基于粒子系統的紋織顆粒泥地的仿真探討

陳　敏,羅炳金,劉洋飛

(1.浙江紡織服裝職業技術學院，浙江 寧波 315211；2.杭州浙大經緯計算機公司,浙江 杭州 310012)

?

基于粒子系統的紋織顆粒泥地的仿真探討

陳敏1,羅炳金1,劉洋飛2

(1.浙江紡織服裝職業技術學院，浙江 寧波 315211；2.杭州浙大經緯計算機公司,浙江 杭州 310012)

摘要：為了使紋織顆粒泥地達到仿真的效果，根據紋織顆粒泥地中的噴槍泥地、漸變泥地和像景泥地特征，利用隨機過程函數，創建不同類型的泥地粒子發生器，并利用粒子影響器和粒子渲染器對三種不同的顆粒泥地進行渲染和修飾，基于計算機圖形學，對紋織物顆粒泥地算法進行實現，并應用于紋織CAD系統中。

關鍵詞：紋織CAD；顆粒泥地；粒子系統；仿真

1　引言

泥地的表現是提高提花紋織物裝飾效果的有效途徑之一，泥地的設計也是紋織物意匠設計重要環節之一。泥地在紋織物中，通過運用渲染和漸變的筆法，以一定的具有隨機性的形態和排列的表現，對光線形成不同角度和亮度的漫反射，使色光和花紋由暗到明或由明到暗進行層次變化，使裝飾紋織物富有立體感，使織物表面花紋形態別具一格。而顆粒泥地是紋織物設計中常用的泥地表現手法，它采用顆粒點的大小和疏密，來表現圖案的形態和明暗效果。傳統顆粒泥地的繪制，是由花型設計師在意匠紙上手工繪制的，一幅簡單的顆粒泥地圖案，通常要幾個小時甚至幾天才能繪制完成。隨著紋織CAD系統的推廣與應用，提高了泥地圖案的繪制效率，但由于在現有的紋織CAD系統中，只能實現簡單的類似噴槍的泥地效果，在實用性和效果上，都存在很大缺陷。隨著紡織品開發和設計要求的不斷提高，對紋織CAD也提出更高的要求，紋織物顆粒泥地效果的設計需要更快速高效的工具。

粒子系統方法是一種處理不規則模糊對象的方法，是一種利用計算機圖形學模擬一些特定的模糊現象的技術，而這些現象用其它傳統的渲染技術難以實現其真實感。粒子系統方法的基本思想是用許多形狀簡單的微小粒子作為基本單元，把要表現的模糊對象定義為由成千上萬個不規則的、隨機分布的粒子組成的粒子集，每個粒子都具有大小、顏色、運動速度、生命周期等相關屬性，它充分體現了模糊對象的動態性和隨機性[1]。文獻2針對紋織意匠工藝中的泥地模擬討論了一種粒子系統的特性和模擬實施方案，提出了用粒子系統控制泥地模擬的思想，認為用粒子系統模擬泥地有如下優點: (1) 粒子系統的離散性和隨機性特點, 容易反映泥地的特性, (2)粒子系統的定義是過程化的由隨機數控制, 不需要大量的人工設計和計算, 即可得到細致的圖像[2]，但是文獻7沒有研究根據不同泥地效果，建立不同形態的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、隨機性、位置、顏色等。

本文基于粒子系統方法，進行數學建模，提出全新的顆粒泥地設計方法，在VC++開發平臺下，對顆粒泥地算法進行了實現，極大提高了顆粒泥地的設計效率和效果。

2　顆粒泥地粒子特征與仿真

2.1顆粒泥地粒子特征

顆粒泥地粒子分為噴槍顆粒泥地、漸變顆粒泥地和兩者結合而成的像景泥地。噴槍顆粒泥地是最為常用的一種顆粒泥地，類似于傳統紋織CAD中的噴槍功能而成的泥地，噴槍顆粒泥地的效果要體現在所控制泥地點子的形狀和泥地整體的疏密程度。而漸變顆粒泥地效果是通過顆粒泥地粒子大小和疏密的變化，形成幾何漸變效果，較為常用的是直線漸變效果和圓形漸變效果，在繪制漸變顆粒泥地需指定漸變起點、漸變終點、變化強度和漸變的矢量方向。

