任怡蕓　宋曉霞

摘 要：隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于三維仿真技術(shù)的緯編針織物的仿真結(jié)果相比二維仿真更加接近實際織物，但是由于織物組織的多樣性和處理數(shù)據(jù)的龐大，仿真的效果不夠理想，復(fù)雜織物的仿真速度與真實度模擬有待加強(qiáng)。在分析國內(nèi)外學(xué)者對仿真技術(shù)的研究中，從紗線和線圈結(jié)構(gòu)兩個方面闡述了緯編針織物的三維仿真歷程，分析了三維仿真技術(shù)存在的主要問題和發(fā)展趨勢。 認(rèn)為該仿真技術(shù)會朝著織物材料與組織多元化、適應(yīng)織物品種多元化、仿真技術(shù)多元化和應(yīng)用范圍多元化等4個方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三維仿真；緯編針織物；線圈模型

中圖分類號：TS186.1? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-2346（2023）03-0050-06

Research Progress of 3D Simulation Technology for Weft Knitted Fabrics

REN Yiyun? ? SONG Xiaoxia

（School of Textile and Fashion， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620，China）

Abstract： With the rapid development of computer technology，the simulation results of weft knitted fabrics based on 3D simulation technology are closer to the actual fabrics than 2D simulation.However，due to the diversity of fabric organization and the huge processing data，the simulation effect is not ideal，and the simulation speed and reality of complex fabrics need to be strengthened.Based on the analysis of the research of simulation technology by domestic and foreign scholars，this paper expounds the 3D simulation process of weft knitted fabrics from two aspects of yarn and coil structure，and analyzes the main problems and development trend of 3D simulation technology.It is believed that the simulation technology will develop in four directions，which are the diversification of fabric materials and organization，the diversification of fabric varieties，the diversification of simulation technology and the diversification of application range.

Key words： three-dimensional simulation;weft knitted fabric;coil model

三維仿真技術(shù)是利用編程語言和虛擬顯示技術(shù)對紗線、線圈結(jié)構(gòu)和織物花型等進(jìn)行模擬。隨著計算機(jī)虛擬技術(shù)的逐漸發(fā)展，三維仿真技術(shù)獲得越來越多學(xué)者的關(guān)注。但是針織物組織繁多、線圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在真實度模擬以及仿真速度方面還有很大的發(fā)展空間?；诩喚€以及線圈結(jié)構(gòu)的仿真分析，在未來的三維仿真研究中，應(yīng)該更加注重針織物的仿真方法以及仿真效果的呈現(xiàn)。通過緯編針織物的計算機(jī)虛擬仿真，可以高效呈現(xiàn)紗線、線圈的花型模擬以及針織服裝虛擬穿著效果，縮短實驗流程，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1? ? 緯編針織物紗線仿真現(xiàn)狀

在緯編針織物三維仿真研究中，紗線的三維仿真效果直接影響織物外觀呈現(xiàn)，紗線三維仿真方法研究經(jīng)歷了3個階段，分為幾何形狀填充法、掃描處理法和計算機(jī)三維模擬法。采取幾何形狀填充法建立仿真模型，但是模擬出來的紗線缺乏真實感和立體感；掃描處理法以及計算機(jī)三維模擬法的使用，使仿真效果更逼真。

1.1? ? 幾何形狀填充法

在計算機(jī)仿真技術(shù)初期，紗線的仿真采取幾何形狀填充法，把紗線看成二維平面以圖形方式如小方塊、矩形塊、擦去四個角的平行四邊形等對紗線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計的模擬法，每個具有顏色的方塊代表紗線每個單元格仿真模型，例如鄧中明等[1]將小長方塊循環(huán)陳列且傾斜放置，創(chuàng)建基于小長方形色彩的單紗仿真模型。雖然模擬速度快，但是采用幾何形狀填充法模擬出來的紗線圖像缺乏真實感和立體感。

1.2? ? 掃描處理法

為了使仿真效果更逼真，有學(xué)者開始利用掃描處理法建立三維模型，首先用掃描儀采集紗線圖像，根據(jù)采集圖像對紗線形態(tài)進(jìn)行分析，然后建立紗線三維模型。

