應(yīng)用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬

張繼東，薛 元，張 杰，郭明瑞，魏曉婷，高衛(wèi)東

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

?

應(yīng)用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬

張繼東1,2，薛 元1,2，張 杰1,2，郭明瑞1,2，魏曉婷1,2，高衛(wèi)東1,2

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

為研究數(shù)碼混色紗緯編針織物的外觀色彩及紋影的模擬方法，利用圖像處理技術(shù)對采集的圖像進行平滑去噪，得到剔除細節(jié)的模糊圖像，在Lab空間下運用彩色圖像硬聚類算法對平滑后的圖像進行聚類分割，得到混色紗主體圖像，獲取其左右的邊界和中心線信息；然后在經(jīng)典的Pierce線圈模型的基礎(chǔ)上，利用混色紗主體圖像的廓線信息完成由紗線到線圈圈弧和圈柱的映射；最終根據(jù)不同組織的圈弧和圈柱的覆蓋關(guān)系，得到基本緯編針織物組織。結(jié)果表明，提出的紗線映射線圈算法，通過織物組織結(jié)構(gòu)及密度可模擬混色紗緯編織物的混色色彩及外觀紋影。

混色紗；圖像處理；紋理映射；線圈模型；織物模擬

色紡紗是將多種色彩的纖維(染色纖維、原液著色纖維、本色纖維)混紡形成的多色纖維混色紗線。根據(jù)色紡紗線在織物上呈現(xiàn)的色彩及紋影機制特征，可將其分類為普通色紡紗和差異化色紡紗[1]。本課題組提出了一種三通道數(shù)碼紡紗方法，可實現(xiàn)柔性智能化紡紗[2]，它通過對三通道粗紗的異步牽伸、交互變色、梯度配色、混合加捻等機制，控制成形紗線的線密度及色纖維混合比例的變化[3]，形成數(shù)碼混色紗、數(shù)碼段彩紗、數(shù)碼變色紗、數(shù)碼竹節(jié)紗、數(shù)碼彩節(jié)紗和數(shù)碼雙變紗等6類差異化色紡紗線[4]。將這幾類色紡數(shù)碼紗線用于開發(fā)機織或針織面料，會在織物表面形成豐富多彩的混色色彩及變化的紋影。其中色紡紗的混色色彩取決于基色的種類及其比例，而混色紋影則取決于混色效應(yīng)的變化周期、織物組織、織物密度及織物幅寬[5]。

本文以數(shù)碼混色紗緯編針織物為例，通過對色紡紗進行數(shù)字化圖像處理，提取混色紗微觀紋影信息，將其映射至針織線圈，在考慮基色種類、比例及線圈密度變化的基礎(chǔ)上，對緯編針織物形成的紋影機制進行計算機模擬研究。

1 混色紗圖像采集及預(yù)處理

織物外觀模擬可采用仿真紗線[6]，也可采用真實紗線的圖像。與仿真紗線相比，采用混色紗真實圖像信息既可獲得紗線真實豐富的色彩特征，也能得到紗線表面的反射光信息，可更好地表達織物的外觀色彩和紋影。

1.1 混色紗的制備

使用品紅、黃色和藍色3根純棉粗紗，在JW1551型三通道數(shù)碼彩色細紗機上一步法紡制三基色混色紗。紡制的紗線規(guī)格如表1所示。

表1 紗線規(guī)格參數(shù)Tab.1 Yarn specification parameters

1.2 混色紗紋理信息的采集

圖1示出自主研發(fā)的紗線圖像采集裝置[7]。其中：1為成像盒；2為區(qū)域掃描CCD相機傳感器；3為紗線；4為光源；5為導(dǎo)紗裝置；6為相機鏡頭；7為紗線張力控制面板；8為觸摸屏；9為伺服電動機輸出輥。該裝置可從移動的紗線上捕捉測量紗線的直徑、色彩沿長度方向的分布，并得到完整的紗線信息。

