基于Web的少梳經編色織物仿真與虛擬展示

劉海桑， 蔣高明， 董智佳

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

隨著互聯網技術的不斷發展與創新，以網絡技術和信息資源為基礎的異地協同設計模型迅速發展，實現了資源的最優配置[1]?；赪eb的圖形技術在工作站、PC端與移動端日趨成熟[2]，推動了網絡可視化設計與實現的進程。

少梳經編色織面料是目前較為流行的經編面料，因其工藝簡單，生產效率高，抗褶皺性優良，在服裝產業尤其是經編襯衫中應用十分廣泛。目前國內外開發了較多成熟的經編針織物設計CAD軟件[3]，但功能大都集中于經編針織物的設計開發，而弱化了經編針織物的可視化效果。且大多數應用軟件均為線下程序，受到設備限制，不利于數據傳輸與資源共享。為滿足針織企業對經編產品的快速高效開發需求，具有動態建模、協作共享功能的互聯網經編計算機輔助設計軟件的開發十分重要。

經編線圈幾何形狀和經編針織物結構的研究是實現織物仿真的重點。國外最先對經編線圈幾何形狀進行研究，依次提出了簡化模型、第一模型和第二模型[4-6]。在前人研究的基礎上[7]，國內研究人員對線圈尺寸進行了研究[8-9]。此外，少梳經編針織物的工藝結構和空間位置[10-12]也是仿真重點研究方向之一，但很少有研究分析梳櫛之間線圈的層次結構。

國內外不斷有學者對服裝的虛擬展示進行研究，通過建立二維服裝版片與三維服裝模型之間的網格坐標對應關系[13-15]來實現二維織物到三維服裝的映射，但是目前的服裝虛擬展示方法大都采用現有的織物圖片進行紋理映射，獨立于織物的設計系統。

本文在分析少梳經編色織物編織與結構特點的基礎上，提出基于Web的少梳經編色織物的仿真方法，分別建立線圈主干和延展線的幾何模型和坐標平移模型，通過矩陣實現坐標的快速計算。利用canvas軟件對繪制的線圈-延展線圖層進行存儲與繪制，最終利用紋理貼圖實現織物的虛擬展示。

1 少梳經編色織物的結構特點

少梳經編色織物是在高速特里科經編機上生產的，一般由2～5把梳櫛編織而成。每把梳櫛從機前到機后依次排列。少梳經編色織物的基本組織類型主要有成圈組織、襯緯組織和缺墊組織。根據不同的花型效應需求選擇相應的墊紗數碼進行組合編織。為形成織物的橫條花型，可以使用成圈-襯緯組織，成圈-缺墊組織或者成圈-襯緯-缺墊組織的組合?？椢镌诔扇M織或襯緯組織密集的橫列形成明顯的橫條，在缺墊組織橫列則表現為色彩效應不明顯的花型；與形成橫條效應有所不同，為形成經編織物的縱條花紋，除要考慮不同組織的相互搭配，還要分析每把梳櫛的穿紗情況；空穿的設計或者不同原料紗線的穿紗排列均可以形成效果不同的縱條效應，如圖1所示。

圖1 少梳經編色織物花型效應Fig.1 Pattern effect of few-guide bar yarn dyed fabric. (a)Cross stripe; (b)Vertical stripe

根據經編織物的編織特點，一般來說線圈主干在織物的工藝正面，而延展線在織物的工藝反面，如圖2所示。后梳的線圈和延展線位于織物里側，前梳的線圈和延展線由內往外依次在工藝正面和工藝反面排列。因此，可以將少數經編色織物視作由多個墊紗層次構成的組合。

圖2 少梳經編色織物結構示意圖Fig.2 Structure of few-guide bar yarn dyed fabric. (a)Technical face; (b)Technical back; (c)Technical side

2 少梳經編色織物模型的建立

2.1 線圈的幾何模型建立

經編針織物的線圈單元由線圈主干(針編弧和圈柱)與延展線組成。在實際編織過程中，由于紗線受到彎曲、拉伸等力，紗線的直徑并不是均勻的。為了實現少梳經編色織物的分層繪制并減少計算量，本文分別構建了線圈與延展線的二維平面模型，并將線圈視為由無捻度、直徑一致的理想化紗線彎曲而成。

2.1.1 線圈主干幾何模型

本文對少梳經編產品線圈主要部位的尺寸進行測量，并計算其尺寸比例。根據線圈幾何模型中的尺寸比例計算得到線圈坐標點。線圈測量部位如圖3所示。主要包括線圈垂直高度h，線圈寬度w，圈柱高度b1和線圈高度h1。

