基于互联网的针织CAD系统设计与开发
摘要：采用B/S模式进行互联网针织CAD系统的开发，用户通过访问浏览器站点使用软件。本系统结构主要分为设计层、数据处理层和数据输出层，同时兼容经编、纬编、横编 3 类针织物设计，主要具有花型设计、工艺设计、织物仿真、织物分析、数据输出和产品数据库六大功能模块。本系统面向产品的生产全过程，建有完备的产品数据库，同时具有花型绘制简单、数据处理迅速、织物仿真真实等特点。
关键词：互联网；针织CAD；仿真；数据库
中图分类号：TS181.9 文献标志码：A
The Design and Development of Internet-based Knitting CAD System
Abstract： In this paper， B/S mode was selected to develop the Internet knitting CAD system. The users employ this system by accessing the site through the browser. This system was divided into the following three layers， design layer， data processing layer and data output layer. It is applicable to designing warpknitted， weft-knitted and flat-knitted fabrics with the six function modules， namely pattern design， process design， fabric analysis， fabric simulation， data output and product database. This system geared to the needs of the production process and had a complete product database. At the same time， it had the characteristics of simple pattern drawing， quick data processing and real fabric simulation， etc.
Key words： Internet； knitting CAD； simulation； database
互联网时代的兴起，促进了计算机技术与网络技术的发展，同时也为CAD技术带来了新的发展模式和理念。在公路、机械制造等领域，互联网CAD已经得到快速的发展，具有一定的动态建模以及交流、协作与共享的功能。但针织CAD的互联网化却迟迟没有发展。现有的针织CAD软件大都为单机或局域网的C/S模式，虽然具有很强的交互性与安全性，但因其网络兼容性差，既不能满足目前设计者随时随地进行设计的需求，也不能满足未来分布式生产的发展趋势。
本文综合针织CAD目前的需求，采用最新的网络技术与数据库技术，开发面向针织产品从设计到生产全过程的互联网针织CAD系统。该系统可以更好地打破时空的界限，真正缩短人—人、人—机、机—机之间的距离，不仅具有原有针织CAD的优点，还具有网络协作设计、产品数据库和远程数据输出等一些新的特点。
1 互联网针织CAD系统网络架构
B/S模式是在互联网兴起后的一种软件网络结构模式。客户端只有一个浏览器，而软件的系统功能全部放在服务器上，这样既降低了用户在软硬件上的投入，又简化了软件的开发与维护，也节约了开发成本。因此互联网针织CAD采用B/S模式进行开发。如图 1 所示，在该模式下，软件安装在Web服务器端，用户通过浏览器访问网站即可使用软件，Web服务器又与数据库服务器相连，Web服务器接收用户的指令后完成对数据库服务器的操作，再将结果返回给用户。
2 互联网针织CAD系统结构设计
针织CAD种类繁多，不同CAD软件之间的差异较大，经编、纬编与横编CAD软件之间互不兼容。在生产中，针对于不同机型往往采用不同的CAD软件，这大大降低了CAD软件的应用范围。本文根据实际需求设计了一款功能齐全、兼容性广的互联网针织CAD系统，同时具有经编、纬编、横编 3 种针织CAD软件的设计功能。如图 2 所示，整个系统结构分为设计层、数据处理层和数据输出层。
2.1 设计层
设计层主要实现了用户通过网络访问互联网针织CAD系统并进行设计的功能，用户只需在具有网络的个人电脑或移动设备上打开浏览器，即可以通过访问网站进入互联网针织系统的设计界面。构成设计层的硬件与软件主要由用户的设备决定。
2.2 数据处理层
数据处理层主要实现了用户与CAD软件间交互信息的计算及数据的存取功能。主要包括用户登录信息的核验与调用、用户设计信息的储存与调用等。构成数据处理层的硬件和软件主要依靠Web服务器的硬件、Windows Server 2008操作系统及SQL Server 2008数据库。
