圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)

王 茹,祝雙武,丁 瓊,田 樂

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速崛起,數(shù)字化產(chǎn)品成為市場(chǎng)各類企業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的實(shí)體產(chǎn)品,數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品具有響應(yīng)速度快、成本低、效率高等顯著優(yōu)勢(shì)。隨著市場(chǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,如何通過與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合更快更好地開發(fā)出滿足市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品,開辟出新的銷售模式,快速搶占市場(chǎng)先機(jī),成為各類紡織企業(yè)必須解決的問題[1]。

圍巾產(chǎn)品及其他紡織產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式是由設(shè)計(jì)師線下進(jìn)行織物顏色和紗線的選擇、組織圖的確定等,進(jìn)而進(jìn)行試紡和上機(jī)試織,最終將產(chǎn)品生產(chǎn)出來才能看到真正的效果。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式存在著步驟繁雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、原材料浪費(fèi)等問題,極大增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本[2]。隨著紡織CAD、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,圍巾等紡織產(chǎn)品的開發(fā)不再拘泥于傳統(tǒng)的線下生產(chǎn)方式,利用成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速進(jìn)行織物的設(shè)計(jì)與開發(fā)成為紡織行業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的主流方式[3]。

如何逼真地模擬織物外觀和圖案效果,已成為織物CAD 研究人員追求的重要目標(biāo)之一。鑒于織物外觀仿真技術(shù)的重要性及其所具有的技術(shù)難度,有關(guān)研究人員做了大量的研發(fā)工作,從理論模型、實(shí)現(xiàn)原理、運(yùn)用方法以及織物模擬各階段的內(nèi)在邏輯關(guān)系等方面,對(duì)織物的平面模擬、紗線和織物由二維到三維的立體外觀效果的過渡和發(fā)展做出了一些全面細(xì)致的總結(jié),并指出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了幾種不同的仿真方法,如配色模紋法、基于光照法的織物外觀仿真法等[4-7]。在前人理論的基礎(chǔ)上,首先基于紗線浮長(zhǎng)線光強(qiáng)分布的織物外觀仿真方法來實(shí)現(xiàn)織物外觀的仿真效果,并且采用了隨機(jī)數(shù)加遞歸的算法來實(shí)現(xiàn)圍巾產(chǎn)品的穗子效果,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圍巾產(chǎn)品最終整體效果的呈現(xiàn)。

開發(fā)出基于C/S模式的圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng),系統(tǒng)中包含色卡庫、紗線庫、面料庫等數(shù)據(jù)庫,用戶可以自主選擇圍巾的顏色、紗線、紋板圖的設(shè)計(jì)等,最終生成用戶所需的圍巾產(chǎn)品效果,以滿足用戶的個(gè)性化定制需求。系統(tǒng)還針對(duì)圍巾產(chǎn)品開發(fā)了起絨、順毛、水波紋等特殊后整理效果的模擬功能,更進(jìn)一步增強(qiáng)了圍巾仿真的真實(shí)感。

