基于圖像處理的復雜多臂組織智能化設計方法

章斐燕，李啟正，祝成炎

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，杭州310018)

由于受到多臂織機綜片數的限制，傳統(tǒng)多臂組織的花紋一般比較簡單，經緯循環(huán)通常都比較小，因此，多臂織物也被稱為“素織物”。隨著紡織產品和品種更新的速度越來越快，多臂織機技術的不斷進步，要求多臂織物表面花紋美觀、變化多樣和具有新穎的外觀特征[1]。而對已有的復雜圖像進行圖像處理，直接生成符合多臂機織造的上機圖無疑是滿足這樣需求的一條可采用的途徑。目前多臂織物CAD系統(tǒng)主要用于各類織物的組織設計、圖形編輯、工藝設計、模擬顯示及小樣織造[2-3]。雖然現有的多臂織物CAD系統(tǒng)功能較全[4-5]，但就目前所發(fā)表的文獻鮮見關于復雜圖像直接應用于多臂織物組織CAD設計方面的研究報道，也未見具有該功能的CAD設計系統(tǒng)專用軟件上市。因此，建立計算機智能化設計方法的模型及算法，用多臂機生產具有提花效果的織物具有現實意義。

當設計組織循環(huán)大、花紋復雜的組織時，一般是通過鼠標逐點點擊的方法構建組織圖，或是由多種基礎組織圖進行聯(lián)合設計[6-7]，這在一定程度上限制了組織的變化。本研究在Visual Basic 6.0的開發(fā)環(huán)境下，根據用戶自選的圖像進行圖像處理，直接轉換成組織圖，通過計算機智能化設計方法的模型及算法生成上機圖，使其適用于多臂機的織造。

1 多臂織物組織的智能化設計流程

采用Visual Basic 6.0程序語言來實現多臂織物組織的智能化設計。在可視化界面中，用戶自行加載圖片，并進行圖像處理，根據用戶自定義的經緯循環(huán)數自動生成組織圖和上機圖，若織造所需綜片數超過多臂織機限定綜片數 (本研究將多臂織物組織綜片數設定為22片)，則用戶輸入指定綜片數(0～22)，系統(tǒng)將根據建立的穿綜模型及算法自動生成滿足織造要求的上機圖。此設計過程可以反復進行，直至用戶滿意。對保存的上機圖進行一定的格式化處理后即可到多臂機上進行織造。系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 多臂織物組織智能化設計系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of intelligent designsystem of dobby fabric weave

2 圖像處理

在多臂織物組織設計中，若采用傳統(tǒng)的點畫方式，不僅費時而且還不易達到理想的效果。因此，系統(tǒng)將根據用戶的需求對圖像進行處理，并進行組織鋪設，以獲得理想的組織設計效果。

2.1 圖像二值化

圖像的二值化處理是指將圖像上的像素點的灰度值設置為0(純黑)或255(純白)[8]，也就是使整個圖像呈現出單純的黑白效果。一般分為兩個步驟:彩色圖像灰度化和灰度圖像二值化。首先，將用戶所需的圖像轉化為便于識別的灰度圖像[9]，灰度圖就是圖像中每一點的紅、綠、藍顏色分量值都相等，采用公式(1)將彩色圖像轉化為灰度圖像。

式中:Gray為求得像素點的灰度值，R、G、B分別為像素點原來的紅色、綠色、藍色的分量值。

將灰度圖像二值化，轉化為簡單的黑白圖像，采用如下方法:若黑白圖像時的閾值為128(此值可在0～255任意選擇)，即灰色亮度大于128的像素轉為白色，小于128的像素轉為黑色。為了盡量滿足用戶對于圖像的需求，可以在軟件中將閾值自行設置。二值化處理前后的圖像比較如圖2所示。

