基于互聯(lián)網(wǎng)的針織CAD系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

高梓越 叢洪蓮 蔣高明

摘要：采用B/S模式進行互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)的開發(fā)，用戶通過訪問瀏覽器站點使用軟件。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為設(shè)計層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)輸出層，同時兼容經(jīng)編、緯編、橫編 3 類針織物設(shè)計，主要具有花型設(shè)計、工藝設(shè)計、織物仿真、織物分析、數(shù)據(jù)輸出和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫六大功能模塊。本系統(tǒng)面向產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程，建有完備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，同時具有花型繪制簡單、數(shù)據(jù)處理迅速、織物仿真真實等特點。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；針織CAD；仿真；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TS181.9 文獻標(biāo)志碼：A

The Design and Development of Internet-based Knitting CAD System

Abstract： In this paper， B/S mode was selected to develop the Internet knitting CAD system. The users employ this system by accessing the site through the browser. This system was divided into the following three layers， design layer， data processing layer and data output layer. It is applicable to designing warpknitted， weft-knitted and flat-knitted fabrics with the six function modules， namely pattern design， process design， fabric analysis， fabric simulation， data output and product database. This system geared to the needs of the production process and had a complete product database. At the same time， it had the characteristics of simple pattern drawing， quick data processing and real fabric simulation， etc.

Key words： Internet； knitting CAD； simulation； database

互聯(lián)網(wǎng)時代的興起，促進了計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，同時也為CAD技術(shù)帶來了新的發(fā)展模式和理念。在公路、機械制造等領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)CAD已經(jīng)得到快速的發(fā)展，具有一定的動態(tài)建模以及交流、協(xié)作與共享的功能。但針織CAD的互聯(lián)網(wǎng)化卻遲遲沒有發(fā)展?，F(xiàn)有的針織CAD軟件大都為單機或局域網(wǎng)的C/S模式，雖然具有很強的交互性與安全性，但因其網(wǎng)絡(luò)兼容性差，既不能滿足目前設(shè)計者隨時隨地進行設(shè)計的需求，也不能滿足未來分布式生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。

本文綜合針織CAD目前的需求，采用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)面向針織產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)全過程的互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以更好地打破時空的界限，真正縮短人—人、人—機、機—機之間的距離，不僅具有原有針織CAD的優(yōu)點，還具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)作設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和遠程數(shù)據(jù)輸出等一些新的特點。

1 互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

B/S模式是在互聯(lián)網(wǎng)興起后的一種軟件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式?？蛻舳酥挥幸粋€瀏覽器，而軟件的系統(tǒng)功能全部放在服務(wù)器上，這樣既降低了用戶在軟硬件上的投入，又簡化了軟件的開發(fā)與維護，也節(jié)約了開發(fā)成本。因此互聯(lián)網(wǎng)針織CAD采用B/S模式進行開發(fā)。如圖 1 所示，在該模式下，軟件安裝在Web服務(wù)器端，用戶通過瀏覽器訪問網(wǎng)站即可使用軟件，Web服務(wù)器又與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連，Web服務(wù)器接收用戶的指令后完成對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的操作，再將結(jié)果返回給用戶。

2 互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針織CAD種類繁多，不同CAD軟件之間的差異較大，經(jīng)編、緯編與橫編CAD軟件之間互不兼容。在生產(chǎn)中，針對于不同機型往往采用不同的CAD軟件，這大大降低了CAD軟件的應(yīng)用范圍。本文根據(jù)實際需求設(shè)計了一款功能齊全、兼容性廣的互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)，同時具有經(jīng)編、緯編、橫編 3 種針織CAD軟件的設(shè)計功能。如圖 2 所示，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為設(shè)計層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)輸出層。

