機(jī)織物結(jié)構(gòu)三維模擬軟件系統(tǒng)的開發(fā)

周方穎 張素儉 王富偉 奚達(dá)新 趙釗輝

摘 要：為真實(shí)展現(xiàn)機(jī)織物結(jié)構(gòu)立體效果，借助Maya骨骼技術(shù)和機(jī)織物結(jié)構(gòu)相理論開發(fā)的機(jī)織物結(jié)構(gòu)三維模擬軟件系統(tǒng)，在解決紗線彎曲、浮長(zhǎng)模擬的基礎(chǔ)上，通過工藝參數(shù)模塊和上機(jī)圖模塊基本參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)織物特別是復(fù)雜組織織物結(jié)構(gòu)的三維模擬，可以任意角度、任意距離觀察織物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，為初學(xué)者理解織物組織結(jié)構(gòu)及其形成提供具有沉浸式感官體驗(yàn)的學(xué)習(xí)工具;同時(shí)，該軟件系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)繪制三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)品開發(fā)人員提供真實(shí)高效的研發(fā)工具。

關(guān)鍵詞：Maya骨骼;機(jī)織物結(jié)構(gòu);三維模擬;軟件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS111.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2021）03-0051-06

Abstract： Basing on Maya skeleton technique and woven fabric geometric structure phase， the software of 3D simulation for woven fabric structure is developed in order to show the 3D effect factually. Modeling bending and float of yarn， inputting technical parameters of yarns and patterns subsequently， the 3D stimulation for woven fabric structure can be obtained， especially for complicated patterns. Moreover， it is available to observe the details of 3D woven fabric at any angle and/or at any distance， which provides initials a tool of experiencing a immersive sensory to grasp fabric structures. Meanwhile， owing to its real-time performance， the software would provide designers a real and efficient tool to develop new fabrics.

Key words：Maya skeleton; woven fabric structure; 3D simulation; software

目前，在各種紡織CAD軟件中均能利用紗線、面料及工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成織物模擬圖案，以代替產(chǎn)品試織打小樣的工作，縮短了打小樣的周期。但是由于織物組織種類繁多，對(duì)于某些特殊組織，如凸條組織、網(wǎng)目織物、透孔組織、雙層組織等，其織物的外觀和圖案采用的二維模擬，僅能展示織物的外觀，真實(shí)感缺失。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了很多探索。劉讓同等[1]剖析并修正了機(jī)織物結(jié)構(gòu)相模型，為機(jī)織物結(jié)構(gòu)3D模型的創(chuàng)建提供了理論參考。朱建華等[2]以VC++和Open GL為開發(fā)工具，通過繪制每根紗線進(jìn)而繪制三維機(jī)織物。王旭[3]采用3DS MAX技術(shù)，通過截面曲線放樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)紗線建模，再按照織物組織中經(jīng)緯紗交織規(guī)律，實(shí)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)的3D建模。但這些模擬，或者只是模擬出織物的二維圖案，然后將其貼在三維物體上，用來(lái)展示人體著裝時(shí)面料的懸垂性和圖案的變化，或者顯示裝飾織物用作沙發(fā)布或桌布時(shí)的圖案在空間的伸展效果[4];更多的是基于復(fù)雜建模的基礎(chǔ)上獲得，其工作量龐大，效率較低。

為此，尋找一個(gè)較好的方式對(duì)機(jī)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬，成為系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)重要突破。目前市場(chǎng)上的三維軟件較多，其中美國(guó)Autodesk公司出品的一款三維Maya軟件具有全能的建模工具、強(qiáng)大的角色動(dòng)畫、特效制作及協(xié)作開發(fā)能力，能與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合[5]，使得創(chuàng)建具有三維立體感效果成為可能。確定開發(fā)環(huán)境后，系統(tǒng)開發(fā)解決的主要問題就是對(duì)紗線彎曲和浮長(zhǎng)線的描繪，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的三維真實(shí)模擬。

利用Maya骨骼綁定技術(shù)以及機(jī)織物結(jié)構(gòu)相模型理論，系統(tǒng)開發(fā)出對(duì)機(jī)織物，特別是一些復(fù)雜組織織物結(jié)構(gòu)的三維模擬，為實(shí)現(xiàn)機(jī)織物虛擬仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行有益地探索。

1 準(zhǔn)備工作

1.1 Maya骨骼對(duì)紗線的模擬

由于Maya軟件具有操作簡(jiǎn)單、涉及范圍廣、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，在三維模型的制作中，Maya屬于首選工具[6]。在機(jī)織物三維模擬中，骨骼技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制，避免了Open GL等開發(fā)工具的大量運(yùn)算。

