袁 理，王丹書，谷 遷，屠劭杰，熊 瑩，袁浩然，劉軍平，鄢煜塵

(1.武漢紡織大學 電子與電氣工程學院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術(shù)省部共建國家重點實驗室培育基地，湖北 武漢 430200；3.武漢紡織大學 數(shù)學與計算機學院，湖北 武漢 430200；4.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072)

色紡織物是由2種或2種以上不同色澤的纖維經(jīng)特定工序混和加工紡制而成的織物，具有宏觀色彩豐富、立體感強等特殊外觀風格，是紡織行業(yè)中獨具特色的色紡產(chǎn)業(yè)[1]。與傳統(tǒng)的織物染色不同，采用纖維染色的色紡加工方法，其產(chǎn)品顏色會在紡紗與織造過程中產(chǎn)生變化。因此，在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)客戶來樣，依靠經(jīng)驗和反復試紡、目測來達到目標色。該過程不僅效率低下，而且易引入主觀性評判誤差，從而影響質(zhì)量控制與商業(yè)交割[2]。

近年來，得益于分光光度儀與數(shù)碼測色儀的普及和性能提升，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)與團隊對染色纖維在成紗和織造過程的呈色特性與影響因素展開研究：劉東升等[3]以常見的黑、白色纖維為研究對象，分析了不同混和加工方式對其織物呈色風格的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的混配方式和工序會對其色紡織物的風格產(chǎn)生顯著影響；文獻[4-5]分別針對捻系數(shù)與著色滌綸紗和有色粘膠紗的呈色變化規(guī)律進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)著色滌綸長絲紗線與有色粘膠紗線的明度、飽和度與成紗捻系數(shù)呈負指數(shù)規(guī)律，而色相呈線性規(guī)律增加，并明確指出捻系數(shù)的改變會對色紡紗的呈色特性產(chǎn)生影響；任靜等[6]建立了一種結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)和Gabor濾波器的織物紋理特征提取模型，并以該模型為基礎(chǔ)重點分析了織物紋理特征對其主觀顏色的影響特性，隨著特征紋理能量系數(shù)的減小，織物的主觀顏色表現(xiàn)愈強，同時，對于同一色相的織物來說，織物的密度、組織結(jié)構(gòu)等表面紋理變化對主觀色相屬性的影響非常有限；陳子晗等[7]通過對紗線的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度以及色彩等關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，以探求影響織物呈色的關(guān)鍵因素，織物的色彩并不是單純彩色細線交織成密集狀并置組合，其混色效果受織物紗線色彩、組織結(jié)構(gòu)、織造工藝等因素的共同影響。

值得注意的是，上述研究僅針對染色纖維在成紗或織造過程中，單一環(huán)節(jié)的呈色特性與影響因素進行了分析建模，而缺少對其生產(chǎn)全流程顏色傳遞模型以及影響因素的綜合分析。因此，李昌壘等[8]以染色粘膠纖維為研究對象，重點分析了纖維、紗線以及織物間的顏色傳遞關(guān)系及規(guī)律。結(jié)果表明，有色粘膠纖維的光譜反射率值與其紗線、織物的反射率曲線具有相同的變化趨勢，且隨著染料濃度的增大而逐漸重合。

不同于顯示器色光混色或印刷色料混色，色紡產(chǎn)品是以染色纖維作為基本呈色單元，其呈色具有顯著的多樣性與復雜性[9]。因此，能夠影響色紡織物呈色特性的可能因素很多，既包括染色纖維的質(zhì)量配比，也包括染色纖維的種類或性狀特性，同時也包括成紗或織造工藝等。對染色纖維在成紗和織造過程中的呈色特性與影響因素展開系統(tǒng)分析是建立全色域顏色預測模型的基礎(chǔ)，也是當前染色纖維混配呈色研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學問題。

