緯編針織物真實感建模與仿真進展

宋明明　常辰玉　孫雅欣　劉鋒　李小燕　盧致文

摘 要：為了促進針織物模擬仿真領域的進一步研究和發展，全面梳理了緯編針織物真實感模擬與仿真技術的發展歷史和研究現狀。從外觀真實感模擬和物理真實感模擬兩個角度分析了國內外學者研究和探索的歷程，闡述了緯編針織物真實感模擬與仿真技術從早期基于二維線圈模型的方法，到基于三維物理模型方法的轉變和多樣化發展過程。在總結各種模擬方法及其應用特點的基礎上，分析得出緯編針織物真實感模擬與仿真技術將會向模擬效果精細化、模擬實時交互化、織物類型多樣化和應用領域多元化的方向發展。

關鍵詞：緯編針織物；動態模擬；物理模型；發展趨勢

中圖分類號：TS184 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0255-12

緯編針織物作為一種重要的織物類型，具有柔軟、彈性好、透氣性好等特點，不僅應用于服裝、家居紡織品等領域，也應用于汽車、航空、醫療等多個領域。緯編針織物的真實感建模與仿真是一個多學科交叉的研究領域，涉及材料科學、計算機科學、數學等，可以應用在如針織物生產設計、服裝設計、虛擬試衣、游戲和動畫制作等多個方向。對緯編針織物進行真實感建模與仿真研究，不僅有助于加快產品開發速度，還可以減少試錯次數，縮減開發成本。

近年來，隨著電子商務、虛擬試衣等行業的發展，對緯編針織物建模與仿真技術的需求越來越大，其復雜的織物結構和物理特性使得仿真模擬的真實感成為研究重點。早期的研究主要集中在二維的織物表面紋理和顏色等外觀特征的模擬，隨著計算機硬件和算法的不斷發展，緯編針織物的三維真實感模擬逐漸成為研究熱點［1］。三維真實感模擬初期主要采用二維紋理映射或圖像處理技術來實現織物外觀的模擬，計算機圖形學和物理模擬技術的發展使得三維真實感模擬越來越多地使用基于物理模型的方法，以更加真實地模擬出緯編針織物的織物結構和外觀細節［2］。隨著計算機技術和數據處理技術的不斷發展，緯編針織物真實感建模與仿真技術將會得到更加廣泛的應用。

本文將分別對外觀真實感模擬方法和物理真實感模擬方法進行詳細的介紹說明，總結各種模擬方法的應用原理及特點，并通過對已有方法和技術的梳理與分析，展示緯編針織物模擬與仿真的現有研究成果和應用場景。在此基礎上，從模擬效果精細化、模擬實時交互化、織物類型多樣化和應用領域多元化等角度，分析緯編針織物真實感模擬與仿真技術的發展趨勢。

1 緯編針織物外觀真實感模擬

緯編針織物的外觀真實感模擬是指利用計算機圖形學和計算機模擬技術，對緯編針織物的外觀進行數字化建模和仿真，以實現逼真的緯編針織物外觀呈現。外觀模擬注重對紋理、圖案、顏色和光照等視覺特征的逼真呈現，使得虛擬的針織物在視覺呈現效果上與真實的針織物相似。外觀真實感模擬可以為緯編針織物的設計和制造提供更為精細的展示和模擬，加快設計和生產的速度，為消費者提供更加真實的購物體驗，提高消費者的滿意度和忠誠度。早期的緯編針織物外觀真實感模擬多為二維模擬，隨著計算機技術的發展及市場需求的增長，三維外觀真實感模擬技術越來越受到關注并取得長足的發展。

1.1 二維外觀真實感模擬

二維外觀真實感模擬是指利用計算機技術對二維圖像進行處理和增強，使得生成的圖像具有更高的真實感和可信度。其主要方法包括光照模擬、紋理映射、投影和透視變換、圖像去噪、邊緣增強、顏色校正等技術。

汪育桑等［3］在建立線圈幾何模型的基礎上根據織物結構確定線圈的形狀和位置，再根據位置關系對線圈進行消隱處理，實現了對基本緯編提花組織的二維模擬，模擬效果圖如圖1所示。為提高羊毛衫CAD系統的仿真速度，汪秀琛等［4］建立了由5個弧線組成的線圈模型，根據紗線粗細、織物密度和光照效果對線圈形態的影響，再將不同線圈按照特定規則進行組合，得到不同的花型效果，模擬速度快但模擬效果不夠逼真。

盧致文等［5-6］與Jiang等［7］提出了一種基于線圈幾何模型的算法將紗線的紋理映射到線圈上，建立基于普通紗線到線圈的變化過程的紋理變化模型，并根據光照變化使線圈看起來具有三維感，使用該模型可快速模擬出真實感較高的平針、羅紋等類型的織物。在此基礎上，將機織物交織點的概念引入到緯編針織物，提出基于交織點的線圈中心曲線模型，并使用3次貝塞爾曲線擬合線圈的中心曲線，用于進行紋理映射、紋理插值和亮度處理，模擬出結構清晰的循環變形，圖2為交織點及模擬效果。Pierce線圈模型是一種在緯編針織物仿真模擬中常用的經典模型，張繼東等［8］通過將處理后的混色紗線圖像映射到Pierce線圈模型上，再根據不同線圈的位置關系和線圈形態模擬出緯編基本組織的色彩及紋理。由于色紡紗及云紋紗的布面效果難以預測，吳義倫等［9-10］對真實紗線圖像進行處理后將其映射到線圈幾何模型上，通過計算線圈拼接時的偏移量解決了拼接錯位問題，模擬出真實感較高的云紋紗針織物，達到預測色紡紗及云紋紗針織物外觀的目的。