為確保Maya骨骼在機(jī)織物三維模擬中能夠切實(shí)有效地發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，首先選取紗線進(jìn)行模擬測(cè)試。圖1為Maya環(huán)境下，以骨骼表示的紗線在伸直狀態(tài)的形態(tài)和交織變形狀態(tài)下的形態(tài)。為了使紗線的屈曲效果更真實(shí)，對(duì)每段骨骼設(shè)置“細(xì)分?jǐn)?shù)”，即劃分為若干小段，如圖2所示。細(xì)分?jǐn)?shù)越多，對(duì)該段骨骼發(fā)生的變形描述越精確，模擬效果就越好;但隨之而來(lái)的是系統(tǒng)運(yùn)行速度低，成本代價(jià)較高，影響使用。通過對(duì)紗線的測(cè)試，認(rèn)為在Maya環(huán)境下，通過合理設(shè)置紗線骨骼關(guān)節(jié)數(shù)及細(xì)分?jǐn)?shù)，使紗線能夠按照設(shè)想的方式伸直或屈曲，并且在屈曲狀態(tài)下，曲線上各點(diǎn)之間過渡自然、連貫、平滑，因此該系統(tǒng)可以用來(lái)進(jìn)行織物的三維模擬。

在機(jī)織物三維模擬過程中，將每根紗線設(shè)置成連續(xù)的100個(gè)骨骼，每個(gè)骨骼兩個(gè)關(guān)節(jié)，共有101個(gè)關(guān)節(jié);每個(gè)骨骼設(shè)置“細(xì)分?jǐn)?shù)”，對(duì)紗線在組織中的伸直和屈曲狀態(tài)進(jìn)行三維模擬，不僅獲得良好的視覺效果，同時(shí)保證了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1.2 基于機(jī)織物幾何結(jié)構(gòu)相的經(jīng)（緯）浮長(zhǎng)線繪制

復(fù)雜機(jī)織物組織中，浮長(zhǎng)線的繪制效果對(duì)機(jī)織物結(jié)構(gòu)3D效果影響至關(guān)重要。為了使生成的機(jī)織物三維模擬的浮長(zhǎng)線線型連貫、過渡平滑，以機(jī)織物幾何結(jié)構(gòu)相理論為基礎(chǔ)對(duì)浮長(zhǎng)線上各點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)定[7]。表1為機(jī)織物9種不同結(jié)構(gòu)相的參數(shù)變化，其中，第5結(jié)構(gòu)相形成經(jīng)緯同支持面織物，也是通常所稱的0結(jié)構(gòu)相，如圖3所示。

將機(jī)織物第5結(jié)構(gòu)相視為經(jīng)浮長(zhǎng)起始和結(jié)束對(duì)應(yīng)的最低點(diǎn)，經(jīng)浮長(zhǎng)的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)第9結(jié)構(gòu)相。當(dāng) 經(jīng)向連續(xù)浮點(diǎn)數(shù)大于等于2時(shí)，連續(xù)浮長(zhǎng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置分別標(biāo)定為5，再?gòu)膬啥讼蛑虚g對(duì)稱標(biāo)定，依次得到6、7、8、9幾種位置點(diǎn)。當(dāng)經(jīng)向浮點(diǎn)數(shù)較少，不足以標(biāo)到“9”時(shí)，則以最后標(biāo)定的數(shù)值為準(zhǔn);當(dāng)經(jīng)（緯）向浮點(diǎn)數(shù)較多，標(biāo)到“9”時(shí)仍有未標(biāo)記浮點(diǎn)時(shí)，則余下浮點(diǎn)全部標(biāo)記為“9”。圖4表示經(jīng)向浮長(zhǎng)線各點(diǎn)位置的標(biāo)定。

同理，可以標(biāo)定緯浮長(zhǎng)各位置點(diǎn)，如圖5所示。同樣，第5結(jié)構(gòu)相形成經(jīng)緯同支持面織物，將此位置視為緯浮長(zhǎng)起始和結(jié)束對(duì)應(yīng)的最低點(diǎn)，緯浮長(zhǎng)的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)第1結(jié)構(gòu)相。

對(duì)經(jīng)（緯）向連續(xù)浮點(diǎn)的數(shù)值標(biāo)定，描述了浮長(zhǎng)線各點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)位置的高低變化，再利用機(jī)織物結(jié)構(gòu)中9個(gè)結(jié)構(gòu)相特征值——經(jīng)紗屈曲波高與緯紗屈曲波高的不同，可以準(zhǔn)確繪制出交織后的機(jī)織物經(jīng)（緯）浮長(zhǎng)線三維模擬效果。相比其他方法，建模方便、快捷浮長(zhǎng)連續(xù)外觀效果良好。

