一种针织成形产品的三维设计仿真系统与方法与流程

本发明涉及一种针织成形产品的三维设计仿真系统与方法，属于针织产品仿真技术领域。

背景技术：

针织技术的发展引导针织产品不断推陈出新，原料浪费小、贴体舒适等特点使针织成形类产品受到广大企业和消费者的青睐。针织成形产品种类繁多，集舒适、贴体、时尚、变化于一体的针织成形产品日益满足人们对时尚细腻花型图案的追求，成形毛衫、无缝内衣、无缝连裤袜等服装市场需求量大。此外，针织技术已攻关针织成形过滤材料等产业用领域和人造血管等医用领域，针织成形产品的应用范围和发展前景广阔。

随着计算机时代的发展，针织类计算机辅助设计系统利用计算机及图形处理设备进行设计工作可以有效提高设计效率，缩短产品开发周期。目前市面上已有德国stoll公司开发的花型设计软件m1plus和日本shimaseiki公司开发的sds-oneapex等横编cad系统，mayer&cie和terrot开发的纬编cad系统以及江南大学研发的wkcad2.0经编cad系统。为了进一步缩短产品生产周期，减少打样与返工时间，计算机辅助设计系统已不局限于针织物的快速设计，针织物的仿真研究成为科学研究热点，且逐渐得到发展和应用。

然而，针对针织成形类产品的计算机辅助设计与仿真的研究内容和技术发明不多，且多为花型设计与二维仿真(如上所述的市面上已有的cad系统)，无法直观地查看花型设计效果和针织产品的应用效果，并对设计进行快速修正，从而无法实现快速设计与生产。因此，需要一个满足花型设计、三维仿真、三维虚拟展示以及三维设计为一体的针织成形产品三维设计仿真系统以提高企业生产效率和满足高端定制需求。

技术实现要素：

为了解决目前存在的问题，本发明提供了一种针织成形产品的三维设计仿真系统，所述系统包括：

织物组织库模块、纱线纹理库模块、产品模型库模块、参数设置模块、工艺编织图模块、三维仿真模块和三维虚拟展示模块；

所述系统通过参数设置模块设置织物组织库模块、纱线纹理库模块、产品模型库模块中对应的织物组织、纹理及模型的参数；所述系统根据工艺编织图模块中的工艺编织数学模型在相应空间坐标位置生成线圈，建立三维矩阵s描述三维仿真结构，将纱线纹理库模块中设计的纱线纹理通过粒子系统模型的方法赋予线圈或组织表面，得到针织成形产品的三维仿真图。

可选的，所述织物组织库模块分为纬编织物组织库和经编织物组织库，用于存储和选择针织基本组织、针织变化组织、花色组织及自行定义的新的组织；各种织物组织的组织数学模型以二维矩阵tmn表示：

m取值为1和2，取值1和2分别表示纬编织物组织库和经编织物组织库，n表示各组织库中相应代号的组织；w和h分别表示该组织的宽度和高度，ti,j为织物组织库模块中第i列第j行的线圈类型代号。

可选的，所述工艺编织图模块用于根据设置的编织图宽度高度显示工艺编织图；所述工艺编织图模块中建立了工艺编织数学模型二维矩阵k：

w和h分别表示编织图的宽度和高度，ki,j为工艺编织图模块中第i列第j行的线圈类型代号。

可选的，所述工艺编织图以矩形呈现，非花型区域填充线圈类型不织进行区分，以实现对针织成形产品的整体花型设计。

可选的，所述三维仿真模块用于显示织物三维仿真图，所述三维仿真图是根据工艺编织数学模型在相应空间坐标位置生成线圈，建立三维矩阵s描述三维仿真结构信息，所述三维矩阵s为：

其中，表示第i列第j行线圈型值点代号为ki,j的线圈空间型值点坐标。

可选的，所述产品模型库模块通过使用模型设计软件建立各类产品原始模型并导出相应的obj文件，所述obj文件中包含产品模型的纹理坐标和尺寸数据。

本发明还提供一种针织成形产品的三维设计仿真方法，所述方法采用上述针织成形产品的三维设计仿真系统进行仿真，所述方法包括：

根据工艺编织图模块中的工艺编织数学模型在相应空间坐标位置生成线圈，建立三维矩阵s描述三维仿真结构，将纱线纹理库模块中设计的纱线纹理通过粒子系统模型的方法赋予线圈或组织表面，得到针织成形产品的三维仿真图。