二維外觀真實感模擬是一種快速高效的方法，可以模擬出緯編針織物的紋理特征以及在光照條件下的紗線色彩變化，并且在光影效果的基礎上實現更真實的模擬效果。然而，對于緯編針織物的細節，如不同紗線材質和復雜花式結構等，常常在二維模擬中簡化或省略。

1.2 三維外觀真實感模擬

緯編針織物的三維外觀真實感模擬是在三維空間中模擬緯編針織物的織物結構和外觀細節，可以提供更加真實的視覺效果。在進行三維模擬時，需要考慮紗線材質和紋理、織物結構和織物形變等因素，以獲得更真實的模擬效果。

Zhong等［11］通過對緯編針織物紗線的微觀結構及其線圈間的相互作用進行建模，然后將創建的紗線紋理貼圖在針織物模型的表面，可以快速地渲染出真實感較好的織物結構細節及紗線表面毛羽，并允許用戶對紗線蓬松度和線圈位置進行直觀控制，圖3所示為毛線帽模擬效果。考慮到仿真中紗線之間在接觸時由于接觸力的存在而引起紗線在局部的變形行為，Kyosev等［12］提出兩種緯平針組織結構的三維建模方法，一是假設紗線橫截面在高曲率區域被壓成橢圓狀，二是基于線圈的離散粒子模型，設定紗線的一般非線性壓縮行為對紗線接觸點處進行迭代計算獲取實際紗線幾何形狀，模擬出緯平針織物的微觀結構形態。Kurbak等［13-15］提出一種可以模擬緯平針織物橫向卷邊性的幾何模型；對于緯平針織物由于紗線捻度產生的線圈歪斜現象，分析線圈的三維性質得出線圈兩側紗線捻向處于相反方向，通過將線圈的上半部分和下半部分轉換為參數化橢圓曲線調整線圈形狀，模擬出線圈歪斜狀態的緯平針織物；此外，還在平針組織幾何模型的基礎上模擬出雙反面組織織物。

劉夙等［16］基于Pierce二維線圈模型建立了由參數方程表示的三維幾何線圈模型，使用OpenGL庫函數來實現緯平針織物的三維可視化，并通過調整顏色、光照等參數來提高模擬的真實性和逼真度。在劉夙等研究的基礎上，吳周鏡等［17］在三維Pierce線圈模型中引入B樣條曲線和橢圓曲線對線圈進行模擬，獲得真實感更強的模擬效果，但模擬的織物類型不夠豐富。張哲等［18］首先將織物網格模型劃分區域，并在兩步紋理映射算法的基礎上，提出了一種利用曲面包圍盒作為中介面獲取紋理坐標的方法，利用圖像分割技術平滑處理區域紋理的接縫處，實現了紋理的無縫拼接，但模型還不夠完善。于斌成等［19］采用極坐標方程來表示紗線的模型，并使用近似正態分布函數計算毛羽控制點的位置，通過調節參數改變織物表面微結構的方向、毛羽數量和紗線捻度等參數，模擬出的紗線毛羽在細節上更為逼真，并能更好地展現毛羽的形態結構特點，模擬的緯編針織物外觀與真實織物外觀相似度較高。金蘭名等［20］基于曲面模型，通過采集三維織物的曲面數據以及統一坐標數據，實現了三維模型和紋理數據的建立和導入，接著提出了一種針對復雜提花織物的3個因素模擬算法以控制織物模型的效果，基于以上研究結合三維引擎Unity3D平臺，實現了三維模型數據與二維空間數據和三維虛擬模擬的集成，與基于線圈模型的模擬相比，這個基于實際織物數據的方法對于預測和模擬三維緯編提花織物的效率和真實感都更好，圖4所示為提花絎縫織物模擬效果。

Wu等［21］通過建立纖維模型并根據真實紗線創建一組紗線貼圖，再使用基于物理的模擬器來模擬織物的變形行為，并應用預處理的紗線貼圖來呈現布料的外觀，以及使用一種基于分層深度剪裁的加速方法提高渲染速度，在實時性和視覺效果方面取得了良好的表現，圖5所示為模擬效果及細節展示。Huo等［22］將有色紡織物圖像在預處理后將其轉換為灰度圖像，再使用雙樹復小波變換對灰度圖像進行分解，提取出紋理特征信息，通過對紋理特征信息進行調整和組合，生成有色紡織物的模擬圖像，該方法能夠有效地模擬有色紡織物的顏色和紋理特征，但對于多色纖維混合的紗線仿真真實度還需要進一步提高。

緯編針織物的三維外觀真實感模擬技術在紡織行業具有重要的研究意義和廣闊的應用前景。通過模擬緯編針織物的織物結構和外觀細節，包括紗線材質和紋理、織物結構和織物形變等因素，以實現更真實的模擬效果。

