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纬编针织物三维仿真的研究pdf

发布时间：2026-01-31 12:34:16 丨 浏览次数：773

　　摘 要 近年来，国内外开发了很多商品化的针织CAD(ComputerAidedDesign)软 件，它们可以自动生成织物的模拟图像，以替代产品反复试织、打样的过程，大 大提高了针织产品设计效率。但目前这些CAD软件多采用二维仿真模式，体现 不出织物的立体效果。因此，本课题针对纬编针织物三维几何结构建模和仿真进 行了研究。 维几何结构模型。在此基础上，通过对织物组织特征进行分析及改变纬平针线圈 正反面及厚度方向的起伏得到了罗纹、双罗纹和双反面组织的线圈模型，并通过 组合和变化建立了集圈、浮线、衬垫、移圈等不同织物组织的线圈几何模型。 应用三维几何造型技术实现线圈三维造型。基于NURBS曲线构造线圈纱线 中心线，使用管曲面方程求出纱线截面圆上的离散点，由这些离散点，使用贴片 法在纱线表面构造若干四边形，生成管状的纱线曲面，从而得到纱线和线圈的三 维造型。 通过设置光照、材质属性、纹理映射等实现了线圈几何造型的真实感渲染。 考虑实际纱线表面比较粗糙的特征，运用微平面理论，使用贴片法构建了横截面 为锯齿形，具有捻度、毛羽和股线效果的纬编针织物三维线圈造型。 最后，在前面建立的线圈中心线几何模型、三维造型及真实感渲染技术的基 础上，使用Visual C++和OpenGL库函数，设计了织物仿真算法，实现了一个纬 编针织物三维仿真系统。系统包括文件模块、视图模块、基本组织仿真模块、花 色组织仿真模块、辅助项模块等。通过交互式地输入花型参数、线圈参数、纱线 参数，系统可以进行主要纬编组织的设计及三维仿真，还可对组织进行放缩，以 及从不同的角度观察织物的结构。通过与真实织物对比可以看出，仿真结果能够 清晰地显示出三维状态的线圈串套关系和织物组织，纱线连续性、光顺性好，捻 度和毛羽表现比较逼真。通过仿真测试，验证了织物模型和仿真算法的正确性和 可靠性。 关键词：纬编针织物；线圈几何模型：样条曲线；NURBS；OpenGL；三维仿真 ABSTRACT Inrecent lotofcommercialknitted Aided years，a ComputerDesign(CAD) softwarehasbeen inandabroad．ThesesoftwareCanobtainsimulation developed the the worktest of fabric of and images automaticallyreplacingrepeat weaving greatly the ofknitted designdrawing，whichimprovesdesignefficiency products． CADsoftwarefailtoshowthethree—dimensionaleffectofthefabric However,these two-dimensional researcheson mainlybyusing mode．Therefore，thisstudymainly the three—dimensional andsimulationoftheweftknittedfabric． geometricalmodeling tothe structure andmeasurement Accordingprocess analysis experiments，the centralaxis modelof 17data isconstructedbased geometricalplain loop谢廿l points onnon-uniformrational as this B-spline(simplyNURBS)．Onbasis，rib loop， interlockand modelsare the loop purlloop’Sgeometrical developedbyanalyzing characteristicsoffabricand t}ontandbacksidesand anddownsof changing ups thicknessdirectionof tuck plainloop．Thestitch，floatstitch，fleecystitch，transfer stitchof modearecreated the ofthosebasic loop combiningchange geometrical by structures． loop 3Dmodelof isrealized3D loop by geometricmodelingtechnology．Theyam centerlineof iscreated NURBScurve．Tubesurface areused loop byusing equations tocalculatethediscreteonthecircularcrosssectionofthe onthese points yam．Based discrete certainnumberof the areobtainedon surfaceofthe points，a quadrilateral tubular surfaceandthen yarnusing method，obtainingyarn achieving patch three—dimensionalsurfacemodels and ofyamloop． Therealistic of modelisrealized the renderingloop bysettinglight，material texture viewofthe surfaceoftheactual properties，andmapping．In rough yam，the of three·dimensionalmodelweftknittedfabric、Ⅳitll and loop twisting，hairiness strandeffectsiscreatedthe ofmicro and method． usingtheory planepatch ontheformercentralaxis modelsof Finally,based geometrical loop， and three-dimensional modelingphotorealisticrendering simulation are andaweft three·dimensional algorithmsdesigned knitting simulation isrealized VisualC++and functions．