围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统的开发

王 茹,祝双武,丁 琼,田 乐

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,西安 710048)

进入21世纪以来,随着全球经济的快速发展和互联网行业的高速崛起,数字化产品成为市场各类企业的研发热点。相较于传统的实体产品,数字化的虚拟产品具有响应速度快、成本低、效率高等显著优势。随着市场的数字化转型,如何通过与互联网技术的结合更快更好地开发出满足市场需求的新产品,开辟出新的销售模式,快速抢占市场先机,成为各类纺织企业必须解决的问题[1]。

围巾产品及其他纺织产品的传统设计方式是由设计师线下进行织物颜色和纱线的选择、组织图的确定等,进而进行试纺和上机试织,最终将产品生产出来才能看到真正的效果。传统的生产方式存在着步骤繁杂、生产周期长、原材料浪费等问题,极大增加了企业的生产成本[2]。随着纺织CAD、计算机技术的快速发展,围巾等纺织产品的开发不再拘泥于传统的线下生产方式,利用成熟的互联网技术快速进行织物的设计与开发成为纺织行业生产产品的主流方式[3]。

如何逼真地模拟织物外观和图案效果,已成为织物CAD 研究人员追求的重要目标之一。鉴于织物外观仿真技术的重要性及其所具有的技术难度,有关研究人员做了大量的研发工作,从理论模型、实现原理、运用方法以及织物模拟各阶段的内在逻辑关系等方面,对织物的平面模拟、纱线和织物由二维到三维的立体外观效果的过渡和发展做出了一些全面细致的总结,并指出了每种方法的优缺点,提出了几种不同的仿真方法,如配色模纹法、基于光照法的织物外观仿真法等[4-7]。在前人理论的基础上,首先基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法来实现织物外观的仿真效果,并且采用了随机数加递归的算法来实现围巾产品的穗子效果,进而实现围巾产品最终整体效果的呈现。

开发出基于C/S模式的围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统,系统中包含色卡库、纱线库、面料库等数据库,用户可以自主选择围巾的颜色、纱线、纹板图的设计等,最终生成用户所需的围巾产品效果,以满足用户的个性化定制需求。系统还针对围巾产品开发了起绒、顺毛、水波纹等特殊后整理效果的模拟功能,更进一步增强了围巾仿真的真实感。

1 系统概述

围巾产品的最终效果是由织物的相关参数信息决定的,在计算机辅助设计的帮助下,通过键入这些织物参数,就可以实现围巾最终效果的虚拟仿真。围巾产品的设计与开发效率不仅会大大提高,而且可以更好地满足私人定制需求[8]。首先阐述了一种意匠图填充的纱线设计方法,并在此基础上对围巾产品的仿真方法进行了研究,利用计算机辅助设计系统可以直观清晰地看到围巾产品的结构、花型、色彩搭配等[5]。围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统的主要功能包括基础数据库建立、基础色卡建立、纱线设计与仿真、织物组织与纹板图设计、大样产品设计、包袱样设计、围巾整体效果展示、工艺单的自动生成、各种后整理效果的仿真等。系统首先对现有的颜色、纱线、面料、工艺单、纹板图与组织图等建立颜色库、纱线库、面料库、工艺单库、组织纹板图库等。在颜色库方面,对潘通色卡上的所有颜色进行建库,另外还可以根据企业现有纱线进行颜色库的建立,从而建立企业自己的色卡。在纱线库方面,对库中没有的纱线,通过纱线的结构参数如线密度、捻度、捻向、纱线结构等进行纱线的设计;在建立纱线库、色卡库、组织纹板库的基础上,根据所设计的花型、组织结构进行织物外观的仿真,并实现经纬向各3种以上的条带包袱样的设计与仿真,每个条带的经纬纱颜色、排列、纬向条带的组织、经向条带的穿综方法都可以变化,在显示器上显示最终的包袱样效果。最后能够按照用户的需求,展示整条围巾的效果。围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统的功能结构框图如图1所示。

图1 系统功能结构框图

2 系统数据库的设计

系统的主要功能是帮助用户进行大样产品设计、包袱样产品设计以及最终围巾效果的整体呈现。通过对系统进行需求分析,首先建立色卡库、纱线库、面料库、组织纹板图库等基础数据库,此外还包括与大样产品及包袱样产品等相关的其他数据信息[9]。使用的数据库管理系统是MS SQL Server,并进行了系统相关数据的逻辑结构设计和物理结构设计。系统逻辑结构设计E-R 图如图2所示。在逻辑结构设计E-R 图的产品信息表中,品名、工厂货号等代表了大样产品信息录入界面中的各个实体属性;花型信息表中的表层经花文本等代表了经向用纱信息录入界面中的各个实体属性。

图2 逻辑结构设计E-R 图

3 系统设计与开发

围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统的主要功能包括色卡建立、纱线设计、组织纹板图设计、大样设计、织物仿真效果展示、围巾效果展示、包袱样设计,以及起绒、顺毛、水波纹等后整理效果的生成等模块。