圖2 二值化處理前后的圖像比較Fig.2 Image comparison before and after the binarization

2.2 圖像的分割

對二值化后的圖像進行組織點的分割，首先要確定組織的經緯循環(huán)數，用戶自定義經緯循環(huán)數(經緯數的比例最好與圖像的長寬比相似，以免圖像失真)。在二值化圖像上進行網格劃分，每一個網格對應組織圖上的一個組織點，稱為網格點。組織圖像中的網格點分為黑色或白色兩種。圖像上網格點的大小與經緯循環(huán)數和圖像大小有關，因此，通過在一個網格點內取不同位置的像素進行平均，若該網格內黑色區(qū)域大于白色區(qū)域，則該網格點用“1”表示，代表經組織點，反之則用“0”表示，代表緯組織點。這樣，就得到一個二維的布爾矩陣[10]。其中，經緯循環(huán)數不同，織物組織圖也有所不同，如圖3所示。

圖3 不同經緯循環(huán)的組織圖Fig.3 Weave diagram with different number of warps and wefts

3 鋪設組織

根據所選圖像的不同，生成的組織圖中經、緯浮長數也不同，為避免上機織造困難，可以對組織圖中的黑色區(qū)域和白色區(qū)域進行組織的鋪設。其中，在鋪設組織時，可以通過軟件界面操作在白色、黑色部分鋪設基礎組織，這不僅從根本上保持了圖案的形狀、自由選擇不同部分的組織規(guī)律，而且還便于織造。

當不同組織在結構上差異太大，會產生織縮不一和緊度差異，增加織造難度，嚴重時會影響織物外觀，因此，在鋪設組織時應該選用合適的組織。在選擇上要散點排列，力求布局均勻，盡量使經緯交織次數一致。如地組織(圖3的白色區(qū)域)多為緞紋、平紋、斜紋，它們的經緯浮長比較短，織出來的布面比較細膩，與花部(圖3的黑色區(qū)域)形成較大的對比，使花紋更加突出。鋪設組織后的組織圖效果如圖4所示。

圖4 鋪設組織后的組織圖Fig.4 Weave diagram with different weaves laying

4 上機圖的顯示

本研究所設計的多臂織物組織的綜片數最多為22片，當綜框變化規(guī)律超過22時，便需要對現有的組織圖進行修改以符合多臂機的織造。若采用鼠標逐點修改，則不僅對操作人員的要求較高，而且修改的程序繁瑣比較費時。因此，根據多臂織物組織的穿綜圖、紋板圖及組織圖之間的關系，歸納出多臂織物組織形成規(guī)律，并建立適用計算機智能化設計方法的模型及算法。

4.1 織物組織中各個部分的數學關系

將多臂織物的組織圖設計轉化為組織矩陣的運算與處理。根據組織圖、穿綜圖與紋板圖三者之間的關系計算出組織矩陣。三者之間的關系見式(2)[11]:

式中:L表示紋板矩陣;D表示穿綜矩陣;W表示組織矩陣。

4.2 多臂織物智能化設計方法的模型

在多臂織物組織的穿綜設計中采用如下2種方法:1)當織物組織變化小于22片綜時，系統(tǒng)將自動采用傳統(tǒng)的照圖穿綜法，最后生成的上機圖符合多臂機織造。2)當織物組織變化超過22片綜時，系統(tǒng)將自動采用模型中的穿綜法，如圖5所示。

圖5 多臂織物組織的穿綜模型Fig.5 Drafting model of dobby fabric weave

采用該模型及算法后，用戶只需輸入指定綜片數(0～22)，就可以快速生成符合多臂機織造的上機圖。以圖4(a)為例，織造所需綜片數為29片，超過多臂機限定綜框數。若用戶指定用22片綜織造，經過計算機自動處理之后生成的上機圖如圖6所示。

圖6 綜片數優(yōu)化處理后需22片綜的上機圖Fig.6 Looming draft with 22 heddles after optimization of heddle number

