緯編針織物三維仿真技術研究進展

任怡蕓　宋曉霞

摘 要：隨著計算機技術的快速發展，基于三維仿真技術的緯編針織物的仿真結果相比二維仿真更加接近實際織物，但是由于織物組織的多樣性和處理數據的龐大，仿真的效果不夠理想，復雜織物的仿真速度與真實度模擬有待加強。在分析國內外學者對仿真技術的研究中，從紗線和線圈結構兩個方面闡述了緯編針織物的三維仿真歷程，分析了三維仿真技術存在的主要問題和發展趨勢。 認為該仿真技術會朝著織物材料與組織多元化、適應織物品種多元化、仿真技術多元化和應用范圍多元化等4個方向發展。

關鍵詞：三維仿真；緯編針織物；線圈模型

中圖分類號：TS186.1? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-2346（2023）03-0050-06

Research Progress of 3D Simulation Technology for Weft Knitted Fabrics

REN Yiyun? ? SONG Xiaoxia

（School of Textile and Fashion， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620，China）

Abstract： With the rapid development of computer technology，the simulation results of weft knitted fabrics based on 3D simulation technology are closer to the actual fabrics than 2D simulation.However，due to the diversity of fabric organization and the huge processing data，the simulation effect is not ideal，and the simulation speed and reality of complex fabrics need to be strengthened.Based on the analysis of the research of simulation technology by domestic and foreign scholars，this paper expounds the 3D simulation process of weft knitted fabrics from two aspects of yarn and coil structure，and analyzes the main problems and development trend of 3D simulation technology.It is believed that the simulation technology will develop in four directions，which are the diversification of fabric materials and organization，the diversification of fabric varieties，the diversification of simulation technology and the diversification of application range.

Key words： three-dimensional simulation;weft knitted fabric;coil model

三維仿真技術是利用編程語言和虛擬顯示技術對紗線、線圈結構和織物花型等進行模擬。隨著計算機虛擬技術的逐漸發展，三維仿真技術獲得越來越多學者的關注。但是針織物組織繁多、線圈結構復雜，在真實度模擬以及仿真速度方面還有很大的發展空間。基于紗線以及線圈結構的仿真分析，在未來的三維仿真研究中，應該更加注重針織物的仿真方法以及仿真效果的呈現。通過緯編針織物的計算機虛擬仿真，可以高效呈現紗線、線圈的花型模擬以及針織服裝虛擬穿著效果，縮短實驗流程，降低企業生產成本。

1? ? 緯編針織物紗線仿真現狀

在緯編針織物三維仿真研究中，紗線的三維仿真效果直接影響織物外觀呈現，紗線三維仿真方法研究經歷了3個階段，分為幾何形狀填充法、掃描處理法和計算機三維模擬法。采取幾何形狀填充法建立仿真模型，但是模擬出來的紗線缺乏真實感和立體感；掃描處理法以及計算機三維模擬法的使用，使仿真效果更逼真。

1.1? ? 幾何形狀填充法

在計算機仿真技術初期，紗線的仿真采取幾何形狀填充法，把紗線看成二維平面以圖形方式如小方塊、矩形塊、擦去四個角的平行四邊形等對紗線進行參數化設計的模擬法，每個具有顏色的方塊代表紗線每個單元格仿真模型，例如鄧中明等[1]將小長方塊循環陳列且傾斜放置，創建基于小長方形色彩的單紗仿真模型。雖然模擬速度快，但是采用幾何形狀填充法模擬出來的紗線圖像缺乏真實感和立體感。

1.2? ? 掃描處理法

為了使仿真效果更逼真，有學者開始利用掃描處理法建立三維模型，首先用掃描儀采集紗線圖像，根據采集圖像對紗線形態進行分析，然后建立紗線三維模型。

在利用掃描處理的方法進行仿真之前，有學者基于光照模型用二維的方法體現紗線三維的特征，童小素等[2]提出了上述方法的改進算法，他通過掃描儀掃描得到棉、麻、絲等不同材質的紗線圖像，建立Shepard插值擬合模型，實現不同材質的不同質感特征。基于童小素的擬合模型，Zhao Shuang等[3]利用微型CT掃描儀創建了具有纖維級細節的高質量程序紗線模型。基于三維重建技術生成的三維虛擬紗線，可以合成具有高視覺質量且沒有重復圖案的大型紡織品，質感特征更加細節化。