2 緯編針織物物理真實感模擬

緯編針織物物理真實感模擬旨在通過計算機模擬緯編針織物的物理行為，以實現對織物力學性能的預測以及高度逼真的視覺效果。物理模擬注重針織物中紗線的相互作用、紗線內部的運動以及針織物的力學性能，以在模擬中對真實世界針織物的物理行為進行再現。通過物理模擬，設計師和研發人員可以對緯編針織物的力學性能進行預測和分析，了解紗線和針織物在不同力學條件下的行為，如拉伸時的變形程度、彎曲時的柔韌性等。因此物理真實感模擬的研究對于增強針織物的仿真效果、提升產品設計水平具有重要意義。其中，用于物理真實感模擬的模型主要有彈簧-質點模型、網格模型、紗線層次模型和有限元模型。

2.1 基于彈簧-質點模型

彈簧-質點模型是一種基于物理學的模型，它將物理系統看作是由彈簧和質點組成的彈性體系。鑒于機織物的非彈性性質，Provot［23］改進了彈性可變形模型，將機織物近似成一組質點和彈簧構成的可變形表面，其運動通過數值積分基本動力學定律來評估，彈簧-質點模型結構如圖6所示。針織物和機織物都是紡織品，具有相似的物理屬性，因此對彈簧-質點模型的應用也可以相互參考。但針織物和機織物之間存在構造方式和織物結構不同的區別，針織物結構較為松散，彈性更大，更容易變形。因此，為了將彈簧-質點模型應用于針織物模擬中，常需要對模型進行調整和改進，使其能夠準確地模擬針織物的特點。

為實現針織面料在物理層面準確的仿真，Meiner等［24］引入彈簧-質點模型用于計算針織物線圈結構的動態行為并展示了其更高效的可視化。由于幾何模型的局限性，Kyosev等［25］使用彈簧-質點模型用于描述織物的力學行為，包括受力、變形等，但是模擬時間較長，不太適合在生產中使用。為模擬流體對針織物的動態行為和形態行為產生的影響，Güdükbay等［26］通過彈簧-質點模型對針織物進行建模，采用了三層質點并通過保持體積約束模擬出織物的厚度，模擬效果真實感較高，但對于織物線圈結構的受力行為研究不夠。沙莎等［27］在改進彈簧-質點模型的基礎上，通過對線圈進行結構建模來使得針織物具有更真實的力學效果和體積感，并采用非均勻有理B樣條曲線來擬合線圈曲線，通過旋轉圓柱來模擬股線捻度效果，從而獲得真實感較好的緯編織物仿真效果。考慮到單面緯編針織物和雙面緯編針織物之間的差異，為模擬針織物的垂墜行為，Mozafary等［28］研究了在單面針織物中引起邊緣卷曲的彎曲和扭矩力矩，并表明這些力矩在雙面針織物中會被抵消，因此導致了非卷曲結構；使用質點彈簧模型來模擬針織物緯向和經向的卷曲形狀，模擬結果顯示與實際針織物垂墜形狀存在良好的一致性。對于密度非均勻分布的緯平針織物，汝欣等［29］提出相對應的織物彈簧-質點模型的初始狀態的確定方法，基于彈簧-質點模型和二維Peirce線圈模型建立質點-控制點關聯式，獲得與實際樣品變形趨勢較為一致的模擬效果，但模擬的織物類型不夠多樣，且計算效率實時性不夠，圖7所示為模擬效果圖。

彈簧-質點模型實現相對較簡單，計算速度較快，并且可以進行實時交互式模擬，在緯編針織物的模擬中被廣泛使用，可以模擬不同的織物結構和力學特性，但對于織物的非線性特性和紗線間的摩擦效應等模擬難度較大。

2.2 基于網格模型

基于網格模型的緯編針織物物理仿真是一種通過對緯編針織物建立三維網格模型，將物理特性轉化為網格節點之間的力和約束關系來模擬針織物外觀和物理特性的方法。

基于NURBS（非均勻有理B樣條）曲線［30］和Leaf-Glaskin的改進模型［31］，以及通過網格控制法和OpenGL建模技術，劉瑤等［32］建立了非線性緯編線圈單元模型和組織結構模型模擬羊毛衫組織的變形機理，方法計算簡便但三維模擬效果不夠真實。Yuksel等［33］首次提出“針織網格”的概念，將針織服裝通過一個多邊形模型進行網格劃分，接著使用交互式建模工具生成一個更精細的網格用以表示織物不同的線圈結構，通過操作針織網格生成表示紗線的曲線模型，然后在保持全局形狀的同時，局部松弛紗線以獲得真實形狀，從而產生適合于動態模擬的有效紗線幾何形狀，模擬效果真實感較強，但計算量大導致模擬速度較慢，圖8所示為絞花結構真實織物與其網格模型。為了確保模擬出的針織物可以在真實世界進行生產，Wu等［34］提出了可編織針織結構的概念，并引入自動化的流程，從輸入的多邊形網格開始便自動生成針織物網格模型，以達到更快速的模擬。

楊恩惠等［35］使用了六邊形網格結構理論和NURBS曲線相結合的技術來進行針織物線圈的真實感模擬并進行了導熱分析，該方法簡便易行但對于織物的受力行為未進行研究。胡新榮等［36］在建立網格模型與紗線模型之間對應關系的基礎上，分別對網格模型與紗線模型進行仿真并采用自適應網格劃分技術加快網格仿真速度，模擬真實感較好同時速度較快，但模擬的織物類型較為單一。賴安琪等［37］通過建立線圈幾何模型和網格模型，并利用矩陣運算得到花式結構線圈的坐標，實現了從實際織物到三維線圈結構的快速轉換，能夠快速準確地模擬全成形毛衫花式結構，圖9所示為暗加針工藝的全成形織物的實物圖和仿真圖。