The system byusing OpenGLlibrary system includesfile knittedstructuressimulation module，viewmodule，basic module，fancy structuressimulationmoduleand optionsmodule．Byinteractivelyentering pattern, and Can mainweftknittedfabricandachieve loop yamparameters，thesystemdesign from three．dimensionalsimulation．ItalSOearlscalethestitchandview也estitch not different withthereal results directions．Bycompared fabric，simulationonly andfabric thethree．dimensionalsta血lsofintermeshed structures， clearlypresent loops butalsoshowthe aswellasvividtwistandhairiness． continuous．fairingyam the and offabricmodelandsimulation simulation，the validity Through reliability arebothverified． algorithm knitted modelof words：weft curve；NURBS； loop；spline Key fabric；geometric simulation three．dimensional 目 录 第一章绪论…………………………………………………………………………。1 1．1课题研究背景…………………………………………………………………．1 1．2纬编针织物建模与仿真研究现状……………………………………………．2 1．2．1针织CAD技术的现状……………………………………………………3 1．2．2纬编针织物建模与仿真研究的现状………………………………………6 1．2．3存在问题…………………………………………………………………．13 1．3课题研究的目的与意义………………………………………………………14 1．3．1课题研究的目的…………………………………………………………．14 1．3．2课题研究的意义…………………………………………………………．14 1．4课题研究的主要内容和方法…………………………………………………15 1．5课题研究的技术路线…………………………………………………………16 7 1．6论文的组织结构………………………………………………………………l 第二章纬编针织物组织与三维几何造型技术……………………………………19 2．1概述……………………………………………………………………………………………………．19 9 2．2纬编针织物组织及其特性……………………………………………………l 2．2．1纬编基本组织及其特性…………………………………………………．19 2．2．2纬编花色组织及其特性…………………………………………………．22 2．3三维几何造型技术……………………………………………………………24 2．3．1参数曲线和曲面…………………………………………………………．25 2．3．2样条曲线与曲面…………………………………………………………．29 2．3．3NURBS曲线的反算法……………………………………………………33 2．4常用的三维几何造型工具……………………………………………………34 2．4．1交互式几何造型工具……………………………………………………．34 2．4．2纺织专用建模软件TexGen………………………………………………34 2．4．3程序设计语言与库函数类几何造型工具………………………………．35 2．4．4讨论………………………………………………………………………………………………37 2．5本章小结………………………………………………………………………38 第三章纬编基本组织线圈中心线几何结构模型…………………………………39 3．1概j盔……………………………………………………………………………………………………．39 3．2纬平针线圈中心线几何结构模型……………………………………………39 3．2．1纬平针织物结构分析……………………………………………………．39 3．2．2纬平针线圈上特征点的选择……………………………………………．40 3．2．3特征点坐标的计算………………………………………………………．42 3．2．4纬平针线圈几何结构尺寸测量…………………………………………．43 3．2．5纬平针线圈中心线经验几何结构模型…………………………………．44 3．2．6线圈经验模型的改进……………………………………………………．45 3．3罗纹组织线圈中心线几何结构模型…………………………………………47 3．4双罗纹组织线圈中心线几何结构模型………………………………………47 3．5双反面组织线圈中心线几何结构模型………………………………………48 3．5．1双反面组织正面线圈中心线几何结构模型……………………………．48 3．5．2双反面组织反面线圈中心线几何结构模型……………………………．48 3．6本章小结………………………………………………………………………50 第四章纬编花色组织线圈中心线几何结构模型…………………………………．51 4．1概述……………………………………………………………………………………………………．51 4．2集圈线圈中心线几何结构模型………………………………………………51 4．2．1集圈织物结构分析………………………………………………………．51 4．2．2未封闭悬弧中心线几何结构模型………………………………………．52 4．2．3封闭拉长线圈中心线几何模型…………………………………………．54 4．2．4悬弧与受影响的相邻线圈的连接……………：…………………………．55 4．3浮线线圈巾心线几何结构模型………………………………………………56 4．4移圈线圈中心线几何结构模型………………………………………………57 4．5衬垫组织线圈中心线几何结构模型…………………………………………59 4．