吳義倫， 李忠健， 潘如如， 高衛(wèi)東， 張 寧

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 無錫 江蘇 214122)

色紡紗顏色自然、柔和時尚，能夠應對小批量多品種靈活生產(chǎn)，由其織造成的緯編針織物顏色含蓄、自然、有朦朧感，符合現(xiàn)代個性化、多樣化、時尚化的服裝發(fā)展趨勢和消費趨勢。但由于紡制色紡紗所用的有色纖維是非均勻混合的，因此，紗線表面顏色多樣化，織物外觀顏色復雜。通常工廠需要進行多次小樣試織來觀察織物外觀顏色效果，該方式不僅費時、費力，而且增加工廠的成本。

隨著計算機技術的發(fā)展，研究者越來越傾向于應用計算機圖像技術模擬織物布面效果，這種方式不僅可快速、直觀地展現(xiàn)織物的布面效果，而且為工廠減少人力，降低成本。目前，研究者通常在經(jīng)典的Peirce線圈模型的基礎上優(yōu)化[1-3]，進而利用優(yōu)化后的線圈模型對針織物外觀進行模擬[4-5]。祝成炎[6]模擬了的織物外觀僅是表面紋理效果，并非織物真實外觀顏色效果，外觀真實感較差；沙莎等[7]對模擬紗線的結構做優(yōu)化，以增強模擬織物的外觀真實感，但僅適用于對單色紗線織物的模擬，無法應用于色紡紗織物外觀模擬；文獻[8]中利用真實紗線的直徑數(shù)據(jù)模擬織物，但沒有將紗線的顏色信息填充到織物模型中；為應用紗線的真實顏色信息，使模擬的織物外觀真實感較強，張繼東等[9-10]中提取了實際紗線序列圖像模擬織物外觀，但其建立的線圈幾何模型與真實緯編針織物線圈在圈柱部分有一定差異，模擬的織物外觀立體效果不明顯，且沒有真實織物對照。

為克服上述方法的缺陷，更好地展現(xiàn)模擬織物的外觀真實感，本文提出一種將提取的色紡紗線外觀數(shù)據(jù)映射至改進后的線圈幾何模型的織物模擬方法，該方法可以快速、直觀地預測不同參數(shù)的緯編針織物布面顏色效果，模擬的織物外觀真實感較強。

1 色紡紗圖像采集及預處理

1.1 紗線圖像獲取

為連續(xù)、精確地獲取色紡紗真實外觀數(shù)據(jù)，本文安裝了圖像采集裝置，如圖1所示。

1—顯示器；2—MER-132-30GC型工業(yè)相機；3—環(huán)形LED光源；4—紗線退繞裝置；5—紗線卷繞裝置；6—220 V交流電動機；7、8—導紗裝置。圖1 紗線圖像采集裝置

Fig.1 Yarn image acquisition device

由圖1可知，該裝置主要有2部分組成：第1部分為紗線傳動裝置，包括4、5、6、7、8；第2部分為圖像采集部分，包括1、2、3。其中，導紗裝置之間是紗線圖像采集區(qū)域，采集部分用黑布遮蓋以保證采集區(qū)域封閉，使用環(huán)形LED光源，準備黑、白、灰3種顏色的漫反射背景板見圖2所示。

圖2 3種顏色背景板

Fig.2 Three color background board

采集紗線圖像前，本文采用直徑為2 mm的黑色圓形為標定板對相機分辨率進行標定。將標定板水平放置在采集紗線圖像的平面上，采集單幀圖像如圖3所示?？芍诓杉喚€圖像平面高度時，圖像像素與實際尺寸之間的關系為616像素/2 mm。

圖3 標定圖像

Fig.3 Calibration image

采集紗線圖像時，打開光源，卷繞裝置在電動機的作用下勻速卷繞紗線，管紗退繞，相機連續(xù)采集紗線圖像片段。其中，采集到的色紡紗圖像尺寸為 1 292 像素×964像素，紗線傳動速度為2.16 m/min，即紗線1 s的傳動長度為36 mm，相機幀率為 12 fps?；诩喚€圖像像素與實際尺寸之間的關系可得，每幀紗線圖像實際物理尺寸為4.2 mm×3.1 mm。又因紗線1 s實際的傳動長度為36 mm，通過計算得知，每幅紗線圖像沿紗線長度方向前后重疊的物理長度為1.3 mm，須裁剪重復部分。根據(jù)圖像與實際物理尺寸之間的關系，可求得每幅紗線圖像片段重復約為400像素，同時為減少運算量，保留紗線主體，紗線圖像寬度僅保留以紗線主體為中心的200像素。裁剪后紗線圖像如圖4所示。圖像尺寸大小為892像素×200像素，最后將采集的色紡紗圖像按照先后順序儲存，以便后續(xù)處理。