基于網格模型的方法可以準確地模擬針織物的外觀和物理特性，具有較高的真實感和可靠性，同時網格模型的計算方法比較簡單，容易實現。但對于復雜的織物結構和大規模的仿真系統，網格模型的計算量通常較大而導致速度變慢，并且可能存在網格變形的問題，需要采用適當的網格劃分和變形技術來保持模擬的準確性和穩定性。

2.3 基于紗線層次模型

紗線層次模型的核心思想是將紗線視為物理實體，通過對紗線內部結構和力學特性的建模，來模擬緯編針織物的物理行為和變形效果。

考慮到緯編針織物的非線性行為及其紗線之間的接觸和相互作用，Kaldor等［38］首次系統提出基于紗線層次建立模型對織物進行模擬。每根紗線都被建模為一個不可伸長但可變形的B樣條管，紗線之間的摩擦通過剛體速度濾波器近似計算，相互作用通過硬約束力調節，模擬出織物的非線性特性和力學行為，但該模型計算量龐大，模擬時間較長，圖10所示為模擬效果圖。為了降低計算成本，Kaldor等［39］采用罰函數法近似紗線之間的接觸力，并用旋轉線性力模型進行近似計算，使得模擬速度提高4～5倍。

Cirio等［40］假設織物中的紗線之間是永久接觸但可以滑動的狀態，通過完全避免接觸檢測大幅減少了計算量，模擬速度比先前的技術提高了一個數量級。為實現交互式的紗線層次模擬，Leaf等［41］提出結合兩種方法來加快模擬速度，首先是基于紗線層次的周期邊界條件，利用織物結構在基本方向上的空間重復性，只需對小的周期區域進行模擬計算；其次是高度并行化的GPU求解器，利用GPU的并行計算能力來快速計算小的周期區域的紗線層次模擬。這兩個方法的結合實現了對紗線層次針織物的實時模擬和調整，仿真效果真實感較強。基于紗線層次模型的模擬方法由于數據量龐大和計算復雜度高，往往模擬時間較長，為提高模擬速度，往往會采用數據驅動的思想，通過大量的數據來學習和模擬緯編針織物的特性。在此基礎上，Sperl等［42］通過數值均勻化的方法實現了紗線層次的緯編針織物動態模擬效果，使用大量的紗線層次模擬數據來建立針織物的勢能密度模型，用能量密度函數在薄殼模擬器中計算織物的力學行為，模擬出針織物的高度變形性和各向異性。同時，此方法完全基于模擬，不需要任何真實世界的實驗及數據，不過對于織物的撕裂及抽絲等行為無法模擬，其與直接進行紗線層次仿真的效果的比較如圖11所示。為了預測不同針織物的物理特性，Sperl等［43］通過逆向建模的方法將真實世界中針織物的力學行為轉化為紗線層次的仿真模型。首先建立了涵蓋各種類型針織物的物理特性，如剛度、非線性和各向異性的數據庫，然后開發了可以將真實織物數據轉換為紗線層次模擬的系統，并且將織物數據進行降維處理，以快速生成近似的紗線層次模擬結果，但此方法是基于純棉和滌綸等纖維制成的針織物數據集進行訓練和評估的，因此對于其他纖維的應用需要重新評估和調整。

紗線層次模型是一種基于物理學原理的模擬方法，能夠模擬緯編針織物的組織構成和微觀結構對其宏觀性質的影響。這種模型能夠更準確地預測織物的力學行為，在紡織工業、服裝設計和計算機圖形學等領域具有廣泛的應用前景。紗線層次模型的建立和求解過程相對復雜，這導致該模型的計算量通常較大，模擬時間較長，尤其對于大規模、復雜結構的織物系統來說，計算成本較高。此外，紗線層次模型對于某些織物行為，如撕裂和抽絲等，可能無法進行準確模擬。

2.4 基于有限元模型

基于有限元模型的緯編針織物物理仿真方法可以將織物抽象為一系列的網格單元，并基于有限元方法建立針織物的物理模型，包括紗線彎曲、張力和接觸力等。有限元分析是一種數值分析方法，通過將復雜的結構劃分成許多小的有限元，對每個有限元進行計算和分析，然后將這些小的有限元組合起來，得到整個結構的計算結果。

由于解析方法較難模擬出緯編針織物的復雜結構和各向異性，Vassiliadis等［44］將織物表示為由多個圓柱體組成的三維網格模型，每個圓柱體代表一根紗線，通過將材料參數、幾何參數、力學參數等輸入到有限元模型中，圖12所示為有限元模型網格，模擬出織物在不同加載條件下的應力應變行為，但模擬的假設條件過于理想，且織物類型較為單一。