可选的，所述针织成形产品的三维设计仿真系统中纱线纹理库的建立方法包括：

扫描真实纱线：将各种纱线用扫描仪在黑色和白色背景下进行扫描，提取黑白两色背景下的真实纱线纹理，输入并保存相应纱线真实数据，所述纱线真实数据包括纱线名称、成分、细度、纱线股数和捻度；

制作虚拟纱线：将获取到的扫描纱线根据纱线类别进行分类，得出不同类别的纱线的规律后生成具有虚拟纹理、粗细、捻度的虚拟纱线；

纱线真实感模拟：在虚拟纱线的基础上，对虚拟纱线的颜色、细度、毛羽长度、捻度进行二次设计和模拟，通过空间内的粒子系统模型生成符合需求的纱线真实感纹理。

可选的，所述方法包括：

步骤一：建立初始花型；

步骤二：确定需要展示的产品模型；

步骤三：根据产品模型设置工艺编织图的宽度高度、产品模型的尺寸、织物横纵密及穿纱信息；所述工艺编织图始终以矩形呈现，且编织图宽度为产品模型的最大宽度，编织图高度为产品模型的最大高度；

步骤四：选择需要的组织，将选择的组织填充到指定区域；

步骤五：选择接近于实际上机织造时采用的纱线纹理和原料，输入原料的参数信息，所述参数信息包括种类、颜色、粗细，设计毛羽和捻度；

步骤六：通过空间内的粒子系统模型将纱线纹理、毛羽和捻度反映在织物三维仿真模块和三维虚拟展示模块中，分别生成织物三维仿真结构图和三维产品模型展示图。

可选的，所述方法还包括：

在需要改变三维仿真结构图中的组织结构、纹理进行更改时，从织物组织模块库中选择相应组织进行指定区域的组织替换，系统将修改后的三维仿真图作为纹理1:1定位映射于无袖成形毛衫模型表面实时显示。

本发明有益效果是：

1.本发明的设计仿真系统具有织物组织库、产品模型库和纱线纹理库，织物组织库和产品模型库可以实现对组织和模型的快速调用，并可以自己设计定义后存储新的织物组织，也可以对导入新的模型并对模型尺寸进行修改。纱线纹理库可导入扫描后的纱线纹理，并对原料参数进行设计，利用粒子系统模型赋予织物三维仿真外观真实感。

2.本发明的设计仿真系统针对针织成形产品，设计仿真方法与现有技术不同，设计时不是局部设计，而是对整个成形织物花型区域进行设计，工艺编织图以矩形呈现，非花型区域填充线圈类型不织(线圈代号0)进行区分，实现对针织成形产品的整体花型快速设计。

3.本发明的三维仿真结构图经过对工艺编织图的识别，只仿真出花型区域，三维仿真和三维虚拟展示同步显示，且可在三维状态下对仿真结构进行设计与修改，实时查看直至达到满意的虚拟展示效果，解决了现有辅助设计系统中仿真与展示不能联动，设计依旧停留在二维层面的问题，从而实现真正意义上的三维设计与仿真。

4.本发明的三维虚拟展示图是由系统生成的三维仿真结构图作为纹理1:1定位映射于产品模型表面，与现有技术中四方连续映射不同，本方法设计的花型位置更具有绝对性，更能精确模拟最终成形产品的花型效果，可进一步满足消费者对花型样式的需求，提升消费者的满意度。

5.本发明利用云计算技术的并行计算技术，采用mapreduce编程模式，将任务自动分成多个子任务，通过map和reduce两步实现任务在大规模计算节点中的调度与分配，使用云计算弹性可扩展的能力为针织物大花型三维快速仿真与实时展示的实现提供新方法。

