基于Kinect傳感器的織物懸垂性測(cè)試

沈 偉，任 靜，周 華，孫西超

（浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州310018）

基于Kinect傳感器的織物懸垂性測(cè)試

沈 偉，任 靜，周 華，孫西超

（浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州310018）

織物的懸垂性能測(cè)試多局限于二維測(cè)試，不能直觀地反映織物的三維外觀形態(tài)。提出了一種新型測(cè)試方法，能夠直接掃描得到織物的三維外觀形態(tài)。通過Kinect傳感器從試樣的多個(gè)位置獲取深度圖像，建立三維場(chǎng)景，通過C++編程和圖像處理軟件的處理，提取試樣的懸垂性能指標(biāo)。將其與傳統(tǒng)測(cè)試法獲取的懸垂性能指標(biāo)作比較，發(fā)現(xiàn)兩者具有高度的相關(guān)性，從而驗(yàn)證了用Kinect傳感器掃描獲取試樣的懸垂性能指標(biāo)的測(cè)試方法具備可行性。

織物懸垂性；三維懸垂性；Kinect傳感器；測(cè)試方法

0 引 言

織物懸垂性是指織物因自身重量而下垂的性能，它是影響織物視覺風(fēng)格和美學(xué)舒適性諸多因素中最重要的因素之一，關(guān)系到織物實(shí)際使用時(shí)能否形成優(yōu)美的曲面造型和良好的貼身性。對(duì)織物懸垂性能的評(píng)價(jià)，包括織物懸垂程度和懸垂形態(tài)兩方面［1］。懸垂程度主要是指織物在自然下垂穩(wěn)定之后其曲面下垂程度的大小，而懸垂形態(tài)主要是指織物懸垂曲面的三維外觀形態(tài)。目前對(duì)于織物三維懸垂形態(tài)的測(cè)試比較困難，主要有利用傳統(tǒng)的織物懸垂性測(cè)試方法（FRL）［2］得到懸垂系數(shù)、平均峰高、平均峰寬等這幾個(gè)懸垂指標(biāo)進(jìn)行三維重建［3］和通過圖形圖像處理技術(shù)進(jìn)行三維重建［4］，此類方法操作復(fù)雜、步驟繁瑣，并不能直觀反映織物的三維外觀形態(tài)。三維掃描儀主要是通過獲取織物的深度圖像進(jìn)行三維重建，而這類三維掃描儀掃描條件苛刻，加上價(jià)格因素和操作復(fù)雜等原因，無法運(yùn)用在織物的三維懸垂性能測(cè)試上。目前對(duì)于織物的三維懸垂形態(tài)研究還處在探索階段。

本文采用的Kinect傳感器性價(jià)比高、掃描精度符合實(shí)驗(yàn)要求、操作簡(jiǎn)便。由Kinect傳感器構(gòu)成的三維掃描儀能夠直觀地掃描織物的三維外觀形態(tài)，通過編程和圖像處理提取二維懸垂性能指標(biāo)，并與儀器測(cè)試法測(cè)得的數(shù)據(jù)指標(biāo)相比較；驗(yàn)證由Kinect傳感器構(gòu)成的三維掃描儀是否適用于紡織品的傳統(tǒng)懸垂性能測(cè)試，能否直觀地測(cè)得織物三維懸垂形態(tài)。

1 傘式法懸垂性能指標(biāo)測(cè)試

織物的懸垂性能指標(biāo)可分為懸垂程度和懸垂形態(tài)兩個(gè)方面，其中懸垂系數(shù)表示織物懸垂程度的大小，其值越大，表示懸垂性越差；懸垂形態(tài)可通過波紋數(shù)、波峰幅值最大峰高、波峰幅值最小峰高、峰高不勻率、最大夾角、最小夾角、夾角不勻率等指標(biāo)表示。

選取20塊不同懸垂風(fēng)格的織物，進(jìn)行傘式懸垂性能指標(biāo)測(cè)試，其規(guī)格見表1。試樣按照國(guó)標(biāo)GB/T 6529-2008《紡織品調(diào)濕和實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》進(jìn)行測(cè)試取值，實(shí)驗(yàn)采用的儀器為織物動(dòng)靜態(tài)懸垂風(fēng)格儀（YG811），適用于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23329-2009《紡織品織物懸垂性試驗(yàn)方法》［5］所規(guī)定的織物靜態(tài)懸垂系數(shù)的測(cè)試方法，每塊試樣測(cè)量10次，取其平均值。表2為由YG811儀器測(cè)得的傘式懸垂性能指標(biāo)。