為了模擬具有負泊松比的網狀經編緯編混合織物的變形行為，Wang等［45］通過計算機掃描獲取了織物外層結構的精確幾何形狀用以生成幾何模型進行網格劃分，然后建立有限元模型對織物在經向和緯向拉伸的變形行為進行模擬，獲得與真實織物較為一致的仿真結果。McKee等［46］通過建立單面緯編針織物的有限元模型，模擬布料在彈道載荷下的應變、應力和變形等力學響應，以加強對單面針織物的物理性能和防護能力的了解。為預測針織緊身服壓力，Ghorbani等［47］使用有限元模型來模擬含有彈性緯線的雙面緯編針織物的拉伸性能，并評估沿經向的應力分布，模擬結果較為準確可靠。Wadekar等［48］提出一種使用有限元模型對紗線層次幾何模型進行分析和模擬的方法，可以模擬出不同的平針針織物結構及其物理性能，但是無法模擬其他的織物類型。針對緯編針織物形變規律問題，郝志遠等［49］通過均勻化理論建立宏-細觀線彈性數學模型，使用有限元模型計算兩種不同的緯平針織物在雙向拉伸下的變形行為，可快速獲得較準確的模擬效果，但模擬的織物類型較單一。孫亞博等［50］通過三維建模軟件建立緯平針單位線圈模型和筒狀針織物模型，利用有限元軟件ABAQUS進行模擬，分析筒狀針織物在縱向拉伸時的力學性能，可準確模擬出緯平針織物拉伸時的變形行為，圖13所示為筒狀針織物拉伸時模擬效果。

在研究緯編針織物時，有限元模型可以對紗線、線圈和織物之間的相互作用進行分析，提供高精度的模擬效果，可以幫助研究者更好地了解針織物在應力下的形變和應變情況，為設計優化提供依據。建立精確的有限元模型需要大量的計算資源和時間，需要對織物的細節進行詳細建模，建模具有一定的難度和計算復雜性。

3 發展趨勢

隨著消費者對品質和個性化需求的增加，紡織行業需要開發新織物類型以應對消費流行趨勢。緯編針織物真實感模擬技術能幫助設計師、工藝師和生產商更好地理解、預測織物的結構和性能，優化設計和生產流程，滿足市場需求。除紡織行業外，該技術在時尚、家居裝飾、汽車、航空航天等相關行業也具有潛力。因此，對紡織行業及相關行業而言，緯編針織物真實感模擬技術需要更深入的研究以促進行業創新和發展。

3.1 模擬效果精細化

模擬效果精細化是指更準確地模擬緯編針織物的紋理、質感、彎曲性、拉伸行為以及其他外觀效果和物理特性，實現對緯編針織物紋理、結構和光照等方面的精確建模和渲染，而非僅限于外觀的簡單模擬。模擬效果精細化對緯編針織物仿真技術應用具有重要意義，不僅增加了緯編針織物仿真的真實性和可信度，還使得設計師和制造商能夠更精確地預測和調整緯編針織物的物理性能，優化產品設計和生產流程，從而提升其在應用領域的可行性和效果。因此，模擬效果精細化是緯編針織物真實感模擬與仿真技術的重要發展趨勢。

3.2 模擬實時交互化

模擬實時交互化涉及兩個關鍵方面：實時化和交互化。首先，實時化是指模擬和渲染緯編針織物的過程能夠在實時性要求下進行，模擬系統需要具備高效的計算能力和優化的算法，能夠快速地生成和更新緯編針織物的模擬結果。其次，交互化是指用戶與模擬系統之間的互動和反饋。通過交互化的設計，用戶可以通過控制參數、調整緯編針織物的屬性或進行虛擬試穿等操作，與模擬系統進行交互。最后，將實時化與交互化相結合實現模擬實時交互化，可以為緯編針織物的設計、生產和應用帶來許多優勢，比如實時預覽和修改緯編針織物的外觀效果，實時交互操作優化生產方案和工藝參數等。模擬實時交互化能夠為緯編針織物的設計、生產和應用領域提供更強大的工具和方法，推動緯編針織物仿真技術的廣泛應用和發展。

3.3 織物類型多樣化

針織物的種類和結構形式越來越多樣化，這也要求緯編針織物真實感模擬與仿真技術能夠適應不同類型的針織物，包括但不限于不同的針織結構、紗線材質、紗線密度等。例如，不同的針織結構對紗線的力學性質和形變特性有不同的影響，因此需要針對不同的針織結構進行不同的緯編針織物真實感模擬與仿真技術研究，以準確地模擬其外觀和物理行為。同時，行業發展也需要緯編針織物真實感模擬與仿真技術能夠快速適應新的織物類型，從而更好地滿足現實生產需求，推動緯編針織物的創新和應用。

3.4 應用領域多元化

緯編針織物在各個領域得到廣泛應用，每個領域對緯編針織物的要求和需求各不相同，因此模擬與仿真技術需要適應并滿足不同應用領域的特定需求。緯編針織物真實感模擬與仿真技術的應用不僅局限于緯編針織物相關領域，還可以為虛擬角色模擬和渲染服裝的外觀和動態效果，增添游戲環境的真實感和細膩度，此外還可以展示織物在建筑材料和室內裝飾中的應用效果，該技術在游戲開發、建筑設計等領域的應用展現出其廣泛的適用性和潛力。隨著技術的不斷發展和創新，緯編針織物真實感模擬與仿真技術將繼續在更多領域中發揮重要作用。

4 結 語

緯編針織物真實感模擬與仿真技術可以為緯編針織物的設計、生產和應用提供關鍵的支持和指導，提高紡織品的品質和生產效率。通過對緯編針織物真實感模擬與仿真技術進行了全面的論述和分析，詳細討論了緯編針織物真實感模擬與仿真技術中外觀模擬和物理模擬兩個重要方面。在外觀模擬方面，探討了二維和三維技術對緯編針織物顏色、紋理、光照效果和立體效果的準確再現；在物理模擬方面，介紹了基于彈簧-質點模型、網格模型、紗線層次模型或有限元模型等方法對緯編針織物的彈性、變形和流體行為的模擬。緯編針織物真實感模擬與仿真技術應朝著更高精度、更實時交互、更多樣化的織物類型以及更廣泛的應用領域的方向發展。

參考文獻：

［1］李英琳，張靈霞，谷力偉，等.緯編針織物組織三維仿真系統的設計與實現［J］.針織工業，2015（12）：1-5.

