虚拟织物光泽表征及模拟方法

1.本发明涉及纺织服装三维虚拟领域，尤其涉及虚拟织物光泽表征及模拟方法。


背景技术：

2.光泽感是描述织物外观风格的重要概念，有无光泽感已成为区分不同纤维类型的织物的重要标志之一，在虚拟服装表现时通过多种手段对织物进行合适的光泽处理能够提升表现方法的多样性，也有利于未来服装行业的发展。在虚拟环境中，调整光泽度能够帮助服装材质更加逼真地表现，随着虚拟服装数字技术的发展，光泽度已经不局限于表现常规面料的材质，而是能够体现更加复杂的工艺，可见研究虚拟织物的光泽非常重要，目前三维环境中虚拟服装的光泽度主要是通过感觉来调整的，准确性不限，为此，我们提出虚拟织物光泽表征及模拟方法。


技术实现要素：

3.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了虚拟织物光泽表征及模拟方法，以解决背景技术中提出的问题。
4.本发明提供如下技术方案：
5.虚拟织物光泽表征及模拟方法，包括如下步骤：
6.a、从真实织物的明度曲线和饱和度曲线入手得到变化曲线和对应参数，找出棉、毛、丝和涤纶材质面料在模拟时的合适参数范围，运用虚拟织物软件将真实织物和虚拟织物进行对应，提升服装展示时的真实效果；
7.b、利用开发的“明度饱和度曲线app”通过对清晨、正午、傍晚、阴天和室内五个环境下25个色样和棉、羊毛、涤纶和丝四种材质的织物受到光照后产生光泽效果拍照后进行明度曲线中初始明度值、最高明度值、两者差值、平均明度值、峰高和峰宽的分析，结合明度曲线图像和其斜率图像总结面料材质在不同环境下相关特征值的规律，同时获得两种曲线值的变化情况，为之后虚拟织物的模拟提供参考数据和结论；
8.c、利用开发的“材质与光照模拟app”，将影响虚拟织物光泽因素分为物体表面的材质参数和环境参数，在材质参数中调整反射环境光、漫反射光、自发光、镜面反射光强度和镜面反射指数；在环境参数中调整光照方向、环境漫反射光、环境光和环境反射光反射强度，利用控制变量法探究明度曲线和饱和度曲线同“明度饱和度曲线app”特征值变化的规律，根据规律进行真实织物实验得到的相关明度曲线和饱和度曲线模拟，从而将真实织物和虚拟织物的光泽效果进行对应。
9.优选的，所述步骤c中“材质与光照模拟app”以立体圆柱的光泽变化规律为研究对象，可以模拟显示在计算机三维环境下各种颜色在各种环境光参数、材质光参数条件下，圆柱表面色彩明度及色彩饱和度的变化情况。
10.本发明提供了虚拟织物光泽表征及模拟方法，本发明从明度和饱和度入手进行织物光泽度研究，织物颜色按照色彩hsb模型正交实验得到的数值进行颜色选择，通过拍摄真
实织物照片得到的明度、饱和度曲线图像和相关特征值能够对织物光泽进行量化，操作简便，数据通过分析能够有效得到规律，根据真实织物的曲线将虚拟织物相关曲线的特征值进行对应后，能把真实环境和虚拟环境两个环境的织物光泽效果进行对应，使服装模拟效果更加真实，通过数据分析可以得到材料、颜色、环境三者对于真实织物明度曲线、饱和度曲线影响的比重，在虚拟环境中可以有针对地调整材质参数和环境参数，通过真实织物的数据分析可以得到不同材质相关特征值的数据范围，对于虚拟织物光泽表现具有指导意义。
附图说明
11.图1为本发明“明度饱和度曲线app”界面示意图；
12.图2为本发明“材质与光照模拟app”界面示意图；
13.图3为本发明光照示意图；
14.图4为本发明明度曲线特征值示意图；
15.图5为本发明饱和度曲线特征值示意图；
16.图6为本发明关于面料真实织物测试；
17.图7为本发明从左至右依次为：(0，0，0)、(72，75，0)、(144，25，0)、(216，100，0)、(288，50，0)明度为0颜色示意图；
18.图8为本发明相同颜色真实织物光泽效果；
19.图9为本发明真实织物模拟效果。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参阅图1
‑
9，本发明提供一种技术方案：
22.(一)真实面料实验
23.根据光照环境进行5种光照环境下：清晨、正午、傍晚、阴天、室内的光照环境设置，具体设置如表1。
