基于互聯網的經編針織物CAD系統開發與實現

湯夢婷， 蔣高明， 王 薇， 高梓越

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

經編作為我國針織行業的一個分支，近年來規模不斷擴大，是我國紡織工業中發展最快的產業之一。現代經編技術以其生產高效性、產品花式多樣性以及其織物結構靈活性等特點得到迅速發展[1]。計算機輔助設計(CAD)技術即利用計算機的計算與判斷功能進行各種工程或產品的設計、制造。在現代科技飛速發展的今天，計算機及CAD技術已經成為生產、生活中不可分割的一部分[2]。經編CAD技術也隨著行業的需求不斷的完善成熟，目前，比較成功的經編CAD軟件都來自于國外的紡織企業或國內的一些紡織高校，例如德國EAT電氣公司和ALC計算機公司聯合開發的PROCAD系統，該系統設計合理功能強大，能實現多種類型織物的設計，織物仿真效果逼真，并能與機器之間進行數據轉移。國內在全球范圍內使用最多的是江南大學研發的經編CAD軟件(WKCAD)系統，該系統也具有強大的花型設計和織物仿真等功能[3]。然而單機版CAD軟件存在較大局限性，軟件的安裝、版本升級、局域網限制等阻礙了CAD軟件的發展。

本文在單機版CAD軟件的基礎上引入互聯網技術，構建了交互設計模型，打破了局域網限制。不僅將單機版CAD軟件的功能應用到互聯網版CAD系統上，還借助云計算技術和大數據相關技術實現了快速仿真、虛擬展示及送經量預測等。隨著互聯網+時代的到來，為提升紡織行業在國際市場的競爭力，將針織技術與互聯網技術相融合已是必然趨勢，基于互聯網的CAD系統開發充分利用了互聯網技術的強大優勢，拓寬了系統使用范圍，為經編CAD系統的研發提供了新的思路與平臺。

1 系統構架及關鍵技術

1.1 系統構架

利用互聯網技術的瀏覽器和服務器架構模式(B/S)結構[4]實現客戶端與服務器端的交互設計，將系統功能核心數據保存在服務器端，簡化了系統的開發、維護和使用；用戶可以在任何地方進行操作，客戶端零安裝、零維護；利用互聯網的云存儲技術，實現對針織產品數據信息的存儲、圖片上傳、文件遠程傳輸等功能；應用大數據相關技術對所有存儲信息進行科學分析，從而實現針織產品送經量的估算等功能；利用互聯網的云計算技術實現大數據計算處理，加快系統響應速度，實現快速仿真。互聯網經編CAD系統的基本模塊如圖1所示。

圖1 系統模塊圖Fig.1 System modules diagram

系統采用了客戶端與服務器端進行數據交互的結構，如圖2所示。客戶端是用戶界面，可以進行花型和工藝設計等操作，服務器端提供云存儲功能，客戶端可以將產品數據存儲到服務器端，服務器端可以對數據進行處理分析，實現快速仿真，圖片處理，并將處理后的信息返回到客戶端，客戶端對返回信息加以解析處理，顯示在用戶界面。

圖2 系統結構簡圖Fig.2 System structure diagram

1．2 關鍵技術

基于互聯網的經編CAD系統最關鍵的技術就是實時交互，包括客戶端交互設計、服務器端與遠程數據庫之間的數據交互及與文件上傳導出等。客戶端主要采用超文本標記語言編程語言[5](html5) 進行網頁的設計，利用html5自帶的CSS層疊樣式表(cascading style sheets)美化網頁，利用html5的畫布(canvas)元素構建設計界面，借助canvas強大的繪圖功能和鼠標事件實現織物墊紗圖的設計繪制及實物圖、仿真圖等圖片的顯示。

