一种基于TNB框架的针织物高精度建模方法

本发明属于计算机图形，具体涉及一种基于tnb框架的针织物高精度建模方法。

背景技术：

1、针织服装三维虚拟仿真是计算机图形学、计算机辅助设计、人工智能和计算机仿真等信息技术交叉领域的前沿热点难题。不同于机织物简单经纬编织工艺原理，针织工艺以线圈为基本单元形成针织物，并且通过成圈、集圈、移圈等基本编织动作形成各式各样的复杂花型组织，进一步增加了针织面料、服装及生产工艺的仿真难度。线圈是构成针织服装三维模型网面的基本单元，而纱线又是形成线圈的基础，纱线仿真效果和线圈建模精度，决定了网面单元的渲染效果，进而影响服装三维仿真的整体视觉保真度。

2、纱线建模作为针织服装虚拟仿真的底层技术，目前通常的建模方式是基于图像处理技术的纱线模拟。使用纱线扫描仪对纱线进行扫描，对该图片进行处理，将背景的颜色变为透明，得到纱线的图片。根据线圈的路径，使用管道拟合线圈，将纱线的纹理映射到线圈模型上，通过纱线贴图模拟出纱线加捻效果。虽然这类方法中的大多数可以从远处产生逼真的织物外观，但是无法重现纱线的纤维细节。

3、高精度的纱线模拟仿真和织物三维建模均以物理模型为基础，物理模型的参数多样性、模型的复杂性是制约服装仿真效果的根本影响因素。目前，我国在针织服装三维虚拟仿真技术方面较国外存在明显差距，制约着针织服装智能化交互设计质量和仿真打样效果，影响生产效率，限制了我国服装制造相关企业的品牌和行业竞争力。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决背景技术中所述问题，提出一种基于tnb框架的针织物高精度建模方法。通过opengl开发纤维级纱线模型生成的技术方法，使用tnb框架对纱线微观几何结构进行建模。在高精度纱线模型的基础上建立线圈单元，通过连接织物的型值点建立织物的三维立体模型。

2、本发明的技术方案为一种基于tnb框架的针织物高精度建模方法，具体包括以下步骤：

3、步骤1，以针织物的模型文件中线圈型值点坐标为基础，作为纱线样条线的中心坐标，并利用tnb框架，通过纱线中心坐标计算股线中心坐标；

4、步骤2，利用tnb框架，通过股线中心坐标计算纤维中心坐标；

5、步骤3，通过螺旋参数方程，计算纱线加捻参数；

6、步骤4，将每根纤维扩展为有宽度的线带；

7、步骤5，利用样条线连接织物所有线圈型值点，获得针织物的三维模型；

8、进一步的，步骤1中，通过在微观上观察到纱线的几何结构，一根纱线通常由多根股线组成，基于tnb框架由纱线中心坐标点计算股线中心坐标点具体方法如下：

9、首先，启用用于生成纱线几何模型的着色器，并将纱线的中心坐标点传入着色器中进行处理，然后在曲面细分控制着色器中设置u、v方向上的细分级别；

10、接下来，在曲面细分评估着色器中，使用tnb框架法计算出股线中心的坐标点，tnb框架法原理以及计算方法如式(1)至式(2)所示，

11、

12、坐标计算公式，

13、

14、其中，

15、

16、式(1)中，其中d/ds是对弧长的微分，κ为曲线的曲率，τ为曲线的挠率。tnb框架公式中描述了空间曲线曲率挠率的变化规律。其中t(tangent，曲线的单位切向量)代表前进方向的单位切向量，n(normal，曲线的单位法向量)代表路径弯曲方向的单位法向量，b(binormal，曲线的单位副法向量)代表从这个平面扭转出来趋势的副法向量。式(2)中cyarn为纱线中心空间坐标，为第j根股线中心空间坐标，为由纱线中心cyarn到第j根股线中心的空间向量，rply为股线半径，为股线的初始极角，nply为股线的数量，nyarn为纱线的单位法向量，byarn为纱线的单位副法向量。其中tnb坐标框架的求解为现有算法，不在此赘述。

