基于纱线和编织样式虚拟编织机的实现方法研究 68页

分类号学校代码10255UDC学号2121336东华大学硕士学位论文基于纱线和编织样式虚拟编织机的实现方法研究STUDYONVIRTUALWEAVINGMACHINEREALIZATIONMETHODBASEDONYARNSANDWEAVEPATTERN姓名胡睿指导老师钟平教授东华大学理学院物理系申请学位级别硕士学科专业名称物理学论文提交日期2015.01.05论文答辩日期2015.01.15培养单位东华大学理学院学位授予单位东华大学万方数据 东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日万方数据 东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月万方数据 东华大学硕士学位论文摘要基于纱线和编织样式虚拟编织机的实现方法研究摘要织物外观效果模拟是纺织业数码纺织的关键技术之一，在纺织行业中具有重要的应用价值。通过虚拟编织机对实物纱线和指定的编织样式进行虚拟编织，快速获取其外观效果，对提高工作人员设计效率，简化传统纺织品的设计过程，缩短新产品推向市场的周期，增强企业的竞争力具有重要的实践意义。本文研究了目前国内、外一些典型织物虚拟编织模型，并在分析了各自优、缺点的基础上，提出了一种基于实物纱线的表面图像信息的虚拟编织机实现方法。文章首先设计了纱线外观信息特征的提取装置，并以索引表的形式管理与储存纱线外观几何特征和颜色等外观信息。为了实现编织结构数字化，采用基本矩阵表示各种编织结构，并在计算机中建立织物编织结构数据库，当进行虚拟编织时，通过在所建立的数据库中选择表示编织结构的基本矩阵，并对其进行行和列拓展，得到所需虚拟编织矩阵的大小。本文提出的虚拟编织机的实现方法，是先以所选定虚拟编织的几何尺寸、参与编织经纬纱线数目及排列顺序等参数建立编织网络；然后采用映射方式，将通过行、列扩展生成的编织矩阵与所建立的编织网络对应，确定其所有网格结点的属性；再用编织矩阵所对应的连接矩阵和应力矩阵对编织网络内的所有结点进行调整和处理，生成绘制图像的视觉处理单元（VPU），使织物外观图像体现结点属性的分布特征及纱线间的应力视觉特征。最后采用结点形状、光照模型及实物纱线的颜色等对编织网络内的所有视觉处理单元进行绘制，实现实物纱线对指定编织结构的虚拟编织。论文还对提出的虚拟编织机进行了模拟，实现了用实物纱线对指定编织样式进行重建。本文所提出的方法，能较准确地反映实物纱线对指定编织结构进行编织的实际视觉效果，为对纱线性能评价和应用分析提供科学依据。I万方数据 东华大学硕士学位论文摘要关键词：虚拟编织,实物纱线,编织矩阵,应力矩阵,视觉处理单元（VPU）II万方数据 东华大学硕士学位论文AbstractSTUDYONVIRTUALWEAVINGMACHINEREALIZATIONMETHODBASEDONYARNSANDWEAVEPATTERNABSTRACTSimulationoffabricappearanceisoneofthekeytechnologiesofdigitaltextile,whichishighlyvaluableandapplicableintextileindustry.throughthevirtualweavingmachine,itcanbeeasilyachievedvirtualweavingbyasimulatedweavingofyarnsandspecifiedweavepatternssothatobtainitsperformanceeffectrapidly.Thistechnologyhasimportantpracticalsignificancefortextileindustry,suchasimprovethedesignefficiencyofdesigners,simplifythedesignprocessoftraditionaltextiles,shortenthecycleofpushingnewproductstomarket,enhancethecompetitivenessoftheenterprise,andmeettheincreasingdemandofdesignindustry.Thearticleintroducessometypicalmodelsofweavingsimulationexistingintheworldandalsoprovidesanewapproachtovirtualweavingmachinebasedontheimageofrealyarnsurfaces.First,adeviceisdesignedtoobtainthecharacteristicsofyarnsappearanceinformation,whichwillbelistedinanindextableincludinggeometricfeaturesandcolors.Second,torealizethedigitizationofweavestructure,somebasicmatrixesareappliedtorepresentvariousweavingstructureswhenbuildingthefabricstructuredatabaseinthecomputer.Thesebasicmatrixesselectedfromthedatabasecanbeexpendedinrowsandcolumnstomatchtherequirementofspecificstructuresinweavingsimulation.Toaccomplishthisapproach,thefirststepistosetupaweavingnetbasedonthegeometricsizes,numberofwarpsandwefts,andsequences.Then,thenextstepistomatchtheexpendedmatrixestotheweavingnetsthrougha“mappingmode”inordertogetpropertiesofallthenodesonthenet.Lateron,aconnectionmatrixandastressmatrix,whichstemfromtheweavingmatrix,areusedtoregulatethenodes,generatingaVisualProcessingUnits(VPU).Also,inthisprocess,thedistributionofnodepropertiesandthevisualfeatureofyarnsstresscanbedisplayedintheimagesoffabricappearance.Finally,thesimulationofaspecifiedfabricstructurecanberealizedthroughdrawingVPUsontheweavingnet,basedonthenodeshapes,illuminationmodelsandcolorsofselectedyarns.Inthisarticle,thenewapproachhasbeensimulatedanddemonstratedtobesuccessfulinreconstructingspecificweavingpatternswithsampleofyarns.Theapproachmentionedabovecanaccuratelypresentthevisualeffectofyarnsonfabricstructuresandalsosupportsscientificbasisforevaluatingthefunctionandapplicationofyarns.Author:HuRuiSupervicedby:Prof.ZhongPingIII万方数据 东华大学硕士学位论文AbstractKEYWORDS:Virtualknitting,Realyarn,Weavingmatrix,Stressmatrix,Visualprocessingunit(VPU)IV万方数据 东华大学硕士学位论文目录目录摘要.................................................................................................................................................IABSTRACT....................................................................................................................................III1.绪论...........................................................................................................................................11.1研究的背景及意义............................................................................................................11.2织物表面编织样式建模的发展、现状与关键技术.........................................................21.2.1发展与现状.............................................................................................................21.2.2关键技术.................................................................................................................31.3虚拟编织的智能化发展方向............................................................................................51.4本文的研究内容和章节安排............................................................................................51.4.1本文的研究内容.....................................................................................................51.4.2章节安排.................................................................................................................52.织物表面仿真模型及研究方法....................................................................................................72.1pierce模型.........................................................................................................................72.1.1pierce模型的原理..................................................................................................72.1.2pierce模型的特点和不足......................................................................................92.2基于物理模型的织物仿真模型......................................................................................102.2.1基于物理模型的织物仿真模型模拟原理...........................................................102.2.2基于物理模型的织物仿真模型的特点与不足...................................................102.3基于OpenGL的单纱外观三维模拟...............................................................................112.31基于OpenGL的单纱外观三维模拟原理............................................................112.3.2基于OpenGL的单纱外观三维模拟的特点与不足...........................................112.4基于网格模型的织物虚拟编织......................................................................................122.4.1基于网格模型的织物虚拟编织原理...................................................................122.4.2基于网格模型织物虚拟编织的特点与不足.......................................................122.5本章小结..........................................................................................................................123.