對自然風相逆時，在其出風口產(chǎn)生水平向前的氣流速度，可減小霧滴向噴頭下風向飄移的速度，從而增大了霧滴沉積的可能性，減小霧滴飄移量，產(chǎn)生的下風區(qū)域較大，渦流速度較小，進一步減少了霧滴的飄移潛能和向上卷吸潛能，從而有助于降低霧滴的飄移量。隨著氣流出口與垂直方向夾角的增大，輔助氣流對自然風流場的影響范圍遷移出霧滴運動范圍之外，從而使得輔助氣流減少飄移的效果降低。

漫反射光可以認為是在位置光源的照射下，光被物體表面吸收后，重新反射出來的光。漫反射光是從一點照射，向多個方向反射，均勻地散布在各個方向。

郎伯（Lambert）余弦定律總結了位置光源所發(fā)出的光線照射在一個完全漫反射物體上的反射法則。根據(jù)郎伯定律，物體漫反射出來的光強同入射光與物體表面法線之間夾角的余弦成正比。即：

鏡面反射光是朝一定方向反射的光。在光線的照射下，光滑物體會形成一片非常亮的區(qū)域，成為高光區(qū)域。

Phong于1973年提出了計算鏡面反射光的計算公式，公式用余弦函數(shù)的冪次來模擬鏡面反射光的空間分布，可以表示為：

[1]。

根據(jù)紗線的捻向和紗線的光照性能，建立一個紗線顏色模型。每一種顏色用5個色階來表示。在選定紗線顏色和捻向后，根據(jù)建立的顏色模型以確定每個像素點的顏色，這樣模擬出的紗線具有明暗立體及捻向效果。紗線顏色模型如圖3所示。

4 紗線自定義設計

對于普通的紗線，如單股紗、合股紗、混色紗、段染紗、竹節(jié)紗等，只要輸入對應的參數(shù)，系統(tǒng)就會自動模擬出紗線。對于其他一些大肚子紗、毛圈紗、雪尼爾紗等，設計人員可以在自定義設計窗口中根據(jù)自己的需要設計各種紗線。

紗線自定義窗口如圖4所示。

圖4 紗線自定義設計

5 紗線模擬效果

單股紗模擬效果如圖5所示。

圖5 單股紗模擬效果

合股紗模擬效果如圖6所示。

圖6 合股紗模擬效果

竹節(jié)紗模擬效果如圖7所示。

圖7 竹節(jié)紗模擬效果

6 小結

新版本的紗線設計系統(tǒng)設計的紗線立體感強，能實現(xiàn)普通紗線的自動生成、花式紗線等一些復雜紗線的自定義設計。整個系統(tǒng)界面友好、功能較強，為織物的仿真模擬打下了很好的基礎。

[1] 王梅珍.織物設計與虛擬場景模擬一體化集成系統(tǒng)的研究.2004,67～68.