在利用掃描處理的方法進(jìn)行仿真之前，有學(xué)者基于光照模型用二維的方法體現(xiàn)紗線三維的特征，童小素等[2]提出了上述方法的改進(jìn)算法，他通過掃描儀掃描得到棉、麻、絲等不同材質(zhì)的紗線圖像，建立Shepard插值擬合模型，實現(xiàn)不同材質(zhì)的不同質(zhì)感特征?；谕∷氐臄M合模型，Zhao Shuang等[3]利用微型CT掃描儀創(chuàng)建了具有纖維級細(xì)節(jié)的高質(zhì)量程序紗線模型?；谌S重建技術(shù)生成的三維虛擬紗線，可以合成具有高視覺質(zhì)量且沒有重復(fù)圖案的大型紡織品，質(zhì)感特征更加細(xì)節(jié)化。

針對云紋紗和混色紗等特殊紗線在緯編織物中的應(yīng)用，一些學(xué)者對特殊紗線形成緯編織物的二維仿真進(jìn)行了研究。吳義倫等[4]將采集的云紋紗圖像進(jìn)行圖像分割等圖像處理技術(shù)，利用紋理映射技術(shù)實現(xiàn)云紋紗緯編針織物外觀模擬，如圖1所示為云紋紗的模擬效果和實物效果，模擬效果圖和真實的織物紋理基本一致。此外，李忠健等[5]利用圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行平滑濾波處理，對平滑后的圖像進(jìn)行聚類分割得到混色紗主體圖像，該類對特殊紗線的仿真可以更加直觀表達(dá)紗線在針織物上疊加形成的紋理效果，為云紋紗、混色紗及針織物設(shè)計提供有效手段，但是建立的線圈模型圈柱為直線，與真實形狀不符，真實感欠缺。

因此Zhao Shuang、李忠健等學(xué)者基于掃描處理的方法對紗線進(jìn)行仿真，是利用二維方法反映三維的特征，這種方法與計算機(jī)三維模擬法相比，線圈模型的真實感和紗線的立體感還需加強(qiáng)。

1.3? ? 計算機(jī)三維模擬法

計算機(jī)三維模擬法是根據(jù)紗線的參數(shù)如紗線顏色、粗細(xì)、毛感、質(zhì)感和卷曲性等對紗線進(jìn)行分析，然后運用仿真技術(shù)來建立紗線的三維模型。

基于紗線的仿真模擬主要將紗線作為一個整體，將紗線的截面簡化為一定的形狀，建立紗線的三維模型。Liao TY等[6]將紗線的外觀簡化為柱體結(jié)構(gòu)，在三維空間中利用四邊形小面片在柱體結(jié)構(gòu)上平鋪，完成紗線的三維仿真設(shè)計。Kurbak A等[7]將紗線看作彎曲細(xì)長的圓柱體，利用3DMax軟件以及數(shù)學(xué)模型的建立，完成了羅紋針織物三維仿真效果圖。郭煒杰[8]將紗線的截面轉(zhuǎn)為由多個圓弧組成的形狀，并使用截面按照線圈路徑、設(shè)定的角度進(jìn)行掃描，生成紗線實體。

針對緯編針織物紗線毛羽效果的外觀模擬，郭煒杰[8]利用分形理論對花式紗線中不規(guī)則毛羽特征進(jìn)行仿真模擬；孫光武[9]采用3DMAX的毛發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)了紗線的毛羽效果；于斌成[10]利用球的極坐標(biāo)方程和正態(tài)分布函數(shù)建立毛羽模型并對線圈進(jìn)行去噪、二值化等相關(guān)處理，最終形成無縫針織物的外觀紋理圖。

此外，國內(nèi)很多學(xué)者利用B樣條曲線造型技術(shù)，對紗線進(jìn)行三維仿真，B樣條曲線設(shè)計靈活，可以對普通紗線以及花式紗線進(jìn)行三維造型。史征濤[11]利用B樣條曲線造型技術(shù)，對花式紗線中常見的竹節(jié)紗和多色股線的長度、顏色等參數(shù)進(jìn)行三維仿真模擬研究，建立了竹節(jié)紗和股線單紗的幾何數(shù)學(xué)模型、光照模型以及顏色模型，模擬效果較好，立體感強(qiáng)，可滿足消費者需求。雖然B樣條曲線具有局部修改不影響整體效果的特點[12]，但是B樣條不能完全插值于給定的控制點，趙志詳[13]采用C-Cardinal 樣條曲線造型技術(shù)對紗線進(jìn)行建模仿真，C-Cardinal 樣條曲線有良好的插值性和較少的運行消耗率。