1 系統(tǒng)概述

圍巾產(chǎn)品的最終效果是由織物的相關(guān)參數(shù)信息決定的,在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的幫助下,通過鍵入這些織物參數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)圍巾最終效果的虛擬仿真。圍巾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)效率不僅會(huì)大大提高,而且可以更好地滿足私人定制需求[8]。首先闡述了一種意匠圖填充的紗線設(shè)計(jì)方法,并在此基礎(chǔ)上對(duì)圍巾產(chǎn)品的仿真方法進(jìn)行了研究,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以直觀清晰地看到圍巾產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、花型、色彩搭配等[5]。圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng)的主要功能包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立、基礎(chǔ)色卡建立、紗線設(shè)計(jì)與仿真、織物組織與紋板圖設(shè)計(jì)、大樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)、包袱樣設(shè)計(jì)、圍巾整體效果展示、工藝單的自動(dòng)生成、各種后整理效果的仿真等。系統(tǒng)首先對(duì)現(xiàn)有的顏色、紗線、面料、工藝單、紋板圖與組織圖等建立顏色庫、紗線庫、面料庫、工藝單庫、組織紋板圖庫等。在顏色庫方面,對(duì)潘通色卡上的所有顏色進(jìn)行建庫,另外還可以根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有紗線進(jìn)行顏色庫的建立,從而建立企業(yè)自己的色卡。在紗線庫方面,對(duì)庫中沒有的紗線,通過紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如線密度、捻度、捻向、紗線結(jié)構(gòu)等進(jìn)行紗線的設(shè)計(jì);在建立紗線庫、色卡庫、組織紋板庫的基礎(chǔ)上,根據(jù)所設(shè)計(jì)的花型、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行織物外觀的仿真,并實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯向各3種以上的條帶包袱樣的設(shè)計(jì)與仿真,每個(gè)條帶的經(jīng)緯紗顏色、排列、緯向條帶的組織、經(jīng)向條帶的穿綜方法都可以變化,在顯示器上顯示最終的包袱樣效果。最后能夠按照用戶的需求,展示整條圍巾的效果。圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是幫助用戶進(jìn)行大樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)、包袱樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及最終圍巾效果的整體呈現(xiàn)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析,首先建立色卡庫、紗線庫、面料庫、組織紋板圖庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,此外還包括與大樣產(chǎn)品及包袱樣產(chǎn)品等相關(guān)的其他數(shù)據(jù)信息[9]。使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是MS SQL Server,并進(jìn)行了系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)E-R 圖如圖2所示。在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)E-R 圖的產(chǎn)品信息表中,品名、工廠貨號(hào)等代表了大樣產(chǎn)品信息錄入界面中的各個(gè)實(shí)體屬性;花型信息表中的表層經(jīng)花文本等代表了經(jīng)向用紗信息錄入界面中的各個(gè)實(shí)體屬性。

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)E-R 圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng)的主要功能包括色卡建立、紗線設(shè)計(jì)、組織紋板圖設(shè)計(jì)、大樣設(shè)計(jì)、織物仿真效果展示、圍巾效果展示、包袱樣設(shè)計(jì),以及起絨、順毛、水波紋等后整理效果的生成等模塊。

3.1 色卡建立

系統(tǒng)色卡建立的基本思路是:通過分光測(cè)色儀對(duì)色紗進(jìn)行測(cè)色,獲得 紗線顏 色的R、G、B、L、a、b的數(shù)值,然后系統(tǒng)對(duì)該紗線織成的織物進(jìn)行仿真模擬,得到織物仿真樣,對(duì)比仿真樣與該紗線織成的織物,進(jìn)行顏色數(shù)字值的修正[10]。最終獲得該紗線顏色的R、G、B、L、a、b的數(shù)字值,存入數(shù)據(jù)庫并給定一個(gè)編號(hào),就形成了一個(gè)色卡。色卡建立的流程如圖3所示。

圖3 色卡建立流程圖

根據(jù)色卡建立的步驟,對(duì)潘通色卡上的所有顏色進(jìn)行建庫,還可以根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有紗線進(jìn)行顏色庫的建立,建立企業(yè)自己的色卡,如圖4所示,方便用戶使用,提高仿真效果。

圖4 企業(yè)自建色卡的顯示

3.2 紗線設(shè)計(jì)

紗線的設(shè)計(jì)通過鍵入線密度、捻度、捻向、紗線結(jié)構(gòu)等紗線參數(shù),計(jì)算機(jī)迅速仿真出要試紡紗線的效果,采用意匠格填充法的紗線計(jì)算機(jī)仿真方法,根據(jù)紗線的線密度,計(jì)算紗線的直徑,按照一定的放大倍數(shù)和意匠格的大小確定所需意匠格的縱橫數(shù);根據(jù)捻角,利用不同的色塊對(duì)意匠格進(jìn)行填充。填充完后,縮小至每個(gè)單元格對(duì)應(yīng)一個(gè)像素,完成紗線的模擬[5]。紗線計(jì)算機(jī)仿真過程中用到的主要數(shù)學(xué)模型包括紗線直徑的計(jì)算、捻角的計(jì)算、紗線顏色的填充方法等。例如,異色紗的填色方法在確定紗線直徑、捻角后還需要確定一個(gè)捻回的長(zhǎng)度,捻回的長(zhǎng)度與捻度有關(guān),捻度的定義是單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)捻回的個(gè)數(shù),所以捻回的長(zhǎng)度L計(jì)算公式為:

式中:Ttex為紗的捻度,捻/(10 cm);Dot為單位象素的寬度,它可以由顯示器分辨率獲得;B為放大倍數(shù)。

捻回長(zhǎng)度計(jì)算出來后,根據(jù)合股紗的股數(shù)以及每個(gè)單紗的直徑之間的比率,計(jì)算出每一根單紗顏色填充的寬度,接下來就可以根據(jù)紗線的捻角和填充寬度進(jìn)行顏色的填充。紗線設(shè)計(jì)模塊主要包括普通紗線、異色紗線及混色紗線的設(shè)計(jì)。異色紗線設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖5 異色紗線設(shè)計(jì)界面

3.3 大樣設(shè)計(jì)

在圍巾顏色選擇及紗線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行大樣設(shè)計(jì)。大樣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過鍵入工藝信息、經(jīng)向用紗信息、緯向用紗信息、紋板設(shè)計(jì)等各模塊所需參數(shù)信息來快速實(shí)現(xiàn)大樣產(chǎn)品的效果。

(1)工藝信息的輸入包括工藝號(hào)、品號(hào)、品名、工廠貨號(hào)、合約號(hào)、客戶名稱、條長(zhǎng)、條寬、穗長(zhǎng)、條重、經(jīng)密、緯密、織造長(zhǎng)縮、織造幅縮、扣號(hào)、筘幅、穿入數(shù)、全幅條數(shù)、總長(zhǎng)縮、總寬縮、重?fù)p、棉經(jīng)根數(shù)、邊經(jīng)根數(shù)、組織結(jié)構(gòu)、織物效果、工藝流程等信息。大樣產(chǎn)品信息錄入模塊的界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 大樣產(chǎn)品信息錄入界面

(2)經(jīng)向用紗信息的輸入主要包括紗線的選擇、經(jīng)紗排列文本等信息。經(jīng)向用紗信息錄入界面如圖7所示。點(diǎn)擊“新增紗線”,進(jìn)入紗線選擇界面,如圖8 所示。

圖7 經(jīng)向用紗信息錄入界面

圖8 紗線選擇界面

(3)經(jīng)紗排列文本。如果是經(jīng)二重或雙層組織,需要同時(shí)輸入表層經(jīng)紗和里層經(jīng)紗的花型排列文本;而單層組織或緯二重組織只需輸入表層經(jīng)紗的花型排列文本。“緯紗相同”經(jīng)向花型及紗線設(shè)計(jì)好后,如果緯紗的花型及用紗與經(jīng)紗相同,可以直接點(diǎn)擊“緯紗相同”按鈕,不需要再次錄入。

經(jīng)紗排列文本輸入完后,必須點(diǎn)擊“解析”按鈕進(jìn)行紗線文本解析,同時(shí)計(jì)算每花根數(shù),并根據(jù)在每條圍巾的地經(jīng)根數(shù)計(jì)算全幅花數(shù)及劈花加減頭情況,所以在點(diǎn)擊“解析”按鈕前,先確定每條圍巾的地經(jīng)根數(shù)。然后根據(jù)結(jié)余的地經(jīng)根數(shù),進(jìn)行劈花工藝的設(shè)計(jì),分別輸入起頭加、起頭減、末尾加、末尾減的經(jīng)紗排列文本。

經(jīng)向用紗信息輸入完畢后,進(jìn)入緯向用紗信息設(shè)計(jì),緯向用紗設(shè)計(jì)界面的功能與經(jīng)向用紗設(shè)計(jì)界面的功能相似,主要是完成緯向用紗的選擇及緯向花型的設(shè)計(jì)等。

(4)緯向用紗信息設(shè)計(jì)完畢后,進(jìn)入紋板圖設(shè)計(jì)界面,如圖9所示。在計(jì)算機(jī)中,織物的組織圖是用二維矩陣來表示與存儲(chǔ)的[11]。在界面生成的電子意匠紙上可以繪制需要的紋板圖,點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行組織點(diǎn)的點(diǎn)擊,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行清除。