本文以染色纖維在成紗和織造過程中的呈色特性為研究內(nèi)容，重點分析其光譜反射率曲線特征的主要影響因素及一般傳遞規(guī)律。建立結(jié)合光譜矢量大小和光譜曲線形狀的泛光譜相似測度(SPM)，并用于色紡紗線與織物間顏色特性的表達與定量化分析；同時，結(jié)合特征間的“類內(nèi)距離”與“類間距離”，首次構(gòu)建了光譜反射率曲線特征差異性判別準則。本文的研究對于探索色紡紗線與織物間的顏色傳遞與分析建模具有重要的理論價值，同時也能夠為染色纖維混配色預測模型以及色紡企業(yè)的實踐生產(chǎn)提供保障。

1 泛光譜相似測度

光譜反射率曲線能夠較為全面地表征織物的呈色特性，被廣泛應(yīng)用于紡織品色彩測量與分析中。對于具有復雜顏色模式的色紡紗線或織物而言，其呈色特性和內(nèi)在規(guī)律很難直接通過光譜反射率曲線進行顯性表達。色紡織物典型光譜反射率曲線圖，如圖1所示。其中：圖1(a)所示的光譜反射率曲線具有相似的形狀特征，但曲線間的距離較大；圖1(b)所示的光譜反射率曲線間距離較為接近，但曲線形狀存在顯著差異。為準確、全面地表征色紡紗線與織物間的呈色特性與內(nèi)在規(guī)律，本文提出建立泛光譜相似測度(SPM)準則，綜合考慮光譜矢量大小與光譜曲線形狀2種光譜特征。

圖1 色紡織物典型光譜反射率曲線圖Fig.1 Typical spectral reflectance curves of colored spun fabrics.(a) Spectral reflectance curves with similar shape characteristics; (b) Spectral reflectance curves with similar distance characteristics

1.1 光譜矢量大小相似度準則

光譜矢量大小是指光譜曲線特征間的幾何距離。本文采用Fréchet距離作為色紡紗線和織物的光譜曲線距離測度準則[10-11]，具體定義如下：

(1)

(2)

因此，光譜反射率曲線矢量大小相似度準則可表示為

(3)

式中：N表示光譜曲線的波段數(shù)，系數(shù)1/N去除了光譜矢量大小對光譜維數(shù)的相關(guān)性，因此：SSBD表示2個光譜矢量間的平均距離；光譜曲線A和B的SSBD值越小表示其光譜矢量大小越相似，取值范圍為0～1。

1.2 光譜曲線形狀相似度準則

光譜曲線A和B的形狀差異(spectral shape distance, SSD)可采用光譜矢量間的皮爾森相關(guān)系數(shù)進行表征，具體定義如下：

(4)

其中，SSCM為光譜矢量間的皮爾森相關(guān)系數(shù)[12-13]，取值范圍為-1～1。由式(4)可知，光譜曲線A和B的SSSD值越小表示其光譜曲線形狀越相似，取值范圍為0～1。

1.3 SPM及其數(shù)學特征

基于以上分析，光譜曲線A和B的 SPM的數(shù)學模型可表示為

(5)

光譜曲線間的SSPM值越小，表明這2條光譜曲線越相似。同時，SSPM準則還滿足以下性質(zhì)：非負性，即SSPM(A,B)≥0；自反性，即SSPM(A,B)=0，當且僅當A=B時；對稱性，即SSPM(A,B)=SSPM(B,A)。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗樣本的制備

為定量分析不同影響因素的顯著性以及顏色在紗線與織物間的傳遞特性和規(guī)律，委托企業(yè)制備了26份色紡紗線和織物樣品，配比參數(shù)如表1所示。無特殊說明情況下，每份樣品由3種染色纖維構(gòu)成，染色纖維長度為38 mm，線密度為0.15 tex；捻系數(shù)為350，但不同樣品間的染色纖維配比質(zhì)量、纖維種類、長短、捻系數(shù)等參數(shù)存在細微差別。

表1 實驗樣本配比參數(shù)表Tab.1 Parameters of experiment samples

2.2 色度學指標的測量

本文采用X-rite COLORI7型分光光度計對樣本的光譜反射率值進行測量，儀器參數(shù)設(shè)定如文獻[1]所述。色紡紗線采用機纏法制樣，得到紗線試樣尺寸為5.0 cm×15.0 cm，紗線纏繞厚度為(1.5±0.2)mm，在相對濕度為65%狀態(tài)下平衡后進行測色；同時，將色紡織物疊成4層，在相對濕度為65%狀態(tài)下平衡后進行測色。