因此，李忠健等[5]利用掃描處理法得到的線圈模型圈柱為直線，真實感欠缺，但是紗線的三維模擬，可以將截面簡化為一定的形狀，模擬得到的紗線模型更加具有真實感和立體感；三維模擬也較好實現(xiàn)了對毛羽效果的模擬；此外，利用B樣條曲線等模型，可以對花式紗線進(jìn)行仿真模擬，更好滿足紗線多樣性仿真模擬的需求。

2? ? 緯編針織物線圈結(jié)構(gòu)仿真現(xiàn)狀

織物外觀仿真的基礎(chǔ)是單元線圈模型，除了紗線三維仿真的探討，線圈結(jié)構(gòu)三維仿真的研究也是緯編針織物仿真技術(shù)研究的熱點。通過國內(nèi)外學(xué)者的研究，目前線圈結(jié)構(gòu)的三維仿真主要包括基于Pierce線圈模型的建立、基于樣條曲線的線圈建模和針對不同組織結(jié)構(gòu)的線圈三維模型的建立這3種途徑。

2.1? ? 基于Peirce線圈模型的建立

Peirce線圈模型中，紗線松弛且沒有外力的作用，截面為均勻固定直徑的圓形，針編弧與沉降弧之間由圓柱體形成的圈干相連，該線圈模型為理想狀態(tài)下的模型，是早期研究線圈幾何結(jié)構(gòu)與織物性能關(guān)系的代表性模型之一，雖然靈活性一般，但是它為線圈幾何學(xué)的進(jìn)一步探索研究提供了可行的分析方法[14]，如圖2所示。隨著研究的進(jìn)一步深入，國外學(xué)者基于Peirce線圈模型創(chuàng)建了Munden模型和Krubak模型。Munden模型的幾何結(jié)構(gòu)與Peirce線圈模型類似，但是該模型將紗線的內(nèi)應(yīng)力和抗彎曲性能包含到了模型中，Krubak模型是近期研究中比較具有代表性的三維線圈模型，針編弧與沉降弧為不在同一平面的橢圓，相比Peirce 線圈模型，Krubak模型的圈柱有彎曲，整體為螺旋線[15]，三維仿真效果明顯加強(qiáng)。研究者基于Peirce緯編線圈模型和空間幾何結(jié)構(gòu)的研究，創(chuàng)建的線圈結(jié)構(gòu)模型能夠顯示針織物線圈相互串套的視覺效果?；赑eirce模型的線圈模型快速有效，且改進(jìn)的Munden模型考慮了力的作用，但是受限于二維模型的本質(zhì)，相比真實織物線圈，三維立體感不強(qiáng)。

2.2? ? 基于樣條曲線的線圈建模

國內(nèi)對線圈模型的研究雖然起步較晚，但是進(jìn)展較快，而且也取得了不錯的成果。這一方面是因為國外學(xué)者所奠定的基礎(chǔ)，另一方面在于計算機(jī)技術(shù)的運用使模型的構(gòu)建方法更加廣泛和便捷，提高了建模的效率與質(zhì)量[16]。目前國內(nèi)主流的線圈建模方法有參數(shù)方程法、樣條曲線法和有限元法等[17]。其中樣條曲線具有諸多優(yōu)點，尤其是設(shè)計自由型曲線曲面形狀時強(qiáng)大的靈活性，被廣泛用于工業(yè)設(shè)計中，其中B樣條曲線和 NURBS樣條曲線被廣泛的應(yīng)用。

B樣條曲線相比早期的Bezier三次曲線，改變一個控制點并不影響其他曲線段的形狀，具有相當(dāng)多的優(yōu)點。瞿暢等[18]以Peirce模型為基礎(chǔ)，采用三次B樣條曲線來模擬紗線路徑，很好地表現(xiàn)了針織組織在空間的串套關(guān)系。王少俊[19]首次采用實物在電鏡下觀察的圖片，結(jié)合針織物線圈單元和組織結(jié)構(gòu)的特征，利用B樣條曲線建立緯編針織物線圈模型。楊恩惠等[20]使用超景深顯微鏡獲取織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過三次B樣條曲線的方法建立緯平針織物線圈的三維幾何結(jié)構(gòu)模型。

