機織物結構三維模擬軟件系統的開發

周方穎 張素儉 王富偉 奚達新 趙釗輝

摘 要：為真實展現機織物結構立體效果，借助Maya骨骼技術和機織物結構相理論開發的機織物結構三維模擬軟件系統，在解決紗線彎曲、浮長模擬的基礎上，通過工藝參數模塊和上機圖模塊基本參數的輸入，實現對機織物特別是復雜組織織物結構的三維模擬，可以任意角度、任意距離觀察織物結構細節，為初學者理解織物組織結構及其形成提供具有沉浸式感官體驗的學習工具;同時，該軟件系統能夠根據輸入參數實時繪制三維機織物結構，為產品開發人員提供真實高效的研發工具。

關鍵詞：Maya骨骼;機織物結構;三維模擬;軟件系統

中圖分類號：TS111.8 ?文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）03-0051-06

Abstract： Basing on Maya skeleton technique and woven fabric geometric structure phase， the software of 3D simulation for woven fabric structure is developed in order to show the 3D effect factually. Modeling bending and float of yarn， inputting technical parameters of yarns and patterns subsequently， the 3D stimulation for woven fabric structure can be obtained， especially for complicated patterns. Moreover， it is available to observe the details of 3D woven fabric at any angle and/or at any distance， which provides initials a tool of experiencing a immersive sensory to grasp fabric structures. Meanwhile， owing to its real-time performance， the software would provide designers a real and efficient tool to develop new fabrics.

Key words：Maya skeleton; woven fabric structure; 3D simulation; software

目前，在各種紡織CAD軟件中均能利用紗線、面料及工藝設計實現自動生成織物模擬圖案，以代替產品試織打小樣的工作，縮短了打小樣的周期。但是由于織物組織種類繁多，對于某些特殊組織，如凸條組織、網目織物、透孔組織、雙層組織等，其織物的外觀和圖案采用的二維模擬，僅能展示織物的外觀，真實感缺失。近年來，國內外學者在這方面做了很多探索。劉讓同等[1]剖析并修正了機織物結構相模型，為機織物結構3D模型的創建提供了理論參考。朱建華等[2]以VC++和Open GL為開發工具，通過繪制每根紗線進而繪制三維機織物。王旭[3]采用3DS MAX技術，通過截面曲線放樣技術實現紗線建模，再按照織物組織中經緯紗交織規律，實現織物結構的3D建模。但這些模擬，或者只是模擬出織物的二維圖案，然后將其貼在三維物體上，用來展示人體著裝時面料的懸垂性和圖案的變化，或者顯示裝飾織物用作沙發布或桌布時的圖案在空間的伸展效果[4];更多的是基于復雜建模的基礎上獲得，其工作量龐大，效率較低。

為此，尋找一個較好的方式對機織物結構進行三維模擬，成為系統開發的一個重要突破。目前市場上的三維軟件較多，其中美國Autodesk公司出品的一款三維Maya軟件具有全能的建模工具、強大的角色動畫、特效制作及協作開發能力，能與最先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術相結合[5]，使得創建具有三維立體感效果成為可能。確定開發環境后，系統開發解決的主要問題就是對紗線彎曲和浮長線的描繪，從而實現對復雜組織結構的三維真實模擬。

利用Maya骨骼綁定技術以及機織物結構相模型理論，系統開發出對機織物，特別是一些復雜組織織物結構的三維模擬，為實現機織物虛擬仿真設計進行有益地探索。

1 準備工作

1.1 Maya骨骼對紗線的模擬

由于Maya軟件具有操作簡單、涉及范圍廣、功能強大等優點，在三維模型的制作中，Maya屬于首選工具[6]。在機織物三維模擬中，骨骼技術可以實現實時繪制，避免了Open GL等開發工具的大量運算。

為確保Maya骨骼在機織物三維模擬中能夠切實有效地發揮優點，首先選取紗線進行模擬測試。圖1為Maya環境下，以骨骼表示的紗線在伸直狀態的形態和交織變形狀態下的形態。為了使紗線的屈曲效果更真實，對每段骨骼設置“細分數”，即劃分為若干小段，如圖2所示。細分數越多，對該段骨骼發生的變形描述越精確，模擬效果就越好;但隨之而來的是系統運行速度低，成本代價較高，影響使用。通過對紗線的測試，認為在Maya環境下，通過合理設置紗線骨骼關節數及細分數，使紗線能夠按照設想的方式伸直或屈曲，并且在屈曲狀態下，曲線上各點之間過渡自然、連貫、平滑，因此該系統可以用來進行織物的三維模擬。

在機織物三維模擬過程中，將每根紗線設置成連續的100個骨骼，每個骨骼兩個關節，共有101個關節;每個骨骼設置“細分數”，對紗線在組織中的伸直和屈曲狀態進行三維模擬，不僅獲得良好的視覺效果，同時保證了系統的運行效率。

