電容式條干均勻度指標(biāo)如CVm%值、紗疵、波譜圖等是評價(jià)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(rèn)可，然而，在實(shí)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(gè)疵點(diǎn)，卻無法構(gòu)思這些疵點(diǎn)的具體形態(tài)以及會(huì)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(xiàng)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(shí)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(gè)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(yàn)，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(shí)感；（2）由于紗線是極其細(xì)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(jī)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(jìn)行紗線的繪制通常會(huì)引起圖形的走樣，與實(shí)際的紗線效果存在較大的區(qū)別，并且會(huì)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(jìn)行實(shí)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(shí)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(jìn)一步的研究。近年來，計(jì)算機(jī)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(shí)世界的各項(xiàng)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(jìn)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(gè)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(diǎn)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(gè)圓柱進(jìn)行等分，并獲得每個(gè)分割頂點(diǎn)的坐標(biāo)和法向量計(jì)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(diǎn)處的法向量，x、y、z為分割頂點(diǎn)處的坐標(biāo)，α為放大倍數(shù)。
　　得到各分割頂點(diǎn)后，可以對頂點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，利用頂點(diǎn)、邊、面之間的相鄰關(guān)系建立起面表、邊表、頂點(diǎn)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(gè)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(jìn)入了人眼，當(dāng)光線照射到物體表面上時(shí)，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(qiáng)度取決于光源的位置、光強(qiáng)、物體的材質(zhì)、表面法向量和視點(diǎn)的位置，光照模型主要用于物體表面某個(gè)分割頂點(diǎn)處光亮度的計(jì)算。平常觀察織物或者黑板時(shí)，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(qiáng)的漫反射、較低的鏡面反射和透射性能，這些均可以通過計(jì)算機(jī)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(gè)小面的法向量不同，光線照射會(huì)產(chǎn)生不同的明暗色調(diào)。根據(jù)光照模型，某點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)，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(diǎn)的法向量，L為被照亮點(diǎn)到視點(diǎn)的單位向量，H為被照亮點(diǎn)指向光源和指向視點(diǎn)的2個(gè)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(jì)算公式為：
　　f=1/(C0+C1×d+C2×d 2)                    ……公式（3）
　　通過光照模型的計(jì)算，就可以確定紗線小面各個(gè)頂點(diǎn)處的光亮度值即色彩值，在計(jì)算機(jī)中，一般采用RGB表示方法，而對于整個(gè)紗線的實(shí)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(gè)頂點(diǎn)的光亮度值進(jìn)行線性差值來擴(kuò)充至各個(gè)小面內(nèi)的所有點(diǎn)，每個(gè)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(qiáng)度不連續(xù)的現(xiàn)象。
　　對于紗線這一細(xì)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(shí)的感覺，此時(shí)，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(huì)產(chǎn)生不同的走樣，必須在繪制圖形時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的反走樣處理，使生成的紗線圖形具有更強(qiáng)的真實(shí)感，在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，我們采用了先進(jìn)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(shí)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(jī)織物，緯紗與經(jīng)紗相交時(shí)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(diǎn)投射至屏幕上的同一點(diǎn)時(shí)，只有離視點(diǎn)最近的點(diǎn)才是該點(diǎn)的最終屬性，對觀察者可見。實(shí)現(xiàn)可見點(diǎn)的判斷可以借助于著名的z-buffer算法。
　　為實(shí)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(shí)對經(jīng)紗和緯紗的分割小面頂點(diǎn)處的z坐標(biāo)作周期性的變化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯穿越和織物表面色澤的變化。

5  實(shí)際應(yīng)用情況
　　織物仿真系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)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(shí)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(jìn)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(jì)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(jī)織物，并能對織物的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)模擬織物的真實(shí)性，我們連同整機(jī)一起在紡織廠進(jìn)行了近6個(gè)月的跟蹤試驗(yàn)，將模擬的機(jī)織物和針織物的效果和實(shí)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(jìn)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(fèi)，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(diǎn)，