表1 試樣規(guī)格

表2 傘式懸垂性能測(cè)試法測(cè)得的性能指標(biāo)

2 基于Kinect傳感器的織物懸垂性測(cè)量

2.1 Kincet傳感器簡(jiǎn)介

Kinect傳感器是微軟公司推出的一款3D體感攝影機(jī)，主要由一個(gè)1 280×800分辨率的彩色像影頭，一個(gè)由紅外線發(fā)射器和紅外線攝影機(jī)所構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，以及麥克風(fēng)陣列和運(yùn)動(dòng)傳感器等組成。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到的深度感應(yīng)器，其分辨率均為640×480，最大幀率為30幀/s，景深范圍為0.4～8 m。本文利用Kinect SDK提供的最新Kinect Fusion［6-7］技術(shù)，通過C++編程，實(shí)時(shí)捕捉和構(gòu)建實(shí)物的三維模型，將Kinect等價(jià)為一臺(tái)廉價(jià)的三維掃描儀。

2.2 基于Kinect傳感器的傘式懸垂測(cè)試

Kinect傳感器能夠直接捕捉織物的三維外觀形態(tài)，基本原理是通過Kinect傳感器從織物的多個(gè)位置獲取深度圖像，對(duì)不同的深度點(diǎn)云進(jìn)行拼接，將得到的深度圖像合成在一個(gè)坐標(biāo)系下，建立三維實(shí)體模型，將得到的三維實(shí)體模型通過C++編程和圖像處理軟件的處理，提取試樣的懸垂性能指標(biāo)。與YG811懸垂儀獲取的懸垂性能指標(biāo)進(jìn)行比較，驗(yàn)證通過Kinect傳感器掃描獲取試樣的懸垂性能指標(biāo)的可行性。

測(cè)試裝置如圖1所示，織物試樣擺放在YG811織物懸垂儀上，Kinect傳感器在試樣上方0.6 m處，水平圓周移動(dòng)，向下拍攝，獲取試樣深度圖像。隨著Kinect傳感器的移動(dòng)，從多個(gè)位置對(duì)試樣進(jìn)行掃描，被重復(fù)掃描到的位置的重建精度逐漸加強(qiáng)，通過編程，對(duì)不同的深度點(diǎn)云進(jìn)行拼接，最終合并成高精度的三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型。

圖1 Kinect懸垂測(cè)試裝置

如圖2為Kinect三維懸垂測(cè)試裝置得到的懸垂測(cè)試三維實(shí)體模型圖。將三維實(shí)體模型圖通過編程，提取水平面的投影輪廓曲線，作為傘式懸垂測(cè)試法的投影，如圖3中的周邊輪廓。

圖2 3D傘式懸垂掃描圖

圖3 傘式懸垂投影輪廓曲線

圖4中的投影輪廓曲線經(jīng)過消噪處理、波峰識(shí)別、投影面積等參數(shù)計(jì)算，根據(jù)圖5傘式懸垂示意圖得到表3傘式懸垂性能指標(biāo)。其中波紋數(shù)是指織物懸垂投影輪廓線一周中的波峰數(shù)。波峰幅值RC是指試樣懸垂投影中波峰點(diǎn)至試樣托盤邊緣點(diǎn)的距離，波峰夾角αc是指相鄰兩波峰間的夾角。波峰幅值均勻度與波峰夾角均勻度分別為試樣懸垂投影輪廓線一周中波峰幅值和波峰夾角的變異系數(shù)。傘式懸垂系數(shù)、波峰幅值勻稱度為CVRC與波峰夾角均勻度CVαc計(jì)算公式如下：

懸垂系數(shù)

其中，F(xiàn)-懸垂系數(shù)；A0-支持圓臺(tái)面積；A1-試樣原面積；A2-懸垂試樣投影面積。

波峰幅值勻稱度

夾角勻稱度

圖4 傘式懸垂投影輪廓

圖5 傘式懸垂投影示意圖

表3 Kinect三維懸垂測(cè)試裝置的傘式懸垂性能指標(biāo)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

為了檢驗(yàn)Kinect三維懸垂測(cè)試裝置得到的數(shù)據(jù)指標(biāo)與YG811儀器測(cè)得的指標(biāo)參數(shù)相一致，對(duì)表2和表3中的懸垂系數(shù)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0做回歸分析。表4為儀器懸垂系數(shù)與Kinect懸垂系數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果，圖6為散點(diǎn)圖。

