基于圖像處理的紗線捻系數(shù)與明度關(guān)系研究

金佳冰 郭明瑞 傅佳佳 盧雨正

(江南大學(xué)，江蘇無錫，214122)

1 研究背景

捻系數(shù)作為紗線的一個(gè)重要參數(shù)，影響著紗線各方面的性能，學(xué)者們對于紗線捻系數(shù)的研究著重于對紗線質(zhì)量的影響，如力學(xué)性能中的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂功等[1]。此外，捻系數(shù)還影響紗線的外觀形態(tài)，如毛羽、條干不勻、紗疵等，其中捻系數(shù)對紗線光澤的影響不可忽略，但這方面的研究相對較少。在環(huán)錠紡的成紗結(jié)構(gòu)方面，由于紗線捻回角的變化，紗線表面的螺旋纖維角度發(fā)生改變，表面反射特征也由此發(fā)生變化，即紗線顏色的RGB值會隨之改變，這導(dǎo)致了紗線光澤上的差異；從色彩理論方面來說，在視覺效果上主要是明度的差異。目前一些企業(yè)存在同種色纖維不同紡紗方式所紡制的同一號數(shù)紗線顏色存在差異性、生產(chǎn)樣品與用戶需求樣品有色差等問題，這些色差可能會導(dǎo)致用戶退貨，給企業(yè)造成損失。因此在滿足紗線性能及用紗條件的情況下，找出環(huán)錠紡紗線表面明度的變化規(guī)律，嘗試微調(diào)捻系數(shù)，以達(dá)到調(diào)整紗線明暗效果的目的。

由于Datacolor測色儀孔徑的限制，直徑較小的紗線無法滿足其測色要求，一般通過后道織造工序，或是將紗線繞于黑板上來保證樣品的不透光性[2-4]，間接地對織物進(jìn)行測色，但是這兩種方法在經(jīng)過后道工序后，紗線的卷繞方式或織物的組織結(jié)構(gòu)對紗線的顏色有很大影響，不能直接體現(xiàn)出紗線的表觀顏色。另一種方法是利用DigEye對繞于白色紙板上的紗線進(jìn)行測色，其采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，但是與顯微鏡相比，其放大倍率與清晰度的限制導(dǎo)致無法從細(xì)節(jié)上反映出紗線的表面形態(tài)。

近些年學(xué)者們對于單根紗線表面反射特征進(jìn)行了研究，同時(shí)建立了光照模型，這些模型可作參考，但各自都存在弊端。王志東等把單股未加捻紗線當(dāng)作圓柱模型進(jìn)行模擬[5]，但模擬的紗線表面亮度漸變速度過快，邊界暗處范圍過大，效果不理想。張瑞林等把紗線當(dāng)作橢圓柱模型進(jìn)行模擬[6]，此模型紗線表面光度漸變自然，但是這兩種模型都把紗線模型理想化，不能反映出紗線捻度的特征。喻飛等對數(shù)碼紗的外觀進(jìn)行了仿真，增加了捻度的模型[7]，但此類方法主要體現(xiàn)為數(shù)碼紗的混色效果，其光照模型較為生硬，不能很好地體現(xiàn)出捻度對紗線表面細(xì)節(jié)的影響。

為此，我們利用超景深顯微鏡對不同捻系數(shù)的紗線進(jìn)行拍攝，通過圖像處理法提取圖片中的像素點(diǎn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，探究紗線表面最真實(shí)的圖像信息及其規(guī)律，為后續(xù)更加準(zhǔn)確地建立紗線的光照模型、分析紗線的顏色提供思路。

2 圖像采集

采用VHX-5000型超景深三維數(shù)碼顯微鏡(基恩士公司)對280、320、360、400、440五種捻系數(shù)的原液著色藍(lán)色纖維環(huán)錠紡紗線進(jìn)行圖像采集，拍攝前需為電動(dòng)XY平臺設(shè)定原點(diǎn)，調(diào)整電動(dòng)XY平臺的高度，將變焦環(huán)的倍率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，焦距設(shè)置為35 mm，進(jìn)行圖片的實(shí)時(shí)深度合成，并將紗線不同的三處位置進(jìn)行拼接，分辨率設(shè)置為5 166 pixel×1 215 pixel，標(biāo)尺為500 μm。以280捻系數(shù)為例，如圖1所示。

圖1 280捻系數(shù)環(huán)錠紡紗線超景深顯微鏡圖像

3 圖像處理

3.1 圖像處理流程

采用超景深顯微鏡拍攝的原始圖像需用Matlab R2014b對其進(jìn)行相關(guān)的處理，處理流程如圖2所示。

圖2 圖像處理流程圖

3.2 圖像裁剪

為突出紗線表面捻度細(xì)節(jié)，運(yùn)用imcrop函數(shù)，按照同一起點(diǎn)、同一長寬度的條件，將5種捻系數(shù)紗線圖片均裁剪為500 pixel×100 pixel的規(guī)格，以280捻系數(shù)為例，如圖3所示。

圖3 裁剪后的500 pixel×100 pixel的圖像

3.3 中值濾波去噪

中值濾波是一種非線性濾波[8]，它是一種保護(hù)邊緣的非線性圖像平滑方法，在圖像增強(qiáng)中應(yīng)用廣泛。中值濾波的平滑效果優(yōu)于均質(zhì)濾波，在抑制噪聲的同時(shí)還能夠保持圖像的邊緣清晰，在Matlab軟件中，運(yùn)用medfilt2函數(shù)進(jìn)行圖像的中值濾波去噪，每個(gè)輸出像素為m×n領(lǐng)域的中值，如3×3、5×5、7×7、9×9等模版。由于中值濾波僅針對單通道，在不轉(zhuǎn)換為灰度圖像的前提下，需要對RGB三通道分別進(jìn)行去噪處理。

3.4 像素點(diǎn)提取及顏色空間轉(zhuǎn)換

在拍攝的紗線表觀圖像中，包含了紗線表面的所有反射光。首先讀取圖片，對其RGB信息進(jìn)行提取，同時(shí)為了不受純黑色像素點(diǎn)的影響，將其去除。由于面向硬件的RGB顏色空間不能反映明亮程度的信息，于是引入了面向用戶的HSV顏色空間(HSV顏色空間中的V是指明度)，HSV空間是一種復(fù)合主觀感覺的顏色模型，不同于RGB顏色空間的單位立方體，其空間結(jié)構(gòu)為錐形，顏色種類H的范圍為0～1，飽和度S的范圍為0～1，明度V的范圍也為0～1。用rgb2hsv函數(shù)將獲取的紗線圖像RGB顏色空間轉(zhuǎn)換成HSV顏色空間，此算法建立了兩種顏色空間顏色值的映射關(guān)系[9]。對采樣紗線的每個(gè)點(diǎn)的明度通道提取明度值V，將像素點(diǎn)的位置設(shè)為X軸、Y軸，明度設(shè)為Z軸，繪制明度三維曲面圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 中值濾波去噪效果對比

由于裁剪后圖片中噪點(diǎn)的存在，在使用圖片時(shí)需對其進(jìn)行去噪預(yù)處理，選用3×3、5×5、7×7、9×9模版中值濾波進(jìn)行去噪，以280捻系數(shù)為例，對比圖如圖4所示。隨著鄰域范圍的增大，去噪效果會加強(qiáng)，但是圖像的清晰度也隨之下降，圖像細(xì)節(jié)損失嚴(yán)重，表面反射光的特征不能很好地體現(xiàn)，尤其是紗線表面纖維的凹凸效果明顯減弱，因此選用3×3模版。

