（服装设计与工程专业论文）针织花型图案自动设计系统的研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、将滤镜方法创造性地引入针织花型图案的处理中，设计出滤镜算 法，对现有图案进行处理，变换出各种绚丽多彩的新花型图案，供设 计人员选择。 二、对生成的图案进行形状的简化、颜色的归纳整合，与系统预设好 的意匠纸进行复合，自动生成适合编织的花型意匠图。 三、利用基于欧氏几何学的数学函数原理、分形原理和弱混沌原理实 现针织花型图案的自动生成，为针织花型图案的设计开创了新的思 路。 四、在v i s u a lc + + 6 0 环境下编写系统程序，经反复调试、修改，得 到效果较好的功能实现代码。系统运行时，通过设定不同的初始值和 参数值，可以生成截然不同的图案，或得出风格迥异的处理效果。 摘要 花型图案设计是针织服装设计中的一项重要内容。传统的花型图案计算机辅 助设计方法依靠设计人员使用计算机软件提供的多种绘图工具来设计图案，对设 计人员的艺术素养和绘图技巧要求高，而且速度慢，效率低，设计周期长。如果 借助计算机，通过数学算法自动生成图案，或对基本图案进行变换，则可以在短 时间内产生大量风格独特、出人意料的花型图案，设计人员只需从中筛选出可用 的花型图案即可。这将大大降低花型图案的设计难度，提高设计效率，从而提升 针织企业的竞争力。 针织花型图案自动设计系统采用了基于数学模型的方法，分别运用传统数学 函数、分形和弱混沌理论来实现图形图像的自动生成；设计滤镜算法来实现图像 的变形处理。滤镜就是对现有图像进行处理，将图像特定像素点的r g b 颜色值 与某一函数进行数学运算，使像素点颜色发生规律性的变换，从而使整个图像呈 现出丰富的变换效果。通过改变函数的参数值，就可以产生意想不到、妙趣横生 的花型图案效果。 本文在研究图形图像自动生成与处理原理的基础上，设计出了图案自动生成 算法、图案变形处理算法、图案色彩处理算法。其中，图案自动生成算法包括数 学函数算法、分形算法和弱混沌算法；图案变形处理算法包括滤镜算法、图案扩 展算法、图案简化算法和花型意匠图生成算法等。 在上述算法的基础上，使用v i s u a lc + + 6 0 开发工具进行了程序设计。系统 分为文件、图案自动生成、图案变形、色彩处理、绘制、常用处理等模块。系统 运行后，选择相应的功能，通过设定不同的初始值和参数值，可以生成截然不同 的图案，或得出风格迥异的处理效果。从得到的图案中选择适合针织物的花型， 借助龙星电脑横机配套系统l k sj i n l o n gk n i ts o t t w a r e 进行织物模拟，以及使用 p h o t o s h o p 进行着装试衣，得到了比较理想的效果。 总之，利用数学函数、分形、弱混沌、滤镜等方法，借助计算机进行针织花 型图案的自动设计，方案可行，前景广阔，为针织花型图案设计提供了一种新的 思路，对针织花型系统开发具有一定的参考作用。 关键词：针织；花型图案：自动设计；滤镜；算法 a b s t r a c t p a t t e r nd e s i g ni sa ni m p o r t a n tc o n t e n to fk n i t t i n gc l o t h i n gd e s i g n t h et r a d i t i o n a l c o m p u t e ra i d e dp a t t e r nd e s i g nm e t h o d sr e l y o nd e s i g n e r st h i n k i n ga n dd r a w i n g ， w h i c hr e q u i r ed e s i g n e rt oh a v eh i g ha r t i s t i ca c c o m p l i s h m e n ta n dg o o dd r a w i n gs k i l l s a tt h es a m et i m e ，t h e s em e t h o d sh a v eas l o ws p e e da n dal o we f f i c i e n c y , t h ed e s i g n c y c l e i sl o n g w i t ht h eh e l po fac o m p u t e r , a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ep a t t a r n so r t r a n s f o r mt h eb a s i cp a t t a r n st h r o u g ht h em a t h e m a t i c a la l g o r i t h m ，c a l lq u i c k l yg a i na l o to fp a t t e r n sw h i c hh a v eu n i q u es t y l e sa n db e y o n dt h ep e r s o n