張素儉

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫，214405)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用顯現(xiàn)出巨大的威力，對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險起到了重要的作用。翁亮較早提出了利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將設(shè)計好的織物如何在場景中模擬展示，便于設(shè)計人員直觀地審察、校核及改進工藝[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在織物結(jié)構(gòu)或布料設(shè)計環(huán)節(jié)未見報道，織物設(shè)計CAD以二維設(shè)計為主，代表性的系統(tǒng)分別有美國IBM公司的紋織系統(tǒng)、日本的4D-Box和法國的力克等?？椢锝Y(jié)構(gòu)的三維構(gòu)建處于理論研究層面的較多，如機織物外觀分析及計算機三維模擬、基于3dsMax軟件的機織物結(jié)構(gòu)三維建模研究、機織物組織圖的數(shù)學(xué)描述與3維幾何建模、機織物結(jié)構(gòu)相模型剖析和修正等相關(guān)研究[2-5]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入機織物設(shè)計系統(tǒng)，將使產(chǎn)品設(shè)計的方法和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，可以突破現(xiàn)代紡織CAD設(shè)計的織物二維呈現(xiàn)方式，提高和加強織物呈現(xiàn)的逼真度和沉浸感。機織物的幾何結(jié)構(gòu)是經(jīng)、緯紗線在織物空間中的幾何形態(tài)，影響著織物各項性能指標，基于圖像和建模方法進行機織物虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵是確定機織物結(jié)構(gòu)中紗線中心點各點的三維坐標，以便真實模擬紗線在織物中的屈曲狀態(tài)，真實反映織物幾何結(jié)構(gòu)，準確預(yù)測織物性能。

1 機織物中紗線的屈曲極限狀態(tài)

織物中經(jīng)、緯紗線的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)受到經(jīng)、緯紗原料、密度、號數(shù)、織物組織的影響，由于這些幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，經(jīng)、緯紗線的空間配合關(guān)系復(fù)雜。織物中經(jīng)緯紗線的屈曲程度極大地影響著織物的外觀效果，但目前在織物模擬中對紗線屈曲狀態(tài)的精準描述較少，所開發(fā)的一些CAD軟件中還不能準確地反映真實的織物結(jié)構(gòu)[6]，進而難以逼真地模擬紗線在織物空間中的屈曲伸展狀態(tài)和織物逼真的外觀效果。

織物中，經(jīng)緯紗屈曲情況在理想情況下有兩個極限狀態(tài)，假設(shè)經(jīng)緯紗截面為圓形(暫不考慮經(jīng)緯紗壓縮變形)，一種狀態(tài)是僅緯紗有屈曲，經(jīng)紗完全伸直，如圖1(a)所示。此時，各根經(jīng)紗中心點在一條直線上，經(jīng)紗屈曲波高為零(hj=0)；緯紗繞經(jīng)紗彎曲，緯紗屈曲波高等于經(jīng)緯紗直徑之和(hw=dj+dw)，織物厚度等于經(jīng)紗直徑加兩倍緯紗直徑(τ=dj+2dw)，此時緯紗縮率大。另一種是僅經(jīng)紗有屈曲，緯紗完全伸直，如圖1(b)所示。此時，各根緯紗中心點在一條直線上，緯紗屈曲波高為零(hw=0)；經(jīng)紗繞緯紗彎曲，經(jīng)紗屈曲波高等于經(jīng)緯紗直徑之和(hj=dj+dw)，織物厚度等于兩倍經(jīng)紗直徑加緯紗直徑(τ=2dj+dw)，經(jīng)紗縮率大?？椢锏膸缀谓Y(jié)構(gòu)都處于兩個極限之間。

(a)經(jīng)紗屈曲極限狀態(tài)

(b)緯紗屈曲極限狀態(tài)

圖1 經(jīng)緯紗屈曲的極限狀態(tài)示意圖

2 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機織物幾何結(jié)構(gòu)相構(gòu)建

基于圖像和建模方法的需要，重構(gòu)機織物幾何結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建經(jīng)緯紗三維結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而為織物結(jié)構(gòu)模擬和性能預(yù)測提供了一種新的思路和方法。

為了準確模擬機織物結(jié)構(gòu)中紗線中心點各點的三維坐標以及其隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，需確定一個坐標基準點。通常情況下織物結(jié)構(gòu)相以屈曲波劃分，即將屈曲波高8等分，得到9個等分點，每個等分點稱為一個結(jié)構(gòu)相，即第一到第九結(jié)構(gòu)相。這種劃分無法實現(xiàn)對織物中紗線中心點各點的三維坐標隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。鑒于系統(tǒng)建模的需要，現(xiàn)確定一個經(jīng)緯紗中心線的基準點，重新劃分織物幾何結(jié)構(gòu)相，以便于不同結(jié)構(gòu)相時紗線各中心點位置的描述和結(jié)構(gòu)模型的建立。

