基于改進(jìn)Peirce線圈模型的色紡段彩紗緯平針織物仿真

張 晗，李忠健，潘如如

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2. 紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，浙江 紹興 312000)

段彩紗是選用兩種及以上原料(顏色)的粗紗，在細(xì)紗機(jī)上加裝段彩紗裝置，實(shí)現(xiàn)一種粗紗為主體紗連續(xù)喂入，另一種粗紗為輔助紗間斷喂入，從而形成具有段彩效應(yīng)的單紗，色紡段彩紗兼具色紡紗和段彩紗的特點(diǎn)，具有豐富的顏色效果，深受消費(fèi)者的喜愛。

段彩紗的生產(chǎn)一直是色紡企業(yè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，段彩長度隨機(jī)分布的特點(diǎn)增加了配色工人的工作難度，車間內(nèi)段彩紗的生產(chǎn)需要反復(fù)打小樣確認(rèn)，因此費(fèi)時費(fèi)力。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)快速、直觀地對其外觀效果進(jìn)行模擬，可以節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

由于段彩紗復(fù)雜的顏色效果，本文選擇建立幾何模型，采用真實(shí)紗線圖像法進(jìn)行模擬。目前國內(nèi)外對緯編針織物建立的幾何模型主要有Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型[1-2]、基于Peirce線圈模型的改進(jìn)模型[3-5]和B樣條曲線模型[6-9]等。Peirce經(jīng)典緯編線圈模型是早期最具代表性的線圈模型，為后來的研究提供了理論基礎(chǔ)。該模型用半圓表示線圈圈弧，用直線段表示圈柱將針編弧與沉降弧相連，是一個理想化的模型，與實(shí)際織物存在差距。在Peirce線圈模型的基礎(chǔ)上，很多研究者提出了一系列的改進(jìn)模型，Leaf等[5]考慮到紗線編織成線圈時的扭轉(zhuǎn)情況，將圈柱和圈弧均用圓弧表示，與真實(shí)的線圈形態(tài)更加貼近，但模型也更復(fù)雜。以上方法均用分段函數(shù)建立二維線圈模型。近年來，隨著三維模擬技術(shù)的逐漸發(fā)展[10]，有研究者[7]利用NURBS樣條曲線建立線圈模型，該方法通過測量實(shí)際織物的位置參數(shù)，獲得型值點(diǎn)，利用點(diǎn)的坐標(biāo)構(gòu)建曲線方程，可以建立三維線圈模型，曲線比較靈活，但受到測量數(shù)據(jù)的影響，代表性不強(qiáng)，而且用幾個點(diǎn)來確定三維的線圈形態(tài)存在誤差。

本文通過對緯平針織物的觀察和測量，提出一種基于Peirce線圈模型的改進(jìn)模型，并利用改進(jìn)模型對色紡段彩紗緯平針織物進(jìn)行模擬。研究表明，改進(jìn)后的線圈模型與織物的實(shí)際線圈結(jié)構(gòu)更加吻合，模擬效果與實(shí)際織物的外觀效果一致，且能夠適應(yīng)不同線密度的紗線和不同密度的緯平針織物。

1 線圈圖像采集和處理

1.1 圖像采集設(shè)備

本文所用的圖像采集設(shè)備裝置簡圖如圖1所示，該裝置由圖像采集和電機(jī)傳動兩部分組成，可以連續(xù)、清晰地采集紗線圖像。

1—MER-132-30GC型工業(yè)相機(jī)；2—采集范圍調(diào)節(jié)旋鈕；3—焦距調(diào)節(jié)旋鈕；4—CCD環(huán)形光源；5、6—導(dǎo)紗裝置；7—黑色背景板； 8—顯示屏；9—電源；10—電動機(jī)。圖1 圖像采集裝置簡圖Fig.1 Image acquisition device

裝置的圖像采集部分包括MER-132-30GC型工業(yè)相機(jī)、CCD環(huán)形光源以及采集范圍調(diào)節(jié)旋鈕和焦距調(diào)節(jié)旋鈕，電動機(jī)傳動部分包括電動機(jī)、傳動輥、膠輥和導(dǎo)紗裝置。

采集圖像時，將紗線從管紗上退繞下來，經(jīng)過導(dǎo)紗裝置固定在膠輥上，將黑色背景板放置在紗線下方，打開電機(jī)，使傳動輥帶動膠輥上的紗線勻速運(yùn)動，控制相機(jī)進(jìn)行拍照。采用上述方法依次采集200張紗線的圖像。其中，1 pixel相當(dāng)于實(shí)際紗線0.016 mm的長度。