纱线信息获取装置及参数提取.................................................................................................133.1纱线信息获取装置..........................................................................................................133.1.1一般的纱线信息获取装置及其优缺点...............................................................133.1.2本文设计的纱线信息获取装置及其功能...........................................................133.2装置中的重要部件介绍..................................................................................................143.2.1箱体.......................................................................................................................143.2.2CCD......................................................................................................................153.2.3光源.......................................................................................................................163.2.4背景板...................................................................................................................163.2.5机械执行机构.......................................................................................................163.2.5计算机...................................................................................................................173.3纱线特征信息提取..........................................................................................................173.4本章小结.........................................................................................................................184.织物编织结构的数字化方法.................................................................................................194.1织物编织图像的栅格化和数字化表示方法...................................................................194.1.1织物图像的栅格化表示方法...............................................................................194.1.2织物图像的数字化表示方法...............................................................................204.2编织矩阵和基本编织矩阵..............................................................................................204.2.1编织矩阵...............................................................................................................204.2.2基本编织矩阵.......................................................................................................214.3颜色的数字方法..............................................................................................................224.4本章小结..........................................................................................................................235.虚拟编织机的实现方法.........................................................................................................24万方数据 东华大学硕士学位论文目录5.1编织网络的生成和结点属性的确定..............................................................................245.2经纬排序矩阵的生成......................................................................................................255.3经纬结点合并矩阵与形状调整矩阵..............................................................................255.3.1经纬结点合并矩阵的生成...................................................................................265.3.2编织结点形状调整矩阵的生成...........................................................................265.4VPU视觉建模方法..........................................................................................................275.4.1形状模型...............................................................................................................285.4.2光照模型...............................................................................................................295.5数字化虚拟编织的实现..................................................................................................315.6本章小结..........................................................................................................................326.软件的编制和实验演示.............................................................................................................336.1框架设计..........................................................................................................................336.2实验环境..........................................................................................................................336.3软件的编制......................................................................................................................336.4实验演示..........................................................................................................................356.4.1图像显示区参数设定与实验操作.......................................................................356.4.2虚拟织物生成界面参数设定与实验操作...........................................................366.4.3织物模型的光照、颜色处理...............................................................................386.5本章小结..........................................................................................................................407．总结与展望...............................................................................................................................417.1总结..................................................................................................................................417.2展望..................................................................................................................................41参考文献.........................................................................................................................................43致谢................................................................................................................................................48附录：攻读硕士期间发表论文及学术成果情况.........................................................................49纱线图像处理核心代码：............................................................................................50纱线参数提取主要代码：............................................................................................57万方数据 东华大学硕士学位论文绪论1.