LI Yinglin， ZHANG Lingxia， GU Liwei， et al. Design and implementation of 3D simulation system of weft knitted fabric structures［J］. Knitting Industries， 2015 （12）： 1-5.

［2］SHA S， GENG A， GAO Y， et al. Review on the 3-D simulation for weft knitted fabric［J］. Journal of Engineered Fibers and Fabrics， 2021， 16： 155892502110125.

［3］汪育桑，馮勛偉.基于幾何模型的緯編提花織物結構計算機輔助設計［J］.中國紡織大學學報，2000，26（6）：66-71.

WANG Yusang， FENG Xunwei. CAD of weft knitted jacquard fabrics based on geometrical model［J］. Journal of China Textile University， 2000， 25（6）： 66-71.

［4］汪秀琛.基于線圈模型的羊毛衫花型仿真模擬［J］.毛紡科技，2009，37（12）：51-54.

WANG Xiuchen. Pattern simulation of sweater based on loop model［J］. Wool Textile Journal， 2009， 37（12）： 51-54.

［5］盧致文，蔣高明.基于紗線紋理的橫編線圈快速仿真與計算機實現［J］.紡織學報，2016，37（2）：119-124.

LU Zhiwen， JIANG Gaoming. Rapid simulation and computer implementation of flat knitting loops based on yarn texture［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37（2）： 119-124.

［6］LU Z， JIANG G. Rapid simulation of flat knitting loops based on the yarn texture and loop geometrical model［J］. Autex Research Journal， 2017， 17（2）： 103-110.

［7］JIANG G， LU Z， CONG H， et al. Flat knitting loop deformation simulation based on interlacing point model［J］. Autex Research Journal， 2017， 17（4）： 361-369.

［8］張繼東，薛元，張杰，等.應用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬［J］.紡織學報，2017，38（7）：148-154.

ZHANG Jidong， XUE Yuan， ZHANG Jie， et al. Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information［J］. Journal of Textile Research， 2017， 38（7）： 148-154.

［9］吳義倫，李忠健，潘如如，等.應用色紡紗圖像的緯編針織物外觀模擬［J］.紡織學報，2019，40（6）：112-117.

WU Yilun， LI Zhongjian， PAN Ruru， et al. Weft knitted fabric appearance simulation using colored spun yarn image［J］. Journal of Textile Research， 2019， 40（6）： 112-117.

［10］吳義倫，潘如如，高衛東.云紋紗緯編針織物外觀模擬［J］.絲綢，2019，56（2）：37-42.

WU YiIun， PAN Ruru， GAO Weidong. Appearance simulation of weft knitted fabric with cloud yarn［J］. Journal of Silk， 2019， 56（2）： 37-42.

［11］ZHONG H， XU Y， GUO B， et al. Realistic and efficient rendering of free-form knitwear［J］. The Journal of Visualization and Computer Animation， 2001， 12（1）： 13-22.

［12］KYOSEV Y， ANGELOVA Y， KOVAR R. 3D modeling of plain weft knitted structures of compressible yarn［J］. Research Journal of Textile and Apparel， 2005， 9（1）： 88-97.

［13］KURBAK A， EKMEN O. Basic studies for modeling complex weft knitted fabric structures part I： A geometrical model for widthwise curlings of plain knitted fabrics［J］. Textile Research Journal， 2008， 78（3）： 198-208.

［14］KURBAK A， KAYACAN O. Basic studies for modeling complex weft knitted fabric structures part II： A geometrical model for plain knitted fabric spirality［J］. Textile Research Journal， 2008， 78（4）： 279-288.

［15］KURBAK A， SOYDAN A S. Basic studies for modeling complex weft knitted fabric structures part III： A geometrical model for 1×1 purl fabrics［J］. Textile Research Journal， 2008， 78（5）： 377-381.

［16］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.

LIU Su， LONG Hairu. Three-dimensional computer simu-lation of plain weft knitted fabric［J］. Journal of Textile Research， 2007， 28（12）： 41-44.

［17］吳周鏡，宋暉，李柏巖，等.緯編針織物在計算機中的三維仿真［J］.東華大學學報（自然科學版），2011，37（2）：210-214.

WU Zhoujin， SONG Hui， LI Baiyan， et al. 3D simulation of weft knitted fabric in computer［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2011， 37（2）： 210-214.

［18］張哲，李柏巖，劉曉強，等.緯編針織物外觀模擬紋理映射技術研究［J］.東華大學學報（自然科學版），2011，37（6）：745-749.

ZHANG Zhe， LI Baiyan， LIU Xiaoqiang， et al. Research on texture mapping in weft-knitted fabric simulation［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2011， 37（6）： 745-749.

［19］于斌成，李柏巖，劉曉強，等.一種增強模擬緯編針織物外觀真實感的方法［J］.東華大學學報（自然科學版），2013，39（5）：644-649.

YU Binchen， LI Baiyan， LIU Xiaoqiang， et al. A method to improve the sense of reality of simulated weft knitted fabric appearance［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2013， 39 （5）： 644-649.

［20］金蘭名，蔣高明，叢洪蓮.三維緯編提花織物的計算機仿真及系統實現［J］.紡織學報，2016，37（7）：155-161.