si m a g i n a t i o n w h a t n e e dd e s i g n e rt od oi st os e l e c tt h ep a t t e r n sc a nb eu s e di nk n i t t 吨c l o t h i n g t h i sw i l l g r e a t l yr e d u c et h ed i f f i c u l t yo fp a t t e r nd e s i g na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y , s oa st o e n h a n c et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo f k n i t t i n ge n t e r p r i s e s t h i ss y s t e mb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e lr e s p e c t i v e l yu s i n gm a t h e m a t i c a l f u n c t i o n st h e o r y , f f a c t a lt h e o r ya n dw e a kc h a o st h e o r yt or e a l i z et h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o no fi m a g e ，a sw e l la su s i n gf i l t e rt h e o r yt or e a l i z et h ed e f o r m a t i o np r o c e s s o fi m a g e t h ef i l t e ra l g o r i t h mi sv e r ys i m p l ei nt h e o r y , o n l yf o r m e db yc h a n g i n gt h e r g bc o l o rv a l u eo ft h ei m a g ep i x e l s c o n c r e t e l y d e s i g n a t e dp i x e l so fb a s i ci m a g e a n dap a r t i c u l a rf u n c t i o np e r f o r mm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n s ，a n dt h e nt h ec o l o rv a l u eo f t h ep i x e lw i l lc h a n g ei nc e r t a i nr u l e s ，f i n a l l yac o l o r f u le f f e c to f t h ei m a g ew i l la p p e a r b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ef u n c t i o nv a l u e ，av a r i e t yo fd i f f e r e n te f f e c t s p a t t e r n sw i l lb ep r o d u c e d b e f o r eu s i n gf i l t e r , d e s i g n e r sc a n n o tf u l l yp r e d i c tt h e p r o c e s s e df o r m s ，w h i c ho f t e nr e s u l ti nu n e x p e c t e da n di n t e r e s t i n ge f f e c t s b a s e do nt h es t u d yo fi m a g ea u t o m a t i cg e n e r a t i n ga n dp r o c e s s i n g ，a u t o m a t i c g e n e r a t i o na l g o r i t h m ，d e f o r m a t i o np r o c e s s i n ga l g o r i t h m a n dc o l o rp r o c e s s i n g a l g o r i t h mh a v eb e e np u tf o r w a r d a m o n gt h e m , a u t o m a t i cg e n e r a t i o na l g o r i t h m i n c l u d i n g m a t h e m a t i c sf u n c t i o n a l g o r i t h m , f r a c t