2.1 設(shè)計層

設(shè)計層主要實現(xiàn)了用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)并進行設(shè)計的功能，用戶只需在具有網(wǎng)絡(luò)的個人電腦或移動設(shè)備上打開瀏覽器，即可以通過訪問網(wǎng)站進入互聯(lián)網(wǎng)針織系統(tǒng)的設(shè)計界面。構(gòu)成設(shè)計層的硬件與軟件主要由用戶的設(shè)備決定。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要實現(xiàn)了用戶與CAD軟件間交互信息的計算及數(shù)據(jù)的存取功能。主要包括用戶登錄信息的核驗與調(diào)用、用戶設(shè)計信息的儲存與調(diào)用等。構(gòu)成數(shù)據(jù)處理層的硬件和軟件主要依靠Web服務(wù)器的硬件、Windows Server 2008操作系統(tǒng)及SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)輸出層

數(shù)據(jù)輸出層主要實現(xiàn)了將用戶產(chǎn)生的可用的設(shè)計信息傳遞給車間生產(chǎn)層的功能。本層克服了以往CAD軟件不能面向生產(chǎn)全過程的劣勢，實現(xiàn)了遠程控制生產(chǎn)的功能。構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出層的硬件與軟件主要依靠用戶客戶端設(shè)備與生產(chǎn)機器之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

3 互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要在Microsoft Visual Studio 2010平臺下，依靠ASP.NET C#、HTML5、JavaScript以及CSS3進行開發(fā)。C#控制數(shù)據(jù)處理、存儲與輸出以及不同設(shè)計界面的切換；HTML5與JavaScript提供設(shè)計界面與設(shè)計工具；CSS3提供界面的美化以提升用戶的體驗。如圖 3 所示，本系統(tǒng)分為經(jīng)編、緯編、橫編 3 種模式，主要具有花型設(shè)計、工藝設(shè)計、織物仿真、織物分析、數(shù)據(jù)輸出和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫六大功能模塊。

3.1 花型設(shè)計模塊

根據(jù)針織產(chǎn)品的設(shè)計特點，本模塊主要由花型意匠圖、工藝編織圖、線圈結(jié)構(gòu)圖組成。以緯編單面產(chǎn)品為例，圖4（a）為花型意匠圖，花型意匠圖為織物的圖案樣式，圖中不同顏色表示不同的紗線，用戶通過鼠標(biāo)選擇不同的顏色，在網(wǎng)格中進行繪制，網(wǎng)格的長和寬為織物的花寬與花高。為方便操作和存儲，引入二維數(shù)組C（i，j）。式（1）中：i=0，1，2，…，h-1；j=0，1，2，…，w-1；C（i，j）=n表示在第i+1橫列、第j+1縱行的顏色為第n號色；h表示花高；w表示花寬。數(shù)組C（i，j）以字符串的形式儲存在數(shù)據(jù)庫中。

圖4（b）為工藝編織圖，原理同花型意匠圖，用戶通過鼠標(biāo)選擇不同的編織動作，在圖中對應(yīng)的位置進行繪制，同樣引入二維數(shù)組K（i，j）方便設(shè)計與存儲。式（2）中：i=0，1，2，…，h-1；j=0，1，2，…，w-1；K（i，j）表示在第i+1橫列、第j+1縱行的編織動作；h表示工藝行數(shù)，工藝行數(shù)一般為花高，在提花編織時為花高的倍數(shù)，如兩色芝麻點提花工藝行數(shù)為花高的 2 倍；w表示花寬。式（3）為K（i，j）的取值，1 ～ 9 表示不同的編織動作。如在設(shè)計單面平紋織物時，K（i，j）默認(rèn)值全為 1，即全為針筒成圈；在進行規(guī)律提花編織時，K（i，j）會根據(jù)C（i，j）的值自動生成。

圖4（c）為線圈結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)K（i，j）與C（i，j）的值，運用貼圖的方法在相應(yīng)位置上貼圖，并通過設(shè)置透明色的方法實現(xiàn)線圈相互穿套的效果。

