電容式條干均勻度指標(biāo)如CVm%值、紗疵、波譜圖等是評價紗線質(zhì)量的重要性能指標(biāo)，并已經(jīng)成為世界標(biāo)準(zhǔn)，為各國的紡織行業(yè)所認可，然而，在實際使用中，我們發(fā)現(xiàn)，這些指標(biāo)并不能完全反映紗線的質(zhì)量狀況，比如借助于電容式條干均勻度儀，用戶可以知道某段紗線上存在多少個疵點，卻無法構(gòu)思這些疵點的具體形態(tài)以及會對未來的織物造成何種影響。與數(shù)據(jù)相比，圖形總是能給人以更加直觀、更加形象的感覺，以圖形技術(shù)為基礎(chǔ)的織物仿真系統(tǒng)能夠在紗線和織物之間建立起更為緊密的聯(lián)系，已經(jīng)成為紗線質(zhì)量控制方面一項重要的研究課題。
1 織物仿真系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀
與傳統(tǒng)電容式條干儀的檢測原理不同，織物仿真系統(tǒng)所使用的采樣數(shù)據(jù)均是采用光電檢測的方法檢測紗線外觀直徑的變化，而不是紗線的質(zhì)量變化。利用外觀直徑數(shù)據(jù)繪制的紗線輪廓與實際的紗線相一致，使形成的織物與被測試的紗線之間存在很好的相關(guān)性。
織物仿真系統(tǒng)作為一個新的研究方向，它的發(fā)展備受關(guān)注，國際上的一些著名紡織電子企業(yè)紛紛涉足到這一課題的研究，在織物仿真的研究上積累了一些經(jīng)驗，但也存在不少不足，主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)存的織物仿真系統(tǒng)大部分仍普遍停留在平面的意匠圖階段，用二維的組織示意圖來表示織物的三維幾何結(jié)構(gòu)，或者用二維的灰度變化來模擬紗線的立體效果，缺乏真實感；（2）由于紗線是極其細小的物體，其直徑通常小于0.5mm，大部分在0.1mm至0.2mm之間，現(xiàn)存的織物仿真系統(tǒng)大多無法在顯示器上顯示紗線的1:1效果，只能放大顯示或在高分辨率打印機上輸出，增加了織物仿真的成本；（3）沒有采用鋸齒消除算法，利用數(shù)字采樣技術(shù)然后在屏幕上進行紗線的繪制通常會引起圖形的走樣，與實際的紗線效果存在較大的區(qū)別，并且會在模擬的織物上產(chǎn)生誤解；（4）在織物的編織花色上，現(xiàn)存的織物仿真系統(tǒng)只開發(fā)了一些基本的模板，缺乏靈活性，不能適用所有的用戶；（5）由于國外公司開發(fā)的織物仿真系統(tǒng)往往采用國外的標(biāo)準(zhǔn)，很難在國內(nèi)企業(yè)中進行實際的應(yīng)用。
當(dāng)前織物仿真系統(tǒng)中存在的缺陷嚴(yán)重限制了該系統(tǒng)的實際應(yīng)用，這些缺陷是二維圖形技術(shù)所無法避免的，必須采用新的技術(shù)來對織物仿真系統(tǒng)作進一步的研究。近年來，計算機圖形技術(shù)尤其是三維圖形技術(shù)發(fā)展迅速，并取得了廣泛的應(yīng)用，它從人們觀察事物的原理出發(fā)，參照物理光學(xué)的基本定律，提出了模擬真實世界的各項算法，能夠逼真的再現(xiàn)自然界的場景?；谶@一考慮，本文提出了基于三維圖形技術(shù)的織物仿真系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行研究與探討。
2 紗線模型的構(gòu)造
織物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵在于紗線模型的構(gòu)建，在三維圖形系統(tǒng)中，任何復(fù)雜的物體均可通過表面分割技術(shù)轉(zhuǎn)化為三角形或四邊形小面，這種方法通常成為B-rep（Border represent）造型。一個物體的幾何描述就是通過面循環(huán)的方式建立所謂的面表、邊表和頂點表。對于橫向穿越的經(jīng)紗，從x軸看，可以理解為直徑不斷變化的圓，圓的直徑變化信息可以從相應(yīng)的測試儀器中得到。為方便分割，我們首先按照直徑的變化將紗線分成段，再沿x軸將每個圓柱進行等分，并獲得每個分割頂點的坐標(biāo)和法向量計算公式：
xn=0
yn=sin(θ)
zn=cos(θ)
x=x+l•α+x0
y=D•α•yn/2+y0
z=D•α•zn/2+z0
l=S•1000/K/60.0
θ=θ+2*π/n
……公式(1)
其中，n為對紗段內(nèi)部分割的面片數(shù)，K為儀器的采樣頻率，S為跑紗速度， D為紗線圓柱切面直徑，xn、yn、zn為分割頂點處的法向量，x、y、z為分割頂點處的坐標(biāo)，α為放大倍數(shù)。
