基于Web的少梳經(jīng)編色織物仿真與虛擬展示

劉海桑， 蔣高明， 董智佳

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息資源為基礎(chǔ)的異地協(xié)同設(shè)計(jì)模型迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)配置[1]?；赪eb的圖形技術(shù)在工作站、PC端與移動(dòng)端日趨成熟[2]，推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

少梳經(jīng)編色織面料是目前較為流行的經(jīng)編面料，因其工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，抗褶皺性優(yōu)良，在服裝產(chǎn)業(yè)尤其是經(jīng)編襯衫中應(yīng)用十分廣泛。目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)了較多成熟的經(jīng)編針織物設(shè)計(jì)CAD軟件[3]，但功能大都集中于經(jīng)編針織物的設(shè)計(jì)開發(fā)，而弱化了經(jīng)編針織物的可視化效果。且大多數(shù)應(yīng)用軟件均為線下程序，受到設(shè)備限制，不利于數(shù)據(jù)傳輸與資源共享。為滿足針織企業(yè)對(duì)經(jīng)編產(chǎn)品的快速高效開發(fā)需求，具有動(dòng)態(tài)建模、協(xié)作共享功能的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)編計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)十分重要。

經(jīng)編線圈幾何形狀和經(jīng)編針織物結(jié)構(gòu)的研究是實(shí)現(xiàn)織物仿真的重點(diǎn)。國(guó)外最先對(duì)經(jīng)編線圈幾何形狀進(jìn)行研究，依次提出了簡(jiǎn)化模型、第一模型和第二模型[4-6]。在前人研究的基礎(chǔ)上[7]，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)線圈尺寸進(jìn)行了研究[8-9]。此外，少梳經(jīng)編針織物的工藝結(jié)構(gòu)和空間位置[10-12]也是仿真重點(diǎn)研究方向之一，但很少有研究分析梳櫛之間線圈的層次結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外不斷有學(xué)者對(duì)服裝的虛擬展示進(jìn)行研究，通過建立二維服裝版片與三維服裝模型之間的網(wǎng)格坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系[13-15]來實(shí)現(xiàn)二維織物到三維服裝的映射，但是目前的服裝虛擬展示方法大都采用現(xiàn)有的織物圖片進(jìn)行紋理映射，獨(dú)立于織物的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

本文在分析少梳經(jīng)編色織物編織與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于Web的少梳經(jīng)編色織物的仿真方法，分別建立線圈主干和延展線的幾何模型和坐標(biāo)平移模型，通過矩陣實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的快速計(jì)算。利用canvas軟件對(duì)繪制的線圈-延展線圖層進(jìn)行存儲(chǔ)與繪制，最終利用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)織物的虛擬展示。

1 少梳經(jīng)編色織物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

少梳經(jīng)編色織物是在高速特里科經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的，一般由2～5把梳櫛編織而成。每把梳櫛從機(jī)前到機(jī)后依次排列。少梳經(jīng)編色織物的基本組織類型主要有成圈組織、襯緯組織和缺墊組織。根據(jù)不同的花型效應(yīng)需求選擇相應(yīng)的墊紗數(shù)碼進(jìn)行組合編織。為形成織物的橫條花型，可以使用成圈-襯緯組織，成圈-缺墊組織或者成圈-襯緯-缺墊組織的組合。織物在成圈組織或襯緯組織密集的橫列形成明顯的橫條，在缺墊組織橫列則表現(xiàn)為色彩效應(yīng)不明顯的花型；與形成橫條效應(yīng)有所不同，為形成經(jīng)編織物的縱條花紋，除要考慮不同組織的相互搭配，還要分析每把梳櫛的穿紗情況；空穿的設(shè)計(jì)或者不同原料紗線的穿紗排列均可以形成效果不同的縱條效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 少梳經(jīng)編色織物花型效應(yīng)Fig.1 Pattern effect of few-guide bar yarn dyed fabric. (a)Cross stripe; (b)Vertical stripe

根據(jù)經(jīng)編織物的編織特點(diǎn)，一般來說線圈主干在織物的工藝正面，而延展線在織物的工藝反面，如圖2所示。后梳的線圈和延展線位于織物里側(cè)，前梳的線圈和延展線由內(nèi)往外依次在工藝正面和工藝反面排列。因此，可以將少數(shù)經(jīng)編色織物視作由多個(gè)墊紗層次構(gòu)成的組合。

