基于3D掃描技術(shù)的織物懸垂性測(cè)試方法

王鵬程 劉基宏

摘要： 文章提出基于3D掃描技術(shù)的織物懸垂性測(cè)試分析方法。利用3D掃描儀采集織物圖像空間點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云拼接、去噪、填充等平滑織物懸垂曲面得到掃描實(shí)體。沿著掃描實(shí)體的Z軸線方向等距離剖切得到多個(gè)XOY平面，并提取各個(gè)平面的懸垂波數(shù)、波峰半徑等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，懸垂系數(shù)與傳統(tǒng)方法測(cè)得的懸垂性指標(biāo)相關(guān)性高，而織物各切面層波形個(gè)數(shù)、波形穩(wěn)定高度、波峰半徑與波谷半徑變化趨勢(shì)等參數(shù)直觀地反映織物在三維空間中懸垂曲面形態(tài)變化，為評(píng)價(jià)織物懸垂性提供新的方法。

關(guān)鍵詞： 三維掃描技術(shù)；織物懸垂性；懸垂系數(shù)；波峰半徑；波谷半徑

中圖分類號(hào)： TS101.923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2018）06-0025-06

引用頁碼： 061105

Abstract： This paper presents a method of fabric drape test based on 3D scanning technology. Space point data of fabric images were collected by 3D scanner， and the scanning fabric was gained through point cloud splicing， denoising and filling. Then， multiple XOY planes were obtained by equidistantly sectioning along the Z-axis direction of the scanning fabric， and the parameters such as the number of waves and the crest radius of each plane were extracted. The experimental results showed that the drape coefficient was highly correlated with the drape index measured by the traditional method. The parameters such as the number of waves， the stable height of waves， the trend of crest radius and trough radius reflect the morphological changes of the drape in the three-dimensional space. This paper provides a new method for evaluating the fabric drape.

Key words： 3D scanning technology； fabric drape； drape coefficient； crest radius； trough radius

織物懸垂性是織物在自然狀態(tài)下因自重而下垂的性能，反映織物懸垂程度和懸垂形態(tài)，是描述柔性材料性能的一個(gè)重要特性[1]。隨著人們對(duì)服裝美感和舒適性追求的不斷提高，以及服裝銷售趨于網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)織物懸垂性研究意義愈發(fā)重要。多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)二維織物懸垂性能的研究已經(jīng)十分深刻。從Pierce[2]最早采用懸臂梁儀通過彎曲長(zhǎng)度間接表征織物懸垂性優(yōu)良開始，隨后以傘式投影[3-4]為基礎(chǔ)出現(xiàn)的手描輪廓、投影稱重和計(jì)算機(jī)圖像處理等方法，多是通過投影降維的方式得出懸垂系數(shù)等二維指標(biāo)，但織物懸垂是一種三維空間現(xiàn)象，傳統(tǒng)的二維指標(biāo)很難直觀地描繪織物的三維懸垂外觀形態(tài)。此外，對(duì)于某些輕薄柔軟面料而言，直接投影還會(huì)因部分懸垂褶皺在支撐圓盤邊緣內(nèi)部而丟失部分有效數(shù)據(jù)[5]。

目前對(duì)織物三維懸垂形態(tài)重建還處于探索階段。沈毅等[6]利用織物懸垂性指標(biāo)重建織物懸垂形態(tài)，效果逼真但未考慮織物結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能對(duì)懸垂性的影響。張瑞云等[7]通過粒子和彈簧質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行織物三維重建，由于紡織面料是非線性、各向異性、不連續(xù)的彈性體且織物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、懸垂形態(tài)隨意，導(dǎo)致建模難度大、準(zhǔn)確性較差。因此，針對(duì)現(xiàn)有重建及測(cè)試方法存在的不足，本文提出基于3D掃描技術(shù)的織物懸垂性測(cè)試分析方法，該方法能有效克服現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器不能準(zhǔn)確顯示織物三維懸垂形態(tài)的局限性。將3D掃描儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以快速、準(zhǔn)確地重現(xiàn)織物三維曲面造型和獲得織物圖像空間點(diǎn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過去噪等優(yōu)化掃描實(shí)體，通過對(duì)懸垂邊緣輪廓垂直投影和沿著掃描實(shí)體Z軸方向等距離剖切，提取表征織物懸垂程度和美感程度指標(biāo)。

1 懸垂性實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣選取

選取9塊市面上銷售的不同懸垂風(fēng)格織物，各塊織物的基本規(guī)格如表1所示。

1.2 儀 器

Einscan-s是先臨三維公司推出的高精度3D掃描儀，該裝置主要由兩個(gè)130萬分辨率的攝像頭和光柵投影裝置構(gòu)成。其單幅掃描精度可達(dá)0.1mm，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)掃描一周的時(shí)間約需3min，儀器可掃描的最大范圍為700mm×700mm×700mm。YG811E織物懸垂測(cè)試儀由寧波紡織儀器廠生產(chǎn)。