a la l g o r i t h ma n dw e a kc h a o s a l g o r i t h m ，w h i l ed e f o r m a t i o np r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n c l u d i n gf i l t e ra l g o r i t h m ，e x p a n d a l g o r i t h m ，s i m p l i f i e da l g o r i t h ma n dl o o p - f o r m e dg r a p hg e n e r a t i n ga l g o r i t h m o nt h eb a s i so ft h ea l g o r i t h m sa b o v em e n t i o n e d w r i t ep r o g r a mi nv i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t of i l em o d u l e ，p a t t e r na u t o m a t i cg e n e r a t i o n m o d u l e ，p a t t e r nd e f o r m a t i o nm o d u l e ，c o l o rp r o c e s s i n gm o d u l e ，d r a w i n gm o d u l ea n d c o m m o np r o c e s s i n gm o d u l e s t h r o u g hs e t t i n gd i f f e r e n ti n i t i a lv a l u ea n dp a r a m e t e r v a l u e s , d i f f e r e n tp a t t e r n sc a ng e n e r a t e ，o rd i f f e r e n te f f e c t sa p p e a r s e l e c tt h er i g h t p a t t e r n st h a tc a l lb eu s e di nk n i t t i n gc l o t h i n g ，w i t ht h ea i do fl o n g x i n gc o m p u t e r k n i t t i n gm a c h i n em a t c h e ds y s t e ml k sj i n l o n gk n i ts o r w a r ea n dp h o t o s h o p s o f t w a r et os i m u l a t et h ew e a v i n ga n dw e a r i n ge f f e c t s ，ai d e a lr e s u rc a nb eo b t a i n e d i nb r i e f ：i ti sf e a s i b l et h a tu s i n gm a t h e m a t i c a lf u n c t i o m ，f r a c t a l , w e a kc h a o s ，a n d f i l t e rm e t h o d st oc a r r yo na u t o m a t i cd e s i g no f k n i t t i n gp a t t e r n sw i t ht h ec o m p u t e r n o t o n l yt h e s em e t h o d sd e v e l o pn e wd e s i g nr e s o u r c e sf o rk n i t t i n gp a t t e r n s ，b u ta l s o p r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c e f u n c t i o n so nt h ed e v e l o p m e n to f k n i t t i n gp a t t e r ns y s t e m k e y w o r d s ：k n i t t i n g ；p a t t e r n ；a u t o m a t i cd e s i g n ；f i l t e r ；a l g o r i t h m 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究现状1 1 2 1 国外研究现状一1 1 2 2 国内研究现状2 1 2 课题研究的意义4 1 3 课题研究内容和方法一5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 研究方法5 第二章图形图像自动生成与处理原理7 2 1 图形图像生成原理一8 2 1 1 分形原理简介8 2 1 2 弱混沌原理简介13 2 2 图形图像处理原理1 3 2 2 1 图形基本变换原理简介一1 3 2 2 2 图像处理原理简介1 6 2 2 3 滤镜原理简介1 7 2 3 本章小结l8 第三章主要算法设计1 9 3 1 图案自动生成算法设计1 9 3 1 1 数学函数算法。