绪论1.1研究的背景及意义计算机辅助设计技术（CAD）已经进入了工业生产的各个领域，在纺织品工业设计中同样具有举足轻重的地位，该技术的应用提高了纺织品工业中包括设计，模拟等重要环节的效率，同样也提高了纺织品企业对市场的反应能力和市场竞争力。对促进纺织行业的结构调整、加速产品开发和提升效率等方面起[1]到积极的作用。现有的国内外织物CAD系统可以利用其外观模拟系统功能快速的设计其所设计的织物外观效果，但是由于其软件的局限性，在很多织物的细节上无法达到设计者的预期效果，导致模拟出来的二维图像真实感不强，并且只在部分的织物上适用，所以已经不能满足设计者日益提高的要求，利用三维图像真实有效的表现织物的外观已经成为新的潮流。织物编织样式建模从纺织行业规模化之日起便成为一个织物设计的核心问[2]题。围绕着纱线外观检测和织物编织样式建模，研究者们提出许多的方法，[3]其中20世纪30年代提出的pierce模型尤为经典，后来的研究者们在仿真技术中运用织物结构理论，开发出大量的织物CAD系统，如为织物建立网状结构模型，对织物表面细节进行柔性几何建模及在此基础上生成织物外观的模拟图像[4]等。另外，还有基于视觉的织物外观模拟方法，该方法从工业标准的纹织图案文件中获取织物组织信息，并建立详细的光线与织物的相交模型，模拟出复杂织物图案，生成织物的近观与远观模拟图像。织物建模仿真的另一种方法是建立织物的三维模型，如使用各种柱体来表示纱线，并建立基本的光照明模型，[5]利用光照因子模板对绘制进行加速，结合织物组织信息构成织物外观的三维仿真结果，并在其中添加颜色、毛羽度等信息。以上方法均是采用纱线的通用图像或标准图像进行处理和建模。但是，由于织物结构模型的提出本身就是为了简化和方便织物组织研究和力学分析而建立的，所以现有的织物组织模型只是对织物的组织进行抽象，并没有考虑纱线的压缩、偏移等问题,也忽略了光照[6]的影响。而对于指定的实物纱线，研究如何提取其外表特征，如纱线颜色及在不同位置的粗细形变及绒毛等特征，并基于指定编织结构和纱线的排列顺序，建立编织样式模型，真实模拟出织物的外观编织样式，具有更加实际意义。1万方数据 东华大学硕士学位论文绪论1.2织物表面编织样式建模的发展、现状与关键技术1.2.1发展与现状计算机的使用与计算机技术的发展为编织物的建模提供了史无前例的平台，使得设计者们利用计算机硬件与软件来代替繁杂的手工设计。编织物表面编织样式的建模从历史角度来看，可以大致可以分为5个阶段，分别为技术准备阶段、开发应用阶段、实用化阶段、大批量应用阶段以及智能化标准化运用阶段。其中技术准备阶段是指20世纪50年代初期，科学家们运用电子管计算机中的机器语言编程，用仅有输出功能的图像设备配合计算机来进行编织物的三维建[7]模，而在那个时代计算机也只是用于科学计算，并没有其他的智能化系统。开发应用阶段是指20世纪60年代，美国研究者开发出计算机交互图形处理系[8]统的同时提出计算机交互技术和图形学的观点，在这阶段中，发达国家开始研究各类CAD/CAM技术，并成立研究机构对此进行研究，这是计算机发展的一个重要转折点，同时也也对织物的三维建模的技术上产生重大的影响。实用化阶段是指在20世纪70年代，很多的中小型企业开始成立CAD/CAM工作站，开发研制多种类型的图像输入输出设备，并将其他计算机技术与CAD/CAM技[9]术相互结合，形成计算机辅助工程（CAE）。大批量应用阶段是指20世纪80年代初期，由于期间计算机技术本身的突飞猛进，也带动了CAD/CAM技术的迅猛发展，图形系统和CAD/CAM的开发有了翻天覆地的变化，销售量也日俱[14]增。智能化和标准化阶段是指20世纪80年代中后期，由于图形接口和图形功能的标准化，为CAD/CAM的推广创造了有利的条件。在这段时期里面，CAD/CAM技术有了大幅度的增长和突破，更多的科研机构和科研人员参与到CAD/CAM技术的研究中来，企业和研究机构的重视使得CAD/CAM技术的开[15]发和使用出现了百家争鸣的现状。现今，织物表面编织样式建模的技术已经趋于成熟，编织结构的纺织物材料也被广泛的应用到军工、汽车、航天、建筑等各个领域中。同时纺织物生产的CAD/CAM技术也被归类为各种小的方向，主要有针织物CAD/CAM系统、[8][16]机织物CAD/CAM系统、服装CAD/CAM系统、配色CAD/CAM系统等。针对不同的使用功能和织物风格，各式各样不同功能的的织物CAD/CAM系统也被开发出来，并运用于纺织业各个环节当中。国外的编织物CAD/CAM技术因为发展时间早，研究机构也建立很早，所以有比较过硬的基础。近些年国外主要开发的编织物CAD/CAM系统有1990年Hans等开发出的织物CAD/CAM系统，可以将复杂的真实模型绘制成平面模型[17]板样；1992年Okabe等设计的3D模型设计系统，主要特点是利用最小能量2万方数据 东华大学硕士学位论文绪论[18]法解决有限元问题；1996年Stylios等设计的织物复杂变形系统，主要特点是能够真实模拟织物不同程度的变形；2000年Kang等设计的预言织物垂直形状[19]的系统，主要分析方法也是有限元方法。目前在公司研制的成熟CAD/CAM[20]系统方面，以美国CDI公司和加拿大PAD公司设计的系统处于领先地位，CDI系统主要在织物应力方面的分析具有领先地位，而PAD系统则在织物悬垂[9]性方面的技术处于领先地位。另外还有一些国外公司专门研究织物与人体舒适性的关联性。总体而言，国外的织物CAD/CAM系统发展较为成熟，功能种类也多样化，但在三维织物模拟的智能化方面还有待提高，现在很多国外公司[21-22]在这方面也在加速研发进程。国内的CAD/CAM与国外还有较大的差距,现行的国内编织物CAD/CAM系统，很少有三维模拟功能，少数的具有三维模拟功能的系统设计出来的织物线条也是僵直不自然，真实感和立体感相比国外的系统有很大的差距。另外在系统中主动设计功能也很少。所以国内编织物CAD/CAM系统与国外相比，主要是在设计功能与模拟真实度方面有很大的差距，需要进一步的发展，特别是在[10][23]以下几个方面需要做努力提高：（1）信息输入、输出和取样的数字化。（2）纺织行业中的自动化生产。（3）虚拟编织的精致化，细致化。（4）交互式设计的能力提高。1.2.2关键技术织物表面编织样式的建模，大多是采用理论分析和实验测试相结合的方法来完成。首先，根据浮长线模型进行研究织物的结构，在相关的理论指导下，分析试验布样，测出一系列数据，经过分析和归纳，建立织物结构模型。然后应用计算机图像处理技术，研究织物上面点的明暗变化规律，建立织物表面光照模型。并利用上述模型的特点，编制织物表征的外观、结构和图案的织物三[11]维仿真模拟软件，并对其进行细节调整，直到得到满意的结果为止。（1）3D图形显示原理三维(3D)图形显示和二维图形(2D)显示都是将物体显示在二维的计算机显示屏幕上，但三维显示是将物体的模型绘制在三维的空间中，由计算机经过变换、视图剪裁和视口变换，将物体上的点在三维坐标系(世界坐标系)中的坐标转换为二维的计算机屏幕(屏幕坐标系)上的像素位置，得到有远近层次的视觉效果。而二维显示则将物体模型建立在二维的空间中，同样经过计算机的变换、视图剪裁和视口变换，将物体上点的位置转变为屏幕坐标，但得到的是没有远[3]近层次的二维视图。3万方数据 东华大学硕士学位论文绪论(2)计算机图像处理技术计算机图像处理技术可以对图像进行去除杂点、增强、复原、分割、提取特[3]征等处理。在织物表面编织样式的建模时，可以利用计算机图像处理技术将织物表面的特征信息转变为由有限元组成的数字化图像（数字化转变），从而使其转变为计算机可以接受的显示和储存模式，再利用计算机进行分析每一个[24]像素的位置和色彩属性和并对其进行处理。（3）织物的光照模型在计算机屏幕上，有真实感的图像是通过物体表面的颜色和明暗色调来表[3]现真实物体的几何形状、空间位置和表面材料的。计算机图形学中，为了描述物体表面的反射、透射和吸收现象，引入一个既能表示光的强弱又能表示其[25]色彩组成的物理量--光亮度。基于光亮度的研究和分析得出的光照模型可以有效的帮助织物三维模拟的真实度的提高。使得模拟出来的三维织物更加具有[26]立体感和真实感。（4）不可见纱线的消隐经、纬纱线的交织以及纱线的重叠，使纬组织点处的经纱、经组织点处的纬纱被织物的上层纱线遮盖的下层的纱线不可见，必须将这部分纱线在3D模拟图中隐藏消去。近些年国内外研究者对图形的消隐提出多种算法，由于纱线在空间伸展状态较复杂，必须挑选适合纱线图形的消隐方法来进行三维模拟。比较典型的OpenGL系统采用Z缓冲区消隐算法，其思想是开辟一个z缓冲区存放每个像素点的深度值，以较近的像素点代替较远的像素点，在不可见纱线的消隐技术上作出重大贡献。必须提出的是，不可见纱线的消隐是织物三维模拟的一[3][15]个重要的环节。（5）纱线表面细节的添加纱线的表面粗糙不平，纱线之间的挤压也使得纱线发生不规则形变，纱线的高低交错、阴影、表面色彩的柔和性等都是衡量纱线模拟真实度的细节标准。目前所开发出来的的织物仿真模拟系统中纱线表面大多采用NURBs陆面构造，[3]结合Gouraud实体光照模型进行模拟。其得到的机织物3D模拟图像具有高低起伏的凹凸感和阴影效果，而纱线的租细还可以随着压扁系数的不同而产生粗细的变化，但纱线表面过于单调和光滑。为了进一步提高3D模拟的真实程度，可[26-27]以采用纹理映射的方法反映纱线表面的粗糙度、捻度。4万方数据 东华大学硕士学位论文绪论1.3虚拟编织的智能化发展方向随着世界各地收入水平的的提高，消费者们更加有能力选着性地购买商品，[28]使得纺织品产业更加具有竞争性。因此，为了提高产品的质量，虚拟编织的智能化随之出现在历史舞台，成为了纺织业生产的一个重要技术方向。为了达到快速、高效的生产目标，科学家发明了很多智能化的科学方法，充分利用计[29]算机技术和电子技术来模拟织物外观，以代替传统的生产方式。这同时也是纺织物设计领域的发展潮流。近年来，设计者们开发出各种类型的软件包，用以提高计算机的设计速度和设计选择，但其大多是基于给定的参数或者人工测量所得到的参数对纱线进行建模。虽然在智能化方向上面大有进展，但仍然有需要提高和厄待解决的地方。[30]虚拟编织的未来发展方向是将VR技术结合CAD/CAM技术结合生成的3D虚拟试衣系统，既跨越时间和空间的虚拟试衣，其可以在互联网的帮助下让[9]顾客在异地模拟实际环境进行虚拟试衣。虚拟试衣系统可以与真人模型进行配对从而达到动态模拟的效果，逼真的模拟出实际穿着的场景。此外，主流的API之一的OpenGL系统与3Dmax，AutoCAD，C++，Maya等相结合运用以使虚拟编织物更加接近真实面料的方法也是未来的织物虚拟编织的发展方向之一[31]。1.4本文的研究内容和章节安排1.4.1本文的研究内容随着计算机技术和数字图像处理技术的发展，直接利用机器视觉和数字图[32]像处理技术，可直接获取实物纱线的特征信息并建立其外观视觉模型。本文提出基于机器视觉和计算机图像处理技术，设计了一种纱线机器视觉图像信息获取装置，实现对参与编织的纱线快速获取其外观平面图像，提取纱线表面特征参数进行融合，获取代表纱线数字化建模的特征参数，包括纱线横截面及不匀率、颜色等外观信息，构建纱线织物交织点模型，实现实物纱线编织样式建模，同时准确地反映纱线对指定编织结构进行编织的实际视觉效果，为对纱线性能评价和质量分析提供科学依据。1.4.2章节安排本文基于数字化纺织，研究了实物纱线织物建模的方法。具体安排如下：5万方数据 东华大学硕士学位论文绪论第1章：绪论。阐述了纺织物立体建模的研究背景和实际意义，并对织物表面编织样式建模的发展现状和关键技术进行了简述，评论了虚拟编织的智能化发展方向，最后分别给出本文的研究内容和章节安排。第2章：简述了常用的织物表面仿真模型及其优缺点。提出织物三维仿真技术的基本原理，并对织物三维仿真的典型模型进行评价。第3章：基于一般的纱线特征信息获取装置的优缺点，提出了一种新的纱线信息获取装置及参数提取方法。主要设计了一种新的实物纱线特征信息成像装置并叙述了特征信息的获取方法，特别是对纱线的形状信息，颜色等的获取及存储方法进行了详细的说明。第4章：基于数字化纺织，提出了织物编织结构的数字化表示方法。主要是编织图像的栅格化与数字矩阵的方法，并提出了编织矩阵和基本编织矩阵的生成方法，最后对重要颜色参数的数字化表示方法也进行了简述。第5章：研究虚拟编织机的实现方法。这是本文内容的核心章节，主要研究内容有编织网络的生成和节点属性的确定、经纬节点合并矩阵的生成、编织节点形状调整矩阵的生成、VPU视觉建模方法、光照模型、形状模型等的建立。第6章：对软件的编制进行概述，并采用黑色棉纱为例结合软件运行界面对该研究方法进行实验演示与验证。第7章：总结与展望。对本文的研究内容和实验作出全面的总结，提出不足和需要改进的地方，并对未来的实验与工作进行展望。6万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法2.织物表面仿真模型及研究方法20世纪30年代开始，科学家们开始研究织物表面的三维建模及其仿真，在漫长的历史中，开发出了很多三维建模及仿真的方法，取得了长足的进步，本章重点对现有几种经典的织物表面仿真方法进行研究。2.1pierce模型2.1.1pierce模型的原理Pierce模型被认为是最为经典的织物结构模型，他是由科学家Fredrick[3]ThomasPierce提出的，该模型这要是针对等浮长织物进行研究。这里的短浮长织物只有至多三个组织点。