相對于B樣條曲線，NURBS樣條曲線更加靈活穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于針織物線圈三維模擬中。Piegl[21]首次引入權(quán)因子是三維線圈結(jié)構(gòu)仿真中最具代表性的研究成果，他使用NURBS 曲線建立了三維線圈模型，基于權(quán)因子對曲線形狀的改變進(jìn)行量化，實現(xiàn)了緯編線圈真正的三維模擬。在此基礎(chǔ)上，Li 等[22]根據(jù)對實際織物的測量并反算控制點，計算得出控制點的位置，解決了 NURBS擬合曲線不能完全通過型值點的問題，圖3為仿真模擬圖。鄧逸飛[23]采用NURBS曲線造型技術(shù)建立中心線形態(tài)模型，由于型值點的數(shù)據(jù)來自實際線圈，建立的線圈幾何模型更具真實性。

運用樣條曲線的方法能夠很好的體現(xiàn)織物的串套關(guān)系和三維立體效果，因此被廣泛的應(yīng)用于緯編織物三維模擬中。

2.3? ? 基于不同組織結(jié)構(gòu)的線圈三維模型的建立

基于不同組織結(jié)構(gòu)線圈模型的不同，首先分析的是基本組織結(jié)構(gòu)的線圈模型，然后在此基礎(chǔ)上對其他變化組織進(jìn)行建模研究。

目前紡織工業(yè)朝著智能化的方向發(fā)展，提花針織物可以增加面料的美感和時尚度，因此，三維仿真技術(shù)也從原來的基本組織結(jié)構(gòu)的仿真轉(zhuǎn)向復(fù)雜的提花針織物的三維仿真[24]。德國Kaldor J M等[25]結(jié)合紗線捻度、卷曲性等參數(shù)，采用三維建模的方法實現(xiàn)了緯編提花針織物的計算機(jī)仿真，仿真效果較好，但是該方法仿真速度很慢，普通的機(jī)器設(shè)備無法對復(fù)雜的大循環(huán)提花織物進(jìn)行仿真模擬。在此基礎(chǔ)上，為了優(yōu)化仿真速度和質(zhì)量，叢洪蓮等[26]利用三維顯微鏡觀察雙面提花織物的結(jié)構(gòu)，分析線圈變形規(guī)律后得到提花織物線圈結(jié)構(gòu)模型，該方法數(shù)據(jù)量小且仿真速度快，模擬效果較好。

實現(xiàn)各類提花效應(yīng)的三維虛擬仿真也是目前仿真工作者研究的重點，居婷婷[27]利用NURBS曲線研究分析的基礎(chǔ)上，建立毛衫織物各種變化組織和花色組織的線圈結(jié)構(gòu)模型，解決傳統(tǒng)線圈模型不適用于復(fù)雜組織建模的難題。鄭培曉等[28]采用WebGL技術(shù)，利用型值點空間坐標(biāo)實現(xiàn)了三維線圈結(jié)構(gòu)的繪制和顏色渲染，截取提花織物三維仿真圖作為紋理材質(zhì)，實現(xiàn)了緯編提花織物的三維虛擬仿真，WebGL技術(shù)可以達(dá)到三維效果直觀性強(qiáng)、模型渲染質(zhì)量高等優(yōu)勢，如圖4（a）所示為提花模擬圖。此外，為了更好地滿足緯編織物動態(tài)展示的實時性，耿安琪等[29]使用OpenGL編程工具實現(xiàn)了緯編織物的三維建模，運用Lumislice技術(shù)模擬緯編織物線圈的紋理效果，這種方法很好地實現(xiàn)了緯編針織物的真實感模擬和動態(tài)效果展示，如圖4（b）所示。

3? ? 三維仿真的問題與趨勢

隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，緯編針織物三維仿真技術(shù)研究對紡織生產(chǎn)者和消費者來說都是至關(guān)重要的，三維仿真應(yīng)該朝著織物材料與組織多元化、適應(yīng)織物品種多元化、仿真技術(shù)多元化和應(yīng)用范圍多元化的方向發(fā)展。

3.1? ? 織物材料與組織多元化

隨著人們生活品質(zhì)的提高，各種新式功能型紗線代替普通紗線成為企業(yè)首選?？椢镌系姆N類不同，仿真效果也不同。在研究物理性能的基礎(chǔ)上，通過提高紗線毛感、質(zhì)感以及卷曲性等來提升視覺效果，例如對保暖型新材料進(jìn)行仿真模擬，可以更直觀地分析物理性能。除了織物材料，織物組織的多樣性也促進(jìn)了三維仿真技術(shù)的發(fā)展，例如緯平針、羅紋等織物原材料的模擬技術(shù)較成熟，但是對于集圈、毛圈和提花等變化組織和花色組織的建模分析還需進(jìn)一步研究，在日常生活中這些復(fù)雜的組織類型，花型的多樣性又是普遍存在的。因此提高織物材料和組織的多樣性，可以提高生產(chǎn)效率、節(jié)約企業(yè)成本。