圖1 紗線圖像獲取裝置Fig.1 Yarn image acquisition device

1.3 混色紗圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是為改善圖像數(shù)據(jù)，抑制不需要的變形或者增強某些圖像特征，為后續(xù)的特征提取和識別作準(zhǔn)備[8]。圖2示出紗線圖像預(yù)處理過程。

圖2 紗線圖像預(yù)處理過程Fig.2 Pre-preprocessing of yarn image. (a) Original image of yarn; (b) Smooth image of yarn; (c) Clustering segmentation image of yarn; (d) Treated image of yarn

處理圖像時，首先創(chuàng)建一個中值濾波器[9]，對圖像進行平滑濾波，這樣不僅可消除噪聲，而且可消除太小的細節(jié)或?qū)⒛繕?biāo)內(nèi)的小間斷連接起來實現(xiàn)圖像模糊，如圖2(b)所示；而閾值分割只能得到二值化圖像，不能提取紗線紋理和顏色信息，因此接著使用K-means聚類算法[10]實現(xiàn)色彩圖像分割，采用距離作為相似性的評價指標(biāo)，即認為2個對象的距離越近，其相似度就越大。如式(1)所示，從而得到紗線圖像聚類分割圖如圖2(c)所示，獲得紗線主干；最終消除圖像的背景色，獲得處理后的紗線圖像，如圖2(d)所示。

(1)

式中：V為類間所有點與該類質(zhì)心點距離之和；k為設(shè)定的聚類數(shù)目；xj為每個樣本點；ui為每個類的質(zhì)心。

由于本文實驗采用是由紅、黃、藍3根粗紗混合牽伸加捻所形成的混色紗片段序列圖像，為能在織物上將混色紗顏色變化完整地呈現(xiàn)出來，在進行緯編針織物模擬時，需要先將分開處理的紗線片段拼接在一起，且要求拼接后紗線長度滿足最小周期的整數(shù)倍，這樣模擬的針織物才可得到準(zhǔn)確的圖案花型，使設(shè)計人員可大致預(yù)測不同工藝參數(shù)的混色紗在緯編織物上產(chǎn)生的外觀圖案效果。

為將紗線拼接在一起，需要做如下工作：1)獲取紗線主干的左右邊界以及紗線的中心線；2)拼接紗線時，將多根紗線條干的中心線對應(yīng)在1條直線上。

2 混色紗緯編針織線圈的模擬

緯編針織物的基本結(jié)構(gòu)單元是線圈，因此建立合適的幾何線圈模型，對于緯編針織物模擬至關(guān)重要。而單個幾何線圈結(jié)構(gòu)是由沉降弧、圈柱和針編弧3個部分組成的，根據(jù)紗線紋理，應(yīng)當(dāng)按照織物編織方向的先后順序?qū)崿F(xiàn)線圈每個部分的紋理映射。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合線圈與線圈之間的串套關(guān)系形成的組織結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)緯編針織物外觀圖案的模擬。

2.1 Pierce線圈模型

Pierce線圈模型是緯編針織物中較通用的線圈模型[11]。該模型假設(shè)紗線在織物中完全處于理想的狀態(tài)，并且假設(shè)完全松弛的線圈中紗線均勻一致，截面為圓形且左右兩邊關(guān)于y軸對稱，上一橫列的針編弧與下一橫列的沉降弧相切。

圖3 Pierce線圈模型Fig.3 Pierce loop model

該模型以O(shè)1點為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系，其中H為線圈高度，W為圈距，h為線圈與線圈之間的縱向間距，a、b分別為橢圓的長短半軸，線圈各部分幾何尺寸數(shù)量關(guān)系為：線圈高度H=5a；縱向間距h=H-2b；圈距W=3a。設(shè)原點O1橫縱坐標(biāo)分別為X0和Y0，其控制線圈的初始位置。由模型的代數(shù)關(guān)系可得圖3中各點的橫縱坐標(biāo)，即A(x,y)=(X0-W/2，Y0+h+b)；B(x,y)=(X0-(W/2-a)，Y0+h)；C(x,y)=(X0-a，Y0)；D(x,y)=(X0，Y0-b)；E(x,y)=(X0+a，Y0)；F(x,y)=(X0+W/2-a，Y0+h)；G(x,y)=(X0+W/2，Y0+h+b)。

