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1、第2 6 卷第l 期 2 0 0 5 年2 月 纺织学报 J 0 u 功a lo fT e t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 1 F e b 2 0 0 5 机织物的计算机三维模拟 张瑞云，黄新林，李汝勤 ( 东华大学纺织学院，上海2 0 0 0 5 1 ) 摘要基于织物结构的P e i r c e 模型应用织物组织知识，探讨织物三维结构中纱线的空间位置，以此建立真实的织 物三维结构模型。借助于V i s u a lC + + 与O p e nG L 开发工具，把织物的光照和材质因素引入织物三维结构模型中， 实现计算机织物三维模拟。 关键词纱线模型；机织
2、物；C A D ；织物外观模拟 中图分类号：佟1 0 3 7 4文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 1 0 0 6 2 0 3 3 Dc o m p u t e rs i m u l a t i o no fw o v e nf a b r i c Z H A N GR u i y u n ，H U A N GX i n - l i n ，L IR u - q i n ( c o 比妒矿Z 缸如，D o n 曲眦们n 觇“ 毋，S 舰啦谢2 0 0 0 5 1 ，吼i m ) A b s t m c tB a s e do nt I l em o
3、 d e lo fP e i r c ea n dt h ek n o w l e d g eo f 胁r i cw e a v e ，t l ey 锄o f3 D 鼬r i cs t m c t u r ei sl o c a t e d ，w h i c hh e l p s m a t3 Df 如r i cs t r u c t u r a lm o d e li sf i tt or e a lf a b r i c W i t ht l l et o o l so fV i s u a lC + + a n d0 p e nG L ，c o m p u t e rf a b r i
4、c3 Ds i m u l a t i o ni s e a l i 2 e d ，t a k i n gt 王l ef a c t o ro f 胁一cl j 出a J l dm a t 画a l sj n t o3 Ds t c t u 商m o d e l K e yw o r d sy a mm o d e l ；w o v e nf a b r i c ；C A D ；s i m u l a t i o no f 鼬打ca p p e a r a n c e 研究织物结构的目的是为了更好地进行织物设 计与生产，2 0 世纪3 0 年代提出了著名的织物结构 P e i r c e 模型
5、J ，后来织物c A D 系统的仿真技术中也 大量应用织物结构理论，在一定程度上提高了计算 机的模拟效果心“J 。但是，由于织物的结构模型最 初是为了简化、方便织物结构研究和织物力学分析 而建立的，所以现有的织物结构模型只是对织物的 结构进行抽象，未考虑织物的光照影响，并忽略了织 物中纱线的飘移与压缩等问题。这些对织物的仿真 效果影响很大bo ，也成为了织物c A D 系统有待攻克 的难点。从计算机仿真的角度看，从单纯织物结构研 究过渡到综合纱线与织物光照、纱线的飘移与压缩等 因素的研究已成为织物结构理论研究的新方向。 l 技术方法 1 1 纱线路径 采用B e z i e r 曲线原理进行处
6、理，建立任意阶次 n 的B e z i e r 曲线的绘图程序。具体实现思路为：对 任意某段纱线，从中取4 点，作为纱线路径定位的参 数，为了简化运算，本段程序取n = 3 ，纱线取点示意 见图1 。 由于面料中织物组织 对纱线的轨迹影响比较大， 其中组织参数以飞数变化 为主，故把飞数单独列出来 作为确定纱线中轴线的主 要依据。普通织物的飞数 图1 纱线路径( n = 3 ) 一般小于4 ，只需分成3 种情况，并分别用3 个函数 逼近。对于这3 种情况，纱线路径相差很大，所以在 运用B e z i e r 函数时选用参考点的方法不一样。除 图1 外，其它2 种情况见图2 。 ( a ) 第二种
7、情况 图22 种纱线取点不惹图 1 2 纱线生成 确定纱线表面网络点。纱线中轴线的确定有助 于定位纱线表面点。将纱线看成是理想的圆形截 面，这些圆形截面应与纱线中轴线垂直相交，确定这 些圆形截面圆周的点，以空间曲线上任意一点上的 作者简介：张瑞云( 1 9 6 9 一) ，女，副教授，博士，现为美国加州大学访问学者。主要研究领域包括纺织计算机应用、纺织品c A D 系统研究与开发等。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第1 期纺织学
