基于互联网的经编针织物CAD系统开发与实现

汤梦婷， 蒋高明， 王 薇， 高梓越

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心, 江苏 无锡 214122)

经编作为我国针织行业的一个分支，近年来规模不断扩大，是我国纺织工业中发展最快的产业之一。现代经编技术以其生产高效性、产品花式多样性以及其织物结构灵活性等特点得到迅速发展[1]。计算机辅助设计(CAD)技术即利用计算机的计算与判断功能进行各种工程或产品的设计、制造。在现代科技飞速发展的今天，计算机及CAD技术已经成为生产、生活中不可分割的一部分[2]。经编CAD技术也随着行业的需求不断的完善成熟，目前，比较成功的经编CAD软件都来自于国外的纺织企业或国内的一些纺织高校，例如德国EAT电气公司和ALC计算机公司联合开发的PROCAD系统，该系统设计合理功能强大，能实现多种类型织物的设计，织物仿真效果逼真，并能与机器之间进行数据转移。国内在全球范围内使用最多的是江南大学研发的经编CAD软件(WKCAD)系统，该系统也具有强大的花型设计和织物仿真等功能[3]。然而单机版CAD软件存在较大局限性，软件的安装、版本升级、局域网限制等阻碍了CAD软件的发展。

本文在单机版CAD软件的基础上引入互联网技术，构建了交互设计模型，打破了局域网限制。不仅将单机版CAD软件的功能应用到互联网版CAD系统上，还借助云计算技术和大数据相关技术实现了快速仿真、虚拟展示及送经量预测等。随着互联网+时代的到来，为提升纺织行业在国际市场的竞争力，将针织技术与互联网技术相融合已是必然趋势，基于互联网的CAD系统开发充分利用了互联网技术的强大优势，拓宽了系统使用范围，为经编CAD系统的研发提供了新的思路与平台。

1 系统构架及关键技术

1.1 系统构架

利用互联网技术的浏览器和服务器架构模式(B/S)结构[4]实现客户端与服务器端的交互设计，将系统功能核心数据保存在服务器端，简化了系统的开发、维护和使用；用户可以在任何地方进行操作，客户端零安装、零维护；利用互联网的云存储技术，实现对针织产品数据信息的存储、图片上传、文件远程传输等功能；应用大数据相关技术对所有存储信息进行科学分析，从而实现针织产品送经量的估算等功能；利用互联网的云计算技术实现大数据计算处理，加快系统响应速度，实现快速仿真。互联网经编CAD系统的基本模块如图1所示。

图1 系统模块图Fig.1 System modules diagram

系统采用了客户端与服务器端进行数据交互的结构，如图2所示。客户端是用户界面，可以进行花型和工艺设计等操作，服务器端提供云存储功能，客户端可以将产品数据存储到服务器端，服务器端可以对数据进行处理分析，实现快速仿真，图片处理，并将处理后的信息返回到客户端，客户端对返回信息加以解析处理，显示在用户界面。

图2 系统结构简图Fig.2 System structure diagram

1．2 关键技术

基于互联网的经编CAD系统最关键的技术就是实时交互，包括客户端交互设计、服务器端与远程数据库之间的数据交互及与文件上传导出等。客户端主要采用超文本标记语言编程语言[5](html5) 进行网页的设计，利用html5自带的CSS层叠样式表(cascading style sheets)美化网页，利用html5的画布(canvas)元素构建设计界面，借助canvas强大的绘图功能和鼠标事件实现织物垫纱图的设计绘制及实物图、仿真图等图片的显示。

服务器端主要采用ASP.NET技术[5]进行后台程序编写，利用ASP.NET的ADO.NET技术实现与远程服务器端数据SQL Server数据库(Microsoft 公司推出的关系型数据库管理系统)的连接和调用，并实现对产品数据库的操作等功能；利用ASP.NET的图形设备接口GDI (graphics device interface)绘图技术实现垫纱图的绘制；利用ASP.NET的文件传输功能实现对BMP位图的处理和导入，并实现上机文件的导出。

客户端与服务器端数据的交互依靠客户端的脚本语言(javascript语言)实现，javascript语言可完成客户端程序的编写，可辅助html5实现各种功能，与服务器端进行数据传递[6]，从服务器端获取的数据用Session(“会话控制”，存储特定用户会话所需的属性及配置信息)对象保存再借助javascript语言进行客户端与服务器端的传递和解析处理。

2 织物设计实现

基于互联网的织物设计借助于html5的canvas元素构架设计视图，canvas元素具有强大的可操作性，支持鼠标事件[7]，利用javascript语言完成客户端程序的编写，基于互联网的经编织物设计界面如图3所示。