服務器端主要采用ASP.NET技術[5]進行后臺程序編寫，利用ASP.NET的ADO.NET技術實現與遠程服務器端數據SQL Server數據庫(Microsoft 公司推出的關系型數據庫管理系統)的連接和調用，并實現對產品數據庫的操作等功能；利用ASP.NET的圖形設備接口GDI (graphics device interface)繪圖技術實現墊紗圖的繪制；利用ASP.NET的文件傳輸功能實現對BMP位圖的處理和導入，并實現上機文件的導出。

客戶端與服務器端數據的交互依靠客戶端的腳本語言(javascript語言)實現，javascript語言可完成客戶端程序的編寫，可輔助html5實現各種功能，與服務器端進行數據傳遞[6]，從服務器端獲取的數據用Session(“會話控制”，存儲特定用戶會話所需的屬性及配置信息)對象保存再借助javascript語言進行客戶端與服務器端的傳遞和解析處理。

2 織物設計實現

基于互聯網的織物設計借助于html5的canvas元素構架設計視圖，canvas元素具有強大的可操作性，支持鼠標事件[7]，利用javascript語言完成客戶端程序的編寫，基于互聯網的經編織物設計界面如圖3所示。

要實現織物墊紗圖的繪制和設計就需要建立數學模型，將每種線圈類型用數值代替，再與數組建立聯系，轉換成計算機語言。

圖3 經編織物設計界面Fig.3 Warp knitting fabric design interface

2．1 建立墊紗數碼數學模型

要繪制墊紗圖首先要判斷是開口線圈還是閉口線圈，線圈的類型以及上下延展線的走向，幾種基本的線圈類型以及代號如表1所示。

表1 線圈類型代號Tab.1 Loop type code

首先將每把梳的墊紗數碼分解成1個三維矩陣L：

式中：h表示橫列數；I表示梳櫛總數；Li,j,0表示第i把梳櫛在第j橫列第1個位置上的數碼；Li,j,1表示第i把梳櫛在第j橫列第2個位置上的數碼，例如墊紗數碼GB1∶1-0/1-2//，分解后L1,1,0=1，L1,1,1=0；L1,2,0=1，L1,2,1=2。

根據墊紗數碼判斷線圈的開閉口情況，對于經編組織，每個橫列上如果針前橫移方向與針背橫移方向相反則為閉口線圈，相同則為開口線圈，墊紗數碼由短橫線連接的2個數字代表針前橫移針數，故針前橫移為L1,1,0-L1,1,1=1(第1橫列第1個數字減去第2個數字，正數表示向右橫移)，由“/”連接的2個數字代表針背橫移，故針背橫移為L1,1,1-L1,2,0=-1(第1橫列的第2個數字減去第2橫列的第1個數字，負數表示向左橫移)，二者相乘為負數時，則為閉口線圈即橫移方向相反，反之為開口線圈，故此例中第1橫列為閉口線圈，又因其從針前橫移向右，故為右閉口線圈，同理第2橫列為左閉口線圈。

判斷線圈類型，根據針前墊紗判斷是成圈、襯緯還是重經組織，針前橫移1針即L1,1,0-L1,1,1=1為普通成圈組織，針前不橫移即L1,1,0-L1,1,1=0為襯緯組織，橫移2針即L1,1,0-L1,1,1=2為重經組織。

對于墊紗數碼GB1∶1-0/1-2//，其分解處理后每個橫列參照表1得到對應的線圈類型代號為第1橫列線圈代號為1，第2橫列線圈代號為2。

這樣就將一個墊紗數碼轉換成了數字信息，再存儲到一個二維矩陣中，根據對應的數字代號進行繪制。

2．2 建立穿經數學模型

繪制墊紗效應圖除需要墊紗組織信息外還需要穿經信息，即每把梳的穿紗規律，組織結合穿紗才能產生方格、網眼等各種花型效果。這里用一個二維矩陣T來表示穿經矩陣。

式中：w表示花寬即穿紗范圍；I表示梳櫛總數；t11表示第1把梳櫛在第1個穿紗位置上的穿紗情況；ti,k表示第i把梳櫛在第k個位置上的穿紗情況；穿紗用數值1表示，空穿用數值0表示。圖4示出穿紗情況與對應矩陣圖。