Pierce模型主要研究的内容有：织物中纱线的截面形状、平纹组织结构的[3]计算、非平纹织物的结构参数的计算、结构相的计算。1.纱线的截面形状Pierce开始将纱线的截面假设成圆形（图2-1），之后考虑到纱线之间的相互挤压，又将圆形改为椭圆形（图2-2），而在织物组织中，纱线会受到各个方向的压力，在解决大密度的织物结构的计算时，椭圆形纱线截面模型并不[33]能适应于其要求。之后的研究者们在pierce模型的基础上又提出了碗型截面[3]模型、跑道模型、凸透镜模型等。分别为图2-3、图2-4、图2-5所示。图2-1圆形截面图2-2椭圆形截面图2-3碗型截面图2-4跑道截面7万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法图2-5凸透镜型截面后三种模型有着不同的适用性和各自特点。本章节以跑道模型为例，来进行说明与评论。如图2-6所示图2-6跑道型纱线截面结构图解41e在跑道型模型中bd11ebae其中a是跑道型纱线的长轴，b是跑道型纱线的短轴，e是纱线的压扁系数，[3]d是圆形截面的纱线直径。纱线的长轴a和短轴b可以用相关仪器测量得到，如纱线测量仪。2.pierce模型的计算根据跑道型截面的机织物模型，可以计算出不同类型组织在不同情况下的结构参数。（1）平纹组织：可以计算出经纱与纬纱的屈曲波高、纱线屈曲角、织物厚度、纱线间交织距离等结构参数。（2）非平纹组织：要经过以下几种情况进行计算A．小密度时，织物稀松，同一浮长内的相邻纱线之间有间隙，但经过处理后，纱线之间互相靠拢，纱线之间不再有间隙。B．中等密度时，纱线之间没有间隙，甚至有小的挤压。C．高密度时，纱线之间没有间隙，且有挤压变型。8万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法同样经过计算可以得到屈曲波高、纱线屈曲角、织物厚度、纱线间交织距离等参数。[3]（3）结构相的计算：结构相是指以18hh作为屈曲波高的时得到的12织物结构的几何状态。在pierce模型提出的理论中，织物结构一共会有9个结构相，分别是19、2、3、，在经纱是直线，纬纱最大程度弯曲的时候，属于第1个结构相；在纬纱是直线，经纱最大程度的弯曲的时候，属于第九个结构相；其他结构相在这两种情况当中，以此类推，而相邻的结构相之间的屈曲波高的差为18hh，而后来的研究者提出结构相的数值不一定非要是整数，也可12以是1-9之间的任意数值，所以结构相也应该有无穷多个。2.1.2pierce模型的特点和不足作为最为经典的纺织物建模模型，pierce模型提出了纱线截面的模型，并衍生出各种截面模型以适应不同的需求。其模型还通过研究纱线之间的相互挤压[34-35]关系，提出了拉拢/分离效应，对织物三维建模发展做出了很大的贡献，其研究出的结论至今还被很多科学家与研究者们借鉴。[3]但是因为其局限性，pierce模型还具有很多的不足：a)pierce模型只是针对短浮长织物，而对于浮长数大于3的织物来说并不适应。b)pierce模型中各经纱或纬纱中心的连线是一条直线，如图2-7，1，2,3，…7分别为经纱中心B,C,D,…F分别为纬纱中心，连接1,2,3或者4,5,6,7是一条直线，连接B,C,D或者E,F,G也是一条直线。而在实际情况中，[3]很多织物的经纱或纬纱的中心连线并不一定会呈直线。图2-7经纬纱中心点示意图c)pierce模型对于平纹或斜纹织物的模拟可以达到很好的效果，而对于变化组织的模拟，则效果不尽人意，不具有普遍意义。所以需要对pierce模型进行进一步的改进，或提出其他更好的织物仿真模型。9万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法d)pierce模型只是一种平面模型，虽然其对三维模型的开发具有重要的借鉴意义并在很多三维仿真模型的开发过程中起了关键作用，但其毕竟已经不适应现代社会的发展趋势，开发出其他更有立体效果，更逼真的三维仿真来模拟织物是时代发展的潮流。2.2基于物理模型的织物仿真模型[7]2.2.1基于物理模型的织物仿真模型模拟原理基于物理模型的仿真技术是在八十年代后期被科学家们提出的，该技术在计算方面比传统的织物仿真模型要复杂许多。纱线或织物在现实环境中的运动较为复杂，传统的仿真模型很难在运动的纱线或者织物中提取运动的方向，几何位置，形状等重要参数。而现代的仿真方法则有效的利用特殊的软件来实现纱线或织物动态参数的捕获。基于物理模型的织物仿真可以考虑到织物的弹性、摩擦力、转动惯距等因素，逼真的抓取运动中纱线或织物的重要参数。该方法[36][37]主要运用到牛顿力学中的标准动力学方程、热力学方程、Lagrangian方程[38]等。该模型主要提出了一种弹性应力矩阵用于分析织物表面的形状变化。其认为织物上的每个节点都受到附近四个节点的刚性拉伸力，斜对角线上四个节点的[7]剪切力，同时受到附近八个节点的弯曲应力。如图2-8、2-9、2-10。图2-8拉伸应力图2-9剪切应力图2-10弯曲应力2.2.2基于物理模型的织物仿真模型的特点与不足该模型对不同织物的刚性不同采用了拉伸应力与剪切应力的分析方法，大部分的织物对抗剪切应力很小，织物产生的变形，人眼很难观察的到，但该模型较好的解决了织物的变形模拟。优点在于该模型显而易见，清晰明了，并具有广泛的适用性，而缺点在于基于物理模型的仿真技术运算量很大，且只考虑10万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法了织物的二维变形，没有考虑织物的三维方向的变形情况。如果能对织物的三维方向的变形展开更加深入的分析，将会达到更好的效果。2.3基于OpenGL的单纱外观三维模拟[8]2.31基于OpenGL的单纱外观三维模拟原理该单纱模拟外观三维模拟的方法是在传统的纱线三维仿真模拟基础上进行一系列的改善。传统的纱线三维模拟方法是在编程软件VC++上进行OpenGL[8]程序的编写，利用B-样条曲线建立纱线的截面与捻度模型，并设置纱线路径，然后设置光源，加上纹理信息，以完成建模。而该单纱外观三维模拟方法则是在3DSMAX中利用样条曲线建立纱线的三维模型，再配合编程软件VC++编写[39]纱线的三维模型程序，最后导入OpenGL后完成纱线的建模。该方法的主要工作步骤为：（1）对已选定的平纹样品进行纱线的切片、拍照（2）利用纤维细度仪来测量纱线的各项数据指标，并采用“黄金切割迭代方法”处理纱线的截面图像（3）采用3dsMAX制图软件来制作纱线的三维模型（4）将3dsMAX中所制作的纱线仿真模型导入OpenGL中获取纱线的源代码，并进行交互控制。[8]最后仿真出的纱线三维模型效果如图2-11所示。图2-11基于OpenGL单纱外观三维模拟效果图2.3.2基于OpenGL的单纱外观三维模拟的特点与不足将纱线模型导入到OpenGL中并对其实施交互控制，可以在一定程度上解决[39]3DSMAX软件所建立的纱线模型无法交控制的弊端。为纱线的外观三维模拟提出了新的思路和解决方法，但对于纱线在OpenGL中的交互控制并没有达到理论上所能达到的效果，且未考虑到纱线纺纱过程中的不同纺纱方法对于纱线形状的影响，文章中只是说明了对平纹组织的纱线外观三维模拟的仿真。需要对这些问题进行进一步的研究，并将单纱的建模拓展到织物的建模，使得该研究方法更有现实意义。11万方数据 东华大学硕士学位论文织物表面仿真模型及研究方法2.4基于网格模型的织物虚拟编织[10-11]2.4.1基于网格模型的织物虚拟编织原理该基于网格模型的织物虚拟编织方法利用数字化处理的方法将织物编织样式转变为网格。并通过数字模型方法分析挤压产生的织物截面形状形变。主要方法是先用双侧扫描的方法获取纱线和织物的双侧图像，并用四个步骤来使其生成所需要的网格模型。首先，利用扫描出的图像初始化网格，其次，调整网格模型来模拟纱线之间的挤压形变，再基于提取的相邻纱线信息分析纱线交错[10]的方式。最后对编织物进行颜色处理。图2-12是该虚拟编织最后的效果图。图2-12基于网格模型的虚拟编织效果图2.4.2基于网格模型织物虚拟编织的特点与不足该模型利用数字化图像处理的方式来储存于管理纱线外观信息，并用数学方法分析织物截面形状由于挤压产生的形变来对织物进行虚拟编织。该虚拟编织模型的主要特点与功能是将真实纱线的图像纳入计算机辅助软件，使得仿真出的编织物效果具有一定的真实性，其对于编织物样式的识别也有很好的应用价值。但该虚拟编织的方法没有考虑其编织过程的纱线之间的力学关系和织物的表面光照特性，特别是没有给出纱线编织样式后期渲染处理的方法，对建模视觉特性仍需做进一步提高和发展。2.5本章小结本章主要介绍了四种常用的织物仿真模型和研究方法，分别介绍每个模型和研究方法的基本原理，并叙述各模型与研究方法的特点与不足。为本文提出的实物纱线与编织样式虚拟编织方法提供理论依据与实际参考。本文的虚拟编织方法将吸取这些模型与研究方法的优点，并在其基础上进行改良与突破，以达到预期的目的。12万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取3.纱线信息获取装置及参数提取3.1纱线信息获取装置3.1.1一般的纱线信息获取装置及其优缺点实现实物纱线的虚拟数字化编织，首先要提取在编织过程中实物纱线的特[41-42]征信息。如何准确获取实物纱线在编织状态下所表现出的外观特征信息，是利用虚拟编织机实现织物虚拟编织的关键所在。研究者们为了对纱线信息进行有效获取，提出了一些纱线特征信息获取装置。一般的测量纱线的外观表征方法主要是设计与建立数据采集系统，用以得到纱线直径的初始化数据（包括平均直径、直径偏差率、毛羽度、CV等数据），然后通过纱线外观表征的各指标与构象设计纱线外观的成纱质量表征系统。装置中主要元件包括光源，CCD,背景板，物镜等元件。例如下图3-1所示，是一种前人研究的比较典型的纱线外观表征获取装置的示意图。图3-1比较典型的纱线外观表征获取装置该装置主要利用CCD成像技术来获取纱线的外观表征信息，所获得的数据精度可以达到比较高的水平，也可以客观、定量的评估纱线质量。实现了纱线指标的自动化测试，给纱线外观特征信息获取的研究方面带来了一定的应用价值与参考价值。但是由于所设置装置的局限性，在装置获取纱线信息的动态测试过程中稳定性并不是很高，而且在纱线动态测试中排除外在因素的干扰方面做的不是很好。需要对该装置进行进一步的改良，以达到更准确的测量效果。3.1.2本文设计的纱线信息获取装置及其功能通过研究一般的纱线外观特征信息获取装置的特点与不足，结合本文所要实现的研究方法，本实验设计了一套新的纱线特征信息获取装置。图3-2显示了本文所设计实物纱线图像采集系统完整的结构图，它能模拟真实环境下的实物13万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取纱线进行编织的动态运动情况，获取实物纱线在编织状态下所受一定张力后的外观特征信息。所设计的纱线信息采集系统主要有三部分组成：第一部分是光学成像系统，包括CCD图像传感器、镜头和光源。其中CCD图像传感器由计算机控制，并由其负责纱线的图像信息采集。第二部分是机械执行机构，包括纱线张力控制器、纱线传导装置和纱线运动驱动器。由于参与编织的实验纱线，有一定的松紧要求，在系统中，通过纱线张力控制器与和纱线运动驱动器配合，能模拟出纱线参与编织真实环境，由CCD采集的纱线图像可为纱线建模提供更加逼真的信息。第三部分是计算机系统和软件，计算机系统是整个系统总体控制、图像处理和虚拟编织的公共平台。通过对系统软件进行设置，可以有效地实现对纱线图像数据采集，纱线张力、运动速度控制及纱线图像处理、虚拟编织实现等。在系统设计中，为了最大可能避免外部因素对纱线成像质量的影响，系统采用箱体结构，并在箱体内设有纱线封闭的纱线成像室，检测的纱线从成像室内穿过，通过卷线装置纱线一端与纱线驱动器相连，另一端与纱线张力控制器相连。在纱线成像室内部设有一组连有光源控制器的LED灯光源，纱线成像室上侧面安装CCD成像系统，用于采集纱线两侧面图像。纱线驱动器、张力控制器及光源控制器通过系统控制器与计算机相连。其中系统控制器实现将上位机的控制命令转换成与各执行机构相匹配的控制信号。图3-2纱线信息提取装置。(1)箱体,(2)CCD,(3)镜头，(4)纱线成像室，(5)背景板,（6）光源，（7）卷线驱动器,(8)系统控制器，（9）导线装置，（10）张力控制器，（11）显示器，（12）计算机.3.2装置中的重要部件介绍3.2.1箱体在所设计的纱线信息获取装置中，箱体主要是用以保证整个纱线外观特征信息采集过程中实验的稳定性，避免外部因素对实物纱线的外观质量产生影响。14万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取箱体内设有封闭的纱线质量成像室，可以确保纱线外观信息采集在相对适当的空间当中，减少纱线图像获取当中受到的干扰。实验中的箱体如图3-3所示。图3-3纱线特征信息获取箱体实物图3.2.2CCDCCD能将光线转换为点信号，其功能类似于人的眼睛，因此其性能的好坏[43]将直接影响所做实验的效果。本文所设计的纱线成像系统中CCD用以采集实物纱线的图像信息，并将获取的信息传导至计算机当中。本实验中所用采集纱线图像信息的CCD如图3-4所示，其像素为16281236，像素尺寸4.40m4.40m，最大帧率为14fps。其基本可以满足实验所需要求。如果要使得实验中纱线图像信息采集达到更好的更好的效果，可以采用更大像素的、更好像素尺寸、灵敏度、信噪比更加优良的CCD。图3-4纱线成像室中的CCD15万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取3.2.3光源纱线成像室中采用的光源为LED灯条形光源，如图3-5所示，装置内自行提供光照，可以减小甚至抵消外部光照的影响。LED光源具有节能环保、寿命[44]长、光色纯正、防潮、抗震动、外形尺寸灵活、多变幻、相应时间短等特点。在实物纱线特征信息获取的实验中，主要利用到的是LED灯光源的光色纯正的特点，并利用条形LED光照射纱线使得纱线表面的亮度均匀。