要实现织物垫纱图的绘制和设计就需要建立数学模型，将每种线圈类型用数值代替，再与数组建立联系，转换成计算机语言。

图3 经编织物设计界面Fig.3 Warp knitting fabric design interface

2．1 建立垫纱数码数学模型

要绘制垫纱图首先要判断是开口线圈还是闭口线圈，线圈的类型以及上下延展线的走向，几种基本的线圈类型以及代号如表1所示。

表1 线圈类型代号Tab.1 Loop type code

首先将每把梳的垫纱数码分解成1个三维矩阵L：

式中：h表示横列数；I表示梳栉总数；Li,j,0表示第i把梳栉在第j横列第1个位置上的数码；Li,j,1表示第i把梳栉在第j横列第2个位置上的数码，例如垫纱数码GB1∶1-0/1-2//，分解后L1,1,0=1，L1,1,1=0；L1,2,0=1，L1,2,1=2。

根据垫纱数码判断线圈的开闭口情况，对于经编组织，每个横列上如果针前横移方向与针背横移方向相反则为闭口线圈，相同则为开口线圈，垫纱数码由短横线连接的2个数字代表针前横移针数，故针前横移为L1,1,0-L1,1,1=1(第1横列第1个数字减去第2个数字，正数表示向右横移)，由“/”连接的2个数字代表针背横移，故针背横移为L1,1,1-L1,2,0=-1(第1横列的第2个数字减去第2横列的第1个数字，负数表示向左横移)，二者相乘为负数时，则为闭口线圈即横移方向相反，反之为开口线圈，故此例中第1横列为闭口线圈，又因其从针前横移向右，故为右闭口线圈，同理第2横列为左闭口线圈。

判断线圈类型，根据针前垫纱判断是成圈、衬纬还是重经组织，针前横移1针即L1,1,0-L1,1,1=1为普通成圈组织，针前不横移即L1,1,0-L1,1,1=0为衬纬组织，横移2针即L1,1,0-L1,1,1=2为重经组织。

对于垫纱数码GB1∶1-0/1-2//，其分解处理后每个横列参照表1得到对应的线圈类型代号为第1横列线圈代号为1，第2横列线圈代号为2。

这样就将一个垫纱数码转换成了数字信息，再存储到一个二维矩阵中，根据对应的数字代号进行绘制。

2．2 建立穿经数学模型

绘制垫纱效应图除需要垫纱组织信息外还需要穿经信息，即每把梳的穿纱规律，组织结合穿纱才能产生方格、网眼等各种花型效果。这里用一个二维矩阵T来表示穿经矩阵。

式中：w表示花宽即穿纱范围；I表示梳栉总数；t11表示第1把梳栉在第1个穿纱位置上的穿纱情况；ti,k表示第i把梳栉在第k个位置上的穿纱情况；穿纱用数值1表示，空穿用数值0表示。图4示出穿纱情况与对应矩阵图。

图4 穿纱图的数学表示Fig.4 Mathematical representation of threading. (a) Threading diagram;(b) Correspondent matrix

图4(a)中黑色圆点表示织针，黑色竖线表示穿经对应图4(b)中的数字1，没有竖线的地方表示空穿，对应图4(b)中的数字0。故图4(a)中的穿经为第1排一穿一空，第2排满穿。

2．3 在线交互设计

基于互联网的在线交互设计，最大的优点是可实时传输数据，设计过程中数据实时传输到服务器端，服务器端立刻做出响应，大大提高了使用者的设计效率，同时数据实时保存到远程数据库，可随时调用、查看及修改，有效缩短了设计流程。

客户端的交互设计，利用canvas辅助javascript语言完成各种交互设计[8]，canvas元素自带的鼠标事件，可监测到鼠标和键盘的各种操作指令，完成点击、移动、拖拽、选择及滚轮放大缩小等各种动作，人机操作界面良好。

设计过程中依靠javascript语言完成数据从客户端到服务器端的传输，服务器端使用C#语言进行程序编写，C#语言是一种后端代码，故重要数据的处理分析得以保密。这种前端设计、后端处理的交互机制不仅可提高设计速度，还确保了数据的稳定传输及数据安全，可以说是常规设计模式的一种优化与提高。

3 织物仿真及虚拟展示

3．1 织物仿真及图片处理

系统可以实现织物的在线仿真和图形处理，为节省函数的重复编写，将织物仿真做成了Web服务，即一个单独的仿真服务，可以在各个页面随时调用，调用时只需提供机号、织物密度、原料粗细和张力等与仿真有关的参数，即可进行在线仿真，得到各种类型花纹的二维仿真图。在进行大图形仿真时，采用互联网的云计算技术，调用多台主机分布式进行计算处理，提高大图形仿真效率。

利用计算机图形学，可实现对图片花型的快速提取及循环处理。仿真图存储在服务器端文件夹，可在多个页面随时调取，对图片进行处理，处理时利用ASP.NET的GDI(Graphics pevice Interface)图形技术[9]，在服务器端快速进行解析处理，对图片进行循环、高质量的压缩、等比放大和缩小，再返回到客户端显示，结果如图5所示。

图5 织物仿真Fig.5 Fabric simulation. (a) Original simulation;(b) Trimming and recycling