24.为了更细致地研究光线对于光泽度的影响，采用单一方向即直射光源对光泽度进行分析，选择半径5.5cm圆柱，使面料贴合圆柱表面在环境中呈现明暗效果，从而进行实验分析，如图3。
25.进行拍摄工具、分辨率、挡位、iso(相机感光度)、闪光灯状况设置，见表2。
26.测试软件“明度饱和度曲线app”可将导入图片进行明度测量，通过划线得到明度、饱和度曲线图像和数据，分析峰高、峰宽和均值，获得曲线上各点的斜率值。整体图像因织物纹理不是光滑曲线，通过调整滤波进行光滑度调整，滤波次数设置为6，数字越大曲线越光滑。
27.选择四种常见材质面料——涤纶、棉、羊毛、蚕丝。考虑到不同色相会有明暗差异，相同颜色也具有明暗变化，探究光泽度规律时，实验次数不宜过大且实验结果需具有典型
性，选用hsb(hsv)颜色模式，色相(hue)、饱和度(saturation)、明度(brightness)构成颜色的三种属性，可用此模式对颜色量化。颜色选择上运用正交设计实验方法，对色相(h)、饱和度(s)、明度(b)三个因素进行试验设计，这种用部分实验代替全面实验，部分结果了解全面结果的方法能使颜色选择上达到均匀分散，从而使实验量减少，克服难以实施的缺陷，具体颜色选择见表3。
28.明度曲线特征值引入如图4所示三个指标h、w、b，其中h代表峰高，w代表峰宽，b代表明度值，且b∈[0，100]。如图4所示，b0、b1、b2分别为划线处明度值，为平均明度值，另外可分析明度曲线上各点斜率值。
[0029]
饱和度曲线特征值引入如图5所示三个指标d、w、s，其中d代表峰高，w代表峰宽，s代表饱和度，且s∈[0，100]。如图5所示，s0、s1、s2分别为划线处饱和度值，为平均饱和度值，另外可分析饱和度曲线上各点斜率值。
[0030]
1、探究面料对于明度曲线及饱和度曲线的影响
[0031]
探究面料对于明度曲线及饱和度曲线的影响，确保环境与颜色相一致，为了便于观察较为明显的光线过度，选择环境为清晨组，颜色设置为色相144，饱和度100，明度50(此处不进行色相对其明度、饱和度的影响，因此忽略材质印染误差)，如图6，曲线形态如表4，能够通过围绕织物材料分析色相和环境光一致时：
[0032]
①
根据明度峰值讨论明暗对比关系。
[0033]
涤纶材质有较高的峰高，明暗对比和颜色过度明显，对于颜色亮度敏感；棉、毛表面纹理特性使漫反射强于涤纶材质，毛、棉材质面料无明显峰高，因此明暗过度较弱；丝因其表面材质光滑，明暗对比弱，但整体明度较亮，其明度走势与其它面料相反，呈现中间低两边高的情况，与未进行实验时设想丝质面料曲线形态相反。
[0034]
②
根据饱和度曲线走势讨论变化。
[0035]
整体来看，毛、涤纶材质面料在颜色饱和度变化上较为平稳，但在曲线中间也就是光线最强部分，饱和度略有降低；棉的饱和度曲线在中间也有下降趋势，但相比毛料和涤纶，下降趋势不显著；丝绸面料与其它面料相反，饱和度曲线中间略有升高。
[0036]
③
平均明度值规律
[0037]
平均明度值：丝＞棉＞毛＞涤纶，其中涤纶值平均明度值较小的原因是最低明度值较小。
[0038]
④
平均饱和度值规律
[0039]
平均饱和度值：棉＞涤纶＞毛＞丝，棉的色牢度较好，其织物表面颜色鲜艳，涤纶织物表面光滑，因此相较棉织物平均饱和度值较小，毛织物在表面有细小毛纤维，影响颜色，丝织物表面光滑，易在光线照射下呈现白色效果，因此平均饱和度值较小。
[0040]
根据曲线图得到斜率变化k图像如表5，可以分析得到毛料因其表面粗糙，表面存在较多漫反射现象，因此平均明度和平均饱和度曲线k变化较大；丝绸表面光滑，因此漫反射现象较少，k变化最小，尤其体现在饱和度上，k在曲线中间部分不变；涤纶和丝两种材质的k变化小于毛料，但涤纶比丝绸材质k变化明显。
[0041]
2、探究面料对于明度曲线及饱和度曲线的影响
[0042]
结合由正交设计得到的随机颜色模式设置，由于明度为0时，颜色为黑色，如图7，因此仅保留一组黑色实验组。为了较为明显地观察到明暗过度规律，选择环境组为清晨组
进行实验。
[0043]
由于实验面料存在色差，根据实验测量其平均饱和度值和平均明度值，每组数值最大值与最小值差值在18及以上，进行实验组删除。所选实验组平均明度值、各组平均值及方差见表6。所选实验组平均饱和度值、各组平均值及方差见表7。通过分析可得：
