织物建模软件的特点及应用

左　祺，李小欢，赵立环

(天津工业大学，天津 300387)

织物建模软件的特点及应用

左祺，李小欢，赵立环

(天津工业大学，天津 300387)

文章通过总结分析国内外二维和三维织物建模方法及相应软件特点，认为目前二维织物建模软件及其模型的灵活性差、适用面窄，三维织物建模软件适用性广，指出将织物建模与织物性能分析相结合的三维织物建模软件是未来织物建模软件的发展方向。

织物模拟；二维建模；三维建模；特点

织物建模旨在利用计算机模拟出具有真实感的织物图像。如何在计算机上模拟出较为逼真的织物一直是计算机图形研究的一个具有挑战性的课题。研究织物建模是为了更好地将其应用在织物分析、面料设计和服装性能设计等方面，运用软件真实模拟出织物的各项特征，包括交织状态，浮长状态，凹凸纹理状态，屈曲状态，立体感，质感等。织物建模后有利于织物结构研究和织物力学分析，而且通过改变经纬线颜色或改变各类参数，可以瞬间产生所需织物模型。在织物模拟速度、效果和稳定性等方面取得重要进展的同时，人们也设计出了不同的织物建模软件来配合不同的建模方法。目前，织物建模软件种类繁多，建模效果及其优缺点各不相同。本文将对主要的几种织物建模软件的特点和应用进行整理介绍，为各研究者进行织物建模提供参考。

1　织物建模的分类

1.1二维建模

织物二维建模主要是用平面示意图来表现织物或者纱线的三维表面结构，通过调整纱线的颜色或者模拟经过后整理加工的织物表面形态，来实现不同状态的织物模拟，具有极好的织物组织输入和纱线设计功能，如图1所示。甚至能够打印出逼真的织物模拟图像的纸样，一定程度的减少小样机的打样工作，如图2所示。但是二维模型缺乏立体感和真实感，并且局限于纱线或织物的数据条件，只能采用理想化的数据，无法很好地模拟一些花式纱线、混纺纱线和复杂的多层织物，缺乏灵活性，不能适应所有的用户。

图1　织物模拟图像

图2　织物图案模拟图像

1.2三维建模

三维模拟就是用三维示意图来表现织物或者纱线的三维几何结构。在模拟程序中，大多能从多个角度对模型进行观察，甚至有的软件还能实现模拟各个不同方向的光线的影响。三维织物模拟考虑了纱线的屈曲状态，机织物的交织状态，和针织物的嵌套过程等多方面的因素，其仿真效果很高，加上对图片的渲染，配合光源模型，凹凸纹理，基本上能够真实地模拟复杂的织物，并且能在电脑上直观地看出织物的特征，如图3所示。

图3　平纹织物三维模型

2　织物建模软件

2.1二维织物建模软件及应用

二维建模具有代表性的软件是织物仿真CAD系统软件。它可以迅速生成织物模型，适用于普通的织物和一些相对复杂的二重组织、双层组织的织物设计。织物仿真CAD系统的主要特点就是模拟织物外观形态(包括配色模纹、织物起毛效果)，通过图片渲染和建立光照模型，模拟真实的视觉效果。但CAD始终是平面展示模拟效果，呈现不出复杂的内部结构，如图4所示[1～2]。

图4　凹凸纹理模拟图

除纺织CAD系统外，Photoshop、Flash等平面图形处理系统也能对织物平面花纹进行模拟，效果不如CAD真实感强，而且操作繁琐。

二维织物模拟忽略了织物的部分特征，用其来分析织物性能，结果不太准确，因此只将其应用于展示织物效果图。

2.2三维织物建模软件及应用

2.2.1TexGen新型织物仿真软件

TexGen软件是由英国诺丁汉大学设计开发的模拟织物几何结构的软件，可以最大程度地展现织物的结构特性和柔性。该软件能够快速创建二维和三维织物模型，并对已创建好的织物模型进行修改并输出。其特点有：

(1)根据软件的建模原理，仿真方法简单，创建模型迅速。

(2)既能生成二维模型也能生成三维模型，能模拟绝大多数织物的几何结构，还包括因纱线粗细不匀而局部改变截面形状和尺寸的功能。

(3)软件输出后与有限元分析软件兼容，应用于织物力学分析、材料力学等性能的分析[3～4]。

(4)在针织物模拟方面，通过节点的优化选择可以与三维模型达到较好的一致性，同时线圈过渡平滑，线圈间的连接也比较光滑，仿真效果较为理想[5]。

TexGen作为新型的纺织软件是专门针对织物模拟设计的，仿真效果十分逼真，并且功能强大。将TexGen模拟的三维模型以． stp 或． inp 等格式的文件导出，可以直接在Abaqus 中导入生成模型。这样就能在Abaqus软件中进行织物应用性能分析。但若TexGen模拟的模型有织物中纱线间的嵌入问题会对有限元分析造成很大的误差，所以建模时要避免纱线间的嵌入。