有效的解决了自然光照射的光色不纯、光照不均等缺点。图3-5LED灯环形光源和光源控制器3.2.4背景板纱线成像室内的背景板能提供图像捕捉系统纯色的背景，为纱线信息特征的提取提供良好的成像环境。避免了因为实物纱线图像信息获取时背景的随机性造成的视觉干扰，使得成像更加稳定可靠，更有说服力。3.2.5机械执行机构本文所设计的纱线成像系统中的机械执行机构包括卷线驱动器、导线装置、张力控制器和系统控制器。其中卷线驱动器驱动纱线从络筒中以均匀的速度导出。导线装置控制纱线的运动路径，并在纱线的运动过程中支撑着纱线。张力[45-46]控制器用以控制纱线运动过程中的张力，使得纱线各处张力均匀。而系统控制器则是机械执行机构和计算机连接的部分，其将纱线的运行情况反馈到计算机中，并通过计算机调整纱线运动参数，再通过系统控制器发出命令，使得机械执行机构得以执行。卷线驱动器、导线装置、张力控制器、系统控制器相互配合，使得纱线在成像室内有稳定的松紧度和传送速度，以模拟真实的纱线织造环境。图3-6、图3-7分别为卷线驱动器和张力控制器。16万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取图3-6卷线驱动装置图图3-7张力控制器3.2.5计算机计算机是整个纱线信息提取装置的大脑，其信号的输入与输出都由它来决定。计算机接受到系统控制中传来的信息，判断是否需要进行调整，并将需要调整的参数传出到系统控制器中以改变纱线的运行参数。另外纱线信息提取装置获得的最终纱线外观特征信息会显示在计算机中。总的来说，纱线信息获取装置中的所有部件都是为了营造良好的成像环境和逼真的纱线织造环境。使得提取的纱线外观特征信息更为准确无误。3.3纱线特征信息提取纱线的特征信息提取是织物虚拟编织的重要环节，本文的纱线特征信息获取是利用所设计的装置获得，包括纱线直径、颜色、毛羽度信息等。这个过程中主要的步骤如下：1）在数字化虚拟编织前，先将参与编织的所有纱线进行编号后，分别安装在纱线信息获取装置上进行检测。2）对每一根纱线，根据设定的参数，在计算机的控制下，使其纱线保持一定的张力和速度通过成像位置，并由高精度CCD成像系统连续地采集一定长度的纱线图像，储存于计算机中。[47]3）对纱线的处理，先进行滤波。滤波是将信号中特定波段频率滤除的过程，是抑制和防止干扰的一项重要措施，本实验中纱线信息提取中的滤波主要作用[48]是消除成像过程中引入的光反射噪声。4）对同一编号纱线图像，通过若干个采样点，提取纱线平面图像的对应颜色值（R、G、B），并取其均值作为该纱线用于虚拟编织的颜色。同时采用亚像素定[49-50]位方法，分别检测出同一编号纱线平面图像的两对边缘，计算出纱线边缘间距的平均值，作为纱线参与虚拟编织的建模直径。对所有参与虚拟编织的纱线，以纱线编号为索引值，颜色R、G、B及直径、羽毛浓度数为表项内容，建17万方数据 东华大学硕士学位论文纱线信息获取装置及参数提取立一张用于虚拟数字编织的纱线信息管理表并进行存储。下表3-1为所建立的纱线特征信息管理表。表3-1纱线特征信息管理表颜色直径毛羽度序号RGB（mm）(根/m)12551271270.162146422232251270.3143923124165820.18457884821031650.2238865165124820.361432160411650.258102372551271690.3347733.4本章小结本章首先介绍了一般的纱线外观特征信息获取装置的特点与不足，并设计了一套新的纱线外观特征信息提取装置，配合三维装置示意图介绍说明装置中所设计的外部硬件与内部构成，并逐一配图介绍说明各个部件的位置与作用，最后说明纱线外观特征信息的提取方法的主要步骤，以明确整个信息提取过程中的重点。18万方数据 东华大学硕士学位论文织物编织结构的数字化方法4.织物编织结构的数字化方法4.1织物编织图像的栅格化和数字化表示方法4.1.1织物图像的栅格化表示方法图像的栅格化指的是将图形转变为栅格图像的过程，在如今的计算机图像处理技术上已经得到广泛的应用。它是将连续的图像转换为数字化图像的基础，也是目前实时生成三维计算机图像最流行的算法，转换速度也非常的快。其可以通过变换、裁剪、扫描变化等方法来实现。图片的栅格化的应用范围也非常广，最基本的是可以在图像渲染方面发挥重大的作用[51]。（包括纹理映射、环境映射、凹凸纹理映射、细节层次、阴影等方面）在本文中，织物图像的栅格化表示，是指在研究织物结构的表示方法时，将获得的织物编织图像栅格化，即是利用二维网格来表示织物的编织样式，网格中行列元素相应的代表经纱和纬纱。例如图4-1所示，一个88的平纹织物组织的栅格图也是88的，其中每个单个的网格代表径线和纬线交织的结点。其中经纱在纬纱之上时用黑色来表示，纬纱在经纱之上时用白色来表示。图4-1织物图像的栅格化通过织物图像的栅格化，我们可以得到以下信息：（1）可以确定基本循环单元中经纬纱交织点的个数。（2）可以确定基本循环单元中经纬纱交织的类型。（3）在添加颜色后可以得到染色织物的颜色信息。织物图像的栅格化方法主要的特点是处理速度快、操作简单、便于解读，在纺织行业内早已被广泛认可。19万方数据 东华大学硕士学位论文织物编织结构的数字化方法4.1.2织物图像的数字化表示方法[52]图像的数字化是数字图像处理技术中重要的内容，图像数字化的基本过程将图像中复杂多变的信息转换为可以度量的数字信息，并以这些数字和数据[53]建立数字化模型，再转换为二进制代码引入计算机对其进行统一处理。图像的数字化技术被广泛的应用在航天、汽车、医疗器械等各种科技领域，同样在纺织业中可以得到应用。织物图像在栅格化后，需将栅格化的图像进行数字化转换，其主要意义在于将织物图像转换为数字信息进行储存和处理，从而转变为计算机能够接受的显示与储存格式，然后再用计算机进行分析与处理。本文中，我们将织物图像的网格图转换为二进制数码0/1表示的形式。用0来表示纬纱在经纱之上的结点，用1来表示经纱在纬纱之上的结点。对应图4-1中的栅格图，可用图4-2进行数字表示。图4-2织物图像的数字化将织物图像数字化是对其进行数字图像处理的前提，织物图像经过数字化之后，将织物结构中的信息储存在数字中以便计算机进行读取和储存。而整个数字化织物的编织结构可以采用数字矩阵的方式进行表示。4.2编织矩阵和基本编织矩阵4.2.1编织矩阵矩阵作为一种纵横排列的二维数据表格，已在计算机科学上得到广泛的应用，将织物数字化后的信息列成矩阵的形式，使得织物上的信息与矩阵中的数字一一对应，不但便于分析编织结构之间的相互影响，且编织结点之间的关系[54]清晰明了，便于进行调节和分析。编织矩阵的生成较为简单，在这个过程中，由于纱线织物的编织样式图像可以看成是由一个个大小和颜色不同的交织点按不同的编织结构进行排列而成，20万方数据 东华大学硕士学位论文织物编织结构的数字化方法所以编织矩阵的主要作用就是在计算机中储存这些交织点的信息。实现实物纱线数字化虚拟编织的关键是要确定各交织点的属性、形状、颜色及羽毛等特征。交织点的颜色由其属性及所在位置经纬纱线的颜色决定，而结点的排列方式可以由指定编织结构决定，这些信息都可以被储存在编织矩阵当中。虚拟编织的建模前提是构建一个网络模型。当网络模型构成后，所有的纱线被视为是沿垂直或水平方向直行条纹。纱线的交织点类型取决于纬纱和经纱在交织时相对位置。如果经纱在上方，则该组织点为经交织点，反之如果纬纱在上方，则该组织点为纬交织点。在本文编织图像的数字化中提到，可通过一个由0和1两元素构成的矩阵来表示织物的编织结构。如图4-3所示，其中，左边的是织物的实际编织样式，右边的是编织样式所对应的编织矩阵。图4-3编织矩阵的形成4.2.2基本编织矩阵[55]编织矩阵与织物的结点信息一一对应，所以矩阵的大小决定了编织的规模。实际上，与织物组织结构一样，织物编织矩阵可由一个基本组织循环单元(完全组织)重复排列构成的（如图4-3中红框所示），从而使织物图像表现出一定的纹理特征。每一个基本循环单元在织物图像中具有相同的结构。构成织物基本循环单元的组织结构，是织物编织样式的基本约束。若将织物编织结构的交织点类型图转换成由0,1构成的组织矩阵，则其矩阵的行和列向量的最大无关向量组就是织物基本循环单元。其中行向量最大无关组个数即为纬纱循环数，列向量最大无关组个数为经纱循环数。所以，在虚拟编织系统中，可以采用基本矩阵代表织物的编织结构，并将设计代表编织结构的基本结构矩阵预先存入虚拟编织系统供建模者选择。在虚拟编织过程中，根据由选定的经纬纱线数目和排列顺序构建的编织网络的大小，对选择的基本矩阵，分别沿着经、纬方向进行延展，就可得到虚拟编织所需要大小的编织矩阵，并通过将编织矩阵21万方数据 东华大学硕士学位论文织物编织结构的数字化方法元素与编织网络的网格建立映射关系，就可编织网络所有网格属性（即：网格点存放经结点或纬结点）。图4-4表示以平纹组织为例的基本编织矩阵的形成过程。其过程是先将平纹织物基本循环单元进行栅格化，再将得到的栅格化图形进行数字化处理。图4-4平纹组织的基本编织矩阵形成过程4.3颜色的数字方法在进行纱线虚拟编织过程中，一旦确定了编织网络所有网格的编织矩阵和基本编织矩阵中所有网格的属性，下一步的就是要确定编织矩阵各个元素所对应结点的颜色。实际上虚拟编织结点的颜色是由编织设计所对应的经纱或纬纱的颜色决定。由于所有参与虚拟编织纱线的信息是采用索引表的方式进行存储。所以，在虚拟编织设计过程中，一旦所选择好经、纬纱线的排列顺序，其编织的所有结点的颜色就可以通过由两个一维矩阵和一个纱线颜色索引表构成。颜色索引表类似位图的调色板。假如参于虚拟编织纱线的数目为N，每根纱线所对应编号为012，，，N1，通过选择的纱线颜色编号，在颜色映射表中就可以查到该纱线实际的颜色值。用纱线编号排列顺序可方便地表示本次虚拟编织所选择纱线的排列规律，并由此方便地确定交织点的颜色。在虚拟编织实现过程中，选择不同纱线置于编织样式的经、纬不同位置进行建模，实际上就是建立了两个一维的颜色矩阵，其中，矩阵的元素代表了纱线的编号，而根据所建立的颜色索引表就可确定纱线的颜色，从而决定该纱线所对应的经或纬交织点的颜色。对虚拟编织过程中，对视觉处理单元进行颜色绘制的方法为：当视觉处理单元显示为经交织点时，该视觉处理单元的颜色值与经线颜色相同，而当显示为纬交织点时，该视觉处理单元对应的颜色值与纬线颜色相同。另外，视觉处理单元的绒毛信息，也可以根据该纱线所提取的绒毛信息参数，对该视觉处理单元进行处理。图4-5显示了视觉处理单元打颜色填充方法。视觉处理单元的概念与具体的建立方法将在第五章中提到。22万方数据 东华大学硕士学位论文织物编织结构的数字化方法图4-5虚拟编织节点颜色处理方法4.4本章小结本章首先介绍了织物图像的栅格化与数字化表示方法，并简述了栅格化与数字化的定义与作用，提出用数字化矩阵的方法来表示与储存织物交织结点信息。其次给出了编织矩阵与基本编织矩阵的概念及其在进行纱线虚拟编织中的作用。最后叙述了本文所提出的颜色表示与储存方法，为后文虚拟编织的实现打下铺垫。23万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法5.虚拟编织机的实现方法本章节以虚拟编织的规模尺寸大小和选择经、纬纱线数目，建立编织网络，并先采用编织矩阵确定网格点属性。在虚拟编织实现时，对经纬结点图像的绘制是基于实物纱线外观尺寸为约束，并用连接矩阵和应力矩阵对编织网络进行视觉调整，在编织网络中，生成一个个视觉处理单元（VPU），使织物外观图像体现同属性相邻结点的分布特征及纱线间的应力视觉特征。最后采用实物纱线的颜色和光照模型对所有视觉处理单元（VPU）进行绘制，得到实物纱线的虚拟编织外观图像。5.1编织网络的生成和结点属性的确定在编织网络的生成过程中，首先要确定的就是目标虚拟编织织物的尺寸大小，同时要确定结点的排列方式，也就是虚拟织物的编织结构。这样我们可以根据需要的内容构建网络模型，生成编织网络。生成编织网络的关键是确定基本组织循环单元（完全组织），而完整的编织网络则是由基本组织循环单元沿经纬方向拓展而成。编织网络的生成是实现虚拟编织机的研究方法的第一步。纱线织物的编织样式多种多样，其图像可以看成是由一个个不同属性的交织点构成，我们称之为结点。结点的属性可以存储纱线的形状、毛羽、颜色等多种信息。并通过将编织矩阵元素与编织网络的网格建立映射关系，就可编织网络所有网格属性（即：网格点存放经结点或纬结点）。这种转换关系是结点属性的作用所在。图5-1表达这种转换关系。图5-1编织矩阵元素与编织网络网格的映射关系24万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法5.2经纬排序矩阵的生成经纬纱线的排序是进行纱线虚拟编织的重要步骤，在虚拟编织的设计过程中，经纬纱线的排序决定了虚拟编织结点的颜色，也决定了虚拟编织出的织物的样式结构。在上一章节颜色的处理方法中提到，一旦选择好了经纬纱线的排列顺序，其编织结构中所有的结点颜色便可以由两个一维矩阵和一个纱线颜色索引表来构成。所以对经纬纱线进行排序控制，并生成排序矩阵，对虚拟编织成功与否具有重大意义。经纬排序矩阵的过程，首先是对纱线进行编号来表示纱线的排列顺序（假设参于虚拟编织纱线的数目为N，每根纱线所对应编号为0,1,2,…,N-1），这样就可以方便的表示虚拟编织纱线的排列规律。然后通过纱线的颜色编号在颜色映射表中查到纱线实际的颜色值，选择不同的纱线位于编织结构样式中的不同位置进行仿真建模，这个过程实际上是生成了两个一维的颜色矩阵。最后对视觉单元进行颜色绘制。经纬排序矩阵生成的意义在于：1）可以确定所需要的纱线编织结构的样式结构。2）决定纱线编织结构结点的颜色，并利用此进行视觉处理单元颜色的绘制。5.3经纬结点合并矩阵与形状调整矩阵一般来说，利用组织点的结构矩阵就可实现特征结构的虚拟编织，从而正[56]确表达织物的组织结构，同时，纱线的毛绒和质感也可以得到一定的体现，但整体视觉效果却会比较平面，立体感不强，其原因就在于虚拟编织时没有考虑织物的整体组织结构对视觉的影响，且仅仅考虑对单个的织物组织点进行分析，而没有将组织点的邻域的属性关系进行处理。