纬编针织物三维仿真技术研究进展

任怡芸　宋晓霞

摘 要：随着计算机技术的快速发展，基于三维仿真技术的纬编针织物的仿真结果相比二维仿真更加接近实际织物，但是由于织物组织的多样性和处理数据的庞大，仿真的效果不够理想，复杂织物的仿真速度与真实度模拟有待加强。在分析国内外学者对仿真技术的研究中，从纱线和线圈结构两个方面阐述了纬编针织物的三维仿真历程，分析了三维仿真技术存在的主要问题和发展趋势。 认为该仿真技术会朝着织物材料与组织多元化、适应织物品种多元化、仿真技术多元化和应用范围多元化等4个方向发展。

关键词：三维仿真；纬编针织物；线圈模型

中图分类号：TS186.1             文献标识码：A              文章编号：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

三维仿真技术是利用编程语言和虚拟显示技术对纱线、线圈结构和织物花型等进行模拟。随着计算机虚拟技术的逐渐发展，三维仿真技术获得越来越多学者的关注。但是针织物组织繁多、线圈结构复杂，在真实度模拟以及仿真速度方面还有很大的发展空间。基于纱线以及线圈结构的仿真分析，在未来的三维仿真研究中，应该更加注重针织物的仿真方法以及仿真效果的呈现。通过纬编针织物的计算机虚拟仿真，可以高效呈现纱线、线圈的花型模拟以及针织服装虚拟穿着效果，缩短实验流程，降低企业生产成本。

1    緯编针织物纱线仿真现状

在纬编针织物三维仿真研究中，纱线的三维仿真效果直接影响织物外观呈现，纱线三维仿真方法研究经历了3个阶段，分为几何形状填充法、扫描处理法和计算机三维模拟法。采取几何形状填充法建立仿真模型，但是模拟出来的纱线缺乏真实感和立体感；扫描处理法以及计算机三维模拟法的使用，使仿真效果更逼真。

1.1    几何形状填充法

在计算机仿真技术初期，纱线的仿真采取几何形状填充法，把纱线看成二维平面以图形方式如小方块、矩形块、擦去四个角的平行四边形等对纱线进行参数化设计的模拟法，每个具有颜色的方块代表纱线每个单元格仿真模型，例如邓中明等[1]将小长方块循环陈列且倾斜放置，创建基于小长方形色彩的单纱仿真模型。虽然模拟速度快，但是采用几何形状填充法模拟出来的纱线图像缺乏真实感和立体感。

1.2    扫描处理法

为了使仿真效果更逼真，有学者开始利用扫描处理法建立三维模型，首先用扫描仪采集纱线图像，根据采集图像对纱线形态进行分析，然后建立纱线三维模型。

在利用扫描处理的方法进行仿真之前，有学者基于光照模型用二维的方法体现纱线三维的特征，童小素等[2]提出了上述方法的改进算法，他通过扫描仪扫描得到棉、麻、丝等不同材质的纱线图像，建立Shepard插值拟合模型，实现不同材质的不同质感特征。基于童小素的拟合模型，Zhao Shuang等[3]利用微型CT扫描仪创建了具有纤维级细节的高质量程序纱线模型。基于三维重建技术生成的三维虚拟纱线，可以合成具有高视觉质量且没有重复图案的大型纺织品，质感特征更加细节化。

针对云纹纱和混色纱等特殊纱线在纬编织物中的应用，一些学者对特殊纱线形成纬编织物的二维仿真进行了研究。吴义伦等[4]将采集的云纹纱图像进行图像分割等图像处理技术，利用纹理映射技术实现云纹纱纬编针织物外观模拟，如图1所示为云纹纱的模拟效果和实物效果，模拟效果图和真实的织物纹理基本一致。此外，李忠健等[5]利用图像处理技术对图像进行平滑滤波处理，对平滑后的图像进行聚类分割得到混色纱主体图像，该类对特殊纱線的仿真可以更加直观表达纱线在针织物上叠加形成的纹理效果，为云纹纱、混色纱及针织物设计提供有效手段，但是建立的线圈模型圈柱为直线，与真实形状不符，真实感欠缺。