針對云紋紗和混色紗等特殊紗線在緯編織物中的應用，一些學者對特殊紗線形成緯編織物的二維仿真進行了研究。吳義倫等[4]將采集的云紋紗圖像進行圖像分割等圖像處理技術，利用紋理映射技術實現云紋紗緯編針織物外觀模擬，如圖1所示為云紋紗的模擬效果和實物效果，模擬效果圖和真實的織物紋理基本一致。此外，李忠健等[5]利用圖像處理技術對圖像進行平滑濾波處理，對平滑后的圖像進行聚類分割得到混色紗主體圖像，該類對特殊紗線的仿真可以更加直觀表達紗線在針織物上疊加形成的紋理效果，為云紋紗、混色紗及針織物設計提供有效手段，但是建立的線圈模型圈柱為直線，與真實形狀不符，真實感欠缺。

因此Zhao Shuang、李忠健等學者基于掃描處理的方法對紗線進行仿真，是利用二維方法反映三維的特征，這種方法與計算機三維模擬法相比，線圈模型的真實感和紗線的立體感還需加強。

1.3? ? 計算機三維模擬法

計算機三維模擬法是根據紗線的參數如紗線顏色、粗細、毛感、質感和卷曲性等對紗線進行分析，然后運用仿真技術來建立紗線的三維模型。

基于紗線的仿真模擬主要將紗線作為一個整體，將紗線的截面簡化為一定的形狀，建立紗線的三維模型。Liao TY等[6]將紗線的外觀簡化為柱體結構，在三維空間中利用四邊形小面片在柱體結構上平鋪，完成紗線的三維仿真設計。Kurbak A等[7]將紗線看作彎曲細長的圓柱體，利用3DMax軟件以及數學模型的建立，完成了羅紋針織物三維仿真效果圖。郭煒杰[8]將紗線的截面轉為由多個圓弧組成的形狀，并使用截面按照線圈路徑、設定的角度進行掃描，生成紗線實體。

針對緯編針織物紗線毛羽效果的外觀模擬，郭煒杰[8]利用分形理論對花式紗線中不規則毛羽特征進行仿真模擬；孫光武[9]采用3DMAX的毛發系統實現了紗線的毛羽效果；于斌成[10]利用球的極坐標方程和正態分布函數建立毛羽模型并對線圈進行去噪、二值化等相關處理，最終形成無縫針織物的外觀紋理圖。

此外，國內很多學者利用B樣條曲線造型技術，對紗線進行三維仿真，B樣條曲線設計靈活，可以對普通紗線以及花式紗線進行三維造型。史征濤[11]利用B樣條曲線造型技術，對花式紗線中常見的竹節紗和多色股線的長度、顏色等參數進行三維仿真模擬研究，建立了竹節紗和股線單紗的幾何數學模型、光照模型以及顏色模型，模擬效果較好，立體感強，可滿足消費者需求。雖然B樣條曲線具有局部修改不影響整體效果的特點[12]，但是B樣條不能完全插值于給定的控制點，趙志詳[13]采用C-Cardinal 樣條曲線造型技術對紗線進行建模仿真，C-Cardinal 樣條曲線有良好的插值性和較少的運行消耗率。

因此，李忠健等[5]利用掃描處理法得到的線圈模型圈柱為直線，真實感欠缺，但是紗線的三維模擬，可以將截面簡化為一定的形狀，模擬得到的紗線模型更加具有真實感和立體感；三維模擬也較好實現了對毛羽效果的模擬；此外，利用B樣條曲線等模型，可以對花式紗線進行仿真模擬，更好滿足紗線多樣性仿真模擬的需求。

2? ? 緯編針織物線圈結構仿真現狀

織物外觀仿真的基礎是單元線圈模型，除了紗線三維仿真的探討，線圈結構三維仿真的研究也是緯編針織物仿真技術研究的熱點。通過國內外學者的研究，目前線圈結構的三維仿真主要包括基于Pierce線圈模型的建立、基于樣條曲線的線圈建模和針對不同組織結構的線圈三維模型的建立這3種途徑。

2.1? ? 基于Peirce線圈模型的建立

Peirce線圈模型中，紗線松弛且沒有外力的作用，截面為均勻固定直徑的圓形，針編弧與沉降弧之間由圓柱體形成的圈干相連，該線圈模型為理想狀態下的模型，是早期研究線圈幾何結構與織物性能關系的代表性模型之一，雖然靈活性一般，但是它為線圈幾何學的進一步探索研究提供了可行的分析方法[14]，如圖2所示。隨著研究的進一步深入，國外學者基于Peirce線圈模型創建了Munden模型和Krubak模型。Munden模型的幾何結構與Peirce線圈模型類似，但是該模型將紗線的內應力和抗彎曲性能包含到了模型中，Krubak模型是近期研究中比較具有代表性的三維線圈模型，針編弧與沉降弧為不在同一平面的橢圓，相比Peirce 線圈模型，Krubak模型的圈柱有彎曲，整體為螺旋線[15]，三維仿真效果明顯加強。研究者基于Peirce緯編線圈模型和空間幾何結構的研究，創建的線圈結構模型能夠顯示針織物線圈相互串套的視覺效果。基于Peirce模型的線圈模型快速有效，且改進的Munden模型考慮了力的作用，但是受限于二維模型的本質，相比真實織物線圈，三維立體感不強。

