采用粒子系統的紋織CAD泥地仿真

羅炳金，陳 敏

(浙江紡織服裝職業技術學院，浙江 寧波 315211)

泥地是一種重要的紋織物花型圖案元素，泥地典型特點是圖案具有整體的規律性和局部的隨機性，此類圖案元素廣泛應用于表現提花紋織物底紋的肌理效果和花型表現效果，使產品具有很強的裝飾性和藝術性。

傳統泥地效果的繪制，是由花型設計師在意匠紙上手工繪制的，文獻［1－2］從織物組織變化歸納手工繪制泥地方法:錯位排列法、填加法、組織結合法、平面組合方法、旋轉法、重疊組合方法、影光泥地畫法、絲路泥地畫法等。還有文獻將意匠與工藝結合解說泥地的制作方法，這種方法都是在傳統的意匠紙上，以織物三原組織及其變化組織為基礎，通過組織排列順序變化、浮長線變化、組織組合而手工制作泥地［3－4］。手工制作泥地能結合工藝要求和織物來描繪泥地，泥地效果逼真，但手工制作泥地效率低下，制作強度比較大，一幅簡單的泥地圖案，通常花幾個小時甚至幾天才能繪制、設計完成。

黃翠蓉［5］探討了織物泥地的計算機實現設想、數學模型、流程圖和算法，給出了用VC編制的對應功能函數，能使紋織CAD系統實現一定泥地設計功能，但根據其試驗效果，生成泥地顆粒的形態等微觀特性和泥地的整體效果遠沒有達到適用的理想效果，在實際操作上也欠實用性。

現在國內的紋織CAD系統中，主要利用噴灑泥地點的工具隨機噴灑顆粒點來實現，并需要手工連續多次噴灑，形成期望的整體效果。由于是手工噴灑，整體效果較難控制，顆粒點間相互作用的微觀效果亦無法把握，只能實現如基本顆粒泥地簡單的泥地效果。

粒子系統方法是用來仿真和渲染模糊現象的技術。使用粒子系統仿真和渲染的現象有火花、水流、云、雪、霧、塵埃、爆炸場景、流星尾跡等視覺效果，體現模糊對象的動態性和隨機性［6］。文獻［7］討論了基于粒子系統特性控制泥地效果和進行泥地模擬的方案，認為用粒子系統模擬泥地有2個優點:粒子系統的離散性和隨機性體現泥地的特性;由于粒子系統的定義是過程化的由隨機數控制，因此不需要大量的人工計算和設計即可得到細致的圖像，但是該文獻沒有研究根據不同泥地效果建立形態泥地粒子單元的問題，并沒有為粒子單元確定相應的表現屬性，如大小、位置、顏色、隨機性等。

本文基于知識表達、粒子系統和計算機圖形學，面向對象構建傳統泥地模型，創建不同類型的泥地粒子發射器、粒子影響器和粒子渲染器，并根據泥地效果進行組合，使泥地特效算法有效地應用于紋織CAD系統中，創建出形態各異、效果多變的紋織泥地圖案。

1 傳統泥地繪制的專家模型構建

針對各種泥地特點和傳統手繪的方法，建立基于知識表達和面向對象的專家泥地手繪模型，再結合粒子系統構建泥地特效算法，并應用Visual C++編程環境，對泥地算法進行實現，整個過程見圖1。

圖1 基于粒子系統的紋織CAD泥地仿真實現過程Fig.1 Implementation process of simulation for mud in fabric CAD based on particle system

知識表達是將一些過程、事實、關系等編碼成為一種能被計算機所接受的數據結構，并以適當方式產生智能的行為。在進行知識表達時，面向對象模型進行數據庫的設計最為關鍵。通過面向對象的模型構建把知識規范地表達出來，使面向對象模型的知識具有封裝、繼承的基本特征。

提花紋織物花紋圖案的特點不同，所需要的泥地種類和風格也不一樣，提花紋織物所采用的泥地種類有顆粒泥地、冰片泥地、燥筆泥地、漸變泥地、圖案泥地等。傳統設計師設計時會根據花型需要，確定整體的區域和效果，再據此分布泥地單元，在繪制每個泥地單元時，既要考慮適應整體效果，又要考慮每個泥地單元自身的隨機變化，使其自然而不凌亂。

