色紡段彩紗的呈色機理及其織物外觀風(fēng)格仿真設(shè)計

郭宇飛 范運舫 付東 應(yīng)雙雙 周赳 周華

摘 要：為了開發(fā)快速有效的色紡段彩紗仿真設(shè)計技術(shù)，從色紡段彩紗的生產(chǎn)工藝出發(fā)，在分析段彩紗的生產(chǎn)控制與顏色分布關(guān)系的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出紗線混色占比公式，研究了沿紗線長度方向上任意位置點顏色信息的計算方法;依據(jù)Stearns-Noechel模型全光譜匹配顏色算法，求得從不同顏色組份的纖維到粗紗、再到紗線的混色光譜反射率，最后轉(zhuǎn)換為顯示器設(shè)備相關(guān)的RGB色彩模式，實現(xiàn)了色紡段彩紗織物顏色的仿真設(shè)計。然后，結(jié)合Peirce線圈幾何模型，將組織點可見部分與真實紗線顏色信息相匹配，結(jié)合不同段彩紗生產(chǎn)工藝，實例驗證了色紡段彩紗織物顏色的仿真設(shè)計效果。結(jié)果表明：仿真設(shè)計出的色紡段彩紗織物外觀風(fēng)格示意圖與實際色紡段彩紗織物風(fēng)格非常接近，為色紡段彩紗仿真設(shè)計技術(shù)的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：色紡紗;段彩紗;織物;仿真;混色

Abstract：In order to develop a fast and effective simulation design technology for segment colored yarn， the formula of yarn blending ratio was derived based on the production process of the segment colored yarn and the analysis of the relationship between production control and color distribution of segment colored yarns. The calculation method of color information at any position along the length of the yarn was studied. According to the full spectrum matching color algorithm of Stearns-Noechel model， the mixed spectral reflectance of fibers from different color components to roving and then to yarn was obtained. Finally， it was converted into the RGB color mode related to the display device， and the simulation design of the color of the segment colored yarn fabric was realized. Then， combined with the geometry model of Peirce coil， the visible part of the weave point was matched with the actual yarn color information. Combined with the different production process of segment colored yarn， the simulation design effect of the segment colored yarn fabric color was verified by the example. The results show that the appearance style pattern of the segment colored yarn fabric simulated by the simulation is very close to the actual style of segment colored yarn fabric. It lays a foundation for the practical application of the simulation design technology for segment colored yarn.

Key words：colored spun yarn; segment colored yarn; textile; simulation; color mixing

色紡紗是指紡紗過程中將兩種及以上不同顏色的纖維按照一定比例進行混合，形成顏色效果不均勻的混合“異色”紗線[1]。色紡段彩紗是在普通色紡紗基礎(chǔ)上，通過在生產(chǎn)工藝中控制主、輔紗混合比，使紗線沿長度方向截面內(nèi)的纖維顏色組合不同，從而在紗線長度方向上呈現(xiàn)出顏色分段分布的效果[2]。色紡段彩紗織物的外觀風(fēng)格會隨著紡紗工藝參數(shù)改變而變化，因此段彩紗織物的外觀風(fēng)格與紡紗工藝有著密切的聯(lián)系。圖1所示為兩種風(fēng)格效果的段彩紗織物。工廠在正式生產(chǎn)色紡段彩紗織物新品種之前，都需要通過調(diào)節(jié)紗線的生產(chǎn)工藝參數(shù)進行反復(fù)打樣，最終才能確定織物風(fēng)格。為了解決生產(chǎn)試樣成本較高、周期較長的問題，企業(yè)迫切需要開發(fā)基于紡紗工藝參數(shù)的段彩紗設(shè)計仿真技術(shù)，以滿足日益快速變化的市場需要。

近年來，越來越多的紡織企業(yè)及科技人員著手于紡織品的仿真設(shè)計與研究。溫泉等[3]采用經(jīng)典加和公式與全光譜配色算法完成了毛條混色紡紗智能測配色系統(tǒng)的開發(fā)，得到的最佳配方能夠滿足企業(yè)要求。李丹[4]在智能配色的基礎(chǔ)上研究多色組份隨機夾花與雙色組份組織夾花模板的開發(fā)，通過仿真圖像處理實現(xiàn)了色紡紗織物的仿真，使得色紡紗織物的仿真更接近實物樣。