JIN Lanming， JIANG Gaoming， CONG Honglian. Computer simulation and system realization of 3-D weft knitted jacquard fabric［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37（7）： 155-161.

［21］WU K， YUKSEL C. Real-time cloth rendering with fiber-level detail［J］. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2019， 25（2）： 1297-1308.

［22］HUO D， YUAN L， GU Q， et al. Computer simulation of colored spun knitted fabric based on Dual-Tree complex wavelet transform［J］. The Journal of the Textile Institute， 2023， 114（4）： 682-691.

［23］PROVOT X. Deformation constraints in a mass-spring model to describe rigid cloth behavior［C］. Proceedings of Graphics Interface. Canada： Canadian Human-Computer Communications Society. 1995：47-54.

［24］MEINER M， EBERHARDT B. The art of knitted fabrics， realistic & physically based modelling of knitted patterns［J］. Computer Graphics Forum， 1998， 17（3）： 355-362.

［25］KYOSEV Y， RENKENS W. Modelling and Visualization of Knitted Fabrics［M］.Modelling and Predicting Textile Behaviour. Amsterdam： Elsevier， 2010： 225-262.

［26］GUDUKBAY U， BAYRAKTAR S， KOCA ， et al. Particle-based simulation of the interaction between fluid and knitwear［J］. Signal Image and Video Processing， 2014， 8（3）： 415-422.

［27］沙莎，蔣高明，張愛軍，等.緯編針織物線圈建模與變形三維模擬［J］.紡織學報，2017，38（2）：177-183.

SHA Sha， JIANG Gaoming， ZHANG Aijun， et al. Three-dimensional modeling and deformation for weft knitted fabric loops［J］. Journal of Textile Research， 2017， 38（2）： 177-183.

［28］MOZAFARY V， PAYVANDY P. A novel method based on loop shape for simulating knitted fabric using mass spring model［J］. Fibers and Polymers， 2017， 18（3）： 533-541.

［29］汝欣，朱婉珍，史偉民，等.密度非均勻分布緯編針織物的變形預測及仿真［J］.紡織學報，2022，43（6）：63-69.

RU Xin， ZHU Wanzhen， SHI Weimin， et al. Deformation prediction and simulation of weft knitted fabrics with non-uniform density distribution［J］. Journal of Textile Research， 2022， 43（6）： 63-69.

［30］常辰玉，盧致文，劉鋒，等.NURBS曲線反算不同參數取值法在緯平針織物仿真中的比較［J］.毛紡科技，2023，51（1）：99-105.

CHANG Chenyu， LU Zhiwen， LIU Feng， et al. Comparison of NURBS curve inverse calculation with different parameter values in simulation of jersey fabric［J］. Wool Textile Journal， 2023， 51（1）： 99-105.

［31］LEAF G A V. MODELS OF THE PLAIN-KNITTED LOOP［J］. Journal of the Textile Institute Proceedings， 1960， 51（2）： 49-58.

［32］劉瑤，鄧中民.羊毛衫組織的變形分析及三維仿真新方法［J］.針織工業，2012（2）：21-23.

LIU Yao， DENG Zhongmin. A new method for deformation analysis and 3d simulation of wool sweater［J］. Knitting Industries， 2012（2）： 21-23.

［33］YUKSEL C， KALDOR J M， JAMES D L， et al. Stitch meshes for modeling knitted clothing with yarn-level detail［J］. ACM Transactions on Graphics， 2012， 31（4）： 1-12.

［34］WU K， SWAN H， YUKSEL C. Knittable stitch meshes［J］. ACM Transactions on Graphics， 2019， 38（1）： 1-8.

［35］楊恩惠，邱華，代文杰.基于六邊形網格結構的針織物三維建模［J］.紡織學報，2019，40（11）：69-74.

YANG Enhui， QIU Hua， DAI Wenjie. Three-dimensional modeling and analysis of knitted fabric based on hexagonal mesh structure［J］. Journal of Textile Research， 2019， 40（11）： 69-74.

［36］胡新榮，汪卓，劉軍平，等.基于自適應網格劃分的針織物仿真［J］.現代紡織技術，2022，30（5）：21-30.

HU Xinrong， WANG Zhuo， LIU Junping， et al. Knitted fabric simulation based on adaptive remeshing［J］. Advanced Textile Technology， 2022， 30（5）： 21-30.

［37］賴安琪，蔣高明，李炳賢.全成形毛衫花式結構三維仿真［J］.紡織學報，2023，44（2）：103-110.

LAI Anqi， JIANG Gaoming， LI Bingxian. Three-dimen-sional simulation of whole garment with fancy structures［J］.Journal of Textile Research， 2023， 44（2）： 103-110.

［38］KALDOR J M， JAMES， D.L， MARSCHNER， S. Simulating knitted cloth at the yarn level［J］. ACM Transactions on Graphics， 2008， 27（3）： 1-9.

［39］KALDOR J M， JAMES D L， MARSCHNER S. Efficient yarn-based cloth with adaptive contact linearization［J］. ACM Transactions on Graphics， 2010， 29（4）： 105-119.

［40］CIRIO G， LOPEZ-MORENO J， OTADUY M A. Yarn-level cloth simulation with sliding persistent contacts［J］. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2017， 23（2）： 1152-1162.

［41］LEAF J， WU R， SCHWEICKART E， et al. Interactive design of periodic yarn-level cloth patterns［J］. ACM Transactions on Graphics， 2018， 37（6）： 1-15.