因此Zhao Shuang、李忠健等学者基于扫描处理的方法对纱线进行仿真，是利用二维方法反映三维的特征，这种方法与计算机三维模拟法相比，线圈模型的真实感和纱线的立体感还需加强。

1.3    计算机三维模拟法

计算机三维模拟法是根据纱线的参数如纱线颜色、粗细、毛感、质感和卷曲性等对纱线进行分析，然后运用仿真技术来建立纱线的三维模型。

基于纱线的仿真模拟主要将纱线作为一个整体，将纱线的截面简化为一定的形状，建立纱线的三维模型。Liao TY等[6]将纱线的外观简化为柱体结构，在三维空间中利用四边形小面片在柱体结构上平铺，完成纱线的三维仿真设计。Kurbak A等[7]将纱线看作弯曲细长的圆柱体，利用3DMax软件以及数学模型的建立，完成了罗纹针织物三维仿真效果图。郭炜杰[8]将纱线的截面转为由多个圆弧组成的形状，并使用截面按照线圈路径、设定的角度进行扫描，生成纱线实体。

针对纬编针织物纱线毛羽效果的外观模拟，郭炜杰[8]利用分形理论对花式纱线中不规则毛羽特征进行仿真模拟；孙光武[9]采用3DMAX的毛发系统实现了纱线的毛羽效果；于斌成[10]利用球的极坐标方程和正态分布函数建立毛羽模型并对线圈进行去噪、二值化等相关处理，最终形成无缝针织物的外观纹理图。

此外，国内很多学者利用B样条曲线造型技术，对纱线进行三维仿真，B样条曲线设计灵活，可以对普通纱线以及花式纱线进行三维造型。史征涛[11]利用B样条曲线造型技术，对花式纱线中常见的竹节纱和多色股线的长度、颜色等参数进行三维仿真模拟研究，建立了竹节纱和股线单纱的几何数学模型、光照模型以及颜色模型，模拟效果较好，立体感强，可满足消费者需求。虽然B样条曲线具有局部修改不影响整体效果的特点[12]，但是B样条不能完全插值于给定的控制点，赵志详[13]采用C-Cardinal 样条曲线造型技术对纱线进行建模仿真，C-Cardinal 样条曲线有良好的插值性和较少的运行消耗率。

因此，李忠健等[5]利用扫描处理法得到的线圈模型圈柱为直线，真实感欠缺，但是纱线的三维模拟，可以将截面简化为一定的形状，模拟得到的纱线模型更加具有真实感和立体感；三维模拟也较好实现了对毛羽效果的模拟；此外，利用B样条曲线等模型，可以对花式纱线进行仿真模拟，更好满足纱线多样性仿真模拟的需求。

2    纬编针织物线圈结构仿真现状

织物外观仿真的基础是单元线圈模型，除了纱线三维仿真的探讨，线圈结构三维仿真的研究也是纬编针织物仿真技术研究的热点。通过国内外学者的研究，目前线圈结构的三维仿真主要包括基于Pierce线圈模型的建立、基于样条曲线的线圈建模和针对不同组织结构的线圈三维模型的建立这3种途径。

2.1    基于Peirce线圈模型的建立

Peirce线圈模型中，纱线松弛且没有外力的作用，截面为均匀固定直径的圆形，针编弧与沉降弧之间由圆柱体形成的圈干相连，该线圈模型为理想状态下的模型，是早期研究线圈几何结构与织物性能关系的代表性模型之一，虽然灵活性一般，但是它为线圈几何学的进一步探索研究提供了可行的分析方法[14]，如图2所示。随着研究的进一步深入，国外学者基于Peirce线圈模型创建了Munden模型和Krubak模型。Munden模型的几何结构与Peirce线圈模型类似，但是该模型将纱线的内应力和抗弯曲性能包含到了模型中，Krubak模型是近期研究中比较具有代表性的三维线圈模型，针编弧与沉降弧为不在同一平面的椭圆，相比Peirce 线圈模型，Krubak模型的圈柱有弯曲，整体为螺旋线[15]，三维仿真效果明显加强。研究者基于Peirce纬编线圈模型和空间几何结构的研究，创建的线圈结构模型能够显示针织物线圈相互串套的视觉效果。基于Peirce模型的线圈模型快速有效，且改进的Munden模型考虑了力的作用，但是受限于二维模型的本质，相比真实织物线圈，三维立体感不强。

