经编蕾丝因具有精致的外观和高档的品质被广泛用作外装饰品、家纺用品和服饰材料等,但其复杂的编织工艺和高生产成本限制了蕾丝新产品的开发。基于蕾丝真实感仿真的计算机辅助设计(CAD)系统可以有效解决上述问题,在设计人员完成花型工艺后,无需进行上机打样即可通过仿真功能实时查看织物模拟效果,进行设计修正,提高设计质量和生产效率。现有的经编蕾丝CAD系统可以实现大部分花型工艺设计和外观仿真,但对于少数复杂工艺和新兴产品难以实现快速设计,且仿真效果有待完善。针对经编蕾丝新产品的开发需求和经编蕾丝CAD系统在结构设计与仿真方面的不足,本课题研究了蕾丝组织结构及其数学描述,重点研究了影响蕾丝仿真效果的结构形变和织物外观仿真方法,并基于研究成果开发了经编蕾丝CAD系统进行蕾丝结构设计和仿真。经编蕾丝的编织原理和组织结构的数学表达是实现CAD系统功能的基础,本课题首先研究经编蕾丝地组织、贾卡提花组织和多梳提花组织的形成原理和结构特点,重点研究了浮纹型贾卡提花技术、剪线型多梳提花技术和蕾丝边部设计。基于对组织结构的研究,建立了适用于CAD工艺设计的数学模型,包括穿经设计模型、垫纱设计模型和贾卡提花意匠设计模型,重点研究了利用数学矩阵进行浮纹型贾卡提花设计和包边设计的方法,为蕾丝真实感仿真研究提供数学模型基础。在组织结构的数学模型基础上,重点研究蕾丝结构形变的仿真方法,建立改进的质点-弹簧模型,将线圈简化为理想质点,将蕾丝织物简化为质点矩阵,将连接线圈质点间的圈柱和延展线视为理想结构弹簧,分别建立适用于地组织、贾卡提花组织和多梳提花组织的结构弹簧模型。在质点-弹簧模型的基础上,分析了线圈结构变形的影响因素,并基于牛顿第二定律和胡克定律分析了线圈质点的受力,采用显式欧拉方程进行线圈质点的动力学方程求解,通过向前差商法将求解结果收敛至一阶精度,并消除速度因子而直接求得线圈质点在任意时间步长内的运动位移,以求增加系统模拟时的稳定性。对变形模拟中可能出现的超弹性问题和碰撞问题进一步探究,利用二维OBB包围盒进行碰撞检测,避免线圈变形时出现不合理的穿透。在验证变形仿真方法的准确性时,采用基于计算机图像学的形状相似度匹配法,利用形态学图像处理的膨胀与腐蚀算法获取仿真图像和实际织物图像的形状特征图像,用Hu不变矩描述子计算特征图像的7个不变矩特征量,代入相似性度量公式计算两图像的相似度。通过具体举例来验证形变仿真模型的实用性和准确性。在外观真实感仿真方面,以纱线作为研究对象,根据衬纬和压纱提花组织的结构特点,对沿纱线直径方向和沿纱线垫纱方向的外观特征分别采用基于纱线图像和几何建模的研究方法。利用计算机图像处理技术获取实际纱线图像的色相、饱和度和明度特征分布曲面,用最小二乘法拟合曲面在纱线横截面投影的特征曲线,求解消光、半光和有光纱线沿直径方向的HSV颜色特征函数。在此基础上,利用改进的BlinnPhong光照模型和组织结构几何曲线,通过分段函数拟合沿纱线轴向的光照效果特征函数,并与求解的沿纱线直径方向的特征函数进行求和运算,模拟蕾丝织物最终的外观真实感。建立几何模型空间到像素空间的映射关系,用扫描线插值法绘制仿真面;对于多把梳栉垫纱出现的垫纱覆盖问题,为了消除被覆盖的隐藏面从而正确显示各梳栉垫纱,采用一种改进的深度缓存算法判别各梳栉垫纱的可见性。根据上述研究的组织结构数学矩阵、结构形变仿真方法和外观真实感仿真方法,利用Visual Studio设计开发了经编蕾丝CAD系统。介绍了系统的主体架构和功能界面,通过设计关键数据结构来实现蕾丝工艺设计的参数窗体、设计视图和仿真视图,并进一步通过三种类型的蕾丝实例设计来说明CAD系统的实用性。上述四个方面均以实现经编蕾丝结构设计与仿真系统展开研究,以蕾丝组织结构和数学模型为切入点,以蕾丝结构形变和外观真实感仿真研究为重点,以系统开发与实现为目的,最终帮助蕾丝设计人员提高设计质量,缩短产品开发周期,并为进一步实现经编蕾丝产品的三维虚拟展示和个性化产品定制铺垫基础。