6.与现有技术中工艺编织图信息单向生成仿真图不同，本发明的设计仿真系统在三维仿真模块中对组织结构进行修改确定后，可逆向输出工艺编织信息数据后导出上机文件进行编织，根据实时虚拟展示效果实现三维设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的针织成形产品的三维设计仿真系统的整体架构图。

图2是本发明一个实施例提供的针织成形产品的三维设计仿真系统的关系结构图。

图3是本发明一个实施例提供的针织成形产品的三维设计仿真方法的流程图。

图4是本发明一个实施例中无袖成形毛衫设计与仿真的工艺编织示意图。

图5是本发明一个实施例中无袖成形毛衫设计与仿真的三维仿真结构图。

图6是本发明一个实施例中无袖成形毛衫设计与仿真的三维虚拟展示图，依次为正视图、右侧视图和左侧试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种针织成形产品的三维设计仿真系统，参见图1，所述系统包括：

织物组织库模块、纱线纹理库模块、产品模型库模块、参数设置模块、工艺编织图模块、三维仿真模块和三维虚拟展示模块；

其中，织物组织库模块用于存储和选择针织基本组织、针织变化组织和花色组织，分为纬编织物组织库和经编织物组织库。针织基本组织分为纬编基本组织和经编基本组织；纬编基本组织包括纬平针组织、罗纹组织、棉毛组织、双反面组织等，经编基本组织包括编链组织、经平组织、经缎组织、重经组织等。针织变化组织为针织基本组织的相互组合。花色组织同样分为纬编花色组织和经编花色组织，纬编花色组织包括提花组织、集圈组织、添纱组织、衬垫组织、移圈组织等，经编花色组织包括缺垫组织、衬纬组织、压纱组织、贾卡组织、缺压组织等。

如图2所示，用户通过参数设置模块设置织物组织库模块、纱线纹理库模块、产品模型库模块中对应的织物组织、纹理及模型的参数，以便三维仿真模块进行仿真时根据对应的参数选择相应的织物组织、纹理及模型，同时，三维仿真模块与工艺编织图模块、三维虚拟展示模块相连，工艺编织图模块中的工艺编织数学模型在相应空间坐标位置生成线圈，建立三维矩阵s描述三维仿真结构，将纱线纹理库模块中设计的纱线纹理通过粒子系统模型的方法赋予线圈或组织表面，得到针织成形产品的三维仿真图，然后通过三维虚拟展示模块将针织成形产品的三维仿真图进行展示，使用户直观看到虚拟展示效果，若某些地方不满足设计要求，可直接通过参数设置模块进行相应参数的修改，直至得到满意的设计效果。

织物组织库的建立通过自定义并存储上述针织基本组织、针织变化组织和花色组织，并建立各种织物组织的组织数学模型，以二维矩阵tmn表示。同时可以根据需要通过组织设计自行定义新的组织并存储于相应织物组织库中，方便后续调用。

二维矩阵tmn为：

式中：m取值为1和2，取值1和2分别表示纬编织物组织库和经编织物组织库，n取值为1,2,3……，表示各组织库中相应代号的组织，如t11表示纬编织物组织库中的1号组织的组织数学模型。w和h分别表示该组织的宽度和高度，ti,j为织物组织库模块中第i列第j行的线圈类型代号。

纱线纹理库模块，用于存储和选择各类扫描后的纱线，包括短纤纱、化纤长丝、花式纱等。可对使用原料的种类、颜色、细度、毛羽、捻度等进行设计，这些设计均会影响织物三维仿真效果。

纱线纹理库的建立主要包括扫描真实纱线、制作虚拟纱线和纱线真实感模拟三大步骤。扫描真实纱线是将常用细度的短纤纱、长丝纱、花式纱等用扫描仪在黑色和白色背景下进行扫描，提取黑白两色背景下的真实纱线纹理，输入并保存相应纱线真实数据如纱线名称成分、细度、纱线股数、捻度等。制作虚拟纱线是将获取到的扫描纱线根据纱线类别进行分类，总结出相应纱线规律后生成具有一定虚拟纹理、粗细、捻度的虚拟纱线。纱线真实感模拟是在虚拟纱线的基础上，对该虚拟纱线的颜色、细度、毛羽长度、捻度等进行二次设计和模拟，通过空间内的粒子系统模型生成符合需求的纱线真实感纹理。

