重組裝飾材紋理的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)研究

趙英杰 路通 張忠濤 胡廣斌 張揚(yáng)

摘要：本文采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)重組裝飾材的徑向紋理和“V”型紋理進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，系統(tǒng)介紹了重組裝飾材計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的紋理識(shí)別、模具設(shè)計(jì)、模擬組坯、模壓制方、模擬刨切等工序，為重組裝飾材的模擬設(shè)計(jì)提供一種新方法。

關(guān)鍵詞：重組裝飾材；紋理；計(jì)算機(jī)技術(shù)；設(shè)計(jì)

Abstract： In this paper， the computer technology is used to simulate the radial texture and "V" texture of the reconstituted decorative materials. The texture recognition， die design， simulation billet， mould pressing and simulation are introduced in this paper. A new method is provided for the simulation design of the recombined decoration material.

Key words： reconstructed decorative lumber；texture；computer technology；design

重組裝飾材是一種科技含量較高的木質(zhì)產(chǎn)品，主要以速生材或普通樹(shù)種木材單板為主要原材料，經(jīng)過(guò)染色、組坯、模壓、刨切等工藝制造而成的新型木質(zhì)裝飾材料[1]。重組裝飾材作為一種以木質(zhì)單板為主要材料的木材產(chǎn)品，不僅具有木材的吸收紫外線、帶給人溫暖感等天然特性，同時(shí)又具備色彩豐富、紋理多樣、良好的物理力學(xué)和加工性能、原材料來(lái)源廣泛等新優(yōu)點(diǎn)[2-4]。因此，重組裝飾材不僅滿足人們對(duì)高裝飾性能木質(zhì)材料的需求，同時(shí)對(duì)緩解木材資源短缺和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

紋理設(shè)計(jì)是重組裝飾材制造的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題，目前主要采用人工重復(fù)試驗(yàn)的方法進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)存在成本高、效率低和效果差的缺點(diǎn)，而采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)重組裝飾材紋理進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)可以有效解決人工試驗(yàn)的缺點(diǎn)。高驚濤[5]研究出了較為完整的計(jì)算機(jī)重組裝飾材紋理模擬技術(shù)，建立切削模型，展示單板組坯不同角度切削效果，得到了較為滿意的模擬紋理。郭四穩(wěn)[6]對(duì)仿真紋理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，以“物體/現(xiàn)象=>數(shù)學(xué)模型=>仿真再現(xiàn)”為處理步驟，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型的執(zhí)行來(lái)達(dá)到木材紋理仿真目的。劉煒[7]總結(jié)了重組裝飾材計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)并對(duì)其進(jìn)行深入的研究，提出CAD的二次開(kāi)發(fā)利用可以增強(qiáng)木材加工行業(yè)中CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和知識(shí)處理能力。江小丹[8]利用多重組坯制方刨切，將第一次組坯刨切的單板與原單板進(jìn)行第二次組坯，模擬模壓刨切可得到不同于天然木材的紋理，也為計(jì)算機(jī)技術(shù)在木材紋理設(shè)計(jì)方面提供了新方法新思路；岳陽(yáng)陽(yáng)等[9]對(duì)“V”型紋理進(jìn)行了研究，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)線條進(jìn)行處理，構(gòu)建特殊紋理的模具曲線；潘凱等人[10]對(duì)樹(shù)根型紋理實(shí)際刨切效果與計(jì)算機(jī)仿真刨切紋理所產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析。上述研究促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)在重組裝飾材模擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。本研究擬采用CAD等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)目前市面上主流的“徑向紋理”和“V”型紋理進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，闡述重組裝飾材紋理的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程。

徑向紋理根據(jù)單板組坯模壓的排列方式可以分為等間隔條狀紋理、非等間隔條狀紋理和隨機(jī)條狀紋理等，可以通過(guò)不同厚度和顏色的單板進(jìn)行層積形成木方，再進(jìn)行徑向刨切。“V”型紋理的產(chǎn)生原理是將兩種不同顏色的單板，其中一般將顏色相對(duì)較深的作為晚材，顏色較淺的作為早材進(jìn)行組坯，然后利用不同曲面度的曲面模具模壓得到具有一定曲度的木方，根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行一定角度的刨切而來(lái)。徑向紋理和“V”型紋理的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.紋理識(shí)別

