緯編針織物三維仿真技術的研究現狀與發展趨勢

彭燕芳，武志云

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特010080）

隨著計算機技術的發展，計算機在紡織行業的運用越來越廣泛。國內紡織行業中新型材料的開發和織造技術的應用愈加繁復，使得織物設計品種日益繁多，對織物設計的要求也就更加精確。這恰恰推進了紡織產品設計的計算機仿真技術。現階段緯編CAD軟件是在二維的基礎上，對織物組織及花型進行設計，能快速設計出獨具特色的新型花型圖案。緯編針織物三維仿真技術是針織CAD技術在緯編領域的必然趨勢，三維仿真相對于二維仿真具有更直觀、更逼真的效果，但三維模型的建立較為困難，經過專家學者多年的研究，三維仿真技術已取得了初步成果。

1 研究現狀

緯編針織物與機織物和經編針織物相比，緯編針織物具有廣泛的適用性。

1.1 紗線的三維仿真

紗線的計算機仿真是織物仿真的基礎，紗線模型的好壞直接影響織物的模擬效果。紗線是特殊的柔性實體，要建立能夠適用于不同紡紗系統或者不同紗線類型的模型是相當困難的，不僅要考慮其本身的物理性質，還要考慮其在織物中所呈現的屈曲狀態和受力情況。

紗線三維模型的建立過程，主要可以歸為四大類：第一類是幾何形狀填充法，其分為矩形單元模擬法和平行四邊形單元模擬法。其中，矩形單元模擬法是用一組循環排列的傾斜放置的矩形色塊來表示紗線，每個具有色彩的小矩形即代表紗線每個單元塊的仿真模型。而平行四邊形單元模擬法在實現過程中，可以采用擦去四個角的平行四邊形來模擬。這種方法簡單易行，效率較高，能夠較好地模擬單紗或者股線的外觀，但缺乏真實感和立體感［1］。

第二類是掃描處理法，首先利用數字照相機或掃描儀將紗線圖像輸入，根據實物圖像對紗線形態進行分析，然后建立紗線三維模型。例如，童小素［2］等嘗試利用采集到的不同材質的紗線圖像，在二維模擬的基礎上，運用色彩學與光照模型對紗線的光澤與纖維聚集形態進行模擬。該方法雖然模擬速度較快，但與三維模擬方法相比，在反映紗線的立體感方面稍有欠缺。

第三類是計算機三維模擬法，利用計算機圖形學相關知識，根據紗線的參數，如紗線捻度、細度、橫截面和紗線路徑等對紗線進行分析，運用VRML和NURBS等曲面算法來建立紗線的三維模型，在C＋＋和OpenGL中編程實現。這種建模方法往往需要對紗線形態進行假設，根據經驗將紗線截面簡化為圓形或橢圓形，然后利用各種數學方法和計算機語言建立紗線的三維模型。現階段隨著計算機飛速發展，出現許多面對對象的語言和軟件，這對仿真技術的發展起到了推動作用。

1.2 織物組織的三維仿真

線圈是組成織物結構的基本單元，不同組織結構的線圈形態也不相同，因此要實現良好的織物三維仿真效果，對于線圈的模擬是必不可少的環節。線圈模型的建立可劃分成三個階段。

第一階段是Pierce理想線圈模型的建立，它能反映線圈的基本結構形態，但其針編弧、沉降弧與圈柱的連接部分不是光滑連接，不符合紗線是一個連續整體的結構特性，而且該模型為了表達簡單方便，假設了線圈結構是幾何形態的線性關系，這種假設未考慮到實際紗線材料性能及受力大小的變化而引起的實際織物線圈結構形態的變化。

第二階段是借助Pierce理想線圈模型，人們在此基礎上做了改進。王輝［3］等人在經典線圈模型的基礎上運用B樣條曲線進行線圈形態的控制和線圈模型的優化，并對優化線圈模型進行實驗驗證分析、結論分析。B樣條曲線建立的線圈模型比Pierce線圈模型具有更好的適應性。蒙冉菊［4］則運用NURBS樣條曲線進行線圈結構單元建模，其針對Pierce理想化模型形態單一且缺乏變形能力進行了改進，運用NURBS的靈活性和較好的幾何特征來模擬紗線的中心軸向，建立線圈模型。劉夙［5］所建立的線圈模型是用幾段參數方程來表示空間圓弧和曲線連接組成的紗線路徑，在Visual C＋ ＋ 編程環境下實現OpenGL庫函數的調用，采用這種建模和實現方法可較為逼真地顯示出緯平針織物線圈在三維空間中相互串套的效果，但模擬效果視覺角度單一，不同角度下需要建立不同的線圈模型。