产品模型库模块，用于存储和选择各类成形产品模型，包括成形毛衫模型、无缝内衣模型、无缝连裤袜模型、成形鞋面、成形护膝护腕模型等服装模型、针织双轴向过滤网筒状模型等产业用模型、人造血管等医用模型等等。

产品模型库主要通过使用其他的模型设计软件如3dmax、3dclo等建立各类产品原始模型并导出相应的obj文件，该obj文件中包含产品模型的纹理坐标、尺寸数据等信息，本发明的三维设计仿真系统可以导入读取obj文件类型并识别相应信息，可通过修改原始模型的尺寸数据获取目标尺寸的产品模型。

参数设置模块，用于对工艺编织图的宽度高度、产品模型的尺寸、织物横纵密、织物穿纱等信息进行设置。

工艺编织图模块，用于根据设置的编织图宽度高度显示工艺编织图，为了便于使用织物组织库中的组织实现工艺编织图的设计和三维仿真，建立了工艺编织数学模型二维矩阵k。可通过鼠标左键选择线圈类型替换当前位置的线圈类型，还可在织物组织库模块中选择需要的组织进行指定区域内组织平铺填充，也可进行指定区域移动、镜像复制粘贴等操作。

式中：w和h分别表示编织图的宽度和高度，ki,j为工艺编织图模块中第i列第j行的线圈类型代号。

三维仿真模块，用于显示织物三维仿真图，所述的三维仿真图是根据上述工艺编织数学模型在相应空间坐标位置生成线圈，建立三维矩阵s描述三维仿真结构信息。在三维仿真中，线圈与线圈之间左右相连、上下串套，并将纱线纹理库中设计的纱线纹理通过粒子系统模型的方法赋予线圈或组织表面，可模拟织物真实感外观。

其中，表示第i列第j行线圈型值点代号为ki,j的线圈空间型值点坐标。

所述的三维仿真可通过鼠标右键控制仿真图360°旋转，在三维仿真过程中，可以对织物组织和纱线纹理进行修改。在三维仿真组织结构图修改的过程中，可通过鼠标左键选择线圈类型替换三维仿真图当前位置的线圈类型，系统会识别并读取鼠标左键选择的线圈类型代号，判断三维仿真图上目标修改位置的坐标位于三维仿真结构模型矩阵中的i列和j行，使用新的线圈空间型值点坐标替换(k’i,j表示新的线圈类型，ki,j表示之前的线圈类型)，并重新根据三维仿真结构模型和纱线纹理信息绘制三维仿真图。

在纱线纹理库中重新制作设计符合实际需求的纱线纹理，在参数设置模块中输入穿纱信息，可根据穿纱信息将设置的纱线纹理通过空间内的粒子系统模型映射至三维仿真结构图表面，从而增强织物的真实感。

三维仿真中采用弹簧-质点模型，可以丰富地表达出布料的褶皱变形等细节特性，可极大提高仿真效果的真实性。使用云计算独立计算每个质点的受力，在mapreduce中将每个质点均划分成片，通过并行计算处理每个质点的受力计算、数值求解和碰撞检测与响应，在asp.net(后台)将花型数据进行分割，并将数据传送至hadoop平台下hdfs中保存，使用mapreduce模型对分割的数据进行并行计算。对弹簧-质点模型中拉伸模型由于每个质点收到相邻质点的关联较大，采用并行计算时由于增加了服务之间的通信，计算时间并没有减少，拉伸过程作为整体计算。织物仿真中利用弹簧-质点模型完成织物的变形后，织物中每个质点的位置以及每个线圈的形态，在此基础上使用粒子系统对纱线进行模拟，每个线圈可分开计算，对每个线圈进行分割，使用并行计算处理粒子系统对纱线的模拟。最后完成所有云计算后返回织物中粒子的坐标、亮度、大小和颜色，将结果以文件的方式传到前台，使用webgl进行渲染得到织物三维仿真效果。