3.1 色卡建立

系统色卡建立的基本思路是:通过分光测色仪对色纱进行测色,获得 纱线颜 色的R、G、B、L、a、b的数值,然后系统对该纱线织成的织物进行仿真模拟,得到织物仿真样,对比仿真样与该纱线织成的织物,进行颜色数字值的修正[10]。最终获得该纱线颜色的R、G、B、L、a、b的数字值,存入数据库并给定一个编号,就形成了一个色卡。色卡建立的流程如图3所示。

图3 色卡建立流程图

根据色卡建立的步骤,对潘通色卡上的所有颜色进行建库,还可以根据企业现有纱线进行颜色库的建立,建立企业自己的色卡,如图4所示,方便用户使用,提高仿真效果。

图4 企业自建色卡的显示

3.2 纱线设计

纱线的设计通过键入线密度、捻度、捻向、纱线结构等纱线参数,计算机迅速仿真出要试纺纱线的效果,采用意匠格填充法的纱线计算机仿真方法,根据纱线的线密度,计算纱线的直径,按照一定的放大倍数和意匠格的大小确定所需意匠格的纵横数;根据捻角,利用不同的色块对意匠格进行填充。填充完后,缩小至每个单元格对应一个像素,完成纱线的模拟[5]。纱线计算机仿真过程中用到的主要数学模型包括纱线直径的计算、捻角的计算、纱线颜色的填充方法等。例如,异色纱的填色方法在确定纱线直径、捻角后还需要确定一个捻回的长度,捻回的长度与捻度有关,捻度的定义是单位长度范围内捻回的个数,所以捻回的长度L计算公式为:

式中:Ttex为纱的捻度,捻/(10 cm);Dot为单位象素的宽度,它可以由显示器分辨率获得;B为放大倍数。

捻回长度计算出来后,根据合股纱的股数以及每个单纱的直径之间的比率,计算出每一根单纱颜色填充的宽度,接下来就可以根据纱线的捻角和填充宽度进行颜色的填充。纱线设计模块主要包括普通纱线、异色纱线及混色纱线的设计。异色纱线设计界面如图5所示。

图5 异色纱线设计界面

3.3 大样设计

在围巾颜色选择及纱线设计的基础上,进行大样设计。大样产品的设计通过键入工艺信息、经向用纱信息、纬向用纱信息、纹板设计等各模块所需参数信息来快速实现大样产品的效果。

(1)工艺信息的输入包括工艺号、品号、品名、工厂货号、合约号、客户名称、条长、条宽、穗长、条重、经密、纬密、织造长缩、织造幅缩、扣号、筘幅、穿入数、全幅条数、总长缩、总宽缩、重损、棉经根数、边经根数、组织结构、织物效果、工艺流程等信息。大样产品信息录入模块的界面设计如图6所示。

图6 大样产品信息录入界面

(2)经向用纱信息的输入主要包括纱线的选择、经纱排列文本等信息。经向用纱信息录入界面如图7所示。点击“新增纱线”,进入纱线选择界面,如图8 所示。

图7 经向用纱信息录入界面

图8 纱线选择界面

(3)经纱排列文本。如果是经二重或双层组织,需要同时输入表层经纱和里层经纱的花型排列文本;而单层组织或纬二重组织只需输入表层经纱的花型排列文本。“纬纱相同”经向花型及纱线设计好后,如果纬纱的花型及用纱与经纱相同,可以直接点击“纬纱相同”按钮,不需要再次录入。

经纱排列文本输入完后,必须点击“解析”按钮进行纱线文本解析,同时计算每花根数,并根据在每条围巾的地经根数计算全幅花数及劈花加减头情况,所以在点击“解析”按钮前,先确定每条围巾的地经根数。然后根据结余的地经根数,进行劈花工艺的设计,分别输入起头加、起头减、末尾加、末尾减的经纱排列文本。

经向用纱信息输入完毕后,进入纬向用纱信息设计,纬向用纱设计界面的功能与经向用纱设计界面的功能相似,主要是完成纬向用纱的选择及纬向花型的设计等。

(4)纬向用纱信息设计完毕后,进入纹板图设计界面,如图9所示。在计算机中,织物的组织图是用二维矩阵来表示与存储的[11]。在界面生成的电子意匠纸上可以绘制需要的纹板图,点击鼠标左键进行组织点的点击,点击鼠标右键进行清除。

图9 纹板图及穿综方法设计界面

纹板图设计好后,输入穿综方法。穿综方法的录入可以采用2种方法:一种是采用手工录入的方法,在穿综方法列表中输入穿综方法文本;另一种是直接从数据库中调用以前已经录入过的穿综方法,纹板图与穿综方法设计完毕后,分别点击“验证纹板图”“验证穿综方法”,进行纹板图和穿综方法的验证。验证完毕后,点击“保存入库”,完成大样产品的工艺设计。