6本章小结………………………………………………………………………62 第五章纬编针织物线圈三维几何造型……………………………………………63 5．1概j盎……………………………………………………………………………………………………．63 5．2纬编针织物中纱线的三维模型………………………………………………63 5．2．1纱线仿真研究进展………………………………………………………．64 5．2．2纱线中心线………………………………………………………………．66 5．2．3纱线曲面…………………………………………………………………．68 5．3OrENGL三维几何造型技术…………………………………………………．69 5．3．1线段造型的实现方法……………………………………………………．70 5．3．2球体造型的实现方法……………………………………………………．．71 5．3．3柱体造型的实现方法……………………………………………………．71 5．3．4贴片法实现曲面造型的方法……………………………………………．72 5-3．5讨论………………………………………………………………………………………………．75 5．4线圈三维造型的实现…………………………………………………………76 5．4．1线圈三维造型实现的步骤………………………………………………．76 5．4．2纬平针线圈三维造型的实现……………………………………………．76 5．4．3其它种类线圈的三维造型………………………………………………．79 5．4．4讨j呛………………………………………………………………………………………………．79 5．5本章小结………………………………………………………………………79 第六章纬编针织物线圈三维造型的真实感渲染…………………………………8l 6．1概述……………………………………………………………………………………………………．81 6．2针织原料与纤维的光学性质…………………………………………………81 6．2．1针织原料与针织用纱的分类……………………………………………．81 6．2．2纤维的光学性质和外观…………………………………………………．82 6．3颜色视觉与纱线颜色…………………………………………………………86 6．3．1颜色视觉…………………………………………………………………．86 6．3．2纱线颜色的设定…………………………………………………………．86 6．3．3 OpenGL着色模式…………………………………………………………87 6．4线圈模型的光照与材质定义…………………………………………………88 lI 6．4．1光的电磁理论……………………………………………………………．88 6．4．2简单光照模型……………………………………………………………。88 6．4．3法向量…………………………一………………………………………………………………89 6．4．4在OpenGL中使用光照与材质…………………………………………．90 6．4．5线圈模型光照效果的实现………………………………………………．92 6．5线圈模型的纹理映射…………………………………………………………96 6．5．1纹理与纹理映射…………………………………………………………．97 6．5．2二维纹理映射的原理……………………………………………………．97 6．5．3线圈模型纹理映射的实现………………………………………………．98 6．6线圈模型捻度效果的实现…………………………………………………．102 6．6．1微平面理论………………………………………………………………102 6．6．2纤维与纱线的外观和光照效果分析……………………………………103 6．6．3捻度效果的实现…………………………………………………………104 6．7线圈模型毛羽效果的实现…………………………………………………．106 6．7．1毛羽模型…………………………………………………………………106 6．7．2毛羽效果的实现…………………………………………………………106 6．8线圈模型股线效果的实现…………………………………………………．107 07 6．8．1股线模型…………………………………………………………………l 6．8．2股线效果的实现…………………………………………………………108 6．9仿真效果讨论………………………………………………………………．108 08 6．10本章小结……………………………………………………………………1 第七章纬编针织物三维仿真系统的设计与实现………………………………．111 1 7．1概j苤…………………………………………………………………………………………………．．11 1 7．2系统总体设计………………………………………………………………．11 7．2．1系统需求分析……………………………………………………………111 1l 7．2．2系统开发和运行环境……………………………………………………1 12 7．2．3坐标系与坐标变换………………………………………………………1 7．2．4系统框架结构……………………………………………………………114 14 7．2．5系统逻辑模型……………………………………………………………1 7．2．6系统数据结构设计………………………………………………………115 7．3系统功能模块设计…………………………………………………………．117 7．3．1文件模块…………………………………………………………………117 7．3．2视图模块…………………………………………………………………118 7．3．3选项模块…………………………………………………………………119 7．3．4基本组织仿真……………………………………………………………123 7．3．5花色组织模块……………………………………………………………127 35 7．4系统测试……………………………………………………………………．1 7．4．1时问测试…………………………………………………………………135 7．4．2仿真效果验证……………………………………………………………138 7．4．3分析与讨论………………………………………………………………140 7．5本章小结……………………………………………………………………．141 第八章结论与展望…………………………………………………………………。143 8．1研究工作总结………………………………………………………………．143 llI 8．2结j沦…………………………………………………………………………………………………．．144 8．3系统的不足与进一步发展展望……………………………………………．