2.2 混色紗到線圈圈柱的映射

現(xiàn)假設(shè)一個線圈的編織方向由左到右，由下到上。根據(jù)圖3的線圈模型圖，其中直線BC和EF關(guān)于y軸對稱，令直線BC和EF的斜率為K1和K2，根據(jù)B、C、E、F點坐標(biāo)可得到式(2)。

(2)

則線圈圈柱BC和EF直線方程分別為式(3)、(4)。

(3)

(4)

式中：iBC為線圈圈柱上B點到C點間任意點的縱坐標(biāo)變化值為Y0+h,…,Y0，其以步長s1遞減，其值為-1；iEF為E點到F點間任意點的縱坐標(biāo)變化值為Y0,…,Y0+h，其以步長s2遞增，其值為1。

以上可得到基本線圈的圈柱中心線BC和EF，然后將紗線每個像素點按照圈柱中心線左右兩邊的位置信息進行填充，見式(5)，完成了混色紗到線圈圈柱的映射。

(5)

式中：等式左側(cè)為線圈圈柱矩陣；等式右側(cè)為紗線圖像矩陣；t表示紗線圖像的行數(shù)，總行數(shù)為紗線長度L0；Qx與Qy表示線圈圈柱中心線任意像素點的橫縱坐標(biāo)；dl和dr為2個列向量，其存儲的數(shù)據(jù)分別表示紗線的左邊界和右邊界每行中每個像素點到中心線的距離；“∶”表示其左邊數(shù)值以默認數(shù)值增加到其右邊數(shù)值；Z為1、2、3,分別表示RGB顏色空間紗線圖像中對應(yīng)坐標(biāo)點的R、G、B的顏色分量；R(t)表示存儲紗線圖像行標(biāo)的列向量；l(t)和r(t)分別表示為存儲紗線條干的左邊界和右邊界行標(biāo)的列向量。

2.3 混色紗到線圈圈弧的映射

圖4 橢圓坐標(biāo)圖Fig.4 Elliptic coordinates plot

(6)

(7)

(8)

圖5 沉降弧區(qū)域圖Fig.5 area of sinker loop

(9)

(10)

圖6 紋理映射的基礎(chǔ)線圈Fig.6 Basic loop by texture mapping

2.4 織物組織變化模型的建立

將單個線圈以圈距W和圈高h進行有限循環(huán)，即可形成織物布片。但不同組織結(jié)構(gòu)的針織物有著不同的串套關(guān)系，即存在著線圈圈柱和線圈圈弧的覆蓋關(guān)系。本文利用計算機圖形學(xué)技術(shù)，將紗線上的每個像素點位置對應(yīng)到相應(yīng)像素點的線圈位置，即可得到圖7(a)。顯然圈柱和圈弧沒有覆蓋的視覺效果，所以需要判斷紗線上的每個像素點是否為背景色，實現(xiàn)線圈圈柱與圈弧覆蓋關(guān)系，如圖7(b)所示。對于羅紋組織需要判斷織物縱行數(shù)奇偶，雙反面織物需要判斷橫列數(shù)奇偶，見式(11)。

(11)

式中：L(Qy，Qx,Z)表示矩陣，代表線圈上任意位置像素點；mod為取余運算符；r表示初始值j1以縱向間距h為步長增加或減小的變化值，控制織物橫列數(shù)；c表示初始值為i1以圈距W為步長增加或減小的變化值，控制織物縱行數(shù)。

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，如圖7(c)、(d)所示。

圖7 不同組織覆蓋關(guān)系Fig.7 Covering relationships of different textures. (a) No conforming to loop covering; (b) Flat texture covering; (c) Rib texture covering; (d) Purl texture covering

