基于粒子系统的纹织颗粒泥地的仿真探讨

陈　敏,罗炳金,刘洋飞

(1.浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波 315211；2.杭州浙大经纬计算机公司,浙江 杭州 310012)



基于粒子系统的纹织颗粒泥地的仿真探讨

陈敏1,罗炳金1,刘洋飞2

(1.浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波 315211；2.杭州浙大经纬计算机公司,浙江 杭州 310012)

摘要：为了使纹织颗粒泥地达到仿真的效果，根据纹织颗粒泥地中的喷枪泥地、渐变泥地和像景泥地特征，利用随机过程函数，创建不同类型的泥地粒子发生器，并利用粒子影响器和粒子渲染器对三种不同的颗粒泥地进行渲染和修饰，基于计算机图形学，对纹织物颗粒泥地算法进行实现，并应用于纹织CAD系统中。

关键词：纹织CAD；颗粒泥地；粒子系统；仿真

1　引言

泥地的表现是提高提花纹织物装饰效果的有效途径之一，泥地的设计也是纹织物意匠设计重要环节之一。泥地在纹织物中，通过运用渲染和渐变的笔法，以一定的具有随机性的形态和排列的表现，对光线形成不同角度和亮度的漫反射，使色光和花纹由暗到明或由明到暗进行层次变化，使装饰纹织物富有立体感，使织物表面花纹形态别具一格。而颗粒泥地是纹织物设计中常用的泥地表现手法，它采用颗粒点的大小和疏密，来表现图案的形态和明暗效果。传统颗粒泥地的绘制，是由花型设计师在意匠纸上手工绘制的，一幅简单的颗粒泥地图案，通常要几个小时甚至几天才能绘制完成。随着纹织CAD系统的推广与应用，提高了泥地图案的绘制效率，但由于在现有的纹织CAD系统中，只能实现简单的类似喷枪的泥地效果，在实用性和效果上，都存在很大缺陷。随着纺织品开发和设计要求的不断提高，对纹织CAD也提出更高的要求，纹织物颗粒泥地效果的设计需要更快速高效的工具。

粒子系统方法是一种处理不规则模糊对象的方法，是一种利用计算机图形学模拟一些特定的模糊现象的技术，而这些现象用其它传统的渲染技术难以实现其真实感。粒子系统方法的基本思想是用许多形状简单的微小粒子作为基本单元，把要表现的模糊对象定义为由成千上万个不规则的、随机分布的粒子组成的粒子集，每个粒子都具有大小、颜色、运动速度、生命周期等相关属性，它充分体现了模糊对象的动态性和随机性[1]。文献2针对纹织意匠工艺中的泥地模拟讨论了一种粒子系统的特性和模拟实施方案，提出了用粒子系统控制泥地模拟的思想，认为用粒子系统模拟泥地有如下优点: (1) 粒子系统的离散性和随机性特点, 容易反映泥地的特性, (2)粒子系统的定义是过程化的由随机数控制, 不需要大量的人工设计和计算, 即可得到细致的图像[2]，但是文献7没有研究根据不同泥地效果，建立不同形态的泥地粒子单元的问题，并没有为粒子单元确定相应的表现属性，如大小、随机性、位置、颜色等。

本文基于粒子系统方法，进行数学建模，提出全新的颗粒泥地设计方法，在VC++开发平台下，对颗粒泥地算法进行了实现，极大提高了颗粒泥地的设计效率和效果。

2　颗粒泥地粒子特征与仿真

2.1颗粒泥地粒子特征

颗粒泥地粒子分为喷枪颗粒泥地、渐变颗粒泥地和两者结合而成的像景泥地。喷枪颗粒泥地是最为常用的一种颗粒泥地，类似于传统纹织CAD中的喷枪功能而成的泥地，喷枪颗粒泥地的效果要体现在所控制泥地点子的形状和泥地整体的疏密程度。而渐变颗粒泥地效果是通过颗粒泥地粒子大小和疏密的变化，形成几何渐变效果，较为常用的是直线渐变效果和圆形渐变效果，在绘制渐变颗粒泥地需指定渐变起点、渐变终点、变化强度和渐变的矢量方向。

传统手工绘制颗粒泥地时，重点在于颗粒点的大小和形状，并尽量使颗粒点分布均匀，使整体效果均匀自然；在粒子系统的泥地效果仿真时，根据手工绘制颗粒泥地特点，使泥地的微观特性与宏观表象有机地结合在一起，达到有效地表现泥地的宏观整体效果，又要准确地表现泥地颗粒单元的形态与分布的效果，同时要考虑的属性有位置、大小、经纬密度等属性。要想达到泥地的这种微观特性与宏观表象有机地结合在一起的效果，就使颗粒泥地粒子系统以对象形式存在，这种粒子系统包含一个或多个粒子发射器和一个粒子影响器。其中，粒子发射器用于控制发射出来的粒子的属性和方向；粒子影响器则按照一定规则控制粒子生长的形状、大小、生命周期等，使泥地粒子更加真实。对于不同类型的颗粒泥地效果，粒子发射器表现为不同的形态。对于喷枪颗粒泥地，以鼠标箭头作为粒子发射器，生成的泥地粒子是随机均匀地散布在作用空间中的；对于直线渐变颗粒泥地，粒子发射器是沿渐变法向均匀分布的，粒子发射器沿渐变方向发射粒子。

