CN105243175A - 一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，通过建立纱线表面几何模型；选择简单光反射模型，分析织物中纱线浮长线的光强变化情况，确定光强变化系数；随后确定纱线浮长线中心点的光强；最后进行织物外观的仿真。本发明通过对纱线浮长线表面的光强分布情况进行分析，建立相应的数学模型，从而获得了较为准确纱线浮长线上每个点的光强分布系数；在保证织物外观真实感效果模拟的基础上，大大降低织物外观仿真算法的难度，提高织物外观仿真算法的效率；提高了织物外观仿真模拟的效果，织物在计算机中的仿真模拟效果更加接近真实的织物效果，从而尽可能地取代打小样工作，用仿真样代替实物样。

Description

一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法

技术领域

本发明属于织物外观仿真模拟技术领域，具体涉及一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法。

背景技术

织物外观仿真是利用计算机图形技术将设计人员的设计意图以织物仿真模拟的方法在显示器上快速、形象、直观地显示出来。织物计算机仿真技术的应用，对于提高纺织产品的设计效率，降低产品设计成本，提高企业效益和快速反应能力等方面都具有重要的意义。但由于构成织物的纱线具有柔韧性、线密度小以及有毛羽等特点，所以织物外观模拟是一个比较困难的问题，同时也是纺织CAD系统要解决的重要问题之一。

基于真实感图像生成的织物外观仿真方法，由于能准确地描述织物中纱线的空间结构，得到较逼真的三维立体模拟效果，因此较好地织物仿真效果。顾等人(顾尔丹，马凌洲，许端清，等.提花织物外观的计算机模拟生成[J].系统仿真学报，2001，13(3):400-403)通过对织物浮长的光照处理提出了用光照因子模板来实现的方法，减少了计算量，提高了模拟速度。张等人(张瑞云，黄新林，李汝勤.机织物的计算机三维模拟[J].纺织学报，2005，26(1):62-63，69)采用Bezier曲线去拟合纱线表面形态，并考虑纱线的飘移与压缩等因素，借助于OpenGL开发工具，实现机织物三维模拟。商等人(商欣萍，徐世瑞，陈怡星.机织物组织计算机仿真模拟的数学模型与实现方法[J].中国纺织大学学报，2000，26(5):43-47)将纱线抽象为圆柱体，再考虑纱线的轴向弯曲，并分别建立光强函数，最后将两光强模型叠加得到最终的光强函数，从而实现织物的模拟。王等人(王志东，颜钢锋，张森林.提花织物外观计算机模拟实现方法[J].纺织学报，2004，25(1):106-108)以光照产生的明暗效应为基础，分析了纱线在织物中的分离、聚拢效应及浮长线对织物外观的影响，结合人工智能判断算法模拟织物的外观。

上述方法在一定程度上提高了织物模拟的真实感，推动了织物CAD技术的发展，但在织物外观模拟效果和算法的效率及可行性等方面还有待于进一步提高。基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法是在织物真实感图像的生成方法基础上，通过对织物表面纱线浮长线的光强变化情况进行分析，提出了一个织物外观仿真的快速算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，能够实现织物外观的快速仿真，解决现有织物外观仿真方法效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：建立纱线表面几何模型；

步骤2：利用简单光反射模型，分析织物中纱线浮长线的光强变化情况，确定光强变化系数；

步骤3：确定纱线浮长线中心点的光强；

步骤4：进行织物外观的仿真。

本发明的特征还在于，

步骤1中，纱线表面几何模型的建立过程为：

步骤1.1：建立纱线的截面方程：对于椭圆形截面纱线，在YOZ平面建立经纱的截面方程为：

$\frac{y^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{jl}\right)}^2}+\frac{{(z-f_j)}^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{js}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

式中：d_jl为经纱截面长直径，单位mm；

d_js为经纱截面短直径，单位mm；

f_j为经纱轴心线屈曲形态方程；

步骤1.2：建立纱线交织过程中轴心线屈曲形态方程：纱线轴心线屈曲形态方程(f_j)实际上是纱线的轴心走向形态，轴心走向形态为正弦或余弦曲线形态，即：

f_j＝A_jsin(ω_jx)(2)

式中：A_j为正弦曲线的振幅，其中d_js为经纱截面短直径，d_ws为纬纱截面短直径，h_w为织物组织循环内纬纱屈曲波高；ω_j为频率，其中T_j为正弦曲线的周期，l_w为纬纱的几何密度，F_j为经纱的连续浮点数；即：