8、报【6 3 】 切线和纱线的半径为变量，求 得纱线表面上的空间点。方 法见图3 。 对于空间点的位置变换， 采用矩阵运算方法，即通过参 数矩阵实现空间组合变换，但 由于现有的矩阵函数不能较 好地满足这一要求，于是建立 自己的矩阵类来实现矩阵运 算。这样就可以建立空间变 换函数在已知圆形法向量与 圆形半径情况下，确定圆周上 的任意点。 1 3 交织位置 P l l 一纱线路径，2 一切线，P 0 一纱线表面一点，P l P o 绕切线2 旋转口角后所得 的纱线表面另一点 图3 求纱线表面上 的空间点 纱线在织物中的形态很大程度上取决于织物组 织，不同的组织对于织物中经纬纱的交织位置影响 很大，从
9、而引起纱线路径的变化。首先，初定组织点 位置函数，确定经组织点所处的理想位置。然后根 据面料的经密、经纱的粗细、面料的组织等，确定经 纬纱在织物中可能出现的交织位置。比如在经向飞 数为2 处，2 根纬纱间距在经纱张力作用下减少，这 样交织位置就发生改变。 1 4 曲线拟合 采用B e z i e r 曲线拟合，用4 个控制点确定曲线 形状( 见图4 ) ，并用如下方程实现拟合。 p ( t ) = ( 1 一f ) 3 p o + 3 t ( 1 一t ) 2 p 1 + 3 2 ( 1 一) p 2 + 3 p 3 ( 0 t 1 ) ： p l ， p qj ； ， 一 p 3 图4 采用
10、B e z i e r 曲线拟合 绘图程序主要由一个主函数B e z i e r ( d o u b l ep x ，d o u b l ep y ，i n tn ) 和两个辅助函数( p o 试( d o u b l e v ，i n tk ) ，f a c ( i n tm ) ) 组成。函数B e z i e r 功能是计算 通过参数p x ，p y ，n 限定的曲线，且从中保存一些点 作为纱线的路径。函数p o 诵功能是计算口的后次 幂。函数f a c ( i n tm ) 的功能是计算m 的阶层。 2 三维实体生成 主要通过视角位置变化，达到三维实体的动态 展示。本程序在视图类中建立
11、函数( S e t E y e P o s ( ) ) ， 设置视图变换和光源位置值。视图变换是第一个应 用到场景上的变换，用于确定场景的有利位置，设观 察点位于原点( 0 ，0 ，0 ) ，顺着z 轴的负向看( 向监视 屏幕“里面”看) 。它能把观察点放在任何期望的位 置上，从任何方向进行观察。函数( ；l u k A t ) 实现 视图变换功能，根据眼睛的位置、场景中心的位置和 从观察者的角度往上指的矢量，定义一个视图变换， 这样，通过眼睛位置的改变实现三维实体的旋转与 放大缩小。眼睛位置由一个G l 叫n t 类成员E y e P o s 表示，实体旋转时，= 轴坐标值不变，点( 石，y
12、 ) 在以眼 睛到原点距离m 为半径的圆周上，即通过观察点 ( 并， ，彳) 变化看到三维实体相对运动，实体放大缩 小时，只有m 改变，从而达到实体视觉效果的放大 与缩小。光源位置一般是在视野变换之后设定，这 样可以确保光源处于适合的位置上。函数G l L i g l l 西 所带第三个参数是个数组，数组中的最后一个值是 1 0 ，它表明指定的坐标是光源位置，这样就确定了 光源位置。需要说明的是，如果数组的最后一个值 是0 0 ，表明沿数组指定的矢量方向的光源位于无 限远的地方。函数( s e t E y e P o s ( ) ) 实现视图变换之 前，定义了一个视图透视投影矩阵，它描述完全坐
13、标 中的一个视图平截头体( 见图5 ) ，其改变的是观察 点位置，就可从不同角度看到三维实体。 远 图5 三维实体生成 三维实体光照材质处理的程序采用3 种s h a d i n g 方式：N o n es h a d i n g ，n a ts h a d i n g 和S n 啪t hs h a d i n g 。其 中平滑取影程序采用法向量平均来达到预期效果， 它通过“扭曲”法线可以用一些平直的多边形来产生 非常平滑的表面，这个技术就是法线平均技术，理论 上讲，如果使用足够多的多边形，表面应该显得光 滑。这与通过画一系列短线段组成一条平滑曲线的 思想很相似。如果把每个点都看作真实表面上的
14、 点，则实际的法线值就成了真实的法线值。 本程序生成的三维结构效果，如图6 所示。 3结 论 本程序建立三维纱线模型，采用V i s u a lc + + 和 O p e nG L 工具6 圳展示织物的三维结构，在一定程度 ( 下转第6 9 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第1 期纺织学报【6 9 】 4 款式设计推理机制建立 推理机是专家系统的“思维”机制，它能根据用 户输入的事实知识，利用知识库中的知识，按照一定 的推理
15、方式和控制策略进行推理，完成设计问题的 求解。本文采用由设计领域知识指导的启发式搜索 策略建立款式设计专家系统的推理机制( 见图2 ) 。 图2 款式推理机制 推理过程从用户界面提供的初始已知事实出 发，首先在数据库D B 中查找是否有符合要求的款 式，若有，则将款式送人用户界面，并成功退出；否 则，进入知识库K B 中查找是否有可适用的规则、知 识，若有，把K B 中所有适用的知识都选出来，构成 可适用的知识集I ( s ；如果K s 不空，则按照优先级依 次执行规则，并将新事实加入到数据库中作为下一 步推理的已知事实，在此之后再在知识库中选取可 适用知识进行推理，如此重复进行这一过程，直到
