三维电子袜样生成技术与软件开发研究

摘要

针对袜企目前打样周期长、与袜品卖家沟通时间长等问题，探索对三维电子袜样的 仿真模拟技术及相关软件开发。本人以Pierce模型为基础，对纬编针织物单位线圈进行 建模，再对其组织结构进行分析研究，在Visual Studio环境下，使用VC++语言，借助 3dsmax工具实现了三维电子袜样的模拟。模拟结果很好地表现了纬编针织组织在空间中 的串套关系，同时直观展示了袜品的三维编织效果。主要完成了以下工作：

（1） 根据纬编织物成型机理和组织结构对袜品进行分析，提出三维电子袜样概念以 及对其生成技术的规划。

（2） 单位线圈的建立。通过对纬编针织物组织结构的分析，提取出单位线圈。对单 位线圈进行分析，确定其关键点，以及线圈路径，建立线圈实体模型。

（3） 通过分析研究袜品针织组织结构，找出不同组织结构线圈串套规律，从而拼接 形成织物组织结构。

（4） 三维电子袜样仿真模拟软件开发。借助Visual Studio2015平台和3D Studio Max 插件工具，完成了仿真系统的开发。该系统包括袜子设计模块、数据库模块、展示模块、 以及主界面设计。

（5） 通过实例运行操作检验软件的可操作性。

通过最终实验验证，本文提出的三维电子袜样生成软件能够有效解决袜企目前打样 寄送耗时长的问题，对袜品的三维仿真模拟是切实可行的。

关键词：工业设计；纬编针织物；三维仿真；软件开发

 

1绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.1纬编成型技术 2

2. 2纬编针织物组织结构 3

1.2.3纬编针织物几何模型 3

1.2.4纬编CAD研究现状 5

[1]2. 5织物毛绒感的模拟 6

1.3研究内容及论文组织结构 7

1.3.1研究内容 7

3. 2组织结构 7

2袜样模拟仿真技术及系统规划 11

1袜样模拟仿真技术 11

2.1. 1袜品成形机理 11

[2]1. 2袜品针织组织结构分析 12

1. 3 三维电子袜样概述 13

2.1.4电子袜样生成技术及步骤 14

2.2仿真系统规划 15

2. 1仿真系统目标 15

2. 2系统架构设计 16

3本章总结 16

3纬编针织组织结构仿真 19

1单位线圈几何模型 19

1. 1单位线圈几何模型 19

3.1.2线圈相关数值计算 21

2线圈实体的生成 22

3.3不同组织结构单位线圈表示 22

3. 1纬平针组织 22

[3]3. 2双反面组织 23

3.3. 3罗纹组织 24

4本章总结 24

电子袜样模拟仿真实现 27

4.1袜样织法素材的建模 27

i

4.2三维袜样的生成 28

[4]3渲染效果 30

4本章总结 30

电子袜样仿真软件系统 31

[5]1系统开发 31

5.1. 1 系统开发环境 31

1. 2系统界面的设计 31

5.2仿真模块的实现 33

5. 3展示模块的实现 33

5.4本章总结 37

6总结与展望 39

6.1全文总结 39

2不足与展望 39

致谢 41

参考文献 43

攻读学位期间主要研究成果 47

1绪论

1.1硏究背景与意义

袜子是我们日常必不可少的服饰用品之一，它虽然出镜率不高，却是有着保暖护脚 和装饰搭配双重属性的一个服饰单品。袜品行业经过多年的发展，在我国已经有了相当 大的规模。全球最大的袜子生产基地就是在中国的一个小镇——浙江省诸暨市大唐镇， 在这里一直有着“大唐袜机响，天下一双袜”的说法［1］。大唐镇的发展可以说是袜品行业 兴衰变化的一个缩影，40年前，大唐镇的人们“以袜起家”，那时候几乎家家户户都开始 生产袜子，这里的年轻人可以说是听着袜机的轰鸣声长大的。最开始，大家也只是“提篮 叫卖”，拎着自家生产的袜子沿街贩卖。后来家庭作坊开始兴起，再后来这些家庭作坊演 变成了许多大大小小的袜企，大唐镇的袜业就这样一步步地发展并形成规模。2004年， 这个小镇迎来了它的袜业发展“鼎盛期”。这一年，大唐镇的袜子年产量达到了 90亿双， 并以这个成绩取代了美国袜子名镇佩恩堡，摘得了“国际袜都”的桂冠［2］。但是，这种良好 的发展态势，大唐镇并未能一直保持下去，在“鼎盛期”之后，大唐镇的袜业发展经历了“萎 缩期”，如今又迎来了它的“瓶颈期”。大唐袜业的发展走的一直是传统产业发展道路，再 加上很多袜企是由家庭手工作坊演变而来，过去几十年，袜品产量得到提高，但是并未 提高核心竞争力。行业目前形成了产量“低小散”的产业格局，这一模式使得大唐袜业难 以壮大，同时，低廉劳动力、低端产品、低价竞争的“三低”传统路径也在严重制约着袜 业的发展DI。与此同时，劳动力紧缺、生产技术不足等问题日益突出。袜企急需转型升 级，生产模式智能化，生产格局先进化成为袜企生存发展的必然趋势。

目前，大唐镇的袜企多是OEM模式的生产盈利形式。OEM是Original Equipment Manufacture的缩写，意思是“原始设备制造商”，俗称代工生产［4］。改革开放初期，大量 跨国公司在我国投资，吸引这些跨国公司在华投资的因素有劳动力红利、自然资源廉价、 招商政策优厚，经济环境活跃，而这些因素也促成了 OEM企业的发展。这些企业短时 间是获得了不菲的利润，但其实，他们拿到的只是价值链低价值增值部分，高价值增值 部分则始终掌握在跨国企业手中。近年来，全球经济低迷，我国劳动力红利开始大幅下 降，原材料价格不断上涨，环境成本也逐渐变得高昂，这些变化使得跨国公司转而将目 光放在生产成本更低的国家和地区，这些地区开始成为他们新的制造基地。这样一来， 很多OEM企业开始丢失掉大量订单，整个代工行业都遭受了致命打击。要想继续生存 下去，这些袜企必须开始转型升级，寻求新的生存发展机会I5】。

危机带来改变，在袜品代工生产低迷的当下，浙江永新集团积极响应政府政策，在 推动自身企业发展的同时，也推动了大唐袜业的转型升级，而“三维电子袜样生成技术与 软件开发研究”这一课题也是永新集团打造“智汇园区”的其中一环。大唐袜业目前的盈利

主要通过电商渠道，电商将所需袜品实物寄送到生产企业手中，生产方会有一些有经验 的师傅绘制袜品的BMP图片，之后进行打样，将样品邮寄给电商，再得到相应的反馈。 这一过程耗时较长，也不能及时得到反馈对袜品打样进行调整。而本课题的研究，是通 过实物反求电子模型，三维电子袜样的生成可以让买家更快更方便地看到袜样，节省了 来回寄送的时间成本，缩短了打样时间，提高了生产效率。同时，这一课题研究对其他 纬编织物的三维仿真以及生成软件开发具有参考和借鉴意义。

1.2国内外研究现状

本课题的研究涉及到纬编织物的成形技术与组织结构、三维几何模型的建立、相关 CAD软件开发等领域。

1.2. 1纬编成型技术

袜子属于纬编针织物，纬编成形技术的成形方式可以分为3类，分别为：增加或减 少参与编织的针数，改变织物结构或不同组织结构组合，改变线圈长度。其中，袜机采 用的是改变线圈长度的方式。

钩针是完成袜子编织工作的主要工具，钩针的结构示意图如图1-1所示［6］。袜机工 作时，钩针先是被被抬高到一定的高度，这样她就可以勾住纱线，之后它在向下运动， 使得纱线可以脱离钩针。通过钩针上下的往复运动，纱线就会形成一个套一个的线圈， 从而编织成袜子［7］,如图1-2所示。因此，电子袜样的仿真需要以线圈为最小单元，将 线圈当作一个像素点进行拼接，从而得到一个完整的袜样。

