CN107273622B - 基于纤维的数码纱仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纤维的数码纱仿真方法，包括：基于真实纱线中的纤维，构件纤维纹理的数学模型以获得每根纤维的模拟效果图；根据真实纱线的纺纱工艺参数计算真实纱线上的区域色块参数，构建纱线色块排列模型以获得纱线色块模拟效果图；利用真实纱线中不同组份间渐变规律构建模拟纱线的颜色渐变模型以获得颜色渐变模拟效果图，同时结合光照模型仿真真实纱线的亮度信息；采集真实纱线的直径数据，模拟纱线仿真真实纱线的直径形态以获得直径形态模拟效果图；模拟纱线可视化调整优化以获得人眼分辩率下的模拟纱线效果图。能够快速的实现数码纱线外观的仿真，解决因数码纱配色复杂多变，数码纱外观难以直观预测的问题。

Description

基于纤维的数码纱仿真方法

技术领域

本发明涉及纱线外观仿真模拟技术领域，特别是涉及一种基于纤维的数码纱仿真方法。

背景技术

随着计算机的快速发展，愈来愈多的行业内人员着手于纺织品的真实模拟。而在纺织品的仿真模拟过程中，纱线作为构成织物的基本单元，其模拟效果直接决定了最终织物的模拟效果。因此，为了促进数码纱在织物中的应用，数码纱的仿真就变得尤其重要。

目前，许多学者对纱线仿真进行了研究。张瑞云等人(张瑞云,李汝勤.花式纱线嵌于织物中效果的计算机模拟[J].纺织学报,2000,21(5):34-36.)采用真实纱线提取法对纱线进行仿真。邓中明等人(邓中明,杨斌.花式纱线的计算机仿真[J].纺织学报,1994,15(6):268-270.)把纱线比作是由一个个矩形块按照相应的参数堆叠排列而成的。童步章等人(童步章,汪德潢,贺振营等.单纱的计算机模拟[J].大连轻工业学院学报,2001,20(4):287-290.)提出了用带有圆弧边的倾斜的矩形色块作为基本单元，并用其上随机产生的抛物线样条曲线。马云芳等人(马云芳,王小华.纱线的计算机模拟[J].四川纺织科技,2004(3):10-12.)提出了用擦去四个角的平行四边形来模拟单纱和股纱的方法。无论是矩形块还是平行四边形块，虽说可以快速的进行纱线的仿真模拟，但其外观特征也只能勉强与纱线的真实特征相匹配。真实纱线提取法虽然可以保留纱线中的大部分信息，但是对纱线图像的采集和处理，使仿真过程变得复杂且缓慢。

相比于普通纱线，数码纱的结构以及配色排列等更加复杂，种类更加丰富。因此，要对数码纱进行仿真，单纯的使用已有的仿真方法难以实现。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种基于纤维的数码纱仿真方法，能够快速的实现数码纱外观的仿真，解决因数码纱配色复杂多变，数码纱外观难以直观预测的问题。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种基于纤维的数码纱仿真方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S1、基于真实数码纱的纱线中的纤维，构件纤维纹理的数学模型以获得每根纤维的模拟效果图；

S2、根据真实纱线的纺纱工艺参数计算真实纱线上的区域色块参数，构建纱线色块排列模型以获得纱线色块模拟效果图；

S3、利用真实纱线中不同组份间渐变规律构建模拟纱线的颜色渐变模型以获得颜色渐变模拟效果图，同时结合光照模型仿真真实纱线的亮度信息；

S4、采集真实纱线的直径数据，模拟纱线仿真真实纱线的直径形态以获得直径形态模拟效果图；

S5、模拟纱线可视化调整优化以获得人眼分辩率下的模拟纱线效果图。

本方案在已有纱线仿真的基础上，把单根纤维作为纱线模拟基元，将数码纱分成基于纤维单元的纹理模型构建、纱线色块的排列、颜色渐变模型结合光照模型、直径形态四个模块进行模拟。采用这种方法，可以尽可能的使数码纱的特征完整的再现，并且可以快速的实现。

较佳地，在步骤S1中，构件纤维纹理的数学模型过程为：

采用一个像素点作为构成每根纤维的元素，将每根纤维的纹理转换为矩阵形式的数学模型：

式中，d表示每根纤维的高度，E_i,p(i)表示每根纤维的第i个像素点的RGB值；

将每根纤维的RGB值转化为HSV值，对转化得到的HSV值中的V值在设定亮度范围内随机变化以获得新的HSV值，并将新的HSV值重新转换为RGB值以获得每根纤维的新的数学模型。

较佳地，在步骤S2中，利用公式1计算出真实纱线的纱线直径，公式1为：

式中，d为纱线直径(mm)，Nt为真实纱线的纱线细度(tex)，δy为真实纱线的纱线密度(g/cm3)，δy＝0.8～0.9；

利用公式2计算出真实纱线的纱线捻距，公式2为：

式中，h为纱线捻距(mm)，Tt为真实纱线的纱线捻度；

利用公式3计算出真实纱线的纱线捻回角，公式3为：

式中，β为纱线捻回角；

获得一个周期的色块的长度和色块的宽度，将每根纤维按照捻回方向依次排列，构建基于纤维单元的纱线色块排列模型，其中，色块的长度为纱线捻距，色块的宽度为纱线直径。

较佳地，在步骤S3中，利用不同组份间等差数列递增递减的渐变规律，构建模拟纱线的颜色渐变模型。

较佳地，在步骤S3中，利用公式4计算真实纱线的表面任意一点的光照强度，公式4为：

G₂(x,y)＝C×sin x 0≤x≤π

C＝I_l×K_d 0≤K_d≤1

式中，G₂(x,y)为光照强度函数，I_l为光源的入射光强度，K_d为真实纱线的表面漫反射率。

较佳地，在步骤S4中，采集多幅连续无间断的真实纱线的直径图像，并对采集的纱线序列图像进行图像分割和形态学运算处理，获取真实纱线的直径数据；

将真实纱线的直径数据赋予给模拟纱线，以仿真真实纱线的直径形态。

较佳地，在步骤S5中，计算人眼的分辨率和模拟纱线的图像分辨率的倍数关系，应用双线性插值算法对模拟纱线的图像进行压缩处理以获得人眼分辨率下的模拟纱线效果图。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1、以纤维像素点作为仿真的基本单元，依据纱线外观特征，建立相应的数学模型，可以控制模拟纱线上的每一个像素点，从而获得了比较逼真的数码纱外观效果。

2、采集真实纱线的外观直径数据，并赋予仿真纱线，使得仿真纱线更加逼真。

3、对计算机仿真出的纱线进行人眼分辩率的转化，使得仿真纱线效果与真实纱线在人眼视觉范围内的外观效果，具有一致性。

4、该方法能较快地模拟出数码纱的外观，并且与实际数码纱的外观视觉十分接近，为数码纱的设计开发以及织物仿真奠定了基础。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的基于纤维的数码纱仿真方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于纤维的数码纱仿真方法，其包括以下步骤：

步骤101、基于真实数码纱的纱线中的纤维，构件纤维纹理的数学模型以获得每根纤维的模拟效果图。

构件纤维纹理的数学模型过程为：

采用一个像素点作为构成每根纤维的元素，其中每个元素有包括3种颜色属性：R、G、B。将每根纤维的纹理转换为矩阵形式的数学模型：

式中，d表示每根纤维的高度，E_i,p(i)表示每根纤维的第i个像素点的RGB值；由于单根纤维的每个像素点本身就存在着不同(在一定范围内波动)，本方案假设纤维上的像素点p(i)在一定范围内随机波动。

将每根纤维的RGB值转化为HSV值，对转化得到的HSV值中的V值在设定亮度范围内随机变化以获得新的HSV值，并将新的HSV值重新转换为RGB值以获得每根纤维的新的数学模型，从而完成了由人工配色到计算机显示的过程，得到由不同的像素点组成且纹理效果比较明显的每根纤维模型的模拟效果图。

步骤102、根据真实纱线的纺纱工艺参数计算真实纱线上的区域色块参数，构建纱线色块排列模型以获得纱线色块模拟效果图。

纱线色块排列模型的计算过程为：

在数码纱(混色纱)的纺纱工艺中，纱线细度、纱线捻度、组分比例为已知的条件。为得到模拟纱线的色块排列，需要计算出纱线的直径和捻回角角度。通过纱线的直径和捻回角角度确定单根纤维的长度和排列。

纱线的直径可由直接测量和理论估计方法获得，本次模拟选用的是理论估计法得到的纱线直径，即直接采用纱线细度进行换算而来：

式中，d为纱线直径(mm)，Nt为真实纱线的纱线细度(tex)，δy为真实纱线的纱线密度(g/cm3)，δy＝0.8～0.9(棉纱)，本次选用δy＝0.85；

纱线旋转一周(360°)的起止点间的直线距离称为捻距(mm)，利用公式2计算出真实纱线的纱线捻距，公式2为：

式中，h为纱线捻距(mm)，Tt为真实纱线的纱线捻度；

纱线加捻后表层纤维与纱条的夹角称为捻回角，利用公式3计算出真实纱线的纱线捻回角，公式3为：

式中，β为纱线捻回角；

通过上述公式，获得一个周期的色块的长度和色块的宽度，将每根纤维按照捻回方向依次排列，构建基于纤维单元的纱线色块排列模型，其中，色块的长度为纱线捻距，色块的宽度为纱线直径。

步骤103、利用真实纱线中不同组份间渐变规律构建模拟纱线的颜色渐变模型以获得颜色渐变模拟效果图，同时结合光照模型仿真真实纱线的亮度信息。

数码纱的纺制过程中，不同组份之间进行变换时，会由于前一组份粗纱的残留而出现过渡区域，这一区域就是通常所讲的渐变区域。通过对真实纱线过渡区域的观察，不难发现不同组份间的渐变规律：在组分变换的临界值区域附近，会出现前一组份纤维的像素点数在逐渐减少一直到零为止；而与此对应的是，在前一组份纤维的像素点开始减少的同时，其后组分的像素点开始逐渐增加，一直到完成过渡为止。

其中，在两组份变换的理论临界值处，两组份的纤维像素点相等。利用不同组份间等差数列递增递减的渐变规律，构建模拟纱线的颜色渐变模型

光照模型的选取过程为：

物体表面任意点所发散的光线的强度均可利用Lambert漫反射余弦定理来表示：

I_d＝I_l×K_d×cosθ 0≤θ≤π/2

式中：I_d为反射光强度，I_l为来自光源的入射光强度，K_d为表面漫反射率(0≤Kd≤1)，θ为入射光方向与表面法向之间的夹角。

由于真实纱线的捻度和自身重力的影响，致使真实纱线的截面模型为不规则的圆。在此，假设真实纱线的截面形态为椭圆形。如果光源在真实纱线上方垂直照射，那么真实纱线在平面中的投影可认为是纱线的表观。根据上述公式，可以确定在真实纱线的表面任意一点的光照强度，其公式为：

G₁(x,y)＝C×cos x -π/2≤x≤π/2

式中：G₁(x,y)为光照强度函数，C为常数(C＝I_l×K_d)。

为了便于模拟纱线时与光照模型的结合，将上述中的函数变量范围调至[0，π]，那么纱线的光照强度曲线变为：

G₂(x,y)＝C×sin x 0≤x≤π

将模拟的纱线与光照模型结合获得模拟效果图。

步骤104、采集真实纱线的直径数据，模拟纱线仿真真实纱线的直径形态以获得直径形态模拟效果图。

采用自制的纱线动态图像采集系统，采集5000幅连续无间断的数码纱纱线直径图像，并对采集的纱线序列图像进行图像分割和形态学运算等处理，获取纱线直径数据。

将真实纱线的直径数据赋予给模拟纱线，仿真真实纱线的直径形态，获得数码纱直径形态模拟效果图。

步骤105、模拟纱线可视化调整优化以获得人眼分辩率下的模拟纱线效果图。

步骤5.1：为了得到计算机呈现的像素点与人眼成像的像素点之间的倍数关系，在此，引入人眼分辨率。像素点大小的计算公式为：

pixel/dot size p＝2×l×tan(α/2)

式中：pixel/dot size p为一个像素点的大小(mm)；l为视距(mm)；α为夹角的角度(°)。

步骤5.2：对于一个拥有正常视力的人来讲，其视觉灵敏度介于0.4～1弧分(1°＝60弧分)之间，其视距通常介于2～4英寸之间。此次模拟选用的视距为3英寸，视觉灵敏度为0.7弧分，采用DPI(dpi点每英寸)(1英寸＝25.4mm)作为分辨率的单位，可计算得到人眼的分辨率为208DPI。

步骤5.3：此次模拟的纱线中，一个色块周期中，纵向像素点有106个，横向像素点有753个，其中对应的纱线直径为0.212mm，捻距为1.5053mm。采用DPI(dpi点每英寸)作为分辨率的单位，那么模拟的纱线图像的分辨率为12700×12700DPI。因此，应将模拟的纱线压缩60倍，即缩放因子t＝1/60。应用双线性插值的算法对图像进行压缩处理，得到人眼分辩率下的模拟纱线效果图。

由于数码纱最重要的两个特征：颜色搭配和组份比例。因此，本次模拟将基于纤维单元模拟得到的纱线在黑板上进行排列，分别改变模拟纱线的颜色参数和组分比例，可获得多种展示效果图。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、基于真实数码纱的纱线中的纤维，构建纤维纹理的数学模型以获得每根纤维的模拟效果图；

S2、根据真实纱线的纺纱工艺参数计算真实纱线上的区域色块参数，构建纱线色块排列模型以获得纱线色块模拟效果图；

S3、利用真实纱线中不同组份间渐变规律构建模拟纱线的颜色渐变模型以获得颜色渐变模拟效果图，同时结合光照模型仿真真实纱线的亮度信息；

S4、采集真实纱线的直径数据，模拟纱线仿真真实纱线的直径形态以获得直径形态模拟效果图；

S5、模拟纱线可视化调整优化以获得人眼分辩率下的模拟纱线效果图；

在步骤S1中，构件纤维纹理的数学模型过程为：

采用一个像素点作为构成每根纤维的元素，将每根纤维的纹理转换为矩阵形式的数学模型：

式中，d表示每根纤维的高度，E_i,p(i)表示每根纤维的第i个像素点的RGB值；

将每根纤维的RGB值转化为HSV值，对转化得到的HSV值中的V值在设定亮度范围内随机变化以获得新的HSV值，并将新的HSV值重新转换为RGB值以获得每根纤维的新的数学模型。

2.如权利要求1所述的基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，利用公式1计算出真实纱线的纱线直径，公式1为：

式中，d为纱线直径mm，Nt为真实纱线的纱线细度tex，δy为真实纱线的纱线密度g/cm3，δy＝0.8～0.9；

利用公式2计算出真实纱线的纱线捻距，公式2为：

式中，h为纱线捻距mm，Tt为真实纱线的纱线捻度；

利用公式3计算出真实纱线的纱线捻回角，公式3为：

式中，β为纱线捻回角；

获得一个周期的色块的长度和色块的宽度，将每根纤维按照捻回方向依次排列，构建基于纤维单元的纱线色块排列模型，其中，色块的长度为纱线捻距，色块的宽度为纱线直径。

3.如权利要求1所述的基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，利用不同组份间等差数列递增递减的渐变规律，构建模拟纱线的颜色渐变模型。

4.如权利要求1所述的基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，利用公式4计算真实纱线的表面任意一点的光照强度，公式4为：

G₂(x，y)＝C×sinx 0≤x≤π

C＝I₁×K_d 0≤K_d≤1

式中，G₂(x,y)为光照强度函数，I_l为光源的入射光强度，K_d为真实纱线的表面漫反射率。

5.如权利要求1所述的基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，在步骤S4中，采集多幅连续无间断的真实纱线的直径图像，并对采集的纱线序列图像进行图像分割和形态学运算处理，获取真实纱线的直径数据；

将真实纱线的直径数据赋予给模拟纱线，以仿真真实纱线的直径形态。

6.如权利要求1所述的基于纤维的数码纱仿真方法，其特征在于，在步骤S5中，计算人眼的分辨率和模拟纱线的图像分辨率的倍数关系，应用双线性插值算法对模拟纱线的图像进行压缩处理以获得人眼分辨率下的模拟纱线效果图。

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