基于粒子系统方法的颗粒泥地，除了表现上述喷枪颗粒泥地和渐变颗粒泥地，还可以用此来表现复杂的像景泥地效果。颗粒泥地粒子发射器和影响器，根据像景图片的明暗度，控制颗粒泥地的大小和疏密程度，最终形成由颗粒泥地粒子组合形成的像景特殊效果。

2.2颗粒泥地粒子仿真过程

2.2.1粒子发射器生成颗粒泥地粒子

粒子发生器可以采用多种形状，例如点、直线、曲线、矩形、圆形、椭圆，并利用粒子发生器控制粒子的发射范围、发射强度、粒子尺寸、粒子形状等特性。任何由粒子发射器生成的粒子，都具有一定的属性。对于颗粒泥地粒子，需要具有以下属性：(1)初始位置；(2)初始大小；(3)经纬密度比；(4)生命周期。

由于颗粒泥地的不规则随机性，粒子发射器生成的泥地粒子的属性也需要具有一定的随机性，建立随机过程函数控制泥地随机性和粒子大小：

NSize = MeanSize + Rand()× VarSize，

其中，Rand是区间在[-1.0，1.0]上均匀分布的随机函数；

MeanSize是该位置泥地粒子大小的平均值，

VarSize是泥地粒子大小的偏差范围。

但是由于各种颗粒泥地效果的特点不同，因此需要针对不同的泥地类型，采用不同类型的粒子发射器，利用随机函数对其进行初始值的分配，控制泥地颗粒单元的形态与分布，并为泥地粒子单元确定相应的表现属性，形成不同形态的泥地粒子单元，使各种泥地粒子各具特色。例如对于喷枪颗粒泥地，将浓度值作用于随机函数，使这种泥地效果从密集到稀疏呈不规则排列；对于沿轮廓渐变的泥地，将粒子发生器按一定密度均匀分布在图案轮廓上，并按轮廓曲线的垂线方向进行发射。

2.2.2利用粒子影响器对粒子进行修正

根据物理动力学原理，结合风力和重力的专业计算数据，建立相应的逼近函数，模拟粒子单元受重力或风等外界因素的影响，改变粒子位置等属性，控制颗粒泥地的宏观整体效果，这样就利用粒子影响器对粒子发射器发射出的粒子进行修正，以达到更逼真自然的泥地效果。例如对于像景颗粒泥地，除了要考虑粒子发射器沿笔迹走向的分布情况外，还要考虑笔划轻重，墨迹扩散等对泥地效果的影响，这就要构建合理的粒子影响器，使粒子的形态和分布更逼真自然，符合像景泥地燥笔风格。

2.2.3利用粒子渲染器对泥地的粒子修饰和渲染

采用粒子渲染器的手段，通过光照、阴影、浓度、消隐处理、几何变化等技术修饰泥地粒子的间距、粒子的形态、粒子消亡的变化趋势，进一步实现纹织泥地的典型特点—图案具有整体的规律性和局部的随机性，使纹织泥地效果在技术上充分实现逼真和美感的要求。例如对于喷枪颗粒泥地，通过构建理想的消隐处理技术，可以逼真地模拟干墨的苍劲效果；对于渐变泥地，按照浓、渐浓、渐稀、稀四部分，进行组织点的长度的渐变，使得这种泥地变化多端, 花纹生动活泼。

3　颗粒泥地粒子仿真实现

3.1喷枪颗粒泥地仿真实现

喷枪颗粒泥地根据鼠标的位置，确定新建粒子发射器的位置。粒子发射器以当前位置为中心，在圆形区域内发射粒子，粒子密度在区域边缘会逐渐衰减。喷枪颗粒泥地算法实现流程图如图1所示。

图1　喷枪颗粒泥地算法实现流程图

3.2渐变颗粒泥地仿真实现

对于渐变泥地，最为重要的是颗粒泥地粒子发射器的方向性。粒子发射器沿特定的方向发射粒子，并且粒子的大小和疏密程度也随距离粒子发射器的远近而发生变化，距离粒子发射器越远，粒子初始大小越小，粒子生命周期越短，粒子最终实现的效果也就会越稀疏，采用粒子渲染器的手段，通过光照、阴影、浓度、消隐处理、几何变化等技术修饰渐变泥地粒子。

