基于粒子系統(tǒng)的紋織顆粒泥地的仿真探討

陳　敏,羅炳金,劉洋飛

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.杭州浙大經(jīng)緯計(jì)算機(jī)公司,浙江 杭州 310012)

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基于粒子系統(tǒng)的紋織顆粒泥地的仿真探討

陳敏1,羅炳金1,劉洋飛2

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.杭州浙大經(jīng)緯計(jì)算機(jī)公司,浙江 杭州 310012)

摘要：為了使紋織顆粒泥地達(dá)到仿真的效果，根據(jù)紋織顆粒泥地中的噴槍泥地、漸變泥地和像景泥地特征，利用隨機(jī)過(guò)程函數(shù)，創(chuàng)建不同類型的泥地粒子發(fā)生器，并利用粒子影響器和粒子渲染器對(duì)三種不同的顆粒泥地進(jìn)行渲染和修飾，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，對(duì)紋織物顆粒泥地算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于紋織CAD系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：紋織CAD；顆粒泥地；粒子系統(tǒng)；仿真

1　引言

泥地的表現(xiàn)是提高提花紋織物裝飾效果的有效途徑之一，泥地的設(shè)計(jì)也是紋織物意匠設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)之一。泥地在紋織物中，通過(guò)運(yùn)用渲染和漸變的筆法，以一定的具有隨機(jī)性的形態(tài)和排列的表現(xiàn)，對(duì)光線形成不同角度和亮度的漫反射，使色光和花紋由暗到明或由明到暗進(jìn)行層次變化，使裝飾紋織物富有立體感，使織物表面花紋形態(tài)別具一格。而顆粒泥地是紋織物設(shè)計(jì)中常用的泥地表現(xiàn)手法，它采用顆粒點(diǎn)的大小和疏密，來(lái)表現(xiàn)圖案的形態(tài)和明暗效果。傳統(tǒng)顆粒泥地的繪制，是由花型設(shè)計(jì)師在意匠紙上手工繪制的，一幅簡(jiǎn)單的顆粒泥地圖案，通常要幾個(gè)小時(shí)甚至幾天才能繪制完成。隨著紋織CAD系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，提高了泥地圖案的繪制效率，但由于在現(xiàn)有的紋織CAD系統(tǒng)中，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的類似噴槍的泥地效果，在實(shí)用性和效果上，都存在很大缺陷。隨著紡織品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)要求的不斷提高，對(duì)紋織CAD也提出更高的要求，紋織物顆粒泥地效果的設(shè)計(jì)需要更快速高效的工具。

粒子系統(tǒng)方法是一種處理不規(guī)則模糊對(duì)象的方法，是一種利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)模擬一些特定的模糊現(xiàn)象的技術(shù)，而這些現(xiàn)象用其它傳統(tǒng)的渲染技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)其真實(shí)感。粒子系統(tǒng)方法的基本思想是用許多形狀簡(jiǎn)單的微小粒子作為基本單元，把要表現(xiàn)的模糊對(duì)象定義為由成千上萬(wàn)個(gè)不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子組成的粒子集，每個(gè)粒子都具有大小、顏色、運(yùn)動(dòng)速度、生命周期等相關(guān)屬性，它充分體現(xiàn)了模糊對(duì)象的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性[1]。文獻(xiàn)2針對(duì)紋織意匠工藝中的泥地模擬討論了一種粒子系統(tǒng)的特性和模擬實(shí)施方案，提出了用粒子系統(tǒng)控制泥地模擬的思想，認(rèn)為用粒子系統(tǒng)模擬泥地有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 粒子系統(tǒng)的離散性和隨機(jī)性特點(diǎn), 容易反映泥地的特性, (2)粒子系統(tǒng)的定義是過(guò)程化的由隨機(jī)數(shù)控制, 不需要大量的人工設(shè)計(jì)和計(jì)算, 即可得到細(xì)致的圖像[2]，但是文獻(xiàn)7沒(méi)有研究根據(jù)不同泥地效果，建立不同形態(tài)的泥地粒子單元的問(wèn)題，并沒(méi)有為粒子單元確定相應(yīng)的表現(xiàn)屬性，如大小、隨機(jī)性、位置、顏色等。