圖2 少梳經(jīng)編色織物結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of few-guide bar yarn dyed fabric. (a)Technical face; (b)Technical back; (c)Technical side

2 少梳經(jīng)編色織物模型的建立

2.1 線圈的幾何模型建立

經(jīng)編針織物的線圈單元由線圈主干(針編弧和圈柱)與延展線組成。在實(shí)際編織過程中，由于紗線受到彎曲、拉伸等力，紗線的直徑并不是均勻的。為了實(shí)現(xiàn)少梳經(jīng)編色織物的分層繪制并減少計(jì)算量，本文分別構(gòu)建了線圈與延展線的二維平面模型，并將線圈視為由無捻度、直徑一致的理想化紗線彎曲而成。

2.1.1 線圈主干幾何模型

本文對(duì)少梳經(jīng)編產(chǎn)品線圈主要部位的尺寸進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其尺寸比例。根據(jù)線圈幾何模型中的尺寸比例計(jì)算得到線圈坐標(biāo)點(diǎn)。線圈測(cè)量部位如圖3所示。主要包括線圈垂直高度h，線圈寬度w，圈柱高度b1和線圈高度h1。

圖3 線圈尺寸測(cè)量圖Fig.3 Size measurement of single loop

為確定線圈結(jié)構(gòu)的控制點(diǎn)，選取3組不同組織的樣布各40塊，所有樣布均由HKS4(E28)高速特里科經(jīng)編機(jī)編織。6組織物均采用少梳經(jīng)編色織物常用組織，橫密為13縱行/cm，縱密為 20橫列/cm。3組樣布的組織分別為編鏈和經(jīng)平組織、編鏈和經(jīng)絨組織以及經(jīng)平絨組織。每組中20塊采用A紗為118 dtex棉紗，B紗為55.5 dtex(24 f) 滌綸編織，另外20塊采用A紗為98.4 dtex棉紗，B紗為44.4 dtex(24 f)滌綸編織。利用VHX-5000型超景深顯微鏡分別對(duì)前梳線圈進(jìn)行測(cè)量，圖3示出經(jīng)編織物線圈測(cè)量部位圖。測(cè)量結(jié)果取平均值，h0=829.5 μm，w=493.8 μm，b1=552.25 μm，h1=835.25 μm。由此可計(jì)算得到各部位尺寸比值，h0/h1=0.99，w/h1=0.59，b1/h1=0.66。線圈的垂直高度(h0)和線圈高度(h1)幾乎相同，且建模只考慮理論的直立線圈，因此，由于線圈之間的內(nèi)作用力造成的線圈傾斜可以忽略不計(jì)。

本文以Grosberg提出的線圈模型[3-4]為理論參考，結(jié)合線圈尺寸實(shí)際測(cè)量值建立如圖4所示的線圈6點(diǎn)模型。以O(shè)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，∠α=30°。P1和P6在x軸上，P1～P6離y軸的橫向距離分別為w1(d)，w2(0.3h1)，w3(0.15h1)， -w3(-0.15h1)， -w2(0.3h1)，-w1(d)；離x軸的縱向距離分別為0，b1(0.66h1)，b1+b2(0.92h1)，b1+b2(0.92h1)，b1(0.66h1)，0。其中d為紗線直徑。

圖4 線圈6點(diǎn)模型Fig.4 Six-point loop model

2.1.2 延展線幾何模型

經(jīng)編組織中延展線由當(dāng)前橫列線圈的終點(diǎn)和下一橫列線圈的起點(diǎn)決定，用來連接當(dāng)前橫列和下一個(gè)橫列的線圈。以圖5線圈模型為例，點(diǎn)A是當(dāng)前線圈模型的終點(diǎn)，B為下一線圈的起點(diǎn)。線段AB是連接2個(gè)線圈的延展線，wz為線圈縱行之間的橫向距離，n為延展線跨過的針數(shù)，則n×wz則為延展線的橫移距離。