 

 

图1-1钩针 来源：引用文献［6］

Fig.1-1 Crochet

2

 

 

图1-2线圈来源：引用文献[7]

Fig.1-2 Coil structure

 

1.2.2纬编针织物组织结构

纬编针织物的组织结构按照不同的区分标准有着多种种类。根据线圈脱圈时的不同 方向，可以分成正面线圈和反面线圈。根据正反面线圈在针织物表面的不同分布，又可 以分成单面针织物和双面针织物。而根据正反面线圈在针织物中所占的比例，纬编基本 组织也可以分成纬平针组织、罗纹组织、双反面组织和双罗纹组织这四种［8］。纬平针组 织由连续的线圈单元相互串套而成，其正面外观主要是线圈的圈柱，反面主要是线圈的 圈弧；罗纹组织是由一定比例分配正面线圈纵行和反面线圈纵行织造而成；双罗纹组织 是将两个罗纹组织相互交叉复合而成；双反面组织与双罗纹组织相对应，是由正面线圈 横列和反面线圈横列相互交替织造而成，这些基本组织如图1-3所示。

其中，纬平针组织是单面纬编针织物的基本组织，其织成物轻薄，用纱量少，因而 广泛应用于袜筒等筒状针织物的生产中DI。

 

图1-3常用纬编织物组织结构来源：引用文献［8］

Fig.1-3 Common weft fabric tissue structure

 

1.2.3纬编针织物几何模型

在对纬编织物进行仿真时，必须建立织物的几何模型。纬编针织物几何模型最初只 是二维平面的几何模型，经过多年发展，现如今已经有了三维立体模型，建模手段和方 法也更加多样化。纬编织物的几何模型通常是由线圈单元阵列得到，最早研究出的纬编 针织物纱线模型是Pierce线圈模型，该模型以直线段模拟圈柱连接半圆形的圈弧作为线 圈的几何模型［i°］,如图1-4所示。Pierce线圈模型，忽略了织物厚度，同时对纱线轨迹 也做了简单处理，是一种理想化的二维模型。虽然Pierce模型存在着不可忽略的缺点， 但它为后续纬编织物的几何建模奠定了基础。

 

纬编织物几何模型的建立，国外研究者起步比较早，他们做了大量的研究。很早以 前，研究人员就为平纹针织物创建了许多几何模型，例如Chamberlain ［11］， Peirce ［12］， Leaf and Glaskin ［13］，Leaf［14］，Munden ［15］，Postle［16］，Demiroz ［17 ］和 Kurbak［18, 19］o 其中， Kurbak模型是将线圈作为一个单元，将该单元中的纱线根据形态不同分为8段，模拟了 各类纬编组织的立体效果［2°］。Dokuz Eylul大学在Kurbak平纹针织模型的基础上开启了 一个研究项目，该形目通过修改Kurbak的平纹针织物线圈模型，给出了可压缩纱线平纹 针织物的螺旋型模型。该项目所提出的模型不仅适用于经典纺织品的螺旋性，而且还适 用于对小直径管状工业纺织品的建模I21-25】。

我国对于纬编针织物线圈模型和组织结构的研究起步较晚，而最近十年是此项研究 的活跃时期。国内针对线圈模型的研究有两种模式:分段函数法和样条曲线法。其中，东 华大学刘夙、龙海如等人的研究是分段函数法中比较典型的。在Peirce线圈模型的理论 基础上，根据纺织品纱线的空间和几何结构的不同特点，对纺织品纱线的各个部分用正弦 函数进行表示，模拟出纺织品的弯曲效果［26］。武汉纺织大学的陈明珍、五邑大学孙锋等人 通过从生产实际中取样，使用分段多项式的方法建立了棉针织物平针线圈的平面几何模 型［27］。东华大学的汪育桑,冯勋伟等人通过对一个构成经纬编制的提花针织物三维基本线 圈单位组成圈（平针）、集圈和浮线的三维基本形状进行了几何结构的分析,采用圆切直线 方法，建立了一个形成全线圈、集点和浮线的三维基本形状的几何学模型［28］。中原电子工 学院赵华菲,刘哲等研究者首先设计构建了基于Peirce的分段线圈几何计算模型,采用控 制关键点的方法，对线圈整体进行进行描述以及分段用数学公式来描述。他们用这个办 法模拟出了羊毛衫线圈组织结构的三维模型，采用VB6.0编程对该算法进行验证，确定 了该算法的有效性，并对其效果进行了分析I29】。