3．2 虚拟展示

得到二维的仿真图后，系统还可进行三维虚拟展示，如图6所示。三维虚拟展示利用WebGL技术，实现对人体和衣片的在线建模，场景渲染，光照和材质的设置，达到阴影的效果，增加真实感，同时还可监测到鼠标的控制，对人体模型进行放大缩小移动的控制，方便查看细节。虚拟展示可模拟织物穿着在人身上的效果，人体模型也可根据客户的体型参数在线建模，衣片模型也是多样的，为个性化定制提供了技术支持。

图6 虚拟展示Fig.6 Virtual display. (a) Front; (b) Side; (c) Back

4 工艺计算实现

工艺计算包括自动计算产品面密度、产量、机上横密和送经量[10]。系统根据产品的垫纱组织、原料、密度和穿纱等按照理论计算公式自动计算出上述参数，节省了工艺员的工作量，降低了计算错误。

除可以按照理论公式进行自动计算外，系统还可以进行送经量的估算，送经量的估算建立在大数据的环境下，在大量数据中快速筛选出符合条件的产品，对其送经量进行数据处理得出估算值。

在进行送经量的估算时，要对每把梳分别进行估算，因数据库中垫纱数码、穿纱和原料是多把梳栉合在一起的字段，首先对垫纱数码、穿纱和原料进行分解，得到大小为梳栉数I的垫纱数码矩阵D、穿纱矩阵C和原料矩阵Y。

D=[d1…di…dI]

C=[c1…ci…cI]

Y=[y1…yi…yI]

式中：i取值为1～I；di表示第i把梳栉的垫纱数码；ci表示第i把梳栉的穿纱情况；yi表示第i把梳栉的原料。以机型、机号、花高、该把梳栉的垫纱数码、穿纱情况和该把梳所用到的原料为查询条件，对数据库进行检索，检索出n条数据，逐条进行判断，筛选出机型、机号、花高完全吻合，垫纱数码、穿纱和原料字段中包含该把梳栉信息的数据，对数据进行分解，当机型、机号和花高相等时，找出垫纱数码中数码相等的梳栉，得到其梳栉编号z，再对该梳栉的穿纱和所用原料进行判断，相等则留下，对送纱量进行破解，得到符合条件的目标梳栉的送经量，不相等则舍弃该条数据，继续查找判断，得到一个全部符合条件送经量的矩阵S。

对矩阵S用拉依达法则进行数据处理，剔除误差数据，得到最终的估算值，其算法流程图如图7所示。当数据量越来越大时，估算值会更加准确，符合实际生产。

图7 送经量估算算法流程Fig.7 Let-off amount estimate algorithm flow

5 经编方格织物设计示例

以花高为16、花宽为14的经编方格工艺进行设计为例，其工艺参数见表2，该工艺使用了2种原料，原料A为16 tex/48 f涤纶变形丝，原料B为9 tex/16f有光涤纶长丝。

表2 工艺参数Tab.2 Process parameters

注：A代表第1种原料；B表示第2种原料；*号表示空穿。

首先进入系统，新建，输入花宽花高等基本参数后点击确定进入设计界面(见图3)。根据实际需要进行花型设计，包括组织设计和穿纱方式设计，这些功能可以直接在设计界面进行操作，选中某把特定梳栉，利用左边的按钮进行线圈类型转换，还可以进行穿纱方式设计，在穿纱区域双击一下竖线即可使竖线消失变成空穿，再次双击竖线出现变成穿纱，完成所有设计后转到工艺设计界面即可查看并检查所有参数是否正确并进行工艺计算。

原料编辑操作，根据原料信息进入原料编辑界面进行信息输入，录入完后点击确定即可。原料编辑完成后即可查看并打印工艺单，参数确认无误后即可导入数据库在数据库中查看到该条记录，完成了1个经编工艺。导入数据库后，如需查看或修改工艺可在系统的产品查询界面下输入查询条件找到该条记录，选择后进入设计界面进行修改。

最后系统可导出花型文件和上机文件，利用互联网的云存储技术，可将上机文件存在云端，输入机器编号，直接发送到指定机台。方格织物最终垫纱效应图如图8所示。

图8 垫纱效应图Fig.8 Lapping effect diagram

6 结 论

本文将互联网技术与CAD技术相结合，利用互联网优势，开辟了一个新的经编CAD设计模式，在研究经编组织垫纱数码规律的基础上，建立了织物的设计模型；结合互联网技术和大数据环境实现了快速仿真、虚拟展示、送经量估算及文件上传与下发等功能，最后以实际工艺举例，验证了系统的可行性，为经编CAD软件的设计与开发提供了新的思路与参考价值。对比以往单机版CAD，基于互联网的经编CAD系统的主要优势如下。

1)利用canvas元素结合javascript语言实现客户端设计，数据分析处理在服务器端进行，大大提高了客户端的设计速度与用户体验，同时数据的实时交互也确保了数据的安全，不易丢失。

2)远程服务的使用使得程序的编写变得简单，只需调用远程服务即可实现花型的在线仿真，同时互联网云计算技术的引入也大大提高了大花型的仿真速度。

3)大数据的环境使得工艺计算变得更贴近实际生产，更具有参考价值。