通過(guò)現(xiàn)有的圖形識(shí)別技術(shù)，對(duì)彩色的紋理圖形進(jìn)行處理，以期達(dá)到形成三維建模軟件可以識(shí)別的矢量圖，便于進(jìn)行下一步的建模處理。主要步驟有獲取圖片源圖，圖片的矢量化處理。

1.1 獲取紋理源圖信息

獲取紋理源圖信息主要是指采用一些圖片信息采取設(shè)備，如相機(jī)、光學(xué)元件等，對(duì)源圖進(jìn)行信息的獲取，并隨后將獲取的信息保存在電腦設(shè)備中，所選擇的紋理源圖質(zhì)量要求紋理清楚、色彩清晰等。

1.2圖片的矢量化處理

紋理圖片矢量化處理的方式有許多，一是利用CAD軟件分多步走實(shí)現(xiàn)圖片的矢量化處理，二是使用專業(yè)的矢量化處理軟件。徑向紋理的圖片處理比較簡(jiǎn)單，只需得出不同顏色單板的厚度與排列方式既可。圖片的矢量化處理以較為復(fù)雜“V”型紋理源圖處理為例，具體步驟為：

（1）首先將圖片在CAD軟件中進(jìn)行灰度化處理。將灰度圖中有缺陷的部分如圖片的污點(diǎn)、紋理斷裂有毛刺等進(jìn)行進(jìn)一步的處理，達(dá)到灰度圖中紋理清晰、連續(xù)的目的。

（2）將灰度圖轉(zhuǎn)換為矢量圖，并將矢量圖中的每一個(gè)紋理曲線進(jìn)行線條的修補(bǔ)，使得每一個(gè)曲線都能形成一個(gè)閉合的回路。只有閉合回路線條才能在三維建模軟件中進(jìn)行拉伸建模，最后紋理效果才能一致。效果路線圖如圖2、圖3、圖4。

這種方法得到的矢量圖曲線的紋理線條較多與源圖無(wú)異，紋理效果更加逼真，但對(duì)后期建模要求更高，紋理狀況參差不齊，處理過(guò)程較為復(fù)雜，耗時(shí)較多。

直接使用矢量化軟件進(jìn)行矢量化處理的具體步驟為：

（1）采用AI等矢量化軟件，將紋理源圖導(dǎo)入軟件的繪畫區(qū)；

（2）使用軟件的實(shí)時(shí)描摹功能，對(duì)選取紋理稀疏、線條清晰的紋理進(jìn)行描摹；

（3）對(duì)描摹的線條進(jìn)行編輯，同樣使紋理曲線形成一個(gè)閉合回路，輸出矢量圖。這樣得來(lái)的矢量圖，缺陷極少，且矢量化速度快，但精確度稍有下降。本文擬采用第二種方式進(jìn)行圖像的矢量化處理，矢量效果圖如圖5、圖6所示。

2.紋理模具設(shè)計(jì)

2.1“V”型紋理模具設(shè)計(jì)

制造出相匹配的模具是紋理實(shí)際產(chǎn)生的第一步。利用處理好的矢量圖，認(rèn)為圖中每一個(gè)閉合回路是單獨(dú)的一層，是一個(gè)完整的“V”型紋理，使用建模軟件對(duì)每一層進(jìn)行拉伸建模，從外到內(nèi)，采用相同的拉伸高度逐層遞增進(jìn)行拉伸。這樣得到了如圖7所示的三維模型。

想要得到相近的紋理，組坯的彎曲度也就應(yīng)當(dāng)與此三維模型相類似。因此取其正視圖的截面，將各個(gè)折點(diǎn)用曲線連接起來(lái)，可得到如圖8所示的曲線圖。對(duì)曲線進(jìn)行平滑處理，作為建造模具的基礎(chǔ)曲線，如圖9所示。

根據(jù)上圖曲線，進(jìn)行線條添加，使之也形成一個(gè)閉合回路，往上繪制形成模具的上凹模，往下繪制形成模具的下凸模，得到如圖10所示的三維模具模型。

2.2 徑向紋理模具設(shè)計(jì)