2.3 光譜曲線特征差異性判別準則

在紡織品色差分析過程中，通常采用確定的閾值作為判別準則[14-15]，但色紡紗線或織物的呈色具有典型的隨機性和不均勻性，很難用單一確定閾值對其差異性進行判別分析；因此，本文結(jié)合特征間的類內(nèi)距離與類間距離，首次構(gòu)建了光譜反射率曲線特征差異性判別準則(SFD)，能夠針對不同參數(shù)的測試樣本參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整，具體定義如下：

(6)

其中：SSPM(A,B)表示樣本A和B之間的SSPM特征距離，即樣本間的類間距離；SSPM(A)表示樣本A在不同測量點獲取的SSPM特征值，即樣本的類內(nèi)距離；同理，SSPM(B)表示樣本B在不同測量點獲取的SPM特征值。當SSFD=1時，表明光譜曲線特征具有顯著差異性；當SSFD=0時，表示差異不明顯。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 纖維配比對呈色的影響及規(guī)律

色紡紗線或織物是以染色纖維的聚集態(tài)為基本呈色單元，因此，不同染色纖維的混配比會導致其色度學指標的改變。對15份具有不同混配比參數(shù)的色紡紗線及其織物分別進行光譜反射率數(shù)值的測量以及SPM特征的提取，結(jié)果如表2所示。其中，BD(Y)與WD(Y)分別表示色紡紗線樣本間的類間SSPM特征與類內(nèi)SSPM特征；同理，BD(F)與WD(F)分別表示色紡織物樣本間的類間SSPM特征與類內(nèi)SSPM特征；全部結(jié)果進行等比縮放后，按照科學計數(shù)法進行表示。

結(jié)果表明，對于不同染色纖維混配而成的紗線和織物，當纖維混配比差異接近或達到1.0%時，色紡紗線和織物的SSPM特征均具有穩(wěn)定且顯著的差異性；而17020#與17023#樣本，由于其染色纖維混配比差異僅為0.2%，所以，無論是色紡紗線還是織物，均無法通過SSPM特征對樣本進行區(qū)分，其SSFD=0。

統(tǒng)計分析表明，色紡紗線及其織物間的SSPM特征值與染色纖維混配比差異總體呈現(xiàn)正向線性相關(guān)性，即隨著染色纖維混配比差異性增強，樣本間的SSPM特征值也隨之增大，即樣本的整體相似度下降。不僅如此，色紡紗線與其織物間的SSPM特征值也與染色纖維的混配比存在關(guān)聯(lián)。當染色纖維混配比差異小于2.0%，織造加工過程會降低紗線間原有的顏色差異性，即色紡紗線的SSPM特征值至少會有1個數(shù)量級的下降；而當染色纖維混配比差異高于2.0%時，織造加工處理過程并不會顯著改變色紡紗的呈色特性，二者的SSPM特征值處于同一數(shù)量級，說明此時紗線與織物的光譜曲線特征趨同。

表2 纖維質(zhì)量配比對紗線、織物間的SPM特征影響Tab.2 Effect of fiber quality ratio on SPM characteristics between yarns and fabrics

3.2 纖維性狀對呈色的影響及規(guī)律

染色纖維的性狀差異會導致色紡織物呈色特性的改變。對8份具有不同纖維長度的樣本分別進行光譜反射率測量以及SPM特征分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，對于不同色相的染色纖維，纖維長短差異(纖維長度分別為38與51 mm)會導致其色紡紗線和織物的光譜曲線特征具有顯著性差異；同時，統(tǒng)計分析表明，織造加工過程并不會顯著改變色紡紗的呈色特性，二者的SSPM特征值處于同一數(shù)量級，即織造過程相較于染色纖維的長短差異而言，對織物的呈色影響有限。

表3 纖維性狀差異對紗線、織物間的SSPM特征影響Tab.3 Effect of fiber characteristics on SSPM characteristics between yarns and fabrics