三维虚拟展示模块，用于显示三维虚拟展示模型，所述的三维虚拟展示模型是由上述产品模块库中选择的，可在参数设置模块中对模型尺寸进行修改，采用纹理映射的方法将三维仿真图以1:1的比例映射在模型上，可通过鼠标左键控制模型360°旋转，用户能够进行全方位查看。

实施例二

本实施例提供一种针织成形产品的三维设计仿真方法，采用实施例一所给出的针织成形产品的三维设计与仿真系统进行仿真，所述方法包括：

s1、用户登录界面后新建花型，选择不同机型、机号、针床配置，输入花宽、花高等参数信息，建立一个初始花型；

系统会根据用户选择的机型、针床配置自动生成一个初始组织。单面机的针床配置为无，初始组织为纬平针组织；双面机的针床配置分为罗纹配置和棉毛配置，初始组织分别为罗纹组织和棉毛组织。

s2、用户新建花型后进入工艺编织图模块，在对该模块进行设计之前，用户需要在产品模型库中选择需要展示的产品模型；

用户可使用3d模型制作软件制作所需的模型并导入系统存储于产品模型库模块中，方便后续调用。产品模型库中的模型尺寸均可更改，可适用于不同规格服装和不同体型的人体。

s3、用户在参数设置模块中，根据选择的产品模型对工艺编织图的宽度高度、产品模型的尺寸、织物横纵密、穿纱信息等参数进行设置；

由于产品模型各个位置的尺寸不一，所以本申请系统中工艺编织图始终以矩形呈现，且编织图宽度为产品模型的最大宽度，编织图高度为产品模型的最大高度。

s4、用户在工艺编织图模块中，可点选线圈图元粘贴于指定位置，也可以在织物组织库模块中选择需要的组织，将选择的组织填充到指定区域，可进行指定区域移动、镜像复制粘贴等操作，完成织物工艺编织图初步设计；

用户可以根据需要自行设计并定义新的组织存储于织物组织库中，方便后续调用。在变尺寸模型的编织图设计中，多余宽度或高度的编织图区域以指定的线圈代号0表示。

s5、用户在纱线纹理库模块中选择接近于实际上机织造时采用的纱线纹理和原料，输入原料种类、颜色、粗细，设计毛羽、捻度等参数信息；

通过空间内的粒子系统模型将纱线纹理、毛羽、捻度等信息反映在织物三维仿真图上和三维虚拟展示图上，体现织物和纱线真实感。

s6、用户点击仿真按钮，系统会根据工艺编织信息同步生成织物三维仿真结构图和三维产品模型展示图，三维仿真模块和三维虚拟展示模块在系统界面中同时显示；

由于线圈数量较多，计算量较大，系统应用云计算技术，使用mapreduce模型进行并行运算，分析云计算中并行计算的数据分割与任务划分特点，根据针织物仿真与展示的特点对数据进行分割，将计算任务分配在云平台的多个节点上，在平台中实现针织三维仿真与虚拟展示的快速运算与图形交互。织物三维仿真结构图以纹理图的形式1:1保存在canvas画布中，将该画布上的内容作为纹理1:1映射到三维虚拟展示的产品模型表面，且三维仿真结构图和三维虚拟展示图均可360°旋转，用户可全方位查看设计效果。

s7、用户在三维仿真模块中，根据三维虚拟展示模块中展示的实时效果，可以使用鼠标点选线圈类型对三维仿真结构图当前位置的线圈结构进行修改，也可以在织物组织模块库中选择组织对三维仿真结构图的指定区域进行组织替换，直至达到满意的虚拟展示效果；

三维仿真结构图一旦修改，系统会采用定位纹理映射的方法，立即将所述三维仿真图作为纹理1:1定位映射于产品模型表面，达到真正意义上的针织产品三维设计。

s8、用户根据最终设计修改后的三维仿真结构信息，逆向输出工艺编织信息数据，生成并导出上机文件，上机织造得到与虚拟展示模块中相似的成品。

工艺编织信息和三维仿真结构信息可相互转换，三维仿真结构图只能单向生成三维虚拟展示纹理图进行展示。

实施例三

本实施例提供一种针织成形产品的三维设计仿真方法的实际案例，以无袖成形毛衫为例，采用实施例一所给出的针织成形产品的三维设计与仿真系统进行仿真，按照实施例二所述的方法进行设计仿真，具体的：