2.2    基于样条曲线的线圈建模

国内对线圈模型的研究虽然起步较晚，但是进展较快，而且也取得了不错的成果。这一方面是因为国外学者所奠定的基础，另一方面在于计算机技术的运用使模型的构建方法更加广泛和便捷，提高了建模的效率与质量[16]。目前国内主流的线圈建模方法有参数方程法、样条曲线法和有限元法等[17]。其中样条曲线具有诸多优点，尤其是设计自由型曲线曲面形状时强大的灵活性，被广泛用于工业设计中，其中B样条曲线和 NURBS样条曲线被广泛的应用。

B样条曲线相比早期的Bezier三次曲线，改变一个控制点并不影响其他曲线段的形状，具有相当多的优点。瞿畅等[18]以Peirce模型为基础，采用三次B样条曲线来模拟纱线路径，很好地表现了针织组织在空间的串套关系。王少俊[19]首次采用实物在电镜下观察的图片，结合针织物线圈单元和组织结构的特征，利用B样条曲线建立纬编针织物线圈模型。杨恩惠等[20]使用超景深显微镜获取织物结构参数，通过三次B样条曲线的方法建立纬平针织物线圈的三维几何结构模型。

相对于B样条曲线，NURBS样条曲线更加灵活稳定，被广泛应用于针织物线圈三维模拟中。Piegl[21]首次引入权因子是三维线圈结构仿真中最具代表性的研究成果，他使用NURBS 曲线建立了三维线圈模型，基于权因子对曲线形状的改变进行量化，实现了纬编线圈真正的三维模拟。在此基础上，Li 等[22]根据对实际织物的测量并反算控制点，计算得出控制点的位置，解决了 NURBS拟合曲线不能完全通过型值点的问题，图3为仿真模拟图。邓逸飞[23]采用NURBS曲线造型技术建立中心线形态模型，由于型值点的数据来自实际线圈，建立的线圈几何模型更具真实性。

运用样条曲线的方法能够很好的体现织物的串套关系和三维立体效果，因此被广泛的应用于纬编织物三维模拟中。

2.3    基于不同组织结构的线圈三维模型的建立

基于不同组织结构线圈模型的不同，首先分析的是基本组织结构的线圈模型，然后在此基础上对其他变化组织进行建模研究。

目前纺织工业朝着智能化的方向发展，提花针织物可以增加面料的美感和时尚度，因此，三维仿真技术也从原来的基本组织结构的仿真转向复杂的提花针织物的三维仿真[24]。德国Kaldor J M等[25]结合纱线捻度、卷曲性等参数，采用三维建模的方法实现了纬编提花针织物的计算机仿真，仿真效果较好，但是该方法仿真速度很慢，普通的机器设备无法对复杂的大循环提花织物进行仿真模拟。在此基础上，为了优化仿真速度和质量，丛洪莲等[26]利用三维显微镜观察双面提花织物的结构，分析线圈变形规律后得到提花织物线圈结构模型，该方法数据量小且仿真速度快，模拟效果较好。

实现各类提花效应的三维虚拟仿真也是目前仿真工作者研究的重点，居婷婷[27]利用NURBS曲线研究分析的基础上，建立毛衫织物各种变化组织和花色组织的线圈结构模型，解决传统线圈模型不适用于复杂组织建模的难题。郑培晓等[28]采用WebGL技术，利用型值点空间坐标实现了三维线圈结构的绘制和颜色渲染，截取提花织物三维仿真图作为纹理材质，实现了纬编提花织物的三维虚拟仿真，WebGL技术可以达到三维效果直观性强、模型渲染质量高等优势，如图4（a）所示为提花模拟图。此外，为了更好地满足纬编织物动态展示的实时性，耿安琪等[29]使用OpenGL编程工具实现了纬编织物的三维建模，运用Lumislice技术模拟纬编织物线圈的纹理效果，这种方法很好地实现了纬编针织物的真实感模拟和动态效果展示，如图4（b）所示。

3    三维仿真的问题与趋势

随着纺织行业的发展，纬编针织物三维仿真技术研究对纺织生产者和消费者来说都是至关重要的，三维仿真应该朝着织物材料与组织多元化、适应织物品种多元化、仿真技术多元化和应用范围多元化的方向发展。

