織物建模軟件的特點及應用

左　祺，李小歡，趙立環

(天津工業大學，天津 300387)

織物建模軟件的特點及應用

左祺，李小歡，趙立環

(天津工業大學，天津 300387)

文章通過總結分析國內外二維和三維織物建模方法及相應軟件特點，認為目前二維織物建模軟件及其模型的靈活性差、適用面窄，三維織物建模軟件適用性廣，指出將織物建模與織物性能分析相結合的三維織物建模軟件是未來織物建模軟件的發展方向。

織物模擬；二維建模；三維建模；特點

織物建模旨在利用計算機模擬出具有真實感的織物圖像。如何在計算機上模擬出較為逼真的織物一直是計算機圖形研究的一個具有挑戰性的課題。研究織物建模是為了更好地將其應用在織物分析、面料設計和服裝性能設計等方面，運用軟件真實模擬出織物的各項特征，包括交織狀態，浮長狀態，凹凸紋理狀態，屈曲狀態，立體感，質感等?？椢锝：笥欣诳椢锝Y構研究和織物力學分析，而且通過改變經緯線顏色或改變各類參數，可以瞬間產生所需織物模型。在織物模擬速度、效果和穩定性等方面取得重要進展的同時，人們也設計出了不同的織物建模軟件來配合不同的建模方法。目前，織物建模軟件種類繁多，建模效果及其優缺點各不相同。本文將對主要的幾種織物建模軟件的特點和應用進行整理介紹，為各研究者進行織物建模提供參考。

1　織物建模的分類

1.1二維建模

織物二維建模主要是用平面示意圖來表現織物或者紗線的三維表面結構，通過調整紗線的顏色或者模擬經過后整理加工的織物表面形態，來實現不同狀態的織物模擬，具有極好的織物組織輸入和紗線設計功能，如圖1所示。甚至能夠打印出逼真的織物模擬圖像的紙樣，一定程度的減少小樣機的打樣工作，如圖2所示。但是二維模型缺乏立體感和真實感，并且局限于紗線或織物的數據條件，只能采用理想化的數據，無法很好地模擬一些花式紗線、混紡紗線和復雜的多層織物，缺乏靈活性，不能適應所有的用戶。

圖1　織物模擬圖像

圖2　織物圖案模擬圖像

1.2三維建模

三維模擬就是用三維示意圖來表現織物或者紗線的三維幾何結構。在模擬程序中，大多能從多個角度對模型進行觀察，甚至有的軟件還能實現模擬各個不同方向的光線的影響。三維織物模擬考慮了紗線的屈曲狀態，機織物的交織狀態，和針織物的嵌套過程等多方面的因素，其仿真效果很高，加上對圖片的渲染，配合光源模型，凹凸紋理，基本上能夠真實地模擬復雜的織物，并且能在電腦上直觀地看出織物的特征，如圖3所示。

圖3　平紋織物三維模型

2　織物建模軟件

2.1二維織物建模軟件及應用

二維建模具有代表性的軟件是織物仿真CAD系統軟件。它可以迅速生成織物模型，適用于普通的織物和一些相對復雜的二重組織、雙層組織的織物設計?？椢锓抡鍯AD系統的主要特點就是模擬織物外觀形態(包括配色模紋、織物起毛效果)，通過圖片渲染和建立光照模型，模擬真實的視覺效果。但CAD始終是平面展示模擬效果，呈現不出復雜的內部結構，如圖4所示[1～2]。

圖4　凹凸紋理模擬圖

除紡織CAD系統外，Photoshop、Flash等平面圖形處理系統也能對織物平面花紋進行模擬，效果不如CAD真實感強，而且操作繁瑣。

二維織物模擬忽略了織物的部分特征，用其來分析織物性能，結果不太準確，因此只將其應用于展示織物效果圖。

2.2三維織物建模軟件及應用

2.2.1TexGen新型織物仿真軟件

TexGen軟件是由英國諾丁漢大學設計開發的模擬織物幾何結構的軟件，可以最大程度地展現織物的結構特性和柔性。該軟件能夠快速創建二維和三維織物模型，并對已創建好的織物模型進行修改并輸出。其特點有：

(1)根據軟件的建模原理，仿真方法簡單，創建模型迅速。

(2)既能生成二維模型也能生成三維模型，能模擬絕大多數織物的幾何結構，還包括因紗線粗細不勻而局部改變截面形狀和尺寸的功能。

(3)軟件輸出后與有限元分析軟件兼容，應用于織物力學分析、材料力學等性能的分析[3～4]。

(4)在針織物模擬方面，通過節點的優化選擇可以與三維模型達到較好的一致性，同時線圈過渡平滑，線圈間的連接也比較光滑，仿真效果較為理想[5]。

TexGen作為新型的紡織軟件是專門針對織物模擬設計的，仿真效果十分逼真，并且功能強大。將TexGen模擬的三維模型以． stp 或． inp 等格式的文件導出，可以直接在Abaqus 中導入生成模型。這樣就能在Abaqus軟件中進行織物應用性能分析。但若TexGen模擬的模型有織物中紗線間的嵌入問題會對有限元分析造成很大的誤差，所以建模時要避免紗線間的嵌入。