圖1的兩種極限狀態(tài)仍作為第一和第九結(jié)構(gòu)相。根據(jù)織物結(jié)構(gòu)建模需要，現(xiàn)將織物厚度的中心位置作為織物經(jīng)緯紗位移的坐標基準點。當(dāng)織物為第一結(jié)構(gòu)相時，織物中心位置(基準線)位于經(jīng)紗中心線，經(jīng)紗屈曲波最小(為零)，經(jīng)紗中心點在基準線上；緯紗中心點距離中心線最大位移為±1/2(dj+dw)，緯紗屈曲波最大為dj+dw。從第一到第九結(jié)構(gòu)相，隨著緯紗屈曲波的逐漸減小，經(jīng)紗屈曲波逐漸增加。結(jié)構(gòu)相先以緯紗屈曲波每減少1/4dw(同時經(jīng)紗屈曲波每增加1/4dw)作為一個新結(jié)構(gòu)相，即第二、第三、第四、第五結(jié)構(gòu)相。

此過程中，每增加一個結(jié)構(gòu)相，緯紗中心點距離織物中心位置(基準線)距離減少1/8dw，經(jīng)紗中心點距離織物中心位置(基準線)距離增加1/8dw。當(dāng)經(jīng)緯屈曲波演變?yōu)榈谖褰Y(jié)構(gòu)相時，緯紗屈曲波等于經(jīng)紗直徑，經(jīng)紗屈曲波等于緯紗直徑，織物厚度等于經(jīng)緯紗線直徑之和，也就是形成經(jīng)緯同支持面織物，也就是以往所稱的0結(jié)構(gòu)相，如圖2所示。

這種劃分方式不論經(jīng)緯紗直徑是否相同，第五結(jié)構(gòu)相都與0結(jié)構(gòu)相相一致。從第五開始繼續(xù)增加結(jié)構(gòu)相，經(jīng)屈曲波以每增加1/4dj，緯紗屈曲波以每減少1/4dj作為第六、第七、第八、第九結(jié)構(gòu)相。此過程中，每增加一個結(jié)構(gòu)相，緯紗中心點距離織物中心位置(基準線)距離減少1/8dj，經(jīng)紗中心點距離織物中心位置(基準線)距離增加1/8dj。在第九結(jié)構(gòu)相時，緯紗屈曲波降為最小(為零)，經(jīng)紗屈曲波為經(jīng)緯紗直徑之和，緯紗中心點成為織物中心線(基準線)，經(jīng)紗中心點距離織物中心線±1/2(dj+dw)。從第一到第九結(jié)構(gòu)相演變過程中參數(shù)變化見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)相經(jīng)緯紗中心點偏離織物中心點的距離

結(jié)構(gòu)相p緯紗屈曲波高hw經(jīng)紗屈曲波高hj織物厚度τ經(jīng)紗最大位移sj緯紗最大位移sw第一第二第三第四第五第六第七第八第九dj+dwdj+dw-1/4dwdj+dw-2/4dwdj+dw-3/4dwdj+dw-4/4dwdj-1/4djdj-2/4djdj-3/4dj001/4dwdw2/4dw3/4dw4/4dwdw+1/4djdw+2/4djdw+3/4djdj+dwdj+2dwdj+2dw-1/4dwdj+2dw-2/4dwdj+2dw-3/4dwdj+2dw-4/4dwdj+2dw-4/4dw+1/4djdj+2dw-4/4dw+2/4djdj+2dw-4/4dw+3/4dj2dj+dw0±1/8dw±2/8dw±3/8dw±4/8dw±1/8dw±1/8dw±1/8dw±1/2(dj+dw)±1/2(dj+dw)±1/2(dj+dw)-1/8dw±1/2(dj+dw)-2/8dw±1/2(dj+dw)-3/8dw±1/2(dj+dw)-4/8dw±1/2(dj+dw)-1/8dw±1/2(dj+dw)-1/8dw±1/2(dj+dw)-1/8dw0

圖2 第五結(jié)構(gòu)相示意圖

3 織物內(nèi)經(jīng)緯紗線直徑

織物內(nèi)經(jīng)緯紗線的直徑d(mm)可按照公式(1)計算。

(1)