采用TexGen软件建立的纱线模型和机织物模型分别如图5和图6所示。

图5　纱线模型

图6　织物模型

2.2.23DS MAX软件

基于3DS MAX软件平台，运用其内置语言MaxScript进行编程，开发织物组织全自动三维模拟系统并实现三维模拟效果，特点如下：

(1)3DS MAX可以简化颜色、发光程度、透明程度和反光程度等特征参数数据，在光照模型和纹理渲染的三维模拟方面比OpenGL系统的三维模拟的效果更好[6]。

(2)该软件根据规定的数据格式，将获得的织物各种参数规范化，把组织结构的源代码和模板中的参变量数据对应替换，生成建模代码文件。

(3)基于NURBS曲线建模，保证放样后纱线屈曲的部分不会出现尖锐拐角和通过修改控制点(修改因子)方便调整纱线模型的状态[7]。

(4)按照阵列复制完全组织的方法，产生整个机织物的三维模型。完全组织如图7所示。

图7　完全组织

(5)在针织方面，可以创建动画，动态模拟成圈三角及针舌的运动和纱线变形，从而模拟基本组织的编织过程[8]。

3DS MAX的建模过程相对简单，但不能很好地实现人机交互控制。该软件有自己的语言，与很多通用的有限元分析软件不兼容。若要使已有的模型导入有限元分析软件就必须将三维模型的代码转换成VC++代码，再导入其他软件，这样工作量就增大了。

2.2.3OpenGL三维图形系统

在VC++开发环境下，通过不同的建模方法建立模型，用OpenGL图形技术实现对织物结构的三维模拟,特点如下：

(1)B样条插值曲线设计(建模方法)：叠代法近似计算插值B样条的控制定点；反算法计算控制定点；这些方法计算量大，而且参数不好控制。通过研究几何关系，建立多项式模型的方法，虽然计算量也不小，但优点是可以通过改变结构参数来控制改变屈曲交织形态[9]。

(2)通过改变法线向量的求法改变光照效果，从而建立光照模型。

(3)模拟图能够任意改变大小方向，在不同角度的光线下观察织物组织结构。

(4)可以任意选择纱线或者隐去纱线、改变纱线的根数、截面积和颜色。为了研究织物的组织结构可以只显示单根纱线。

(5)通过多项式数学模型进行的三维建模，得到的纱线并非完全直线状，模拟度高，符合织物中纱线的实际交织情况[10]。

(6)在针织方面，NURBS曲线进行的线圈模拟，加入光照、材质因素和纹理、明显体现线圈之间的嵌套关系，真实感强烈[11]。

OpenGL建模计算复杂，但是织物外观模拟效果好。而且基于VC++开发环境，代码通用性好。生成模型文件后，通过更改文件类型就能将模型导入通用的有限元分析软件。

2.2.4在网络环境下的织物三维模拟

基于VRML虚拟现实建模语言建立织物空间几何模型，经过节点的划分、组织循环的命名和调用，实现网络传输并且能远程操作观察三维仿真效果。在这个基础上利用Java语言实现织物外观纱线色彩和光照效果在网络环境中的动态输入和实时修改，但是容易忽略了经纬纱线在织物中移位的不均匀性问题[12～13]。

2.2.5织物模拟CAD系统改进成三维模拟

基于HSL/RGB颜色空间转换进行光照效果处理的表面光照模型和快速表里分层的组织结构分析算法，主要从织物纱线的结构出发，构造在视觉上有3D效果的纱线模型[14]。研究人员也逐渐关注对CAD系统的二维模拟进行改善，使其具有三维效果。

Pro/E、AutoCAD、SolidWorks、UG这些传统的三维模型软件，在织物模型上尚未普遍应用。例如：基于DirectX 3D技术的三维模拟仿真，主要模拟织物的飘摆效果，使织物看起来不只是一个平面图，具有凹凸屈曲的视觉效果[15]。基于UG的三维正交机织物模型构建，主要是整体正交组织的建模，再用巨元体法建立纱线截面尺寸的计算方法等[16]。这些软件对于导入有限元分析软件有很大的优势，所以将这些软件应用于织物三维模拟也是有研究意义的。

3　结论

现有的各种模拟软件的特点总的来说就是先通过对一根具有结构相的纱线建模，然后让这些纱线通过织物组织结构相交形成织物单元，最后通过复制粘贴构成整个织物模型。当不考虑屈曲状态和结构组织时，模拟出来就是二维模型。而考虑上屈曲、交织状态和阴影光照时就能模拟出逼真的三维模型。在织物模拟上，随着类似于Texgen等的专业织物模拟软件的出现，模拟的程度逐渐完善。今后的织物软件开发方向将是模拟和分析相结合，因此能够形象地模拟纱线及其织物三维几何结构，并且能直接进行性能分析及其产品设计的织物建模软件必将得到研究者及其他使用者的青睐。

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Characteristics and Application of Fabric Modeling Software

Zuo Qi，Li Xiaohuan，Zhao Lihuan

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The modeling methods and software features of the two-dimensional and three-dimensional fabric at home and abroad were summarized and analyzed. At present, it was considered that the flexibility and applicability of the two-dimensional fabric modeling software and its model were limited. Three-dimensional fabric modeling software was widely used. The paper put forward that the three-dimensional fabric software combining fabric modeling with fabric’s performance analysis would be the development direction of the future fabric modeling software.

fabric simulation;two-dimensional modeling;three-dimensional modeling;characteristics

2015-09-18

左祺(1995—)，女，湖南湘潭人，学士。

TP391.41

B

1009-3028(2015)06-0038-04