实际上，编织视觉效果是整体组织点排列所形成的整体视觉效果。同时，在虚拟编织过程中，不同排列的[57]组织点相互之间由于应力的作用所产生的纱线聚拢／分离效应在编织图像中也没有得到体现，从而严重影响织物模拟效果。本文中的研究方法将从分析织物的组织结构入手，从织物编织结构矩阵中分析出行、列元素的属性特征，且对由纱线所产生的聚拢／分离效应进行描述。基于对织物的编织结构矩阵，通过对矩阵元素进行遍历的方法，分别推导出行、列结点合并矩阵和形状调整矩阵，并基于所推导的矩阵构建，对编织网络的结点进行拼接和形状调整，生成视觉处理单元（VPU），使得在编织网络中，基于视觉处理单元所绘制的编织图像既能表示织物的基本编织结构，同时又能体现编织的整体视觉信息，最终得以提高虚拟编织的视感效果。其中，结点合并矩阵被用于描述织物外观的基25万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法本要素，其矩阵元素的大小表示其合并结点所跨越的浮长，而矩阵元素所在位置表示合并结点的起始位置；而形状调整矩阵描述结点之间的相互挤压效应。5.3.1经纬结点合并矩阵的生成假设在虚拟编织的实现过程中，根据虚拟编织的规模对选取或设计的基本编织矩阵进行行、列扩展后，可得到元素为（0，1）的编织矩阵M，其大小为mn，即用n根经线与m根纬线交织的情况。其中1代表经结点，而0代表纬结点。则可以通过如下的方法来计算经、纬结点的合并矩阵，其中，经合并矩阵表示为M，纬合并矩阵表示为M。经合并矩阵M，考虑的是矩阵元素上下rowcolumrow两个方向的关联情况。其生成是采用对M矩阵遍历的方法，对每一列元素，从上到下计算经组织点连续跨越元素的个数（矩阵的列中连续1的个数），并赋值于经连接矩阵M对应元素位置的最上端，即连接结点的起始位置，而将其row他连续结点非起始位置的对应的元素赋0值。对于纬合并矩阵M的提取，其colum算法思想与提取经合并矩阵的基本原理相同，所不同是初始化时，由于在组织[58]矩阵中纬组织点全由0表示，不利于元素的累加运算，故将组织矩阵中元素全部取反，即用0代表经组织点，1代表纬组织点；在遍历时，方向和计算经合并矩阵的方法有所不同，即针对每行进行遍历，考虑的是元素左右两个方向的关联情况。如下矩阵M，则根据上述方法，可生成M和M。下图5-2表示rowcolum的是经纬结点合并矩阵的示意图。100100101001002002002001001001100010010020020001010110000203100010100300M0101011000000510M10101001Mrowcolum100111002000100002000020101001100020002001020001011101100101000010001001000011010000100140000010图5-2经纬结点合并矩阵示意图5.3.2编织结点形状调整矩阵的生成形状调整矩阵用于描述结点之间的相互挤压效应。对经组织点而言，如果其左边和右边均为经组织点，则近似认为其受力是均衡的，进行编织时，其结点位置的经线将不会产生位置上的偏移；若其左边和右边的组织点属性不同，则必然会因为受力不均衡而产生位置上的偏移，需对经偏移数组赋+1或-1值。此处所赋+1或-1值，仅仅代表经组织点的偏移方向，其中用+1代表右偏而-1代26万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法[59]表左偏。在编织过程中，其代表的具体偏移量可由该经组织点所对应的经纱直径决定。类似的，对纬组织点而言，需判断其上方和下方的组织点情况来对纬偏移数组赋值。其中+1代表下偏，-l代表上偏。我们同样可以采用对矩阵M分别进行行、列遍历的方法，根据结点的属性和其与相邻结点的关系，计算出经形状调整矩阵M和纬形状调整矩阵M。下图5-3表示编织结点形状调整frowfcolumn矩阵的示意图。000100100000000000000000001001100000011011001000000110000001100000100000M000101100000011011000000MfrowMfcolumn000111000001010001100000001001100001011001001000011101100101011010001001000011010000110000000000图5-3编织结点形状调整矩阵示意图5.4VPU视觉建模方法要实现虚拟编织，首先由所选择的经纬纱线的数目及虚拟编织的尺寸构建一定尺寸大小的建编织网络，然后在生成的编织网络的所有网格中，绘制出编织结点，使整个编织网络内的结点图像所形成的纹理图像逼真地再现由实物纱线织物表面视觉效果。因此，如何在网格中进行结点图像的绘制和处理是整个虚拟编织的关键。在本文中，我们将编织网络所处理的位图单元定义为视觉处理单元（VPU），它由结点构成，其最小的VPU就是一个结点，也可以是几个相同结点的合并。将编织网络的所有结点处理成VPU后，采用光照模型对其进行绘制，即可得到逼真的实物纱线对指定编织结构效果图像。采用VPU进行处理，主要是考虑虚拟编织结构的结点排列方式对整个编织纹理图像造成的视觉差异性。其生成方法是将具有行或列相邻元素同属性连续排列的结点合并成一个VPU。虚拟编织实现时，可由合并矩阵对编织网络进行遍历，并对相应的结点进行修改、处理。视觉处理单元（VPU）的尺寸和轮廓形状，由其所对应的实物经或纬纱线所采集纱线图像尺寸决定。同时，考虑到实际纱线编织时，由浮长线所产生的聚拢／分离应力效应均会对视觉效果产生影响，因此，可由应力矩阵对VPU进行形状轮廓调整，使VPU图像体现编织纱线之间的应力视觉效果。视觉处理单元（VPU）是虚拟编织时进行视觉建模和图像绘制的基本单位。27万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法基于真实感虚拟编织织物图像生成，可以利用计算机图形学，通过分析织物的内部结构特征，根据织物类型对纱线、织物的空间结构和织物的表面结构[60]对其进行建模，并在VPU几何模型的基础上选择光照模型，再根据光照模型计算出VPU织物表面各点的光强和颜色以进行图像绘制，最后显示所得到的模型，从而获得虚拟编织织物的高仿真图像。5.4.1形状模型由于机织物是由经纱、纬纱按照一定的组织规律（即织物组织）交织而成，织物的几何结构包括经、纬纱的交织规律、经纬纱截面积大小和形状、经纬纱的密度和其轴心线的屈曲形态等。如图5所示。假设织物的几何结构参数如下：S（S）为组织循环两相邻的经纱（纬纱）中心距离；H（H）为经（纬）纱jwjw屈曲波高，用织物内经（纬）纱线屈曲的波峰和波谷之间垂直于织物表面方向的距离表示；D（D）表示经（纬）纱直径；而D，D（D，D）表示经jwjljswlws（纬）纱截面长、短直径。其中，织物纱线相邻纱线的中心距离S（S）和屈jw曲波高H（H）描述了织物内经纬纱的交织形态，经（纬）纱直径D（D）描jwjw[61]述了织物内纱线的截面形态。织物内经纬纱线交织形态截面模型图如图5-4所示。图5-4织物内经纬纱线交织形态截面模型图在本文中，纱线在织物中的截面形态可以采用椭圆形进行描述，其织物经[59]纱的截面方程为可以表达为：224y4[(zz(j))]01（1）22DDjljs28万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法上式（1）中：D，D分别为经纱截面长、短直径；zj()为椭圆圆心在Z分量的jljs0坐标，即为经纱在交织状态下其轴心线屈曲形态方程，它随x的的变化而变化；同理可以建立纬纱的截面方程。在上述式（1）中，zj()实际上是纱线的轴心走0向曲线，为了方便表示，一般可以认为纱线在织物内的轴心走向曲线是正弦或[61]余弦曲线形态，它们之间只是坐标原点选择不同而已。所以可以写成：z(j)Zsin(x)（2）0jjmax在上述公式（2）中：Z为振幅。由上图5-4可知，其满足关系式：jmaxZ0.5(DDH)，而经线轴线周期变化的频率，其满足关系：jmaxjswswj(2/T)(/KS)，其中T为正弦曲线的周期、S为组织循环两相邻的纬纱的jjjwjw中心距离，而K为经纱的连续浮点数；把参数的值代入（2）式，所以有：j1z(j)(DDH)sin(x)（3）0jswsw2KSjw把上式（3）代入式（1）就得到每根经（纬）纱的表面的几何模型。5.4.2光照模型为了得到虚拟编织的视觉图像，需要选择合适的光照模型绘制出编织网络的所有视觉处理单元VUP图像。由光反射模型得知：由物体表面上P反射到视点的光强I由环境光的反射光强I、理想漫反射光强I和镜面反射光强I三部分eds[61]组成，且满足下列关系：nIIKIK(LN)IK(RV)（4）pdps考虑到反射光强IIII中，镜面反射光强I主要用于计算表面比较光滑edss物体的反射光强。而对于织物中的纱线，由于其表面粗糙不平，对光的镜面反射量很小，对视觉的影响较小，可不考虑此项。所以，纱线表面的反射强度可以写成III，而I是环境光反射分量，在简单光反射模型中，它是一个常量。ede而IIKcos，其中，I，k也为常量，所以反射强度I只与入射角的余弦有dpdpd[59]关。又由于织物表面是由相互垂直的经线、纬线交错排列而形成。在织物的上方，我们只能看见所有结点的表面图像，因此，虚拟编织实现的过程中，只需考虑如何生成VPU的表面图像。本文分两步考虑如何对VPU进行处理。首先从轴心剖面来看，经、纬纱轴线在织物表面的变化呈正弦曲线。以经线为例进行说明，我们定义VPU为一个处理单元。如图5-5表示经纱处理单元轴线屈曲形态图。该曲线表示经线的第k个VPU，其VPU的轴线在织物表面的变化曲线为zx()。jk29万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法图5-5经纱处理单元轴线屈曲形态图设定光源及视点均在织物正上方无穷远处，于是在VPU轴线的中点表面O点的入射角为0，根据IIkcos，所以O点为反射光强最大的点，随着曲线上dpd[62]的点偏离O点距离越大，入射角越大，漫反射光强分量的衰减越大。所以，对于曲线上任意一点P，设其距离中心点的垂直距离为：POx，入射角为，于是有：2cos1/1[()]zx又因为：zx()Asin(x)可推得：zx()Acos(x)，且有：x(T4)x代入，可求出:T2cos1[1(Acos((x)))]（5）4式（5）中的A、、T由上面的式（3）所确定。根据（6）式，可以得到距离中心点为x点的VPU轴线表面任意一点P的漫反射的光强为：T2IIcosI1[1(Acos((x)))]（6）pdOdOd4然后再从纱线的截面来研究VPU的表面情况，考虑采用成像设备获取的纱线图像，可方便且准确地获取纱线外观表面图像，从而获取纱线的直径。本文采用纱线截面为圆形的进行情况进行讨论。设圆形曲线上任意一点R的入射角为，[62]距离中心点的垂直距离为y，可以计算出：2cos1yr（7）于是，对于VPU截面曲线上任意一点R的漫反射光强可以由下式（8）表示：IIKcosIcos（8）RdpdOd同理，纬VPU与经VPU的处理具有相似的方法。30万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法5.5数字化虚拟编织的实现以虚拟编织的规模尺寸大小和选择经、纬纱线数目，建立编织网络，并采用由基本的结构矩阵拓展的编织矩阵决定网格点属性。然后用合并矩阵对编织网络的网格进行合并处理，并基于实物纱线外观尺寸为约束，采用应力矩阵对其进行调整，生成一个个视觉处理单元（VPU），使织物外观图像体现同属性相邻结点的分布特征及纱线间的应力视觉特征。最后采用实物纱线的颜色和光照模型对所有视觉处理单元（VPU）进行绘制，得到实物纱线的虚拟编织外观图像。采用上所述的方法，其虚拟编织的步骤可描述如下：（1）实物纱线信息提取。将参与虚拟编织的纱线分别进行编号后，安装于成像系统进行依次进行检测，然后根据成像系统标定系数及所获取纱线图像大小，计算出纱线的外观的实际物理尺寸，同时提取纱线的颜色，并进行存储。（2）虚拟编织网络生成。由预先设定虚拟编织规模尺寸及参与编织的经、纬纱线的数目，初步构建一个网格数目和大小尺寸确定的虚拟编织网络。该网络的每一个网格放置一个经或纬结点。（3）基本结构矩阵确定网格结点属性。根据设计或选定的编织基本矩阵，分别沿着经、纬方向进行延展，得到矩阵行列元素数目与所生成的虚拟编织网络行列的网格数目完全相同的编织矩阵M。（4）连接矩阵和应力矩阵生成。对延展的编织矩阵M进行遍历处理，按本文提出的方法分别生成连接矩阵M，M和应力矩阵M，M。rowcolumfrowfcolumn（5）视觉处理单元（VPU）生成。视觉处理单元（VPU）生成分成3个步骤，先是根据所得到的经、纬合并矩阵M和M，所生成的网络结点进行遍rowcolum历，对具有相同属性的连续经、纬结点进行合并处理。然后，利用对应的实物纱线图像初步确定VPU的尺寸、轮廓，最后由应力矩阵M和M，对编织frowfcolumn网络中的VPU的轮廓进行调整，使其能体现编织纱线之间的应力视觉效果。（6）虚拟编织的光照效果和颜色处理。对编织网络中所有视觉处理单元VPU，根据其属性分别采用与其对应的不同编号建模纱线的颜色索引表提取其颜色，按织物纱线光照模型，对所有视觉处理单元（VPU）进行绘制。（7）整体模拟效果的处理与最终显示。31万方数据 东华大学硕士学位论文虚拟编织机的实现方法5.6本章小结本章节主要叙述了虚拟预编织机的实现方法，是整篇论文的核心部分。其中首先提出了编织网络的生成和节点属性的确定，主要运用到上一章节所提到的编织矩阵与基本编织矩阵的概念。其后提出经纬排序矩阵的生成，利用经纬排序矩阵来确定所需编织织物的经纬排列结构。再次运用经纬结合点合并矩阵和形状调整矩阵来对虚拟织物进行细节调整。最后提出了视觉处理单元的概念，并利用光照模型和形状模型对虚拟织物进行后期处理，是本篇论文的亮点所在。