在本模塊中，用戶還可以自行導(dǎo)入位圖生成花型意匠圖，然后根據(jù)需求選擇提花編織，如緯編單面提花、雙面提花等。

3.2 工藝設(shè)計模塊

本模塊由原料編輯、動作編輯以及上機參數(shù)編輯構(gòu)成。原料編輯包括原料規(guī)格、細度、延伸率、顏色等基本數(shù)據(jù)，原料比根據(jù)機號、橫密、縱密、克重等數(shù)據(jù)通過程序計算而得。動作編輯是針對緯編單面浮線添紗織物上機所需要的動作文件而設(shè)立的，包括步、圈、針、動作類型、動作名稱、動作值與單位。上機參數(shù)為織造時所需的基本工藝參數(shù)，如送經(jīng)量、幅寬、橫密、縱密、克重等，程序支持自動計算產(chǎn)量與克重。在編輯工藝參數(shù)時，程序會給出根據(jù)實際生產(chǎn)狀況得出的參考值，在一定程度上可以優(yōu)化編織效率。最終程序根據(jù)輸入和自動計算得到的工藝參數(shù)生成產(chǎn)品工藝單，工藝單包括織造所需的所有信息，如在緯編工藝單上還可根據(jù)工藝編織圖自動生成生產(chǎn)所需的三角排列、織針排列。

3.3 織物仿真模塊

本模塊由紗線模擬、織物仿真和產(chǎn)品展示構(gòu)成。紗線模擬根據(jù)針織紗線的結(jié)構(gòu)特征利用計算機圖形學(xué)實現(xiàn)，能夠有效提高織物仿真的效果?？椢锓抡娓鶕?jù)經(jīng)編、緯編、橫編織物的不同特點，選取不同的仿真方法，緯編、橫編采用構(gòu)建圖源進行貼圖的方法仿真，經(jīng)編采用NURBS模型實現(xiàn)織物的仿真。產(chǎn)品展示依靠三維仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)，用戶可以選取不同的場景、模特與物品，以模擬產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的效果。

3.4 織物分析模塊

本模塊由在線織物分析和在線圖案檢索構(gòu)成。如圖5 所示，用戶上傳樣布的實物圖，系統(tǒng)通過圖像處理技術(shù)，能夠得出樣布的一些基本參數(shù)，如原料、橫密、縱密等，并通過與產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫其他實物圖進行比對，進而輸出織物的編織工藝，能夠在一定程度上取代人工的布樣分析。在線圖案檢索則針對各種提花、蕾絲織物，能夠根據(jù)上傳的花型紋樣的圖片或?qū)嵨飯D快速檢索出數(shù)據(jù)庫中相似的產(chǎn)品，為用戶再設(shè)計產(chǎn)品時提供參考。

3.5 數(shù)據(jù)輸出模塊

本模塊主要由生成上機文件、遠程控制構(gòu)成，流程圖如圖 6 所示。以往針織CAD在設(shè)計完產(chǎn)品后生成控制文件，上機時需要通過U盤進行傳遞。本模塊在生成上機控制文件之后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與生產(chǎn)機器建立遠程連接，直接傳輸文件，并可對機器進行遠程控制，節(jié)省了時間和人力。此外本系統(tǒng)兼容經(jīng)編、緯編、橫編 3 種類型的針織物的設(shè)計，可生成適用于 3 類織物各種機型的上機文件，并且支持多點傳輸。

3.6 產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫模塊

本模塊主要由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)讀取構(gòu)成。每個用戶都有屬于自己數(shù)據(jù)庫，用戶在設(shè)計完產(chǎn)品后，選擇導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，此產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù)信息都將保存至遠程數(shù)據(jù)庫，用戶可根據(jù)需要隨時隨地查看數(shù)據(jù)庫，同時可以對數(shù)據(jù)進行編輯、更新與刪除。

4 互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 界面交互技術(shù)