样条曲线是一段光滑曲线，曲线上有着多个控制节点，改变节点就可以改变曲线形 状和走势。Bezier曲线、三次插值曲线、非均匀有理B样条（Nurbs）曲线都属于样 条曲线的一种，国内外研究人员在对针织物进行三维模拟时，也曾多次利用这些曲线对 针织物组织结构进行模拟，均取得了不错的模拟效果。浙江理工大学在这一方面的研究 较多，也取得了一些成果。张克和、方圆等人通过运用有限元法对纬编针织物进行了系 统的分析，同时进行了三维建模，得到了纬编组织密度极限值的计算方法，并最终模拟 出了三种纬编织物组织结构（平针组织、罗纹组织、双反面组织）的三维模型I30】。蒙冉 菊等人对纬编针织物组织结构相关参数和线圈排列变化关系进行了一系列的分析，在此 研究基础上，他们运用Nurbs样条曲线对纬编针织物单位线圈模型进行了数学模拟建模， 并对得到的模型进行了相关实验验证DU。王辉等人在Peirce模型的基础上，运用B样条 曲线对纬编针织物单位线圈进行了形态的控制和几何模型的优化，并对优化后的线圈模 型进行了实验验证分析，证明了该线圈模型的实用性和精确性I32】。王少俊等人通过对纬 编针织物基本结构非线性特征的分析，利用电镜对针织物进行组织结构研究，运用Nurbs 样条曲线建立了结构可控的纬编针织物线圈模型，在单个纬编针织物模型的基础上，借 助OpenGL工具对线圈组织结构进行了模拟仿真闵】。

综合国内外研究现状来看，使用分段函数法对线圈进行建模虽然能够模拟出一定的 三维效果，但线圈单元中纱线的分段位置和数目很难统一量化，且分段函数优化困难， 难以建立通用的织物几何模型。而样条曲线法通过对纱线轨迹作一般数学描述，可以使 几何模型更加准确流畅，很好的体现出织物的串套关系和三维立体效果。因此在后续的 袜品几何模拟中，充分利用样条曲线法是本研究进行电子袜样线圈几何模型建立的关键。

1.2.4纬编CAD研究现状

CAD是Computer Aided Design （计算机辅助设计）的简称，针织物的仿真和图案 效果的模拟是纺织计算机辅助设计中的重要组成部分之一。目前，国外应用较为广泛的 纬编CAD软件是德国STOLL公司开发的M1 plus花型准备系统以及日本SHIMA SEIKI公司开发的SDS花型准备系统El。

M1 plus花型准备系统可以按照“工艺”和“设计”方式进行织物花型的程序设计。 系统通过工艺视图、标志视图、织物视图绘制所需要的织物组织花型、生成上机文件以 及织物仿真等功能。其仿真功能通过贴图实现，仿真速度快，但受限于二维仿真的本质， 仿真效果缺乏真实感。SDS花型准备系统可以进行款式设计、面料设计、图案设计、 纸样设计、编织工艺设计、纱线设计、织物模拟、三维虚拟试衣等功能［35】。SDS花型设 计系统通过扫描设备导入纱线纹理，对织物进行模拟。模拟效果真实，但由于巨大的计 算量，使得系统需要较高配置的硬件设备，且模拟速度较慢［36】。