由多色組份纖維形成的色紡段彩紗本身已具有色紡紗特點，但段彩紗表面還有顏色分段排列的特殊效果，這種特點主要是由其特殊的生產(chǎn)工藝決定的，而顏色的分段排列與工藝參數(shù)密切相關(guān)，因此為了與實際生產(chǎn)工藝流程相一致，必須要基于段彩紗的生產(chǎn)工藝及參數(shù)來進行設(shè)計與計算。其實，對色紡段彩紗織物的仿真模擬，是一個將紗線沿長度方向上的顏色變化信息與織物組織點相結(jié)合的過程，而色紡段彩紗的特征是沿紗線長度方向上的顏色不斷變化的。因此，研究色紡段彩紗織物計算機快速仿真設(shè)計，必須要研究色紡段彩紗的加工工藝與紗線主輔紗混色占比的變化規(guī)律，以及紗線上顏色分布結(jié)構(gòu)的計算。

1 基于生產(chǎn)工藝的主輔紗混色占比計算

色紡段彩紗結(jié)構(gòu)由節(jié)長和節(jié)距間隔排列而成，段彩紗節(jié)長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，節(jié)距部分的顏色為主紗的顏色。目前，段彩紗生產(chǎn)工藝主要通過控制主紗與輔紗定量、傳動比及前區(qū)牽伸倍數(shù)來改變段彩紗節(jié)長部分的混色比。因此，需要推導(dǎo)出節(jié)長部分主輔紗占比公式，求出節(jié)長部分主輔紗的混色比例才能完成紗線節(jié)長部分的混色仿真。

1.1 段彩紗生產(chǎn)原理

色紡段彩紗的生產(chǎn)設(shè)備主要是在細紗機上改裝成能夠獨立間歇運動的后羅拉。如圖2所示，主紗由中羅拉連續(xù)性喂入，經(jīng)前羅拉與中羅拉牽伸后形成連續(xù)性的基紗須條;輔紗由后羅拉間歇性喂入，由中羅拉與后羅拉牽伸后，與主紗逐漸融合，經(jīng)牽伸后在前羅拉鉗口處匯合加捻形成段彩紗[5]。

節(jié)長是由連續(xù)性喂入的主紗及間歇性喂入的輔紗共同形成的紗線片段長度;節(jié)距是節(jié)長之間僅有連續(xù)性喂入主紗形成的紗線片段長度。在生產(chǎn)工藝中，隨著節(jié)長增大，紗線上彩節(jié)的長度也隨著增大，色紡段彩紗織物表面節(jié)長部分就會顯得更密;隨著節(jié)距增大，紗線上無輔紗混色的長度越長，色紡段彩紗織物表面節(jié)長部分會顯得相對稀疏。用前羅拉到后羅拉之間的傳動比來調(diào)節(jié)后羅拉的轉(zhuǎn)速，從而影響節(jié)長部分輔紗的占比。傳動比越大，后羅拉的轉(zhuǎn)速越大，紗線上節(jié)長部分輔紗占比越大。

1.2 段彩紗節(jié)長部分主輔紗占比計算式的推導(dǎo)

段彩紗的顏色分布在節(jié)長和節(jié)距部分，其中節(jié)距部分的顏色為主紗的顏色，節(jié)長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，因此為了對段彩紗節(jié)長部分進行混色仿真計算，需要對紗線節(jié)長部分主輔紗占比的計算式進行推導(dǎo)。

由圖2所示，在段彩紗節(jié)長形成過程中，輔紗通過后羅拉喂入，經(jīng)過后區(qū)牽伸在中羅拉入口處和主紗匯聚，一同喂入前區(qū)牽伸最終形成段彩紗。根據(jù)段彩紗工藝分析，主要考慮主紗定量、輔紗定量、前區(qū)牽伸倍數(shù)及傳動比對段彩紗節(jié)長部分主輔紗占比的計算，在工藝仿真設(shè)計中，與實際存在的誤差是在允許范圍之內(nèi)的。因此，推導(dǎo)出段彩紗節(jié)長部分主輔紗占比計算見式（5）、式（6）：