圖3 線圈尺寸測量圖Fig.3 Size measurement of single loop

為確定線圈結構的控制點，選取3組不同組織的樣布各40塊，所有樣布均由HKS4(E28)高速特里科經編機編織。6組織物均采用少梳經編色織物常用組織，橫密為13縱行/cm，縱密為 20橫列/cm。3組樣布的組織分別為編鏈和經平組織、編鏈和經絨組織以及經平絨組織。每組中20塊采用A紗為118 dtex棉紗，B紗為55.5 dtex(24 f) 滌綸編織，另外20塊采用A紗為98.4 dtex棉紗，B紗為44.4 dtex(24 f)滌綸編織。利用VHX-5000型超景深顯微鏡分別對前梳線圈進行測量，圖3示出經編織物線圈測量部位圖。測量結果取平均值，h0=829.5 μm，w=493.8 μm，b1=552.25 μm，h1=835.25 μm。由此可計算得到各部位尺寸比值，h0/h1=0.99，w/h1=0.59，b1/h1=0.66。線圈的垂直高度(h0)和線圈高度(h1)幾乎相同，且建模只考慮理論的直立線圈，因此，由于線圈之間的內作用力造成的線圈傾斜可以忽略不計。

本文以Grosberg提出的線圈模型[3-4]為理論參考，結合線圈尺寸實際測量值建立如圖4所示的線圈6點模型。以O為原點建立直角坐標系，∠α=30°。P1和P6在x軸上，P1～P6離y軸的橫向距離分別為w1(d)，w2(0.3h1)，w3(0.15h1)， -w3(-0.15h1)， -w2(0.3h1)，-w1(d)；離x軸的縱向距離分別為0，b1(0.66h1)，b1+b2(0.92h1)，b1+b2(0.92h1)，b1(0.66h1)，0。其中d為紗線直徑。

圖4 線圈6點模型Fig.4 Six-point loop model

2.1.2 延展線幾何模型

經編組織中延展線由當前橫列線圈的終點和下一橫列線圈的起點決定，用來連接當前橫列和下一個橫列的線圈。以圖5線圈模型為例，點A是當前線圈模型的終點，B為下一線圈的起點。線段AB是連接2個線圈的延展線，wz為線圈縱行之間的橫向距離，n為延展線跨過的針數，則n×wz則為延展線的橫移距離。

圖5 經編延展線模型Fig.5 Underlap model

2.1.3 缺墊組織模型

對于一些特殊組織如缺墊組織，在編織時有1把或多把梳櫛在一些橫列不參加編織，梳櫛只在針間擺動，而其他梳櫛在相應橫列仍進行成圈運動。圖6示出缺墊組織幾何模型。其中圖6(a)中的前梳墊紗數碼為1-0/1-1/1-1/1-2//，對應的線圈結構模型如圖6(b)所示。第1橫列和第4橫列為線圈，延展線分別對應線段a1和a3，第2橫列和第3橫列對應的線段a2為缺墊組織。線段a1a2a3共同構成了延展線。

圖6 缺墊組織幾何模型Fig.6 Models for mislaping.(a)Lay-in thread movement; (b)Geometrical model

2.2 織物坐標平移模型建立

少梳經編色織物在編織時，每把梳櫛上的紗線進行相同的墊紗運動，即每根紗線的相同橫列具有相同的線圈類型。為減少不必要的重復循環計算，確定每把梳櫛第1根紗線的線圈坐標后，根據織物工藝參數對每根紗線的線圈進行平移。在幾何建模中缺墊組織的紗線由上一個線圈類型為成圈與下一個線圈類型為成圈的橫列直接相連，未賦予控制點，因此不建立缺墊組織的控制點矩陣。為便于矩陣運算，在各線圈的控制點矩陣Lj中引入了齊次坐標。