国内企业开发的CAD仿真软件有:浙江恒强科技股份有限公司开发的横编CAD系

统［37］，该系统具有良好的兼容性，但仿真效果缺乏真实感。香港的智能吓数软件，该软 件具有工艺计算、款式设计以及上机控制等功能，并且还能简单模拟织物效果图。

国内从事织物CAD仿真系统研究的主要还是高校的教学、科研人员，其中江南大 学对这一方面做的研究较多。江南大学金兰名在对织物三维效果的影响因素进行分析的 前提下，建立了一个针织物仿真模拟系统，该系统基于Unity3D引擎，实现了对纬编立 体提花织物的计算机仿真"I。江南大学沙莎在对纬编针织物的结构特点和物理属性等因 素进行研究后，在传统弹簧-质点模型的基础上，提出了长方体弹簧-质点模型。之后， 研究者结合提出的新模型，开发了可以实现纬编针织物三维模拟的系统。用户可以在该 系统上对织物线圈、纱线和弹性等参数进行设定，并且可以根据个人需求自由变换模型 的观察角度和绘制方式，同时，该系统可以生成具有真实力学变形效果的纬编针织物效 果图I39】。天津工业大学李英琳等人根据针织物线圈几何模型特点，应用三维几何造型 技术以及真实感渲染技术，设计开发了纬编针织物的三维仿真系统。该系统可以对织物 组织结构参数、纱线各项参数进行设定，同时用户可以交互式地对针织物花色图案以及 组织结构进行设计仿真，还可以从各个角度观察织物的组织结构特点四。

1.2.5织物毛绒感的模拟

毛绒类物体的模拟主要是图形学领域的学者在研究，他们很早就对毛绒类物体与其 它宏观物体在建模和渲染方面存在的不同进行了研究。这方面的研究文献主要集中在对 头发、毛皮等物体的模拟上，其成果也是较多应用在影视创作、游戏动画领域。对于毛 绒效果的模拟，存在两种常用的方法，一种是显式方法，另一种是隐式方法。显式方法 是通过使用多面体、圆柱体、Nurbs曲面等明确的几何体来描述单根毛绒，这种方法建 立的毛绒之间相互独立，并且可以通过改变几何体的位置就可以很容易地形成毛绒动态 效果HU,这种方法常用于对头发束或者较粗的动物毛皮进行模拟。隐式方法是通过体素 对毛绒进行模拟，在毛绒体内将不同密度的体素放置在不同区域，通过对体素进行光照 下的渲染或使用模糊处理形成具有明暗效果的毛绒物体。

在针织物的仿真模拟方面，国内的相关研究主要集中在对纱线表面毛羽的模拟方法 进行讨论。浙江理工大学史永高提出了在纱线附近生成3个控制点，用这3个点插值生 产的样条曲线来描述毛羽的方法I42】。吴周镜提出的方法是在针织物线圈的纱线附近生成 4个控制点，用B样条生成逼近曲线来表示毛羽［43］。于斌成等人的方法是通过类正太分 布来生成随机控制点，从而模拟出毛羽效果［44］。

江南大学张爱军提出的方法是通过毛绒段的截面切片和轴向切片的生成来表示毛 羽，使用逐层渲染方法模拟经编毛绒织物表面的毛绒结构，建立了用分形噪声模拟织物 毛绒方向随机感的方法I45】。经编和纬编都属于针织工艺，都是将纱线弯成相互串套的线 圈而形成织物I46】。不同之处在于，经编工艺是纱线沿纵向成圈，而纬编工艺则是沿横向 成圈［47］。虽然成圈走向不同，但模拟经编毛绒织物表面毛绒结构的研究依然可以为纬编 织物毛绒的仿真提供一些思路和方法。

1.3硏究内容及论文组织结构

1.3.1研究内容

本课题的目标是改变目前袜业行业在袜企和电商之间“绘制袜品BMP图一实物打 样一邮寄一修改BMP图一再实物打样”的反复环节，通过相关技术研究并开发相应软 件，提升袜企对电商需求的快速反应能力和技术水平。主要研究内容包括纬编织物线圈 结构仿真与数据库的建立、织物的不同组织结构之间的线圈拼接方法、袜样的真实感仿 真和软件开发四个方面。