144 8．3．1不足之处…………………………………………………………………144 8．3．2发展展望…………………………………………………………………145 参考文献……………………………………………………………………………。147 发表论文和参加科研情况…………………………………………………………159 附 录……………………………………………………………………………………………………．163 j蓼C 谢……………………………………………………………………………………………………．171 IV 第一章绪论 第一章绪论 1．1课题研究背景 自从2001年12月中国加入世界贸易组织(WTO)后，我国纺织服装业得到 了快速的发展。加入WTO，对于中国纺织工业直接而深远的影响主要体现在两 方面。首先，入世十年，纺织业是受益最早，也是收益最大的行业，但同时，纺 织业也是最早受到贸易保护主义冲击的行业，在所有制造业中，纺织业经受的挑 战最为严峻。 目前，我国纺织业的产量和出口量占世界总量的半数以上。但是，从总体水 平上看，国内纺织服装业贴牌加工多，自主品牌少，产品设计能力不足。自有品 牌、自主设计开发产品的出口比重还不到10％。纺织企业尤其是中小型企业的“同 质化”现象相当严重，产品单一，无论是在面料设计还是在时尚性方面与纺织较 发达国家相比都相距甚远。可以看出，中国纺织品在国际上出口的主要是大路产 品，产品附加值低，获利水平低，主要集中于低档次、常规产品市场，过分依赖 低成本、行业内部竞相压价恶性竞争和以量取胜的竞争模式IlJ。 最近几年，特别是2008年金融危机以来，由于欧美经济复苏缓慢，我国纺织 业外需持续疲软，出口订单不足，国内需求不旺，同时原材料价格上涨、劳动力 及能源成本大增，人民币升值，融资困难，我国纺织业出口和内销遭遇了真正的 “寒流”，企业经营陷入困境，纺织行业正处于发展的十字路口。在这种情况下， 企业要生存、要发展必须直面国内外复杂的形势和挑战，抓住机遇，进行发展方 式转变，将技术创新放到重要位置上。对于纺织企业来说，必须改变纺织产品的 低端格局，进行产品研发与设计方面的创新工作。而运用数字化创新技术，特别 是CAD技术，实现产品创新，无疑是纺织服装企业在日趋激烈的国际竞争中实现 生存与发展的必由之路。响应国家的“两化”政策，推进信息化和工业化深度融 合，加快以高新技术、先进适用技术改造提升传统纺织制造业的步伐，是走中国 特色新型工业化道路的根本要求。 近几十年来，世界各国的企业界都在致力于企业的信息化，世界经济正在走 向全球化、多元化。全球竞争加上信息化使世界各国从工业经济走向信息经济， 摆脱工业化模式，探索信息化途径，是很多企业所探索的目标。 CAD技术是从20世纪70年代随着计算机图形学进入应用时代而发展起来 的。纺织CAD是CAD技术在纺织品设计领域的应用之一，是最近30多年来迅 天津工业大学博士学位论文 速发展起来的一门综合性计算机应用技术，它以计算机为主要手段来完成各种数 字信息和图像信息的处理，进行纺织产品的设计。 纺织CAD作为一种现代化的有效手段，使设计者摆脱了传统的手工工作方 式，为纺织品市场的“多品种、小批量、高质量、变化快”生产创造了有利条件 吲。20世纪80年代中期以后，图形接口、图形功能日趋标准化，为CAD／CAM 的推广和资源信息的移植创造了有利条件。随着人工智能和专家系统的应用，集 工程数据库、管理系统、知识库、专家系统及用户接口管理系统于一体的 CAD／CAM系统，大大提高了自动化设计水平【3-51。 织物仿真是纺织CAD的重要组成部分，它是利用计算机图形图像技术，并 结合纺织工业的织造工艺，使计算机根据输入的织物组织、纱线排列、纱线种类、 织物密度等有关数据，自动生成织物的模拟仿真图像，以替代产品反复试织、打 样的过程。该项技术使得设计人员不仅能快速地在计算机屏幕上看到直观的织物 仿真效果，还可以打印出逼真的、具有更高分辨率的织物模拟效果图[6】。织物仿 真技术不仅能降低设计人员的工作强度，大幅度提高工作效率，更重要的是能使 纺织产品的开发周期大为缩短，从而更快地应变市场的变化和需求，提高企业的 竞争能力。 在这种情况下，织物建模与仿真方面的研究得到了政府部门的大力支持，“吸 波纺织材料吸波效果的客观评价”研究项目(No．1 1 年度天津市自然科学基金支持计划，本课题是其研究工作的一部分。 1．2纬编针织物建模与仿真研究现状 针织物是纺织品类中的一大类，在纺织品中占据着举足轻重的地位。针织物 编织方法可分为纬编和经编两大类，作为针织成衣的面料大都是纬编针织物。纬 编对加工纱线的种类和线密度有较大的适应性，所生产的针织物的品种也甚为繁 多。纬编针织物既能织成各种组织的内外衣用坯布，又可编织成单件的成形和部 分成形产品。同时，纬编具有工艺流程短，机器设备投资少、易于操作、生产效 率比较高，原料适应性强，品种更新快等优点口3。因此，纬编在针织工业中比重 较大。 同种纤维原料的针织物与机织物相比，主要有以下优点口1： (1)具有较大 的弹性和伸缩性。针织物这种优良的伸缩性，能够适应人体各部位伸展、弯曲的 变化，使针织服装随合人体，穿着既贴身，又能体现出人体曲线)针织 物比机织物柔软性好，穿着舒适感强； (3)具有良好的吸湿性和透气性。 由于针织物具有以上优良特性，近年来越来越受到人们的欢迎，所以纬编针 织物主要用于内衣、外衣、袜子、羊毛衫和手套中(图卜1羊毛衫产品示例咖)。 第一章绪论 中国纺织工业协会数据显示，2012年卜9月，针织行业规模阻上企业主营业务 收入达2025 2亿元人民币，同比增长1l15％：利润总额9362亿元人民币，同 比增长达209％…。 图1-I羊毛杉产品示例 1．2．1针织CAD技术的现状 纬编针织物的种类繁多、结构复杂，为了使纬编针织产品的开发周期人为缩 短，降低设计人员的工作强度，大幅度提高工作效率．国内外开发了很多商品化 的针织CAD软件，这些软件能够快速生成织物的模拟图像，以便提前预览织物 的效果。 针织CAD系统主要是应用计算机图形图像技术实现的，系统的功能有：针 织工艺参数设计，线圈模型设计，针织组织设计，色彩搭配设计，针织面料仿真 设计，针织服装的自动打板、放码、排料和立体效果显示等，大体分为针织圆纬 ”】。在信息化、数字化技术的驱动下，各类针织CAD系统如雨后春笋般出现并 被普及和发展，适应针织产品短周期、小批量、多品种的市场需求。 纬编针织物的主要加工设备是圆纬机和横机．因为横机所织的花型比较多， 近年来电脑横机叉比较流行，所以相关厂家比较侧重于横机花型准备系统的开 发。目前国外的电脑横机CAD系统，知名度比较高的有德国斯托尔(Stoll)的 M1 斯托尔的M1 plus花型设计系统可以按“工艺”方式进行花型程序的设计， 也可以按照新增的“设计”方式进行程序设计，使用MIPlus花型软件可以给 StollCMS任何机型编制程序。