(a)3×3

(b)5×5

(c)7×7

(d)9×9

4.2 紗線表面明度三維曲面圖

為了更加直觀地觀測紗線表面的反射光特征，尤其是具有捻度的環(huán)錠紡紗線表面纖維的凹凸效應(yīng)，將圖片中的像素點(diǎn)RGB信息提取后，將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換成HSV顏色空間，并提取其明度通道，以280捻系數(shù)為例，分別從原始視角，X-Y視角，X-V視角，Y-V視角作出三維曲面圖，如圖5所示。從圖5中可以明顯地看出，紗線的橫向界面呈開口向下的拋物線狀，表明水平方向上明度是由紗軸中心向兩邊遞減，垂直方向上明度是由頂部至底部遞減；且紗線表面并非理論圓柱或是橢圓柱模型的光滑柱體，表面凸起的纖維對光的反射率較高，呈現(xiàn)出明度較亮，而凹陷的纖維對光的反射率較低，呈現(xiàn)出明度較暗，正因?yàn)楸砻嫱蛊鹋c凹陷纖維的存在才導(dǎo)致了紗線的明暗效果。事實(shí)上，不光捻度，還有毛羽、條干不勻等其他因素的存在，當(dāng)光照射到紗線表面時(shí)，產(chǎn)生一系列反射光、透射光以及被物體吸收的部分光都會影響紗線的明暗效果。

(a)原始視角

(b)X-Y視角

(c)X-V視角

(d)Y-V視角

320、360、400、440四種捻系數(shù)紗線表面的X-Y視角圖如圖6所示。從圖6中只能觀測出捻度的增大導(dǎo)致捻回角的增大，人眼無法直接分辨出紗線表面的明暗程度，因此需要對明度值進(jìn)行正態(tài)密度曲線直方圖分析。

(a)320捻系數(shù)

(b)360捻系數(shù)

(c)400捻系數(shù)

(d)440捻系數(shù)

4.3 紗線表面明度正態(tài)密度曲線直方圖

明度值的正態(tài)密度曲線直方圖如圖7所示。在正態(tài)密度曲線直方圖中，μ值描述的是正態(tài)分布中心的位置，當(dāng)μ值變化時(shí)，其密度曲線的對稱軸左右移動(dòng)，μ值相當(dāng)于期望值。δ值反映的是密度曲線的集中程度，相當(dāng)于方差，其值越大，說明方差越大，圖像越分散，反之亦然。不同捻系數(shù)紗線的μ值和δ值見表1。

圖7 明度值的正態(tài)密度曲線直方圖

表1不同捻系數(shù)紗線的μ、δ數(shù)值表

捻系數(shù)μδ2803203604004400.625 60.624 80.616 70.605 00.606 20.122 60.136 10.120 70.151 10.155 7

圖7中縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，范圍為0～50 000，橫坐標(biāo)為明度，范圍為0～1，可以看出，隨著捻系數(shù)的增大，正態(tài)分布中心的位置會向右發(fā)生偏移，即低捻系數(shù)紗線比高捻系數(shù)紗線整體區(qū)域明度更高。表1中的δ值在隨著捻系數(shù)的增大后，整體上呈增大的趨勢，說明相比于高捻系數(shù)紗線，低捻系數(shù)下的紗線表面明度分布更加集中，體現(xiàn)在視覺效果上為顏色更加明亮。

5 結(jié)論

(1)環(huán)錠紡紗線并不是理論上的圓柱或橢圓柱模型，其光照模型更為復(fù)雜，明度除了從紗軸中心線向兩邊遞減外，還從紗線表面凸起纖維向凹陷纖維遞減，這導(dǎo)致了紗線表面明亮程度的參差不齊。

(2)隨著捻系數(shù)的增大，紗線表面的反射光會有所減弱，且明度分布會有所分散，在視覺效果上導(dǎo)致紗線顏色的變暗。與纖維混紡相比，雖然捻系數(shù)對于紗線顏色的影響較小，但在滿足紗線性能及用紗條件的情況下，在調(diào)整紗線顏色方面，捻系數(shù)的微調(diào)比小比例纖維混色更易于控制，同時(shí)也為后續(xù)紗線光照模型的建立奠定了基礎(chǔ)。