式中：kd為直徑系數(shù)，Nt為紗線的號數(shù)。

直徑系數(shù)kd與紗線原料有關(guān)，受纖維種類、紡紗方法、纖維表面形態(tài)等因素的影響。棉紗、棉線的kd=0.037，精梳毛紗kd=0.040，粗梳毛紗kd=0.042，滌棉混紡紗kd=0.036。

kd是重要的織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，在纖維品種、紗線結(jié)構(gòu)日益豐富的條件下，能否及時提供各類紗線的直徑系數(shù)，對合理進行織物結(jié)構(gòu)設(shè)計是很重要的。直徑系數(shù)可按式(2)計算。幾種紗線的δ值參考：棉紗δ值0.80 g/cm3～0.90 g/cm3，精梳毛紗δ值0.75 g/cm3～0.81 g/cm3，粗梳毛紗δ值0.65 g/cm3～0.72 g/cm3，滌棉混紡紗(65/35)δ值0.85 g/cm3～0.95 g/cm3，維棉混紡紗(50/50)δ值0.74 g/cm3～0.76 g/cm3。

(2)

式中：δ為紗線的體積密度(g/cm3)。

織物內(nèi)紗線的幾何形態(tài)，不同的學(xué)者有不同的說法。有學(xué)者主張以圓形或橢圓形描述，也有主張以跑道形描述，還有學(xué)者主張以凸透鏡形描述。因紗線在織物中的截面形態(tài)受纖維原料、織物組織、織物密度等因素影響，因此建議在討論織物幾何結(jié)構(gòu)時采用圓形截面作為概算單位，但應(yīng)考慮紗線在織物中被壓扁的實際情況。壓扁程度用壓扁系數(shù)表示，即紗線在織物切面圖中垂直布面方向的直徑與利用公式計算的紗線直徑的比值，此值一般為0.8左右。

4 基本幾何結(jié)構(gòu)相的確定

機織物中經(jīng)緯紗中心點位置隨著織物結(jié)構(gòu)相的不同而變化，機織物幾何結(jié)構(gòu)相受經(jīng)緯紗原料、紗線線密度、經(jīng)緯紗排列密度、織物組織影響，因此在織物結(jié)構(gòu)建模中需建立機織物幾何結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對機織物模擬設(shè)計中，機織物經(jīng)緯紗原料、紗線線密度、經(jīng)緯紗排列密度作為織物規(guī)格設(shè)計參數(shù)列入模擬設(shè)計的第一基礎(chǔ)模塊，對于普通結(jié)構(gòu)的織物，可利用此模塊計算織物經(jīng)緯向緊密程度，以織物緊密程度為依據(jù)確定織物幾何結(jié)構(gòu)相。參考緊密規(guī)則織物緊度計算繪制的結(jié)構(gòu)相與緊度關(guān)系圖[7]，并結(jié)合常用組織織物結(jié)構(gòu)相范圍，建立經(jīng)緯緊度比與結(jié)構(gòu)相之間的聯(lián)系，即經(jīng)緯向緊度比分別為1∶(2Ew+Z1)、2∶(3Ew+Z2)、3∶(5Ew+Z3)、5∶(6Ew+Z4)、1∶1、(6Ej+Z4)∶5、(5Ej+Z3)∶3、(3Ej+Z2)∶2、(2Ej+Z1)∶1時，依次對應(yīng)第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九結(jié)構(gòu)相。Z為因織物組織不同產(chǎn)生的經(jīng)緯緊度比的差異，為方便計算，本應(yīng)用中忽略Z。

5 特殊結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)相的確定

對于普通組織織物，可根據(jù)經(jīng)緯緊度比確定結(jié)構(gòu)相，再根據(jù)不同結(jié)構(gòu)相中經(jīng)緯紗線位置的關(guān)系，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行經(jīng)緯紗中心點的位置確定及織物效果的模擬。

對于特殊結(jié)構(gòu)織物，比如蜂巢組織，由于一個組織循環(huán)中浮長線的變化及相互作用，導(dǎo)致紗線上下凹凸，從而在布面上呈現(xiàn)類似蜂巢的效果。通過織物緊密程度獲得織物結(jié)構(gòu)相的方法已無法滿足特殊織物外觀效果的真實模擬，此類織物需要將結(jié)構(gòu)相由布面細化分解到每個組織點，精準確定紗線中各組織點處經(jīng)緯紗的位置可以更真實反映紗線的屈曲狀態(tài)，模擬織物外觀。