1 9 3 1 2 分形算法2 4 3 1 3 弱混沌算法2 8 3 2 图案变形处理算法设计3 1 3 2 1 滤镜算法31 3 2 2 图案扩展算法。3 4 3 2 3 图案简化算法。3 5 3 2 4 花型意匠图生成算法。3 6 3 3 图案色彩处理算法设计3 7 3 3 1c o l o r m a t r i x 概j 丕3 7 3 3 2 色彩处理算法3 9 3 4 本章小结4 5 第四章系统设计与实现4 7 4 1 系统开发环境4 7 4 1 1 面向对象程序设计一4 7 4 1 2g d i + 色彩矩阵概述一4 7 4 2 系统总体设计5 0 4 2 1 针织花型图案设计特点5 0 4 2 2 系统功能描述5 l 4 2 3 系统框架设计5 1 4 3 系统界面设计5 3 4 4 系统实现5 6 4 5 系统运行与设计效果6 2 4 6 本章小结6 6 第五章结论6 7 参考文献6 9 硕士期间发表论文情况7 2 致谢7 3 第一章绪论 1 1 课题研究现状 第一章绪论 针织花型图案设计系统是随着纺织服装行业c a d 软件的兴起而逐步发展起 来的。最初，针织花型图案的创作主要依靠设计人员构思、手绘，对设计人员的 艺术素养和绘图技巧要求高，而且速度慢，效率低，设计周期长；后来，设计人 员借助一些成熟的平面设计软件如c o r e l d r a w 、i l l u s t r a t o r 、p h o t o s h o p 等进行辅 助设计。计算机软件的运用使设计过程简便迅速，花型图案的表达也更为精确直 观，对花型图案的形状修改、颜色修改和再创作变得十分灵活可行。但是，上述 软件毕竟不是针对针织服装的专用软件，没有考虑到针织花型图案的特殊要求， 在使用过程中存在一些不便。纺织服装行业日益发展，对行业专用辅助软件的需 求也越来越多，越来越细化，促生了侧重点各不相同的纺织服装计算机辅助设计 系统。相对于机织服装，针织服装的专用软件品牌数量较少，功能不够完善，且 大多侧重于编织工艺、编织过程方面，对针织花型图案设计方面的开发不足，尤 其在自动设计方面，仅存一些理论上的研究，真正应用到软件中的为数不多。 1 2 1 国外研究现状 国外针织c a d 软件起步较早，软件中的花型图案设计模块发展较为成熟。一 般可以通过鼠标、数位板、扫描仪、数码相机等外设将花型图案输入到计算机中； 配色方便；可以生成意匠图【l 】；拥有花型图案数据库，存储了众多的花型图案， 并能存储用户自定义的花型图案，方便调用【2 】。根据使用范围，针织c a d 软件可 分为横机c a d 和圆机c a d 两类，其中横机c a d 又分为配套型和通用型。 配套型是指电脑横机生产商为本公司横机产品推出的配套软件，只适用于配 套机器，且需要专门的编程语言。如日本岛精( s h i m as e i k i ) 、德国斯托尔 ( s t o l l ) 、瑞士事坦格( s t e i g e r ) 、德国环球( u n i v e r s a l ) 电脑横机所配套的设 计系鲥3 1 。 岛精s d s o n e 系统的花型图案设计模块功能比较完善。s d s o n e 上装载着 一个由众多图案和组织花样构成的数据库，如圆点、条纹、网格、几何图案、花 卉及抽象图案等，只需通过简单的选择，花样便会自动写入系统，设计人员可按 照自己的意愿进行颜色和形状上的修改。s d s - o n e 使用“万花筒”功能对简单 的图案加以变形或给予特殊效果，快速创造出复杂而有趣的新图案，大大提高了 花型图案设计的自动化程度。s d s o n e 选用美国彩通( p a n t o n e ) 公司的颜色数 据库，其特别配色选项功能可准确快捷地展现出各颜色组合在针织面料上逼真的 天津工业大学硕士学位论文 模拟效果。此外，纱环编辑功能、纱嘴自动配置功能和样片模拟功能与花型图案 设计模块配合使用，减少了冗长的绘图时间和样片试编织时间，使设计人员更专 注于花型图案的创作，提高了花型设计效率【4 j 。 s t o l l 公司的m 1p l u s 花型设计系统是m 1 系统的高级版本，“p l u s ”主要体现 在色彩排列和模块排列方面。m l p l u s 系统可以灵活地设定个性化的色彩编织顺 序；可以快速创建花型，且不影响编织技术。此外，还增添了许多简化花型设计 的功能，如使用键盘绘图功能、垂直移动整列线圈或者花型区域的功能、色彩排 列允许在款型外区域扩展的功能等，并进一步完善了“魔棒”和“填充”功能【5 】。 设计人员开始编程设计时，首先进入一个有限符号界面，不需要进行任何复杂的 计算，只需专心设计就能快速完成，即使对特别复杂的花型也不例外【6 】。