（1） 线圈结构仿真。线圈结构仿真包括线圈几何模型定义、线圈路径生成和线圈实 体生成。根据纬编织物线圈纱线的路径特征，在路径上选取关键点即型值点作为成圈组 织控制点，依据控制点与样条曲线的关系画出曲线，得到纱线路径。在获得纱线路径后， 可通过放样、扫掠、蒙皮等方法创建出纱线实体，进一步得到线圈的纱线仿真模型。

（2） 拼接方法的研究。在完成线圈模型的建立后，怎样将线圈作为一个单元拼接排 列得到完整的袜样也是本文的研究内容之一。袜子并不是一个规则的圆筒状物体，一个 袜子可能存在多种织法。因此，相同织法、不同织法之间怎样进行顺畅的拼接就是三维 袜样仿真需要考虑的问题。同时，脚后跟与袜头部分在实际生产过程中都是通过先减针 后加针来实现，反应到仿真过程中就是线圈数量的增加减少，在拼接时怎样实现增减针 数的效果，也是本文后续研究需要解决的问题。

（3） 织物真实感的模拟。借助3dsmax软件，建立不同的光照模型，通过改变环境 光、漫反射光、镜面光等参数，找出何种情况下，线圈的模拟效果与实物较为接近，以 此来构建纬编织物的三维模型。同时，纱线表面本身是带有毛绒效果的，借助Vray Fur 给线圈加上毛绒特效，最终实现线圈的真实感渲染。

（4） 软件开发。根据前面的研究结果，借助Visual Studio平台和3dsmax软件，完 成仿真系统的开发。系统包括袜子设计模块、数据库模块、展示模块、以及主界面设计。

1.3.2组织结构

本文主要研究袜样的仿真模拟和相关软件的开发，如：对袜品不同组织结构进行分 析，找出不同织法线圈拼接的规律，建立相关织法素材。同时，运用织法文件裁剪出袜 样，形成最终袜样。本文的主要内容及组织结构如下：

第1章绪论

主要介绍了纬编针织模拟仿真基本研究概况。首先阐述了本文研究的背景和意义， 分别从纬编针织物成形技术、纬编针织物组织结构、纬编针织物几何模型、纬编CAD 研究现状以及针织物毛绒感的模拟等五个方面，对课题研究及应用现状进行了较为详细 的分析和总结，同时也介绍了本文研究的主要内容以及论文的组织逻辑结构。

第2章袜样模拟仿真技术规划与系统规划

在课题前期的袜样仿真模拟与软件的基础上，详细地对袜样模拟仿真技术和系统开

发进行了规划，这一规划是对后续课题进展有着指导作用的。

第3章纬编针织组织结构仿真

对常见袜品织法进行分析，找出各织法线圈的拼接规律，完成织法结构的拼接，为 后续袜样模拟提供素材。

第4章电子袜样模拟仿真实现

在织法结构模拟生成的基础上，使用织法轮廓线对各织法素材进行裁剪，形成袜样 二维模拟，再将二维组织包覆到三维脚模上，生成袜样的三维模拟展示。

第5章电子袜样仿真技术开发

在前文模拟仿真的基础上，进行模拟系统的开发。本章节介绍了系统各模块的实现 过程、核心代码以及控件类型。

第6章总结与展望

对本文研究内容进行了总结，对后续研究提出了建议。

如图1-5所示为本文的论文组织结构。

 