2.3 数据输出层
数据输出层主要实现了将用户产生的可用的设计信息传递给车间生产层的功能。本层克服了以往CAD软件不能面向生产全过程的劣势，实现了远程控制生产的功能。构成数据输出层的硬件与软件主要依靠用户客户端设备与生产机器之间的网络设施。
3 互联网针织CAD系统功能与实现
本系统主要在Microsoft Visual Studio 2010平台下，依靠ASP.NET C#、HTML5、JavaScript以及CSS3进行开发。C#控制数据处理、存储与输出以及不同设计界面的切换；HTML5与JavaScript提供设计界面与设计工具；CSS3提供界面的美化以提升用户的体验。如图 3 所示，本系统分为经编、纬编、横编 3 种模式，主要具有花型设计、工艺设计、织物仿真、织物分析、数据输出和产品数据库六大功能模块。
3.1 花型设计模块
根据针织产品的设计特点，本模块主要由花型意匠图、工艺编织图、线圈结构图组成。以纬编单面产品为例，图4（a）为花型意匠图，花型意匠图为织物的图案样式，图中不同颜色表示不同的纱线，用户通过鼠标选择不同的颜色，在网格中进行绘制，网格的长和宽为织物的花宽与花高。为方便操作和存储，引入二维数组C（i，j）。式（1）中：i=0，1，2，…，h-1；j=0，1，2，…，w-1；C（i，j）=n表示在第i+1横列、第j+1纵行的颜色为第n号色；h表示花高；w表示花宽。数组C（i，j）以字符串的形式储存在数据库中。
图4（b）为工艺编织图，原理同花型意匠图，用户通过鼠标选择不同的编织动作，在图中对应的位置进行绘制，同样引入二维数组K（i，j）方便设计与存储。式（2）中：i=0，1，2，…，h-1；j=0，1，2，…，w-1；K（i，j）表示在第i+1横列、第j+1纵行的编织动作；h表示工艺行数，工艺行数一般为花高，在提花编织时为花高的倍数，如两色芝麻点提花工艺行数为花高的 2 倍；w表示花宽。式（3）为K（i，j）的取值，1 ～ 9 表示不同的编织动作。如在设计单面平纹织物时，K（i，j）默认值全为 1，即全为针筒成圈；在进行规律提花编织时，K（i，j）会根据C（i，j）的值自动生成。
图4（c）为线圈结构图，根据K（i，j）与C（i，j）的值，运用贴图的方法在相应位置上贴图，并通过设置透明色的方法实现线圈相互穿套的效果。
在本模块中，用户还可以自行导入位图生成花型意匠图，然后根据需求选择提花编织，如纬编单面提花、双面提花等。
3.2 工艺设计模块
本模块由原料编辑、动作编辑以及上机参数编辑构成。原料编辑包括原料规格、细度、延伸率、颜色等基本数据，原料比根据机号、横密、纵密、克重等数据通过程序计算而得。动作编辑是针对纬编单面浮线添纱织物上机所需要的动作文件而设立的，包括步、圈、针、动作类型、动作名称、动作值与单位。上机参数为织造时所需的基本工艺参数，如送经量、幅宽、横密、纵密、克重等，程序支持自动计算产量与克重。在编辑工艺参数时，程序会给出根据实际生产状况得出的参考值，在一定程度上可以优化编织效率。最终程序根据输入和自动计算得到的工艺参数生成产品工艺单，工艺单包括织造所需的所有信息，如在纬编工艺单上还可根据工艺编织图自动生成生产所需的三角排列、织针排列。
3.3 织物仿真模块
本模块由纱线模拟、织物仿真和产品展示构成。纱线模拟根据针织纱线的结构特征利用计算机图形学实现，能够有效提高织物仿真的效果。织物仿真根据经编、纬编、横编织物的不同特点，选取不同的仿真方法，纬编、横编采用构建图源进行贴图的方法仿真，经编采用NURBS模型实现织物的仿真。产品展示依靠三维仿真技术和虚拟现实技术实现，用户可以选取不同的场景、模特与物品，以模拟产品在实际应用中的效果。
3.4 织物分析模块
本模块由在线织物分析和在线图案检索构成。如图5 所示，用户上传样布的实物图，系统通过图像处理技术，能够得出样布的一些基本参数，如原料、横密、纵密等，并通过与产品数据库其他实物图进行比对，进而输出织物的编织工艺，能够在一定程度上取代人工的布样分析。在线图案检索则针对各种提花、蕾丝织物，能够根据上传的花型纹样的图片或实物图快速检索出数据库中相似的产品，为用户再设计产品时提供参考。
3.5 数据输出模块
本模块主要由生成上机文件、远程控制构成，流程图如图 6 所示。以往针织CAD在设计完产品后生成控制文件，上机时需要通过U盘进行传递。本模块在生成上机控制文件之后通过网络协议与生产机器建立远程连接，直接传输文件，并可对机器进行远程控制，节省了时间和人力。此外本系统兼容经编、纬编、横编 3 种类型的针织物的设计，可生成适用于 3 类织物各种机型的上机文件，并且支持多点传输。
3.6 产品数据库模块