式中：j表示該根紗線第j個橫列的線圈；第1，2，3列分別表示每個坐標點的x，y，z值。

為減少計算量，線圈結構定義為平面結構，因此每個控制點的z坐標均為0。將每個橫列的線圈進行組合，則每把梳櫛在零針位所穿紗線線圈坐標的集合可表示為Y1。

式中：Lj為第j個橫列線圈的齊次坐標；c為該把梳櫛1個花高循環的墊紗數碼中非缺墊線圈的個數，c∈[1,H]，H為每根紗線的墊紗高度。

以圖7示出的紗線坐標整體平移示意圖中某根紗線的線圈為例，在花寬為3的經平組織中，線圈縱行之間的橫向距離為wz。經編織物從右至左進行穿紗，因此第2根紗線與第3根紗線分別以第1根紗線為基礎位置向左平移1×wz和2×wz。以此類推，第k根紗線以第1根紗線為基礎向左平移(k-1)×wz。每把梳櫛第k根紗線的平移矩陣Tk如下：

式中：wz為線圈縱行之間的橫向距離；k為每把梳櫛第k根紗線；Tk為第k根紗線平移矩陣。

圖7 紗線坐標整體平移示意圖Fig.7 Coordinate translation of original yarn

最終獲得該根紗線線圈的坐標為Yk。

Yk=Y1×Tk

式中，Yk為第k根紗線上的線圈坐標。

3 仿真實現與虛擬展示

3.1 少梳經編色織物仿真實現

在構建經編線圈結構6點模型的基礎上，本文利用GDI+(Graphics Device Interface plus)技術繪制織物。圖8示出3×3織物線圈組合示意圖。矩形的寬和高與實際織物的成品橫密與成品縱密相關，決定二維仿真圖像的縱行與橫列的間距，使仿真圖達到與真實面料尺寸1∶1比例，花型效應更加逼真。矩形尺寸比例計算如下式：

式中：wz為線圈縱行之間的距離(即矩形的寬度)，cm；b1為圈柱高度(即矩形的高度)，cm；Dc為縱密，橫列/cm；Dw為橫密，縱行/cm。

圖8 3×3線圈組合示意圖Fig.8 Stitch combination in 3 courses and 3 wales

少梳經編色織物由于其梳櫛排列方式與編織工藝的特點，每把梳櫛的線圈和延展線并非處于同一空間層面，而是分別排列在織物的兩側。圖9示出兩梳經編織物分層分區示意圖。由圖可知，以雙梳經平織物為例，每把梳櫛的線圈層和延展線層分別繪制在多張canvas畫布上，利用雙緩存技術將畫布內容暫存在內存中。根據前梳的紗線包覆后梳紗線的編織規律，將緩存的畫布按順序疊加排列。圖中從左至右第1層和第4層分別為GB1的線圈和延展線，第2層和第3層為GB2的線圈和延展線。若從工藝正面看，最先繪制GB1延展線；反之，則最先繪制GB1線圈。各畫布按順序疊加完成后獲得最終二維效果圖。

圖9 兩梳經編織物分層分區示意圖Fig.9 Layered diagram for double-bar warp knitted fabric

3.2 織物虛擬展示

少梳經編色織物因其色彩豐富、線圈的穩定性佳、防脫散性良好、挺括性好、質輕等優勢受到了消費者的青睞。依托于紋理映射技術，本文將仿真圖像以一定循環映射于服裝模型表面，使傳統的織物設計與實際應用相結合，突破了可視化設計的局限性。

利用THREE.OBJLoader()函數加載外部創建的obj三維服裝模型，獲取映射所需的模型頂點坐標、面向量、尺寸等信息。利用THREE.Texture()函數創建織物紋理，并賦予紋理平鋪重復屬性(THREE.RepeatWrapping)，從而確定紋理單元在服裝模型上的平鋪映射數量，獲得不同花型大小的視覺效果。在獲取紋理單元時，經編花型的循環繪制與截取是獲得完整花型的關鍵。經編織物的紗線是橫向進行墊紗的，邊緣紗線部分橫列線圈位置不受線圈縱行數量的限制。圖10(a)示出花寬為6、花高為4的經平組織最小循環墊紗運動圖。若以6×4單位網格面積進行紋理單元截取，組織的邊緣紗線會出現“漏針”現象(見圖10(b))。圖中第6根紗線的偶數橫列在第7個縱行上進行墊紗，而奇數橫列沒有繪制下一個穿紗循環的線圈。同理，該循環的第1個縱行的偶數橫列沒有繪制上一個穿紗循環的線圈。在橫列方向上，紋理單元則因下一個縱向循環線圈缺失而無法獲得頂部橫列的完整線圈。因此，在截取紋理單元時需要繪制至少3×3個循環花型，如圖11(a)所示。根據花寬與花高參數，截取中間部分的花型，最終獲得完整花型紋理(見圖11(b))。以圖片左上角為原點，單位花型的截取坐標為A(wp，hp)，B(2wp，hp)，C(wp，2hp)，D(2wp，2hp)。其中，wp=N×wz,表示N個線圈縱行的寬度；hp=M×b1，表示M個線圈橫列的高度。

圖10 最小循環花型紋理單元Fig.10 Minimum unit of pattern texture. (a) Simulation of single threading-cycle; (b) Screenshot in a single pattern cycle

圖11 完整花型紋理單元Fig.11 Integrated unit of pattern texture. (a) Pattern in 3×3 pattern cycles; (b) Screenshot in a complete single cycle

4 仿真結果與討論

通過對少梳經編色織物的工藝、形態以及仿真技術的研究與分析，采用C#與JavaScript程序語言在VisualStudio2015平臺上實現了計算機輔助程序的設計與織物的仿真與展示。

圖12(a)與(b)為缺墊織物仿真結果與實際織物對比圖。上文中工藝參數的分析考慮了橫縱密對織物尺寸的影響，因此能夠實現色織物的實際比例仿真。對織物表面不同位置的方格邊長進行測量，并取其中20組結果的平均值作為最終結果。表1示出實際織物與仿真織物尺寸比較，可知，真實織物與仿真織物尺寸差值1%之內。

圖12 仿真結果Fig.12 Simulation results. (a) Real fabric; (b) Simulation effect; (c) Color matching Ⅰ; (d)Color matching Ⅱ

表1 實際織物與仿真織物尺寸比較Tab.1 Size comparison of simulated and real fabric

少梳經編色織物的色彩搭配是影響花型效果的重要因素。根據開發需求可改變原料顏色，重新繪制得到配色不同的仿真，在無實物情況下獲得多種色彩搭配的效果圖。圖12(b)根據實物圖設置色紗RGB為107-133-230；圖12 (c)和(d)的RGB分別是254-110-0和168-45-251。除了對紗線配色進行改變，在墊紗數碼不變的情況下還可以改變穿紗、密度等參數達到不同的仿真效果。圖13示出不同穿紗規律仿真效果。以穿紗為例，白色紗線均為滿穿，圖13(a)中色紗以4穿4空的規律均勻穿紗；圖13(b) 中色紗保持4穿不變，空穿數則以10-8-6-4-2-2-4-6-8-10的規律漸變穿紗。對新工藝進行仿真獲得不同的視覺效果，表明該仿真方法能夠反向輔助設計者進行工藝與原料的修改，實現少梳經編色織物可視化設計。

圖13 不同穿紗規律仿真效果Fig.13 Simulation results with different threading regular. (a) Uniform threading; (b)Gradual threading

經編少梳色織物結合了經編線圈不易脫散、挺括性較好、不易褶皺，及色織物顏色多樣、花型豐富的特點，目前在服裝領域尤其是襯衫面料的開發中應用較多。圖14示出2種不同紋理尺寸的襯衫模擬展示圖。最小花型紋理單元通過紋理映射附著于襯衫的每個衣片，右圖襯衫每個版片的橫縱向最小花型數量均為左圖橫縱向數量的4倍。根據循環數量的不同可控制紋理圖案的大小，直觀地展示相同的紋理在不同尺寸情況下的虛擬效果。設計、仿真、展示的一體化流程，方便了設計人員根據模擬效果進行工藝的修改與設計，免去了重復打樣過程，縮短了開發時間，節約生產成本。

圖14 襯衫虛擬展示Fig.14 Virtual display of shirts

5 結 論

結合少梳經編色織物的編織原理和結構特點，建立了線圈幾何模型和數學工藝模型?；赪eb技術分別繪制延展線和線圈并利用雙緩存技術儲存，根據前梳包覆后梳的編織規律按一定順序進行疊加，獲得最終仿真圖形。最后利用紋理映射完成面料在服裝上的虛擬展示。本文所提出的方法能夠實現少梳經編色織物從設計到仿真，從平面織物到三維服裝的虛擬展示?？椢锏幕ㄐ托ЧS工藝參數改變實時發生變化。墊紗數碼的改變可改變織物的基本組織；不同的顏色搭配能夠展示同一組織不同顏色效果；穿紗的變化形成多樣的花型。而服裝的虛擬展示則根據花型單元的循環數量展現不同的效果，在面料織造與服裝制作前即能看到設計效果并進行適當修改，減少打樣時間與成本，為實現少梳經編色織物的可視化仿真和短流程生產提供了有效途徑。