基于互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)編針織物CAD系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

湯夢婷， 蔣高明， 王 薇， 高梓越

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

經(jīng)編作為我國針織行業(yè)的一個分支，近年來規(guī)模不斷擴大，是我國紡織工業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。現(xiàn)代經(jīng)編技術以其生產(chǎn)高效性、產(chǎn)品花式多樣性以及其織物結構靈活性等特點得到迅速發(fā)展[1]。計算機輔助設計(CAD)技術即利用計算機的計算與判斷功能進行各種工程或產(chǎn)品的設計、制造。在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的今天，計算機及CAD技術已經(jīng)成為生產(chǎn)、生活中不可分割的一部分[2]。經(jīng)編CAD技術也隨著行業(yè)的需求不斷的完善成熟，目前，比較成功的經(jīng)編CAD軟件都來自于國外的紡織企業(yè)或國內的一些紡織高校，例如德國EAT電氣公司和ALC計算機公司聯(lián)合開發(fā)的PROCAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計合理功能強大，能實現(xiàn)多種類型織物的設計，織物仿真效果逼真，并能與機器之間進行數(shù)據(jù)轉移。國內在全球范圍內使用最多的是江南大學研發(fā)的經(jīng)編CAD軟件(WKCAD)系統(tǒng)，該系統(tǒng)也具有強大的花型設計和織物仿真等功能[3]。然而單機版CAD軟件存在較大局限性，軟件的安裝、版本升級、局域網(wǎng)限制等阻礙了CAD軟件的發(fā)展。

本文在單機版CAD軟件的基礎上引入互聯(lián)網(wǎng)技術，構建了交互設計模型，打破了局域網(wǎng)限制。不僅將單機版CAD軟件的功能應用到互聯(lián)網(wǎng)版CAD系統(tǒng)上，還借助云計算技術和大數(shù)據(jù)相關技術實現(xiàn)了快速仿真、虛擬展示及送經(jīng)量預測等。隨著互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，為提升紡織行業(yè)在國際市場的競爭力，將針織技術與互聯(lián)網(wǎng)技術相融合已是必然趨勢，基于互聯(lián)網(wǎng)的CAD系統(tǒng)開發(fā)充分利用了互聯(lián)網(wǎng)技術的強大優(yōu)勢，拓寬了系統(tǒng)使用范圍，為經(jīng)編CAD系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的思路與平臺。

1 系統(tǒng)構架及關鍵技術

1.1 系統(tǒng)構架

利用互聯(lián)網(wǎng)技術的瀏覽器和服務器架構模式(B/S)結構[4]實現(xiàn)客戶端與服務器端的交互設計，將系統(tǒng)功能核心數(shù)據(jù)保存在服務器端，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用；用戶可以在任何地方進行操作，客戶端零安裝、零維護；利用互聯(lián)網(wǎng)的云存儲技術，實現(xiàn)對針織產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的存儲、圖片上傳、文件遠程傳輸?shù)裙δ埽粦么髷?shù)據(jù)相關技術對所有存儲信息進行科學分析，從而實現(xiàn)針織產(chǎn)品送經(jīng)量的估算等功能；利用互聯(lián)網(wǎng)的云計算技術實現(xiàn)大數(shù)據(jù)計算處理，加快系統(tǒng)響應速度，實現(xiàn)快速仿真。互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)編CAD系統(tǒng)的基本模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊圖Fig.1 System modules diagram

系統(tǒng)采用了客戶端與服務器端進行數(shù)據(jù)交互的結構，如圖2所示。客戶端是用戶界面，可以進行花型和工藝設計等操作，服務器端提供云存儲功能，客戶端可以將產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲到服務器端，服務器端可以對數(shù)據(jù)進行處理分析，實現(xiàn)快速仿真，圖片處理，并將處理后的信息返回到客戶端，客戶端對返回信息加以解析處理，顯示在用戶界面。

圖2 系統(tǒng)結構簡圖Fig.2 System structure diagram

1．2 關鍵技術

基于互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)編CAD系統(tǒng)最關鍵的技術就是實時交互，包括客戶端交互設計、服務器端與遠程數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互及與文件上傳導出等。客戶端主要采用超文本標記語言編程語言[5](html5) 進行網(wǎng)頁的設計，利用html5自帶的CSS層疊樣式表(cascading style sheets)美化網(wǎng)頁，利用html5的畫布(canvas)元素構建設計界面，借助canvas強大的繪圖功能和鼠標事件實現(xiàn)織物墊紗圖的設計繪制及實物圖、仿真圖等圖片的顯示。