圖5 經(jīng)編延展線模型Fig.5 Underlap model

2.1.3 缺墊組織模型

對(duì)于一些特殊組織如缺墊組織，在編織時(shí)有1把或多把梳櫛在一些橫列不參加編織，梳櫛只在針間擺動(dòng)，而其他梳櫛在相應(yīng)橫列仍進(jìn)行成圈運(yùn)動(dòng)。圖6示出缺墊組織幾何模型。其中圖6(a)中的前梳墊紗數(shù)碼為1-0/1-1/1-1/1-2//，對(duì)應(yīng)的線圈結(jié)構(gòu)模型如圖6(b)所示。第1橫列和第4橫列為線圈，延展線分別對(duì)應(yīng)線段a1和a3，第2橫列和第3橫列對(duì)應(yīng)的線段a2為缺墊組織。線段a1a2a3共同構(gòu)成了延展線。

圖6 缺墊組織幾何模型Fig.6 Models for mislaping.(a)Lay-in thread movement; (b)Geometrical model

2.2 織物坐標(biāo)平移模型建立

少梳經(jīng)編色織物在編織時(shí)，每把梳櫛上的紗線進(jìn)行相同的墊紗運(yùn)動(dòng)，即每根紗線的相同橫列具有相同的線圈類型。為減少不必要的重復(fù)循環(huán)計(jì)算，確定每把梳櫛第1根紗線的線圈坐標(biāo)后，根據(jù)織物工藝參數(shù)對(duì)每根紗線的線圈進(jìn)行平移。在幾何建模中缺墊組織的紗線由上一個(gè)線圈類型為成圈與下一個(gè)線圈類型為成圈的橫列直接相連，未賦予控制點(diǎn)，因此不建立缺墊組織的控制點(diǎn)矩陣。為便于矩陣運(yùn)算，在各線圈的控制點(diǎn)矩陣Lj中引入了齊次坐標(biāo)。

式中：j表示該根紗線第j個(gè)橫列的線圈；第1，2，3列分別表示每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的x，y，z值。

為減少計(jì)算量，線圈結(jié)構(gòu)定義為平面結(jié)構(gòu)，因此每個(gè)控制點(diǎn)的z坐標(biāo)均為0。將每個(gè)橫列的線圈進(jìn)行組合，則每把梳櫛在零針位所穿紗線線圈坐標(biāo)的集合可表示為Y1。

式中：Lj為第j個(gè)橫列線圈的齊次坐標(biāo)；c為該把梳櫛1個(gè)花高循環(huán)的墊紗數(shù)碼中非缺墊線圈的個(gè)數(shù)，c∈[1,H]，H為每根紗線的墊紗高度。

以圖7示出的紗線坐標(biāo)整體平移示意圖中某根紗線的線圈為例，在花寬為3的經(jīng)平組織中，線圈縱行之間的橫向距離為wz。經(jīng)編織物從右至左進(jìn)行穿紗，因此第2根紗線與第3根紗線分別以第1根紗線為基礎(chǔ)位置向左平移1×wz和2×wz。以此類推，第k根紗線以第1根紗線為基礎(chǔ)向左平移(k-1)×wz。每把梳櫛第k根紗線的平移矩陣Tk如下：

式中：wz為線圈縱行之間的橫向距離；k為每把梳櫛第k根紗線；Tk為第k根紗線平移矩陣。

圖7 紗線坐標(biāo)整體平移示意圖Fig.7 Coordinate translation of original yarn

最終獲得該根紗線線圈的坐標(biāo)為Yk。

Yk=Y1×Tk

式中，Yk為第k根紗線上的線圈坐標(biāo)。

3 仿真實(shí)現(xiàn)與虛擬展示

3.1 少梳經(jīng)編色織物仿真實(shí)現(xiàn)

在構(gòu)建經(jīng)編線圈結(jié)構(gòu)6點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，本文利用GDI+(Graphics Device Interface plus)技術(shù)繪制織物。圖8示出3×3織物線圈組合示意圖。矩形的寬和高與實(shí)際織物的成品橫密與成品縱密相關(guān)，決定二維仿真圖像的縱行與橫列的間距，使仿真圖達(dá)到與真實(shí)面料尺寸1∶1比例，花型效應(yīng)更加逼真。矩形尺寸比例計(jì)算如下式：