圖9 紋板圖及穿綜方法設(shè)計(jì)界面

紋板圖設(shè)計(jì)好后,輸入穿綜方法。穿綜方法的錄入可以采用2種方法:一種是采用手工錄入的方法,在穿綜方法列表中輸入穿綜方法文本;另一種是直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用以前已經(jīng)錄入過的穿綜方法,紋板圖與穿綜方法設(shè)計(jì)完畢后,分別點(diǎn)擊“驗(yàn)證紋板圖”“驗(yàn)證穿綜方法”,進(jìn)行紋板圖和穿綜方法的驗(yàn)證。驗(yàn)證完畢后,點(diǎn)擊“保存入庫”,完成大樣產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)。

3.4 織物外觀仿真

使用基于紗線浮長(zhǎng)線光強(qiáng)分布的織物外觀仿真方法來實(shí)現(xiàn)織物外觀的仿真效果。通過分析織物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征,根據(jù)織物類型對(duì)紗線、織物的空間結(jié)構(gòu)和織物的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,并在幾何模型的基礎(chǔ)上選擇光照模型,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)光照模型計(jì)算出織物表面各點(diǎn)的顏色,從而獲得了較為準(zhǔn)確的紗線浮長(zhǎng)線上每個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)分布系數(shù),最后獲得織物的仿真圖像[12]。在已知織物經(jīng)緯紗密度、經(jīng)緯向色紗排列、經(jīng)緯使用的色紗及織物組織圖的基礎(chǔ)上,可以對(duì)設(shè)計(jì)的織物進(jìn)行外觀的模擬。該方法在保證織物外觀真實(shí)感效果模擬的基礎(chǔ)上,大大降低織物外觀仿真算法的難度,提高織物外觀仿真算法的效率;提高了織物外觀仿真模擬的效果,織物在計(jì)算機(jī)中的仿真模擬效果更加接近真實(shí)的織物效果,與真實(shí)織物具有極高的相似度,從而盡可能地取代打小樣工作,用仿真樣代替實(shí)物樣。圖10為生成的織物仿真效果。

圖10 大樣設(shè)計(jì)織物仿真效果圖

3.5 圍巾整體效果仿真

織物仿真完成后,就可以進(jìn)行整體圍巾效果的仿真。圍巾效果包括正面效果與反面效果,點(diǎn)擊“織物設(shè)計(jì)”→“圍巾效果模擬”→“正面效果”或“反面效果”子菜單項(xiàng),就可以查看圍巾正面效果或反面效果。圍巾穗子的生成主要采用了隨機(jī)數(shù)加遞歸的算法,它的核心思想是通過遞歸生成多個(gè)穗子,每個(gè)穗子的形態(tài)和位置由隨機(jī)數(shù)和參數(shù)決定,從而生成多樣性的穗子圖案。首先,通過調(diào)用隨機(jī)函數(shù)來初始化隨機(jī)數(shù)生成器,然后使用隨機(jī)函數(shù)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù),該隨機(jī)數(shù)會(huì)在后續(xù)的判斷中用于確定穗子生成的方式。并且使用遞歸方法來生成多個(gè)穗子,每次遞歸調(diào)用都會(huì)根據(jù)隨機(jī)數(shù)和其他參數(shù)確定當(dāng)前穗子的生成方式和形態(tài),在不同條件下,穗子的生成方向會(huì)發(fā)生變化,在穗子數(shù)量達(dá)到一定限制時(shí),遞歸終止。圖11為圍巾的仿真效果圖,不僅能夠看到整條圍巾的外觀效果,也能夠看到圍巾2種穗子的效果。圍巾穗子有“搓捻”和“散須”2 種類型,穗子的類型主要取決于穗子的長(zhǎng)度,長(zhǎng)度4.5 cm以下用散須,長(zhǎng)度4.5 cm 以上用搓捻。圖11為圍巾產(chǎn)品(搓捻)的仿真模擬。

圖11 圍巾產(chǎn)品(搓捻)的仿真模擬

3.6 特殊效果展示

圍巾產(chǎn)品的仿真效果模擬完成后,也可以進(jìn)行一些后整理工藝。不同的后整理工藝,最終產(chǎn)品的外觀效果也會(huì)有所不同。為了更加真實(shí)地模擬圍巾產(chǎn)品效果,還開發(fā)了一些后整理效果的仿真模擬功能,主要模擬的后整理效果包括起絨、順毛、水波紋,其中起絨可以模擬出不同程度的起絨效果,如輕度起絨、中度起絨、重度起絨效果。后整理織物效果如圖12所示。