[0044]
①
由平均标准差可得，相同环境下，平均饱和度受颜色影响较大，平均明度受颜色影响较小。
[0045]
②
关于黑、白两种颜色，由于打印面料存在颜色色差，因此将干扰项排除后，实验组为白色面料对光照下面料饱和度得影响，其影响较低。
[0046]
③
对于平均明度值，将颜色进行h、s、b模型分解，2020年已有学者对此进行分析，通过极差r计算结果，排列因素重要程度：明度＞色相＞饱和度＞空白因素，但平均明度值取值与本研究平均明度取值定义有不同，因此不能进行验证比较。
[0047]
3、探究材质、环境、颜色对相关特征值的影响
[0048]
利用正交设计，对材质、环境、颜色进行分析，探究三种要素对织物光泽的影响程度。
[0049]
在“探究四种面料下，颜色对于明度曲线和饱和度曲线的影响”实验中，已对因面料颜色印染时误差较大的实验组进行了排除，在此基础上进行正交设计。将实验因素环境、材质、颜色安排到正交设计表列中，因不考虑因素间的相互作用，各因素各占一列。表中设置因素空白列，若空列r值较大，说明有其他因素或因素存在不能忽略的交互作用。因颜色较多，共有十五组，以五组为一个实验组进行实验论证，从而减少实验误差，所得正交设计表如表8。
[0050]
根据正交设计表进行实验测量，关于明度特征值实验测量结果见表9。
[0051]
根据正交设计表进行实验测量，关于饱和度特征值实验测量结果见表10。
[0052]
实验数据处理上采用指标差值r，确定因素的主次顺序。其中：
[0053]
极差r：在任一列上，r＝max{k1，k2,k3}
‑
min{k1,k2,k3}
[0054]
或r＝max{k1，k2，k3}
‑
min{k1，k2，k3}
[0055]
其中，ki：表示任一列上水平号为i时，所对应的试验结果之和；ki：ki＝ki/s，s为任一列上各水平出现的次数。
[0056]
材质、环境、颜色对明度曲线初始值b0的影响，见表11。
[0057]
研究材质、环境、颜色对明度曲线初始值b0的影响，分析极差r计算结果，排列因素重要程度：空列＞环境＞颜色＞材质。
[0058]
相比环境、颜色和空列影响，材质对明度曲线初始值b0影响较小，其余三因素的影响占比较为接近，尤其是环境因素和颜色因素。
[0059]
通过该方法得到以下结论：
[0060]
①
明度曲线初始值b0影响因素重要程度：空列＞环境＞颜色＞材质。
[0061]
②
明度曲线最高值b2影响因素重要程度：环境＞材质＞颜色＞空列。
[0062]
③
明度曲线差值δb影响因素重要程度：环境＞材质＞空列＞颜色。
[0063]
④
明度曲线平均值影响因素重要程度：环境＞材质＞颜色＞空列。
[0064]
⑤
明度曲线峰高h影响因素重要程度：环境＞材质＞颜色＞空列。
[0065]
⑥
明度曲线峰高w影响因素重要程度：材质＞空列＞颜色＞环境。
[0066]
饱和度相应特征值分析：
[0067]
①
饱和度曲线初始值s0影响因素重要程度：颜色＞材质＞环境＞空列。
[0068]
②
饱和度曲线最高值s2影响因素重要程度：材质＞颜色＞空列＞环境。
[0069]
③
环境、颜色对饱和度曲线差值δs影响因素重要程度：环境＞颜色＞材质＞空列。
[0070]
④
环境、颜色对饱和度曲线平均值影响因素重要程度：材质＞颜色＞空列＞环境。
[0071]
⑤
环境、颜色对饱和度曲线峰高d影响因素重要程度：环境＞材质＞颜色＝空列。
[0072]
⑥
环境、颜色对饱和度曲线峰宽w影响因素重要程度：材质＞空列＞颜色＞环境。
[0073]
得到不同面料和环境明度曲线特征值变化区间、不同面料和环境饱和度曲线特征值变化区间，详情如下表12和表13。
[0074]
(二)虚拟面料实验
[0075]
通过控制变量，按照光照属性将实验组分为三组，分别讨论环境光参数设置规律及其曲线特征值影响因素、漫反射光参数设置规律及其曲线特征值影响因素、镜面反射参数设置规律及其曲线特征值影响因素。
[0076]
通过调整参数观察曲线变化，得到明度曲线：
[0077]
初始值明度b0影响因素：颜色、反射环境光；
[0078]