第三階段是線圈三維模型的建立，鑒于不同組織結構的線圈模型的不同，所以首先研究的是基本組織結構的線圈模型，然后在此基礎上分析研究，對其它變化組織進行建模。趙磊［6］建立的緯編針織物基本線圈三維模型，明確了線圈與線圈之間的結合點，然后通過結合點連接線圈與沉降弧形成三維緯編結構。將沉降弧和圈干視為由諸多圓球體構成的，用OpenGL工具調用圓球體并結合三角函數的參數曲線方程構建完整的三維線圈模型。王少俊［7］則是降低建模復雜程度，不考慮紗線在織物中的受力情況，采用圓柱體結構來模擬紗線。借助NURBS曲線的可控性，建立緯編針織物三維線圈結構模型，并利用OpenGL和Visual C＋＋開發工具模擬仿真緯編針織物線圈結構，同時對線圈模型進行光照、材質、紋理結構的處理。

2 發展趨勢

隨著紡織行業的發展，緯編針織物產品廣泛運用到不同領域，推動了功能性材料及織物組織結構的發展，因此對于緯編針織物仿真技術也應該向著多元化的方向發展。

2.1 織物種類多元化

2.1.1 材料種類多元化

不同種類的織物原料仿真的效果不同，隨著新材料的出現，研究人員對于紡織新產品的開發已經不再局限于外觀設計，更趨向于功能化，新型纖維原料在針織行業的應用越來越廣泛。對于新材料的仿真，要研究分析其物理性能，并在此基礎上提高視覺效應。現階段出現許多功能性材料，如：抗輻射、環保型新材料的開發運用，對于這些織物的三維模擬將有助于織物結構的物理性能分析。

2.1.2 結構種類多元化

緯編針織物結構種類的仿真研究現階段還比較少，目前只是對于一些基本線圈結構進行了建模分析，對于組織變化還需進一步研究。針織品研究人員在產品的結構設計方面的研究，推動了更多新織物組織的出現，這就要求我們結合不同的工藝條件，對不同織物結構進行研究，針對不同的組織參數進行試驗數據分析，構建組織結構的參數化模型，擴展針織物新品種的仿真，從而促進仿真技術向紡織多元化的方向發展。

2.2 仿真技術多元化

研究人員對于緯編針織物仿真技術的研究經歷了從簡單的幾何分析到基于計算機語言復雜的編程過程，再加上針織物產品最終是以整體構造的形式呈現，所以要結合計算機圖形學的知識更好體現織物的仿真效果。對于仿真過程中計算機圖形學知識的運用表明，仿真技術的發展需要融會不同學科，這樣不僅能滿足科研的需要，同時也推動了相關學科技術的革新。不同學科之間是相互貫通的，只有學科間相互運用才能促進各個學科的縱向發展。現有技術還存在的一個弊端是從紗線到織物組織的仿真以及仿真系統的構建還沒有成熟化。研究學者只對其中一個方面進行研究，只有各個學科之間緊密聯系才能推動技術發展。

3 結語

仿真技術應用范圍廣泛，主要表現在：一方面人們可以根據自己的需要對織物的結構進行設計，減少試織過程，如利用三維仿真技術可以進行面料設計展示，提前預測面料的受歡迎程度；另一方面，人們可以對織物性能進行分析，以便運用在不同的場合。因此，針織物仿真技術的研究有很大的發展潛力。

緯編針織物三維仿真技術是針織CAD技術在緯編領域的必然趨勢，經過多年的研究已從最初的探索階段逐步有了成果。現有針織物紗線、織物結構的三維仿真研究，為緯編針織物三維仿真技術的進一步發展奠定了基礎。三維仿真技術的研究已經不局限于紡織行業，對于其他領域的知識的學習也會推動該技術的進步。現階段我們要將各個學科融會貫通，從而實現緯編針織物三維仿真技術的再次突破。

［1］祝雙武等.紡織 CAD／CAM［M］.北京：中國紡織出版社，2007.

［2］童小素，張瑞林.紗線真實感的計算機仿真［J］.紡織學報，2008，29（6）：117—120.

［3］王輝，方圓，潘優華.緯編針織物線圈模型的分析與研究［J］.浙江理工大學學報，2008，25（5）：522—525.

［4］蒙冉菊，方園.NURBS樣條曲線緯編針織物線圈結構的建模分析［J］.浙江理工大學學報，2007，24（3）：220—224.

［5］劉夙，龍海如.緯平針織物的計算機三維模擬［J］.紡織學報，2007，28（12）：41—44.

［6］趙磊，鄧中民.緯編針織物線圈的三維模擬及變形實現［D］.武漢：武漢紡織大學，2011.

［7］王少俊，包曉敏.基于OpenGL的緯編針織物三維仿真真實感的研究［J］.浙江理工大學學報，2012，29（3）：312—314.