本文基于粒子系統(tǒng)方法，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，提出全新的顆粒泥地設(shè)計(jì)方法，在VC++開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，對(duì)顆粒泥地算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，極大提高了顆粒泥地的設(shè)計(jì)效率和效果。

2　顆粒泥地粒子特征與仿真

2.1顆粒泥地粒子特征

顆粒泥地粒子分為噴槍顆粒泥地、漸變顆粒泥地和兩者結(jié)合而成的像景泥地。噴槍顆粒泥地是最為常用的一種顆粒泥地，類似于傳統(tǒng)紋織CAD中的噴槍功能而成的泥地，噴槍顆粒泥地的效果要體現(xiàn)在所控制泥地點(diǎn)子的形狀和泥地整體的疏密程度。而漸變顆粒泥地效果是通過(guò)顆粒泥地粒子大小和疏密的變化，形成幾何漸變效果，較為常用的是直線漸變效果和圓形漸變效果，在繪制漸變顆粒泥地需指定漸變起點(diǎn)、漸變終點(diǎn)、變化強(qiáng)度和漸變的矢量方向。

傳統(tǒng)手工繪制顆粒泥地時(shí)，重點(diǎn)在于顆粒點(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；在粒子系統(tǒng)的泥地效果仿真時(shí)，根據(jù)手工繪制顆粒泥地特點(diǎn)，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機(jī)地結(jié)合在一起，達(dá)到有效地表現(xiàn)泥地的宏觀整體效果，又要準(zhǔn)確地表現(xiàn)泥地顆粒單元的形態(tài)與分布的效果，同時(shí)要考慮的屬性有位置、大小、經(jīng)緯密度等屬性。要想達(dá)到泥地的這種微觀特性與宏觀表象有機(jī)地結(jié)合在一起的效果，就使顆粒泥地粒子系統(tǒng)以對(duì)象形式存在，這種粒子系統(tǒng)包含一個(gè)或多個(gè)粒子發(fā)射器和一個(gè)粒子影響器。其中，粒子發(fā)射器用于控制發(fā)射出來(lái)的粒子的屬性和方向；粒子影響器則按照一定規(guī)則控制粒子生長(zhǎng)的形狀、大小、生命周期等，使泥地粒子更加真實(shí)。對(duì)于不同類型的顆粒泥地效果，粒子發(fā)射器表現(xiàn)為不同的形態(tài)。對(duì)于噴槍顆粒泥地，以鼠標(biāo)箭頭作為粒子發(fā)射器，生成的泥地粒子是隨機(jī)均勻地散布在作用空間中的；對(duì)于直線漸變顆粒泥地，粒子發(fā)射器是沿漸變法向均勻分布的，粒子發(fā)射器沿漸變方向發(fā)射粒子。

基于粒子系統(tǒng)方法的顆粒泥地，除了表現(xiàn)上述噴槍顆粒泥地和漸變顆粒泥地，還可以用此來(lái)表現(xiàn)復(fù)雜的像景泥地效果。顆粒泥地粒子發(fā)射器和影響器，根據(jù)像景圖片的明暗度，控制顆粒泥地的大小和疏密程度，最終形成由顆粒泥地粒子組合形成的像景特殊效果。

2.2顆粒泥地粒子仿真過(guò)程

2.2.1粒子發(fā)射器生成顆粒泥地粒子

粒子發(fā)生器可以采用多種形狀，例如點(diǎn)、直線、曲線、矩形、圓形、橢圓，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。任何由粒子發(fā)射器生成的粒子，都具有一定的屬性。對(duì)于顆粒泥地粒子，需要具有以下屬性：(1)初始位置；(2)初始大小；(3)經(jīng)緯密度比；(4)生命周期。

由于顆粒泥地的不規(guī)則隨機(jī)性，粒子發(fā)射器生成的泥地粒子的屬性也需要具有一定的隨機(jī)性，建立隨機(jī)過(guò)程函數(shù)控制泥地隨機(jī)性和粒子大?。?/p>

NSize = MeanSize + Rand()× VarSize，

其中，Rand是區(qū)間在[-1.0，1.0]上均勻分布的隨機(jī)函數(shù)；

MeanSize是該位置泥地粒子大小的平均值，

VarSize是泥地粒子大小的偏差范圍。

但是由于各種顆粒泥地效果的特點(diǎn)不同，因此需要針對(duì)不同的泥地類型，采用不同類型的粒子發(fā)射器，利用隨機(jī)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行初始值的分配，控制泥地顆粒單元的形態(tài)與分布，并為泥地粒子單元確定相應(yīng)的表現(xiàn)屬性，形成不同形態(tài)的泥地粒子單元，使各種泥地粒子各具特色。例如對(duì)于噴槍顆粒泥地，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(duì)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。

2.2.2利用粒子影響器對(duì)粒子進(jìn)行修正

根據(jù)物理動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合風(fēng)力和重力的專業(yè)計(jì)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，控制顆粒泥地的宏觀整體效果，這樣就利用粒子影響器對(duì)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。例如對(duì)于像景顆粒泥地，除了要考慮粒子發(fā)射器沿筆跡走向的分布情況外，還要考慮筆劃輕重，墨跡擴(kuò)散等對(duì)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，符合像景泥地燥筆風(fēng)格。

2.2.3利用粒子渲染器對(duì)泥地的粒子修飾和渲染

采用粒子渲染器的手段，通過(guò)光照、陰影、濃度、消隱處理、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(shì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)紋織泥地的典型特點(diǎn)—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(shí)現(xiàn)逼真和美感的要求。例如對(duì)于噴槍顆粒泥地，通過(guò)構(gòu)建理想的消隱處理技術(shù)，可以逼真地模擬干墨的蒼勁效果；對(duì)于漸變泥地，按照濃、漸濃、漸稀、稀四部分，進(jìn)行組織點(diǎn)的長(zhǎng)度的漸變，使得這種泥地變化多端, 花紋生動(dòng)活潑。

3　顆粒泥地粒子仿真實(shí)現(xiàn)

3.1噴槍顆粒泥地仿真實(shí)現(xiàn)

噴槍顆粒泥地根據(jù)鼠標(biāo)的位置，確定新建粒子發(fā)射器的位置。粒子發(fā)射器以當(dāng)前位置為中心，在圓形區(qū)域內(nèi)發(fā)射粒子，粒子密度在區(qū)域邊緣會(huì)逐漸衰減。噴槍顆粒泥地算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

圖1　噴槍顆粒泥地算法實(shí)現(xiàn)流程圖

3.2漸變顆粒泥地仿真實(shí)現(xiàn)

對(duì)于漸變泥地，最為重要的是顆粒泥地粒子發(fā)射器的方向性。粒子發(fā)射器沿特定的方向發(fā)射粒子，并且粒子的大小和疏密程度也隨距離粒子發(fā)射器的遠(yuǎn)近而發(fā)生變化，距離粒子發(fā)射器越遠(yuǎn)，粒子初始大小越小，粒子生命周期越短，粒子最終實(shí)現(xiàn)的效果也就會(huì)越稀疏，采用粒子渲染器的手段，通過(guò)光照、陰影、濃度、消隱處理、幾何變化等技術(shù)修飾漸變泥地粒子。

算法實(shí)現(xiàn)需完成以下內(nèi)容：

(1)設(shè)置漸變強(qiáng)度變化范圍；

(2)設(shè)置經(jīng)緯密度、粒子大小等粒子屬性；

(3)鼠標(biāo)操作指定漸變起點(diǎn)、漸變終點(diǎn)和漸變方向；

(4)創(chuàng)建粒子發(fā)射器；

(5)粒子發(fā)射器沿漸變方向發(fā)射粒子；

(6)粒子渲染器修飾粒子的效果。

3.3像景顆粒泥地仿真實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)像景顆粒泥地，首先要將真彩像景圖像轉(zhuǎn)換為只具有明暗的灰度圖像。根據(jù)圖像上的灰度值，控制顆粒泥地粒子的分布疏密程度和粒子的大小。泥地效果的優(yōu)劣最為重要的是控制泥地粒子在微觀無(wú)序狀態(tài)下的宏觀有序性。為了保證泥地粒子的微觀無(wú)序與宏觀有序，在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)，為圖像每個(gè)像素根據(jù)像素灰度值賦予相關(guān)的命中規(guī)律，灰度值越小，命中概率越大。粒子發(fā)射器在圖片區(qū)域內(nèi)隨機(jī)發(fā)射顆粒泥地粒子，但在較暗的區(qū)域會(huì)命中較多的泥地粒子，而在較亮的區(qū)域則命中較少的泥地粒子。