式中：wz為線圈縱行之間的距離(即矩形的寬度)，cm；b1為圈柱高度(即矩形的高度)，cm；Dc為縱密，橫列/cm；Dw為橫密，縱行/cm。

圖8 3×3線圈組合示意圖Fig.8 Stitch combination in 3 courses and 3 wales

少梳經(jīng)編色織物由于其梳櫛排列方式與編織工藝的特點(diǎn)，每把梳櫛的線圈和延展線并非處于同一空間層面，而是分別排列在織物的兩側(cè)。圖9示出兩梳經(jīng)編織物分層分區(qū)示意圖。由圖可知，以雙梳經(jīng)平織物為例，每把梳櫛的線圈層和延展線層分別繪制在多張canvas畫布上，利用雙緩存技術(shù)將畫布內(nèi)容暫存在內(nèi)存中。根據(jù)前梳的紗線包覆后梳紗線的編織規(guī)律，將緩存的畫布按順序疊加排列。圖中從左至右第1層和第4層分別為GB1的線圈和延展線，第2層和第3層為GB2的線圈和延展線。若從工藝正面看，最先繪制GB1延展線；反之，則最先繪制GB1線圈。各畫布按順序疊加完成后獲得最終二維效果圖。

圖9 兩梳經(jīng)編織物分層分區(qū)示意圖Fig.9 Layered diagram for double-bar warp knitted fabric

3.2 織物虛擬展示

少梳經(jīng)編色織物因其色彩豐富、線圈的穩(wěn)定性佳、防脫散性良好、挺括性好、質(zhì)輕等優(yōu)勢(shì)受到了消費(fèi)者的青睞。依托于紋理映射技術(shù)，本文將仿真圖像以一定循環(huán)映射于服裝模型表面，使傳統(tǒng)的織物設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，突破了可視化設(shè)計(jì)的局限性。

利用THREE.OBJLoader()函數(shù)加載外部創(chuàng)建的obj三維服裝模型，獲取映射所需的模型頂點(diǎn)坐標(biāo)、面向量、尺寸等信息。利用THREE.Texture()函數(shù)創(chuàng)建織物紋理，并賦予紋理平鋪重復(fù)屬性(THREE.RepeatWrapping)，從而確定紋理單元在服裝模型上的平鋪映射數(shù)量，獲得不同花型大小的視覺效果。在獲取紋理單元時(shí)，經(jīng)編花型的循環(huán)繪制與截取是獲得完整花型的關(guān)鍵。經(jīng)編織物的紗線是橫向進(jìn)行墊紗的，邊緣紗線部分橫列線圈位置不受線圈縱行數(shù)量的限制。圖10(a)示出花寬為6、花高為4的經(jīng)平組織最小循環(huán)墊紗運(yùn)動(dòng)圖。若以6×4單位網(wǎng)格面積進(jìn)行紋理單元截取，組織的邊緣紗線會(huì)出現(xiàn)“漏針”現(xiàn)象(見圖10(b))。圖中第6根紗線的偶數(shù)橫列在第7個(gè)縱行上進(jìn)行墊紗，而奇數(shù)橫列沒有繪制下一個(gè)穿紗循環(huán)的線圈。同理，該循環(huán)的第1個(gè)縱行的偶數(shù)橫列沒有繪制上一個(gè)穿紗循環(huán)的線圈。在橫列方向上，紋理單元?jiǎng)t因下一個(gè)縱向循環(huán)線圈缺失而無法獲得頂部橫列的完整線圈。因此，在截取紋理單元時(shí)需要繪制至少3×3個(gè)循環(huán)花型，如圖11(a)所示。根據(jù)花寬與花高參數(shù)，截取中間部分的花型，最終獲得完整花型紋理(見圖11(b))。以圖片左上角為原點(diǎn)，單位花型的截取坐標(biāo)為A(wp，hp)，B(2wp，hp)，C(wp，2hp)，D(2wp，2hp)。其中，wp=N×wz,表示N個(gè)線圈縱行的寬度；hp=M×b1，表示M個(gè)線圈橫列的高度。

圖10 最小循環(huán)花型紋理單元Fig.10 Minimum unit of pattern texture. (a) Simulation of single threading-cycle; (b) Screenshot in a single pattern cycle

圖11 完整花型紋理單元Fig.11 Integrated unit of pattern texture. (a) Pattern in 3×3 pattern cycles; (b) Screenshot in a complete single cycle

4 仿真結(jié)果與討論

通過對(duì)少梳經(jīng)編色織物的工藝、形態(tài)以及仿真技術(shù)的研究與分析，采用C#與JavaScript程序語言在VisualStudio2015平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助程序的設(shè)計(jì)與織物的仿真與展示。