s1、用户登录针织成形产品设计与仿真系统，新建花型，选择机型为stoll的cms530[0]，机器宽度为1270mm，机号为7.2针/inch，针距为1.81mm，输入初始花宽100纵行，初始化高100纵行。参数信息输入完成后，系统会根据选择的机型、针床配置自动生成一个初始组织。本实施例中的机型为双面机、针床配置为棉毛配置，得到初始组织为棉毛组织。

s2、用户根据产品需要，在产品模型库中选择产品模型，本实施例中选择的是无袖成形毛衫服装模型。

s3、用户在参数设置模块中，根据人体实际尺寸修正产品模型的尺寸，本实施例中无袖成形毛衫服装模型二维尺寸为衣长570mm、下摆宽410mm、腰围390mm、胸围420mm、肩宽350mm、领深150mm、落肩35mm、挂肩200mm；织物纵密为58纵行/10cm，横密为44横列/10cm；根据以上参数信息得到新的工艺宽度约为244×2＝488纵行、工艺高度约为251横列，重新绘制初始组织。

s4、用户在工艺编织图模块中，可使用鼠标左键点选线圈图元粘贴于指定位置，也可以在织物组织库模块中选择需要的组织，将选择的组织填充到指定区域，可进行指定区域移动、镜像复制粘贴等操作，完成织物工艺编织图初步设计。对于一些常用但是织物组织库模块中没有的组织，可自行设计并定义新的组织存储于织物组织库中，方便后续调用。由于本实施例中的无袖成形毛衫的各个部位尺寸不一，属于变尺寸模型，因此在编织图设计中，多余部分的编织图区域以指定的线圈类型“不织”(线圈代号为0)填充表示。

如图3中工艺编织示意图中所示，区域1为花型编织区域；区域2为不织区域，区域2部分将不参与三维仿真。

s5、用户在纱线纹理库中选择接近于实际上机织造时采用的纱线纹理和原料，本实施例中上机织造时使用的原料为蓝色和白色的30/2s羊毛，因此在纱线纹理库中选择双股毛纱纹理，输入颜色、纱线细度，纱线纹理可根据输入颜色生成新颜色纱线纹理，设置毛羽为短毛羽，捻向为s捻，捻度为180捻/m，系统通过空间内的粒子系统模型将纱线纹理、毛羽、捻度等信息反映在织物三维仿真图上和三维虚拟展示图上，体现织物和纱线真实感。

s6、用户点击仿真图按钮，系统应用云计算技术，使用mapreduce模型进行并行运算，分析云计算中并行计算的数据分割与任务划分特点，根据针织物仿真与展示的特点对数据进行分割，将计算任务分配在云平台的多个节点上，在平台中实现针织三维仿真和虚拟展示的快速运算与图形交互。如图3所示，系统根据工艺编织信息、纱线纹理信息、参数信息等通过云计算技术同步生成织物三维仿真结构图显示于三维仿真模块中，并将三维仿真结构图以纹理图的形式1:1保存在canvas画布中，将该画布上的内容作为纹理1:1定位映射到三维虚拟展示的无袖成形毛衫模型表面。系统界面中同时显示三维仿真模块(左侧)和三维虚拟展示模块(右侧)，且均可360°旋转，用户可全方位查看设计结果。

s7、用户根据系统界面右侧三维虚拟展示模块中展示的实时效果，可在界面左侧的三维仿真模块中使用鼠标点选线圈类型对三维仿真结构图当前位置的线圈结构进行修改，也可以在织物组织模块库中选择组织对三维仿真结构图的指定区域进行组织替换。三维仿真结构图一旦修改，会立即直接将修改后的三维仿真图作为纹理1:1定位映射于无袖成形毛衫模型表面实时显示，直至达到满意的虚拟展示效果，完成真正意义上的针织产品三维设计。

s8、用户根据最终设计修改后的三维仿真结构信息，可以逆向输出工艺编织信息数据，生成并导出上机文件，上机织造得到与虚拟展示模块中相似的无袖成形毛衫成品。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。