机织物结构三维模拟软件系统的开发

周方颖 张素俭 王富伟 奚达新 赵钊辉

摘 要：为真实展现机织物结构立体效果，借助Maya骨骼技术和机织物结构相理论开发的机织物结构三维模拟软件系统，在解决纱线弯曲、浮长模拟的基础上，通过工艺参数模块和上机图模块基本参数的输入，实现对机织物特别是复杂组织织物结构的三维模拟，可以任意角度、任意距离观察织物结构细节，为初学者理解织物组织结构及其形成提供具有沉浸式感官体验的学习工具;同时，该软件系统能够根据输入参数实时绘制三维机织物结构，为产品开发人员提供真实高效的研发工具。

关键词：Maya骨骼;机织物结构;三维模拟;软件系统

中图分类号：TS111.8  文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）03-0051-06

Abstract： Basing on Maya skeleton technique and woven fabric geometric structure phase， the software of 3D simulation for woven fabric structure is developed in order to show the 3D effect factually. Modeling bending and float of yarn， inputting technical parameters of yarns and patterns subsequently， the 3D stimulation for woven fabric structure can be obtained， especially for complicated patterns. Moreover， it is available to observe the details of 3D woven fabric at any angle and/or at any distance， which provides initials a tool of experiencing a immersive sensory to grasp fabric structures. Meanwhile， owing to its real-time performance， the software would provide designers a real and efficient tool to develop new fabrics.

Key words：Maya skeleton; woven fabric structure; 3D simulation; software

目前，在各種纺织CAD软件中均能利用纱线、面料及工艺设计实现自动生成织物模拟图案，以代替产品试织打小样的工作，缩短了打小样的周期。但是由于织物组织种类繁多，对于某些特殊组织，如凸条组织、网目织物、透孔组织、双层组织等，其织物的外观和图案采用的二维模拟，仅能展示织物的外观，真实感缺失。近年来，国内外学者在这方面做了很多探索。刘让同等[1]剖析并修正了机织物结构相模型，为机织物结构3D模型的创建提供了理论参考。朱建华等[2]以VC++和Open GL为开发工具，通过绘制每根纱线进而绘制三维机织物。王旭[3]采用3DS MAX技术，通过截面曲线放样技术实现纱线建模，再按照织物组织中经纬纱交织规律，实现织物结构的3D建模。但这些模拟，或者只是模拟出织物的二维图案，然后将其贴在三维物体上，用来展示人体着装时面料的悬垂性和图案的变化，或者显示装饰织物用作沙发布或桌布时的图案在空间的伸展效果[4];更多的是基于复杂建模的基础上获得，其工作量庞大，效率较低。

为此，寻找一个较好的方式对机织物结构进行三维模拟，成为系统开发的一个重要突破。目前市场上的三维软件较多，其中美国Autodesk公司出品的一款三维Maya软件具有全能的建模工具、强大的角色动画、特效制作及协作开发能力，能与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合[5]，使得创建具有三维立体感效果成为可能。确定开发环境后，系统开发解决的主要问题就是对纱线弯曲和浮长线的描绘，从而实现对复杂组织结构的三维真实模拟。

利用Maya骨骼绑定技术以及机织物结构相模型理论，系统开发出对机织物，特别是一些复杂组织织物结构的三维模拟，为实现机织物虚拟仿真设计进行有益地探索。

1 准备工作

1.1 Maya骨骼对纱线的模拟

由于Maya软件具有操作简单、涉及范围广、功能强大等优点，在三维模型的制作中，Maya属于首选工具[6]。在机织物三维模拟中，骨骼技术可以实现实时绘制，避免了Open GL等开发工具的大量运算。

为确保Maya骨骼在机织物三维模拟中能够切实有效地发挥优点，首先选取纱线进行模拟测试。图1为Maya环境下，以骨骼表示的纱线在伸直状态的形态和交织变形状态下的形态。为了使纱线的屈曲效果更真实，对每段骨骼设置“细分数”，即划分为若干小段，如图2所示。细分数越多，对该段骨骼发生的变形描述越精确，模拟效果就越好;但随之而来的是系统运行速度低，成本代价较高，影响使用。通过对纱线的测试，认为在Maya环境下，通过合理设置纱线骨骼关节数及细分数，使纱线能够按照设想的方式伸直或屈曲，并且在屈曲状态下，曲线上各点之间过渡自然、连贯、平滑，因此该系统可以用来进行织物的三维模拟。

在机织物三维模拟过程中，将每根纱线设置成连续的100个骨骼，每个骨骼两个关节，共有101个关节;每个骨骼设置“细分数”，对纱线在组织中的伸直和屈曲状态进行三维模拟，不仅获得良好的视觉效果，同时保证了系统的运行效率。