该系统在Wmdows操作系统下运行，通过绘图方 式绘制标志视图(符号视图)、编织工艺图和织物结构图，形成所要求的织物结 构，“标志视图”的工作与“工艺视图”和“织物视图”(见图1-2所示)是交互 *津工业大学博±学位论文 式的，当用户在其中一个图形中进行修改后，其他图形也将更新：可以通过标准 模块即建模和创建自己的新建模块方便地进行程序的编制：通过成型模型生成成 型衣片：通过工艺数据行和相应的对话框输入、修改和选择工艺参数，如：密度、 牵拉、速度等，见图1-2。 }匿 II_重 謦 #i= ■_E盘_ 图1-2M1 plus工艺和织物仿真视图 岛精的SDS—ONE系统具有款式设计、面料设计、图案设计、纸样设计、放 码和排版、编织工艺设计、纱线设计、织物模拟、三维虚拟试衣等功能，己达到 很高的水平，见图1-3、图1．4、图1-5㈣、图1—6㈣。 图l-3SDS—ONE系统的工艺视图 第一章绪论 图14SDS-ONE系统的织物仿线 SDSq)NE系统的毛衫衣片图 图I-6SDS4DNE系统的虚拟试衣图 国内开发的横机CAD软件有深圳市盈思维软件有限公司研发的“富怡纺织 服装图艺设计系统一毛衫工艺软件”…l。 上海市双九实业有限公司推出的“Process毛衫工艺设计系统”．是一个专门 为针织行业提供的集成工艺设计、图案设计和工艺信息统计等功能的CAD系统 [121。 北京艺丰彩路科技有限公司研发了“彩路针织设计软件”[131，可以进行毛衫 花型、组织、以及工艺单的设计等。另外，浙江大学、东华大学、武汉理工大学、 天津工业大学、浙江理工大学、武汉纺织大学、浙江恒强、福建贝能等也进行了 相关横机、圆机软件的研究和开发114。42】。 针织CAD技术随着计算机软硬件的不断发展和更新换代，将向更高级、更 天津工业大学博士学位论文 方便、更实用的方向发展，如网络化、三维化、集成化等191。这需要从事针织 CAD技术研究及软件开发的人员进行大量的研究和开发工作。 1．2．2纬编针织物建模与仿真研究的现状 针织物外观和图案效果模拟是针织CAD技术的重要组成部分，多年前国内 外研究人员就已开始对该领域进行探索，逐渐完善的研究体系为今后成熟的针织 物模拟奠定了基础。在计算机上实现针织物仿真的关键在于针织物模型的建立， 研究工作从二十世纪三、四十年代最初的平面线圈建模开始，到目前的三维线圈 模型，经历了大半个世纪的时间，构建了许多针织线圈几何模型，为针织物性能 研究、外观和结构模拟、产品设计和生产等提供了理论基础。在线圈模型建立上， 主要有分段函数法和样条曲线)国外的研究情况 在纬编针织物建模的研究中，国外学者的起步比较早，他们做了大量的研究， 建立了很多学术界比较认可的线圈几何结构模型，包括英国的Chamberlain首次 这些模型主要是采用分段函数法建立的，可用于线圈的力学性能分析与计算[43J。 有些学者提出使用样条曲线，也有些学者提出使用样条 曲线Peiree线圈模型 在以上模型中，早期比较有代表性的是20世纪30年代提出的Peirce线】。它假设在织物完全松弛时，线圈针编弧与沉降弧部分用半圆环来表示，针 编弧与沉降弧之间用圆柱相连，纱线均匀一致、截面为圆形，见图1．715圳。该模 型由直线与圆弧组成，能够代表线圈一定的特性，模型的建立也比较简单，是早 期研究线圈几何结构与织物性能关系的模型之一。虽然存在结构过于理想化的缺 点，但它为后续线圈模型的研究奠定了基础【5剐。 6 第章绪论 长度之间的关系‘5”。此模型存在松紧系数，能更好地反映实际织物种线圈的松紧 情况。模型由4个互相对称的空间圆弧连接而成，其侧面表示出线圈厚度的变化． 因而能够代表线tsg]。 飞黼。 哪遂 (时模型正面 (b)模型侧面 图l-8Leaf和Glaskin模型 Munden模型假设线圈为完全弹性体，导出了针织物的线圈长度与织物尺寸 之间的明确的数学关系。Munden模型考虑了纱线的抗弯性和内应力，是基础性 的物理模型㈣。 图I-9纬平针组织三维线框模型 行三维模拟，构造出了纬编基本组织的三维线【删)。 在近期的研究中，Kurbak等将线段，并 对各段分别建模，其中针编弧和沉降弧为椭圆，圈柱段走向可看作绕圆柱体旋转 等”1稍’还提出了纬编针织物的可压缩螺旋型模型，双反面组织线圈模型，以及集 天津I业大学博士学位论文 圈、提花等组织的线圈模型等 》。逝一闻 褒娃 瞄 (曲线圈中心线 (b)线)国内的研究情况 国内从事线圈模型研究的主要是高校纺织类专业的教学、科研人员，大约从 上世纪九十年代开始起步，最近的十年是研究比较活跃的时期。 1)分段函数法 武汉纺织大学的陈明珍、五邑大学的孙锋等删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。 东华大学的汪育桑、冯勋伟等呻1通过对构成纬编提花针织物的基本线圈单元 成圈(平针)、集圈和浮线进行几何结构分析．采用圆切直线的方法建立了成圈 线圈、集圈线圈的三维几何模型，并进行了消隐处理．开发了一套纬编提花针织 物计算机辅助设计系统，见图l一1l脚I。 镦黼 (曲集匿线圈几何模型 (b)仿线集圈线圈几何模型及其仿真效果 东华大学的史晓丽、耿兆丰等㈣以Peirce模型为基础，将圈柱用圆柱代替， 圈弧用圆弧代替，建立了三维的线圈模型，并通过光照、消隐等方法实现了针织 线圈的模拟。 东华大学刘夙、龙海如等16Sl所做研究是分段函数法中比较典型的。在Peirce 线圈模型的基础上，根据针织物空间几何结构的特点，建立了由几段用基于正弦 函数的参数方程表示的空间圆弧和曲线连接组成的三维平针线圈几何模型，并在 OpenGL平台上成功模拟出纬平针织物线圈在三维空间中相互串套的效果，体现 出了织物的厚度和三维起伏效果(见图l一12、1一13t“I)。 鋈鋈鎏羹 图卜14纬平针线花型模拟效果 线方程、正弦和余弦函数等建立了新的三维针织线圈参数化模型，使用OpenGL 的球体函数实现了平针、罗纹、提花、移圈等多种针织物的模拟，见图1—16t，I。 天津I业大学博±学位论女 (钔纬平针止面 b)1+1罗纹 (c)单面提花 (d)移圈 图I．16针织物组织模拟效果 南通大学的张小萍、陈金虎等㈣平针线圈三维模型的建立采用圆弧切直线方 法，使用VRML虚拟现实造型语言进行羊毛衫织物组织和衣片造型的设计。 武汉纺织大学的赵磊p”以Peirc2经典纬编模型为基础，利用三角函数的组 合来拟合纬编针织物的基本线圈单元(成圈、集圈、浮线、移圈)的弯曲形态， 在计算机图形学原理和OpenGL的基础上利用二维网格模拟由线圈构成的部分 织物并将网格单元与线圈单元动态关联实现线圈受力变形模拟，通过用线圈结构 图设计纬编织物，实现了从数组到意匠图再到结构图的便捷而直接的仿线 1 1 1 1 j 1 1 蕊 (曲组织数组 (”仿线单针单列集豳组织数组与仿真图 武汉纺织大学的何碧明、盂先林等㈣采用参数化方式对成圈、浮线、集圈和 移圈等线圈分别建立几何模型．