圖4 裁剪后的色紡紗圖像

Fig.4 Cropped colored spun yarn image

1.2 圖像預處理

為能顯示出色紡紗織物的表面條干和外觀紋理效果，本文將紗線毛羽信息進行去除，只保留紗線的主體信息，進而對色紡紗緯編針織物的外觀進行模擬。為去除色紡紗毛羽信息，獲取紗線圖像的主體信息，對獲取的紗線圖像做如下處理：

1) 對采集的色紡紗線原圖進行灰度化處理，結果如圖5(a)所示。

2) 對灰度化后的圖像進行閾值分割處理，結果如圖5(b)所示。如遇深色纖維的紗線，則采用白色為背景；纖維淺色或顏色不深時，可采用黑色為背景；若既有深色纖維又有淺色纖維時，可采用灰色為背景。

3) 為去除紗線圖像中不需要的信息，使紗線主體部分光滑，利用直徑為6像素的圓盤結構元素對圖5(b)進行開運算和閉運算處理，處理結果如圖5(c)所示。

4) 將得到的圖5(c)與紗線原圖進行矩陣點乘運算，還原紗線主體，結果如圖5(d)所示。

圖5 圖像采集及預處理過程

Fig.5 Image acquisition and preprocessing. (a) Gray scale image; (b) Binary image;(c) Subject binary image; (d) Yarn body image

1.3 紗線的拼接

由于獲取的是色紡紗序列圖像，圖像的長度是一定的，為滿足織物模擬時所需要的紗線長度，必須將紗線序列圖像拼接起來，模擬的織物才能準確的預測真實織物的布面效果。拼接方法如下：

1)在圖5(c)中，紗線部分像素點的值為1，背景部分像素點的值為0，因此，0和1的交界即為紗線的邊緣；對圖5(c)所有行上像素點的值進行求和，計為A。當A最大時，其對應的行計為Rj(j=1，2，…)，最后計算Rj的平均值，其值計為tsi(如果tsi是小數(shù)，取其最近的整數(shù))。tsi值即為紗線主體中心線位置。

2)創(chuàng)建與紗線圖像同寬度大小的M×N的矩陣R，M為紗線圖像的行數(shù)，N為紗線圖像片段數(shù)與每幅紗線圖像列數(shù)的乘積；M/2行為v矩陣的中心，將紗線圖像在v矩陣中進行拼接。拼接時，將紗線的中心線置于矩陣的中心，紗線兩側邊界內(nèi)的信息依次填充到新的矩陣中心兩側，完成紗線的拼接，如式(1)所示。

y(mik:mid,1:n,Z)=v[M/2-(tsi-mik):M/2+

(mid-tsi),1+(i-1)n:n+(i-1)n,Z]

(1)

式中：mik為第i幅圖像的上邊界，i=1，2，……；mid為第i幅圖像的下邊界；n為紗線圖像的列數(shù)；tsi為第i幅紗線圖像的紗線中心線所在行數(shù)；M為矩陣的行數(shù)；Z為對應的R、G、B3個分量，其值分別為1、2、3。

2 線圈模擬

色紡紗緯編針織物由若干個線圈串套而成，其基本單元是線圈，因此，線圈幾何模型的建立是緯編針織物模擬的關鍵所在。線圈是由針編弧、圈柱以及沉降弧3部分組成，根據(jù)建立的幾何模型，按照紗線編織方向將利用圖像技術提取到的紗線的主體信息映射到線圈上，通過改變線圈的相互串套關系即可實現(xiàn)不同組織色紡紗針織物的模擬[11-13]。