$f_j=\frac{1}{2}(d_{js}+d_{ws}-h_w)*sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{F_j{l}_w}x\right)---\left(3\right)$

步骤1.3：将式(3)代入式(1)就得到每根经纱的表面的几何模型，利用步骤1.1～1.2的方法，得到每根纬纱表面几何模型。

步骤2中，光强变化系数的确定过程为：

步骤2.1：确定纱线浮长线轴心截面的光强分布：

浮长在织物表面的屈曲形态呈正弦曲线，设定光源及视点均在织物正上方无穷远处，于是浮长线中心O点的入射角为0°，根据I_d＝I_p·k_d·cosα，所以O点为反射光强最大的点，随着曲线上的点偏离O点距离越大，入射角α越大，漫反射光强分量的衰减越大；所以，对于曲线上任意一点B，距离中心点的垂直距离BA＝Δx，入射角为α，于是tanα＝-y′(x)，得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[y^{\′}\left(x\right)\]}^2}}---\left(4\right)$

又因为：y(x)＝A*sin(ωx)，得：

y′(x)＝Aωcos(ωx)(5)

将式(5)及代入式(4)得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[A\mathrm{\ω}cos\left(\mathrm{\ω}\left(\frac{T}{4}\±\mathrm{\Δ}x\right)\right)\]}^2}}---\left(6\right)$

式中，A为振幅，其中d_js为经纱截面短直径，d_ws为纬纱截面短直径，h_w为织物组织循环内纬纱屈曲波高；ω为频率，ω＝π/L_j；T为正弦曲线的周期，T＝2*L_j；L_j为经浮长长度；

根据式(6)可以得到距离中心点为Δx点的漫反射光强为：

I_Bd＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα(7)

式中：I_Bd为B点的漫反射光强；

I_Od为O点的漫反射光强；

步骤2.2：确定纱线浮长线横截面的光强分布：

令纱线截面曲线上任意一点A的入射角为α，距离中心点的垂直距离为x，由式(4)得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{(1-{\left(\frac{x}{r}\right)}^2})---\left(8\right)$

则对于纱线截面曲线上任意一点A的漫反射光强：

I_Ad＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα(9)

根据式(7)及(9)，即得纱线浮长线光强变化情况，确定相应的光强变化系数。

步骤3中，纱线浮长线中心点的光强的确定过程为：纱线浮长线上光强是以中心O点，沿横截面和轴心线方向衰减，则：

$I_O=L*W/\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{W}{\Σ}}{I}_{i,j}---\left(10\right)$

式中：I_O为中心点O点的光强；

L为浮长线的长度，单位像素个数；

W为浮长线的宽度，单位像素个数；

I_i,j为浮长线上任意点的光强系数。

步骤4中，织物外观的仿真的具体步骤为：

步骤4.1：根据输入的经纱直径d_j、纬纱直径d_w、织物经纬密度l_j和l_w，确定织物的几何结构相、经纱屈曲波高h_j和经纱屈曲波高h_w；

步骤4.2：在组织矩阵中进行搜索，如果当前组织点是经组织点组织矩阵中对应元素值为1，则沿着经纱方向，在组织矩阵中向上搜索，找到所有的经组织点，经组织点个数k，然后转入步骤4.3；如果为纬组织点，跳到步骤4.8；

步骤4.3：根据经组织点个数k，纬纱密度l_w、纬纱直径d_w计算经浮长长度：

L_j＝k*l_w+(l_w-d_w)

步骤4.4：确定经浮长右下角的位置，如果当前组织点的行标为i，列标为j，则右下角的位置x＝i*l_w，y＝j*l_j；

步骤4.5：根据式(10)计算浮长线中心点O点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.6：根据式(7)计算浮长线轴向中心点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.7：根据步骤4.6计算结果，再根据式(9)计算截面上各点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.8：如果是纬组织点，则沿着纬纱方向向左搜索，找到所有的连续纬组织的个数；

步骤4.9：利用步骤4.3～4.7的方法显示出纬浮长线；

步骤4.10：如果组织循环内的组织点没有被搜索完，即：组织点所在行或列小于等于经纬纱循环数，跳到步骤4.2继续进行；否则结束。

本发明的有益效果是，

(1)通过对纱线浮长线表面的光强分布情况进行分析，建立起相应的数学模型，从而获得了较为准确纱线浮长线上每个点的光强分布系数。

(2)在保证织物外观真实感效果模拟的基础上，大大降低织物外观仿真算法的难度，提高织物外观仿真算法的效率。

(3)提高了织物外观仿真模拟的效果，织物在计算机中的仿真模拟效果更加接近真实的织物效果，从而尽可能地取代打小样工作，用仿真样代替实物样。

附图说明

图1为织物经向截面模型图；

图2为纱线浮长线屈曲形态图；

图3为利用本发明方法所得织物外观仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明方法的原理为：织物表面是由相互垂直的经浮长、纬浮长交错排列而形成。在织物的上方，只能看见这些浮长，从轴心剖面来看，浮长在织物表面的屈曲形态呈正弦曲线(或近似正弦曲线)。通过对织物表面浮长线的光强分布情况进行分析，发现各点的漫反射光强沿着轴向或截面方向均随距离增大而衰减，衰减系数为入射角的余弦，从而建立起纱线浮长线光强分布系数计算的相应数学模型，进而实现纱线浮长线的计算机仿真模拟，通过对所有经、纬浮长线外观模拟实现对织物外观的仿真模拟。

本发明一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，具体步骤如下：

步骤1，建立纱线表面几何模型，并选择相应的光照模型。

步骤1.1：建立纱线的截面方程：

机织物是由经纱、纬纱按照一定的组织规律(即织物组织)交织而成，织物的几何结构是研究经纱和纬纱的空间关系。如图1所示，假设l_j(l_w)组织循环的经纱(纬纱)几何密度；h_j(h_w)经(纬)纱屈曲波高，用织物内经(纬)纱线屈曲的波峰和波谷之间垂直于织物表面方向的距离表示；d_j(d_w)经(纬)纱直径；d_jl、d_js(d_wl、d_ws)经(纬)纱截面长、短直径。于是对于椭圆形截面纱线，其经纱的截面方程为：

$\frac{y^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{jl}\right)}^2}+\frac{{(z-f_j)}^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{js}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

式中：d_jl、d_js为经纱截面长、短直径；f_j为椭圆圆心，即为经纱在交织状态下其轴心线屈曲形态方程；

步骤1.2：建立纱线交织过程中轴心线屈曲形态方程：

纱线轴心线屈曲形态方程(f_j)实际上是纱线的轴心走向形态，轴心走向形态可以认为是正弦或余弦曲线形态，它们之间只是坐标原点选择不同而已。所以有：

f_j＝A_jsin(ω_jx)(2)

式中：A为振幅，ω_j为频率，其中T_j为正弦曲线的周期、l_w纬纱的几何密度、F_j经纱的连续浮点数；

把参数的值代入(2)式，所以有：

$f_j=\frac{1}{2}(d_{js}+d_{ws}-h_w)*sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{F_j{l}_w}x\right)---\left(3\right)$

把(3)式代入式(1)就得到每根经纱的表面的几何模型。

对于纬纱而言，其表面的几何模型建立与经纱相同。

步骤1.3：光照模型的选用，本发明选择简单光反射模型，由物体表面上P反射到视点的光强I为环境光的反射光强I_e、理想漫反射光强I_d和镜面反射光强I_s三部分的总和。其中，I_s是镜面反射光强，由于其表面粗糙不平，对光的镜面反射量很小，所以为了研究问题的方便，把这部分分量给省略；而环境光反射分量，在简单光反射模型中，它是一个常量。而I＝I_d+I_e＝I_p·k_d·cosα+I_e，其中，I_p、k_d为常量，所以反射强度I只与入射角的余弦有关。

步骤2：分析织物中纱线浮长线的光强变化情况，确定光强变化系数。

步骤2.1：确定纱线浮长线轴心截面的光强分布：

根据步骤1.2获知，浮长在织物表面的屈曲形态呈正弦曲线。如图2所示，设定光源及视点均在织物正上方无穷远处，于是浮长线中心O点的入射角为0°，根据I_d＝I_p·k_d·cosα，所以O点为反射光强最大的点，随着曲线上的点偏离O点距离越大，入射角α越大，漫反射光强分量的衰减越大。所以，对于曲线上任意一点B，距离中心点的垂直距离BA＝Δx，入射角为β，于是tanα＝-y′(x)，所以有α：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[y^{\′}\left(x\right)\]}^2}}---\left(4\right)$

又因为：y(x)＝A*sin(ωx)，所以有：

y′(x)＝Aωcos(ωx)(5)

将(5)式及代入式(4)可以得到：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[A\mathrm{\ω}cos\left(\mathrm{\ω}\left(\frac{T}{4}\±\mathrm{\Δ}x\right)\right)\]}^2}}---\left(6\right)$

式中的A、ω、T由上面的式(3)所确定。

根据(6)式，可以得到距离中心点为Δx点的漫反射光强为：

I_Bd＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα(7)

式中：I_Bd、I_Od——分别为B点与O点的漫反射光强；

步骤2.2：确定纱线浮长线横截面的光强分布：

设纱线截面曲线上任意一点A的入射角为α，距离中心点的垂直距离为x，由(4)式可得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{(1-{\left(\frac{x}{r}\right)}^2})---\left(8\right)$

于是，对于截面曲线上任意一点A的漫反射光强：

I_Ad＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα(9)

它是以中心点O点的光强为基础，按照式(7)及(9)进行衰减，纬纱浮长线与经纱浮长线相似。根据式(7)及(9)，就可以纱线浮长线光强变化情况，确定相应的光强变化系数。

步骤3：确定纱线浮长线中心点的光强：

根据步骤2的分析可知，纱线浮长线上光强是以中心O点，沿横截面和轴心线方向衰减，因此要想知道浮长线上每一点的光强，必须先确定中心点的光强或者光强系数。中心点光强系数确定的依据是纱线浮长线上每个点表现出来的光强均值必须与该纱线颜色的光强一致，只有这样才不会引起纱线颜色的变化。于是：

$I_O=L*W/\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{W}{\Σ}}{I}_{i,j}---\left(10\right)$

式中：L表示浮长线的长度；

W表示浮长线的宽度；

I_i,j浮长线上任意点的光强系数。

步骤4：进行织物外观的仿真：

步骤4.1：根据输入的经纬纱线密度、织物经纬密度，确定步骤1.1中的d_w、d_j、l_w、l_j；并确定织物的几何结构相，以便确定h_w、h_j；

步骤4.2：在组织矩阵中进行搜索，如果当前组织点是经组织点，则向上搜索，找到所有的经组织点的个数k，然后转入下一步；如果为纬组织点，跳到步骤4.9；

步骤4.3：根据经组织点个数k，纬纱密度l_w、纬纱直径d_w计算经浮长长度L_j＝k*l_w+(l_w-d_w)，宽度为d_j；

步骤4.4：计算式(6)中A、ω＝π/L_j、T＝2*L_j；

步骤4.5：确定经浮长右下角的位置，如果当前组织点的行标为i，列标为j，则右下角的位置x＝i*l_w，y＝j*l_j；

步骤4.6：按照式(10)确定浮长线中心点，即最亮点的颜色值，并显示；

步骤4.7：根据式(7)计算浮长线轴向中心点的颜色值，并显示；

步骤4.8：根据步骤4.7计算结果，再根据式(9)计算截面圆弧上各点的颜色值，并显示；

步骤4.9：如果是纬组织点，向左搜索，找到所有的连续纬组织的个数；

步骤4.10：参照步骤4.3～步骤4.8显示出纬浮长线。

步骤4.11：如果组织循环内的组织点没有被搜索完，跳到步骤4.2继续进行；否则结束。

图3是利用本发明方法进行织物外观仿真实验所得的结果；从图中可以看出织物几何结构相为第五结构相，经、纬纱的线密度均为72支二合股，经纱密度为300根/10厘米，纬纱密度为284根/10厘米，织物组织为方平。

Claims (5)

1.一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：

步骤1：建立纱线表面几何模型；

步骤2：利用简单光反射模型，分析织物中纱线浮长线的光强变化情况，确定光强变化系数；

步骤3：确定纱线浮长线中心点的光强；

步骤4：进行织物外观的仿真。

2.根据权利要求1所述的一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，其特征在于，步骤1中，纱线表面几何模型的建立过程为：

步骤1.1：建立纱线的截面方程：对于椭圆形截面纱线，在YOZ平面建立经纱的截面方程为：

$\frac{y^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{jl}\right)}^2}+\frac{{(z-f_j)}^2}{{\left(\frac{1}{2}{d}_{js}\right)}^2}=1,---\left(1\right)$

式中：d_jl为经纱截面长直径，单位mm；

d_js为经纱截面短直径，单位mm；

f_j为经纱轴心线屈曲形态方程；

步骤1.2：建立纱线交织过程中轴心线屈曲形态方程：纱线轴心线屈曲形态方程(f_j)实际上是纱线的轴心走向形态，轴心走向形态为正弦或余弦曲线形态，即：

f_j＝A_jsin(ω_jx)，(2)

式中：A_j为正弦曲线的振幅，其中d_js为经纱截面短直径，d_ws为纬纱截面短直径，h_w为织物组织循环内纬纱屈曲波高；ω_j为频率，其中T_j为正弦曲线的周期，l_w为纬纱的几何密度，F_j为经纱的连续浮点数；即：

$f_j=\frac{1}{2}(d_{js}+d_{ws}-h_w)*sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{F_j{l}_w}x\right),---\left(3\right)$

步骤1.3：将式(3)代入式(1)就得到每根经纱的表面的几何模型，利用步骤1.1～1.2的方法，得到每根纬纱表面几何模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，其特征在于，步骤2中，光强变化系数的确定过程为：

步骤2.1：确定纱线浮长线轴心截面的光强分布：

浮长在织物表面的屈曲形态呈正弦曲线，设定光源及视点均在织物正上方无穷远处，于是浮长线中心O点的入射角为0°，根据I_d＝I_p·k_d·cosα，所以O点为反射光强最大的点，随着曲线上的点偏离O点距离越大，入射角α越大，漫反射光强分量的衰减越大；所以，对于曲线上任意一点B，距离中心点的垂直距离BA＝Δx，入射角为α，于是tanα＝-y′(x)，得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[y^{\′}\left(x\right)\]}^2}},---\left(4\right)$

又因为：y(x)＝A*sin(ωx)，得：

y′(x)＝Aωcos(ωx)，(5)

将式(5)及代入式(4)得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{1+{\[A\mathrm{\ω}cos\left(\mathrm{\ω}\left(\frac{T}{4}\±\mathrm{\Δ}x\right)\right)\]}^2}},---\left(6\right)$

式中，A_j为振幅，其中d_js为经纱截面短直径，d_ws为纬纱截面短直径，h_w为织物组织循环内纬纱屈曲波高；ω为频率，ω＝π/L_j；T为正弦曲线的周期，T＝2*L^j；L_j为经浮长长度；

根据式(6)可以得到距离中心点为Δx点的漫反射光强为：

I_Bd＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα，(7)

式中：I_Bd为B点的漫反射光强；

I_Od为O点的漫反射光强；

步骤2.2：确定纱线浮长线横截面的光强分布：

令纱线截面曲线上任意一点A的入射角为α，距离中心点的垂直距离为x，由式(4)得：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{(1-{\left(\frac{x}{r}\right)}^2}),---\left(8\right)$

则对于纱线截面曲线上任意一点A的漫反射光强：

I_Ad＝I_P.k_d.cosα＝I_Od.cosα，(9)

根据式(7)及(9)，即得纱线浮长线光强变化情况，确定相应的光强变化系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，其特征在于，步骤3中，纱线浮长线中心点的光强的确定过程为：纱线浮长线上光强是以中心O点，沿横截面和轴心线方向衰减，则：

$I_O=L*W/\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{W}{\Σ}}{I}_{i,j},---\left(10\right)$

式中：I_O为中心点O点的光强；

L为浮长线的长度，单位像素个数；

W为浮长线的宽度，单位像素个数；

I_i,j为浮长线上任意点的光强系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法，其特征在于，步骤4中，织物外观的仿真的具体步骤为：

步骤4.1：根据输入的经纱直径d_j、纬纱直径d_w、织物经纬密度l_j和l_w，确定织物的几何结构相、经纱屈曲波高h_j和经纱屈曲波高h_w；

步骤4.2：在组织矩阵中进行搜索，如果当前组织点是经组织点组织矩阵中对应元素值为1，则沿着经纱方向，在组织矩阵中向上搜索，找到所有的经组织点，经组织点个数k，然后转入步骤4.3；如果为纬组织点，跳到步骤4.8；

步骤4.3：根据经组织点个数k，纬纱密度l_w、纬纱直径d_w计算经浮长长度L_j：

L_j＝k*l_w+(l_w-d_w)，

步骤4.4：确定经浮长右下角的位置，如果当前组织点的行标为i，列标为j，则右下角的位置x＝i*l_w，y＝j*l_j；

步骤4.5：根据式(10)计算浮长线中心点O点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.6：根据式(7)计算浮长线轴向中心点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.7：根据步骤4.6计算结果，再根据式(9)计算截面上各点的光强，将光强转换为RGB，并显示；

步骤4.8：如果是纬组织点，则沿着纬纱方向向左搜索，找到所有的连续纬组织的个数；

步骤4.9：利用步骤4.3～4.7的方法显示出纬浮长线；

步骤4.10：如果组织循环内的组织点没有被搜索完，即：组织点所在行或列小于等于经纬纱循环数，跳到步骤4.2继续进行；否则结束。