然后采用逻辑位理论方法实现了这几种不同线圈 之间的联动效应．并结合vc++和OpenGL混合编程技术，得到了所需要的羊毛 衫花纹的三维仿真模型，实现了羊毛衫花纹效果的仿线t”I。 磁擞鼢锄 fa诚圈 (b)集豳 (c)浮线线圈几何模型 中原工学院赵华菲、刘哲等m1构建了基于Peirce线圈结构模型，采用关键点 控制法建立羊毛衫线圈的三维模型，给出了三维线圈整体描述及分段描述公式， 第一章绪论 最后采用VB6．0编程验证了该算法的有效性．并对其效果进行了分析。 2)样条曲线法 浙江理工大学的蒙冉菊、方园等I”在对纬编针织物结构主要参数及其变化关 系分析研究的基础上，运用NURBS样条曲线进行纬平针线圈单元的数学建模， 并进行了实验验证，见图1．19t川。 煲卜)帮 ra)主视图 (b)侧视图 (c)俯视图 图1．19线圈模型图 浙江理工大学的王辉、方园等{75牲Peiree模型的基础上，运用B样条曲线 进行线圈形态的控制和线圈模型的优化，并对优化线圈模型的实用性和精确性进 行了实验验证分析。 南通大学的瞿畅、王君泽、邓婕等陋7”以Pierce模型为基础．采用圆形截面， 参照现实针织物线圈在空间中的立体结构，由三次B样条曲线三维线线圈模型中心路径 图l一22平针组织模拟效果 图1-23罗纹组织模拟效果图1．24双反面组织模拟效果 东华大学的吴周镜、宋晖和李柏岩等I”I在Peirce线圈模型基础上，引入B 样条及椭圆描述线圈，从而建立三维几何线圈模型。根据纱线线圈的中心线走向， 天律I业大学博±学位论文 将线圈分为两个部分：弧段和圈柱，弧段(如针编弧、沉降弧)用椭圆描述，圈 柱用三次B样条曲线模拟t用余弦函数来表现线圈起伏。利用Or,enGL和vc++． E”l。 并结合光照模型，实现了针织物结构的模拟，见图I-25 圈1．26具有纹理效果的线其它方法 浙江理工大学的张克和、方园等””运用有限元法对针织物进行建模，并进行 系统分析，得到了纬编组织密度极限值的计算方法。模拟出了平针、罗纹、双反 面组织的三维效果，见图1-271“I。 町平针组织 ㈣双反面组织 0)罗纹组织一 (d)罗纹组织二 图1-27织物模拟显示效果 第一章绪论 西安航专的杜虎兵【82】在分析针织物纱线空间曲线变化的基础上，建立了针织 物线圈单元结构模型，运用线圈单元模型分析了针织纬编平纹、罗纹、双反面组 织的几何参数，计算了纬编三种基本组织极限密度结构的线圈单元长度。 总的来说，随着研究工作的不断深入，线圈几何模型的研究体现出了从二维 到三维、从简单到复杂的趋势，模型的精确度越来越高，织物仿真效果也越来越 逼真。从线圈建模方法来看，采用分段函数法进行线圈建模不需用复杂的数学知 识，计算机编程相对比较简单，但几何模型建立比较复杂，形态变形控制性差， 存在形态单一的缺陷，不能很好适应线圈形状的变化；而使用样条曲线法进行线 圈建模，几何模型表达式比较简洁，形态控制容易，适应性好，只是用到的数学 知识难度相对较大。 1．2．3存在问题 近年来，国内外开发出了多种纬编针织CAD软件，特别是随着电脑横机的 普遍应用，毛衫设计软件得到了迅速的发展，在针织企业的应用已经非常广泛， 这提高了企业设计效率和市场反应的速度。 商业化的纬编针织物CAD系统已经能够提供花型设计、工艺设计以及织物 仿真、织造指令输出等功能，这些系统的织物仿真模块大多采用二维图像模拟的 模式或者视觉上具有一定立体效果的二维或二维半仿真模式，无法对织物外观效 果进行三维立体模拟。但针织物的线圈结构是一个三维对象，在空间上有一定的 起伏和厚度，仅仅用二维的线圈模型体现不出织物的空间结构特征，立体感不强， 不能从任意角度对织物进行观察，不能依此对织物进行物理性能的研究，具有一 定的局限性，从而影响了设计人员在生产之前对织物结构和外观状态的预测以及 纬编CAD系统的推广和使用。因此，对纬编针织物进行三维建模并仿真就成为 纬编针织CAD软件开发中的关键问题。 从当前的研究工作来看，纬编针织物三维几何仿真已成为纺织领域的研究热 点，但仍然存在很多问题，主要如下： (1)研究的广度不够。虽然研究人员已经建立了很多的针织物线圈几何结 构模型，但大多数都是针对针织物基本组织的，针对花色组织建模的研究还比较 少。 (2)研究的深度不够。已有的三维仿真研究表现出了线圈的形状和结构， 但纱线看起来类似光滑的塑料效果，体现不出织物柔软、毛绒的感觉，即纱线表 面的毛羽、捻度、股线等没有体现出来，逼真度不够，真实感效果还比较差。 (3)研究的实用程度不够。同二维几何模型相比，线圈三维几何模型的复 杂度大大增加，降低织物仿真的速度，使得运行时问比较长，从而影响了三维仿 天津工业大学博士学位论文 真的实用化，这也是三维仿真中需要解决的问题。若能够使模拟效果有很大的改 善，并且显示速度足够快，将其应用到国内针织CAD的开发上，会明显提高国内 针织CAD的技术水平，提高纺织企业产品的竞争力，从而为纺织企业带来更好的 经济效益。 由于纬编针织物材料和花色的多样性、结构的复杂性、形状的不规则性都给 织物的造型和仿真带来很大的困难，因此三维针织物仿真技术仍然需要深入地进 行探讨。 1．3课题研究的目的与意义 1．3．1课题研究的目的 纬编针织物可用于服装、装饰和产业用织物。随着人民生活水平的提高，针 织品市场需要更多花色新颖的、高档的、甚至具有特殊用途(如：防水拒油、防 静电、防紫外线、阻燃等)的纬编新产品。这就需要提供产品的设计速度和质量， 而常规的设计方法完全依赖于设计人员的手工和脑力劳动，要花费设计人员很大 精力而且延长了设计周期，限制了新产品的开发速度。而现有的CAD方法虽然提 高了设计效率，但是只能看到织物的平面效果，看不出线圈的起伏和立体效果， 不能令人满意。 因此，本课题的研究目的在于深入分析纬编针织物的结构特征，科学合理地 建立基本组织和花色组织线圈参数化三维几何模型，采用样条曲线方法、贴片法 和纹理映射技术构造线圈的三维几何造型，提高纬编针织物模拟的立体效果，特 别是毛羽、捻度等的表现，探讨通过程序设计实现织物三维真实感仿真的方法， 并最终使用Visual C++和OpenGL实现三维仿线课题研究的意义 目前，针织业仍是中国传统制造业中的重要行业，对解决劳动力就业发挥了 重要作用。但传统制造业不能一直是传统制造业，需要积极地从其他高新技术学 科汲取营养，并与其他新兴产业相结合，才能发展成为一门技术含量高、附加值 大的产业，这样针织业才有光明的前途。