2.1 線圈幾何模型的建立

Peirce線圈模型是早期研究線圈幾何結構與織物性能關系的代表模型，其針編弧和沉降弧分別由1/2圓弧和1/4圓弧表示，圈柱由直線段近似表示。但Pierce模型中包含理想化假設，如用直線描述圈柱，模型效果與實際織物線圈結構差別較大。本文通過對真實色紡紗織物的線圈結構加以分析，在Pierce模型的基礎上做了一定的改進，用圓弧表示線圈的圈柱部分，用橢圓弧表示線圈的沉降弧和針編弧，改進后的線圈幾何模型如圖6所示。其中：弧AB、HI為線圈沉降弧，其弧度分別對應為π/2；弧BC、CD、FG、GH為線圈圈柱部分，其弧度分別對應為π/4；弧DEF為線圈的針編弧，其弧度對應為π。

圖6 線圈幾何模型

Fig.6 Loop geometry model

根據(jù)以上各點的坐標，結合線圈每段弧長所對應的弧度，即可得到各段弧線相對應的函數(shù)方程為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2 線圈的模擬

線圈的模擬是建立在線圈的幾何模型基礎上，假設開始編織方向是自左向右，則由真實紗線信息自左向右映射到線圈幾何模型上。映射時，將真實紗線圖像中心線上下兩側的信息填充到線圈幾何模型曲線的兩側。以線圈的針編弧模擬為例，如圖7所示。圖7(a)中的直線L為紗線的中心線，兩側為紗線邊緣，中心線L對應圖7(b)線圈針編弧中的弧MON，且二者的像素點長度相等，即若L上有n個像素點，則弧MON上對應有n個像素點，圖中M、P、O、N為其中的4個像素點。線圈針編弧MON對應圖6中的弧DEF，且根據(jù)式(5)可得到弧DEF的函數(shù)方程，因此，若知道角度α的大小，即可計算出圖7(b)中弧UV和OR上任意像素點的坐標，同理，可獲得弧MON兩側的所有像素點的坐標，將其進行填充，即可完成色紡紗圖像到線圈針編弧的映射。同樣的原理，可實現(xiàn)色紡紗圖像到沉降弧以及圈柱的映射，實現(xiàn)線圈的模擬。

圖7 紗線信息映射原理圖

Fig.7 Yarn information mapping principle. (a) Yarn centerline and border; (b) Loop model needle arc section

在模擬過程中，由于圖7中直線O4U和O4Q之間存在一個夾角，這就造成映射時，在UPOQ區(qū)域發(fā)生紗線拉伸，模擬的線圈圖像上會夾雜著黑色區(qū)域，如圖8(a)所示。為解決這種黑點問題，本文對線圈圖像整體做最鄰近插值算法，設插值點g(i,j)到周邊4個鄰點fk(i,j)(k=1,2,3,4)的距離為dk(k=1,2,3,4),則插值點g(i,j)=fk(i,j)，其中dl=min{d1,d2,d3,d4},l=1,2,3,4。相對于雙線性插值的方法，其計算量較小，耗時相對較短且效果好，結果如圖8(b)所示。

圖8 線圈模擬圖

Fig.8 Loop simulation image. (a) Interpolation of front loop image； (b) Interpolated loop image

3 織物的模擬

3.1 織物組織模型的建立

緯編針織物包含緯平、羅紋、雙羅紋以及雙反面等組織，為使算法具有更好的適應性，針對不同組織的緯編針織物需要建立合適的織物組織變化模型，本文通過判斷針織物橫列和縱行的奇偶數(shù)，調(diào)整橫列和縱行線圈圈柱和圈弧的覆蓋關系實現(xiàn)不同組織的緯編針織物模擬，模型公式為：

(9)

式中：I(Qy,Qx,Z)為線圈圖像矩陣，代表線圈上任意位置像素點；mod為取余運算符；x0，y0為第1個線圈原點位置的初始值；r為縱向間距值的變化，其增大或減小的變化值為h，主要負責控制針織物橫列數(shù)變化；c為橫向間距值的變化，其增大或減小的變化值為W，主要負責控制針織物縱行數(shù)的變化。利用這個原理便可改變織物組織的變化規(guī)律，從而改變織物的組織類型。由于大多數(shù)色紡紗緯編針織物組織為緯平針，因此，本文僅模擬緯平針組織為例。

