毛衣编织花样5000款式 三维羊毛衫衣片花型设计系统的研制

　　本文介绍了一个羊毛衫的衣片花型设计系统，借助于该系统，可快速设计出复杂的花型，并实时浏览三维羊毛衫衣片花型的逼真效果。 　　This paper described a design system of sweater pattern which can help designer to design various complex patterns and view real-time effects of 3D pattern of sweater.
　　
　　随着人们审美需求的不断提高，羊毛衫花型设计在整个羊毛衫产业中的作用日显突出。计算机图形、图像处理技术的发展，使得羊毛衫在织造之前即可查看其花型设计效果。如李晴、胡洛燕等人提出了多种高效绘制意匠图进行花型设计的方法；汪秀琛则通过建立二维线圈模型把意匠图图案转化为线圈模型图案，使花型显示的真实性有了明显改善；E・Grolle从三维空间模型出发，研究了针织物的拓扑结构和纱线的细观特征，根据针织物组织的结构规律性，提出了一种针织物仿真的有效渲染方法；A・Kurbak在3 DSMAX平台上建立了双反面组织的线圈模型；A・A・A・Jeddi利用超声驰豫法，在考虑纱线膨胀变形的前提下，建立了罗纹组织的二维和三维线圈模型；K・F・Choi在几何线圈模型的基础上，建立了平针组织的力学模型；F・Durupınara利用质点弹簧模型逼真模拟了针织物衣片或成衣的物理特性和穿着效果，但模拟数据量庞大，对计算机硬件要求极高，在一般羊毛衫生产企业难以推广。
　　综观已有的研究成果，羊毛衫花型设计软件主要集中在二维花型图案的模拟显示和织物组织三维线圈模型的建立上，而基于三维线圈模型的羊毛衫衣片花型模拟研究则较少，其研究成果又因仿真的实时性问题难以投入实际生产中应用。
　　针对上述问题，本文拟开发出适宜在一般企业推广普及的三维羊毛衫衣片花型设计系统。该系统不仅能实现意匠图图案设计和二维花型的模拟显示，且能实现不同花型不同组织三维衣片的仿真模拟，使得设计人员在试织前即可了解衣片花型的感官效果，直观讨论所存在的问题，并即时修改，这样可有效缩短花型设计周期，提高设计效率。
　　1 二维花型设计模块
　　1.1 意匠图图案交互设计
　　1.1.1 意匠图方格的填充
　　系统的二维花型设计可通过对意匠图方格填充或对导入图片进行网格划分的方法实现。
　　设计花型时可对意匠图方格进行填充，在系统设计界面（图 1）中，每个方格代表一个线圈。系统默认的意匠图方格宽和高为 60 个像素单位，设计图案的宽和高为 300 个像素，用户也可以根据自己的需求交互输入参数，设定要绘制图案的宽和高以及意匠图方格的尺寸。
　　图 1 所示为交互设计“十”字花型意匠图，其主要步骤为先选择好要填充的纱线颜色，然后填充方格。用户可通过设定R（Red）、G（Green）、B（Blue）三原色色彩数值来确定花型颜色和背景色。意匠方格填充时有 3 种方式可供选择：一是鼠标单击方格逐个填充；二是对鼠标走过的轨迹进行快速填充；三是矩形区域填充，一次可以填充多个方格。任意选择其中一种方式，用户均可方便地设计出自己所要的图案。
　　1.1.2 线圈模型生成
　　虽然传统的意匠方格表示的羊毛衫花型也能在一定程度上满足生产需求，但由于实际的羊毛衫由一个个线圈编织而成，用意匠方格表示羊毛衫花型图案真实感不太理想。为了较好地模拟羊毛衫花型设计效果，系统可采用线圈模型对设计好的图案进行模拟显示。二维线圈模型如图 2（a）所示，W、H分别表示意匠方格的宽和高。为了提高模拟效果的实时性，采用了简化的线圈模型，线圈的针编弧和沉降弧都用圆弧表示，针编弧与沉降弧之间用相切直线连接， r是针编弧和沉降弧的半径。单元方格内纱线的轨迹可用如下数学方法描述：
　　意匠图方格的中心对应每个线圈模型的中心。在程序实现时，通过获取每个意匠方格的中心坐标和颜色，即可生成基于二维线圈模型的花型图案（图 3）。此时，羊毛衫花型显示效果比用意匠方格表示时有了明显改善。
　　1.2 由导入图像生成二维花型
　　对于复杂的羊毛衫花型，如果仍由用户交互填充意匠图方格来绘制图案，不仅效率低下，而且还很容易导致花型失真。为此，系统提供了从外部导入花型图片（bmp、jpg等格式）直接转化为线圈模型图案的功能。其方法是先将导入的图片进行网格划分，网格的宽、高可根据经验进行设置，如图 4（a）所示；然后提取每个网格的中心坐标和颜色，生成相应的二维线圈模型图案。图 4（b）是通过外部导入如图 4（a）所示的树叶图片转化成用线圈模型组成的图案。这种方法可以方便、快捷地得到很复杂的羊毛衫花型。