1.2 紗線條干提取

為提高模擬的織物外觀與實(shí)際織物外觀之間視覺上的相似性，更好地反映織物表面的紋理特征，采用如下方法去除紗線圖像的背景和噪點(diǎn)。具體操作步驟如下：

(1) 二值化處理。用MATLAB軟件讀取紗線圖像，對圖像進(jìn)行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。然后利用Otsu圖像閾值分割法處理灰度化之后的圖像，轉(zhuǎn)化為二值圖像，其中紗線條干部分的像素值為1，背景部分的像素值為0。

(2) 形態(tài)學(xué)處理。為了達(dá)到最佳的去除邊緣毛刺的效果，創(chuàng)建一個半徑為1的平坦型圓盤結(jié)構(gòu)元素，對二值圖像先用開運(yùn)算處理，平滑紗線輪廓，將細(xì)小的突出部分去除，然后用閉運(yùn)算處理，將缺口部分進(jìn)行填充，使紗線條干信息更加完整。

(3) 條干提取。將紗線原圖像進(jìn)行均一化處理，將三通道圖像中每一通道每個像素點(diǎn)的值與步驟(2)所得的二值圖像進(jìn)行矩陣乘法的運(yùn)算，得到的新圖像即為去除采集背景而保留紗線條干信息的圖像。

紗線圖像處理前后的對比如圖2所示。

圖2 紗線圖像處理前后對比Fig.2 Comparison of yarn images before and after processing

2 建立線圈模型

對5種緯平針織物的正反面圖像進(jìn)行采集，分別從織物正、反面圖像中獲得單個線圈圈柱和圈弧的圖像，將兩者進(jìn)行合成，得到單個線圈的圖像，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際織物的左右線圈結(jié)構(gòu)并不是對稱的，這可能是成圈時紗線捻度的存在所造成的。以捻向?yàn)閆捻的針織紗為例，線圈的左側(cè)在成圈時具有解捻效果，紗線中的纖維傾向于平行伸直，而線圈的右側(cè)在成圈時具有加捻效果，導(dǎo)致紗線中的纖維螺旋轉(zhuǎn)曲的效果更明顯。因此，對Peirce線圈模型進(jìn)行改進(jìn)，建立新的線圈模型。

圖3 5種織物的單個線圈圖像Fig.3 Single loop image of five fabrics

2.1 確立模型中心線

首先需要確定線圈模型中心線，從而建立基本的線圈形態(tài)。建立的線圈模型中心線如圖4所示。

圖4 線圈結(jié)構(gòu)模型中心線Fig.4 Loop structure model centerline

基于對實(shí)際線圈結(jié)構(gòu)的觀察，與Peirce線圈模型相比，對一側(cè)圈柱的形狀進(jìn)行改進(jìn)。其中：AB段是半徑為b的1/4圓弧，表示線圈左側(cè)沉降弧；BC段是一條直線段，表示左側(cè)圈柱；CD段是半徑為a的1/2圓弧，表示針編?。籇E段是半徑為a的1/8圓弧，EF段是半徑為b的1/8圓弧，DE段和EF段的圓弧在E點(diǎn)處相切，共同組成右側(cè)圈柱；FG段是半徑為b的1/4圓弧，表示右側(cè)沉降弧。

2.2 模型參數(shù)化

為了提高模型的可行性和適用性，對模型中各個參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，以避免反復(fù)測量，保證各段曲線相連接。線圈結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)如圖5所示。

a—針編弧的半徑，mm；b—沉降弧的半徑，mm；h—圈柱的高度，mm；W—相鄰縱行之間的圈距，mm；H—相鄰橫列之間的圈高，mm；d—紗線直徑，mm。圖5 線圈結(jié)構(gòu)模型參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of loop structure model parameters

結(jié)合圖4和5，圖4中各點(diǎn)的坐標(biāo)如下：

線圈每個分段的函數(shù)表達(dá)式如下：

由于實(shí)際織物中線圈高度是一致的，所以模型中左、右圈柱的高度h需保持一致，而右側(cè)圈柱的高度與圈弧的半徑a、b有關(guān)，因此h受到圈弧半徑a、b的影響。結(jié)合圖4建立的線圈模型中心線，三者之間存在以下關(guān)系：