表4 相關(guān)性分析結(jié)果

圖6 YG811儀器懸垂系數(shù)與Kinect懸垂系數(shù)相關(guān)性散點(diǎn)圖

表4給出的儀器懸垂系數(shù)與Kinect懸垂系數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.996，說明兩個(gè)變量之間高度線性相關(guān)。從6圖中可以了解到，兩個(gè)變量之間呈現(xiàn)高度的線性相關(guān)性，線性回歸方程y=1.003x +0.06。說明儀器懸垂系數(shù)和Kinect懸垂系數(shù)具有高度一致性。將波紋數(shù)、最大峰高、最小峰高、峰高不勻率、最大夾角、最小夾角、夾角不勻率分別作回歸分析，得到的結(jié)論是：由儀器測(cè)得的懸垂性能指標(biāo)與由Kinect測(cè)得的懸垂性能指標(biāo)具有高度的一致性，提示由Kinect傳感器構(gòu)成的三維掃描儀檢測(cè)織物的懸垂性能具備可行性。

4 結(jié) 論

由Kinect傳感器組成的織物三維懸垂性測(cè)量裝置，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)掃描、編程和圖像處理后得到的懸垂性能指標(biāo)，與YG811懸垂性能測(cè)試儀測(cè)得懸垂性能指標(biāo)進(jìn)行比較，兩種懸垂性能指標(biāo)高度一致，表明此方法具備可行性。傳統(tǒng)傘式懸垂性能指標(biāo)根據(jù)試樣二維投影平面陰影差的比值得到，需要在特定的儀器（YG811）進(jìn)行測(cè)試或人工計(jì)算得到，不能得到直觀的三維形態(tài)圖像。由Kinect傳感器構(gòu)成的三維掃描儀直接能直觀地獲取試樣的三維懸垂投影，經(jīng)過編程和圖像處理提取試樣投影輪廓曲線，得到懸垂性能指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)懸垂性能測(cè)試法，由Kinect傳感器構(gòu)成的三維掃描儀不但能夠準(zhǔn)確地獲取傳統(tǒng)的懸垂性能指標(biāo)，更能直觀地反映織物三維懸垂形態(tài)圖像，為進(jìn)一步的三維懸垂性能分析提供新的測(cè)試手段。

［1］王玉清，紀(jì) 峰.織物懸垂性能理論研究綜述［J］.山東紡織科技，2004，29（5）：50-52.

［2］徐 軍，姚 穆.靜態(tài)傘式懸垂實(shí)驗(yàn)參數(shù)的研究［J］.紡織學(xué)報(bào)，1988，19（3）：43-44.

［3］陳 明，周 華，楊蘭君，等.織物三維懸垂形態(tài)測(cè)試指標(biāo)與三維重建［J］，紡織學(xué)報(bào)，2008，29（9）：51-55.

［4］李 強(qiáng)，過玉清.基于Labview織物懸垂性測(cè)試及三維重建系統(tǒng)［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2007（1）：15-17.

［5］GB/T 23329-2009紡織品：織物懸垂性試驗(yàn)方法［S］.

［6］Newcombe R A，Izadi S，Hilliges O，et al.Real-time dense surface mapping and tracking［J］.Mixed and Augmented Reality（ISMAR），2011（38）：127-136.

［7］Izadi S，Kim D，Hilliges O，et al.Kinectfusion：realtime 3D reconstruction and interaction using a moving depth camera［J］.Mixed and Augmented Reality（ISMAR），2011（38）.559-568.

Fabric Drape Measurement Method Based on Kinect Sensor

SHEN Wei，REN Jing，ZHOU Hua，SUN Xi-chao
（School of Materials and Textiles，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Most fabric drape measurement methods are confined to be two-dimensional，and can't reflect intuitively 3D shape of fabric.This paper proposes a new measurement method which could obtain 3D shape of fabric by scanning directly.This method obtains depth images of multiple locations of the specimen with Kinect sensor，establishes 3D scenes，processes with C++programming and image processing software，and extracts drape indicator of the specimen.This indicator is highly consistent with that obtained by traditional measurement method，verifying that the measurement method of obtaining drape indicator of specimen by scanning with Kinect sensor is feasible.

fabric drape；3D drape；Kinect sensor；measurement method

TS101.923.1

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）03-0306-04

2013-09-28

沈 偉（1988-），男，浙江嘉興人，碩士研究生，主要從事紡織計(jì)算機(jī)應(yīng)用的研究。

周 華，電子郵箱：hzzh@zstu.edu.cn