圖12 后整理織物效果仿真圖

3.7 工藝單的自動(dòng)生成與打印

在完成大樣產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及圍巾效果仿真模擬后,就可以生成圍巾產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝單。工藝單按照工廠標(biāo)準(zhǔn)格式生成,可以替代原來的手工計(jì)算及人工制單,電子生成方式大大提高了工藝單生成的準(zhǔn)確率和效率,工藝單打印后就可以指導(dǎo)車間進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。電子生成工藝單如圖13所示。

圖13 生成的格式工藝單

3.8 圍巾產(chǎn)品電子樣的生成

圍巾企業(yè)與客戶進(jìn)行貿(mào)易活動(dòng)時(shí),大多數(shù)采用實(shí)物樣進(jìn)行交易。實(shí)物樣要先制作樣品,會(huì)出現(xiàn)制樣時(shí)間長(zhǎng)的情況;同時(shí)也會(huì)有實(shí)物樣成本高、原料浪費(fèi)等問題,例如原料成本極高的羊絨產(chǎn)品。傳統(tǒng)的交易方式增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本,減少了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,開發(fā)了圍巾產(chǎn)品的電子樣(或紙質(zhì)樣)生成功能,電子樣包括圍巾的正反面的整體效果、1∶1的織物外觀仿真效果及產(chǎn)品的基本信息。產(chǎn)品生成的電子樣如圖14所示。

圖14 圍巾產(chǎn)品的電子樣

3.9 包袱樣設(shè)計(jì)功能

為了提高圍巾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率,系統(tǒng)還提供了包袱樣設(shè)計(jì)功能。包袱樣是由多個(gè)經(jīng)向條帶與多個(gè)緯向條帶相互交織而成,每一個(gè)經(jīng)向條帶與一個(gè)緯向條帶交織形成一個(gè)新的產(chǎn)品。系統(tǒng)一次最多可以設(shè)計(jì)12條經(jīng)向條帶和12條緯向條帶,每個(gè)條帶對(duì)應(yīng)一個(gè)色紗排列,對(duì)應(yīng)著一個(gè)花型,每個(gè)經(jīng)緯條帶的用紗顏色、排列可以變化。另外通過不同的經(jīng)向條帶對(duì)應(yīng)不同的穿綜方法、不同的緯向條帶對(duì)應(yīng)不同的紋板圖的方法,最終實(shí)現(xiàn)了不同花型、不同顏色、不同組織結(jié)構(gòu)的包袱樣的仿真模擬。包袱樣生成效果如圖15所示。

圖15 包袱樣生成效果

4 結(jié)束語

介紹了圍巾產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圍巾產(chǎn)品的快速開發(fā)與仿真模擬。通過建立色卡庫、紗線庫、面料庫等強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫,快速實(shí)現(xiàn)圍巾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供支持。通過建立企業(yè)的顏色庫,并以此進(jìn)行紗線的設(shè)計(jì)與仿真,進(jìn)而建立紗線庫,最后從紗線庫中選擇相應(yīng)的紗線進(jìn)行圍巾產(chǎn)品的仿真,保證了產(chǎn)品仿真顏色與真實(shí)顏色的一致性;并且可以保存設(shè)計(jì)人員以前做過的所有設(shè)計(jì),包括紗線、花型排列、組織紋板、穿綜方法等,可以隨時(shí)用于新的設(shè)計(jì)中,不僅方便用戶使用,而且極大地提高了設(shè)計(jì)效率。系統(tǒng)中還設(shè)置了如起絨、順毛、水波紋等多種后整理效果仿真功能來進(jìn)一步增強(qiáng)圍巾產(chǎn)品的真實(shí)效果,使得仿真出來的圍巾產(chǎn)品外觀效果與真實(shí)織物具有較高的相似度,大大減少了企業(yè)打樣的工作量。該系統(tǒng)不僅方便圍巾企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā),提高了圍巾產(chǎn)品的開發(fā)效率,而且降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。