徑向紋理模具的制造比較簡(jiǎn)單，只需要上下模具的表面為平面既可。效果圖如圖11所示。

3.模擬單板組坯

實(shí)際生產(chǎn)中，模具制造好之后，接下來(lái)就是單板的組坯工序。在重組裝飾材行業(yè)中，一般來(lái)說(shuō)，較薄的顏色較深的單板作為晚材，較厚的顏色較淺的作為早材。根據(jù)實(shí)際需要確定早晚材不同的厚度，根據(jù)模具的寬度確定單板的寬度，一般來(lái)說(shuō)單板的寬度略小于模具的寬度，這是因?yàn)榭紤]到實(shí)際模壓中會(huì)有擠壓發(fā)生，單板的尺寸會(huì)略有增加。將兩個(gè)不同厚度的單板相互交叉組坯到一定的厚度實(shí)現(xiàn)重組裝飾材單板的組坯工序。效果如圖12所示。

4.模壓制方

將組坯好了的單板利用模具進(jìn)行模壓，從模具板塊中我們可以得出無(wú)論是徑向紋理還是“V”型紋理上下模具之間的距離既是模壓后制方的厚度。“V”型紋理模壓后效果圖如圖13所示。

5.模擬刨切

模壓制方之后，就是木方的刨切。刨切的目的是為了在剖切面能夠顯現(xiàn)出“V”型紋理圖案。分析建模軟件3D MAX、AotuCAD、PRO/E、solidworks等的優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)CAD主要用在建筑機(jī)械制圖，3D MAX主要用于三維動(dòng)畫渲染及制作，PRO/E在三維建模中更側(cè)重于模具的建模，而solidworks擁有易學(xué)易用、功能強(qiáng)大、技術(shù)創(chuàng)新的特點(diǎn)外，還提供了豐富的IPA接口，能與大多數(shù)計(jì)算機(jī)編程軟件如Visual C++、Visual Studio、Visual Basic等完美接合，非常適合本研究用來(lái)作為三維建模及二次開(kāi)發(fā)。

在solidworks中直接采用剖視功能來(lái)模擬刨切，即可得到制方的刨切面效果，如圖14所示。在刨切界面中，solidworks提供了非常便捷的操作方式，可以在圖左側(cè)選擇不同的刨切基準(zhǔn)面、刨切角度，同時(shí)也可以根據(jù)需要建立新的基準(zhǔn)面。

切削角度的不同對(duì)紋理最終的定型有著極大影響。切削角度指的是刀片與方材所形成的夾角，如圖15所示。此外利用適當(dāng)?shù)南蚁蛐?，控制切割角度可以得到美麗的絮狀花紋、鳥(niǎo)眼花紋、波浪花紋等[11]。

對(duì)于一張單板的刨切而言，假設(shè)單板厚度為a，刨切接觸點(diǎn)為B，從接觸點(diǎn)到單板端面下表面點(diǎn)的距離為b，如圖16所示那么對(duì)于切削角度θ有如下公式（1）、公式（2）可以表達(dá)：

式（1）

式（2）

由此可以計(jì)算得出切削角度的值。同時(shí)我們僅以3塊單板組坯刨切，上下兩塊單板顏色為深棕色，中間板為米色，切削角度任意，可以得到圖17刨切效果圖。

從圖17中我們可以清楚的看出，中單米色單板的切削厚度即是形成“V”型紋理的早材寬度，也就是b值。同理，假設(shè)組坯過(guò)程中使用了n塊單板，那切削角度的公式（3）為：

式（3）

式（1）

不同切削角度的三維實(shí)體刨切效果圖如圖18、圖19展示。

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)重組裝飾材紋理的在線模擬設(shè)計(jì)，相比較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)具有可修改、速度快和效果好的優(yōu)點(diǎn)。雖然目前重組裝飾材的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)處于起步階段，與生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的差距，但相信通過(guò)眾多專家的深入研究和持續(xù)完善，重組裝飾材紋理的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)一定可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，促進(jìn)重組裝飾材行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品升級(jí)。

致謝：本論文由“國(guó)家級(jí)推廣項(xiàng)目：計(jì)算機(jī)技術(shù)在重組裝飾材制造中的推廣應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：[2016]25號(hào)）”的資助。