三维电子袜样生成技术与软件开发研究

第一章绪论

•本文研究背景与意义

•国内外研究现状

•主要内容及论文组织结构

第二章袜样模拟仿真系统规划与系统规划

•袜样模拟仿真技术规划

•仿真系统规划

•本章/j\结

第三章纬编针织组织结构仿真

•单位线圈几何模型

•线圈实体生成

•不同组织结构单位线圈表示

•本章总结

第四章电子袜样模拟仿真实现

•模拟技术

•袜样三维模拟 •本章总结

第五章电子袜样仿真系统研究

•系统开发 •仿真模块

•展示模块

•本章总结

第六章总结与展望

・全文总结

•不足与展望

图1-5论文结构

Fig.1-5 The structure of chapters for the paper

2袜样模拟仿真技术及系统规划

2. 1袜样模拟仿真技术

2.1.1袜品成形机理

袜品属于纬编针织物，针织是利用钩针将纱线弯曲成圈，并相互串套连接形成织物 的工艺过程。完成针织过程的主要工具就是钩针，如图2-1所示为钩针的结构示意图。 钩针由针钩、针舌、针踵、针舌销组成。编织过程中，针舌会随着针筒的运动而运动， 针踵因为受到三角作用的原因，会在针槽中做上下往复运动，运动过程中，当针钩被抬 高到一定高度时，它就可以勾住纱线，同时，针舌配合针钩进行上下往复运动，从而形 成层层相套的链圈。

 

图2-1钩针 来源：引用文献[7]

Fig.2-1 Crochet

钩针在进行编织的过程中，主要会有以下三种状态，分别称为集圈、成圈和退圈，如图 2-2所示。首先我们介绍集圈状态，该过程发生在成圈之后、退圈之前。当钩针处于这一 状态时，针舌上缠绕着编织形成的线圈。接下来就是进行退圈，这一步骤发生在集圈之后, 成圈之前。在这个状态时，钩针会运动到最高的位置，以便于让钩针上缠绕的线圈可以向下 退至针舌下面，同时钩针也会再次钩住纱线，为下一圈的编织工作做好准备。最后介绍的是 成圈过程，这个过程是在退圈之后，集圈之前。退圈时，钩针会钩好纱线，然后钩针会带着 纱线运动的到最低点，这时候针舌就会上翻，这样就能够将上一个已经处于退圈状态的线 圈全部脱出，这时刚钩下来的线圈就会跟上一个退圈的线圈形成链圈，如图2-3所示。

 

 

图2-2钩针编程过程状态 来源：引用文献[7]

 

Fig.2-2 Crochet programming process

 

 

图2-3链圈来源；引用文献[7]

Fig.2-3 Chain circle

2.1.2袜品针织组织结构分析

袜子的针织组织结构不同，它的线圈形态、线圈宽度和长度以及线圈之间遮挡关系 就有所不同。因此，为了模拟袜品的编织效果，我们需要对袜品的针织组织结构进行分 析。常见的用于袜品的组织结构有纬平针组织、罗纹组织和网眼组织，如表2-1所示。 从表中我们可以看到，花型文件的颜色也并不代表袜品最终的颜色，而是用来区分不同 区域的，区域内最终颜色是由织机添加的纱线颜色决定的。

线圈结构组织是纬编针织物的最小组织结构单元，电子袜样可以看作是由一个个线 圈组成。通过线圈的拼接和线圈之间的前后遮挡关系可以反应出来三维电子袜样的编织

12

效果，线圈形态的改变可以区分不同织法，线圈颜色的变化可以反应出袜样的花型样式。

表2-1几种常见的袜子织法结构

Tab.2-1 Several common socks weave tissue structures

 

 

 

2.1.3三维电子袜样概述

一只袜子可以看成是由五部分组成的，从上到下依次是：罗口 A、上筒B、袜跟C、 下筒D和袜头E，如图2-4所示。其中，袜筒部分是由单位线圈整圈串套而成，一般也 会有花型和织法上的的变化，因此，这一部分的三维模拟是三维电子袜样模拟的重点。 而袜跟和袜头部分通常没有花型，只有织法和颜色上的改变。

袜企的袜品设计通常是设计用于袜机生产的花型文件图，该花型文件是二维的袜样 展开图，不反应袜品的实际形状，也不能展示出织物的毛绒效果。目前，电商从袜企进 货是需要袜企先将实物打样出来，再寄送到电商手中，效果满意即可进行生产，不符合 要求情况下，就需要再次进行打样寄送。而三维电子袜样是可以反应袜品的实际形状、 花型颜色、织法信息以及编织效果的，从而大大缩短打样时间，节省打样成本。如图2-5

 

 