3 混色紗緯編針織物的模擬

模擬織物時，應(yīng)當(dāng)按照實際織物編制過程的走向，使形成的圖案效果更加接近實際。假設(shè)編織的橫列數(shù)為偶數(shù)時，織物的編織方向從左到右；橫列數(shù)為奇數(shù)時，織物的編織方向從右到左。通過改變緯編針織物組織變化模型中的參數(shù)，即線圈緊密和稀疏程度以及紗線顏色周期的長度，可獲得不同的織物外觀效果。

3.1 不同織物組織的模擬

緯平針組織是由連續(xù)的單元線圈向同一個方向串套而成的，并且具有正反兩面，正因為正反面串套關(guān)系不同，所形成的花型也不同，如圖8(a)、(b)所示。平針組織反面正面形成藍色的點狀花紋，而其反面則形成向左傾斜的條紋。羅紋組織是由正面線圈縱行和反面線圈縱行以一定組合相間配置，如圖8(c)所示。羅紋組織面料形成向右傾斜的藍色條紋。雙反面組織是正面線圈縱行和反面線圈橫列交替配置，見圖8(d)，雙反面組織面料形成的條紋規(guī)律性不強。

圖8 不同組織織物模擬圖Fig.8 Simulation images of fabrics with different textures. (a) Plain-knitted front face; (b) Plain-knitted opposite face; (c) Rib; (d) Purl

3.2 不同縱橫密度織物的模擬

針織物的密度是在紗線線密度一定的條件下，表示針織物稀密程度的一個重要指標(biāo)，直接反映出織物中單位長度內(nèi)的線圈數(shù)，同時也極大地影響針織物外在性能與花色，因此通過改變H、W、h、a、b來調(diào)整線圈圈高、圈距、線圈形態(tài)，可得到縱橫密不同的織物效果圖，如圖9所示。

圖9 不同縱橫密織物的模擬圖Fig.9 Simulation images of tight (a) and sparse (b) plain-knitted fabrics

3.3 不同顏色比例混色紗的模擬

當(dāng)織物組織相同時，采用不同顏色比例的混色紗，則會形成不同的花色圖案。紗線單個周期內(nèi)的顏色種類越多，織物圖案越明顯。如圖10(a)、(b)為不同顏色比例的平針組織織物，圖10(c)、(d)為1+1羅紋組織織物，圖10(e)、(f)為雙反面組織織物。

圖10 不同顏色比例紗線的織物模擬圖Fig.10 Simulation images of fabric with different color proportion. (a) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (b) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (c) Red∶yellow∶blue=4∶5∶1; (d) Red∶yellow∶blue=0∶5∶5(e) Red∶yellow∶blue=5∶5∶0; (f) Red∶yellow∶blue=5∶0∶5.

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了由混色紗真實紋理信息映射緯編織物紋理的模擬方法。實際模擬效果表明，利用Pierce經(jīng)典線圈模型和處理后紗線圖像，可更加直觀地表達混色紗在針織物上疊加形成的紋理效果，得到更為真實的針織物圖案，為色紡紗及針織物設(shè)計提供有效手段。

FZXB

[1] 桂亞夫. 淺談色彩藝術(shù)與色紡技術(shù)[J]. 棉紡織技術(shù), 2015, 43(8): 77-80. GUI Yafu. Discussion on color art and colored spinning technology[J]. Cotton Textile Technology, 2015, 43(8): 77-80.

[2] 薛元, 高衛(wèi)東, 楊瑞華, 等. 三組份異同步二級牽伸紡制多彩竹節(jié)紗的方法及裝置:中國, 201510140910.4[P]. 2015-06-17. XUE Yuan, GAO Weidong, YANG Ruihua, et al. The method and device of three components different synchronization secondary draf to spinning colorful slub yarn: China, 201510140910.4[P]. 2015-06-17.