如圖 7 所示，在設(shè)計界面中，用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤等簡單操作完成針織物花型圖、編織圖的繪制與設(shè)計。設(shè)計界面主要采用網(wǎng)頁前端技術(shù)HTML5、JavaScript與CSS3實現(xiàn)網(wǎng)頁與用戶的交互。HTML5具有優(yōu)秀的圖形處理、三維特效等能力，帶有的Canvas對象使瀏覽器具有了繪制矢量圖的功能，有利于實現(xiàn)織物的花型設(shè)計。JavaScript是嵌入在HTML5中的一種腳本語言，用于對HTML5的對象進行操作，將捕捉到的鼠標(biāo)和鍵盤的操作指令進行處理，然后呈現(xiàn)在用戶操作的對象上。CSS3則常用來為網(wǎng)頁添加各式各樣的動態(tài)功能，為用戶提供更流暢美觀的瀏覽效果。目前大多數(shù)瀏覽器已支持HTML5、JavaScript與CSS3，其中JavaScript語言不僅在PC端廣泛兼容，在手機、平板電腦等手持式設(shè)備上也有較好的兼容性。通過HTML5、JavaScript語言與CSS3三者的組合可以很好實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的交互設(shè)計，并使網(wǎng)頁具有極佳的外觀與動態(tài)功能，并具有織物設(shè)計方便、數(shù)據(jù)快速響應(yīng)等特點，提升了設(shè)計者的體驗。

4.2 云計算技術(shù)

云計算通過互聯(lián)網(wǎng)將各種軟硬件資源以服務(wù)的方式提供給終端用戶，從而實現(xiàn)各種資源的虛擬化，提高服務(wù)的可擴展性。將云計算應(yīng)用到CAD軟件上，其效果主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）大計算量。進行織物仿真時，普通計算機的性能遠遠不能滿足織物真實感仿真所需要的速度。而云計算運用并行計算、分布式計算的方法將計算任務(wù)提交到其他多個服務(wù)器上運行，以此獲得強大的計算能力，十幾分鐘的仿真計算便可在幾秒內(nèi)完成。

（2）大數(shù)據(jù)容量。云計算的服務(wù)器數(shù)量龐大，最大的規(guī)?？蛇_百萬臺。云計算提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，不占用用戶本身的存儲資源，在云端的數(shù)據(jù)庫打破了時空的限制，用戶可根據(jù)需要隨時隨地存取數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，還可以同時分享國內(nèi)外其他生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品資料，能夠得到最新紗線和面料的信息。

（3）高可靠性。云計算采用數(shù)據(jù)多副本容錯等技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)放在云端比本地更可靠。

4.3 織物仿真技術(shù)

織物仿真技術(shù)的發(fā)展縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，用戶不必打樣即可看到產(chǎn)品的生產(chǎn)效果圖，節(jié)約了時間和開發(fā)費用。如圖8（a）緯編、橫編織物仿真原理示意圖，首先模擬紗線的真實感，再采用Pierce理想線圈模型，模擬真實線圈的形態(tài)，然后采用光照模型提高線圈的立體感，并根據(jù)式（2）K（i，j）工藝編織圖的數(shù)學(xué)值生成線圈結(jié)構(gòu)的圖源，在貼圖之前根據(jù)式（1）C（i，j）花型意匠圖的數(shù)學(xué)值進行換色處理，最后依次貼圖，生成織物的仿真效果圖。圖8（b）經(jīng)編織物仿真原理示意圖，先使用NURBS模型構(gòu)建線圈模型，通過光照模型與紋理映射增加線圈真實感，然后通過受力分析，得到線圈受力位移規(guī)律控制線圈的形變，最終生成織物仿真圖。

4.4 虛擬展示技術(shù)

在設(shè)計中引入虛擬展示技術(shù)，通過圖形學(xué)、圖像處理及三維建模等技術(shù)對織物的真實感進行模擬，在設(shè)計過程中就可看到織物穿在人身上或在使用中的效果。借助此技術(shù)，也可運用在商家的紡織品展示及消費者的個性化定制中。目前有 3 種比較實用的虛擬展示技術(shù)。