圖12(a)與(b)為缺墊織物仿真結(jié)果與實(shí)際織物對(duì)比圖。上文中工藝參數(shù)的分析考慮了橫縱密對(duì)織物尺寸的影響，因此能夠?qū)崿F(xiàn)色織物的實(shí)際比例仿真。對(duì)織物表面不同位置的方格邊長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，并取其中20組結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。表1示出實(shí)際織物與仿真織物尺寸比較，可知，真實(shí)織物與仿真織物尺寸差值1%之內(nèi)。

圖12 仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results. (a) Real fabric; (b) Simulation effect; (c) Color matching Ⅰ; (d)Color matching Ⅱ

表1 實(shí)際織物與仿真織物尺寸比較Tab.1 Size comparison of simulated and real fabric

少梳經(jīng)編色織物的色彩搭配是影響花型效果的重要因素。根據(jù)開發(fā)需求可改變?cè)项伾?，重新繪制得到配色不同的仿真，在無實(shí)物情況下獲得多種色彩搭配的效果圖。圖12(b)根據(jù)實(shí)物圖設(shè)置色紗RGB為107-133-230；圖12 (c)和(d)的RGB分別是254-110-0和168-45-251。除了對(duì)紗線配色進(jìn)行改變，在墊紗數(shù)碼不變的情況下還可以改變穿紗、密度等參數(shù)達(dá)到不同的仿真效果。圖13示出不同穿紗規(guī)律仿真效果。以穿紗為例，白色紗線均為滿穿，圖13(a)中色紗以4穿4空的規(guī)律均勻穿紗；圖13(b) 中色紗保持4穿不變，空穿數(shù)則以10-8-6-4-2-2-4-6-8-10的規(guī)律漸變穿紗。對(duì)新工藝進(jìn)行仿真獲得不同的視覺效果，表明該仿真方法能夠反向輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行工藝與原料的修改，實(shí)現(xiàn)少梳經(jīng)編色織物可視化設(shè)計(jì)。

圖13 不同穿紗規(guī)律仿真效果Fig.13 Simulation results with different threading regular. (a) Uniform threading; (b)Gradual threading

經(jīng)編少梳色織物結(jié)合了經(jīng)編線圈不易脫散、挺括性較好、不易褶皺，及色織物顏色多樣、花型豐富的特點(diǎn)，目前在服裝領(lǐng)域尤其是襯衫面料的開發(fā)中應(yīng)用較多。圖14示出2種不同紋理尺寸的襯衫模擬展示圖。最小花型紋理單元通過紋理映射附著于襯衫的每個(gè)衣片，右圖襯衫每個(gè)版片的橫縱向最小花型數(shù)量均為左圖橫縱向數(shù)量的4倍。根據(jù)循環(huán)數(shù)量的不同可控制紋理圖案的大小，直觀地展示相同的紋理在不同尺寸情況下的虛擬效果。設(shè)計(jì)、仿真、展示的一體化流程，方便了設(shè)計(jì)人員根據(jù)模擬效果進(jìn)行工藝的修改與設(shè)計(jì)，免去了重復(fù)打樣過程，縮短了開發(fā)時(shí)間，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖14 襯衫虛擬展示Fig.14 Virtual display of shirts

5 結(jié) 論

結(jié)合少梳經(jīng)編色織物的編織原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了線圈幾何模型和數(shù)學(xué)工藝模型?；赪eb技術(shù)分別繪制延展線和線圈并利用雙緩存技術(shù)儲(chǔ)存，根據(jù)前梳包覆后梳的編織規(guī)律按一定順序進(jìn)行疊加，獲得最終仿真圖形。最后利用紋理映射完成面料在服裝上的虛擬展示。本文所提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)少梳經(jīng)編色織物從設(shè)計(jì)到仿真，從平面織物到三維服裝的虛擬展示。織物的花型效果隨工藝參數(shù)改變實(shí)時(shí)發(fā)生變化。墊紗數(shù)碼的改變可改變織物的基本組織；不同的顏色搭配能夠展示同一組織不同顏色效果；穿紗的變化形成多樣的花型。而服裝的虛擬展示則根據(jù)花型單元的循環(huán)數(shù)量展現(xiàn)不同的效果，在面料織造與服裝制作前即能看到設(shè)計(jì)效果并進(jìn)行適當(dāng)修改，減少打樣時(shí)間與成本，為實(shí)現(xiàn)少梳經(jīng)編色織物的可視化仿真和短流程生產(chǎn)提供了有效途徑。