2.2? ? 基于樣條曲線的線圈建模

國內對線圈模型的研究雖然起步較晚，但是進展較快，而且也取得了不錯的成果。這一方面是因為國外學者所奠定的基礎，另一方面在于計算機技術的運用使模型的構建方法更加廣泛和便捷，提高了建模的效率與質量[16]。目前國內主流的線圈建模方法有參數方程法、樣條曲線法和有限元法等[17]。其中樣條曲線具有諸多優點，尤其是設計自由型曲線曲面形狀時強大的靈活性，被廣泛用于工業設計中，其中B樣條曲線和 NURBS樣條曲線被廣泛的應用。

B樣條曲線相比早期的Bezier三次曲線，改變一個控制點并不影響其他曲線段的形狀，具有相當多的優點。瞿暢等[18]以Peirce模型為基礎，采用三次B樣條曲線來模擬紗線路徑，很好地表現了針織組織在空間的串套關系。王少俊[19]首次采用實物在電鏡下觀察的圖片，結合針織物線圈單元和組織結構的特征，利用B樣條曲線建立緯編針織物線圈模型。楊恩惠等[20]使用超景深顯微鏡獲取織物結構參數，通過三次B樣條曲線的方法建立緯平針織物線圈的三維幾何結構模型。

相對于B樣條曲線，NURBS樣條曲線更加靈活穩定，被廣泛應用于針織物線圈三維模擬中。Piegl[21]首次引入權因子是三維線圈結構仿真中最具代表性的研究成果，他使用NURBS 曲線建立了三維線圈模型，基于權因子對曲線形狀的改變進行量化，實現了緯編線圈真正的三維模擬。在此基礎上，Li 等[22]根據對實際織物的測量并反算控制點，計算得出控制點的位置，解決了 NURBS擬合曲線不能完全通過型值點的問題，圖3為仿真模擬圖。鄧逸飛[23]采用NURBS曲線造型技術建立中心線形態模型，由于型值點的數據來自實際線圈，建立的線圈幾何模型更具真實性。

運用樣條曲線的方法能夠很好的體現織物的串套關系和三維立體效果，因此被廣泛的應用于緯編織物三維模擬中。

2.3? ? 基于不同組織結構的線圈三維模型的建立

基于不同組織結構線圈模型的不同，首先分析的是基本組織結構的線圈模型，然后在此基礎上對其他變化組織進行建模研究。

目前紡織工業朝著智能化的方向發展，提花針織物可以增加面料的美感和時尚度，因此，三維仿真技術也從原來的基本組織結構的仿真轉向復雜的提花針織物的三維仿真[24]。德國Kaldor J M等[25]結合紗線捻度、卷曲性等參數，采用三維建模的方法實現了緯編提花針織物的計算機仿真，仿真效果較好，但是該方法仿真速度很慢，普通的機器設備無法對復雜的大循環提花織物進行仿真模擬。在此基礎上，為了優化仿真速度和質量，叢洪蓮等[26]利用三維顯微鏡觀察雙面提花織物的結構，分析線圈變形規律后得到提花織物線圈結構模型，該方法數據量小且仿真速度快，模擬效果較好。

實現各類提花效應的三維虛擬仿真也是目前仿真工作者研究的重點，居婷婷[27]利用NURBS曲線研究分析的基礎上，建立毛衫織物各種變化組織和花色組織的線圈結構模型，解決傳統線圈模型不適用于復雜組織建模的難題。鄭培曉等[28]采用WebGL技術，利用型值點空間坐標實現了三維線圈結構的繪制和顏色渲染，截取提花織物三維仿真圖作為紋理材質，實現了緯編提花織物的三維虛擬仿真，WebGL技術可以達到三維效果直觀性強、模型渲染質量高等優勢，如圖4（a）所示為提花模擬圖。此外，為了更好地滿足緯編織物動態展示的實時性，耿安琪等[29]使用OpenGL編程工具實現了緯編織物的三維建模，運用Lumislice技術模擬緯編織物線圈的紋理效果，這種方法很好地實現了緯編針織物的真實感模擬和動態效果展示，如圖4（b）所示。