3.3 纖維種類對呈色的影響及規(guī)律

對2份由不同種類纖維構(gòu)成的色紡紗線及其織物進行SSMP特征提取與差異性判別分析，結(jié)果如表4 所示。結(jié)果表明，采用精梳細絨與采用精梳長絨的2份色紡紗線及其織物，其光譜曲線特征具有顯著差異。

表4 纖維種類差異對紗線、織物間的SSPM特征影響Tab.4 Effect of fiber type difference on SSPM characteristics between yarns and fabrics

值得注意的是，雖然織造過程并沒有顯著改變色紡紗線樣本間的呈色特性，即BD(Y)與BD(F)處于同一數(shù)量級，但二者之間仍然存在細微改變。進一步分析表明，相較于色紡紗線而言，織物樣本間的光譜曲線形狀特征值發(fā)生了較大改變，而距離特征值基本保持不變。結(jié)合紗線和織物的實際光譜曲線見圖2，可以看出，SSPM特征變化規(guī)律與紗線和織物實際光譜曲線變化規(guī)律保持一致，即2種不同種類的染色纖維(染料色號相同)，其色紡紗線樣本間的呈色差異主要體現(xiàn)在明度上，而色相基本保持一致；當對紗線進行織造加工后，由于織物紋理結(jié)構(gòu)的影響，會導致其色相角度發(fā)生一定改變，而樣本間明度差異基本保持不變。

圖2 不同纖維種類的色紡紗線與織物間光譜反射率曲線Fig.2 Spectral reflectance curves between colored yarns and fabrics with different fiber types

3.4 捻系數(shù)對呈色的影響及規(guī)律

對4份具有不同捻系數(shù)的樣本進行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 纖維捻系數(shù)差異對紗線、織物間的SSPM特征影響Tab.5 Influence of fiber twist factor on SSPM characteristics between yarns and fabrics

實驗結(jié)果表明：染色纖維成紗過程中的捻系數(shù)差異會對色紡紗線和織物的光譜反射率曲線特征產(chǎn)生影響；同時，織造加工過程能夠進一步強化這種差異，說明當紗線捻系數(shù)差異在相對較小范圍內(nèi)，織造加工過程所引入的織物紋理特征會對其呈色產(chǎn)生顯著影響，即SSPM特征至少會有1個數(shù)量級的上升。

3.5 對比實驗分析

CMC(l∶c)色差分析公式被廣泛應(yīng)用于紡織品色度學指標的差異性分析。為驗證SPM模型的有效性與穩(wěn)定性，本文選取3.1節(jié)中的15份樣本分別進行色差分析。同時，也采用“類內(nèi)距離”和“類間距離”的色差分析判別準則，實驗結(jié)果如表6所示。

表6 纖維質(zhì)量配比對紗線、織物間的色差分析結(jié)果Tab.6 Analysis results of chromatic aberration between yarns and fabrics by fiber mass ratio

其中，色l∶c=2∶1；BCMC(Y)與WCMC(Y)分別表示色紡紗線樣本間的“類間”色差值與“類內(nèi)”色差值；同理，BCMC(F)與WCMC(F)分別表示色紡織物樣本間的“類間”色差值與“類內(nèi)”色差值。

結(jié)果表明，對于不同染色纖維混配而成的紗線和織物樣本，色差值表征能力有限且并不穩(wěn)定，其類間色差與類內(nèi)色差值與混配比參數(shù)無明顯相關(guān)性；對于部分樣本的測試分析出現(xiàn)了隨機波動性，如17004#與17011#、17002#與17005#等。樣本間色差值僅在染色纖維混配比達到3.0%以上時才趨于穩(wěn)定。因此，本文所建立SMP模型相較于傳統(tǒng)的色差分析模型具有更為理想的有效性和穩(wěn)定性。

不僅如此，本文所建立的SPM模型綜合考慮了光譜矢量大小與光譜曲線形狀2個層面的特征信息，能夠表征光譜曲線的內(nèi)在規(guī)律和特點，使得相似的光譜更為相似，而不相似的光譜差別更大。以17001#與17002#色紡紗和織物的光譜曲線為例對比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 17001#與17002#色紡紗及織物光譜反射率曲線Fig.3 Spectral reflectance curves of colored spun yarns and fabrics from 17001# and 17002#.(a) Spectral reflectance curves of colored spun yarns from 17001# and 17002#; (b) Spectral reflectance curves of colored spun fabrics from 17001# and 17002#