得到各分割頂點后，可以對頂點進行編號，利用頂點、邊、面之間的相鄰關(guān)系建立起面表、邊表、頂點表，從而獲得紗線的基本三維輪廓圖，如圖1所示。而對于緯向紗線，也可以利用同樣的方法獲得。
3 光照模型與紗線的填充
人能夠看見某個物體，是由于該物體本身發(fā)出的光線或者從物體表面反射的光線進入了人眼，當(dāng)光線照射到物體表面上時，可能被吸收、反射或者透射，從物體表面反射出來的光線的強度取決于光源的位置、光強、物體的材質(zhì)、表面法向量和視點的位置，光照模型主要用于物體表面某個分割頂點處光亮度的計算。平常觀察織物或者黑板時，人們一般采用平行光源，但也可采用特別的光源或者幾種光源的組合。對于紗線這一物質(zhì)，通常具有較強的漫反射、較低的鏡面反射和透射性能，這些均可以通過計算機圖形學(xué)的方法定義光源和紗線的材質(zhì)，由于組成紗線的各個小面的法向量不同，光線照射會產(chǎn)生不同的明暗色調(diào)。根據(jù)光照模型，某點處的光亮度為
I=kα×Iα+f×kd×Il×(N×L)+f×ks×Il×(N×H) n
……公式（2）
其中，Il為某點處入射光的光亮度，kd為物體表面的漫反射率，Iα為入射光的環(huán)境光強，kα為物體表面的漫反射系數(shù)，ks為物體表面的鏡面反射率，N為物體表面反射點的法向量，L為被照亮點到視點的單位向量，H為被照亮點指向光源和指向視點的2個向量之和的單位向量，f為光線的衰減系數(shù)，與光源到物體之間的距離d有關(guān)，計算公式為：
f=1/(C0+C1×d+C2×d 2) ……公式（3）
通過光照模型的計算，就可以確定紗線小面各個頂點處的光亮度值即色彩值，在計算機中，一般采用RGB表示方法，而對于整個紗線的實體填充可以采用帶光滑處理的Gouraud明暗填充算法，這種方法可以將紗線表面上各個頂點的光亮度值進行線性差值來擴充至各個小面內(nèi)的所有點，每個小面的光亮度值沿著公共邊與其他小面相連接，消除了平面繪制中的光強度不連續(xù)的現(xiàn)象。
對于紗線這一細小的物體，直徑在不斷的發(fā)生變化，在紗線圖形表面，很容易產(chǎn)生鋸齒，給人以不真實的感覺，此時，我們稱生成的圖形產(chǎn)生了走樣，通過數(shù)字采樣的方法繪制的圖形均會產(chǎn)生不同的走樣，必須在繪制圖形時進行相應(yīng)的反走樣處理，使生成的紗線圖形具有更強的真實感，在系統(tǒng)開發(fā)時，我們采用了先進的累積緩存技術(shù)，通過多次繪制同一圖樣消除了鋸齒，利用該方法，也實現(xiàn)了紗線在屏幕上的1:1顯示，從而為將織物仿真系統(tǒng)推向?qū)嵱玫慕嵌却蛳禄A(chǔ)。
4 織物的生成
利用紗線產(chǎn)生的織物最常見的是機織物，緯紗與經(jīng)紗相交時在三維坐標(biāo)系中表現(xiàn)為紗線分割小面上z坐標(biāo)上下有規(guī)律的變化，并且需要判斷經(jīng)緯紗的相互遮擋，當(dāng)不同面片上的點投射至屏幕上的同一點時，只有離視點最近的點才是該點的最終屬性，對觀察者可見。實現(xiàn)可見點的判斷可以借助于著名的z-buffer算法。
為實現(xiàn)z-buffer算法，需要設(shè)置顏色緩沖區(qū)和深度緩沖區(qū)，同時對經(jīng)紗和緯紗的分割小面頂點處的z坐標(biāo)作周期性的變化，實現(xiàn)經(jīng)緯穿越和織物表面色澤的變化。
5 實際應(yīng)用情況
織物仿真系統(tǒng)是利用計算機的方法來模擬未來的織物效果，對織物仿真系統(tǒng)的基本要求就是它能客觀地反映現(xiàn)實中織物的質(zhì)量狀況而不能添加任何的人為成分，本文所研究的織物仿真系統(tǒng)，采用了先進的三維圖形技術(shù)，從人類觀察自然的原理出發(fā)，模擬的織物效果更加接近自然，這些是當(dāng)前的二維織物仿真系統(tǒng)所無法比擬的。在系統(tǒng)設(shè)計中，我們利用三維圖形技術(shù)，開發(fā)出了電子黑板系統(tǒng)、紗線模擬系統(tǒng)，織物模擬系統(tǒng)，織物模擬系統(tǒng)又分為針織物和機織物，并能對織物的組織結(jié)構(gòu)進行自行編輯。
本系統(tǒng)可以配套于基于光電檢測的CT1000紗線外觀測試分析儀和帶有光電檢測單元的CT3000條干均勻度測試分析儀。為了證實模擬織物的真實性，我們連同整機一起在紡織廠進行了近6個月的跟蹤試驗，將模擬的機織物和針織物的效果和實際的織物相對比，發(fā)現(xiàn)二者基本相符，可以協(xié)助紡織企業(yè)進行紗線和織物的質(zhì)量控制，節(jié)省試織所帶來的各種花費，隨系統(tǒng)配套的電子黑板系統(tǒng)也能很容易地發(fā)現(xiàn)紗線中存在的周期性質(zhì)量不勻和較大疵點，