圖4 穿紗圖的數學表示Fig.4 Mathematical representation of threading. (a) Threading diagram;(b) Correspondent matrix

圖4(a)中黑色圓點表示織針，黑色豎線表示穿經對應圖4(b)中的數字1，沒有豎線的地方表示空穿，對應圖4(b)中的數字0。故圖4(a)中的穿經為第1排一穿一空，第2排滿穿。

2．3 在線交互設計

基于互聯網的在線交互設計，最大的優點是可實時傳輸數據，設計過程中數據實時傳輸到服務器端，服務器端立刻做出響應，大大提高了使用者的設計效率，同時數據實時保存到遠程數據庫，可隨時調用、查看及修改，有效縮短了設計流程。

客戶端的交互設計，利用canvas輔助javascript語言完成各種交互設計[8]，canvas元素自帶的鼠標事件，可監測到鼠標和鍵盤的各種操作指令，完成點擊、移動、拖拽、選擇及滾輪放大縮小等各種動作，人機操作界面良好。

設計過程中依靠javascript語言完成數據從客戶端到服務器端的傳輸，服務器端使用C#語言進行程序編寫，C#語言是一種后端代碼，故重要數據的處理分析得以保密。這種前端設計、后端處理的交互機制不僅可提高設計速度，還確保了數據的穩定傳輸及數據安全，可以說是常規設計模式的一種優化與提高。

3 織物仿真及虛擬展示

3．1 織物仿真及圖片處理

系統可以實現織物的在線仿真和圖形處理，為節省函數的重復編寫，將織物仿真做成了Web服務，即一個單獨的仿真服務，可以在各個頁面隨時調用，調用時只需提供機號、織物密度、原料粗細和張力等與仿真有關的參數，即可進行在線仿真，得到各種類型花紋的二維仿真圖。在進行大圖形仿真時，采用互聯網的云計算技術，調用多臺主機分布式進行計算處理，提高大圖形仿真效率。

利用計算機圖形學，可實現對圖片花型的快速提取及循環處理。仿真圖存儲在服務器端文件夾，可在多個頁面隨時調取，對圖片進行處理，處理時利用ASP.NET的GDI(Graphics pevice Interface)圖形技術[9]，在服務器端快速進行解析處理，對圖片進行循環、高質量的壓縮、等比放大和縮小，再返回到客戶端顯示，結果如圖5所示。

圖5 織物仿真Fig.5 Fabric simulation. (a) Original simulation;(b) Trimming and recycling

3．2 虛擬展示

得到二維的仿真圖后，系統還可進行三維虛擬展示，如圖6所示。三維虛擬展示利用WebGL技術，實現對人體和衣片的在線建模，場景渲染，光照和材質的設置，達到陰影的效果，增加真實感，同時還可監測到鼠標的控制，對人體模型進行放大縮小移動的控制，方便查看細節。虛擬展示可模擬織物穿著在人身上的效果，人體模型也可根據客戶的體型參數在線建模，衣片模型也是多樣的，為個性化定制提供了技術支持。

圖6 虛擬展示Fig.6 Virtual display. (a) Front; (b) Side; (c) Back

4 工藝計算實現

工藝計算包括自動計算產品面密度、產量、機上橫密和送經量[10]。系統根據產品的墊紗組織、原料、密度和穿紗等按照理論計算公式自動計算出上述參數，節省了工藝員的工作量，降低了計算錯誤。

除可以按照理論公式進行自動計算外，系統還可以進行送經量的估算，送經量的估算建立在大數據的環境下，在大量數據中快速篩選出符合條件的產品，對其送經量進行數據處理得出估算值。

在進行送經量的估算時，要對每把梳分別進行估算，因數據庫中墊紗數碼、穿紗和原料是多把梳櫛合在一起的字段，首先對墊紗數碼、穿紗和原料進行分解，得到大小為梳櫛數I的墊紗數碼矩陣D、穿紗矩陣C和原料矩陣Y。