3.4 织物外观仿真

使用基于纱线浮长线光强分布的织物外观仿真方法来实现织物外观的仿真效果。通过分析织物内部的结构特征,根据织物类型对纱线、织物的空间结构和织物的表面结构进行建模,并在几何模型的基础上选择光照模型,建立相应的数学模型,根据光照模型计算出织物表面各点的颜色,从而获得了较为准确的纱线浮长线上每个点的光强分布系数,最后获得织物的仿真图像[12]。在已知织物经纬纱密度、经纬向色纱排列、经纬使用的色纱及织物组织图的基础上,可以对设计的织物进行外观的模拟。该方法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,与真实织物具有极高的相似度,从而尽可能地取代打小样工作,用仿真样代替实物样。图10为生成的织物仿真效果。

图10 大样设计织物仿真效果图

3.5 围巾整体效果仿真

织物仿真完成后,就可以进行整体围巾效果的仿真。围巾效果包括正面效果与反面效果,点击“织物设计”→“围巾效果模拟”→“正面效果”或“反面效果”子菜单项,就可以查看围巾正面效果或反面效果。围巾穗子的生成主要采用了随机数加递归的算法,它的核心思想是通过递归生成多个穗子,每个穗子的形态和位置由随机数和参数决定,从而生成多样性的穗子图案。首先,通过调用随机函数来初始化随机数生成器,然后使用随机函数生成一个随机数,该随机数会在后续的判断中用于确定穗子生成的方式。并且使用递归方法来生成多个穗子,每次递归调用都会根据随机数和其他参数确定当前穗子的生成方式和形态,在不同条件下,穗子的生成方向会发生变化,在穗子数量达到一定限制时,递归终止。图11为围巾的仿真效果图,不仅能够看到整条围巾的外观效果,也能够看到围巾2种穗子的效果。围巾穗子有“搓捻”和“散须”2 种类型,穗子的类型主要取决于穗子的长度,长度4.5 cm以下用散须,长度4.5 cm 以上用搓捻。图11为围巾产品(搓捻)的仿真模拟。

图11 围巾产品(搓捻)的仿真模拟

3.6 特殊效果展示

围巾产品的仿真效果模拟完成后,也可以进行一些后整理工艺。不同的后整理工艺,最终产品的外观效果也会有所不同。为了更加真实地模拟围巾产品效果,还开发了一些后整理效果的仿真模拟功能,主要模拟的后整理效果包括起绒、顺毛、水波纹,其中起绒可以模拟出不同程度的起绒效果,如轻度起绒、中度起绒、重度起绒效果。后整理织物效果如图12所示。

图12 后整理织物效果仿真图

3.7 工艺单的自动生成与打印

在完成大样产品工艺设计及围巾效果仿真模拟后,就可以生成围巾产品的生产工艺单。工艺单按照工厂标准格式生成,可以替代原来的手工计算及人工制单,电子生成方式大大提高了工艺单生成的准确率和效率,工艺单打印后就可以指导车间进行生产活动。电子生成工艺单如图13所示。

图13 生成的格式工艺单

3.8 围巾产品电子样的生成

围巾企业与客户进行贸易活动时,大多数采用实物样进行交易。实物样要先制作样品,会出现制样时间长的情况;同时也会有实物样成本高、原料浪费等问题,例如原料成本极高的羊绒产品。传统的交易方式增加了企业的生产成本,减少了企业的经济效益。因此,开发了围巾产品的电子样(或纸质样)生成功能,电子样包括围巾的正反面的整体效果、1∶1的织物外观仿真效果及产品的基本信息。产品生成的电子样如图14所示。

图14 围巾产品的电子样

3.9 包袱样设计功能

为了提高围巾产品的设计效率,系统还提供了包袱样设计功能。包袱样是由多个经向条带与多个纬向条带相互交织而成,每一个经向条带与一个纬向条带交织形成一个新的产品。系统一次最多可以设计12条经向条带和12条纬向条带,每个条带对应一个色纱排列,对应着一个花型,每个经纬条带的用纱颜色、排列可以变化。另外通过不同的经向条带对应不同的穿综方法、不同的纬向条带对应不同的纹板图的方法,最终实现了不同花型、不同颜色、不同组织结构的包袱样的仿真模拟。包袱样生成效果如图15所示。

图15 包袱样生成效果

4 结束语

介绍了围巾产品的快速设计与虚拟仿真系统的开发,利用计算机技术实现了围巾产品的快速开发与仿真模拟。通过建立色卡库、纱线库、面料库等强大的后台数据库,快速实现围巾产品的设计与计算机仿真,为产品设计提供支持。通过建立企业的颜色库,并以此进行纱线的设计与仿真,进而建立纱线库,最后从纱线库中选择相应的纱线进行围巾产品的仿真,保证了产品仿真颜色与真实颜色的一致性;并且可以保存设计人员以前做过的所有设计,包括纱线、花型排列、组织纹板、穿综方法等,可以随时用于新的设计中,不仅方便用户使用,而且极大地提高了设计效率。系统中还设置了如起绒、顺毛、水波纹等多种后整理效果仿真功能来进一步增强围巾产品的真实效果,使得仿真出来的围巾产品外观效果与真实织物具有较高的相似度,大大减少了企业打样的工作量。该系统不仅方便围巾企业进行产品开发,提高了围巾产品的开发效率,而且降低了企业的生产成本。