s t o l l 的三维程序能够得到类似实际效果的三维线圈结构图，而且能够操纵和旋转衣片 的编织图像，使设计人员可从任何角度观察衣片图像。当其纱线程序与编织程序 一起使用时，可以得到用一定颜色和品质的纱线模拟的衣片图像，它和实际衣片 图像非常相似。还可将设计的花型配置在模特的服装上，以评价其穿着效果【7 1 。 系统具有联网功能，可以遥控多机生产，并能从设计中心获取信剧引。 通用型设计系统不受横机硬件的限制，可以辅助手动或半自动横机的产品设 计。如法国力克( l e c t r a ) 公司的澎马( p r i m a v i s i o n ) 针织c a d 软件，它是一个 多层面、多功能的c a d 系统。其花型图案设计模块具有图案复制、图案移动、图 案变形、图案循环、色彩及图案填充及产生特别效果的功能。其中图案变形可以 改变图案的方向、形状、大小，包括改变比例、转动、扭曲、平行转换、透视变 形等：特别效果包括渐变色指令、复制笔指令、彩图笔指令、布纹效果指令、水 彩指令、重叠色彩效果指令、删除边线指令、加大图形指令和散点清除指令【9 】。 这些功能无疑使花型图案设计的难度降低，效率提高，为设计人员提供了良好的 设计平台。 1 2 2 国内研究现状 国内大部分针织企业规模偏中小型，要大量引进国外的针织c a d 系统在近期 是不现实的。因此，国内一些科研机构和高等院校致力于针织c a d 系统的研发， 产品涵盖了毛衫设计、编织效果模拟、编织工艺计算、后整理工艺单编辑等方面 的功能。但是，对花型图案自动设计方面的研究尚显不足。 在理论研究方面，复旦大学的朱士灿和东华大学( 原中国纺织大学) 的钟乃 浩曾于1 9 8 9 年设计了一个“纺织品花样图案计算机辅助设计软件”，用人机对话 方式，以三角形块、圆形块等作基本图形元素，用随机函数产生基本图形的坐标， 用适当的坐标变换和恰当的组合生成图案样块和图案单元，然后形成大面积的花 样图案。在微机上运行相应的程序( 用b a s i c 语言编写程序) ，可快速地、方便 第一章绪论 地得到大量的形态各异的花样图案，再从中优选出若干新颖的、质量好的花样图 案用于纺织品上【l 。 2 0 0 3 年，春金梁、冯勋伟在“针织花型的生成系统及其在横机上的编织转换” 一文中提出，随着数学理论研究和计算机应用研究的深入发展，数学方法在图案 设计方面显示出传统几何图案所无法比拟的威力。系统只需要操作人员输入几个 参数，就能够生成各种风格迥异的数学花型，丰富了产品的花色品种，提高了设 计速度。若一次输入的参数得到的花型不满意，可以根据需要进行修改，直到获 得满意的花型j 。 2 0 0 8 年，天津工业大学纺织学院的陈莉、叶介茂在“基于数学函数的针织物 花型设计方法初探”一文中运用改变数学函数参数值的方法自动生成针织物花 型，其设计原理为将数字图像看作是一个二维数组，它和图像存在对应关系，当 按照一定的对应法则一一对应时，将各像素点用不同的颜色显示，就可以生成各 种各样的图案。输入不同的参数值，可以得到不同的花纹图案【l2 1 。 在实际应用方面，上海纺织研究所早在“七五”期间就对日本岛精公司的花 型设计系统和电脑控制器进行了研究，但只造出了样机，未形成产品【l3 1 。天津工 业大学研制开发的羊毛衫产品计算机辅助图案设计系统适用于手动嵌花横机，可 完成意匠图的绘制，并可运用多种绘图工具设计图案，对图案进行填色、换色以 及进行翻转、搬移、拷贝、展屏等。但是，这仅局限于平面花型设计，没有编织 效果模拟【l4 1 。东华大学信息学院研制开发的花型设计系统采用面向对象的程序设 计技术，可实现一些针织结构的静态模拟仿真。对于纬平针、罗纹等基本组织建 立线圈模型，在模拟时可直接调用；对于较复杂的结构花型，如绞花，扫描真实 图片、划分成组织单元、制成灰度图像，在模拟时，置换成所需颜色，拼接成衣 片的花型排列。但系统在设计与生产相结合、智能化、集成化、网络等方面还有 欠缺【1 5 】。东华大学自动化系曾于1 9 9 5 年为国内生产电脑横机的主要厂家之一邢台 塔茨米厂生产的t n - 4 c r 系列电脑横机进行了花型准备系统和控制器的研发工 作。其中花型准备系统是在对原日本富士的t d s f 3 0 0 f 系统界面功能和用户需求 分析的基础上自行设计开发的。新系统不仅保留了原系统的一切功能，而且对部 分功能进行了增强和扩充，使之更易于使用、普及。新系统选用w i n d o w s 和面向 对象的c + + 为开发平台，其自动生成图形功能运用了分形和混沌理论，来产生一 些结构精细、具有自相似特性的奇特非线性图形，这是人工无法描绘的，以此来 进行产品花色品种的开发，增加市场竞争力【1 6 】。 。国内运用较为广泛的国产针织c a d 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”和深圳市艺丰彩路软件设计有限公司研发的“彩 路针织设计软件”。 天津工业大学硕士学位论文 富怡纺织服装图艺设计系统有丰富的花型图案设计工具，可以对选定花型图 案进行色彩整合，即对图片的色彩数目进行删选，使之符合编织要求【1 7 】。还可进 行自动配色，系统内置美国彩通( p a n t o n e ) 公司的颜色数据库，最大限度地满 足设计人员的选色需求。