基于WebGL的织物模拟展示系统开发

作者:周博文;张森林;樊臻; 刊名:轻工机械 上传者:朱丽红

【摘要】为了在计算机辅助设计(CAD)中实现织物模拟功能,设计了一个基于WebGL的织物模拟展示系统.通过K-means聚类算法提取光照影响下的真实织物组织结构;基于实际组织结构对织物图案进行二维效果模拟;利用二维模拟效果图进行区域划分,使用伪曲面网格模型结构,在基于WebGL的三维模拟中对应三维模型上的自定义区域,最后融合光照模型能模拟出织物在实际三维场景下的真实感模拟效果.模拟结果表明可以得到具有真实感的效果,实现了模拟效果的场景化.该系统可以很好的实现织物二维和三维模拟的结合,具有辅助设计的功能和较好的实用价值.

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随着计算机建模仿真技术和传统纺织行业飞速发展,纺织CAD得到很大的发展,也提高了纺织业的生产效率。[1]现在市面上很多纺织CAD软件都包含织物模拟仿真技术解决模块,其中大部分的解决方案都是基于纱线的数学模型去搭建二维模型架构。笔者提出了一种基于组织结构的二维模拟,借助WebGL技术和Three.js库实现三维场景模拟,通过web开发整套模拟系统,使用户更便捷的进行织物设计,加速产品的研发,增加产品的市场核心竞争力。系统是通过提取实际织物组织结构构建组织结构数据库,通过实际织物组织结果去实现织物的二维真实感模拟,基于WebGL的三维模拟构成的一套完整的织物模拟展示系统。[2]该系统将设计的织物样品更加真实完整的展示到实际三维场景中,能实现很好的辅助设计效果。1组织结构提取织物组织是指经纬线按一定的规律相互浮沉交织。[3]常见的织物组织主要有3种:平纹、斜纹和缎纹组织,如图1所示。图中组织结构都是基础的简单组织结构,实际织物组织更加丰富和复杂,很多织物模拟都是基于对纱线建模,通过经纬组织图模拟,得到最后的二维模拟图。但是这种模拟图一般会缺少随机性和真实感,文中采用的是基于实际组织结构去模拟二维模拟图,这图1常见织物组织Figure1Commonweavestructure样能保证随机性和真实感。所以通过分析织物扫描图来提取实际织物组织结构是非常必要的。在提取织物组织结构过程中,需要对实际的织物扫描图的扫描分辨率进行统一。为方便后期归一化,系统采用的分辨率为1000dpi。获取扫描图中的单一组织块区域,保存这个区域中的所有像素点的RGB值,通过对扫描图的经组织点和纬组织点的像素值进行颜色聚类,系统采用的是K-means聚类算法得到的织物组织结构。图2所示为实际织物扫描图。图2实际织物扫描图Figure2Actualfabricscans具体步骤:1)首先选取2个初始聚类点作为聚类中心点,记为1,2;2)计算剩余像素点P(m,n)与初始聚类中心1,2的色差,取最小色差C(i)=argminjP(m,n)-j2;式中:(m,n)表示图片中像素点对应的坐标位置;P(m,n)表示的是图片中(m,n)像素点的RGB值;j表示的是聚类中心的标号;j表示对应的第j个聚类中心。3)根据新的聚类区域重新计算新的聚类中心点,记为1',2';4)重复以上步骤,直到聚类中心点1,2不再变化,输出聚类结果。基于上述步骤,得到聚类的组织结构如图3(a)所示,可以看出效果不是很理想,与实际差别较大。分析聚类过程可知,由于采用的聚类数据是扫描图的像素点的RGB值,而扫描图由于有光照干扰,导致聚类效果不佳。在图像处理中,HSI颜色空间是一种人视觉系统感知彩色的方式,它的3个参数分别代表色调H、饱和度S和亮度I,是对RGB颜色空间的3个参数重新编码得到的新的颜色表示方式。[4]为了消除光照影响,系统采用HSI颜色空间,消除光照参数干扰,对经线和纬线重新聚类。RGB颜色空间转换到HSI颜色空间是非线性的过程,所以需要先对图片的噪声进行高斯滤波。[5]HSI颜色空间中亮度是单独隔离的参数I,所以聚类时可以排除亮度参数I的干扰得到真实组织结构如图3(b)所示。通过图2的实际扫描图,对比图3中的两个提取的组织结构图,可以看出图3(b)消除了扫描图中部分区域的光照影响,聚类效果更符合实际一些。采用图3(b)的组织结构去模拟织物会更有真实感。图3实际组织结构Figure3Structureactualweave2二维织物模拟纹理指的是物体表面的细节变现,是物体外观的一种表现形式。[6]借助纹理映射技

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