基于3DS MAX機織物組織三維模擬的理論設計與實現(xiàn)

楊 樺，仝曉婷，馮 岑.2

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

基于3DS MAX機織物組織三維模擬的理論設計與實現(xiàn)

楊 樺1，仝曉婷1，馮 岑1.2

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

基于3DS MAX9.0軟件平臺，運用其內置語言MaxScript進行編程，開發(fā)織物組織全自動三維模擬系統(tǒng)并實現(xiàn)三維模擬效果。提出采用織物結構Peirce模型和浮長線相結合的方法作為相應的理論支持，探討和建立了織物組織結構特征參數(shù)和表達要素的方法。通過建立的數(shù)學結構模型編寫的各類不同組織的通用代碼，再由服務器端生成代碼實現(xiàn)織物組織三維模擬效果。

3DS MAX；織物結構；三維模擬；理論設計

計算機技術越來越普遍地在紡織行業(yè)中應用，特別是織物的三維模擬已成為研究的核心方向。當前織物的三維模擬方法有：基于HSL/RGB顏色空間轉換進行光照效果處理的表面光照模型和快速表里分層的組織結構分析算法，結合計算機圖形學技術實現(xiàn)織物外觀的模擬[1]；在采用VC編程環(huán)境下，結合OpenGL圖形函數(shù)庫繪制圖形，實現(xiàn)對織物結構的三維模擬[2]；在VB開發(fā)環(huán)境下，利用VRML和Java圖形技術開發(fā)機織物計算機三維模擬系統(tǒng)[3]；基于織物結構的Peirce模型，借助于Visual C++與OpenGL開發(fā)工具，實現(xiàn)機織物的三維模擬[4]。本研究提出運用3DS MAX9.0三維圖形工具軟件包，借助其內置語言MaxScript進行編程，以實現(xiàn)良好的織物三維展示界面平臺。為了開發(fā)相應的三維模擬軟件，必須建立適合各種機織物的結構模型，計算機織物結構和紗線的空間構型，以實現(xiàn)三原組織、變化組織和部分聯(lián)合組織結構的全自動化模擬。

1 3DS MAX程序的模塊設計與環(huán)境

3DS MAX可簡化建立復雜模型所使用的數(shù)據(jù)，采用它建模具有很好的三維模擬效果[5]。其可以通過調節(jié)顏色、發(fā)光程度、透明程度和反光程度等特性參數(shù)，逼真地模擬織物組織結構的形成。相對于OpenGL三維圖形系統(tǒng)，在使用性、光照模型、紋理渲染效果等方面都要強很多。本研究使用3DS MAX9.0自帶的腳本語言MaxScript進行編程實現(xiàn)織物的三維模擬。它不但擁有一般程序語言的所有特點，還能在程序內實現(xiàn)幾乎所有在3DS MAX界面下的交互操作，功能非常強大，可以很方便快捷地建立宏程序[6]，在織物組織的模擬中，有大量重復的動作，宏的靈活使用將大大加快程序的開發(fā)。

本程序開發(fā)的主要功能是組織結構的三維模擬，其前提是借助計算機系統(tǒng)軟件功能的開發(fā)，實現(xiàn)對紗線和織物結構的理論設計和演示。其模塊包括前臺數(shù)據(jù)的輸入和輸出模塊、代碼生成模塊(包括各類不同組織生成通用代碼)、服務器端模擬效果圖生成模塊等。

建模代碼是程序設計的關鍵部分。為了取得比較好的模擬效果，需要獲取所有的組織參數(shù)，包括組織結構、經緯密度、上下飛數(shù)、結構相等，根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，將參數(shù)規(guī)范化，通過組織結構的源代碼模板，將模板中的參變量數(shù)據(jù)對應替換，由組織名生成建模代碼文件。結合建立的包含組織結構線段生成、經緯纖度渲染和顏色渲染及光照處理等內容的三維模型生成通用代碼模板，通過三維圖像處理軟件3DS MAX內置語言MaxScript執(zhí)行程序代碼，自動生成相關的織物組織模擬圖。

2 織物組織三維建模的理論支持

目前結構模型建立方法主要有：依據(jù)傳統(tǒng)的計算機織物結構的Peirce模型建立和以浮長線為基礎來研究機織物結構和外觀形成原理。比較這兩種結構模型建立方法，可以發(fā)現(xiàn)，第二種方法充分考慮到了浮長線在織物組織中的作用，可以很好地表現(xiàn)出織物組織表面的凹凸和明暗效果，可以相對較好地形成織物的質感和立體感。本研究在組織建模上采用了Peirce模型與浮長線相結合的方法。

2.1 織物的幾何結構

織物結構是指經、緯紗線在織物中交織的空間形態(tài)關系?？椢锝Y構對織物的外觀、性能都有很大影響。由于構成織物的經、緯紗線屬于黏彈性材料，在形成織物前，都在一定的張力下呈伸直狀態(tài)；但交織成織物后，便會由原來的直線狀態(tài)變?yōu)椴ㄐ吻鸂顟B(tài)，而形成不同結構的織物。圖1為織物中經、緯紗空間屈曲形態(tài)的示意圖[7]。