服務器端主要采用ASP.NET技術[5]進行后臺程序編寫，利用ASP.NET的ADO.NET技術實現(xiàn)與遠程服務器端數(shù)據(jù)SQL Server數(shù)據(jù)庫(Microsoft 公司推出的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))的連接和調用，并實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的操作等功能；利用ASP.NET的圖形設備接口GDI (graphics device interface)繪圖技術實現(xiàn)墊紗圖的繪制；利用ASP.NET的文件傳輸功能實現(xiàn)對BMP位圖的處理和導入，并實現(xiàn)上機文件的導出。

客戶端與服務器端數(shù)據(jù)的交互依靠客戶端的腳本語言(javascript語言)實現(xiàn)，javascript語言可完成客戶端程序的編寫，可輔助html5實現(xiàn)各種功能，與服務器端進行數(shù)據(jù)傳遞[6]，從服務器端獲取的數(shù)據(jù)用Session(“會話控制”，存儲特定用戶會話所需的屬性及配置信息)對象保存再借助javascript語言進行客戶端與服務器端的傳遞和解析處理。

2 織物設計實現(xiàn)

基于互聯(lián)網(wǎng)的織物設計借助于html5的canvas元素構架設計視圖，canvas元素具有強大的可操作性，支持鼠標事件[7]，利用javascript語言完成客戶端程序的編寫，基于互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)編織物設計界面如圖3所示。

要實現(xiàn)織物墊紗圖的繪制和設計就需要建立數(shù)學模型，將每種線圈類型用數(shù)值代替，再與數(shù)組建立聯(lián)系，轉換成計算機語言。

圖3 經(jīng)編織物設計界面Fig.3 Warp knitting fabric design interface

2．1 建立墊紗數(shù)碼數(shù)學模型

要繪制墊紗圖首先要判斷是開口線圈還是閉口線圈，線圈的類型以及上下延展線的走向，幾種基本的線圈類型以及代號如表1所示。

表1 線圈類型代號Tab.1 Loop type code

首先將每把梳的墊紗數(shù)碼分解成1個三維矩陣L：

式中：h表示橫列數(shù)；I表示梳櫛總數(shù)；Li,j,0表示第i把梳櫛在第j橫列第1個位置上的數(shù)碼；Li,j,1表示第i把梳櫛在第j橫列第2個位置上的數(shù)碼，例如墊紗數(shù)碼GB1∶1-0/1-2//，分解后L1,1,0=1，L1,1,1=0；L1,2,0=1，L1,2,1=2。

根據(jù)墊紗數(shù)碼判斷線圈的開閉口情況，對于經(jīng)編組織，每個橫列上如果針前橫移方向與針背橫移方向相反則為閉口線圈，相同則為開口線圈，墊紗數(shù)碼由短橫線連接的2個數(shù)字代表針前橫移針數(shù)，故針前橫移為L1,1,0-L1,1,1=1(第1橫列第1個數(shù)字減去第2個數(shù)字，正數(shù)表示向右橫移)，由“/”連接的2個數(shù)字代表針背橫移，故針背橫移為L1,1,1-L1,2,0=-1(第1橫列的第2個數(shù)字減去第2橫列的第1個數(shù)字，負數(shù)表示向左橫移)，二者相乘為負數(shù)時，則為閉口線圈即橫移方向相反，反之為開口線圈，故此例中第1橫列為閉口線圈，又因其從針前橫移向右，故為右閉口線圈，同理第2橫列為左閉口線圈。

判斷線圈類型，根據(jù)針前墊紗判斷是成圈、襯緯還是重經(jīng)組織，針前橫移1針即L1,1,0-L1,1,1=1為普通成圈組織，針前不橫移即L1,1,0-L1,1,1=0為襯緯組織，橫移2針即L1,1,0-L1,1,1=2為重經(jīng)組織。

對于墊紗數(shù)碼GB1∶1-0/1-2//，其分解處理后每個橫列參照表1得到對應的線圈類型代號為第1橫列線圈代號為1，第2橫列線圈代號為2。

這樣就將一個墊紗數(shù)碼轉換成了數(shù)字信息，再存儲到一個二維矩陣中，根據(jù)對應的數(shù)字代號進行繪制。

2．2 建立穿經(jīng)數(shù)學模型

繪制墊紗效應圖除需要墊紗組織信息外還需要穿經(jīng)信息，即每把梳的穿紗規(guī)律，組織結合穿紗才能產(chǎn)生方格、網(wǎng)眼等各種花型效果。這里用一個二維矩陣T來表示穿經(jīng)矩陣。

式中：w表示花寬即穿紗范圍；I表示梳櫛總數(shù)；t11表示第1把梳櫛在第1個穿紗位置上的穿紗情況；ti,k表示第i把梳櫛在第k個位置上的穿紗情況；穿紗用數(shù)值1表示，空穿用數(shù)值0表示。圖4示出穿紗情況與對應矩陣圖。