其中，2份樣本的纖維混配比差異為0.94%；紅色實線和紅色虛線分別表示17001#樣本在2次實驗的光譜曲線；同理，綠色實線和綠色虛線分別表示17002#樣本在不同區(qū)域光譜曲線?？梢钥闯?，無論是色紡紗線樣本還是色紡織物樣本，17001#與17002#樣本間的光譜曲線在有效波長范圍內(nèi)，出現(xiàn)了多處重合與交疊，無法清晰、直觀表征樣本間的呈色差異性。而本文所建立的SPM特征提取模型，對2份樣本具有顯著的判別分析能力，能夠表征光譜曲線的本質(zhì)特征。

3.6 異常結(jié)果分析

在部分單項測試分析中，出現(xiàn)了異常結(jié)果，如染色纖維性狀差異分析實驗中的17024#與17027#樣本以及捻系數(shù)差異分析實驗中的17029#與17032#樣本。通過分析，發(fā)現(xiàn)在這些樣本中均出現(xiàn)了不同程度的染色纖維異常聚集的情況，即因為質(zhì)量控制和織造工藝而引起的色度學指標特征波動。部分色紡織物異常結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 染色纖維異常聚集與異色纖維團Fig.4 Abnormal aggregation of colored fibers and heterochromia fiber clusters in colored yarns (a)and colored fabrics(b)

4 結(jié) 論

本文重點分析染色纖維在成紗和織造過程中的呈色特性與主要影響因素及一般傳遞規(guī)律。針對色紡產(chǎn)品呈色的多樣性與復雜性，建立了結(jié)合光譜矢量大小和光譜曲線形狀的泛光譜相似測度，并用于色紡紗線與織物間顏色特性的表征與定量化分析；同時，結(jié)合特征間的類內(nèi)距離與類間距離，首次構(gòu)建了光譜反射率曲線特征差異性判別準則，具有一定的自適應(yīng)性。對26份具有不同配比參數(shù)及特性的色紡紗線和織物進行實驗分析，得到結(jié)論如下。

1)相較于傳統(tǒng)的色差分析模型，本文所建立的SPM模型能夠有效表征色紡紗線和織物的光譜反射率曲線特征。由于該模型綜合了曲線距離與形狀兩個層面的特性信息，因此對于不同混配比參數(shù)的色紡紗和織物具有理想的有效性和穩(wěn)定性。

2)對于不同染色纖維混配而成的紗線和織物，當纖維混配比差異接近或達到1.0%時，色紡紗線和織物的SSPM特征均具有穩(wěn)定且顯著的差異性；同時，色紡紗線及其織物間的SSPM特征與染色纖維混配比差異總體呈現(xiàn)正向線性相關(guān)性；當染色纖維混配比差異小于2.0%，織造加工過程會降低紗線間原有的顏色差異性。

3)纖維長短差異會導致其色紡紗線和織物樣本的光譜曲線特征產(chǎn)生顯著性差異；同時，織造加工過程并不會顯著改變色紡紗的呈色特性，二者的SSPM特征值處于同一數(shù)量級，即織造過程相較于染色纖維的長短差異而言，對織物的呈色影響有限。

4)染色纖維種類的差異會對色紡紗線和織物的光譜曲線特征產(chǎn)生顯著影響。同時，對紗線進行織造加工后，由于織物紋理結(jié)構(gòu)的影響，會導致其色相角度發(fā)生一定改變，而總體明度差異保持不變。

5)染色纖維在成紗過程中，捻系數(shù)差異會對色紡紗線和織物的光譜反射率曲線特征產(chǎn)生影響；同時，在捻系數(shù)差異較小時，織造加工過程會進一步強化這種差異。

本文的研究對于探索色紡紗線與織物間的顏色傳遞與分析建模具有重要的理論價值，同時也能夠為染色纖維混配色預測模型以及色紡企業(yè)的實踐生產(chǎn)提供保障。而建立染色纖維、紗線及其織物間的全流程顏色傳遞模型及其影響因素定量分析將是本文下一步研究的重點。

FZXB