將單個線圈幾何模型分別沿橫、縱向循環(huán)若干以形成針織物幾何結構，最后，為模擬出具有真實感的色紡紗緯編針織物外觀，將拼接后完整的色紡紗圖像數(shù)據(jù)填充到針織物幾何結構兩側，這種情況下的模擬結果如圖9(a)所示?？梢钥闯?，根據(jù)編織方向簡單的模擬，線圈和線圈之間沒有覆蓋關系，不能形成針織物的外觀效果，因此，為使模擬的針織物中的線圈具有相互串套的效果，需要通過建立的織物組織模型判斷線圈所在橫列和縱行，然后根據(jù)組織類型判斷是圈柱和圈弧的覆蓋關系，由于本文模擬的緯平針正面，因此，所有橫列和縱行均是圈柱覆蓋圈弧。圖9(b)即為線圈覆蓋處理后的緯平針組織。

圖9 線圈覆蓋

Fig.9 Loop cover. (a) Not covered; (b) Covered processing

3.2 色紡紗緯編針織物的模擬

3.2.1 模擬織物與實物圖的對比

建立織物組織模型后，即可開始織物模擬，同時，為驗證模擬的效果，本文將模擬的緯平針織物布面顏色效果與實際織物外觀顏色效果進行比較，如圖10所示。

圖10 色紡紗織物模擬結果

Fig.10 Simulation results of colored spun yarn fabric.(a) Simulation image;(b) Physical image

圖10(b)是將色紡紗線用小樣襪機織出的實物圖，橫密為46縱行/(5 cm)，縱密為64橫列/(5 cm)；圖10(a)是利用本文方法模擬的色紡紗針織物，根據(jù)像素點與實際尺寸之間的換算關系，使模擬的針織物密度與上述實際織造的針織物密度相同，模擬一幅尺寸為46縱行、64橫列大小的緯編針織物圖像用時約20 min；從模擬的結果對比來看，模擬的針織物圖像與通過掃描得到的對應針織物圖像在外觀上視覺效果一致，模擬效果逼真。

3.2.2 不同密度的針織物模擬

緯編針織物的密度是影響布面效果的重要因素，本文所應用的織物外觀真實感模擬算法可以改變模擬織物的密度，如圖11所示。

圖11 不同密度模擬圖對比

Fig.11 Comparison of simulated images with different densities. (a)Low density;(b)High density

對比2幅模擬圖像可以發(fā)現(xiàn)，模擬密度不同時，對應的織物的布面顏色顏效果差別很大。圖11(a)模擬織物的線圈聯(lián)系不緊密，而圖11(b)的線圈與線圈之間聯(lián)系非常緊密，外觀顯得非常飽滿。

3.2.3 不同色紡紗線的針織物模擬

工廠實際生產(chǎn)中會遇到各種色紡紗線，其顏色種類均相同，因此，模擬織物外觀的算法必須可適應各種色紡紗線的模擬，本文針織物外觀模擬算法可模擬出不同紗線對應的織物布面效果，如圖12所示。

圖12 不同色紡紗模擬圖與實物圖

Fig.12 Simulation and physical map of different colored spun yarns. (a) Simulation image;(b) Physical image

通過織物模擬圖與掃描圖的對比可看出，織物模擬圖與對應的掃描圖外觀顏色紋理接近，模擬效果逼真。因此，本文的模擬算法可滿足不同顏色種類色紡紗織物的模擬，品種適應性好。

4 結束語

本文通過采集真實色紡紗圖像模擬緯編針織物，首先對Peirce線圈模型改進；再將經(jīng)過預處理后的紗線圖像按照編織方向依次映射到改進后的線圈模型上；然后通過建立適當?shù)目椢锝M織變換模型，改變線圈覆蓋關系，使織物線圈相互串套，模擬出緯編針織物的外觀效果。最后先將模擬的織物圖像與掃描的同密度的緯編針織物圖像作對比，從對比結果可以得出，模擬出的織物與實際織物在視覺效果上一致，外觀效果逼真；又將不同密度、不同色紡紗紗線的緯編針織物模擬圖像作對比，體現(xiàn)出本文模擬算法的參數(shù)可調(diào)性以及品種適應性好。

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