圖4 穿紗圖的數(shù)學表示Fig.4 Mathematical representation of threading. (a) Threading diagram;(b) Correspondent matrix

圖4(a)中黑色圓點表示織針，黑色豎線表示穿經(jīng)對應圖4(b)中的數(shù)字1，沒有豎線的地方表示空穿，對應圖4(b)中的數(shù)字0。故圖4(a)中的穿經(jīng)為第1排一穿一空，第2排滿穿。

2．3 在線交互設計

基于互聯(lián)網(wǎng)的在線交互設計，最大的優(yōu)點是可實時傳輸數(shù)據(jù)，設計過程中數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒掌鞫耍掌鞫肆⒖套龀鲰憫蟠筇岣吡耸褂谜叩脑O計效率，同時數(shù)據(jù)實時保存到遠程數(shù)據(jù)庫，可隨時調用、查看及修改，有效縮短了設計流程。

客戶端的交互設計，利用canvas輔助javascript語言完成各種交互設計[8]，canvas元素自帶的鼠標事件，可監(jiān)測到鼠標和鍵盤的各種操作指令，完成點擊、移動、拖拽、選擇及滾輪放大縮小等各種動作，人機操作界面良好。

設計過程中依靠javascript語言完成數(shù)據(jù)從客戶端到服務器端的傳輸，服務器端使用C#語言進行程序編寫，C#語言是一種后端代碼，故重要數(shù)據(jù)的處理分析得以保密。這種前端設計、后端處理的交互機制不僅可提高設計速度，還確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸及數(shù)據(jù)安全，可以說是常規(guī)設計模式的一種優(yōu)化與提高。

3 織物仿真及虛擬展示

3．1 織物仿真及圖片處理

系統(tǒng)可以實現(xiàn)織物的在線仿真和圖形處理，為節(jié)省函數(shù)的重復編寫，將織物仿真做成了Web服務，即一個單獨的仿真服務，可以在各個頁面隨時調用，調用時只需提供機號、織物密度、原料粗細和張力等與仿真有關的參數(shù)，即可進行在線仿真，得到各種類型花紋的二維仿真圖。在進行大圖形仿真時，采用互聯(lián)網(wǎng)的云計算技術，調用多臺主機分布式進行計算處理，提高大圖形仿真效率。

利用計算機圖形學，可實現(xiàn)對圖片花型的快速提取及循環(huán)處理。仿真圖存儲在服務器端文件夾，可在多個頁面隨時調取，對圖片進行處理，處理時利用ASP.NET的GDI(Graphics pevice Interface)圖形技術[9]，在服務器端快速進行解析處理，對圖片進行循環(huán)、高質量的壓縮、等比放大和縮小，再返回到客戶端顯示，結果如圖5所示。

圖5 織物仿真Fig.5 Fabric simulation. (a) Original simulation;(b) Trimming and recycling

3．2 虛擬展示

得到二維的仿真圖后，系統(tǒng)還可進行三維虛擬展示，如圖6所示。三維虛擬展示利用WebGL技術，實現(xiàn)對人體和衣片的在線建模，場景渲染，光照和材質的設置，達到陰影的效果，增加真實感，同時還可監(jiān)測到鼠標的控制，對人體模型進行放大縮小移動的控制，方便查看細節(jié)。虛擬展示可模擬織物穿著在人身上的效果，人體模型也可根據(jù)客戶的體型參數(shù)在線建模，衣片模型也是多樣的，為個性化定制提供了技術支持。

圖6 虛擬展示Fig.6 Virtual display. (a) Front; (b) Side; (c) Back

4 工藝計算實現(xiàn)

工藝計算包括自動計算產(chǎn)品面密度、產(chǎn)量、機上橫密和送經(jīng)量[10]。系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的墊紗組織、原料、密度和穿紗等按照理論計算公式自動計算出上述參數(shù)，節(jié)省了工藝員的工作量，降低了計算錯誤。

除可以按照理論公式進行自動計算外，系統(tǒng)還可以進行送經(jīng)量的估算，送經(jīng)量的估算建立在大數(shù)據(jù)的環(huán)境下，在大量數(shù)據(jù)中快速篩選出符合條件的產(chǎn)品，對其送經(jīng)量進行數(shù)據(jù)處理得出估算值。

在進行送經(jīng)量的估算時，要對每把梳分別進行估算，因數(shù)據(jù)庫中墊紗數(shù)碼、穿紗和原料是多把梳櫛合在一起的字段，首先對墊紗數(shù)碼、穿紗和原料進行分解，得到大小為梳櫛數(shù)I的墊紗數(shù)碼矩陣D、穿紗矩陣C和原料矩陣Y。