所示，是一只袜品的实物图片，而图2-6是三维电子袜样需要达到的效果。

图2-4袜子组成

Fi g. 2-4 Sock compos ition

图2-5袜子实物图片

Fig.2-5 Socks

图2-6三维电子袜样

Fig.2-6 3D electronic sock effect

2.1.4电子袜样生成技术及步骤

三维电子袜样的生成首先需要对袜品的针织组织结构进行分析，提取单位线圈，建 立线圈模型。分析不同针织组织结构线圈的拼接规律，然后以单位线圈模型拼接形成不 同织法素材。对成品袜品扫描可以袜品织法的轮廓分区矢量图，根据轮廓图对织法素材 进行裁剪，拼接形成袜样的二维展开图，再去包覆到脚模上，我们就可以得到三维的电 子袜样。如图2-7所示，是三维电子袜样的模拟流程图。

 

 

 

图2-7三维电子袜样生成流程

Fig.2-7 3D electronic sock generation process

2. 2仿真系统规划

2.2. 1仿真系统目标

针织组织结构模拟和袜品三维模拟是本课题系统设计的前提，袜样模拟仿真系统以 建模渲染技术为核心，结合系统界面的设计展示出袜品的3D效果。互联网时代下，抢占 市场的一大因素就是快，该系统需要可以实现设计师根据客户需求迅速完成袜品实物的 模拟，以此节省打样时间，抢占市场先机，如图2-8所示。

 

2. 2. 2系统架构设计

在袜品仿真模拟系统中，共分为五大模块，分别是基础层、数据层、支撑层、实现 层和展现层。描述了该系统中所需要的基础设施、后台数据、实现方式以及展现方式等, 如图2-9所示。

基础层主要包括计算机网络系统、存储设备、服务器、安全设备等硬件设备，这些 设备是安装软件的必备条件。

数据层主要包括（1）织法素材库，包含袜品各种织法的素材模型，是后续织法模拟 的基础；（2）袜品图库，包含袜品的成品图片和已经模拟好的二维袜样；（3）袜品三 维动态库，包含模拟成品的相关数据。

支撑层包括工艺分析、织法模拟、效果渲染、袜品设计、用户管理和数据管理，这 些是支撑软件系统的技术支持。

实现层主要是袜样模拟的实现过程分析。

展现层分为工程师和普通用户两种模式。其中工程师模式是袜样模拟仿真的模块， 普通用户是查看已有袜品信息的模块。

2. 3本章总结

通过对袜品织法结构的分析，确定了袜样生成技术和步骤，同时也对模拟系统进行 了初步规划和架构设计。

展现层

三维电子袜样模拟仿真软件

基础层

安全设备

存储

网络系统

图2-9系统架构设计

Fig.2-9 System architecture design

3纬编针织组织结构仿真

3. 1单位线圈几何模型

3.1. 1单位线圈几何模型

通过第二章对针织物成形机理的了解，我们知道了纬编织物组织结构是由许多个单 位线圈连续串套而成的链圈，如图3-1所示。不同组织结构之间的差异来自于线圈串套 规律不同。以纬平针组织为例，同一行的线圈不存在Y坐标的变化，只是X方向的平移。 而同一列线圈不仅涉及Y坐标的变化，还应有Z坐标的变化来反应单位线圈之间的前后 遮挡关系。目前，对纬编针织物的单位线圈进行模拟的研究中,比较具有一定代表性且被研 究者采纳使用的线圈模型就是pierce线圈模型，该线圈仿真模型主要核心点在于假设织 物处于完全松弛状态时，用一个圆柱体来连接半圆环所显示的针编弧与沉降弧，同时又假 设纱线的宽度不会发生变化，其截面是圆形。在这种模型中，整个线圈的长度及其线圈高、 宽、圆柱长均可以通过纱线的直径来计算出来。

 

图3-1链圈

Fig.3-1 Chain circle

 

本文以pierce模型为基础，将线圈看作是由一个半圆、两条直线和两个1/4圆构成 的几何模型。其中，半圆和1/4圆的半径我们用R表示。以单位线圈中心线为Y轴，以 线圈最顶端为X轴，建立坐标系，如图3-2所示。建立坐标系以后，单位线圈上个关 键点坐标如表3-1所示。