通过本章节所叙述的内容，可以良好的实现虚拟织物编织的功能。32万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示6.软件的编制和实验演示6.1框架设计本章节介绍基于本文研究内容所设计的一款软件，该软件主要功能分为图[58]片背景捕捉、纱线预处理、目标图片获取、织物模型显示等四个部分。其中图片捕捉中设计了纱线图像的连续捕捉并实时显示捕捉到的纱线图像；纱线预处理中运用了VC++中一些常用的算法对纱线的毛羽、颜色等进行处理；目标图像的获取和织物模型显示则是实现和验证本文中提出的研究方法。在软件上通过完成这四个步骤，即可完成基于实物纱线的编织物虚拟编织。6.2实验环境基于本文研究内容的软件设计开发主要是将VC++6.0作为主要平台，软件界面则是采用MFC面向对象编程技术设计的。核心算法为C++语言。操作系统的配置如下表6-1所示：表6-1操作系统配置操作系统内存CPU主频Pentium(R)Dual-CoreWindowsXPprofessionalSP32GB3.0GHzE5700双核本实验中的所有参数提取和实验所得数据都是在此操作系统运行环境下进行测试和获取的。6.3软件的编制纱线和织物编织结构的虚拟编织系统的开发中，我们利用VC++6.0对实验进行算法研究并验证实验效果。纱线特征信息获取软件的运行界面主要包括了图像采集主界面和纱线模拟编织界面。其中图像采集主界面中包括采集控制区和图像采集部分；纱线模拟编织界面主要包括显示区和控制区。软件流程示意图如图6-1所示。33万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示图6-1软件流程图软件使用的步骤如下：1）打开设备，启动程序并定格在图像显示区，点击实时显示按钮纱线图像可以显示表明设备正常。程序主界面如图6-2所示。图6-2图像采集主界面2）设定采集控制区的参数，包括转速设定、电流设定、位移设定等；同时设置图像采集区域的帧数；然后点击运行按钮，参数设定完毕。通过设置这些参数的值可使得实物纱线的运动达到一个稳定的状态。3）设置对实物纱线背景图像进行单张捕获或是连续捕获。并点击纱线建模按钮，进入下一界面。该界面示意图如图6-3所示。34万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示图6-3纱线模拟编织界面4）点击读取数据按钮，分别读取纱线宽度的平均值、最大值、最小值、离散值及毛羽参数。5）设定控制区参数，包括帧数、膨胀次数、细化次数、CCD标定数值等。设置单帧建模或是多帧建模中的模型尺寸及其编织密度。6）点击单帧建模或是多帧建模，显示虚拟织物编织纺织模型。并通过控制区与显示区的配合进行多次调试，最后得到预期效果的虚拟编织织物。7）保存建模信息。完成实物纱线虚拟编织仿真建模。6.4实验演示我们以黑色的实物棉纱为例，以本文的研究方法为基准做一次完整的实验来验证纱线获取、织物虚拟编织的整个过程的可行性。下图6-4为放入纱线后的纱线信息获取装置。该装置可以同时捕获三根实物纱线运动过程中的图像信息，我们试图提取该实物纱线的表面特征信息，并利用软件对纱线进行图像预处理与颜色处理，最后设置参数生成所期望的三维织物模型。图6-4纱线信息获取装置实物图6.4.1图像显示区参数设定与实验操作纱线特征信息获取：采集控制区中转速设定为60转/分钟，电流设定为0.99A，位移设定为0.02mm；图像采集中帧数设置为15fps(每秒钟捕获30张图片)。对纱线进行实时信息采集，点击单张捕获按钮。界面中捕获的实物纱线图像如下图6-5所示。35万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示图6-5纱线图像采集示意图6.4.2虚拟织物生成界面参数设定与实验操作点击纱线建模按钮进入下一界面。该界面中主要参数设定与实验操作步骤如下：（1）首先设置帧数为10fps，CCD标定数值为1mm/px，点击读取数据，获取上、下、中纱线的平均宽度、最大值、最小值和离散值。（2）点击获取背景图像，得到纱线的背景图片，如图6-6中左上图所示。（3）点击获取单帧图像，得到所要得到纱线的目标图片，如图6-6中右上图所示。（4）点击手动区域选定，选择要进行预处理的纱线范围。再点击消除背景图像，得到预处理后的图像，如图6-6中左下图所示。（5）最后设置正方形模型尺寸为500*500，编织密度为54，点击单帧建模。得到最终的模型显示图。该界面显示区的图像如下图6-6所示。36万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示图6-6纱线编织模拟界面图在软件界面中设置不同的编织规模可以得到不同的模型显示图，纱线的数量与密度和设置的编织规模成正比关系。下图6-7、6-8、6-9分别表示较小的编织规模所得到的织物模型、中等的编织规模所得到的纱线模型以及较大的编织规模所得到的织物模型。较小的编织规模：编织规模88，纱线数量较少，纱线密度稀疏。图6-7较小的编织规模形成的织物模型中等的编织规模：编织规模1515，纱线数量中等，纱线密度中等。图6-8中等的编织规模形成的织物模型37万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示较大的编织规模：编织规模100100，纱线数量较多，纱线密度较大。图6-9较大的编织规模形成的织物模型6.4.3织物模型的光照、颜色处理利用所编织的软件得到的纱线编织模拟图可以很好的表示需要预编织的织物，但是所得到的织物颜色和光泽单一，接下来我们再根据文章中所提到的织物模型的颜色与光照的处理，对织物模型进行处理与后期渲染，得到表面光滑，颜色逼真的三维织物仿真模型。实现虚拟预编织机的预期功能。图6-10为光照与渲染处理后得到的织物模型。图6-11为颜色处理后得到的模型。图6-10光照与渲染处理图6-11颜色处理38万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示由于织物的俯视图对于三维建模的效果不够明显，我们可以切换织物模型的视图角度来对其真实度进行鉴定。将织物模型的俯视图转换为西南等轴侧图，并使用透视投影的方法表示模型使得模型更加具有逼真性，下图6-12是织物模型的三维视角转换。图6-12织物模型的三维视角转换织物的结构复杂多变，该研究方法可以通过基本编织矩阵的拓展生成不同结构的织物仿真模型，以下分别为平纹组织、斜纹组织、不规则组织的生成示意图：平纹组织：颜色处理中经纱为红色，纬纱为蓝色。如图6-13所示。图6-13平纹组织斜纹组织：颜色处理中经纱为黄色，纬纱为绿色。如图6-14所示。图6-14斜纹组织39万方数据 东华大学硕士学位论文软件的编制和实验演示不规则组织：颜色处理中经纱为绿色，纬纱为绿色。如图6-15所示。图6-15不规则组织6.5本章小结本章节是论文的实验与软件设计部分，章节首先对所设计的软件进行了说明，该软件是一个简单明了的以实物纱线特征信息捕获为基础的织物虚拟编织软件的软件，并叙述了包括框架设计，实验环境等在内的基本实验条件。然后对软件的界面及使用配图进行说明。最后以白色实物棉纱为例进行实验验证。实验验证说明利用本文所提出的基于纱线和编织结构的虚拟预编织机的实现方法效果显著，达到预期的要求。40万方数据 东华大学硕士学位论文总结与展望7．总结与展望7.1总结织物外观效果模拟是纺织业网络化、信息化、自动化，即数码纺织的关键技术之一，虚拟编织在纺织行业中具有重要的实用价值和巨大的应用价值。也是纺织业编织环节的发展趋势与历史潮流。本文结合数字图像处理技术和织物组织结构的知识，并通过对VC++6.0实验算法的研究。提出了一种基于实物纱线外观特征信息和指定编织样式虚拟编织机的实现方法，并实践了所设计的方案。整个过程完成的主要工作如下：1）研究设计了一套实物纱线外观特征信息提取装置，真实的模拟实物纱线参与编织的环境，整个实验装置放在在密闭的箱体中，并利用各种途径有效的保证纱线特征信息获取环境的稳定性，最后提出纱线特征信息获取的方式。2）将织物组织结构先栅格化后数字化，并以数字矩阵的形式进行信息储存，由预先设定虚拟编织规模尺寸及参与编织的经、纬纱线的数目和密度，初步构建一个网格数目和大小尺寸与织物结构所对应的虚拟编织网络。3）通过所设计的基本编织矩阵进行行和列的拓展，得到与编织网络所对应的编织矩阵，并用其确定编织网络网格的属性。接下来采用合并矩阵，对网格内的结点进行合并处理，并基于纱线物理尺寸与其图像大小的对应关系，确定网格内结点的大小和轮廓，然后再利用应力矩阵对网格内结点进行调整，生成一个个视觉处理单元（VPU）。4）基于视觉处理单元（VPU）的形状模型，推导出其视觉模型，实现对网络内的所有视觉处理单元（VPU）进行绘制。并提出形状模型和光照模型的建立。使得虚拟编织出的织物模型真实感达到最佳。5）本文所提出的方法可以在保证织物真实感效果模拟的基础上，大大降低织物外观仿真算法的难度，提高仿真算法的效率。利用本文的研究方法可以分别对不同组织结构进行模拟，得到所需的虚拟编织效果。7.2展望织物编织结构的虚拟编织在纺织行业中是一种重要的技术手段，无论在纺织物生产还是科研中都有着十分重要的实用价值，具有很大的研究价值。目前国内还没有成熟的织物虚拟编织模型，与国外的发展仍有很大的差距，本文提41万方数据 东华大学硕士学位论文总结与展望出了一种基于纱线和织物结构虚拟编织机的实现方法，但仍然有一些不足之处需要我们对其进行改进与完善：1）织物编织结构的虚拟编织功能非常强大，其利用计算机图像处理方法结合VC++与OpenGL等软件可以实现织物良好的外观模拟功能，实现织物编织结构的预编织。在接下来的研究当中，应该利用3D制图软件，实现预编织机与制图软件的共通，在纱线与织物结构图像采集之后迅速的制作出虚拟的织物外观三维模型。2）本文提出的实物纱线外观信息提取装置在模拟真实编织环境、保证良好的信息提取环境等方面做出了改善。但由于实验环境的局限，硬件上还未达到高的要求。需要引进一些高科技的硬件，比如更高精度的CCD、更高的显色性的光源以及运行速度更快的计算机。3）织物编织结构的类型变化多端，本文的研究方法对于规则性较强的织物组织有很好的效果，但对一些复杂的织物结构，该研究方法中的利用连接矩阵和应力矩阵，对延展的编织矩阵进行遍历处理时有一定的难度，需要做进一步的分析。总而言之，实物纱线和编织结构的虚拟编织仿真方法是纺织业重要的研究领域，其智能化和虚拟编织仿真模型真实度的提高是当下研究的重要方向。我们还需要进一步的努力来对其进行研究与改善。42万方数据 东华大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]沈晨辉.编织物三维模拟显示的研究与实现[D].浙江:浙江大学,2005.1-5.[2]张瑞云,黄新林,李汝勤.机织物的计算机三维模拟[J].纺织学报,2005,26(1):63-69.[3]郑天勇.机织物结构与外观的三维模拟研究[D].天津:天津工业大学,2000.1-14.[4]王梅珍,王府梅,王善元.基于网格的织物虚拟场景真实感模拟及计算机实现[J].东华大学学报(自然科学版),2006,32(6):72-76.[5]徐继红.三维服装CAD技术现状综述[J].扬州职业大学学报,2002,6(1):38-40.[6]瞿畅,王君泽.网络环境下的机织物三维仿真模拟[J].纺织学报,2009,30(3):117-130.[7]宁松,林木华,刘郊.一种快速的基于物理模型的织物模拟[J].计算机仿真,2006,23(12):118-121.[8]孙光武.基于OpenGL技术的单纱技术三维模拟[D].新疆:新疆大学,2011.[9]黄星星,夏蕾.织物仿真性研究的发展与现状[J].科技信息,2010(30):I0103-I0104.[10]HankanOzdemirandGungorBaser.Computersimulationofwovenfabricappearancesbasedondigitalvideocamerarecordingsmovingyarns[J].Textileresearchjournal.2008,78:148-157.[11]BinjieXin,JinlianHu,GeorgeBaciuandXiaoboYu.InvestigationontheClassificationofWeavePatternBasedonanActiveGridModel[J].Textileresearchjournal.2009,79:1123-1134.[12]LomovSV,IvanovDS,VerpoestI,etal.Full-fieldstrainmeasurementsforvalidationofmeso-FEanalysisoftextilecomposites[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2008,39(8):1218-1231.[13]BigaudD,HamelinP.Stiffnessandfailuremodellingof2Dand3Dtextile-reinforcedcompositesbymeansofimbricate-typeelementsapproaches[J].Computers&structures,2002,80(27):2253-2264.[14]PromisG,GaborA,MaddalunoG,etal.Behaviourofbeamsmadeintextilereinforcedmineralmatrixcomposites,anexperimentalstudy[J].CompositeStructures,2010,92(10):2565-2572.