2.2 織物幾何結構的Peirce理論

Peirce理論可以用圖2所示的幾何模型進行表達。Peirce假設織物中的經緯紗是具有圓形截面、既不可伸長又不可壓縮的完全柔軟的物體，在經緯紗相互包覆屈曲之處，應具有圓弧形狀，其余為直線段。圖2列出了9個變量：經緯紗直徑dj、dw，及兩者之和D，屈曲波高hj、hw，曲線紗線長度Lj，交織角θj，幾何密度ρj、ρw。Peirce理論的近似式如下：

在實際應用中，因Cj、Cw，和ρj、ρw比較容易獲得，所以使用Peirce的近似式可以對織物結構參數(shù)做出估算[7]?？椢锛喚€構型主要由屈曲波形和給定位置的紗線橫截面決定，可以通過組織結構、經緯密度、紗線直徑等參數(shù)，計算出紗線的屈曲波高、幾何密度和紗線的渲染直徑。紗線的參數(shù)是否在可織范圍，參數(shù)估算得是否準確，是模擬效果是否真實的必要前提。

圖1 織物中經、緯紗線的空間屈曲形態(tài)Fig.1 Space buckling shape of warp-weft in fabric

圖2 織物幾何結構的Peirce模型Fig.2 Peirce model of fabric geometric structure

3 織物幾何結構特征參數(shù)的設計與表達

3.1 經緯屈曲波高和幾何結構相

織物經、緯紗的屈曲程度是影響織物結構的一個重要因素，只有通過對織物結構屈曲波高較為準確地估算，才能較好地模擬出織物的結構三維圖，才能在4個視圖(俯視圖、左視圖、前視圖、透視圖)中都能對組織結構有很好的表達。

3.1.1 織物厚度和支持面

織物中經、緯紗屈曲波高會影響織物厚度和支持面。織物中的3種交織狀態(tài)反映了3種支持面：經紗與織物正、反表面接觸的經支持面，緯紗與織物正、反表面接觸的緯支持面，經、緯紗均與織物正、反表面接觸的等支持面。

在基于織物幾何結構參數(shù)關系的應用與分析的基礎上，通過開發(fā)程序算法，可以很方便地獲取織物厚度的量化值，并且通過左視圖和前視圖可以很直觀地反映出織物的厚度。圖3為經緯纖度不等的基礎平紋的左視圖和前視圖，可以很容易地觀察出織物的厚度和支持面。

圖3 平紋三維模擬Fig.3 Three-dimensional simulation of plain weave

3.1.2 織物幾何結構相

幾何結構相指經、緯紗屈曲波高的配合狀況?？椢锝洝⒕暭喦ǜ遠j和hw是互相制約的一對參數(shù)。為了便于研究，將經、緯紗直徑之和(dj＋dw)等分為0、1/8(dj＋dw)、2/8(dj＋dw)……8/8(dj＋dw)等9個階序，并把這9個階序當作hj與hw變化的階序。因此，hj與hw互相配合能構成9個結構相。在dj＝dw＝d的條件下，結構相與對應的hj、hw及τ值的關系如表1所示。

表1 織物結構相與經緯屈曲波高(dj＝dw＝d)Tab.1 Fabric structure phase and warp-weft buckling wave height(dj=dw=d)

對于某一具體織物而言，結構相序號ψ并不一定正好為整數(shù)，其屈曲波高的關系如下：

織物結構相的變化是與經、緯紗的纖度，經、緯密度的配置密切相關的。在經緯同纖度的情況下，一般來說，經密大、緯密小的為高結構相經支持面，經密小、緯密大的則為低結構相緯支持面，經緯密度相等的則為第5結構相等支持面。這些在程序所做的模擬圖中都有較為清晰的展示。通過結構相的調整，可以方便地改變組織的外觀風格，使得CAD輔助設計更有效率。

圖4 結構相透視Fig.4 Perspective of structural phase

3.2 交織狀態(tài)與浮長狀態(tài)

織物經、緯屈曲交織形成交織狀態(tài)和浮長兩部分，交織次數(shù)和平均浮長便是描述這兩部分結構特征的參數(shù)，它們直接影響織物的交織堅固度和手感。在模擬程序中，通過改變交織狀態(tài)和交織浮長可以有效地改變織物外觀的模擬效果。

3.2.1 交織狀態(tài)的特征參數(shù)

3.2.1.1 完全組織中的交織次數(shù)

在一個完全組織中，每根經(緯)紗和緯(經)紗交織，由浮到沉，再由沉到浮，稱為一次交織。一次交織包含著由浮到沉和由沉到浮的二次交叉。

3.2.1.2 單位面積中的交織次數(shù)

織物中紗線按一定的密度排列，不同的經、緯密度表示織物單位長度和單位面積中所涵蓋的完全組織數(shù)是不同的，則單位長度和單位面積中織物的交織次數(shù)即交織密度是不同的。