其逼真的针法模拟效果可将任何图案转换成针织效果模 拟显示，横密纵密任意设置。系统自带丰富的针法及组织单元数据库，含有扭花、 扳针、集圈、镂空等上百种智能针织单元，并逐步加入了起绒、起毛等效果。设 计人员也可自行制作针织组织单元，可将针织图片、照片转换成针织组织单元， 满足各种针织面料设计的需要。可打印彩色或黑白意匠图，打印效果清晰逼真。 系统可与各种电脑横机进行文件传输连接【l 引。 彩路针织设计软件可将设计或扫描的图案转换成针织仿真效果，可进行针织 提花及针款的设计，可智能计算每件毛衫的纱线用色比例，可设计提花图案并生 成彩色或黑白意匠刚9 1 。软件提供了图像重复、放缩、旋转、变形、扭曲、颜色 转换、颜色对换、色彩整合、分形、色彩组合等功能，对设计人员来说十分的实 用【19 1 。 这两款软件功能较为完善，界面友好，实用易学，价格便宜，销售服务网点 众多，在国内受到了针织生产企业的欢迎。 总的来说，对于花型图案自动化设计、花型图案特殊效果处理方面的研究， 较为领先的是日本岛精，其s d s o n e 系统的“万花筒”功能已实现产品化。其 它研究还处于电脑手绘设计或电脑自动化设计的初级阶段，需要进行进一步的研 究和完善。 1 2 课题研究的意义 花型图案是针织服装设计中的一项重要内容。传统的花型图案设计方法依靠 设计人员脑想手画，对设计人员的艺术素养和绘图技巧要求高，而且速度慢，效 率低，设计周期长。因此迫切需要研究发展新的设计手段，快速、灵活地进行花 型图案设计，以适应当前服装市场“多品种、小批量、短周期”的要求。 图案的自动生成可以通过数学函数原理、分形原理及弱混沌原理来实现；图 案的变形处理可以通过滤镜原理来实现。基本图案通过变换、排列、组合，可以 形成许多不同的花型图案。每一种基本图案的变换方式都非常多，而人所能想象 的毕竟有限，在其余那些人们不曾想到过的基本图案变换方式中，一定存在着大 量风格别致的艺术图案，如果借助计算机，通过数学算法进行变换，则可以自动 生成上百种花型图案。此时设计人员只需从中筛选出可用的花型图案即可。这将 大大降低花型图案的设计难度，提高设计效率，从而提升针织企业的竞争力。针 织花型图案自动设计系统充分利用计算机的快速反应能力及强大的记忆能力进 第一章绪论 行各种花型的设计，并通过与系统预设意匠纸的复合，自动生成适合编织的花型 意匠图，使得设计人员从繁琐的绘图工作中解脱出来，集中精力进行花型的艺术 创作。因此，作为针织c a d 系统的重要组成部分，花型图案自动设计系统的研 究开发具有重大的现实意义。 1 3 课题研究内容和方法 1 3 1 研究内容 通过数学方法进行花型图案设计的构想早在8 0 年代就被提出，但到目前为 止，除了分形研究较多外，其它方法并未被深入研究及广泛应用。本文的主要研 究内容为：通过数学函数、分形、弱混沌方法自动生成图形图像；通过滤镜方法 处理图形图像。其中将滤镜引入针织花型图案处理具有一定的创新性。基于数学 方法设计滤镜函数，通过改变函数的参数值，可以变换出多种不同效果的花型图 案，设计人员只需在其中进行选择即可完成设计，并可以搭配不同的颜色组合。 在使用滤镜之前，用户并不能完全预测处理后的形态，往往会产生意想不到、妙 趣横生的效果。 通过滤镜变换出的花型图案不能直接用于编织，需要进一步的修正。首先进 行颜色的归纳整合，将相近色用同一种颜色替换，在保证图案效果的前提下尽量 减少颜色数目，以方便编织。其次，针织产品有多种组织结构，如纬编针织物中 的纬平针、罗纹、双罗纹、双反面组织：经编针织物中的经平、经缎、重经组织 等。不同的组织结构，其线圈的大小、密度、比例都各不相同。为了使花型图案 在编织后仍保持原有比例，必须将其与意匠纸进行复合叠加，生成适合编织的花 型意匠图，从而实现针织花型图案的自动设计。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 相关理论研究 对图形图像自动生成与处理原理进行深入的研究，学习计算机图形学和数字 图像处理的知识，查阅大量的国内外相关资料文献，借鉴前人的研究成果，对课 题现阶段的研究状况做一个全面的了解，并提出实现针织花型图案自动设计的理 论依据。 ( 2 ) 系统算法设计 根据实际需要确定针织花型图案自动设计系统的功能和用途。该系统主要有 三大块功能：图案自动生成、图案变形处理、图案色彩处理。针对每一块功能进 行具体的算法设计。图案自动生成功能模块巾包括数学函数算法、分形算法和弱 天津工业大学硕士学位论文 法和花型意匠图生成算法，图案色彩处理功能模块中包括图案色彩处理算法。 ( 3 ) 系统程序设计 提出系统的逻辑模型，并抽象出数据模型。确定系统的总体结构，对系统进 行分解，本系统共分为六大模块：“文件”模块、“图案生成”模块、“图案变形” 模块、“色彩处理”模块、“绘制”模块、“常用处理”模块。选择v i s u a lc + + 6 0 作为开发平台进行程序设计。写程序时，要做到条理清晰，可读性强，便于调试。 对变量或参数要加注释，对功能函数要做功能简述。 