[15]PromisG,GaborA,HamelinP.Analyticalmodelingofthebendingbehavioroftextilereinforcedmineralmatrixcompositebeams[J].CompositeStructures,2011,93(2):792-801.[16]LomovSV,IvanovDS,TruongTC,etal.Experimentalmethodologyofstudyofdamageinitiationanddevelopmentintextilecompositesinuniaxialtensiletest[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(12):2340-2349.43万方数据 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东华大学硕士学位论文附录附录：攻读硕士期间发表论文及学术成果情况[1]钟平,胡睿,张康,胡志响,张国照.汽车涂装表面瑕疵检测与分类算法研究应用激光.第35卷第2期.2015年.(已录用)[2]PingZhong,ZhangKang，SenHan，RuiHu，JiayuPang，XiuyunZhangandFanxiaHuang.Evaluationmethodforyarndiameterunevennessbasedonimagesequenceprocessing.TextilResearchJournal.2014:1-11.(已录用)[3]一种纺织纱线直径动态快速测量装置与方法.钟平，胡睿，李鹏飞.专利申请号：201310754359.3[4]一种基于随机点跟踪的金属材料断裂伸长率智能测试方法.钟平，胡睿，钟吉康，张康，李鹏飞，张秀云，黄凡霞.专利申请号：201310375963.5[5]一种基于嵌入式图像信息处理技术的测角装置与方法.钟平，胡睿，张康，谭庆新，叶滔，杨晓东，张常鹏.专利申请号：201210536818.6[6]一种实物纱线编织样式的数字建模装置与方法.钟平，胡睿，谭庆新，张常鹏，王洋.专利申请号：201310098276.3[7]一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法.钟平，胡睿，钟吉康，张康，李鹏飞.专利申请号：201310294420.0[8]支持多自由度运动的视频图像序列实时稳定装置与方法.钟平，张康，胡睿，张秀云，庞家玉，黄凡霞.专利申请号:201310320797.9[9]一种眼镜架几何参数检测方法.钟平，施云龙，高孟茹，张康，胡睿，王洋.专利申请号：201310111818.6[10]一种基于图像识别的地铁防逃票系统及其工作方法.钟平，钟吉康，李鹏飞，谭敏，庞家玉，胡睿.专利申请号：201320611194.449万方数据 东华大学硕士学位论文附录纱线图像处理核心代码：//获取背景图片voidCImageprocessDlg::OnGetBGimage(){CStringstrFilePath;CFileDialogdlg(TRUE,NULL,NULL,OFN_HIDEREADONLY|OFN_OVERWRITEPROMPT,NULL,NULL);if(dlg.DoModal()==IDOK){strFilePath=dlg.GetPathName();}else{return;}m_Bjimg=cvLoadImage(strFilePath,1);TimerControl=0;SetTimer(1,20,NULL);a1=TRUE;}//获取目标图片voidCImageprocessDlg::OnGetTargetimage(){if(a1==FALSE){AfxMessageBox(请先载入背景图片);return;}CStringstrFilePath;CFileDialogdlg(TRUE,NULL,NULL,OFN_HIDEREADONLY|OFN_OVERWRITEPROMPT,NULL,NULL);if(dlg.DoModal()==IDOK){strFilePath=dlg.GetPathName();}else{return;}m_Mbimg=cvLoadImage(strFilePath,1);DrawPic2HDC(m_Mbimg,IDC_RECT2);50万方数据 东华大学硕士学位论文附录TimerControl=1;SetTimer(1,20,NULL);a2=TRUE;}//背景清除函数voidCImageprocessDlg::OnCleanBG(){if(a3==FALSE){return;}/*if(m_Bjimg->width!=m_Mbimg->width&&m_Bjimg->height!=m_Mbimg->height){AfxMessageBox("背景图片和目标图像尺寸不相同，无法去除背景");return;}*/cvSetImageROI(m_Mbimg,Roi);//创建子图像//Roiimg=cvCreateImage(cvSize(Roi.width,Roi.height),m_Mbimg->depth,m_Mbimg->nChannels);//cvCopy(m_Mbimg,Roiimg);//cvResetImageROI(m_Mbimg);cvSetImageROI(m_Bjimg,Roi);//创建背景子图像RoiBjimg=cvCreateImage(cvSize(Roi.width,Roi.height),m_Bjimg->depth,m_Bjimg->nChannels);cvCopy(m_Bjimg,RoiBjimg);cvResetImageROI(m_Bjimg);m_Qbjimg=cvCreateImage(cvGetSize(Roiimg),Roiimg->depth,Roiimg->nChannels);m_Showimg=cvCreateImage(cvGetSize(m_Qbjimg),8,1);cvAbsDiff(RoiBjimg,Roiimg,m_Qbjimg);//图像取反Turnthecolor(m_Qbjimg);//CStringfilename;//filename="D:\1234.bmp";//cvSaveImage(filename,filename);SetTimer(1,20,NULL);51万方数据 东华大学硕士学位论文附录TimerControl=2;a5=FALSE;a4=TRUE;}//建模函数voidCImageprocessDlg::Ondrawmodule(){//建一张空白白色图片if(a4==FALSE||a5==FALSE){return;}UpdateData(TRUE);m_width;m_height;m_n;UpdateData(FALSE);if(m_width>1000||m_width<10){AfxMessageBox("模型尺寸不符合要求");return;}SetDlgItemInt(IDC_EDIT2,m_width,FALSE);m_modelimg=cvCreateImage(cvSize(m_width,m_width),IPL_DEPTH_8U,3);cvSetZero(m_modelimg);//图像取反Turnthecolor(m_modelimg);//将数组a[][]中的数据导出模型图Setarray();TimerControl=4;SetTimer(1,20,NULL);//在d盘中保存模型图SYSTEMTIMEstime;CStringfilename;GetLocalTime(&stime);filename.Format("D:\capturedimage\model%2d.%2d.%2d.%2d.bmp",stime.wDay,stime.wHour,stime.wMinute,stime.wSecond);cvSaveImage(filename,m_modelimg);52万方数据 东华大学硕士学位论文附录}//图像取反函数voidCImageprocessDlg::Turnthecolor(IplImage*img){intnWidth=img->width;intnHeight=img->height;intnChannels=img->nChannels;intnStep=img->widthStep;for(inti=0;iimageData[i*nStep+j*nChannels+k]=255-img->imageData[i*nStep+j*nChannels+k];}}//图像细化处理函数voidCImageprocessDlg::cvThin(IplImage*src,IplImage*dst,intiterations){CvSizesize=cvGetSize(src);cvCopy(src,dst);intn=0,i=0,j=0;for(n=0;n1&&(p2+p3+p4+p5+p6+p7+p8+p9)<7){if(ap==1)54万方数据 东华大学硕士学位论文附录{if(!(p2&&p4&&p6)){if(!(p4&&p6&&p8)){CV_IMAGE_ELEM(dst,byte,i,j)=0;}}}}}}}cvReleaseImage(&t_image);t_image=cvCloneImage(dst);for(i=0;i1&&(p2+p3+p4+p5+p6+p7+p8+p9)<7){if(ap==1){if(p2*p4*p8==0){if(p2*p6*p8==0){CV_IMAGE_ELEM(dst,byte,i,j)=0;}}}}}56万方数据 东华大学硕士学位论文附录}}cvReleaseImage(&t_image);}}纱线参数提取主要代码：voidParameter1::OnReadData(){if(pdlg->a5==FALSE){return;}doubleav,da,xiao,lisan,sum,sum1,sum2,upav,upda,upxiao,uplisan,downav,downda,dowanxiao,downlisan;av=da=lisan=sum=sum1=sum2=upda=uplisan=upav=downav=downda=downlisan=0.0;xiao=upxiao=dowanxiao=50.0;intwidth=pdlg->Roi.width;for(inti=0;ia[0][i];av=sum/width;}for(i=0;ia_up[i];upav=sum1/width;}for(i=0;ia_down[i];57万方数据 东华大学硕士学位论文附录downav=sum2/width;}for(i=0;ipdlg->a[0][i]){xiao=(int)pdlg->a[0][i];}if(upxiao>pdlg->a_up[i]){upxiao=(int)pdlg->a_up[i];}if(dowanxiao>pdlg->a_down[i]){dowanxiao=(int)pdlg->a_down[i];}}//////for(i=0;ia[0][i]){da=(int)pdlg->a[0][i];}if(upda<=pdlg->a_up[i]){upda=(int)pdlg->a_up[i];}if(downda<=pdlg->a_down[i]){downda=(int)pdlg->a_down[i];}}for(i=0;ia[0][i]-av)*(pdlg->a[0][i]-av);lisan=(double)sqrt(sun);58万方数据 东华大学硕士学位论文附录}for(i=0;ia_up[i]-upav)*(pdlg->a_up[i]-upav);uplisan=(double)sqrt(sun);}for(i=0;ia_down[i]-downav)*(pdlg->a_down[i]-downav);downlisan=(double)sqrt(sun);}UpdateData(TRUE);pdlg->m_bdval;m_widthav.Format("%2f",av*pdlg->m_bdval);m_widthmax.Format("%2f",da*pdlg->m_bdval);m_widthmin.Format("%2f",xiao*pdlg->m_bdval);m_lisanval.Format("%2f",lisan*pdlg->m_bdval);m_upav.Format("%2f",upav*pdlg->m_bdval);m_upmax.Format("%2f",upda*pdlg->m_bdval);m_upmin.Format("%2f",upxiao*pdlg->m_bdval);m_uplisan.Format("%2f",uplisan*pdlg->m_bdval);m_downav.Format("%2f",downav*pdlg->m_bdval);m_downmax.Format("%2f",downda*pdlg->m_bdval);m_downmin.Format("%2f",dowanxiao*pdlg->m_bdval);m_downlisan.Format("%2f",downlisan*pdlg->m_bdval);ofstreamofs("D:\capturedimage\singleframe.txt");ofs<<"上："<<"平均宽度："<m_bdval<<";"<<"最大值"<m_bdval<<";"<<"最小值"<m_bdval<<";"<<"离散值"<m_bdval<<"n"<<"中："<<"平均宽度"<m_bdval<<";"<<"最大值"<m_bdval<<";"<<"最小值"<m_bdval<<";"<<"离散值"<m_bdval<<"n"<<"下："<<"平均宽度"<m_bdval<<";"<<"最大值"<m_bdval<<";"<<"最小值59万方数据