3.2.1.3 交織面積

若沿織物平面剖開，就會發(fā)現(xiàn)經緯紗線一次交織有2個紗線截面。這里定義的交織面積是指在單位面積的織物中所有交織連接紗線的總截面積。

3.2.2 浮長狀態(tài)的特征參數(shù)

3.2.2.1 平均浮長

規(guī)則組織的經(緯)紗平均浮長，即每交叉一次所占的平均浮點數(shù)。對于非規(guī)則組織，由于組織循環(huán)中各根經、緯紗交織次數(shù)不等，可以用求和的方法計算出一個完全組織中一根經(緯)紗的平均浮長。

3.2.2.2 平均浮點數(shù)

平均浮點數(shù)又稱組織系數(shù)，它是描述織物組織松緊程度的又一指標。圖5為同樣面積下不同浮長組織的交織狀態(tài)和模擬圖對比。

圖5 同面積不同浮長組織的交織狀態(tài)和模擬Fig.5 Mimic diagram of different fl oat loop and intertwined state with same area

4 三維模型生成通用代碼模板的開發(fā)

此模板用于織物組織圖的自動生成，包含組織構成線段的生成、經緯線段的纖度渲染和顏色渲染、場景的光照處理等。模板程序運行過程全自動化，程序全代碼化。主體部分為常量，不同的組織結構均有對應的模板代碼，本程序設置內置模板若干。組織參數(shù)部分使用變量控制，此為模板概念的關鍵，即可以根據(jù)用戶輸入的不同參數(shù)，自動替換相應變量，從而生成不同的、用于最終生成模擬圖的建模文件。以通用斜紋代碼模板為例，主要由5個部分構成：

1)直線函數(shù)的定義：MaxScript沒有直線的函數(shù)，所以需要手動編寫描繪直線的函數(shù)，方便后面程序的調用。

2)參數(shù)的獲取和計算：對用戶輸入的織物組織參數(shù)進行分析和規(guī)范化，通過Peirce模型的相關公式計算獲得模擬線段各個點的空間位置。

3)使用MaxScript編程模擬經緯線結構：主要是通過大量的循環(huán)、判斷語句和經緯線的浮出部分的弧線和浮長線繪圖函數(shù)，模擬出織物的組織圖。

4)組織經緯線段的渲染和場景光照處理：以纖度渲染、顏色渲染，光源和光強調整才能獲得真實的組織結構。

5)整體結構調整：通過對所有線段的組合、旋轉、平移，使其能夠以最合適的角度和尺寸表現(xiàn)在渲染場景中。

5 結 論

1)基于3DS MAX9.0的軟件平臺，利用其內置語言MaxScript編寫部分織物組織結構的通用建模代碼，實現(xiàn)常見機織物組織的三維全自動化模擬。

2)運用Peirce模型作為建模理論，通過Peirce公式計算各個沉浮點的位置，使用圓弧和直線分別模擬連接處的線段和浮長線。通過織物幾何結構特征參數(shù)的設計，實現(xiàn)數(shù)學建模的理論表達，以實現(xiàn)通過軟件編程模擬出織物結構的三維效果圖。

3)以通用斜紋代碼模板為例，說明運用內置語言MaxScript編寫三維模型生成通用代碼模板所必需的5個部分代碼。

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[3]瞿暢，王君澤.基于VRML-Java的機織物三維模擬系統(tǒng)開發(fā)[J].絲綢，2008(12)：42-45.

[4]張瑞云，黃新林，李汝勤.機織物的計算機三維模擬[J].紡織學報，2005，26(1)：63-69.

[5]CHEN Shi Neng, XU Li Mei, LI Hui. Research on 3D modeling in scene simulation based on creator and 3DS MAX[C]//Mechatronics and Automation, 2005.IEEE International Coference.Canada: IEEE, 1736-1740.

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Theoretical design and achievement for three-dimensional simulation of fabric weave based on 3DS MAX

YANG Hua1,TONG Xiao-ting1, FENG Cen1,2
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk,Suzhou 215123, China)

An automatic three-dimensional simulation system based on 3DS MAX9.0 software platform and programming of MaxScript was proposed in this paper. This paper adopts the combination with Peirce model and float loop as theory support, and studies the method of fabric weave parameters and expressional elements.Designed versatility codes of different weave through mathematical model. In the end, the effect of threedimensional simulation of fabric weave was accomplished though the codes building in Server-side.

3DS MAX; Fabric structure; Three-dimensional simulation; Theoretical designn

TS105.11；TP391.72

A

1001-7003(2011)04-0024-04

2010-09-27

江蘇省高校研究生科技創(chuàng)新計劃項目(CX10B-037Z)；江蘇省絲綢工程重點實驗室項目(KJS0916)；江蘇省高校優(yōu)勢學科一期建設工程項目(蘇政辦發(fā)[2011]6號)

楊樺(1983－ )，男，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化紡織技術與產品開發(fā)。通訊作者：馮岑，副教授，fengcen@suda.edu.cn。