赵英杰 路通 张忠涛 胡广斌 张扬

摘要：本文采用计算机技术对重组装饰材的径向纹理和“V”型纹理进行模拟设计，系统介绍了重组装饰材计算机设计过程的纹理识别、模具设计、模拟组坯、模压制方、模拟刨切等工序，为重组装饰材的模拟设计提供一种新方法。

关键词：重组装饰材；纹理；计算机技术；设计

Abstract： In this paper， the computer technology is used to simulate the radial texture and "V" texture of the reconstituted decorative materials. The texture recognition， die design， simulation billet， mould pressing and simulation are introduced in this paper. A new method is provided for the simulation design of the recombined decoration material.

Key words： reconstructed decorative lumber；texture；computer technology；design

重组装饰材是一种科技含量较高的木质产品，主要以速生材或普通树种木材单板为主要原材料，经过染色、组坯、模压、刨切等工艺制造而成的新型木质装饰材料[1]。重组装饰材作为一种以木质单板为主要材料的木材产品，不仅具有木材的吸收紫外线、带给人温暖感等天然特性，同时又具备色彩丰富、纹理多样、良好的物理力学和加工性能、原材料来源广泛等新优点[2-4]。因此，重组装饰材不仅满足人们对高装饰性能木质材料的需求，同时对缓解木材资源短缺和保护生态环境具有重要意义。

纹理设计是重组装饰材制造的关键难点问题，目前主要采用人工重复试验的方法进行模拟设计，造成产品开发存在成本高、效率低和效果差的缺点，而采用计算机技术对重组装饰材纹理进行模拟设计可以有效解决人工试验的缺点。高惊涛[5]研究出了较为完整的计算机重组装饰材纹理模拟技术，建立切削模型，展示单板组坯不同角度切削效果，得到了较为满意的模拟纹理。郭四稳[6]对仿真纹理技术的应用进行了研究，以“物体/现象=>数学模型=>仿真再现”为处理步骤，通过建立数学模型，用计算机软件对数学模型的执行来达到木材纹理仿真目的。刘炜[7]总结了重组装饰材计算机CAD技术优势并对其进行深入的研究，提出CAD的二次开发利用可以增强木材加工行业中CAD系统的设计和知识处理能力。江小丹[8]利用多重组坯制方刨切，将第一次组坯刨切的单板与原单板进行第二次组坯，模拟模压刨切可得到不同于天然木材的纹理，也为计算机技术在木材纹理设计方面提供了新方法新思路；岳阳阳等[9]对“V”型纹理进行了研究，利用计算机技术对线条进行处理，构建特殊纹理的模具曲线；潘凯等人[10]对树根型纹理实际刨切效果与计算机仿真刨切纹理所产生差异的原因进行了分析。上述研究促进了计算机技术在重组装饰材模拟设计中的应用，为后续的研究奠定了基础。本研究拟采用CAD等计算机软件对目前市面上主流的“径向纹理”和“V”型纹理进行模拟设计，阐述重组装饰材纹理的计算机设计过程。

径向纹理根据单板组坯模压的排列方式可以分为等间隔条状纹理、非等间隔条状纹理和随机条状纹理等，可以通过不同厚度和颜色的单板进行层积形成木方，再进行径向刨切。“V”型纹理的产生原理是将两种不同颜色的单板，其中一般将颜色相对较深的作为晚材，颜色较浅的作为早材进行组坯，然后利用不同曲面度的曲面模具模压得到具有一定曲度的木方，根据实际需要，进行一定角度的刨切而来。径向纹理和“V”型纹理的计算机设计流程如图1所示。

1.纹理识别

通过现有的图形识别技术，对彩色的纹理图形进行处理，以期达到形成三维建模软件可以识别的矢量图，便于进行下一步的建模处理。主要步骤有获取图片源图，图片的矢量化处理。

1.1 获取纹理源图信息

获取纹理源图信息主要是指采用一些图片信息采取设备，如相机、光学元件等，对源图进行信息的获取，并随后将获取的信息保存在电脑设备中，所选择的纹理源图质量要求纹理清楚、色彩清晰等。

1.2图片的矢量化处理

纹理图片矢量化处理的方式有许多，一是利用CAD软件分多步走实现图片的矢量化处理，二是使用专业的矢量化处理软件。径向纹理的图片处理比较简单，只需得出不同颜色单板的厚度与排列方式既可。圖片的矢量化处理以较为复杂“V”型纹理源图处理为例，具体步骤为：

（1）首先将图片在CAD软件中进行灰度化处理。将灰度图中有缺陷的部分如图片的污点、纹理断裂有毛刺等进行进一步的处理，达到灰度图中纹理清晰、连续的目的。

（2）将灰度图转换为矢量图，并将矢量图中的每一个纹理曲线进行线条的修补，使得每一个曲线都能形成一个闭合的回路。只有闭合回路线条才能在三维建模软件中进行拉伸建模，最后纹理效果才能一致。效果路线图如图2、图3、图4。