3 織物模擬

基于上述模型和采集的色紡段彩紗圖像，結(jié)合紗線圖像法對織物進(jìn)行模擬[11]。

由于單張圖像只能采集實(shí)際紗線14 mm的長度，因此需要對紗線圖像進(jìn)行拼接。在圖像采集裝置中對紗線路徑和時間間隔進(jìn)行控制，經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采集時間間隔為4 150 ms時，可以保證兩張連續(xù)圖像的重疊或缺失長度在10個像素點(diǎn)以內(nèi)，不影響織物外觀效果，因此不考慮采集的紗線圖像片段重合或缺失的情況，對紗線圖像直接進(jìn)行拼接。

3.1 圖像映射

用紗線圖像模擬織物時，首先建立紗線圖像信息映射模型，將紗線圖像中的條干中心像素點(diǎn)信息按照編織方向依次映射到模型中心線上，然后將中心像素點(diǎn)所在列的像素點(diǎn)信息映射到模型中心線兩側(cè)。由于采集的紗線圖像是直線，但形成線圈時需要彎曲成圈，會發(fā)生紗線壓縮和拉伸。對于紗線壓縮部分，由下一個中心像素點(diǎn)所在列的信息覆蓋前面的像素點(diǎn)信息。對于紗線拉伸部分，拉伸導(dǎo)致紗線條干部分存在像素缺失。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用最鄰近插值算法處理[12]可以解決黑點(diǎn)問題。該算法取插值點(diǎn)周圍4個點(diǎn)中距離最近點(diǎn)的灰度值，將該點(diǎn)的灰度值賦給插值點(diǎn)，就能得到插值點(diǎn)的灰度值。處理后單個線圈的模擬結(jié)果如圖6所示，其中左圖中線圈各個參數(shù)值較小。

圖6 單個線圈的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of a single loop

將單個線圈幾何模型沿著橫向和縱向循環(huán)。然后將拼接好的紗線圖像信息映射到線圈模型中。此時得到的織物模擬效果只是線圈的堆疊，而不是呈現(xiàn)圈柱覆蓋于圈弧之上和線圈之間相互串套的外觀。

為了解決這種情況，在紗線真實(shí)圖像信息映射至針編弧部分時，檢測背景顏色灰度值。如果背景檢測點(diǎn)的灰度值為零，則說明該點(diǎn)為黑色背景，沒有圈柱部分存在，那么就發(fā)生映射；如果背景檢測點(diǎn)的灰度值不為零，則說明該點(diǎn)有先前映射的圈柱存在，由于圈柱覆蓋圈弧，因此此處不發(fā)生映射[13]。這樣就解決了緯平針織物線圈的消隱問題，完成色紡段彩紗緯平針織物的模擬。

3.2 織物模擬結(jié)果

用主紗部分為黃色、段彩部分為白色的色紡段彩紗進(jìn)行模擬，為了對比織物模擬效果，將紗線編織成緯平針織物，采集真實(shí)織物圖像與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，模擬織物將段彩紗編織成織物的效果基本顯示出來，與真實(shí)織物之間段彩片段的外觀效果基本一致，可真實(shí)反映出所紡紗線織入織物中的條干情況。

圖7 緯平針織物模擬結(jié)果與真實(shí)圖像Fig.7 Simulation results and real image of weft plain knitted fabric

4 結(jié)果與分析

通過對比Peirce線圈模型和改進(jìn)后線圈模型的模擬效果，以及模擬不同織物參數(shù)和段彩參數(shù)的織物，對織物模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文對織物密度和段彩顏色進(jìn)行了調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了不同外觀效果的織物模擬。

4.1 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的線圈模型與實(shí)際織物線圈結(jié)構(gòu)在一個線圈長度上的一致性，隨機(jī)選擇了5塊緯平針織物，其主要參數(shù)值如表1所示。

表1 5塊緯平針織物的主要參數(shù)值Table 1 The main parameter values of five weft plain knitted fabrics mm

對實(shí)際織物一個線圈的長度進(jìn)行測量，并結(jié)合織物的密度和紗線線密度，根據(jù)改進(jìn)后模型的線圈結(jié)構(gòu)，對模型中一個線圈的長度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 一個線圈長度的測量與計(jì)算結(jié)果對比Table 2 Comparison of the measurement and calculation results of a loop length mm

其中，Peirce線圈模型是一個較為理想的模型，模型中一個線圈長度l=2×(a+b+h)+W+5.94d[1]。由表2可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的線圈模型計(jì)算的一個線圈長度與實(shí)際織物的一個線圈長度更加接近。由此表明，與Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型相比，改進(jìn)模型更具有代表性。

用相同的紗線圖像和織物密度分別對兩種模型的線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，如圖8所示。