D=[d1…di…dI]

C=[c1…ci…cI]

Y=[y1…yi…yI]

式中：i取值為1～I；di表示第i把梳櫛的墊紗數碼；ci表示第i把梳櫛的穿紗情況；yi表示第i把梳櫛的原料。以機型、機號、花高、該把梳櫛的墊紗數碼、穿紗情況和該把梳所用到的原料為查詢條件，對數據庫進行檢索，檢索出n條數據，逐條進行判斷，篩選出機型、機號、花高完全吻合，墊紗數碼、穿紗和原料字段中包含該把梳櫛信息的數據，對數據進行分解，當機型、機號和花高相等時，找出墊紗數碼中數碼相等的梳櫛，得到其梳櫛編號z，再對該梳櫛的穿紗和所用原料進行判斷，相等則留下，對送紗量進行破解，得到符合條件的目標梳櫛的送經量，不相等則舍棄該條數據，繼續查找判斷，得到一個全部符合條件送經量的矩陣S。

對矩陣S用拉依達法則進行數據處理，剔除誤差數據，得到最終的估算值，其算法流程圖如圖7所示。當數據量越來越大時，估算值會更加準確，符合實際生產。

圖7 送經量估算算法流程Fig.7 Let-off amount estimate algorithm flow

5 經編方格織物設計示例

以花高為16、花寬為14的經編方格工藝進行設計為例，其工藝參數見表2，該工藝使用了2種原料，原料A為16 tex/48 f滌綸變形絲，原料B為9 tex/16f有光滌綸長絲。

表2 工藝參數Tab.2 Process parameters

注：A代表第1種原料；B表示第2種原料；*號表示空穿。

首先進入系統，新建，輸入花寬花高等基本參數后點擊確定進入設計界面(見圖3)。根據實際需要進行花型設計，包括組織設計和穿紗方式設計，這些功能可以直接在設計界面進行操作，選中某把特定梳櫛，利用左邊的按鈕進行線圈類型轉換，還可以進行穿紗方式設計，在穿紗區域雙擊一下豎線即可使豎線消失變成空穿，再次雙擊豎線出現變成穿紗，完成所有設計后轉到工藝設計界面即可查看并檢查所有參數是否正確并進行工藝計算。

原料編輯操作，根據原料信息進入原料編輯界面進行信息輸入，錄入完后點擊確定即可。原料編輯完成后即可查看并打印工藝單，參數確認無誤后即可導入數據庫在數據庫中查看到該條記錄，完成了1個經編工藝。導入數據庫后，如需查看或修改工藝可在系統的產品查詢界面下輸入查詢條件找到該條記錄，選擇后進入設計界面進行修改。

最后系統可導出花型文件和上機文件，利用互聯網的云存儲技術，可將上機文件存在云端，輸入機器編號，直接發送到指定機臺。方格織物最終墊紗效應圖如圖8所示。

圖8 墊紗效應圖Fig.8 Lapping effect diagram

6 結 論

本文將互聯網技術與CAD技術相結合，利用互聯網優勢，開辟了一個新的經編CAD設計模式，在研究經編組織墊紗數碼規律的基礎上，建立了織物的設計模型；結合互聯網技術和大數據環境實現了快速仿真、虛擬展示、送經量估算及文件上傳與下發等功能，最后以實際工藝舉例，驗證了系統的可行性，為經編CAD軟件的設計與開發提供了新的思路與參考價值。對比以往單機版CAD，基于互聯網的經編CAD系統的主要優勢如下。

1)利用canvas元素結合javascript語言實現客戶端設計，數據分析處理在服務器端進行，大大提高了客戶端的設計速度與用戶體驗，同時數據的實時交互也確保了數據的安全，不易丟失。

2)遠程服務的使用使得程序的編寫變得簡單，只需調用遠程服務即可實現花型的在線仿真，同時互聯網云計算技術的引入也大大提高了大花型的仿真速度。

3)大數據的環境使得工藝計算變得更貼近實際生產，更具有參考價值。