D=[d1…di…dI]

C=[c1…ci…cI]

Y=[y1…yi…yI]

式中：i取值為1～I；di表示第i把梳櫛的墊紗數(shù)碼；ci表示第i把梳櫛的穿紗情況；yi表示第i把梳櫛的原料。以機型、機號、花高、該把梳櫛的墊紗數(shù)碼、穿紗情況和該把梳所用到的原料為查詢條件，對數(shù)據(jù)庫進行檢索，檢索出n條數(shù)據(jù)，逐條進行判斷，篩選出機型、機號、花高完全吻合，墊紗數(shù)碼、穿紗和原料字段中包含該把梳櫛信息的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分解，當機型、機號和花高相等時，找出墊紗數(shù)碼中數(shù)碼相等的梳櫛，得到其梳櫛編號z，再對該梳櫛的穿紗和所用原料進行判斷，相等則留下，對送紗量進行破解，得到符合條件的目標梳櫛的送經(jīng)量，不相等則舍棄該條數(shù)據(jù)，繼續(xù)查找判斷，得到一個全部符合條件送經(jīng)量的矩陣S。

對矩陣S用拉依達法則進行數(shù)據(jù)處理，剔除誤差數(shù)據(jù)，得到最終的估算值，其算法流程圖如圖7所示。當數(shù)據(jù)量越來越大時，估算值會更加準確，符合實際生產(chǎn)。

圖7 送經(jīng)量估算算法流程Fig.7 Let-off amount estimate algorithm flow

5 經(jīng)編方格織物設計示例

以花高為16、花寬為14的經(jīng)編方格工藝進行設計為例，其工藝參數(shù)見表2，該工藝使用了2種原料，原料A為16 tex/48 f滌綸變形絲，原料B為9 tex/16f有光滌綸長絲。

表2 工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters

注：A代表第1種原料；B表示第2種原料；*號表示空穿。

首先進入系統(tǒng)，新建，輸入花寬花高等基本參數(shù)后點擊確定進入設計界面(見圖3)。根據(jù)實際需要進行花型設計，包括組織設計和穿紗方式設計，這些功能可以直接在設計界面進行操作，選中某把特定梳櫛，利用左邊的按鈕進行線圈類型轉換，還可以進行穿紗方式設計，在穿紗區(qū)域雙擊一下豎線即可使豎線消失變成空穿，再次雙擊豎線出現(xiàn)變成穿紗，完成所有設計后轉到工藝設計界面即可查看并檢查所有參數(shù)是否正確并進行工藝計算。

原料編輯操作，根據(jù)原料信息進入原料編輯界面進行信息輸入，錄入完后點擊確定即可。原料編輯完成后即可查看并打印工藝單，參數(shù)確認無誤后即可導入數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫中查看到該條記錄，完成了1個經(jīng)編工藝。導入數(shù)據(jù)庫后，如需查看或修改工藝可在系統(tǒng)的產(chǎn)品查詢界面下輸入查詢條件找到該條記錄，選擇后進入設計界面進行修改。

最后系統(tǒng)可導出花型文件和上機文件，利用互聯(lián)網(wǎng)的云存儲技術，可將上機文件存在云端，輸入機器編號，直接發(fā)送到指定機臺。方格織物最終墊紗效應圖如圖8所示。

圖8 墊紗效應圖Fig.8 Lapping effect diagram

6 結 論

本文將互聯(lián)網(wǎng)技術與CAD技術相結合，利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，開辟了一個新的經(jīng)編CAD設計模式，在研究經(jīng)編組織墊紗數(shù)碼規(guī)律的基礎上，建立了織物的設計模型；結合互聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)環(huán)境實現(xiàn)了快速仿真、虛擬展示、送經(jīng)量估算及文件上傳與下發(fā)等功能，最后以實際工藝舉例，驗證了系統(tǒng)的可行性，為經(jīng)編CAD軟件的設計與開發(fā)提供了新的思路與參考價值。對比以往單機版CAD，基于互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)編CAD系統(tǒng)的主要優(yōu)勢如下。

1)利用canvas元素結合javascript語言實現(xiàn)客戶端設計，數(shù)據(jù)分析處理在服務器端進行，大大提高了客戶端的設計速度與用戶體驗，同時數(shù)據(jù)的實時交互也確保了數(shù)據(jù)的安全，不易丟失。

2)遠程服務的使用使得程序的編寫變得簡單，只需調用遠程服務即可實現(xiàn)花型的在線仿真，同時互聯(lián)網(wǎng)云計算技術的引入也大大提高了大花型的仿真速度。

3)大數(shù)據(jù)的環(huán)境使得工藝計算變得更貼近實際生產(chǎn)，更具有參考價值。