傳統手工繪制顆粒泥地時，重點在于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；在粒子系統的泥地效果仿真時，根據手工繪制顆粒泥地特點，使泥地的微觀特性與宏觀表象有機地結合在一起，達到有效地表現泥地的宏觀整體效果，又要準確地表現泥地顆粒單元的形態與分布的效果，同時要考慮的屬性有位置、大小、經緯密度等屬性。要想達到泥地的這種微觀特性與宏觀表象有機地結合在一起的效果，就使顆粒泥地粒子系統以對象形式存在，這種粒子系統包含一個或多個粒子發射器和一個粒子影響器。其中，粒子發射器用于控制發射出來的粒子的屬性和方向；粒子影響器則按照一定規則控制粒子生長的形狀、大小、生命周期等，使泥地粒子更加真實。對于不同類型的顆粒泥地效果，粒子發射器表現為不同的形態。對于噴槍顆粒泥地，以鼠標箭頭作為粒子發射器，生成的泥地粒子是隨機均勻地散布在作用空間中的；對于直線漸變顆粒泥地，粒子發射器是沿漸變法向均勻分布的，粒子發射器沿漸變方向發射粒子。

基于粒子系統方法的顆粒泥地，除了表現上述噴槍顆粒泥地和漸變顆粒泥地，還可以用此來表現復雜的像景泥地效果。顆粒泥地粒子發射器和影響器，根據像景圖片的明暗度，控制顆粒泥地的大小和疏密程度，最終形成由顆粒泥地粒子組合形成的像景特殊效果。

2.2顆粒泥地粒子仿真過程

2.2.1粒子發射器生成顆粒泥地粒子

粒子發生器可以采用多種形狀，例如點、直線、曲線、矩形、圓形、橢圓，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。任何由粒子發射器生成的粒子，都具有一定的屬性。對于顆粒泥地粒子，需要具有以下屬性：(1)初始位置；(2)初始大小；(3)經緯密度比；(4)生命周期。

由于顆粒泥地的不規則隨機性，粒子發射器生成的泥地粒子的屬性也需要具有一定的隨機性，建立隨機過程函數控制泥地隨機性和粒子大小：

NSize = MeanSize + Rand()× VarSize，

其中，Rand是區間在[-1.0，1.0]上均勻分布的隨機函數；

MeanSize是該位置泥地粒子大小的平均值，

VarSize是泥地粒子大小的偏差范圍。

但是由于各種顆粒泥地效果的特點不同，因此需要針對不同的泥地類型，采用不同類型的粒子發射器，利用隨機函數對其進行初始值的分配，控制泥地顆粒單元的形態與分布，并為泥地粒子單元確定相應的表現屬性，形成不同形態的泥地粒子單元，使各種泥地粒子各具特色。例如對于噴槍顆粒泥地，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。

2.2.2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，控制顆粒泥地的宏觀整體效果，這樣就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。例如對于像景顆粒泥地，除了要考慮粒子發射器沿筆跡走向的分布情況外，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，符合像景泥地燥筆風格。

2.2.3利用粒子渲染器對泥地的粒子修飾和渲染

采用粒子渲染器的手段，通過光照、陰影、濃度、消隱處理、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—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。例如對于噴槍顆粒泥地，通過構建理想的消隱處理技術，可以逼真地模擬干墨的蒼勁效果；對于漸變泥地，按照濃、漸濃、漸稀、稀四部分，進行組織點的長度的漸變，使得這種泥地變化多端, 花紋生動活潑。

3　顆粒泥地粒子仿真實現

3.1噴槍顆粒泥地仿真實現

噴槍顆粒泥地根據鼠標的位置，確定新建粒子發射器的位置。粒子發射器以當前位置為中心，在圓形區域內發射粒子，粒子密度在區域邊緣會逐漸衰減。噴槍顆粒泥地算法實現流程圖如圖1所示。

圖1　噴槍顆粒泥地算法實現流程圖

3.2漸變顆粒泥地仿真實現

對于漸變泥地，最為重要的是顆粒泥地粒子發射器的方向性。粒子發射器沿特定的方向發射粒子，并且粒子的大小和疏密程度也隨距離粒子發射器的遠近而發生變化，距離粒子發射器越遠，粒子初始大小越小，粒子生命周期越短，粒子最終實現的效果也就會越稀疏，采用粒子渲染器的手段，通過光照、陰影、濃度、消隱處理、幾何變化等技術修飾漸變泥地粒子。