[3] 薛元, 易洪雷, 陳偉雄, 等. 數(shù)控耦合式復(fù)合紡紗系統(tǒng)的構(gòu)建和三基色混配色紡紗工藝研究[J]. 嘉興學(xué)院學(xué)報, 2014, 26(6): 15-20. XUE Yuan, YI Honglei, CHEN Weixiong, et al. Research on construction of numerical control coupling type composite spinning system and trichromatic color mixing spinning process[J]. Journal of Jiaxing College, 2014, 26(6): 15-20.

[4] 高衛(wèi)東, 郭明瑞, 薛元, 等. 基于環(huán)錠紡的數(shù)碼紡紗方法[J]. 紡織學(xué)報, 2016, 37(7): 49-52. GAO Weidong, GUO Mingrui, XUE Yuan, et al. Digital spinning method developed from ring spin-ning[J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(7): 49-52.

[5] 史晶晶, 張楠楠, 付少輝, 等. 段彩紗在色織物開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 棉紡織技術(shù), 2014, 42(8): 43-46. SHI Jingjing, ZHANG Nannan, FU Shaohui, et al. Application of segment color yarn in dyed fabric development[J]. Cotton Textile Technology, 2014, 42(8): 43-46.

[6] 張鳳梧. 花式紗線計算機模擬的研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2006:5-9. ZHANG Fengwu. Fancy yarn computer simulation research[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006: 5-9.

[7] LI Zhongjian, PAN Ruru, ZHANG Jie, et al. Measuring the unevenness of yarn apparent diameter from yarn sequence images[J]. Measurement Science & Technology, 2016, 27(1): 15-40.

[8] YEUNG K W, LI Y, ZHANG X, et al. Evaluating and predicting fabric bagging with image processing[J]. Textile Research Journal, 2002, 72(8): 693-700.

[9] 賈洪濤, 朱元昌, 王建華. 擴展自適應(yīng)中值濾波器的原理與實現(xiàn)[J]. 中國圖象圖形學(xué)報, 2004, 9(8): 947-950. JIA Hongtao, ZHU Yuanchang, WANG Jianhua. The principle and implementation for extended adaptive median filter[J]. Journal of Image and Graphics, 2004, 9(8): 947-950.

[10] 鄒秋霞, 楊林楠, 彭琳, 等. 基于Lab空間K-Means聚類的葉片分割算法研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2015(9): 222-226. ZOU Qiuxia, YANG Linnan, PENG Lin, et al. Segmenta tion algorithm based on blade Lab space and K-Means clustering[J]. Agricultural Mechanization Research, 2015 (9): 222-226.

[11] PEIRCE Frederick Thomas. The geometry of cloth structure[J]. Journal of the Textile Institute Transactions, 1937, 28(3): 11-22.

Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information

ZHANG Jidong1，2，XUE Yuan1，2，ZHANG Jie1，2，GUO Mingrui1，2，WEI Xiaoting1，2，GAO Weidong1，2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textile(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study a simulation method for weft knitted fabric external color and schlieren using digital and mixed color yarn, the details removing blurred image was firstly acquired by smoothing and denoising image using image processing technology . Then color image K-means clustering algorithm was applied to segment the smooth image to obtain yarn body image in the Lab space and clustering around the boundary and the center line of the information. On the basis of classic Pierce′s loop model, the profile information of the mixed color yarn image was used to complete the mapping from yarn to loop arc and loop column. Finally, according to the covering relationships of different textures, basic weft knitted fabrics were obtained. The algorithm proposed for the yarn texture mapping to loop, can simulate mixed color and appearance of schlieren of weft knitted fabric using mixed color yarn according to the actual fabric structure and density.

mixed color yarn; image processing; texture mapping; loop model; fabric simulation

10.13475/j.fzxb.20160805607

2016-08-26

2017-04-08

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(JUSRP51631A)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項目(J201506)；浙江省科技重大專項項目(2014C11SA480012)

張繼東(1992—)，男，碩士生。主要研究方向為織物模擬與計算機仿真。薛元，通信作者，E-mail：fzxueyuan@qq.com。

TS 181.8

A