1.3 懸垂性測(cè)試

按照GB/T6529—2008《紡織品調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》和GB/T23329—2009《紡織品織物懸垂性的測(cè)試》標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)前試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，然后將各塊織物剪裁成直徑為240mm的圓形，分別在3D掃描儀和YG811E織物懸垂測(cè)試儀上測(cè)試，每塊織物試樣測(cè)試3次，求取平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置的原理及搭建

光柵式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀是一款高精度、高速度的三維掃描測(cè)量設(shè)備，該非接觸式三維掃描儀以更加安全的白光作為投影光源。如圖1所示，掃描時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步、實(shí)時(shí)采集物體圖像信息并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過相位計(jì)算、三角測(cè)量原理和點(diǎn)云匹配等技術(shù)，可獲得兩個(gè)攝像頭交叉區(qū)域內(nèi)物體表面上任意一點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)[8]。

基于三維掃描儀織物懸垂性測(cè)試裝置的搭建組成如圖2所示。三維掃描儀3由兩個(gè)攝像頭6和一個(gè)光柵投影裝置5組成，三維掃描儀放于自由旋轉(zhuǎn)臺(tái)2的一側(cè)，兩者底端相距28cm，這樣可以最大程度地掃描織物懸垂曲面形態(tài)，也可有效消除某些輕薄面料因部分懸垂褶皺被支撐圓盤遮擋而產(chǎn)生的誤差。測(cè)量時(shí)調(diào)整測(cè)頭仰俯角，使得光柵投影光下邊緣與轉(zhuǎn)臺(tái)的第二圈輪廓線平齊，通過標(biāo)定板7進(jìn)行標(biāo)定后，將織物試樣1放于自由轉(zhuǎn)臺(tái)中央，隨著自由旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)360°，計(jì)算機(jī)4即呈現(xiàn)出織物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 懸垂性指標(biāo)

2.1 懸垂系數(shù)

織物懸垂系數(shù)是指織物試樣下垂部分的投影面積與原始面積相比的百分率，是用來描述織物懸垂程度的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)將經(jīng)過去噪、修補(bǔ)等優(yōu)化后的織物懸垂曲面實(shí)體導(dǎo)入CATIA軟件中，以支撐圓盤面為基準(zhǔn)面對(duì)織物試樣的邊緣懸垂輪廓曲線進(jìn)行垂直投影，得到封閉的二維曲面（圖3），則其懸垂系數(shù)D為：

2.2 波峰半徑、波谷半徑和波數(shù)

織物懸垂輪廓曲線中向外凸出的部分為波峰，向內(nèi)凹進(jìn)的部分為波谷。波峰（谷）距中心點(diǎn)最遠(yuǎn)（近）點(diǎn)到中心點(diǎn)間距離為波峰（谷）半徑，波數(shù)是沿每層波浪形截面曲線一周完整的波峰數(shù)?？椢飸掖瓜禂?shù)在一定程度上反映了織物的懸垂程度，但織物懸垂是一個(gè)空間三維懸垂曲面，為了更加直觀地描述織物在下垂過程中不同位置處懸垂形態(tài)的變化，用一個(gè)虛擬的水平面（與支撐圓盤面平行）沿著掃描實(shí)體Z軸方向，以2mm為間隔等距離地截取織物試樣，得到一組波浪形截面曲線（圖4）。其中，平均波峰半徑Rc和平均波谷半徑Rt為：

3 結(jié)果與分析

3.1 懸垂系數(shù)

3D掃描儀和YG811E織物懸垂測(cè)試儀所測(cè)得的織物懸垂系數(shù)平均值如表2所示。

從表2可以看出，織物懸垂系數(shù)CV值相對(duì)較小，表明3D掃描法測(cè)試織物懸垂具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。為了檢驗(yàn)3D掃描法測(cè)得的懸垂系數(shù)與YG811E儀器法測(cè)得的懸垂系數(shù)間是否具有相關(guān)性，對(duì)表2中織物懸垂系數(shù)做回歸分析。圖5為兩種方法測(cè)得懸垂系數(shù)的線性擬合圖。

YG811E織物懸垂測(cè)試儀和3D掃描儀所測(cè)懸垂系數(shù)的擬合優(yōu)度R2=0.9813，表明數(shù)據(jù)擬合效果具有很好的可信度，P=2.62×10-7<0.001表明回歸方程高度顯著，其回歸方程為y=0.9439x+0.1543。因此，兩種方法在描述織物懸垂程度方面具有很好的一致性。

3.2 波數(shù)和波形穩(wěn)定高度

相對(duì)于俯視懸垂投影圖而言，三維掃描法不僅可以通過投影的方式得到表征織物懸垂程度的指標(biāo)如懸垂系數(shù)等，還可以獲得織物懸垂曲面在空間中所有的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。因此，通過等距離逐層切分織物三維掃描實(shí)體，得到不同高度處的邊緣輪廓曲線，觀察不同層截面處織物波數(shù)的變化情況。以針織真絲織物為例（圖6），其中當(dāng)波峰半徑與相鄰波谷半徑相差大于2mm且波峰曲線完整時(shí)記為一個(gè)波數(shù)。表3為九種不同懸垂風(fēng)格織物在各層高度處的波數(shù)。