3.1    织物材料与组织多元化

随着人们生活品质的提高，各种新式功能型纱线代替普通纱线成为企业首选。织物原料的种类不同，仿真效果也不同。在研究物理性能的基础上，通过提高纱线毛感、质感以及卷曲性等来提升视觉效果，例如对保暖型新材料进行仿真模拟，可以更直观地分析物理性能。除了织物材料，织物组织的多样性也促进了三维仿真技术的发展，例如纬平针、罗纹等织物原材料的模拟技术较成熟，但是对于集圈、毛圈和提花等变化组织和花色组织的建模分析还需进一步研究，在日常生活中这些复杂的组织类型，花型的多样性又是普遍存在的。因此提高织物材料和组织的多样性，可以提高生产效率、节约企业成本。

3.2    适应织物品种多元化

随着花式纱线在服装上广泛应用，花式纱线也从二维仿真逐渐向三维仿真发展。目前针对花式纱线主要存在两个问题：一是花式纱线三维仿真速度较慢，当仿真模拟过程中织物长度较长时，因计算机处理的数据过多导致程序运行缓慢，因此需要对电脑硬件配置以及程序算法进行优化，提高运行速度；二是目前没有相应的三维软件系统可以对花式纱线进行三维模拟，主要是因为花式纱线种类和结构的多样性，用既有的通用模型对花式纱线进行三维仿真模拟是很难实现的。因此花式纱线仿真速度的提升和软件系统的创新开发至关重要。

3.3    仿真技术多元化

纬编针织物的二维平面图形模拟技术比较成熟，但是三维仿真模拟的效果不够理想，主要原因在于实现三维仿真效果的方法过于复杂。基于曲面建模方法的模型一般较为复杂，需要在很多特征点数据的基础上进行大量的运算分析，造成计算机程序运行时间长，导致三维仿真速度和质量降低；其次，针对大花型提花织物，组织复杂多变，形成的花型繁多，不同花型中纱线的排列方式也不相同，因此在计算机模拟的过程中仿真速度也会降低。

随着计算机仿真技术与纺织科学技术的互相联系，国内外学者开始尝试用各种技术进行三维仿真研究，例如在纱线真实感研究中，加入PBR技术，以纱线的实体截面为原型，渲染后在视觉效果上形成有捻度效果的纹理。此外，还在仿真模拟中融合了力学分析、图形学等诸多学科。因此为了促进纬编针织物三维虚拟仿真技术的进一步发展，必须将各学科融合起来，运用更多的计算机技术来分析纬编织物的组织结构特点和力学性能，从而达到更逼真的三维模拟效果。

3.4    应用范围多元化

目前针织物仿真模拟的研究主要集中在花型和织物立体结构上，从纬编单面提花的研究發展到对纬编双面提花的仿真，从普通纱线的研究发展到利用样条曲线技术仿真花式纱线，也有部分学者研究全成形毛衫的三维仿真和穿着后的线圈形变分析。除了在纱线和线圈的仿真研究外，三维仿真技术可广泛运用到不同领域，例如在服装纺织行业，可以仿真面料以及成衣在虚拟模特身上的穿着效果，预测大众喜爱度、减少生产成本；在家纺行业利用三维仿真技术，也可以减少产品试样。因此对于纬编针织物仿真技术也应该广泛应用在纺织产品行业中。

总之，纬编针织物三维仿真技术的不断发展与融合，将纺织服装和计算机技术等学科融合起来，一方面对于生产者而言，可以预测纱线、线圈和花型效果，也可以提前感知针织物在虚拟模特身上的穿着效果，降低企业设计成本，提高生产效率；另一方面对于消费者而言，可以线上根据自己的需求选取适合的针织物，避免线下复杂的试穿和购买流程。随着计算机虚拟技术的不断发展，纬编针织物的三维仿真也应该朝着织物材料与组织多元化、适应织物品种多元化、仿真技术多元化和应用范围多元化的方向发展。在未来的三维仿真研究中，应该将服装面料虚拟展示与计算机技术、物理力学等相关学科融会贯通，促进仿真技术的再次发展。

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