浮長線是影響特殊效果織物外觀的關(guān)鍵因素，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬織物特殊外觀效果時，需將浮長線與結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。這一設(shè)想與紗線屈曲狀態(tài)相關(guān)研究結(jié)果相吻合。HAMILTON J B認為如果機織物中浮長超過3根時，根據(jù)織物結(jié)構(gòu)相理論計算得到的紗線位置同實測值誤差較大，且此類模型紗線空間截面均勻，無法反映府綢類織物中真實擠壓狀況和其他特定外觀效應(yīng)[8]。鄭天勇根據(jù)浮長線原理，浮長線長度越大，紗線凹凸程度越大，浮長線中部越遠離織物中心線，如果浮長長度超過一定極限值，經(jīng)緯紗分離，織物結(jié)構(gòu)隨之變化，提出根據(jù)浮長線法分析，并結(jié)合3次B樣條曲線計算組織點坐標，精確描述機織物中組織點的位置和紗線的屈曲形態(tài)[9]。浮長線模型不但可用于研究平紋類簡單織物，還可用在研究凸條、蜂巢、透孔等各種復(fù)雜組織織物，從而使織物結(jié)構(gòu)的描述更為精確。

在利用織物經(jīng)緯向緊密程度判斷織物整體結(jié)構(gòu)相的基礎(chǔ)上，再利用浮長線理論將浮線中各組織點結(jié)構(gòu)相進行區(qū)分，經(jīng)浮線上的各經(jīng)組織點在原有結(jié)構(gòu)相的基礎(chǔ)上隨著浮線的增長，結(jié)構(gòu)相逐漸增加(經(jīng)屈曲波增加)；緯浮線上的緯組織點在原有結(jié)構(gòu)相的基礎(chǔ)上隨著浮線的增長，結(jié)構(gòu)相逐漸減少(緯屈曲波增加)，見表2。

表2 根據(jù)浮線長度判斷浮線中各組織點結(jié)構(gòu)相

浮線長度/根經(jīng)浮線各點結(jié)構(gòu)相緯浮線各點結(jié)構(gòu)相2345…X、XX、X+1、XX、X+1、X+1、XX、X+1、X+2、X+1、X…X、XX、X-1、XX、X-1、X-1、XX、X-1、X-2、X-1、X…

其中，X為根據(jù)基礎(chǔ)組織經(jīng)緯向緊密確定的結(jié)構(gòu)相。對于織物背面的經(jīng)、緯浮線也采用此原則。經(jīng)(緯)浮線中各組織點在結(jié)構(gòu)相中的中心位置與其在浮長線中的位置有關(guān)，浮線中越靠近中間位置的組織點越遠離織物的中心位置，形成一個對其下紗線的包圍弧，從而形成更加逼真的織物立體凹凸效果。表中X為織物基本結(jié)構(gòu)相，根據(jù)經(jīng)緯向緊密比確定。當(dāng)經(jīng)緯紗直徑相同，經(jīng)緯密度相差不大時，認定為第五結(jié)構(gòu)相。

6 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的織物模擬效果呈現(xiàn)

運用unit和編程軟件，采用數(shù)字骨骼蒙皮綁定技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)了全仿真三維織物動態(tài)生成，輸入工藝參數(shù)能快速動態(tài)生成各種織物結(jié)構(gòu)形態(tài)，立體可視，結(jié)構(gòu)仿真，并能多方位全角度靈活交互觀察。該模塊生成的數(shù)字布料和工藝參數(shù)模塊的數(shù)據(jù)動態(tài)相連，當(dāng)工藝參數(shù)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，數(shù)字布料可以隨著參數(shù)數(shù)據(jù)的改變而動態(tài)更新。蜂巢布料生成模塊界面如圖3所示，雙層織物效果如圖4所示。

圖3 蜂巢組織織物生成效果圖

圖4 雙層組織織物生成效果圖

7 結(jié)語

開發(fā)機織物智能生成系統(tǒng)，基于結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)機織物的外觀效果，尤其是能表現(xiàn)蜂巢、凸條等表面具有凹凸、空隙等獨特外觀的效果，為織物設(shè)計及應(yīng)用提供真實的感官體驗。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)計要求，重構(gòu)織物幾何結(jié)構(gòu)相，為經(jīng)、緯紗線在系統(tǒng)中定位、彎曲及織物三維效果呈現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)。利用浮線原理及結(jié)構(gòu)相精確模擬織物中紗線的屈曲狀態(tài)，利用仿真模型建模技術(shù)，真實再現(xiàn)織物立體外觀效果，特別是蜂巢組織、凸條組織、雙層組織等織物特殊外觀效果，并對其他特殊織物有適用性。