1.2 基于机织物几何结构相的经（纬）浮长线绘制

复杂机织物组织中，浮长线的绘制效果对机织物结构3D效果影响至关重要。为了使生成的机织物三维模拟的浮长线线型连贯、过渡平滑，以机织物几何结构相理论为基础对浮长线上各点的位置进行标定[7]。表1为机织物9种不同结构相的参数变化，其中，第5结构相形成经纬同支持面织物，也是通常所称的0结构相，如图3所示。

将机织物第5结构相视为经浮长起始和结束对应的最低点，经浮长的最高点对应第9结构相。当 经向连续浮点数大于等于2时，连续浮长的起点和终点位置分别标定为5，再从两端向中间对称标定，依次得到6、7、8、9几种位置点。当经向浮点数较少，不足以标到“9”时，则以最后标定的数值为准;当经（纬）向浮点数较多，标到“9”时仍有未标记浮点时，则余下浮点全部标记为“9”。图4表示经向浮长线各点位置的标定。

同理，可以标定纬浮长各位置点，如图5所示。同样，第5结构相形成经纬同支持面织物，将此位置视为纬浮长起始和结束对应的最低点，纬浮长的最高点对应第1结构相。

对经（纬）向连续浮点的数值标定，描述了浮长线各点相对于基准位置的高低变化，再利用机织物结构中9个结构相特征值——经纱屈曲波高与纬纱屈曲波高的不同，可以准确绘制出交织后的机织物经（纬）浮长线三维模拟效果。相比其他方法，建模方便、快捷浮长连续外观效果良好。

2 基于Maya骨骼技術的机织物结构三维模拟系统开发

2.1 系统模块的构建

系统基于机织物设计工作流构建功能模块，包括工艺参数模块、上机图模块、布料生成模块和系统帮助模块，各模块的具体内容及主要功能如图6所示。

2.2 系统运行

2.2.1 织物规格及色纱排列设置

依据面料设计工艺参数或者产品工艺单，

在系统“工艺参数模块”完成织物规格参数的设定，包括经纬纱支、组织循环、色纱循环等，界面如图7所示。用户在进行工艺参数设置时，系统都会弹出对话框，给出相应参数的取值范围;一旦参数取值超出范围，系统会给出提示并要求重新输入。

对于色纱颜色，既可以通过系统给出的色块来获取，也可通过输入RGB值来准确获取。

2.2.2 生成上机图

上机图是织物上机工艺的图解，包括组织图、穿筘图、穿综图和纹板图。组织图、穿综图、纹板图3个图形确定其中两个可以求出另一个图形，工厂中一般给出穿综图和纹板图;穿筘图依据机织物织造上机工艺，对穿筘参数进行设置后自动生成。图8和图9分别为上机图输入参数前后的界面。

2.3 布料生成模块

工艺参数及织物上机图参数设置完成后，点击“布料生成”按钮，系统进入“布料生成模块”。在该功能模块内，用户可以任意角度、任意距离、沉浸式观察实时生成的数字布料及结构，便于用户查看和推敲每一个布料效果及穿插细节。图10为一款配色模纹面料三维多角度及任意距离示例图。

图11为一款双层表里换层织物的三维模拟图，从上至下、从左至右分别模拟了织物正面效果、正面放大效果、侧90°视角、斜侧方视角。既能真实呈现织物的三维立体效果，又能完美展现双层组织的表里换层方式，真正实现了机织物结构的三维模拟。

3 结 语

Maya骨骼技术具有可移植性强、易于实现、真实效果表现力强等突出优点。因此，开发的基于Maya骨骼的机织物结构三维模拟系统，能够通过“工艺参数模块”和“上机图模块”，进行纱线和织物组织基本参数的设置，进而在“布料生成模块”完成对面料的三维模拟，不仅可以方便、快捷地获得织物的三维立体效果，同时可以多角度、任意距离、沉浸式观察织物结构，准确认识和理解机织物结构;特别通过建立在几何结构相基础上经纬纱连续浮长的绘制，使一些复杂机织物结构的三维模拟更接近于真实。

参考文献：

[1]刘让同，李亮，刘淑萍，等.机织物结构相模型剖析及修正[J].纺织学报，2017，38（10）：32-37.

[2]朱建华，张瑞云，王伟，等.复杂组织多层机织物三维建模与仿真[J].玻璃钢/复合材料，2016（2）：47-52.

[3]王旭.机织物组织结构的三维建模方法研究[J].河南工程学院学报（自然科学版），2013，25（1）：6-10.

[4]郑天勇，黄故.机织物外观分析及计算机三维模拟[J].纺织学报，2001（4）：104-106.

[5]刘文苗，杨雪，王丽，等.基于Maya技术的医学虚拟实验模型构建[J].实验技术与管理，2011，28（4）：76-79.

[6]郭法宝.Maya场景建模流程研究[J].戏剧之家，2014（4）：218.

[7]王淑英，张素俭.织物结构与设计[M].北京：化学工业出版社，2008：138-140.