这种方法得到的矢量图曲线的纹理线条较多与源图无异，纹理效果更加逼真，但对后期建模要求更高，纹理状况参差不齐，处理过程较为复杂，耗时较多。

直接使用矢量化软件进行矢量化处理的具体步骤为：

（1）采用AI等矢量化软件，将纹理源图导入软件的绘画区；

（2）使用软件的实时描摹功能，对选取纹理稀疏、线条清晰的纹理进行描摹；

（3）对描摹的线条进行编辑，同样使纹理曲线形成一个闭合回路，输出矢量图。这样得来的矢量图，缺陷极少，且矢量化速度快，但精确度稍有下降。本文拟采用第二种方式进行图像的矢量化处理，矢量效果图如图5、图6所示。

2.纹理模具设计

2.1“V”型纹理模具设计

制造出相匹配的模具是纹理实际产生的第一步。利用处理好的矢量图，认为图中每一个闭合回路是单独的一层，是一个完整的“V”型纹理，使用建模软件对每一层进行拉伸建模，从外到内，采用相同的拉伸高度逐层递增进行拉伸。这样得到了如图7所示的三维模型。

想要得到相近的纹理，组坯的弯曲度也就应当与此三维模型相类似。因此取其正视图的截面，将各个折点用曲线连接起来，可得到如图8所示的曲线图。对曲线进行平滑处理，作为建造模具的基础曲线，如图9所示。

根据上图曲线，进行线条添加，使之也形成一个闭合回路，往上绘制形成模具的上凹模，往下绘制形成模具的下凸模，得到如图10所示的三维模具模型。

2.2 径向纹理模具设计

径向纹理模具的制造比较简单，只需要上下模具的表面为平面既可。效果图如图11所示。

3.模拟单板组坯

实际生产中，模具制造好之后，接下来就是单板的组坯工序。在重组装饰材行业中，一般来说，较薄的颜色较深的单板作为晚材，较厚的颜色较浅的作为早材。根据实际需要确定早晚材不同的厚度，根据模具的宽度确定单板的宽度，一般来说单板的宽度略小于模具的宽度，这是因为考虑到实际模压中会有挤压发生，单板的尺寸会略有增加。将两个不同厚度的单板相互交叉组坯到一定的厚度实现重组装饰材单板的组坯工序。效果如图12所示。

4.模压制方

将组坯好了的单板利用模具进行模压，从模具板块中我们可以得出无论是径向纹理还是“V”型纹理上下模具之间的距离既是模压后制方的厚度。“V”型纹理模压后效果图如图13所示。

5.模拟刨切

模压制方之后，就是木方的刨切。刨切的目的是为了在剖切面能够显现出“V”型纹理图案。分析建模软件3D MAX、AotuCAD、PRO/E、solidworks等的优势，发现CAD主要用在建筑机械制图，3D MAX主要用于三维动画渲染及制作，PRO/E在三维建模中更侧重于模具的建模，而solidworks拥有易学易用、功能强大、技术创新的特点外，还提供了丰富的IPA接口，能与大多数计算机编程软件如Visual C++、Visual Studio、Visual Basic等完美接合，非常适合本研究用来作为三维建模及二次开发。

在solidworks中直接采用剖视功能来模拟刨切，即可得到制方的刨切面效果，如图14所示。在刨切界面中，solidworks提供了非常便捷的操作方式，可以在图左侧选择不同的刨切基准面、刨切角度，同时也可以根据需要建立新的基准面。

切削角度的不同對纹理最终的定型有着极大影响。切削角度指的是刀片与方材所形成的夹角，如图15所示。此外利用适当的弦向旋切，控制切割角度可以得到美丽的絮状花纹、鸟眼花纹、波浪花纹等[11]。

对于一张单板的刨切而言，假设单板厚度为a，刨切接触点为B，从接触点到单板端面下表面点的距离为b，如图16所示那么对于切削角度θ有如下公式（1）、公式（2）可以表达：

式（1）

式（2）

由此可以计算得出切削角度的值。同时我们仅以3块单板组坯刨切，上下两块单板颜色为深棕色，中间板为米色，切削角度任意，可以得到图17刨切效果图。

从图17中我们可以清楚的看出，中单米色单板的切削厚度即是形成“V”型纹理的早材宽度，也就是b值。同理，假设组坯过程中使用了n块单板，那切削角度的公式（3）为：

式（3）

式（1）

不同切削角度的三维实体刨切效果图如图18、图19展示。

通过上述的设计过程可以看出计算机技术可以实现重组装饰材纹理的在线模拟设计，相比较于传统设计方法，计算机模拟设计具有可修改、速度快和效果好的优点。虽然目前重组装饰材的计算机模拟设计处于起步阶段，与生产实践具有一定的差距，但相信通过众多专家的深入研究和持续完善，重组装饰材纹理的计算机辅助设计一定可以实现产业化应用，促进重组装饰材行业的技术进步和产品升级。

致谢：本论文由“国家级推广项目：计算机技术在重组装饰材制造中的推广应用（项目编号：[2016]25号）”的资助。