2 段彩紗混色計算

由上述工藝介紹可知，工藝參數(shù)決定了紗線沿長度方向上的顏色分布，節(jié)長部分顏色是由主紗、輔紗混色而成，因此將式（5）、式（6）計算出的主輔紗占比作為段彩紗節(jié)長部分主輔紗混色時的混色比;另外主紗、輔紗顏色本身也是由一些不同顏色纖維混合而成，因此段彩紗可以呈現(xiàn)復(fù)雜豐富多變的顏色效果。如何準確求得不同纖維、紗線混色的顏色，也是段彩紗仿真的一個非常關(guān)鍵的步驟。

采用基于Stearns-Noechel模型的全光譜混色算法，根據(jù)有色纖維光譜反射率和比例求得混色色紡紗線的顏色，該算法相比三刺激值算法[6]優(yōu)點主要是配色所用單色數(shù)目不受限制，應(yīng)用范圍廣泛，具有更強的實用性，在前期研究中已經(jīng)證明此算法對色紡紗線仿真混色配色有效，并得到較好應(yīng)用獲得企業(yè)的認可[7]。

2.1 Stearns-Noechel模型

由于混色是將不同顏色的單色纖維按照不同質(zhì)量比例進行混合，織物的表觀顏色取決于織物對入射光的反射，因此混色模型是要建立在混色的總體反射率與其組份單色的反射率、混色比例之間的關(guān)系。Stearns和Noechel在反射率的中間函數(shù)式（7）的基礎(chǔ)上提出了一個能較好地解釋混色紗線的顏色特征的經(jīng)驗公式（8），稱為Stearns-Noechel模型[8]。

式中：λ為波長;Rblend（λ）表示在波長λ處的混色樣的反射率值;Ri（λ）表示在波長為λ時第i組份單色的反射率值;xi表示設(shè)計樣品中i元素所占的質(zhì)量比例，且∑xi=1;b是一個與波長λ以及組成單色纖維原料相關(guān)的參數(shù)[9]。

2.2 混色光譜計算過程

全光譜混色理論上是將擬合樣與標準樣各個波段的光譜反射率值完全相同，實現(xiàn)全光譜匹配[10]。通過此算法完成從纖維到粗紗，粗紗到最終紗線的混色。

在各個單色反射光譜Ri（λ）和比例xi條件下，根據(jù)式（8）導(dǎo)出混和后的反射光譜Rblend（λ），波長范圍選用可見光波段（400～700 nm之間，每隔10 nm作為一個間隔）算法描述如式（9）[11]：

2.3 混色光譜反射率轉(zhuǎn)換為顯示器設(shè)備RGB表達

對于紗線的仿真混色效果最終要通過計算機顯示器來表達，然而當今市面上所有的顯示器都是與設(shè)備相關(guān)的，即同一種RGB顏色在不同的顯示器上會呈現(xiàn)出不同的顏色。為了確保顏色準確性，不僅需要選擇專業(yè)的顯示器，還要將光譜反射率轉(zhuǎn)換為顯示器設(shè)備相關(guān)的RGB色彩模式，步驟：

a） 將式（9）求得的混色光譜，先轉(zhuǎn)換為設(shè)備無關(guān)的CIE Lab色彩模式[12];

b） 根據(jù)色彩管理要求，顯示器經(jīng)過特征化，獲取其顏色特征文件ICC Profile[13];

c） 將設(shè)備無關(guān)的CIE Lab顏色依據(jù)顯示器ICC Profile，轉(zhuǎn)換成顯示器的RGB顏色，從而達到在顯示器上準確顯示出紗線的仿真混色效果[14]。

3 段彩紗顏色排列分布

為了完成段彩紗沿長度方向顏色分布信息，還需要結(jié)合實際工藝參數(shù)計算段彩紗的結(jié)構(gòu)分布。段彩紗結(jié)構(gòu)由節(jié)長和節(jié)距間隔排列而成，節(jié)長節(jié)距改變主要影響段彩紗沿長度方向上的顏色排列結(jié)構(gòu)。在段彩紗的顏色信息仿真模擬當中，需要給出任意長度位置x并求出此處的顏色信息，才能將紗線的顏色信息與具體織物組織結(jié)構(gòu)進行計算，完成色紡段彩紗織物的仿真設(shè)計。