算法实现需完成以下内容：

(1)设置渐变强度变化范围；

(2)设置经纬密度、粒子大小等粒子属性；

(3)鼠标操作指定渐变起点、渐变终点和渐变方向；

(4)创建粒子发射器；

(5)粒子发射器沿渐变方向发射粒子；

(6)粒子渲染器修饰粒子的效果。

3.3像景颗粒泥地仿真实现

为实现像景颗粒泥地，首先要将真彩像景图像转换为只具有明暗的灰度图像。根据图像上的灰度值，控制颗粒泥地粒子的分布疏密程度和粒子的大小。泥地效果的优劣最为重要的是控制泥地粒子在微观无序状态下的宏观有序性。为了保证泥地粒子的微观无序与宏观有序，在算法实现时，为图像每个像素根据像素灰度值赋予相关的命中规律，灰度值越小，命中概率越大。粒子发射器在图片区域内随机发射颗粒泥地粒子，但在较暗的区域会命中较多的泥地粒子，而在较亮的区域则命中较少的泥地粒子。

算法实现需完成以下内容：

(1)将真彩像景图像转换为灰度图；

(2)设置经纬密度、粒子大小等粒子属性；

(3)创建粒子发射器；

(4)粒子发射器根据图像灰度值发射命中粒子；

(5)粒子影响器控制粒子生长。

4　实验效果

在VC++开发平台下，对渐变颗粒泥地算法和像景颗粒泥地的算法进行了实现。对于渐变颗粒泥地，通过控制粒子的大小和渐变的方向，可以很好地控制颗粒泥地的渐变效果，通过实验结果可以看出，利用粒子系统方法实现的颗粒泥地渐变效果，既可以保证粒子单元具有较好的颗粒形态，也保证了整体的渐变效果。图2 为直线渐变颗粒泥地效果；图3 为圆形渐变颗粒泥地效果。

图2　直线渐变颗粒泥地效果

图3　圆形渐变颗粒泥地效果

同时，通过实验结果可以看出，利用粒子系统方法实现的像景颗粒泥地效果，既体现了颗粒泥地微观的随机性，又很好地体现了整体的有序性，能很好地表现出像景的形态和明暗效果。图4为 罗丹《思想者》像景颗粒泥地效果，图5为梵高《向日葵》像景颗粒泥地效果。

图4　罗丹《思想者》像景颗粒泥地效果

5　结语

针对纹织物花型设计中遇到的颗粒泥地效果的需求，提出了一种基于粒子系统方法的颗粒泥地计算机自动生成的方法，并在纹织CAD系统中进行了功能实现。

图5　梵高《向日葵》像景颗粒泥地效果

粒子系统理论为纹织CAD中绘制各种颗粒泥地效果提供了可行的方法，但要得到逼真自然的泥地图案效果，首先要根据各类花型绘制的泥地特点，设计出相应的合理完善的粒子发生器、粒子影响器和粒子渲染器。应用Visual C++编程环境，对泥地算法进行实现。通过对纹织CAD中颗粒泥地的实现进行了一定的实验测试,在自动处理花幅宽度40 cm，花幅高度40 cm范围的纹样泥地时，意匠自动处理在1 min内,实验测试结果体现了该算法能很好且快速地表现颗粒泥地的形态和随机性。

参考文献：

[1]Morade Amrani, Behzad Shariat.Deformable Organs Modeling with MultiLayer Particle Systems.[A] Information Visualization[C].2000.Proceedings.IEEE International Conference on.London, UK.2000: 351-356.

[2]石美红.粒子系统模拟泥地的探讨[J].西北纺织工学院学报, 1995，(6):28-30.

[3]罗炳金,陈敏.采用粒子系统的纹织物CAD泥地仿真[J].纺织学报，2015，36(11)：127-131.

收稿日期：2015-11-27

基金项目：宁波市自然科学基金项目(2013A610054)、浙江省教育厅项目(Y201327772)

作者简介：陈敏(1971—)，女，广东紫金人，讲师。

中图分类号：TS116

文献标识码：A

文章编号：1009-3028(2016)01-0039-04

Study on Simulation of Jacquard Granular Mud Based on Particle System

Chen Min1,Luo Bingjin1, Liu Yangfei2

(1.Zhejiang Textile-fashion College,Ningbo 315211,China; 2.Hangzhou ZDJW Computer System & Engineering Co.Ltd.,Hangzhou 310012,China )

Abstract：In order to make granular mud of fabric to achieve the result of the simulation, according to the fabric particles characteristic of gun mud, gradients mud and scene mud ,different types of mud particle generator were created by function of random process, three different particles mud were decorated and by using the particle impact device and a particle renderer ,weave fabric granular mud algorithm was implemented based on computer graphics,and was applied to the fabric CAD system.

Key words：jacquard weaving CAD; particles mud; particle system; simulation