采用TexGen軟件建立的紗線模型和機織物模型分別如圖5和圖6所示。

圖5　紗線模型

圖6　織物模型

2.2.23DS MAX軟件

基于3DS MAX軟件平臺，運用其內置語言MaxScript進行編程，開發織物組織全自動三維模擬系統并實現三維模擬效果，特點如下：

(1)3DS MAX可以簡化顏色、發光程度、透明程度和反光程度等特征參數數據，在光照模型和紋理渲染的三維模擬方面比OpenGL系統的三維模擬的效果更好[6]。

(2)該軟件根據規定的數據格式，將獲得的織物各種參數規范化，把組織結構的源代碼和模板中的參變量數據對應替換，生成建模代碼文件。

(3)基于NURBS曲線建模，保證放樣后紗線屈曲的部分不會出現尖銳拐角和通過修改控制點(修改因子)方便調整紗線模型的狀態[7]。

(4)按照陣列復制完全組織的方法，產生整個機織物的三維模型。完全組織如圖7所示。

圖7　完全組織

(5)在針織方面，可以創建動畫，動態模擬成圈三角及針舌的運動和紗線變形，從而模擬基本組織的編織過程[8]。

3DS MAX的建模過程相對簡單，但不能很好地實現人機交互控制。該軟件有自己的語言，與很多通用的有限元分析軟件不兼容。若要使已有的模型導入有限元分析軟件就必須將三維模型的代碼轉換成VC++代碼，再導入其他軟件，這樣工作量就增大了。

2.2.3OpenGL三維圖形系統

在VC++開發環境下，通過不同的建模方法建立模型，用OpenGL圖形技術實現對織物結構的三維模擬,特點如下：

(1)B樣條插值曲線設計(建模方法)：疊代法近似計算插值B樣條的控制定點；反算法計算控制定點；這些方法計算量大，而且參數不好控制。通過研究幾何關系，建立多項式模型的方法，雖然計算量也不小，但優點是可以通過改變結構參數來控制改變屈曲交織形態[9]。

(2)通過改變法線向量的求法改變光照效果，從而建立光照模型。

(3)模擬圖能夠任意改變大小方向，在不同角度的光線下觀察織物組織結構。

(4)可以任意選擇紗線或者隱去紗線、改變紗線的根數、截面積和顏色。為了研究織物的組織結構可以只顯示單根紗線。

(5)通過多項式數學模型進行的三維建模，得到的紗線并非完全直線狀，模擬度高，符合織物中紗線的實際交織情況[10]。

(6)在針織方面，NURBS曲線進行的線圈模擬，加入光照、材質因素和紋理、明顯體現線圈之間的嵌套關系，真實感強烈[11]。

OpenGL建模計算復雜，但是織物外觀模擬效果好。而且基于VC++開發環境，代碼通用性好。生成模型文件后，通過更改文件類型就能將模型導入通用的有限元分析軟件。

2.2.4在網絡環境下的織物三維模擬

基于VRML虛擬現實建模語言建立織物空間幾何模型，經過節點的劃分、組織循環的命名和調用，實現網絡傳輸并且能遠程操作觀察三維仿真效果。在這個基礎上利用Java語言實現織物外觀紗線色彩和光照效果在網絡環境中的動態輸入和實時修改，但是容易忽略了經緯紗線在織物中移位的不均勻性問題[12～13]。

2.2.5織物模擬CAD系統改進成三維模擬

基于HSL/RGB顏色空間轉換進行光照效果處理的表面光照模型和快速表里分層的組織結構分析算法，主要從織物紗線的結構出發，構造在視覺上有3D效果的紗線模型[14]。研究人員也逐漸關注對CAD系統的二維模擬進行改善，使其具有三維效果。

Pro/E、AutoCAD、SolidWorks、UG這些傳統的三維模型軟件，在織物模型上尚未普遍應用。例如：基于DirectX 3D技術的三維模擬仿真，主要模擬織物的飄擺效果，使織物看起來不只是一個平面圖，具有凹凸屈曲的視覺效果[15]?；赨G的三維正交機織物模型構建，主要是整體正交組織的建模，再用巨元體法建立紗線截面尺寸的計算方法等[16]。這些軟件對于導入有限元分析軟件有很大的優勢，所以將這些軟件應用于織物三維模擬也是有研究意義的。

3　結論

現有的各種模擬軟件的特點總的來說就是先通過對一根具有結構相的紗線建模，然后讓這些紗線通過織物組織結構相交形成織物單元，最后通過復制粘貼構成整個織物模型。當不考慮屈曲狀態和結構組織時，模擬出來就是二維模型。而考慮上屈曲、交織狀態和陰影光照時就能模擬出逼真的三維模型。在織物模擬上，隨著類似于Texgen等的專業織物模擬軟件的出現，模擬的程度逐漸完善。今后的織物軟件開發方向將是模擬和分析相結合，因此能夠形象地模擬紗線及其織物三維幾何結構，并且能直接進行性能分析及其產品設計的織物建模軟件必將得到研究者及其他使用者的青睞。

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Characteristics and Application of Fabric Modeling Software

Zuo Qi，Li Xiaohuan，Zhao Lihuan

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The modeling methods and software features of the two-dimensional and three-dimensional fabric at home and abroad were summarized and analyzed. At present, it was considered that the flexibility and applicability of the two-dimensional fabric modeling software and its model were limited. Three-dimensional fabric modeling software was widely used. The paper put forward that the three-dimensional fabric software combining fabric modeling with fabric’s performance analysis would be the development direction of the future fabric modeling software.

fabric simulation;two-dimensional modeling;three-dimensional modeling;characteristics

2015-09-18

左祺(1995—)，女，湖南湘潭人，學士。

TP391.41

B

1009-3028(2015)06-0038-04