本模块主要由数据导入、数据备份、数据读取构成。每个用户都有属于自己数据库，用户在设计完产品后，选择导入数据库，此产品的所有数据信息都将保存至远程数据库，用户可根据需要随时随地查看数据库，同时可以对数据进行编辑、更新与删除。
4 互联网针织CAD系统关键技术
4.1 界面交互技术
如图 7 所示，在设计界面中，用户通过鼠标、键盘等简单操作完成针织物花型图、编织图的绘制与设计。设计界面主要采用网页前端技术HTML5、JavaScript与CSS3实现网页与用户的交互。HTML5具有优秀的图形处理、三维特效等能力，带有的Canvas对象使浏览器具有了绘制矢量图的功能，有利于实现织物的花型设计。JavaScript是嵌入在HTML5中的一种脚本语言，用于对HTML5的对象进行操作，将捕捉到的鼠标和键盘的操作指令进行处理，然后呈现在用户操作的对象上。CSS3则常用来为网页添加各式各样的动态功能，为用户提供更流畅美观的浏览效果。目前大多数浏览器已支持HTML5、JavaScript与CSS3，其中JavaScript语言不仅在PC端广泛兼容，在手机、平板电脑等手持式设备上也有较好的兼容性。通过HTML5、JavaScript语言与CSS3三者的组合可以很好实现动态网页的交互设计，并使网页具有极佳的外观与动态功能，并具有织物设计方便、数据快速响应等特点，提升了设计者的体验。
4.2 云计算技术
云计算通过互联网将各种软硬件资源以服务的方式提供给终端用户，从而实现各种资源的虚拟化，提高服务的可扩展性。将云计算应用到CAD软件上，其效果主要体现在以下几方面。
（1）大计算量。进行织物仿真时，普通计算机的性能远远不能满足织物真实感仿真所需要的速度。而云计算运用并行计算、分布式计算的方法将计算任务提交到其他多个服务器上运行，以此获得强大的计算能力，十几分钟的仿真计算便可在几秒内完成。
（2）大数据容量。云计算的服务器数量庞大，最大的规模可达百万台。云计算提供的网络数据库，不占用用户本身的存储资源，在云端的数据库打破了时空的限制，用户可根据需要随时随地存取数据库中的内容，还可以同时分享国内外其他生产厂家提供的产品资料，能够得到最新纱线和面料的信息。
（3）高可靠性。云计算采用数据多副本容错等技术保证了数据的安全性，数据放在云端比本地更可靠。
4.3 织物仿真技术
织物仿真技术的发展缩短产品开发周期，用户不必打样即可看到产品的生产效果图，节约了时间和开发费用。如图8（a）纬编、横编织物仿真原理示意图，首先模拟纱线的真实感，再采用Pierce理想线圈模型，模拟真实线圈的形态，然后采用光照模型提高线圈的立体感，并根据式（2）K（i，j）工艺编织图的数学值生成线圈结构的图源，在贴图之前根据式（1）C（i，j）花型意匠图的数学值进行换色处理，最后依次贴图，生成织物的仿真效果图。图8（b）经编织物仿真原理示意图，先使用NURBS模型构建线圈模型，通过光照模型与纹理映射增加线圈真实感，然后通过受力分析，得到线圈受力位移规律控制线圈的形变，最终生成织物仿真图。
4.4 虚拟展示技术
在设计中引入虚拟展示技术，通过图形学、图像处理及三维建模等技术对织物的真实感进行模拟，在设计过程中就可看到织物穿在人身上或在使用中的效果。借助此技术，也可运用在商家的纺织品展示及消费者的个性化定制中。目前有 3 种比较实用的虚拟展示技术。
（1）以图像为基础的虚拟展示技术，通过大量不同角度的图片组合成织物的三维立体效果；（2）以文本语言为基础的虚拟展示技术，利用虚拟现实建模语言VRML实现三维立体模型；此技术基于网络，用户通过浏览器即可直接接受展示信息，因此互联网针织CAD采用此项技术开发虚拟展示系统；（3）以三维数字模型和场景为基础的虚拟展示技术，利用三维数字模型软件将实物转换为三维模型并置于虚拟场景中。
4.5 个性定制技术
当用户在挑选商品过程中无法找到自己所满意的商品时，往往想通过自己的设计来获取一个最合适的商品。个性定制不仅增加了消费者的主观能动性，也能为生产商节约生产成本，可根据消费的喜好生产市场接受力强的商品。相比电子商务，互联网针织CAD软件依靠其强大的设计、仿真与虚拟展示的能力，可以更好地发挥个性定制技术的优势。用户可以自行上传喜欢的图案，选择满意的组织进行填充，通过虚拟展示观看成品效果。系统还与生产厂家与电商平台建立联系，用户可选择直接与生产厂家联系织机上机生产或进入电商平台选择订购服务。
5 结语
本文开发的互联网针织CAD系统除具备单机版CAD的功能外，还具有以下特点：缩短了产品的生产周期；面向产品的生产全过程；网络运行，不受时空的限制；具有完备的产品数据库，有效地管理了产品信息；有效降低用户在软硬件上的投入；具有个性定制功能。通过实际应用，达到了从设计到上机一系列动作的目的，且在网络上操作更简单易行，实现了针织CAD软件由“计算机辅助”到“网络辅助”、由“购买软件”到“购买服务”的转变。
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