而对纬编针织物进行建模与仿真是纬编 针织技术与微分几何、计算机图形学、信息技术等的紧密结合，具有重要意义， 具体如下： (1)针织物外观和图案效果模拟是针织CAD技术的重要组成部分，而目前 国产的针织CAD系统与国外先进水平的差距还比较大。通过对纬编针织物的三维 仿真进行研究，有利于促进国内针织CAD技术的进一步发展。 14 第一章绪论 (2)有利于对织物的外观性能进行预测，以便找出引起织物尺寸改变的有 效参数。织物线圈结构形态与织物的线圈长度、密度、脱散性、延伸性、弹性、 强力、抗起毛起球性和勾丝性等关系密切。通过纬编针织物结构分析研究，建立 线圈几何模型，能正确预测纬编针织物外观性能。 (3)是建立纬编针织物物理模型，研究织物的力学、电磁学、光学、热学 性能，以及对织物进行动态仿真，服装三维虚拟试衣的基础。 (4)还可以用于产业用针织品，以及特殊功能针织品的研发。 因此，无论从应对国际市场形式还是从提高我国纺织企业竞争力来看，加快 针织CAD技术的研究和开发显得非常紧迫。针织CAD建设能提高我国纺织业 的产品质量、企业创新能力、市场反应能力，对提高纺织业的国际市场竞争力、 实现产业升级具有重要意义。 1．4课题研究的主要内容和方法 本课题研究的的主要内容是通过对纬编针织组织进行分析，建立线圈三维几 何模型，然后使用Visualc++和OpenGL实现纬编针织物组织的计算机三维仿线)纬编针织物组织的结构特征和线圈中心线几何结构模型的建立 纬编针织物包括纬编基本组织和花色组织，虽然织物种类繁多，但是不管什 么种类或多么复杂的织物，大多都是在正常成圈、集圈、浮线、衬垫等基本线圈 基础上进行变化、组合形成的，它们比较有代表意义。本课题将对这几种典型线 圈的结构进行深入分析，研究线圈高度、宽度、厚度、纱线直径以及线圈起伏等 方面的关系并进行数学描述，从而建立参数化的三维线圈中心线几何结构模型， 为织物组织仿线)纬编针织物线圈三维几何造型的实现和真实感渲染 纬编针织物线圈是由纱线形成的，因此首先要进行纱线实体的建模。纱线可 以认为是由中心线、曲面构成的，也可以认为纱线是由截面沿中心线扫掠而成。 构成针织物线圈的纱线是不规则的空间曲线连续，光顺性 好的特点，完全可以使用样条曲线来构造纱线中心线。通过在纱线中心线上构造 与中心线垂直的横截面并使其离散化，以横截面上的离散点以及相邻横截面上的 对应的离散点为基础构造若干小的多边形，就可以建立纱线的曲面模型。以纱线 曲面模型为基础，结合不同线圈的几何模型，利用OpenGL中的颜色、光照模型、 材质处理和纹理映射等技术，就可以实现线圈和组织的真实感图形以及捻度、毛 羽等效果。 (3)织物组织设计与纬编针织物三维仿真系统的实现 天津工业大学博士学位论文 为了实现纬编针织物的三维仿真，要先研究常用的织物意匠图和组织结构的 关系以及仿真算法设计。这样用户首先可以使用意匠图交互式的进行织物组织设 计，然后就可以实现与所设计组织对应的织物的三维仿真。系统开发工具使用功 能强大的Visual C++和OpenGL，系统应具有线圈和织物参数设定、视图放缩、 变换观察角度、使用不同实体模型、数据输出等功能。为了提高三维仿真的实用 化程度，还需要对使用不同实体模型的仿线课题研究的技术路线 本课题研究的技术路线为：线圈几何建模-织物仿真方法-仿真算 法和系统设计，具体见图1．28所示。 j-一一一一一一一一一一一 L—— 图1．28课题研究的技术路线论文的组织结构 本论文共分八章，具体结构安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了本课题研究的背景、研究现状、主要研究内容、 关键性技术、研究意义。第一节主要介绍课题背景和来源，第二节介绍了纬编针 织物建模与仿真研究现状，第三节是课题研究的目的与意义，第四节为课题研究 的主要内容和方法，第五节是课题研究所采用的技术路线，第六节是论文的结构 安排。 第二章是课题研究所需要的基础理论部分。第一节概述了本章的主要内容， 第二节阐述了纬编针织物的种类以及性能特点，第三节介绍了建立几何模型所需 要的计算机图形学中的三维几何造型技术，第四节介绍了在计算机中常用的几何 建模工具，第五节是本章小结。 第三章为纬编基本组织线圈中心线几何结构模型。第一节阐述了本章的主要 内容和思路，第二节介绍了纬平针线圈中心线的建模，第三节、第四节、第五节 介绍了基于纬平针线圈的罗纹、双罗纹线圈、双反面组织线圈等中心线几何结构 模型的建立过程和方法，第六节是本章小结。 第四章是介绍纬编花色组织线圈中心线几何结构模型的建立。第一节简要介 绍了本章的主要内容，花色组织模型是在纬平针线圈中心线几何结构模型的基础 上建立的，第二节阐述了集圈线圈几何结构模型的建立，第三节介绍了浮线线圈 中心线几何结构模型的建立，第四节介绍了移圈线圈中心线几何结构模型的建 立，第五节为衬垫线圈中心线几何结构模型的建立，第六节是本章小结。 第五章介绍纬编织物线圈的三维造型的实现方法。第一节为本章概述，第二 节介绍了构造纱线三维模型的方法，第三节阐述了OpenGL的图形绘制功能，第 四节介绍用OpenGL和三维几何造型技术构造线圈三维模型的步骤，第五节是本 章小结。 第六章是纬编线圈三维造型的真实感增强。第一节是本章概述，第二节阐述 了构造针织原料和纤维的光学性质，第三节介绍了线圈仿真中颜色的设定，第四 节介绍用OpenGL进行线圈仿真时的光照和材质的定义，第五节介绍生成具有纹 理映射的线圈的方法，第六节介绍如何生成具有捻度、毛羽效果和股线效果的线 圈仿真图形，第七节是本章小结。 和实现。第一节为本章概述，第二节阐述了系统的总体设计，包括需求分析、系 统结构、逻辑模型和数据结构设计，第三节介绍了系统的功能模块设计，包括文 件、选项、基本组织仿真、花色组织仿真等，第四节介绍了系统的运行时间测试、 天津工业人学博士学位论文 效果验证和讨论，第五节是本章小结。 第八章是本课题研究工作的总结与展望。对纬编针织物三维仿真研究进行总 结，系统、全面地概括了本论文的主要研究内容，详细归纳了研究工作的结论， 针对论文工作中的不足、需要完善的地方以及未来研究的发展趋势，提出一些意 见和建议，以供后续工作参考。 第二章纬编针织物组织与三维几何造型技术 第二章纬编针织物组织与三维几何造型技术 2．1概述 纬编针织物的三维仿真包括线圈几何模型的建立、三维几何造型的表示、光 照处理、模拟实现等过程。本章作为课题研究的理论基础，主要包括以下内容： 介绍纬编针织物的各种组织及其特性，以便对纬编针织组织的种类和结构有 比较清楚的认识，这是线圈几何结构建模(工艺建模)的基础。 阐述曲线曲面的理论。线圈的仿真离不开三维几何造型技术，它是计算机图 形学中的重要内容。这些涉及到参数曲线曲面、样条曲线曲面等微分几何方面的 理论知识。 选择一种比较适合的几何造型工具。