1.2 基于機織物幾何結構相的經（緯）浮長線繪制

復雜機織物組織中，浮長線的繪制效果對機織物結構3D效果影響至關重要。為了使生成的機織物三維模擬的浮長線線型連貫、過渡平滑，以機織物幾何結構相理論為基礎對浮長線上各點的位置進行標定[7]。表1為機織物9種不同結構相的參數變化，其中，第5結構相形成經緯同支持面織物，也是通常所稱的0結構相，如圖3所示。

將機織物第5結構相視為經浮長起始和結束對應的最低點，經浮長的最高點對應第9結構相。當 經向連續浮點數大于等于2時，連續浮長的起點和終點位置分別標定為5，再從兩端向中間對稱標定，依次得到6、7、8、9幾種位置點。當經向浮點數較少，不足以標到“9”時，則以最后標定的數值為準;當經（緯）向浮點數較多，標到“9”時仍有未標記浮點時，則余下浮點全部標記為“9”。圖4表示經向浮長線各點位置的標定。

同理，可以標定緯浮長各位置點，如圖5所示。同樣，第5結構相形成經緯同支持面織物，將此位置視為緯浮長起始和結束對應的最低點，緯浮長的最高點對應第1結構相。

對經（緯）向連續浮點的數值標定，描述了浮長線各點相對于基準位置的高低變化，再利用機織物結構中9個結構相特征值——經紗屈曲波高與緯紗屈曲波高的不同，可以準確繪制出交織后的機織物經（緯）浮長線三維模擬效果。相比其他方法，建模方便、快捷浮長連續外觀效果良好。

2 基于Maya骨骼技術的機織物結構三維模擬系統開發

2.1 系統模塊的構建

系統基于機織物設計工作流構建功能模塊，包括工藝參數模塊、上機圖模塊、布料生成模塊和系統幫助模塊，各模塊的具體內容及主要功能如圖6所示。

2.2 系統運行

2.2.1 織物規格及色紗排列設置

依據面料設計工藝參數或者產品工藝單，

在系統“工藝參數模塊”完成織物規格參數的設定，包括經緯紗支、組織循環、色紗循環等，界面如圖7所示。用戶在進行工藝參數設置時，系統都會彈出對話框，給出相應參數的取值范圍;一旦參數取值超出范圍，系統會給出提示并要求重新輸入。

對于色紗顏色，既可以通過系統給出的色塊來獲取，也可通過輸入RGB值來準確獲取。

2.2.2 生成上機圖

上機圖是織物上機工藝的圖解，包括組織圖、穿筘圖、穿綜圖和紋板圖。組織圖、穿綜圖、紋板圖3個圖形確定其中兩個可以求出另一個圖形，工廠中一般給出穿綜圖和紋板圖;穿筘圖依據機織物織造上機工藝，對穿筘參數進行設置后自動生成。圖8和圖9分別為上機圖輸入參數前后的界面。

2.3 布料生成模塊

工藝參數及織物上機圖參數設置完成后，點擊“布料生成”按鈕，系統進入“布料生成模塊”。在該功能模塊內，用戶可以任意角度、任意距離、沉浸式觀察實時生成的數字布料及結構，便于用戶查看和推敲每一個布料效果及穿插細節。圖10為一款配色模紋面料三維多角度及任意距離示例圖。

圖11為一款雙層表里換層織物的三維模擬圖，從上至下、從左至右分別模擬了織物正面效果、正面放大效果、側90°視角、斜側方視角。既能真實呈現織物的三維立體效果，又能完美展現雙層組織的表里換層方式，真正實現了機織物結構的三維模擬。

3 結 語

Maya骨骼技術具有可移植性強、易于實現、真實效果表現力強等突出優點。因此，開發的基于Maya骨骼的機織物結構三維模擬系統，能夠通過“工藝參數模塊”和“上機圖模塊”，進行紗線和織物組織基本參數的設置，進而在“布料生成模塊”完成對面料的三維模擬，不僅可以方便、快捷地獲得織物的三維立體效果，同時可以多角度、任意距離、沉浸式觀察織物結構，準確認識和理解機織物結構;特別通過建立在幾何結構相基礎上經緯紗連續浮長的繪制，使一些復雜機織物結構的三維模擬更接近于真實。

參考文獻：

[1]劉讓同，李亮，劉淑萍，等.機織物結構相模型剖析及修正[J].紡織學報，2017，38（10）：32-37.

[2]朱建華，張瑞云，王偉，等.復雜組織多層機織物三維建模與仿真[J].玻璃鋼/復合材料，2016（2）：47-52.

[3]王旭.機織物組織結構的三維建模方法研究[J].河南工程學院學報（自然科學版），2013，25（1）：6-10.

[4]鄭天勇，黃故.機織物外觀分析及計算機三維模擬[J].紡織學報，2001（4）：104-106.

[5]劉文苗，楊雪，王麗，等.基于Maya技術的醫學虛擬實驗模型構建[J].實驗技術與管理，2011，28（4）：76-79.

[6]郭法寶.Maya場景建模流程研究[J].戲劇之家，2014（4）：218.

[7]王淑英，張素儉.織物結構與設計[M].北京：化學工業出版社，2008：138-140.