17、最后，将坐标cyarn与求和即可得到空间中股线中心坐标。

18、进一步的，步骤2中，通过在微观上观察到股线的几何结构，一根股线通常由数十至数百根微米直径的纤维组成，基于tnb框架由股线中心坐标点计算纤维坐标点具体方法如下：

19、首先，在已启用的生成纱线几何模型的着色器中，将每股线中纤维的分布情况通过一维纹理的形式传入着色器中进行处理，曲面细分控制着色器中设置u、v方向上的细分级别与步骤1中保持一致；

20、接下来，在曲面细分评估着色器中，使用tnb框架法计算出纤维的坐标点，计算方法如式(3)和式(4)所示，

21、

22、其中，

23、

24、式中，ci为纤维空间坐标，为第j根股线中心空间坐标，δci为由第j根股线中心到第i根纤维ci的空间向量，ri为第i根纤维到股线中心线的距离，θi为纤维的初始极角，为股线的单位法向量，为股线的单位副法向量。en和eb是椭圆的比例因子,rmin，rmax分别表示在纤维在迁移过程中的最小半径与最大半径，s是控制螺旋导程的参数。

25、最后，将步骤1中坐标cyarn与求和的结果与δci相加即可得到空间中第j根股线中第i根纤维的空间位置。

26、进一步的，步骤3中通过螺旋参数方程，计算纱线加捻参数的方法如下：

27、首先，在曲面细分计算着色器中，设置纱线股线数量以及单股线中纤维的数量，圆柱螺旋线的参数方程原理如下式(5)所示；

28、

29、式中，x、y和z为欧式空间坐标，ω为物体绕轴旋转角速度，v为物体沿旋转轴方向线速度。

30、接下来，通过修改参数方程中ω参数，结合步骤1中的式(2)即可对纱线捻度进行调整。

31、进一步的，步骤4中将每根纤维扩展为有宽度的线带的方法分别如下：

32、首先，在曲面细分计算着色器处理完输入型值点后，将细分后的纤维在局部空间中的坐标通过内置变量传递到几何着色器中，同时将设置好的纤维宽度一并传入。

33、然后，在几何着色器中将点扩展为观察空间中有宽度的线带，方法如式(6)至式(7)所示：

34、

35、其中，

36、

37、式中，posi,0表示由点pi沿副法线方向扩展出的点，posi,1表示由点pi沿副法线反方向扩展出的点，r表示扩展宽度，为纤维宽度的一半。这里t,b,n分别为构成观察空间的三个正交向量，分别为切线轴，副法线轴，法线轴。

38、最后，将几何着色器生成的线带进行光栅化，至此，高精度的纱线建模已经完成。

39、进一步的，步骤5中利用样条线连接织物所有线圈型值点，获得针织物的三维模型的方法如下：

40、首先，在曲面细分计算着色器中，纱线的中心由四个控制点定义的卡特穆尔-罗姆样条(catmull-rom spline)给出，样条曲线的参数方程如式(8)至式(9)所示：

41、p(t)＝at3+bt2+ct+d,                              (8)

42、其中，

43、

44、式中，p0,p2,p3,p4分别为传入着色器的4个控制点。a,b,c,d为定义样条曲线的常量，卡特穆尔-罗姆样条会通过其中的p2,p3两点。

45、然后，计算当前针织线圈曲线的切线，计算切向量的方式如式(10)所示：

46、tyarn＝b+2c×t+3d×t2                          (10)

47、式中，tyarn为样条曲线在tnb框架下的运动方向。至此完成织物的三维立体建模。

48、本发明针对当前高精度的纱线模拟仿真和织物三维建模方面存在的局限性，依据纱线的微观几何结构与线圈结构的柔性连续，提出了一种基于tnb框架的针织物高精度建模方法。能够快速模拟出不同捻度、具有高保真细节的纱线模型，并且通过样条曲线实现了针织物的柔性连续。本发明克服了传统建模方式导致的纱线细节缺失，解决了针织物在计算机仿真当中缺乏真实感的问题。