第二章图形图像自动生成与处理原理 第二章图形图像自动生成与处理原理 计算机图形学是近四十年来发展迅速、应用广泛的一门新兴学科，主要研究 用计算机及图形设备输入图形、表示图形、修改图形、变换图形、输出图形的原 理、算法和系统设计【2 0 1 。 数字图像处理作为一门学科大约形成于2 0 世纪6 0 年代初期，其主要内容是 对现有图像进行变换、分析、重构。常用的处理方法有图像增强、复原、编码、 压缩等。早期图像处理的目的是改善图像的质量，优化视觉效果。7 0 年代中期， 随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的逐步成熟，数字图像处理开始向更 深层次发展。人们已经开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉 系统理解外部世界的效果，这被称为图像理解或计算机视觉【2 1 1 。 计算机图形图像自动生成与处理的方法可分为以下几种： ( 1 ) 解析法 根据图形的解析表达式或参数表达式，编写绘图程序时，先计算出图形中各 点的坐标值，然后用绘制函数绘出其图形。这种方法的关键是要将图形用解析式 表示，同时如何用解析式取图形上的点，取多少个点都很重要。这将影响绘图质 量，主要是图形的光滑程度。解析式是绘制图形常用方法，特别是绘制一般几何 图形时【2 2 1 。本系统中，利用数学函数原理生成图形模块应用了解析法。 ( 2 ) 样条法 当一个物体或图形不是用解析式表示，或者不能用解析式精确表示时，往往 是用物体或图形的一些实际数据值亦称型值点，构造曲面拟合它，或者用样条曲 线来逼近它，同时通过不断调整、修正样条曲线或曲面，绘制出这些图形。用样 条法绘制图形，是工程中绘制自由曲线和曲面的实用方法。 ( 3 ) 变换法 变换法是对基本图形图像或称单元图形图像施行各种变换，如颜色变换、几 何变换( 比如平移、对称、旋转等) ，从而形成新的或更复杂的图形图像。变换 法是计算机处理图形图像的重要方法之一，它可使绘制者不必逐笔、逐线、逐个 形体进行绘制，而只需找出图形图像之间的内在关系，对基本图形施行各种变换， 重新组合丰i i e n 便可获得所需图形。本系统中，滤镜、图案扩展、图案简化以及图 案色彩处理模块应用了变换法。 ( 4 ) 拼合法 将图形分解成若干个基本图形元素( 图素) ，把相同部分的图素编写成通用 的子程序，绘制图形时可根据实际需要有所不同，但一般要考虑独立性、常用性 天津工业大学硕士学位论文 和可组合性。 ( 5 ) 创造法 一般绘制图形，是按照一个物体( 或景物) 绘制出它的图形或是根据原图形 绘制出图形。创造法绘图与此不同，实现没有图形或物体，而是设计出绘图算法 创造性地绘制图形。例如分形图，预先不能想象出算法所绘制出的图形样子，只 有程序运行完后才能知道图形的全貌。本系统中，利用分形原理和弱混沌原理生 成图形模块应用了创造法。 2 1 图形图像生成原理 1 9 6 2 年，m i t 林肯实验室的i v a ne s u t h e r l a n d 在其博士论文中首次使用了 术语“c o m p u t e rg r a p h i c s ”，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研 究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。2 0 世 纪7 0 年代是计算机图形学的一个重要发展时期。光栅显示器的产生和迅速发展 使得区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生，开始出现实 用的c a d 图形系统。同一时期，真实感图形学和实体造型技术产生。2 0 世纪 8 0 年代中期，超大规模集成电路、工作站和r i s c ( 精简指令集计算机) 的发展， 使计算机的运算能力提高，图形处理速度加快，c a d 系统的性能大大提高。图 形软件趋于成熟，二维、三维图形处理技术，真实感图形技术以及有限元分析、 优化、模拟仿真、动态景观、科学计算可视化等方面都己进入实用阶段。2 0 世 纪9 0 年代至今，c a d 标准化体系进一步完善，系统智能化成为又一个技术热点， 集成化成为c a d 技术发展的趋势，科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术 是c a d c a m 技术发展的新趋向【2 3 】。 计算机图形在绘制过程中所涉及的各类信息是一个数据集合，这些数据包括 图形信息和非图形信息。图形信息指构成图形的点、线、面、体等基本元素，及 其相互关系；非图形信息指图形的线型、线宽、颜色、亮度等。计算机对图形的 处理实际上是对图形数字化信息进行处理的过程，包括对数据进行交换、存储、 检索、修改、删除、插入等【2 4 】。 从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工 程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实 感图形。