2 基于Maya骨骼技術(shù)的機(jī)織物結(jié)構(gòu)三維模擬系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)模塊的構(gòu)建

系統(tǒng)基于機(jī)織物設(shè)計(jì)工作流構(gòu)建功能模塊，包括工藝參數(shù)模塊、上機(jī)圖模塊、布料生成模塊和系統(tǒng)幫助模塊，各模塊的具體內(nèi)容及主要功能如圖6所示。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行

2.2.1 織物規(guī)格及色紗排列設(shè)置

依據(jù)面料設(shè)計(jì)工藝參數(shù)或者產(chǎn)品工藝單，

在系統(tǒng)“工藝參數(shù)模塊”完成織物規(guī)格參數(shù)的設(shè)定，包括經(jīng)緯紗支、組織循環(huán)、色紗循環(huán)等，界面如圖7所示。用戶在進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)彈出對(duì)話框，給出相應(yīng)參數(shù)的取值范圍;一旦參數(shù)取值超出范圍，系統(tǒng)會(huì)給出提示并要求重新輸入。

對(duì)于色紗顏色，既可以通過系統(tǒng)給出的色塊來(lái)獲取，也可通過輸入RGB值來(lái)準(zhǔn)確獲取。

2.2.2 生成上機(jī)圖

上機(jī)圖是織物上機(jī)工藝的圖解，包括組織圖、穿筘圖、穿綜圖和紋板圖。組織圖、穿綜圖、紋板圖3個(gè)圖形確定其中兩個(gè)可以求出另一個(gè)圖形，工廠中一般給出穿綜圖和紋板圖;穿筘圖依據(jù)機(jī)織物織造上機(jī)工藝，對(duì)穿筘參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后自動(dòng)生成。圖8和圖9分別為上機(jī)圖輸入?yún)?shù)前后的界面。

2.3 布料生成模塊

工藝參數(shù)及織物上機(jī)圖參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“布料生成”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入“布料生成模塊”。在該功能模塊內(nèi)，用戶可以任意角度、任意距離、沉浸式觀察實(shí)時(shí)生成的數(shù)字布料及結(jié)構(gòu)，便于用戶查看和推敲每一個(gè)布料效果及穿插細(xì)節(jié)。圖10為一款配色模紋面料三維多角度及任意距離示例圖。

圖11為一款雙層表里換層織物的三維模擬圖，從上至下、從左至右分別模擬了織物正面效果、正面放大效果、側(cè)90°視角、斜側(cè)方視角。既能真實(shí)呈現(xiàn)織物的三維立體效果，又能完美展現(xiàn)雙層組織的表里換層方式，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)織物結(jié)構(gòu)的三維模擬。

3 結(jié) 語(yǔ)

Maya骨骼技術(shù)具有可移植性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、真實(shí)效果表現(xiàn)力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，開發(fā)的基于Maya骨骼的機(jī)織物結(jié)構(gòu)三維模擬系統(tǒng)，能夠通過“工藝參數(shù)模塊”和“上機(jī)圖模塊”，進(jìn)行紗線和織物組織基本參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)而在“布料生成模塊”完成對(duì)面料的三維模擬，不僅可以方便、快捷地獲得織物的三維立體效果，同時(shí)可以多角度、任意距離、沉浸式觀察織物結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和理解機(jī)織物結(jié)構(gòu);特別通過建立在幾何結(jié)構(gòu)相基礎(chǔ)上經(jīng)緯紗連續(xù)浮長(zhǎng)的繪制，使一些復(fù)雜機(jī)織物結(jié)構(gòu)的三維模擬更接近于真實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉讓同，李亮，劉淑萍，等.機(jī)織物結(jié)構(gòu)相模型剖析及修正[J].紡織學(xué)報(bào)，2017，38（10）：32-37.

[2]朱建華，張瑞云，王偉，等.復(fù)雜組織多層機(jī)織物三維建模與仿真[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2016（2）：47-52.

[3]王旭.機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)的三維建模方法研究[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，25（1）：6-10.

[4]鄭天勇，黃故.機(jī)織物外觀分析及計(jì)算機(jī)三維模擬[J].紡織學(xué)報(bào)，2001（4）：104-106.

[5]劉文苗，楊雪，王麗，等.基于Maya技術(shù)的醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（4）：76-79.

[6]郭法寶.Maya場(chǎng)景建模流程研究[J].戲劇之家，2014（4）：218.

[7]王淑英，張素儉.織物結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：138-140.