圖8 兩種模型的緯平針織物模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results of weft plain knitted fabric between two models

由圖8發(fā)現(xiàn)，采用Peirce線圈模型模擬的織物段彩效果不明顯，段彩部分散亂，而用改進(jìn)后的模型模擬的織物外觀更加飽滿，線圈形態(tài)也更加自然。

為了更好地驗(yàn)證改進(jìn)模型的模擬效果，進(jìn)行主觀評價試驗(yàn)，選取30名受試者，請受試者分別觀察兩種模型的模擬效果，其中，用Peirce線圈模型模擬的結(jié)果圖稱為a圖，用改進(jìn)后的線圈模型模擬的效果圖稱為b圖，然后讓受試者在“a圖效果好”“效果相似”“b圖效果好”3個選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，結(jié)果顯示，有22位受試者選擇“b圖效果好”，占總結(jié)果的73%，剩下的8位選擇“效果相似”。由此可以驗(yàn)證，改進(jìn)后的線圈模型與Peirce線圈模型相比，前者的模擬效果有一定的改進(jìn)。

4.2 不同密度的針織物模擬

針織物的縱、橫密度是影響織物外觀的一個重要的參數(shù)，為了提高模擬算法的適應(yīng)性，所用算法可以根據(jù)紗線線密度和所需的織物密度，對模擬織物密度進(jìn)行調(diào)整，在調(diào)整時，通過控制線圈之間的間距控制模擬織物的密度。根據(jù)需要調(diào)整模擬織物的參數(shù)值。圖9展示了4種緯平針織物密度的仿真效果。

圖9 不同密度的緯平針織物模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of weft plain knitted fabrics with different fabric densities

其中，圖9(a)和(b)為織物密度較大的情況，圖9(c)和(d)為織物密度較小的情況，4種織物模擬效果的參數(shù)如表3所示。

表3 4種織物模擬結(jié)果的參數(shù)值Table 3 Parameter values of four fabric simulation results

由圖9可知，不同織物密度的仿真效果差異很大：織物密度較大時，紗線較緊湊，線圈之間空隙很小，段彩效果明顯；織物密度較小時，線圈之間空隙較大，線圈結(jié)構(gòu)清晰，但由于空隙的存在，段彩效果不明顯。因此，本文提出的方法能實(shí)現(xiàn)對不同密度織物的模擬，模擬效果與實(shí)際織物的外觀效果一致。

4.3 不同段彩顏色的針織物模擬

色紡段彩紗顏色豐富，在所編織的織物中，段彩部分與主紗部分的顏色會相互影響，因此不容易觀察紗線的配色，通常需要多次打樣才能滿足客戶要求。為此，提出可以對段彩紗針織物的段彩顏色進(jìn)行調(diào)整的模擬方法，配色工人只需將段彩部分進(jìn)行配色后，測量混勻后纖維顏色的R(red)、G(green)、B(blue)值，即可對段彩部分的纖維顏色進(jìn)行替換，避免了反復(fù)打樣。不同段彩顏色的緯平針織物模擬效果如圖10所示。

圖10 不同段彩顏色的緯平針織物模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of weft plain knitted fabrics with different segment colors

其中，圖10(a)中段彩部分為紗線原本的顏色，圖10(b)和(c)為段彩顏色替換后的模擬效果。圖10(b)中段彩部分纖維的R、G、B值分別為148、176、161，圖10(c)中段彩部分纖維的R、G、B值分別為64、46、36。

由圖10可知，段彩部分的顏色不同對織物外觀風(fēng)格的影響很大，較小的顏色偏差就能產(chǎn)生較大的視覺差異。對段彩部分顏色的變化進(jìn)行模擬，可以減少工人打樣的次數(shù)，加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。

5 結(jié) 語

本文基于Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型，先確定了改進(jìn)模型的中心線，并根據(jù)測得的實(shí)際緯平針織物結(jié)構(gòu)參數(shù)值確定了各個參數(shù)之間的關(guān)系，最終確定改進(jìn)后的線圈結(jié)構(gòu)模型。通過紗線圖像法對織物進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，所提出的改進(jìn)線圈模型的模擬結(jié)果與實(shí)際織物的線圈結(jié)構(gòu)更加相似。該改進(jìn)線圈模型可對不同織物密度和段彩顏色進(jìn)行模擬，提高了模型對于不同織物密度和段彩顏色的緯平針織物的適應(yīng)性，為精準(zhǔn)模擬段彩紗針織物奠定了基礎(chǔ)。