電容式條干均勻度指標如CVm%值、紗疵、波譜圖等是評價(jià)紗線(xiàn)質(zhì)量的重要性能指標，并已經(jīng)成為世界標準，為各國的紡織行業(yè)所認可，然而，在實(shí)際使用中，我們發(fā)現，這些指標并不能完全反映紗線(xiàn)的質(zhì)量狀況，比如借助于電容式條干均勻度儀，用戶(hù)可以知道某段紗線(xiàn)上存在多少個(gè)疵點(diǎn)，卻無(wú)法構思這些疵點(diǎn)的具體形態(tài)以及會(huì )對未來(lái)的織物造成何種影響。與數據相比，圖形總是能給人以更加直觀(guān)、更加形象的感覺(jué)，以圖形技術(shù)為基礎的織物仿真系統能夠在紗線(xiàn)和織物之間建立起更為緊密的聯(lián)系，已經(jīng)成為紗線(xiàn)質(zhì)量控制方面一項重要的研究課題。

1  織物仿真系統的發(fā)展與現狀
　　與傳統電容式條干儀的檢測原理不同，織物仿真系統所使用的采樣數據均是采用光電檢測的方法檢測紗線(xiàn)外觀(guān)直徑的變化，而不是紗線(xiàn)的質(zhì)量變化。利用外觀(guān)直徑數據繪制的紗線(xiàn)輪廓與實(shí)際的紗線(xiàn)相一致，使形成的織物與被測試的紗線(xiàn)之間存在很好的相關(guān)性。
　　織物仿真系統作為一個(gè)新的研究方向，它的發(fā)展備受關(guān)注，國際上的一些著(zhù)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，主要表現在：（1）現存的織物仿真系統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(lái)表示織物的三維幾何結構，或者用二維的灰度變化來(lái)模擬紗線(xiàn)的立體效果，缺乏真實(shí)感；（2）由于紗線(xiàn)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，現存的織物仿真系統大多無(wú)法在顯示器上顯示紗線(xiàn)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(méi)有采用鋸齒消除算法，利用數字采樣技術(shù)然后在屏幕上進(jìn)行紗線(xiàn)的繪制通常會(huì )引起圖形的走樣，與實(shí)際的紗線(xiàn)效果存在較大的區別，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，現存的織物仿真系統只開(kāi)發(fā)了一些基本的模板，缺乏靈活性，不能適用所有的用戶(hù)；（5）由于國外公司開(kāi)發(fā)的織物仿真系統往往采用國外的標準，很難在國內企業(yè)中進(jìn)行實(shí)際的應用。
　　當前織物仿真系統中存在的缺陷嚴重限制了該系統的實(shí)際應用，這些缺陷是二維圖形技術(shù)所無(wú)法避免的，必須采用新的技術(shù)來(lái)對織物仿真系統作進(jìn)一步的研究。近年來(lái)，計算機圖形技術(shù)尤其是三維圖形技術(shù)發(fā)展迅速，并取得了廣泛的應用，它從人們觀(guān)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)世界的各項算法，能夠逼真的再現自然界的場(chǎng)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，并對該系統進(jìn)行研究與探討。

2  紗線(xiàn)模型的構造
　　織物仿真系統的關(guān)鍵在于紗線(xiàn)模型的構建，在三維圖形系統中，任何復雜的物體均可通過(guò)表面分割技術(shù)轉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(guò)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(xiàn)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為對紗段內部分割的面片數，K為儀器的采樣頻率，S為跑紗速度， D為紗線(xiàn)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，α為放大倍數。
　　得到各分割頂點(diǎn)后，可以對頂點(diǎn)進(jìn)行編號，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(xiàn)的基本三維輪廓圖，如圖1所示。而對于緯向紗線(xiàn)，也可以利用同樣的方法獲得。