算法實(shí)現(xiàn)需完成以下內(nèi)容：

(1)將真彩像景圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖；

(2)設(shè)置經(jīng)緯密度、粒子大小等粒子屬性；

(3)創(chuàng)建粒子發(fā)射器；

(4)粒子發(fā)射器根據(jù)圖像灰度值發(fā)射命中粒子；

(5)粒子影響器控制粒子生長(zhǎng)。

4　實(shí)驗(yàn)效果

在VC++開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，對(duì)漸變顆粒泥地算法和像景顆粒泥地的算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。對(duì)于漸變顆粒泥地，通過(guò)控制粒子的大小和漸變的方向，可以很好地控制顆粒泥地的漸變效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用粒子系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的顆粒泥地漸變效果，既可以保證粒子單元具有較好的顆粒形態(tài)，也保證了整體的漸變效果。圖2 為直線漸變顆粒泥地效果；圖3 為圓形漸變顆粒泥地效果。

圖2　直線漸變顆粒泥地效果

圖3　圓形漸變顆粒泥地效果

同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用粒子系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的像景顆粒泥地效果，既體現(xiàn)了顆粒泥地微觀的隨機(jī)性，又很好地體現(xiàn)了整體的有序性，能很好地表現(xiàn)出像景的形態(tài)和明暗效果。圖4為 羅丹《思想者》像景顆粒泥地效果，圖5為梵高《向日葵》像景顆粒泥地效果。

圖4　羅丹《思想者》像景顆粒泥地效果

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)紋織物花型設(shè)計(jì)中遇到的顆粒泥地效果的需求，提出了一種基于粒子系統(tǒng)方法的顆粒泥地計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的方法，并在紋織CAD系統(tǒng)中進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)。

圖5　梵高《向日葵》像景顆粒泥地效果

粒子系統(tǒng)理論為紋織CAD中繪制各種顆粒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)各類花型繪制的泥地特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的合理完善的粒子發(fā)生器、粒子影響器和粒子渲染器。應(yīng)用Visual C++編程環(huán)境，對(duì)泥地算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)紋織CAD中顆粒泥地的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一定的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在自動(dòng)處理花幅寬度40 cm，花幅高度40 cm范圍的紋樣泥地時(shí)，意匠自動(dòng)處理在1 min內(nèi),實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了該算法能很好且快速地表現(xiàn)顆粒泥地的形態(tài)和隨機(jī)性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]羅炳金,陳敏.采用粒子系統(tǒng)的紋織物CAD泥地仿真[J].紡織學(xué)報(bào)，2015，36(11)：127-131.

收稿日期：2015-11-27

基金項(xiàng)目：寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013A610054)、浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201327772)

作者簡(jiǎn)介：陳敏(1971—)，女，廣東紫金人，講師。

中圖分類號(hào)：TS116

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3028(2016)01-0039-04

Study on Simulation of Jacquard Granular Mud Based on Particle System

Chen Min1,Luo Bingjin1, Liu Yangfei2

(1.Zhejiang Textile-fashion College,Ningbo 315211,China; 2.Hangzhou ZDJW Computer System & Engineering Co.Ltd.,Hangzhou 310012,China )

Abstract：In order to make granular mud of fabric to achieve the result of the simulation, according to the fabric particles characteristic of gun mud, gradients mud and scene mud ,different types of mud particle generator were created by function of random process, three different particles mud were decorated and by using the particle impact device and a particle renderer ,weave fabric granular mud algorithm was implemented based on computer graphics,and was applied to the fabric CAD system.

Key words：jacquard weaving CAD; particles mud; particle system; simulation