各種泥地效果的傳統繪制方法是不同的。手工繪制冰片泥地重點在冰片單元間邊界線位置的確定，通過邊界線分割出一個個冰片單元，達到既要保證冰片的形態，又要有一定的隨機性的要求;手工繪制顆粒泥地，重點在顆粒點的大小和形狀，并盡量使顆粒點分布均勻，使整體效果均勻自然;手工繪制燥筆泥地，重點在泥地點隨著筆勢消逝的過程(整體上具有運筆從深到淺的過程)，效果上具有燥筆特有的風格特點;手工繪制漸變泥地，重點在整體泥地效果的變化過程，如顆粒漸變泥地，顆粒點大小和間隙會按一定趨勢逐漸變化，繪制變化的自然無痕，才能達到理想的漸變效果;手工繪制圖案泥地，重點在圖案位置的分布和圖案大小的變化，以實現與顆粒泥地有一定相似性。

根據每種泥地效果的特點，對花型設計師手工繪制泥地方法的經驗進行提煉總結，建立泥地特效模型，即將手工繪制泥地的特點歸納為對象屬性(包括各種泥地與紋織花型的紋針數，經緯密，接回頭的關系等);將手工繪制泥地的過程歸納為對象方法;將專家傳統手工繪制泥地的經驗，封裝到一個個對象組件中。在紋織泥地粒子系統的構建時，根據要實現的紋織圖案泥地效果的目標需求，通過合適的屬性和組件，對專家經驗的調用和繼承，形成基于粒子系統紋織泥地特效算法的相關數據結構。

以冰片泥地為例，根據傳統冰片泥地的結構特點和繪制方法，采用冰片種子膨脹模型，實現冰片泥地的數據結構，流程見圖2。

圖2 冰片泥地數據結構形成過程Fig.2 Formation process of data structure on ice mud

2 基于粒子系統的泥地效果仿真

粒子系統理論為用紋織CAD繪制各種泥地效果提供了可行的方法，但要得到逼真自然的泥地圖案效果，關鍵在于設計與不同泥地效果相對應的合理完善的粒子發生器、粒子影響器和粒子渲染器。并根據不同的泥地效果，將相應的泥地粒子發射器、泥地粒子影響器、泥地粒子渲染器進行組合，創建出形態各異、效果多變的紋織泥地圖案，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機結合在一起，不僅有效表現泥地的宏觀整體效果，還要準確表現泥地顆粒單元的形態與分布的效果。為此，根據手工繪制泥地方法提煉的模型和顆粒泥地、冰片泥地、燥筆泥地、漸變泥地、圖案泥地等數據庫，結合計算機圖形學和物理動力學原理，建立粒子系統的粒子發射器、粒子影響器和粒子渲染器。

2.1 泥地粒子的起始位置和方向控制

在進行泥地效果仿真時，粒子發生器可以采用多種形狀，例如點、直線、曲線、矩形、橢圓、圓形，并利用粒子發生器控制粒子的發射范圍、發射強度、粒子尺寸、粒子形狀等特性。根據各種泥地效果的特點，針對不同的泥地類型，采用合理的數據結構，建立隨機過程函數控制泥地顆粒單元的形態與分布(利用隨機函數對其進行初始值的分配，使各種泥地粒子各具特色)，設計出高效的泥地粒子生成方法，從而創建不同類型的粒子發射器，形成不同形態的泥地粒子單元，并為泥地粒子單元確定相應的表現屬性。例如對于燥筆泥地，將濃度值作用于隨機函數，使這種泥地效果從密集到稀疏呈不規則排列;對于沿輪廓漸變的泥地，將粒子發生器按一定密度均勻分布在圖案輪廓上，并按輪廓曲線的垂線方向進行發射;對于圖案泥地，用指定的圖案元素，作為粒子發生器發射的粒子，實現相應的圖案泥地特效。