在段彩紗的生產(chǎn)過程中，紗線節(jié)長、節(jié)距分別設(shè)定4組參數(shù)，其中節(jié)長為mi{m1，m2，m3，m4}，節(jié)距為nj{n1，n2，n3，n4}，定義節(jié)長加節(jié)距為紗線的單元D，而紗線上每個單元大小都是由節(jié)長和節(jié)距在給出數(shù)組中分別隨機選取加和而成，因此節(jié)長和節(jié)距組成的紗線單元大小共有i×j=16種。若紗線由N個單元依次排列組成，其中每個單元都是從這16種單元隨機選取排列而成的，因此每個單元也稱作隨機增量，由N個單元組成的紗線總長度S（N）=D（0）+D（1）+…+D（N）。

判斷紗線上任意長度位置x的顏色信息，需要先判斷出x的具體位置是在節(jié)長部分還是節(jié)距部分，因此先將x與紗線前N個單元的總長度S（N）進行比較，判斷出x所在的具體單元，然后與此單元的紗線節(jié)長節(jié)距進行比較確定所在位置。S（k）是前k個單元的總和，每個單元的長度是S（k）的隨機增量，所以S（k）=D（0）+D（1）+…+D（k），假設(shè)x位于D（k）單元，即S（k-1）

4 段彩紗顏色設(shè)計實例

4.1 主輔紗的顏色計算

主輔紗本身就是多顏色纖維混合的，實際顏色由混合度而定，當混合度為0時，主輔紗的顏色為各個纖維分離的顏色構(gòu)成;纖維混合度為100時，纖維混合均勻，主輔紗顏色為纖維混合的平均色。主輔紗也同樣存在沿長度方向的色纖維混紡比隨機擾動帶來的顏色變化，因此實際仿真中的主、輔紗線還要加上沿長度方向色纖維混紡比隨機擾動程度參數(shù)。

選取單色纖維樣DS04、DS05、DS06，以95.3%、2.5%、2.2%的比例進行混色，依據(jù)式（8）、式（9）求得主紗混色樣LG01的光譜反射率，由主紗LG01的光譜反射率計算出L、a、b，結(jié)果為L=87.26，a=0.86，b=8.33。其單色纖維樣光譜反射率以及計算出的主紗混色樣光譜反射率如圖4所示，混色過程如圖5所示。

選取不同顏色的單色纖維樣DS01、DS02、DS03，以13.7%、12.5%、73.7%的比例進行混色，依據(jù)式（8）、式（9）求得輔紗混色樣LG02的混色光譜反射率，由輔紗LG02的光譜反射率計算出L、a、b，結(jié)果為L=34.57，a=-20.58，b=-4.66。其單色纖維樣光譜反射率以及計算出的輔紗混色樣光譜反射率圖6所示，混色過程如圖7所示。

4.2 主輔紗合成段彩紗的顏色計算

段彩紗的顏色是分段連續(xù)分布，其中紗線節(jié)長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，即LG01與LG02的混色，而段彩紗節(jié)距部分的顏色為主紗的顏色，即LG01的顏色。

參考色紡段彩紗的生產(chǎn)工藝，如果選取工藝參數(shù)為：主紗定量6.3 g/10m，輔紗定量4.5 g/10m，傳動比0.0267，前區(qū)牽伸倍數(shù)25。根據(jù)式（5）、式（6）計算求出主紗占比67.71%，輔紗占比32.29%。將主紗LG01與輔紗LG02以比例67.71%和32.29%進行混色，依據(jù)式（8）、式（9）得到段彩紗節(jié)長部分顏色，轉(zhuǎn)換為L、a、b得L=56.67，a=-16.05，b=-2.91，其過程如圖8（a）、圖8（b）所示。段彩紗節(jié)距部分的顏色為主紗LG01的顏色，由主紗LG01的光譜反射率計算出L、a、b為L=87.26，a=0.86，b=8.33，如圖8（c）所示。