　　2 三维衣片显示模块
　　羊毛衫衣片本质上是三维物体，细观纱线的中心轨迹也是一条三维空间曲线，用基于二维图像的线圈模型对其进行模拟，虽然显示效果比用意匠方格模拟时有了明显的进步，但仍不够真实。若想在织造前就可观察到羊毛衫衣片及花型的逼真外观，减少试织次数，提高生产率，就需要在三维空间显示平台上对羊毛衫衣片及花型进行仿真模拟。
　　本系统采用VRML（Virtual Reality Modeling Language）语言模拟三维衣片。VRML语言是虚拟现实造型语言的缩写，被广泛用于Internet上创建逼真感强的三维虚拟场景。相比3 DSMAX等其他三维造型软件，用VRML进行三维造型，文件体积小，有利于网络传输和系统运行平滑。
　　2.1 三维线圈模型建立
　　线圈的三维几何模型是羊毛衫三维衣片显示的基础，同时能兼顾到逼真性和显示刷新的平滑性。建立如图 2 所示的三维线圈模型。该模型线圈在X、Z平面内的投影是由圆弧和直线段组成（图 2（a）），与本文1.1.2小节中的描述相同，在Y、Z平面内投影是一段圆弧（图 2（b））。由此可见，线圈的中心轨迹为一空间曲线，曲线上各点的坐标（x，y，z）可由以下步骤确定：
　　（1）线圈上各点的x、z坐标可由1.1.2节中介绍的方法 获得；
　　（2）线圈上各点的y坐标可由以下公式获得：
　　上式中参数d、r、H的定义与1.1.2节中相同，R为线圈弯曲半径（图 2（b））。
　　将圆形横截面沿线圈中心轨迹扫掠，即可得到线圈的三维实体模型。
　　2.2 织物组织变换
　　通过对线圈模型的旋转、排列，可得到不同织物组织的仿真模型。本系统可利用各种常用组织（平针组织、罗纹组织、双反面组织）分别对羊毛衫的衣袖、身躯、衣领、袖口等部位进行模拟，设计时可根据用户需求通过菜单选择即可。
　　2.3 羊毛衫款式设计
　　2.3.1 款式选择
　　羊毛衫的款式多种多样，常见的有背心、短袖和长袖。领子形状有V领、圆领。肩分直肩、斜肩等。设计时用户可根据自身需要进行选择。不同的款式，系统会提供相应的衣片图片。
　　2.3.2 毛衫合成组装
　　本文以圆领斜肩长袖为例，介绍三维衣片模型的生成过程。
　　（1）对系统中款式衣片进行网格划分，并获取每个网格的中心坐标和颜色，可根据颜色的不同来识别衣片所占据的网格。
　　（2）对于属于衣片的网格，根据其中心坐标和颜色在相应位置生成三维线圈模型。由于左衣袖、右衣袖、身躯是衣片的 3 个不同部分，故生成三维衣片时，要在VRML文件中生成 3 个不同的Shape节点，然后利用VRML中的几何变换功能对衣片的各个组成部分进行组合，形成三维衣片。
　　（3）在衣片合成时，首先要解决的问题是在程序中如何区分衣片的不同部分从而生成VRML文件的不同节点。本文通过图像处理的面积标号法来对衣片的 3 个部分进行标号，所谓面积标号法就是图像中不同的物体都有唯一识别的号数，其算法如下。
　　① 首先进行从左到右，从上到下扫描。在同一行中不连通的行程（灰度级相同的点）标不同的号，不同的列标不同的号；② 从左上到右下扫描，如果两个相邻的行中有相连通的行程则下行的号改为上行的号；③ 从右下到左上扫描，如果两个相邻的行中有相连通的行程则上行的号改为下行的号。
　　通过上述算法，可将衣片的左袖区域标为 1，身躯区域标为 2，右袖的区域标为 3，不同部位的衣片模型经过相应的几何变换即可合成整个衣片。
　　2.3.3 应用实例
　　图 5、图 6 给出了本系统的两个应用实例，图 5 为V领直肩树叶花型衣片，身躯部分均为平针组织，衣边和袖口为罗纹组织。图 6 为圆领斜肩树叶花型衣片，身躯部分为平针组织，衣边和袖口为罗纹组织，衣袖为双反面组织。在VRML环境中，可方便地对三维衣片进行旋转、平移、缩放等操作，用户可从任意角度动态观察羊毛衫衣片的空间形态和花型效果。
　　3 结论
　　本系统实现了通过意匠图方格填充或对导入图像进行网格划分的方法进行羊毛衫花型设计，并将其转化为二维线圈模型显示。同时，借助于VRML平台，将羊毛衫衣片、花型的二维模拟显示转化为三维仿真。用户在试织前即可通过计算机屏幕动态观察到所设计花型与衣片的直观效果，对提高设计质量、缩短了设计周期具有较好的实际意义。本系统基于VRML平台开发，为羊毛衫衣片花型设计的网络化奠定了良好的基础。
　　参考文献（略）
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