2.2 利用粒子影響器對粒子進行修正

根據物理動力學原理，結合風力和重力的專業計算數據，建立相應的逼近函數，模擬粒子單元受重力或風等外界因素的影響，改變粒子位置等屬性，控制泥地的宏觀整體效果，利用粒子影響器對粒子發射器發射出的粒子進行修正，以達到更逼真自然的泥地效果。如燥筆泥地效果，除了要考慮粒子發射器沿筆跡走向的分布外，還要考慮筆劃輕重，墨跡擴散等對泥地效果的影響，這就要構建合理的粒子影響器，使粒子的形態和分布更逼真自然，符合燥筆泥地的風格。

2.3 泥地粒子的效果渲染

運用粒子渲染器，通過陰影、光照、濃度、消隱和幾何變化等技術修飾泥地粒子的間距、粒子的形態、粒子消亡的變化趨勢，進一步實現紋織泥地的典型特點:即圖案具有整體的規律性和局部的隨機性，使紋織泥地效果在技術上充分實現逼真和美感的要求。例如對燥筆泥地效果，通過構建理想的消隱處理技術，更逼真地模擬燥筆干墨的蒼勁效果;對于漸變泥地，按照濃、漸濃、漸稀、稀4部分，進行組織點的長度漸變，使泥地形式變化多端，花紋生動活潑;對冰片泥地利用點、線、多邊形等多種方式渲染粒子，使冰片泥地如“敲碎的冰塊”的機制更加明顯。

2.4 粒子系統的負反饋機制引入

為更好表現粒子系統所生成的紋織泥地效果，對粒子系統引入負反饋機制，構建紋織泥地效果評測機，將評測機測得的泥地效果評測值作為負反饋參數，據此對粒子系統進行動態調整，當泥地粒子系統動態生成新的粒子點，就對不良粒子點進行干涉，令其死亡;當泥地效果在粒子系統負反饋作用下達到動態平衡狀態后，泥地生成過程自動結束。

3 泥地仿真效果實現

應用Visual C++是可視化C++語言編程環境，進行面向對象編程，實現泥地算法仿真。在算法實現過程中，除了要構造合理的泥地特效算法對象外，還要考慮算法的實時性。泥地效果越逼真，設計的泥地算法相應也越復雜，泥地效果生成的運算量也就越大，但紋織CAD系統在設計階段，本身就要求有很高的實時性，才能具有實用性，如冰片泥地效果，操作是利用鼠標或數字化筆完成，因而要求冰片泥地特效的生成是根據鼠標或數字化筆的運動軌跡實時生成。這種實時性，需要對泥地算法進行優化處理。圖3示出縱向間隔20，橫向間隔20，種子點隨機度70%冰片泥地分布及效果圖。在自動處理花幅寬度40 cm，花幅高度40 cm范圍的泥地時，意匠自動處理在1 min內，實驗測試結果體現了該算法能有效快速地表現冰片泥地的形態和隨機性。圖4示出梵高《向日葵》的顆粒泥地效果。

圖3 冰片泥地分布及效果圖Fig.3 Demonstration for distribution of ice mud(a)and effectiveness of ice mud(b)

圖4 梵高《向日葵》顆粒泥地效果Fig.4 Effect of particle mud for ″sunflower″of Van Gogh

4 結語

粒子系統理論為使用紋織CAD繪制各種泥地效果提供了可行的方法，但要得到逼真自然的泥地圖案效果，首先要根據各類傳統繪制的泥地特點，基于知識表達和面向對象，構建傳統泥地的模型，再根據手工繪制泥地方法提煉的模型，設計相對應的合理完善的粒子發生器、粒子影響器和粒子渲染器。并根據不同的泥地效果，將相應的泥地粒子發射器、泥地粒子影響器、泥地粒子渲染器進行組合，創建出形態各異、效果多變的紋織泥地圖案，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機結合在一起，達到有效表現泥地宏觀整體效果的目的，并準確表現泥地顆粒單元形態與分布效果。應用Visual C++編程環境，對泥地算法進行實現，結果表明該算法能很好且快速地表現冰片泥地的形態和隨機性。

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