織物波數(shù)是描述織物懸垂形態(tài)的重要參數(shù)，反映了織物成褶能力。一般來說，織物波數(shù)越多，織物的懸垂性越好。從表3可以看出，針織真絲織物形成的懸垂波數(shù)最多，與其他織物相比，針織真絲織物線密度小，平方米質(zhì)量低，懸垂時(shí)易彎曲且形成的波曲弧長(zhǎng)較短，因而絲織物周圍形成的波曲數(shù)多，懸垂性好，形態(tài)優(yōu)美。對(duì)于每塊織物而言，沿織物Z軸方向從上到下各層波形個(gè)數(shù)變化總體經(jīng)過3個(gè)階段，即波數(shù)增加、穩(wěn)定和減少階段。懸垂系數(shù)較大的織物，在初始層就已形成穩(wěn)定的波形數(shù)。當(dāng)織物波形個(gè)數(shù)相同時(shí)（如平紋棉織物和羊毛1#織物），波形穩(wěn)定高度越高，其織物波峰張開程度越小，織物懸垂度越好，因此織物波數(shù)越多、波形穩(wěn)定高度越大時(shí)，織物懸垂性越好。

3.3 波峰半徑和波谷半徑

波峰半徑與波谷半徑對(duì)織物的懸垂外觀形態(tài)影響很大，需要將波峰凸出與波谷凹入作為一個(gè)整體對(duì)織物懸垂形態(tài)做出評(píng)價(jià)。圖7是九種不同懸垂風(fēng)格織物在不同層高處波峰半徑和波谷半徑均值曲線圖。

從圖7可以看出，總體上波峰半徑和波谷半徑隨著下垂高度的增高而增大。針織真絲織物懸垂系數(shù)小懸垂性好，懸垂輪廓緊密地環(huán)繞在支撐圓柱周圍，波峰半徑增加緩慢，高度約為8mm時(shí)，波谷開始被支撐圓盤遮擋；對(duì)于莫代爾1#與莫代爾2#織物，其織物組織與紗線特?cái)?shù)均相同，當(dāng)織物單位面積重量越大時(shí)織物懸垂性越好，莫代爾2#織物克重較大，其波峰半徑曲線增加平緩且數(shù)值較小，懸垂性較好，根據(jù)佐同林等[9]研究的織物懸垂系數(shù)對(duì)懸垂外觀形貌波峰波谷變化影響得出的結(jié)論，當(dāng)懸垂系數(shù)在10%～45%時(shí)，織物波峰凸出與波谷凹入對(duì)比明顯。由圖7（b）～（c）可知，隨著高度的增加，波谷半徑均值曲線基本穩(wěn)定在65mm而波峰半徑逐漸增加，因而織物波形凸凹對(duì)比顯著。從圖7（d）～（f）可以發(fā)現(xiàn)，波峰曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，但波谷曲線變化差異較大，因織物組織對(duì)平均谷高影響很大，為正相關(guān)，當(dāng)織物組織越接近平紋時(shí)，平均谷高越大，織物下垂越不明顯[10]。圖7（d）～（f）三塊織物的波谷曲線變化趨勢(shì)符合理論規(guī)律，因此一上三下棉織物懸垂性優(yōu)于平紋和一上二下棉織物。滌綸織物在懸垂高度約為20mm時(shí)波峰消失，因滌綸織物各向異性突出使得波谷形狀差異明顯，層高約為28mm時(shí)，張開角較大的波谷消失，波谷曲線驟降，因此滌綸織物存在凹入較深的褶皺，懸垂外觀形態(tài)較差。羊毛織物1#和羊毛織物2#懸垂系數(shù)和峰高均相近，但羊毛1#波峰曲線初始斜率較小且曲線平滑，因此羊毛1#織物懸垂曲面線條更緩和，曲面造型更優(yōu)美。

4 結(jié) 論

由3D掃描儀組成的織物三維懸垂性測(cè)試裝置具有較高的測(cè)量精度和良好的三維可視性，與YG811E懸垂儀相比，兩種方法測(cè)得的懸垂系數(shù)高度相關(guān)，證明了3D掃描法測(cè)試織物懸垂性具有可行性。通過虛擬水平面等間距切分織物發(fā)現(xiàn)：織物波數(shù)越多、波數(shù)穩(wěn)定高度越高，織物懸垂性越好；在不同層高處，織物波峰半徑與波谷半徑均值曲線變化能較好地反映織物懸垂曲面的三維形態(tài)。因此，3D掃描儀可以作為進(jìn)一步探究織物三維懸垂曲面特性與建立織物三維懸垂評(píng)價(jià)體系的新方法。

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