［42］SPERL G， RAHUL N， CHRIS W. Homogenized yarn-level cloth［J］. ACM Transactions on Graphics， 2020， 39（4）： 48：1-16.

［43］SPERL G， SáNCHEZ-BANDERAS R M， LI M， et al. Estimation of yarn-level simulation models for production fabrics［J］. ACM Transactions on Graphics， 2022， 41（4）： 65：1-15.

［44］VASSILIADIS S G， KALLIVRETAKI A E， PROVATIDIS C G. Mechanical simulation of the plain weft knitted fabrics［J］. International Journal of Clothing Science and Technology， 2007， 19（2）： 109-130.

［45］WANG Z， HU H. A finite element analysis of an auxetic warp-knitted spacer fabric structure［J］. Textile Research Journal， 2015， 85（4）： 404-415.

［46］MCKEE P J， SOKOLOW A C， YU J H， et al. Finite element simulation of ballistic impact on single jersey knit fabric［J］. Composite Structures， 2017， 162： 98-107.

［47］GHORBANI E， HASANI H， JAFARI NEDOUSHAN R. Finite element modelling the mechanical performance of pressure garments produced from elastic weft knitted fabrics［J］. The Journal of the Textile Institute， 2019， 110（5）： 724-731.

［48］WADEKAR P， PERUMAL V， DION G， et al. An optimized yarn-level geometric model for finite element analysis of weft-knitted fabrics［J］. Computer Aided Geometric Design， 2020， 80： 101883.

［49］郝志遠，陳慧敏，沈瓊，等.基于均勻化理論的針織物拉伸形變有限元模擬［J］.東華大學學報（自然科學版），2020，46（1）：47-52.

HAO Zhiyuan， CHEN Huimin， SHEN Qiong， et al. Tensile deformation finite element simulation of knitted fabric based on homogenization theory［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2020， 46（1）： 47-52.

［50］孫亞博，李立軍，馬崇啟，等.基于ABAQUS的筒狀緯編針織物拉伸力學性能模擬［J］.紡織學報，2021，42（2）：107-112.

SUN Yabo， LI Lijun， MA Chongqi， et al. Simulation on tensile properties of tubular weft knitted fabrics based on ABAQUS［J］. Journal of Textile Research， 2021， 42（2）： 107-112.

Progresson realistic modeling and simulation of weft knitted fabrics

SONG Mingming1， CHANG Chenyu1， SUN Yaxin1， LIU Feng1， LI Xiaoyan2， LU Zhiwen1，2

Abstract： Weft knitted fabrics， as an important type of textile， are widely applied in fashion garments， home textiles， automotive interiors， and other fields. However， traditional design and production methods suffer from inefficiency， resource waste， and discrepancies with the actual products. Conducting realistic modeling and simulation research on weft knitted fabrics not only helps accelerate product development speed but also reduces development costs and minimizes trial and error. Therefore， the development of realistic modeling and simulation techniques for weft knitted fabrics is of great significance.

The technology for simulating the visual realism of weft knitted fabrics encompasses two aspects： 2D and 3D. The 2D visual simulation technology primarily focuses on the simulation of surface texture and patterns of weft knitted fabrics， accurately representing their color， texture， and lighting effects. The 3D visual simulation technology further advances on the basis of 2D simulation， accurately simulating the three-dimensional effects of weft knitted fabrics. This technology can more realistically reproduce the details and structural characteristics of weft knitted fabrics， thereby enhancing the realism of visual simulation.

Another key research direction is the physical realism modeling and simulation technology ofweft knitted fabrics. This technology simulates the physical characteristics of weft knitted fabrics， such as elasticity， deformation， and fluid behavior， by establishing models based on methods like spring-mass models， mesh models， yarn-level models， or finite element models. By simulating the interaction of weft yarns and the deformation of textile structures， the actual physical behavior of weft knitted fabrics can be predicted more accurately.

Due to the nonlinear and complex nature of deformation in weft knitted fabrics， although physics-based simulation methods are capable of capturing the fabric's real behavior， there are still challenges of high computational complexity and low simulation efficiency in complex scenarios. Therefore， it is a key issue in improving simulation speed to optimize simulation algorithms to reduce computational complexity while maintaining accuracy to the greatest extent possible.

Currently， the development of weft knitted fabrics' realism modeling and simulation technology is progressing in several aspects. Firstly， the simulation effects will become more detailed to accurately reproduce the intricate features of weft knitted fabrics， such as textures， textile structures， and fabric shading effects. Secondly， the technology will focus more on real-time interactivity， enabling designers and users to quickly adjust and preview the visual effects of weft knitted fabrics， thus enhancing the flexibility of design and purchasing decisions. Thirdly， the simulation technology will emphasize the diversification of weft knitted fabric types， including the simulation of various materials， textures， and knitting methods. This will provide a broader range of choices and applications for different fields. Finally， the application scope of weft knitted fabrics' realism modeling and simulation technology will further diversify， providing support for innovation and development in various industries.

Keywords： weft knitted fabrics; dynamic simulation; physical modeling; development trends

收稿日期：20230530 網絡出版日期：20230626

基金項目：山西省回國留學人員科研資助項目（2022-090）

作者簡介：宋明明（1997—），女，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事紡織服裝智能化與數字化設計方面的研究。

通信作者：盧致文，E-mail：luzhiwen@tyut.edu.cn