（1）以圖像為基礎(chǔ)的虛擬展示技術(shù)，通過大量不同角度的圖片組合成織物的三維立體效果；（2）以文本語言為基礎(chǔ)的虛擬展示技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實建模語言VRML實現(xiàn)三維立體模型；此技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)，用戶通過瀏覽器即可直接接受展示信息，因此互聯(lián)網(wǎng)針織CAD采用此項技術(shù)開發(fā)虛擬展示系統(tǒng)；（3）以三維數(shù)字模型和場景為基礎(chǔ)的虛擬展示技術(shù)，利用三維數(shù)字模型軟件將實物轉(zhuǎn)換為三維模型并置于虛擬場景中。

4.5 個性定制技術(shù)

當(dāng)用戶在挑選商品過程中無法找到自己所滿意的商品時，往往想通過自己的設(shè)計來獲取一個最合適的商品。個性定制不僅增加了消費者的主觀能動性，也能為生產(chǎn)商節(jié)約生產(chǎn)成本，可根據(jù)消費的喜好生產(chǎn)市場接受力強的商品。相比電子商務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)針織CAD軟件依靠其強大的設(shè)計、仿真與虛擬展示的能力，可以更好地發(fā)揮個性定制技術(shù)的優(yōu)勢。用戶可以自行上傳喜歡的圖案，選擇滿意的組織進行填充，通過虛擬展示觀看成品效果。系統(tǒng)還與生產(chǎn)廠家與電商平臺建立聯(lián)系，用戶可選擇直接與生產(chǎn)廠家聯(lián)系織機上機生產(chǎn)或進入電商平臺選擇訂購服務(wù)。

5 結(jié)語

本文開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)針織CAD系統(tǒng)除具備單機版CAD的功能外，還具有以下特點：縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；面向產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程；網(wǎng)絡(luò)運行，不受時空的限制；具有完備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，有效地管理了產(chǎn)品信息；有效降低用戶在軟硬件上的投入；具有個性定制功能。通過實際應(yīng)用，達到了從設(shè)計到上機一系列動作的目的，且在網(wǎng)絡(luò)上操作更簡單易行，實現(xiàn)了針織CAD軟件由“計算機輔助”到“網(wǎng)絡(luò)輔助”、由“購買軟件”到“購買服務(wù)”的轉(zhuǎn)變。

參考文獻

[1] 徐巧，叢洪蓮，張愛軍，等.緯編針織物CAD設(shè)計模型的建立與實現(xiàn)[J].紡織學(xué)報，2014，35（3）：136-140，144.

[2] 王松，馬崇啟.織物CAD在線設(shè)計系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報，2014，35（3）：132-135.

[3] 張永超，叢洪蓮，張愛軍.緯編CAD技術(shù)進展與發(fā)展趨勢[J].紡織導(dǎo)報，2015（7）：40-43.

[4] 閆怡，張瑞云，李汝勤.紡織CAD的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計發(fā)展趨勢[J].紡織學(xué)報，2004，25（1）：115-117.

[5] 石艷紅，李登高.針織CAD軟件的應(yīng)用與研究[J].毛紡科技，2012，40（3）：23-25.

[6] 劉華星，楊庚.HTML5——下一代Web開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，21（8）：54-58，62.

[7] 張永超，叢洪蓮，張愛軍，等.緯編仿蕾絲織物的設(shè)計與仿真[J].紡織學(xué)報，2015，36（7）：152-156.

[8] 張燕婷，蔣高明，叢洪蓮，等.經(jīng)編提花無縫成形織物的計算機設(shè)計與仿真[J].紡織學(xué)報，2013，34（1）：138-142.

[9] 倪曉慶.織物的三維動態(tài)仿真研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2012.

[10] 邱凱佳.基于圖像的紡織品虛擬展示系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[11] 林文茹.服裝個性定制系統(tǒng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京服裝學(xué)院，2010.