3  光照模型與紗線(xiàn)的填充
　　人能夠看見(jiàn)某個(gè)物體，是由于該物體本身發(fā)出的光線(xiàn)或者從物體表面反射的光線(xiàn)進(jìn)入了人眼，當光線(xiàn)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(lái)的光線(xiàn)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(diǎn)的位置，光照模型主要用于物體表面某個(gè)分割頂點(diǎn)處光亮度的計算。平常觀(guān)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(xiàn)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(guò)計算機圖形學(xué)的方法定義光源和紗線(xiàn)的材質(zhì)，由于組成紗線(xiàn)的各個(gè)小面的法向量不同，光線(xiàn)照射會(huì )產(chǎn)生不同的明暗色調。根據光照模型，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，kα為物體表面的漫反射系數，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(xiàn)的衰減系數，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(guò)光照模型的計算，就可以確定紗線(xiàn)小面各個(gè)頂點(diǎn)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(gè)紗線(xiàn)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(xiàn)表面上各個(gè)頂點(diǎn)的光亮度值進(jìn)行線(xiàn)性差值來(lái)擴充至各個(gè)小面內的所有點(diǎn)，每個(gè)小面的光亮度值沿著(zhù)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的現象。
　　對于紗線(xiàn)這一細小的物體，直徑在不斷的發(fā)生變化，在紗線(xiàn)圖形表面，很容易產(chǎn)生鋸齒，給人以不真實(shí)的感覺(jué)，此時(shí)，我們稱(chēng)生成的圖形產(chǎn)生了走樣，通過(guò)數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)行相應的反走樣處理，使生成的紗線(xiàn)圖形具有更強的真實(shí)感，在系統開(kāi)發(fā)時(shí)，我們采用了先進(jìn)的累積緩存技術(shù)，通過(guò)多次繪制同一圖樣消除了鋸齒，利用該方法，也實(shí)現了紗線(xiàn)在屏幕上的1:1顯示，從而為將織物仿真系統推向實(shí)用的角度打下基礎。

4  織物的生成
　　利用紗線(xiàn)產(chǎn)生的織物最常見(jiàn)的是機織物，緯紗與經(jīng)紗相交時(shí)在三維坐標系中表現為紗線(xiàn)分割小面上z坐標上下有規律的變化，并且需要判斷經(jīng)緯紗的相互遮擋，當不同面片上的點(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(guān)察者可見(jiàn)。實(shí)現可見(jiàn)點(diǎn)的判斷可以借助于著(zhù)名的z-buffer算法。
　　為實(shí)現z-buffer算法，需要設置顏色緩沖區和深度緩沖區，同時(shí)對經(jīng)紗和緯紗的分割小面頂點(diǎn)處的z坐標作周期性的變化，實(shí)現經(jīng)緯穿越和織物表面色澤的變化。

5  實(shí)際應用情況
　　織物仿真系統是利用計算機的方法來(lái)模擬未來(lái)的織物效果，對織物仿真系統的基本要求就是它能客觀(guān)地反映現實(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，采用了先進(jìn)的三維圖形技術(shù)，從人類(lèi)觀(guān)察自然的原理出發(fā)，模擬的織物效果更加接近自然，這些是當前的二維織物仿真系統所無(wú)法比擬的。在系統設計中，我們利用三維圖形技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了電子黑板系統、紗線(xiàn)模擬系統，織物模擬系統，織物模擬系統又分為針織物和機織物，并能對織物的組織結構進(jìn)行自行編輯。

    本系統可以配套于基于光電檢測的CT1000紗線(xiàn)外觀(guān)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，我們連同整機一起在紡織廠(chǎng)進(jìn)行了近6個(gè)月的跟蹤試驗，將模擬的機織物和針織物的效果和實(shí)際的織物相對比，發(fā)現二者基本相符，可以協(xié)助紡織企業(yè)進(jìn)行紗線(xiàn)和織物的質(zhì)量控制，節省試織所帶來(lái)的各種花費，隨系統配套的電子黑板系統也能很容易地發(fā)現紗線(xiàn)中存在的周期性質(zhì)量不勻和較大疵點(diǎn)，