图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像指计 算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的 几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的【2 5 】。 2 1 1 分形原理简介 第二章图形图像自动生成与处理原理 分形理论的研究可以回溯到1 9 0 4 年， 瑞典数学家h e l g ev o nk o c h 研究出一种无 法用传统的欧氏几何来描述的图形，称为雪 花，如图2 1 所示。k o c h 将一个等边三角形 的三条边都三等分，在每条边中间的一段再 凸起一个小等边三角形，这样一直进行下 去，理论上可以证明这种不断构造的雪花的 周长是无限的，但其面积却是有限的。1 9 6 7 年，美籍法国数学家b e n o i tb m a n d e l b r o t 推 广这种雪花的构造，提出这样一个著名的问 题：英格兰的海岸线到底有多长? 这个问题 在数学上可以理解为：用折线段拟合任意不 八、a 八 。乞n 乙。 图2 1k o c h 雪花 规则的连续曲线是否一定有效? 这个问题的提出实际上是对以欧氏几何为核心 的传统几何的挑战。假设用一把长度为1 0 0 0 m 的尺子测量英格兰的海岸线，可 以得到一个长度值l l ，若要考虑更多细节，可以用更短的尺子，如长度为l m 的 尺子进行测量，得到另一个长度值l 2 ，显然l 2 l l 。设尺子长度为r ，测量结果 为l ( r ) ，若卜 0 ，则有l ( r ) _ ，也就是说，英格兰的海岸线长度与测量的尺子 有关，为不确定数。m a n d e l b r o t 正是通过上述实例向人们展示细节的无穷回归和 测量尺度的减小都会得到更多的细节，即复杂现象的自相似性 2 0 l 。1 9 7 5 年， m a n d e l b r o t 在其自然界中的分形几何一书中正式引入了分形( f r a c t a l ) 这一 概念。分形几何是一门研究无限复杂但具有自相似性的图形和结构的新学科，有 以下几个特点： ( 1 ) 具有无限精细的结构。如果放大一欧氏几何图形，不管其多复杂，最终 可得到光滑的图形。如果放大分形几何图形，则会在原图中逐步出现更多的细节。 举个例子，从远处观察山，会明显地看到类似锯齿的形状；靠近山，岩石的细节 呈现出来；再靠近一些，可以看到石块的轮廓，然后是石子和沙子。 ( 2 ) 具有自相似性。分形图形看起来复杂，但其局部和整体、局部和局部具 有某种自相似性，从而使得复杂的图形可以用简单的规则加以描述。 ( 3 ) 图形定义简单，并由递归、迭代方法产生。 ( 4 ) 无法用经典的数学方法描述，既不满足某一几何条件的点的轨迹，也不 是数学方程的解集。 ( 5 ) 不可预见性和对初值的极端敏感性。初始条件的微小差别在若干次迭代 后将会导致图形产生巨大的差异。 自然界中分形图形随处可见，如连绵起伏的山脉、蜿蜒曲折的海岸线、九曲 天津工业大学硕士学位论文 回肠的河流、变幻无常的浮云、粗糙不堪的断面、纵横交错的血管，以及草木、 闪电、火、波浪、繁星等。它们的特点是，不规则、不平滑、非线性。 用分形方法生成的图案具有和谐、对称等美学特点，展示了简单数学模型中 蕴涵的内在美、对称性和复杂性，在纺织、印染、广告、装潢等众多领域都具有 广阔的应用前景【2 6 1 。在数字化艺术设计日益发展的今天，用计算机生成分形图 案为针织花型图案的设计开创了新的思路。 分形图形生成方法主要有以下几类：迭代函数系统、字符重写系统、随机分 形、m a n d e l b r o t 集和j u l i a 集、粒子系统、元胞自动机理论。 ( 1 ) 迭代函数系统 迭代函数系统( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) 简称i f s ，由美国佐治亚理工学院 的巴恩斯利教授提出，是产生分形图形最容易的方法。通过一组函数自身反复迭 代而实现，利用了图形的自相似性，把一个大图形看成若干个同样的小图形的组 合，如图2 2 所示。迭代函数不同，图形的形状也不同。 乒 庐乒 庐 一萨 庐 庐乒庐 眵 滓笋 萨萨 一劳萨筘萨 叫 庐萨 驿泽萨 芽芽劳乒 萨萨萨庐筘器乒乒 图2 2i f s 迭代生成图形 ( 2 ) 字符重写系统 字符重写系统( s t r i n gr e w r i t i n gs y s t e m ) 又称l s y s t e m ，由a r i s t i d l i n d e n m a y e r 于19 6 9 年首创，后由p p r u s i n k i e w i c z 发展。此方法充分体现了分形 图形自相似的特点，首先给出一个初始字符串和字符替换规则集，这个初始字符 串仅包含一个或几个字符，字符替换规则集包含可用于替换各字符的字符串，然 后把初始字符串中的字符用规则集中相应的字符串替换，形成新的字符串。对新 字符串再进行同样的替换操作，如此循环