最高值明度b2影响因素：反射环境光、漫反射光、镜面反射光强度、环境反射光反射强度；
[0079]
明度平均值影响因素：颜色、反射环境光、漫反射光、镜面反射光强度、镜面反射指数、环境反射光反射强度；
[0080]
明度曲线峰宽影响因素：镜面反射光强度、镜面反射指数
[0081]
明度曲线峰高影响因素：环境反射光反射强度。
[0082]
其中调节参数，正负相关性如表14。
[0083]
通过调整参数观察曲线变化，得到饱和度曲线：
[0084]
初始饱和度值s0影响因素：颜色；
[0085]
最高饱和度值b2影响因素：反射环境光、漫反射光、镜面反射光强度、环境反射光反射强度、环境反射光反射强度；
[0086]
饱和度平均值影响因素：颜色、反射环境光、漫反射光、镜面反射光强度、镜面反射指数、环境反射光反射强度；
[0087]
饱和度曲线峰宽影响因素：镜面反射光强度、镜面反射指数、环境反射光反射强度；
[0088]
饱和度曲线峰高影响因素：反射环境光、漫反射光、镜面反射指数、环境反射光反射强度。
[0089]
其中调节参数，正负相关性如表15。
[0090]
(三)虚拟织物还原真实织物光泽方法
[0091]
根据真实织物光泽度曲线效果，调整虚拟织物软件进行光泽度模拟，设置hsb，通过调整虚拟织物的材质参数和环境参数进行光泽度效果模拟，其真实织物效果和模拟效果在不考虑色差的情况下效果如下图8和图9。
[0092]
app说明
[0093]
材质与光照模拟app
[0094]
该软件以立体圆柱的光泽变化规律为研究对象，可以模拟显示在计算机三维环境下各种颜色在各种环境光参数、材质光参数条件下，圆柱表面色彩明度及色彩饱和度的变化情况；
[0095]
环境光参数：光照方向(x、y、z)，环境漫反射光强度(diffuse)、环境光强度(ambient)、环境反射光反射强度(specular)。
[0096]
材料光参数：反射环境光强度(ambient)、漫反射光强度(diffuse)、自发光强度(emissive)、镜面反射光强度(specular)、镜面反射指数(power)。
[0097]
软件提供6个常用颜色，白，灰，黑，红，绿，兰。按“自定义按钮”，软件弹出颜色选择对话窗口，可以通过色彩三要素(色相、饱和度、明度)设置具体的颜色；
[0098]
设置好颜色及环境和材质参数后，便会显示出圆柱表面的明度及饱和度曲线，以及曲线所对应的特征值(峰高、峰宽、均值)；
[0099]
同时也可以显示明度曲线和饱和度曲线对应的k值曲线；
[0100]
真实织物圆柱光泽测量app：
[0101]
将真实织物圆柱照片导入软件，软件即可显示出织物圆柱表面的明度及饱和度变化曲线及曲线所对应特征值(峰高、峰宽、均值)；
[0102]
同时也可以显示明度曲线和饱和度曲线所对应的k值曲线。
[0103]
表1光照环境设置
[0104][0105]
表2拍摄工具信息
[0106][0107]
表3颜色因素水平表
[0108][0109][0110]
表4不同材质相同环境下的平均明度和饱和度图像
[0111][0112]
表5曲线斜率k值变化图像
[0113][0114]
表6关于颜色对不同材质面料明度影响
[0115]
[0116][0117]
表7关于颜色对不同材质面料饱和度影响
[0118]
[0119][0120]
表8实验一正交设计表
[0121]
[0122][0123]
表9明度特征值实验测量结果
[0124]
[0125]
[0126]
[0127][0128]
表10饱和度特征值实验测量结果
[0129]
[0130]
[0131]
[0132][0133]
表11材质、环境、颜色对明度曲线初始值b0分析
[0134]
[0135]
[0136]
[0137][0138]
表12不同面料和环境明度曲线特征值变化区间
[0139][0140][0141]
表13不同面料和环境饱和度曲线特征值变化区间
[0142][0143]
表14明度曲线参数正负相关性
[0144][0145]
表15饱和度曲线参数正负相关性
[0146][0147]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。