3.2? ? 適應(yīng)織物品種多元化

隨著花式紗線在服裝上廣泛應(yīng)用，花式紗線也從二維仿真逐漸向三維仿真發(fā)展。目前針對花式紗線主要存在兩個問題：一是花式紗線三維仿真速度較慢，當(dāng)仿真模擬過程中織物長度較長時，因計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)過多導(dǎo)致程序運行緩慢，因此需要對電腦硬件配置以及程序算法進(jìn)行優(yōu)化，提高運行速度；二是目前沒有相應(yīng)的三維軟件系統(tǒng)可以對花式紗線進(jìn)行三維模擬，主要是因為花式紗線種類和結(jié)構(gòu)的多樣性，用既有的通用模型對花式紗線進(jìn)行三維仿真模擬是很難實現(xiàn)的。因此花式紗線仿真速度的提升和軟件系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)至關(guān)重要。

3.3? ? 仿真技術(shù)多元化

緯編針織物的二維平面圖形模擬技術(shù)比較成熟，但是三維仿真模擬的效果不夠理想，主要原因在于實現(xiàn)三維仿真效果的方法過于復(fù)雜?；谇娼７椒ǖ哪Ｐ鸵话爿^為復(fù)雜，需要在很多特征點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的運算分析，造成計算機(jī)程序運行時間長，導(dǎo)致三維仿真速度和質(zhì)量降低；其次，針對大花型提花織物，組織復(fù)雜多變，形成的花型繁多，不同花型中紗線的排列方式也不相同，因此在計算機(jī)模擬的過程中仿真速度也會降低。

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)與紡織科學(xué)技術(shù)的互相聯(lián)系，國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試用各種技術(shù)進(jìn)行三維仿真研究，例如在紗線真實感研究中，加入PBR技術(shù)，以紗線的實體截面為原型，渲染后在視覺效果上形成有捻度效果的紋理。此外，還在仿真模擬中融合了力學(xué)分析、圖形學(xué)等諸多學(xué)科。因此為了促進(jìn)緯編針織物三維虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必須將各學(xué)科融合起來，運用更多的計算機(jī)技術(shù)來分析緯編織物的組織結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性能，從而達(dá)到更逼真的三維模擬效果。

3.4? ? 應(yīng)用范圍多元化

目前針織物仿真模擬的研究主要集中在花型和織物立體結(jié)構(gòu)上，從緯編單面提花的研究發(fā)展到對緯編雙面提花的仿真，從普通紗線的研究發(fā)展到利用樣條曲線技術(shù)仿真花式紗線，也有部分學(xué)者研究全成形毛衫的三維仿真和穿著后的線圈形變分析。除了在紗線和線圈的仿真研究外，三維仿真技術(shù)可廣泛運用到不同領(lǐng)域，例如在服裝紡織行業(yè)，可以仿真面料以及成衣在虛擬模特身上的穿著效果，預(yù)測大眾喜愛度、減少生產(chǎn)成本；在家紡行業(yè)利用三維仿真技術(shù)，也可以減少產(chǎn)品試樣。因此對于緯編針織物仿真技術(shù)也應(yīng)該廣泛應(yīng)用在紡織產(chǎn)品行業(yè)中。

總之，緯編針織物三維仿真技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，將紡織服裝和計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科融合起來，一方面對于生產(chǎn)者而言，可以預(yù)測紗線、線圈和花型效果，也可以提前感知針織物在虛擬模特身上的穿著效果，降低企業(yè)設(shè)計成本，提高生產(chǎn)效率；另一方面對于消費者而言，可以線上根據(jù)自己的需求選取適合的針織物，避免線下復(fù)雜的試穿和購買流程。隨著計算機(jī)虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，緯編針織物的三維仿真也應(yīng)該朝著織物材料與組織多元化、適應(yīng)織物品種多元化、仿真技術(shù)多元化和應(yīng)用范圍多元化的方向發(fā)展。在未來的三維仿真研究中，應(yīng)該將服裝面料虛擬展示與計算機(jī)技術(shù)、物理力學(xué)等相關(guān)學(xué)科融會貫通，促進(jìn)仿真技術(shù)的再次發(fā)展。

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