結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)主紗定量、輔紗定量、傳動比、前區(qū)牽伸倍數(shù)，已經(jīng)求出段彩紗節(jié)長和節(jié)距部分的顏色。因此接下來需要根據(jù)節(jié)長節(jié)距的數(shù)據(jù)求段彩紗的顏色結(jié)構(gòu)分布，從而獲得沿段彩紗長度方向上任意位置點的顏色信息。

5 色紡段彩紗面料仿真效果展示

根據(jù)Peirce線圈模型[15]，假定線圈是由在投影平面上的半圓?。ㄡ樉幓『统两祷。┡c直線（圈柱）連接而成。線圈模型如圖9所示為緯平針組織結(jié)構(gòu)，線圈長度包括線段0—1、1—2、2—3、3—4、4—5和5—6。由于紗線的彈性力使圈弧呈圓弧狀，可使線段0—1、2—3—4和5—6作為一個直徑等于G的圓周，而線段1—2和4—5為圈柱，將線圈的圈柱部分視為線圈的可見部分，其長度為m。為了計算方便，假設(shè)線圈在平面上的投影由直線和圓弧相連接而成如圖10所示。

式中：A為圈距，mm;d為紗線在自由狀態(tài)下的直徑，mm;B為圈高，mm;m為圈柱，mm;G為圓周直徑，mm;PA為橫向密度，縱行/50mm;為縱向密度，橫列/50mm。

根據(jù)選定的織物規(guī)格求出每行織物縱向線圈數(shù)和橫列數(shù)，可以求出每行的紗線總長度，以及整塊織物紗線的總長度L總。然后采用上文介紹的方法，在程序中根據(jù)段彩紗生產(chǎn)工藝參數(shù)生成一個長度為L總的段彩紗顏色排列分布信息。

以緯平針組織為例，將線圈的圈柱部分視為線圈的可見部分，因此，只需考慮每個線圈中的圈柱在織物總紗線長度上的位置信息，然后將每個圈柱的位置信息與采用實際工藝參數(shù)仿真出來的真實紗線信息相匹配，然后在圈柱上的每個像素點映射此位置的真實顏色信息，從而生成與生產(chǎn)工藝參數(shù)結(jié)合的面料仿真示意圖。

色紡段彩紗結(jié)構(gòu)是由節(jié)長和節(jié)距間隔排列而成，節(jié)長節(jié)距的改變主要影響段彩紗沿長度方向上的顏色分布。根據(jù)上文段彩紗顏色結(jié)構(gòu)分布的算法，求出段彩紗的顏色結(jié)構(gòu)分布，獲得沿段彩紗長度方向上的顏色分布信息，產(chǎn)生節(jié)長部分顏色（LG01+LG02）與節(jié)距部分顏色為LG01的間隔分布。

若選取節(jié)長節(jié)距（mm）的工藝參數(shù)為：節(jié)長m{310，330，360，330}，節(jié)距n{500，650，750，900}，得到此紗線在緯平針組織上的面料仿真示意圖，如圖11（a）所示。在其他工藝參數(shù)不變的條件下，將節(jié)長增大為原來的3倍，即m{930，990，1080，990}，節(jié)距n{500，650，750，900}，段彩紗節(jié)長增大，織物表面段彩紗部分的顏色顯示的也就越長，因此得到風(fēng)格不同的段彩紗面料仿真效果，如圖11（b）所示。

6 結(jié) 語

首先探討了色紡段彩紗中節(jié)長、節(jié)距、傳動比等生產(chǎn)工藝參數(shù)對色紡紗以及色紡紗織物外觀風(fēng)格的影響規(guī)律;基于生產(chǎn)工藝參數(shù)，推導(dǎo)了用于段彩紗混色計算的主、輔紗占比公式，依據(jù)Stearns-Noechel模型的全光譜混色算法，實現(xiàn)了段彩紗的混色仿真計算;通過段彩紗顏色分布結(jié)構(gòu)算法，得到沿段彩紗長度方向上任意位置點的顏色信息計算方法。最后結(jié)合實際工藝參數(shù)進行模擬，通過改變工藝參數(shù)模擬出不同織物風(fēng)格仿真示意圖，實例驗證了色紡段彩紗織物顏色和外觀風(fēng)格的仿真設(shè)計效果，為開發(fā)結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)的段彩紗顏色和外觀風(fēng)格仿真設(shè)計技術(shù)及其實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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