5 結論

這種適用于不同綜片數、不同經緯循環(huán)數的計算機智能化設計方法基本上能滿足多臂織物的圖案選擇，在一定的經緯循環(huán)數內，組織變化規(guī)律接近于綜片數時，所生成的上機圖能很好地展現圖像的內容，這不僅滿足了用戶個性化的需求，而且使組織設計變得方便簡單。當然，不同組織的鋪設在一定程度上會影響織造所需的綜框數和織物的花紋效果。

在織物組織設計中，由計算機代替設計者來設計相對繁瑣的組織具有較大的發(fā)展前景。本研究基于多臂織物組織的形成原理及用戶對圖像的個性化需求，利用一種計算機智能化設計方法的模型及算法，優(yōu)化綜片數，初步實現了多臂織物組織的智能化設計。同時，若在進行組織鋪設時選用變化規(guī)律較小的組織，也能相應地減少織造所需的綜框數。但本系統(tǒng)只是對圖像的組織智能化設計的初步實現，其CAD技術仍然需要進一步研究，如對于復雜的圖像失真率如何達到最低等。

[1]施國生，沈干，胡覺亮.多臂織物大組織矩陣的設計方法[J].紡織學報，2000，21(6):358-359.SHI Guosheng， SHEN Gan， HU Jueliang. The design method of dobby weave's largematrix[J].Journal of Textile Research，2000，21(6):358-359.

[2]顧平.紡織品CAD原理與應用[M].1版.北京:中國紡織出版社，2005:4-6.GU Ping.Textile CAD Principles and Applications[M].Edition 1.Beijing:China Textile ＆ Apparel Press，2005:4-6.

[3]孫鵬文.織物結構CAD軟件系統(tǒng)的開發(fā)與實踐[J].內蒙古工業(yè)大學學報:自然科學版，2001(3):219-222.SUN Pengwen.Research and ractice on fabric CADsoftwaresystem [J]. Journal of Inner Mongolia Polytechnic University，2001(3):219-222.

[4]施國生，梁道雷.多臂織物組織矩陣的自動設計[J].紡織學報，2002，23(6):60-61.SHIGuosheng，LIANG Daolei.Automatic design of weave matrix for dobby fabric weaves[J]. Journal of Textile Research，2002，23(6):60-61.

[5]張紅霞，祝成炎.多臂組織重組設計法[J].絲綢，2002(12):30-33.ZHANG Hongxia，ZHU Chengyan.Reorganization design of dobby weave[J].Journal of Silk，2002(12):30-33.

[6]祝成炎.小花紋的組織復合設計與應用[J].紡織學報，2003，24(1):53-54.ZHU Chengyan.Small pattern's composite design and application[J].Journal of Textile Research，2003，24(1):53-54.

[7]張紅霞，祝成炎.多臂組織的復合設計法及圖形掃描設計法[J].絲綢，2002(11):32-33.ZHANG Hongxia，ZHU Chengyan.Composite design andgraphicscan design of dobbyweave[J].Journalof Silk，2002(11):32-33.

[8]申俊琦，胡繩蓀，馮勝強.激光視覺焊縫跟蹤中圖像二值化處理[J].天津大學學報，2011，44(4):308-312.SHEN Junqi， HU Shengsun， FENG Shengqiang. Image binarization processing in laser visionseam tracking[J].Journal of Tianjin Univeristy，2011，44(4):308-312.

[9]張志軍，孫志輝.基于VC平臺的彩色圖像的灰度化技術[J].自動化技術與應用，2005，24(1):63-67.ZHANG Zhijun， SUN Zhihui. Techniques of converting color-image intograyscale based on VC[J].Techniques of Automation and Applications，2005，24(1):63-67.

[10]ZHU Chengyan.CAD method to design dobby weaves with large repeats[J].Journal of Donghua University(English Edition)，2001(2):140-143.

[11]祝成炎.大循環(huán)多臂組織CAD技術的研究[J].紡織學報，2001，22(6):37-38.ZHU Chengyan.The research of CAD technology for dobby weaves with large loop[J].Journal of Textile Research，2001，22(6):37-38.