16、得 出所要求的款式，或者知识库中再无可适用的知识， 则请求用户通过用户界面补充新事实，如果用户可 以提供新知识，则重复以上过程，否则，转入交互操 作界面( 支持用户直接在界面上修改款式) ，再退出。 5 结论 本文构建了服装款式设计专家系统的结构，分 析了实现智能化人机交互界面的关键问题，建立了 款式知识表示模型和款式推理机制。由于服装设计 属于一种创作思维，服装本身又是一种柔性体，对其 设计多依赖于经验和灵感，设计知识难以定量和规 律化，所以款式设计知识的提取和知识库的建立具 有相当的难度，需要服装设计专家对款式设计知识 的总结、抽象和表达进行深入研究，为软件工程师实 现知识库奠定基础。 参
17、考文献： 1 N a l 【明i s l l iY A p p l y i l l ge v o l u t i o n s a r ys y s t e m 8t od e s i 印a i ds y 8 t e m A I n ：P r o c e e d i n 萨o fA n i f i c i a lu f eV ( P o g t e rP r e s e n t a t i o n ) c 1 9 9 6 1 4 7 一1 5 4 2 N a k 蛐i s l l iY c a p t u r i “gp r e f e r e n c ei n t oaf 诅l c t i o
18、 nu 8 i “gi n t e m e t i o n s w i t har 啪u a le v o l u d o n a r yd e s i g na i ds y s t e m 【AJ I n ：G e n e t i cP T 0 一 即帅痂n g L a t e - B r e a k i n gP a p e r s 【C j 1 9 9 6 1 3 3 1 3 8 3 H e e S u m ，s u n g _ B a eC h o A p p l i c a t i o no fi n t e r a c t i V 。g e n e t i ca 1 9 0 -
19、打t h mt 0 l l i o nd e s i g n J E n 舀n e e r i n gA p p l i c a t i o no fA r t i 6 c i a lI n t e l l i 辨n c e ，2 0 0 0 ，( 1 3 ) ：6 3 5 6 4 4 4 L JY ，c h 0SB I n t e r 扯t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mf o rc o m e n t - b a s e di m - a g er e t r i e v a l A I n ：P l D c e e d i n g so fA s
20、i aF u z z ys y s t e m 8s y m p o s i u m c 1 9 9 8 4 7 9 4 8 4 5 o h s a k iM ，做a g iH ，l “g I lT M e t h o d st or e d u c et h eh u m 明b u l d e no f i n t e r a c n v ee v o l u n o n a r yc o m p u t a t i o n A I n ：P I 们e e d i “g s0 fA 8 i a F u ys y s t e l l l ss y I “p o s i u m c 1 9 9
21、8 4 9 5 5 0 0 ( 上接第6 3 页) ( a ) 效果图8( b ) 效果图b 图6 三维结构效果图 上实现仿真效果，但是由于织物的复杂多样性，前述 的纱线模型有待完善，以便适用于各类机织物。 参考文献： 1 蔡陛霞织物结构与设计 M 第2 版北京：纺织工业出版 社。1 9 9 4 2 0 9 2 1 6 2 刘基宏，王春霞三维真实感织物结构辅助设计软件的制作 J 上海纺织科技，2 0 0 0 ，2 8 ( 4 ) ：5 7 5 8 3 郑天勇，王春娴机织物外观和图案的三维模拟软件的开发 J 天津纺织工学院学报，1 9 9 9 ，1 8 ( 5 ) ：1 5 1 9 4 修毅，李
22、兰友织物三维形态数学模型的建立 J 天津纺织工 学院学报，1 9 9 9 ，1 7 ( 2 ) ：5 0 5 3 5 颜刚锋，杨宝柱织物光照模型及其计算机模拟 J 浙江工程 学院学报，1 9 9 9 ，1 6 ( 3 ) ：1 9 8 2 0 3 6 白建军，朱亚平，梁辉，等O p e n G L 三维图形设计与制作 M 北京：人民邮电出版社，1 9 9 9 4 3 1 6 1 7 梁维v i s u a lc + + 6 o 编程实用教程 M 北京：中国水利水 电出版社1 9 9 9 1 8 5 2 3 2 【8 赖特，斯威特，萧湘工作室O p e n G L 超级宝典 M 第2 版北 京：人民邮电出版社，2 0 0 1 6 5 2 1 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark