纬编针织物三维仿真技术的研究现状与发展趋势

彭燕芳，武志云

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特010080）

随着计算机技术的发展，计算机在纺织行业的运用越来越广泛。国内纺织行业中新型材料的开发和织造技术的应用愈加繁复，使得织物设计品种日益繁多，对织物设计的要求也就更加精确。这恰恰推进了纺织产品设计的计算机仿真技术。现阶段纬编CAD软件是在二维的基础上，对织物组织及花型进行设计，能快速设计出独具特色的新型花型图案。纬编针织物三维仿真技术是针织CAD技术在纬编领域的必然趋势，三维仿真相对于二维仿真具有更直观、更逼真的效果，但三维模型的建立较为困难，经过专家学者多年的研究，三维仿真技术已取得了初步成果。

1 研究现状

纬编针织物与机织物和经编针织物相比，纬编针织物具有广泛的适用性。

1.1 纱线的三维仿真

纱线的计算机仿真是织物仿真的基础，纱线模型的好坏直接影响织物的模拟效果。纱线是特殊的柔性实体，要建立能够适用于不同纺纱系统或者不同纱线类型的模型是相当困难的，不仅要考虑其本身的物理性质，还要考虑其在织物中所呈现的屈曲状态和受力情况。

纱线三维模型的建立过程，主要可以归为四大类：第一类是几何形状填充法，其分为矩形单元模拟法和平行四边形单元模拟法。其中，矩形单元模拟法是用一组循环排列的倾斜放置的矩形色块来表示纱线，每个具有色彩的小矩形即代表纱线每个单元块的仿真模型。而平行四边形单元模拟法在实现过程中，可以采用擦去四个角的平行四边形来模拟。这种方法简单易行，效率较高，能够较好地模拟单纱或者股线的外观，但缺乏真实感和立体感［1］。

第二类是扫描处理法，首先利用数字照相机或扫描仪将纱线图像输入，根据实物图像对纱线形态进行分析，然后建立纱线三维模型。例如，童小素［2］等尝试利用采集到的不同材质的纱线图像，在二维模拟的基础上，运用色彩学与光照模型对纱线的光泽与纤维聚集形态进行模拟。该方法虽然模拟速度较快，但与三维模拟方法相比，在反映纱线的立体感方面稍有欠缺。

第三类是计算机三维模拟法，利用计算机图形学相关知识，根据纱线的参数，如纱线捻度、细度、横截面和纱线路径等对纱线进行分析，运用VRML和NURBS等曲面算法来建立纱线的三维模型，在C＋＋和OpenGL中编程实现。这种建模方法往往需要对纱线形态进行假设，根据经验将纱线截面简化为圆形或椭圆形，然后利用各种数学方法和计算机语言建立纱线的三维模型。现阶段随着计算机飞速发展，出现许多面对对象的语言和软件，这对仿真技术的发展起到了推动作用。

1.2 织物组织的三维仿真

线圈是组成织物结构的基本单元，不同组织结构的线圈形态也不相同，因此要实现良好的织物三维仿真效果，对于线圈的模拟是必不可少的环节。线圈模型的建立可划分成三个阶段。

第一阶段是Pierce理想线圈模型的建立，它能反映线圈的基本结构形态，但其针编弧、沉降弧与圈柱的连接部分不是光滑连接，不符合纱线是一个连续整体的结构特性，而且该模型为了表达简单方便，假设了线圈结构是几何形态的线性关系，这种假设未考虑到实际纱线材料性能及受力大小的变化而引起的实际织物线圈结构形态的变化。

第二阶段是借助Pierce理想线圈模型，人们在此基础上做了改进。王辉［3］等人在经典线圈模型的基础上运用B样条曲线进行线圈形态的控制和线圈模型的优化，并对优化线圈模型进行实验验证分析、结论分析。B样条曲线建立的线圈模型比Pierce线圈模型具有更好的适应性。蒙冉菊［4］则运用NURBS样条曲线进行线圈结构单元建模，其针对Pierce理想化模型形态单一且缺乏变形能力进行了改进，运用NURBS的灵活性和较好的几何特征来模拟纱线的中心轴向，建立线圈模型。刘夙［5］所建立的线圈模型是用几段参数方程来表示空间圆弧和曲线连接组成的纱线路径，在Visual C＋ ＋ 编程环境下实现OpenGL库函数的调用，采用这种建模和实现方法可较为逼真地显示出纬平针织物线圈在三维空间中相互串套的效果，但模拟效果视觉角度单一，不同角度下需要建立不同的线圈模型。