算法實現需完成以下內容：

(1)設置漸變強度變化范圍；

(2)設置經緯密度、粒子大小等粒子屬性；

(3)鼠標操作指定漸變起點、漸變終點和漸變方向；

(4)創建粒子發射器；

(5)粒子發射器沿漸變方向發射粒子；

(6)粒子渲染器修飾粒子的效果。

3.3像景顆粒泥地仿真實現

為實現像景顆粒泥地，首先要將真彩像景圖像轉換為只具有明暗的灰度圖像。根據圖像上的灰度值，控制顆粒泥地粒子的分布疏密程度和粒子的大小。泥地效果的優劣最為重要的是控制泥地粒子在微觀無序狀態下的宏觀有序性。為了保證泥地粒子的微觀無序與宏觀有序，在算法實現時，為圖像每個像素根據像素灰度值賦予相關的命中規律，灰度值越小，命中概率越大。粒子發射器在圖片區域內隨機發射顆粒泥地粒子，但在較暗的區域會命中較多的泥地粒子，而在較亮的區域則命中較少的泥地粒子。

算法實現需完成以下內容：

(1)將真彩像景圖像轉換為灰度圖；

(2)設置經緯密度、粒子大小等粒子屬性；

(3)創建粒子發射器；

(4)粒子發射器根據圖像灰度值發射命中粒子；

(5)粒子影響器控制粒子生長。

4　實驗效果

在VC++開發平臺下，對漸變顆粒泥地算法和像景顆粒泥地的算法進行了實現。對于漸變顆粒泥地，通過控制粒子的大小和漸變的方向，可以很好地控制顆粒泥地的漸變效果，通過實驗結果可以看出，利用粒子系統方法實現的顆粒泥地漸變效果，既可以保證粒子單元具有較好的顆粒形態，也保證了整體的漸變效果。圖2 為直線漸變顆粒泥地效果；圖3 為圓形漸變顆粒泥地效果。

圖2　直線漸變顆粒泥地效果

圖3　圓形漸變顆粒泥地效果

同時，通過實驗結果可以看出，利用粒子系統方法實現的像景顆粒泥地效果，既體現了顆粒泥地微觀的隨機性，又很好地體現了整體的有序性，能很好地表現出像景的形態和明暗效果。圖4為 羅丹《思想者》像景顆粒泥地效果，圖5為梵高《向日葵》像景顆粒泥地效果。

圖4　羅丹《思想者》像景顆粒泥地效果

5　結語

針對紋織物花型設計中遇到的顆粒泥地效果的需求，提出了一種基于粒子系統方法的顆粒泥地計算機自動生成的方法，并在紋織CAD系統中進行了功能實現。

圖5　梵高《向日葵》像景顆粒泥地效果

粒子系統理論為紋織CAD中繪制各種顆粒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，首先要根據各類花型繪制的泥地特點，設計出相應的合理完善的粒子發生器、粒子影響器和粒子渲染器。應用Visual C++編程環境，對泥地算法進行實現。通過對紋織CAD中顆粒泥地的實現進行了一定的實驗測試,在自動處理花幅寬度40 cm，花幅高度40 cm范圍的紋樣泥地時，意匠自動處理在1 min內,實驗測試結果體現了該算法能很好且快速地表現顆粒泥地的形態和隨機性。

參考文獻：

[1]Morade Amrani, Behzad Shariat.Deformable Organs Modeling with MultiLayer Particle Systems.[A] Information Visualization[C].2000.Proceedings.IEEE International Conference on.London, UK.2000: 351-356.

[2]石美紅.粒子系統模擬泥地的探討[J].西北紡織工學院學報, 1995，(6):28-30.

[3]羅炳金,陳敏.采用粒子系統的紋織物CAD泥地仿真[J].紡織學報，2015，36(11)：127-131.

收稿日期：2015-11-27

基金項目：寧波市自然科學基金項目(2013A610054)、浙江省教育廳項目(Y201327772)

作者簡介：陳敏(1971—)，女，廣東紫金人，講師。

中圖分類號：TS116

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3028(2016)01-0039-04

Study on Simulation of Jacquard Granular Mud Based on Particle System

Chen Min1,Luo Bingjin1, Liu Yangfei2

(1.Zhejiang Textile-fashion College,Ningbo 315211,China; 2.Hangzhou ZDJW Computer System & Engineering Co.Ltd.,Hangzhou 310012,China )

Abstract：In order to make granular mud of fabric to achieve the result of the simulation, according to the fabric particles characteristic of gun mud, gradients mud and scene mud ,different types of mud particle generator were created by function of random process, three different particles mud were decorated and by using the particle impact device and a particle renderer ,weave fabric granular mud algorithm was implemented based on computer graphics,and was applied to the fabric CAD system.

Key words：jacquard weaving CAD; particles mud; particle system; simulation