线圈模型建立完成后要在计算机屏幕上 进行仿真实现，必须要使用几何造型工具。目前这类工具软件很多，需要从中选 择出一种比较适合于线圈三维仿线纬编针织物组织及其特性 针织物组织定义为组成针织物的结构单元(线圈、悬弧、浮线)以及附加纱 线或纤维集合体的配置、排列、组合与联接的方式。针织物种类很多，一般专业 上通常用组织来命名和分类以及表征其结构。纬编针织物的组织种类很多，一般 可分为原组织、变化组织和花色组织三类【83‘髓】。原组织是构成所有针织物组织的 基础。原组织包括纬平针组织、罗纹组织和双反面组织。变化组织是由两个或两 个以上的原组织复合而成，如双罗纹组织。原组织和变化组织统称为基本组织。 花色组织是在纬编基本组织的基础上采用编入附加纱线、变换或取消成圈过程的 个别阶段，从而改变线纬编基本组织及其特性 (1)纬平针组织的结构和特性 纬平针组织又称为平针组织，它由连续的单元线圈向一个方向串套而成，它 是单面纬编针织物的基本组织，广泛用于内衣、外衣、袜子、羊毛衫和手套生产 中【83-8S]。 19 X津T业大学博士学位论文 瓣瓣 (a)织物正面 (b)织物反面 图2-1纬平针组织的结构 纬平针组织的结构如图2—1口”所示，纬平针组织的两面具有明显不同的外观。 图2-1(a)所示为织物正面，正面主要显露线圈的圈柱，呈现正面线圈效果。成圈 过程中．新线圈从旧线圈的反面穿上正面，纱线上的结头、棉结杂质等被旧线圈 阻挡而停留在反面．因正面与线圈纵行同向排列的圈柱对光线有较好的反射性， 故正面平整光洁。图2-1(b)所示为织物反面，反面主要显露与线圈横列同向配置 的圈弧，即由横向相连的圈弧形成的波纹状外观，由于圈弧比圈柱对光线有较大 的漫反射，因而织物反面较为粗糙暗淡mJ。 (2)罗纹组织的结构和特性 罗纹组织是双面纬编针织物的基本组织，它由正面线圈纵行和反面线圈横行 以一定组合相间配置而成“¨…。 图2—2为一种最基本的1+1罗纹组织的结构【8邓“。它由一个正面线圈纵行a 和一个反面线圈纵行b相问配置组成。圈2-2(a)是在横向拉伸时的结构，图2-2(b) 是自由状态时的结构，图2-3(c)是在上机时的线罗纹组织的正、 反面线圈不在同一平面上，这是因为沉降弧需由前到后或由后到前地把正、反面 线圈相连，使得沉降弧产生较大的弯曲和扭转。由于纱线的弹性，它力图伸直， 使正面线圈纵行有向反面线圈纵行前方移动的趋势，结果相同的线罗纹组织两面都具有圈柱组成的直条凸纹的表面，只有在拉伸时，才 露出它们之间的横向圈弧¨q。 瓣瓣翁 (幻横向拉伸时 (b)自由状态时 0)上机配置 图2-2I+1罗纹组织 第二章纬编针织物组织与三维n何造型技术 (3)双罗纹组织的结构和特性 双罗纹组织俗称棉毛组织，其坯布称为棉毛布．常用来缝制棉毛衫裤、T恤 衫、运动衣裤等。双罗纹组织是由两个罗纹组织彼此复合而成的，即在一个罗纹 组织的线圈纵行之间配置着另一个罗纹组织的线圈纵行，它是罗纹组织的一种变 化组织[83-sa】。 图2-3为双罗纹组织的线圈结构图。由图可见，一个罗纹组织的反面线圈纵 行被另一个罗纹组织的正面线圈纵行所覆盖，两面的纵行是彼此相对被牵制住． 不会因拉伸而显露反面线圈纵行，在织物的两面都只能看到正面线圈，所以也称 为双正面组织【删。 由于双罗纹组织是由相邻两个成圈系统形成一个线圈横列，因此在同一横列 上的相邻线圈在纵向彼此错开．如图2—3所示【鲫。 鳓攀瓣 (4)职反面组织的结构 双反面结构也是双面纬编组织中的一种基本组织。它是由正面线圈横列和反 面线圈横列交替配置而成的。在双反面组织中．由于弯曲的纱线段受力不平衡， 力图伸直，使线圈的圈弧向外突出，圈柱往里凹陷，使织物两面都显示出线圈反 面的外观，故称双反面组织[s3-ss】。 图2-4l删是由一个正面线圈横列和一个反面线圈横列相互交替配置而成的双 态。图2-4中l～1所示横列为反面线所示横列为正面线圈横列。 当然，还可以按需要组合成2+1、2+2、2+3等双反面组织[86】。 在双反面组织中，由于纱线的弹性，使得线圈在垂直于织物平面的方向上产 生倾斜，即图2-4(b)中2～2纱线形成的线圈针编弧向前倾斜，而l～1纱线形成 的线圈针编弧向后倾斜。由于线圈的倾斜致使织物两面都是线圈的圈弧凸出在表 面，而圈柱凹陷在里面，如图2-4(a)所示，因而在织物的正、反面看起来都像纬 平针组织的反面，故称双反面组织【sq。 天律1业大学博±学位论立 222纬编花色组织及其特性 针织物采用花色组织的目的在于美化针织物的外观或者改变针织物的特性。 在美化针织物的外观方面，花色组织具有色彩、闪色、起孔、凹凸等效应；在改 变针织物特性方面，花色组织能使之具有良好的保暖性及较小的延伸性等[83-88l。 托色组织的种类很多。常见的主要有集圈组织、提花组织、衬垫组织、移圈组织 等。 (1)集圈组织 在针织物的某些线圈上除套有一个封闭的线圈外，还套有一个或几个未封闭 的悬弧，这种组织称为集圈组织[83-ssl。如图2-5所示I蚓，其结构单元为线圈和悬 弧。 揪燃螨 (a)单针集圈 (b)双针集圈 (0单针三列集圈 图2-5集圈组织的结构 集圈组织可根据形成集圈针数的多少而分为单针集圈和双针集圈等。如果集 圈仅在一枚针上形成，如图2-5(a1所示，则称为单针集圈；如果集圈在相邻两被 针上形成，如图2-5(b)所示，则称为双针集圈：还有三针和四针集圈等。图2-5(a) 和图2—5(b)中b为拉长的线圈集圈，a为悬弧．其余为纬平针线“。 集圈组织根据线圈不脱圈的次数又可分为单列、双列及三列集圈等。图2-5(a) 的线圈b在一枚针上连续三次不脱圈，称为单针三列集圈。一般在一枚织针上最 多可连续集圈4～5次，集圈次数过多．旧线圈张力过丈，则会造成纱线断裂或 织针损坏【洲。 集圈组织可分为单面和双面两种。单面集圈组织是在单面纬平针组织的基础 织一般是在罗纹组织或双罗纹组织的基础上集圈而形成的。 (2)提花组织 按照花纹需要，在每个成圈系统中选择某些针进行编织，以形成带有花纹图 案的组织称为提花组织。提花组织的结构单元是线圈和浮线，它可以具有色彩或 结构花纹效应。提花组织有单面和双面之分．每一种又有单色和多色之分。提花 第二章纬编针织物组织与三维几何造型技术 组织主要是利用不同色彩纱线在织物上适当组合形成各种色彩花纹．也可以利用 多列浮线形成凹凸等结构花纹效应[83-S8I。 图2-6[861为一种结构花纹效应的提花组织，它为素色单面提花。从图巾可以 看出，在某些针上连续多次不进行编织，由于拉长线圈不可能被拉得很长，从而 抽紧与之相连的纬平针线圈，使得纬平针线圈凸出在织物表面，产生凹凸效应IS6l。 图2-6单色单面提花组织 图2．7双色单面提花

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