3? ? 三維仿真的問題與趨勢

隨著紡織行業的發展，緯編針織物三維仿真技術研究對紡織生產者和消費者來說都是至關重要的，三維仿真應該朝著織物材料與組織多元化、適應織物品種多元化、仿真技術多元化和應用范圍多元化的方向發展。

3.1? ? 織物材料與組織多元化

隨著人們生活品質的提高，各種新式功能型紗線代替普通紗線成為企業首選。織物原料的種類不同，仿真效果也不同。在研究物理性能的基礎上，通過提高紗線毛感、質感以及卷曲性等來提升視覺效果，例如對保暖型新材料進行仿真模擬，可以更直觀地分析物理性能。除了織物材料，織物組織的多樣性也促進了三維仿真技術的發展，例如緯平針、羅紋等織物原材料的模擬技術較成熟，但是對于集圈、毛圈和提花等變化組織和花色組織的建模分析還需進一步研究，在日常生活中這些復雜的組織類型，花型的多樣性又是普遍存在的。因此提高織物材料和組織的多樣性，可以提高生產效率、節約企業成本。

3.2? ? 適應織物品種多元化

隨著花式紗線在服裝上廣泛應用，花式紗線也從二維仿真逐漸向三維仿真發展。目前針對花式紗線主要存在兩個問題：一是花式紗線三維仿真速度較慢，當仿真模擬過程中織物長度較長時，因計算機處理的數據過多導致程序運行緩慢，因此需要對電腦硬件配置以及程序算法進行優化，提高運行速度；二是目前沒有相應的三維軟件系統可以對花式紗線進行三維模擬，主要是因為花式紗線種類和結構的多樣性，用既有的通用模型對花式紗線進行三維仿真模擬是很難實現的。因此花式紗線仿真速度的提升和軟件系統的創新開發至關重要。

3.3? ? 仿真技術多元化

緯編針織物的二維平面圖形模擬技術比較成熟，但是三維仿真模擬的效果不夠理想，主要原因在于實現三維仿真效果的方法過于復雜。基于曲面建模方法的模型一般較為復雜，需要在很多特征點數據的基礎上進行大量的運算分析，造成計算機程序運行時間長，導致三維仿真速度和質量降低；其次，針對大花型提花織物，組織復雜多變，形成的花型繁多，不同花型中紗線的排列方式也不相同，因此在計算機模擬的過程中仿真速度也會降低。

隨著計算機仿真技術與紡織科學技術的互相聯系，國內外學者開始嘗試用各種技術進行三維仿真研究，例如在紗線真實感研究中，加入PBR技術，以紗線的實體截面為原型，渲染后在視覺效果上形成有捻度效果的紋理。此外，還在仿真模擬中融合了力學分析、圖形學等諸多學科。因此為了促進緯編針織物三維虛擬仿真技術的進一步發展，必須將各學科融合起來，運用更多的計算機技術來分析緯編織物的組織結構特點和力學性能，從而達到更逼真的三維模擬效果。

3.4? ? 應用范圍多元化

目前針織物仿真模擬的研究主要集中在花型和織物立體結構上，從緯編單面提花的研究發展到對緯編雙面提花的仿真，從普通紗線的研究發展到利用樣條曲線技術仿真花式紗線，也有部分學者研究全成形毛衫的三維仿真和穿著后的線圈形變分析。除了在紗線和線圈的仿真研究外，三維仿真技術可廣泛運用到不同領域，例如在服裝紡織行業，可以仿真面料以及成衣在虛擬模特身上的穿著效果，預測大眾喜愛度、減少生產成本；在家紡行業利用三維仿真技術，也可以減少產品試樣。因此對于緯編針織物仿真技術也應該廣泛應用在紡織產品行業中。

總之，緯編針織物三維仿真技術的不斷發展與融合，將紡織服裝和計算機技術等學科融合起來，一方面對于生產者而言，可以預測紗線、線圈和花型效果，也可以提前感知針織物在虛擬模特身上的穿著效果，降低企業設計成本，提高生產效率；另一方面對于消費者而言，可以線上根據自己的需求選取適合的針織物，避免線下復雜的試穿和購買流程。隨著計算機虛擬技術的不斷發展，緯編針織物的三維仿真也應該朝著織物材料與組織多元化、適應織物品種多元化、仿真技術多元化和應用范圍多元化的方向發展。在未來的三維仿真研究中，應該將服裝面料虛擬展示與計算機技術、物理力學等相關學科融會貫通，促進仿真技術的再次發展。

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