第三阶段是线圈三维模型的建立，鉴于不同组织结构的线圈模型的不同，所以首先研究的是基本组织结构的线圈模型，然后在此基础上分析研究，对其它变化组织进行建模。赵磊［6］建立的纬编针织物基本线圈三维模型，明确了线圈与线圈之间的结合点，然后通过结合点连接线圈与沉降弧形成三维纬编结构。将沉降弧和圈干视为由诸多圆球体构成的，用OpenGL工具调用圆球体并结合三角函数的参数曲线方程构建完整的三维线圈模型。王少俊［7］则是降低建模复杂程度，不考虑纱线在织物中的受力情况，采用圆柱体结构来模拟纱线。借助NURBS曲线的可控性，建立纬编针织物三维线圈结构模型，并利用OpenGL和Visual C＋＋开发工具模拟仿真纬编针织物线圈结构，同时对线圈模型进行光照、材质、纹理结构的处理。

2 发展趋势

随着纺织行业的发展，纬编针织物产品广泛运用到不同领域，推动了功能性材料及织物组织结构的发展，因此对于纬编针织物仿真技术也应该向着多元化的方向发展。

2.1 织物种类多元化

2.1.1 材料种类多元化

不同种类的织物原料仿真的效果不同，随着新材料的出现，研究人员对于纺织新产品的开发已经不再局限于外观设计，更趋向于功能化，新型纤维原料在针织行业的应用越来越广泛。对于新材料的仿真，要研究分析其物理性能，并在此基础上提高视觉效应。现阶段出现许多功能性材料，如：抗辐射、环保型新材料的开发运用，对于这些织物的三维模拟将有助于织物结构的物理性能分析。

2.1.2 结构种类多元化

纬编针织物结构种类的仿真研究现阶段还比较少，目前只是对于一些基本线圈结构进行了建模分析，对于组织变化还需进一步研究。针织品研究人员在产品的结构设计方面的研究，推动了更多新织物组织的出现，这就要求我们结合不同的工艺条件，对不同织物结构进行研究，针对不同的组织参数进行试验数据分析，构建组织结构的参数化模型，扩展针织物新品种的仿真，从而促进仿真技术向纺织多元化的方向发展。

2.2 仿真技术多元化

研究人员对于纬编针织物仿真技术的研究经历了从简单的几何分析到基于计算机语言复杂的编程过程，再加上针织物产品最终是以整体构造的形式呈现，所以要结合计算机图形学的知识更好体现织物的仿真效果。对于仿真过程中计算机图形学知识的运用表明，仿真技术的发展需要融会不同学科，这样不仅能满足科研的需要，同时也推动了相关学科技术的革新。不同学科之间是相互贯通的，只有学科间相互运用才能促进各个学科的纵向发展。现有技术还存在的一个弊端是从纱线到织物组织的仿真以及仿真系统的构建还没有成熟化。研究学者只对其中一个方面进行研究，只有各个学科之间紧密联系才能推动技术发展。

3 结语

仿真技术应用范围广泛，主要表现在：一方面人们可以根据自己的需要对织物的结构进行设计，减少试织过程，如利用三维仿真技术可以进行面料设计展示，提前预测面料的受欢迎程度；另一方面，人们可以对织物性能进行分析，以便运用在不同的场合。因此，针织物仿真技术的研究有很大的发展潜力。

纬编针织物三维仿真技术是针织CAD技术在纬编领域的必然趋势，经过多年的研究已从最初的探索阶段逐步有了成果。现有针织物纱线、织物结构的三维仿真研究，为纬编针织物三维仿真技术的进一步发展奠定了基础。三维仿真技术的研究已经不局限于纺织行业，对于其他领域的知识的学习也会推动该技术的进步。现阶段我们要将各个学科融会贯通，从而实现纬编针织物三维仿真技术的再次突破。

［1］祝双武等.纺织 CAD／CAM［M］.北京：中国纺织出版社，2007.

［2］童小素，张瑞林.纱线真实感的计算机仿真［J］.纺织学报，2008，29（6）：117—120.

［3］王辉，方圆，潘优华.纬编针织物线圈模型的分析与研究［J］.浙江理工大学学报，2008，25（5）：522—525.

［4］蒙冉菊，方园.NURBS样条曲线纬编针织物线圈结构的建模分析［J］.浙江理工大学学报，2007，24（3）：220—224.

［5］刘夙，龙海如.纬平针织物的计算机三维模拟［J］.纺织学报，2007，28（12）：41—44.

［6］赵磊，邓中民.纬编针织物线圈的三维模拟及变形实现［D］.武汉：武汉纺织大学，2011.

［7］王少俊，包晓敏.基于OpenGL的纬编针织物三维仿真真实感的研究［J］.浙江理工大学学报，2012，29（3）：312—314.