聚集態(tài)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物的灰度仿真特性

張愛丹， 周 赳

(浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)， 浙江 杭州 310018)

自20世紀20年代緞紋影光組織被研發(fā)出來之后[1]，黑白像景與彩色像景織物都普遍采用影光組織進行色彩表現(xiàn)[2-3]，尤其是現(xiàn)代數(shù)碼仿真提花織物，更是以影光組織庫的設(shè)計和組合應(yīng)用為其主要技術(shù)特點[4]。但影光組織結(jié)構(gòu)對圖像色彩的呈現(xiàn)，并非依據(jù)原始圖像色的變化而變化，而是由其自身固定的呈色規(guī)律所決定[5]。對于明度對比較為強烈的無彩色圖像，運用影光組織庫設(shè)計產(chǎn)生的黑白提花織物，其仿真表現(xiàn)基本令人滿意，然而對于有特定明度基調(diào)要求的黑白攝影或繪畫作品，單純采用影光組織并不能滿足仿真設(shè)計的需求[6-7]。

本文通過借鑒印刷行業(yè)中的印前圖像處理技術(shù)，將連續(xù)調(diào)圖像離散為二色值網(wǎng)點圖像，使原本用于承載油墨色的網(wǎng)點成為提花織物的組織點，以表現(xiàn)提花織物圖像的明暗層次和色彩變化，為單層黑白提花織物對特定明度基調(diào)圖像的色調(diào)仿真提供設(shè)計選擇。

1 網(wǎng)點結(jié)構(gòu)特征與圖像表現(xiàn)

網(wǎng)點結(jié)構(gòu)特征是指網(wǎng)點的形狀、面積和分布等屬性[8]。網(wǎng)點是印刷圖像色彩的基本單位，組織形式主要有聚集態(tài)、分散態(tài)以及聚集和分散的混合態(tài)等[9]。聚集態(tài)網(wǎng)點是指圖像像素點先組合成具有一定形狀和面積的網(wǎng)點，再由網(wǎng)點面積大小的變化表現(xiàn)圖像的階調(diào)層次，而網(wǎng)點之間的中心距離保持不變，呈規(guī)則排列，也稱為調(diào)幅網(wǎng)點。在白色背景上，隨著黑色像素點聚合形面積增大，逐漸從淺色過渡到黑色，如圖1所示。分散態(tài)網(wǎng)點圖像，也稱調(diào)頻網(wǎng)點，其特點是通過像素點的密集程度來體現(xiàn)圖像色階的濃淡變化，而網(wǎng)點通常為一個像素點，無大小變化，并以隨機形式分散排列。在白色背景上，隨著黑色像素點數(shù)量的增加，逐漸從淺色過渡到黑色，如圖2所示。

將上述2種網(wǎng)點結(jié)構(gòu)形態(tài)類比于提花機織物的組織結(jié)構(gòu)。從織物結(jié)構(gòu)的交織平衡角度而言，聚集態(tài)網(wǎng)點較分散態(tài)網(wǎng)點更有優(yōu)勢。如圖1所示的明暗變化，在10×10個記錄柵格單位面積內(nèi)，垂直和水平2個方面經(jīng)緯交織變化0～1次；而圖2所示的網(wǎng)點過渡，其2個方向經(jīng)緯交織變化0～5次。在單層提花織物結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下，后者相對較難以滿足織物結(jié)構(gòu)交織平衡的設(shè)計要求。鑒于此，本文選擇聚集態(tài)網(wǎng)點作為研究對象。

圖1 不同黑色像素百分比的聚集態(tài)網(wǎng)點構(gòu)成形態(tài)Fig.1 Composition form of clustered-dot halftone with different percent of black pixels

圖2 不同黑色像素百分比的分散態(tài)網(wǎng)點構(gòu)成形態(tài)Fig.2 Composition form of dispersed-dot halftone with different percent of black pixels

聚集態(tài)網(wǎng)點一般由4個參數(shù)進行表征，分別為網(wǎng)點面積率、網(wǎng)點形狀、網(wǎng)線角度和加網(wǎng)線數(shù)[10]。其中網(wǎng)點面積率決定了二值圖像色的深淺程度，表現(xiàn)為黑、白像素點的面積比。在一幅圖像中，明度值低的圖像部分，黑色網(wǎng)點面積率相對大；而明度值高的部分，則表現(xiàn)為白色背景面積率相對較大，如圖3(b)中所示的不同明暗層次的花卉圖像。

圖3 連續(xù)調(diào)原圖和不同輸出分辨率的網(wǎng)點圖像Fig.3 Continuous tone original image and halftone images with different output resolutions. (a) Original image; (b) 300 dpi halftone dot; (c) 600 dpi halftone dot

雖然網(wǎng)點形狀、網(wǎng)線角度和加網(wǎng)線數(shù)的變化不影響黑、白網(wǎng)點的面積比率關(guān)系，但加網(wǎng)線數(shù)與圖像的灰度等級密切相關(guān)。以印刷圖像為例，其灰度等級=(輸出設(shè)備的記錄分辨率/加網(wǎng)線數(shù))2+1[11]。在加網(wǎng)線數(shù)一定的情況下，輸出設(shè)備的記錄分辨率越高，則圖像越細膩，呈現(xiàn)的細節(jié)越豐富，如圖3所示。

然而，機織物的工藝特點決定了織物的經(jīng)緯交織點無法達到墨點那樣精細微小的程度，因此，用于設(shè)計提花織物的網(wǎng)點圖像，其輸出分辨率受到經(jīng)緯密度的限制，可調(diào)節(jié)的只有加網(wǎng)線數(shù)。但在輸出分辨率一定的情況下，若想獲得較高的灰度等級，加網(wǎng)線數(shù)取值要盡可能小，但同時單位長度內(nèi)網(wǎng)點數(shù)量減少，近距離觀看時，圖像細節(jié)將減少，這是一個需要平衡的問題。并且加網(wǎng)線數(shù)的取值，對于表現(xiàn)不同明度基調(diào)圖像是否存在影響，也是本文將要考察的問題。

此外，對于經(jīng)緯交織織物，還需要考慮交織平衡問題。在網(wǎng)點圖像中，如黑色網(wǎng)點表示經(jīng)組織點，那么網(wǎng)點的底色就表示緯組織點，反之亦然，這意味著黑色或白色區(qū)域?qū)⒉话l(fā)生經(jīng)緯交織。對于這個問題的解決不僅影響著網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物的色彩仿真效果，同時直接決定織物的品質(zhì)。

根據(jù)提花織物的工藝特點，綜合考慮上述所提出的影響因素，分析基于聚集態(tài)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)的提花織物對圖像明度色調(diào)的仿真性能和特點。

2 織物樣品的設(shè)計織造與制備

2.1 實驗方案

本次實驗的方案包括仿真的對象圖像設(shè)計、織物樣品制備、原圖像與織物圖像的像素灰度值的統(tǒng)計與比較等內(nèi)容。在仿真的對象圖像設(shè)計方面，將3幅由數(shù)碼相機拍攝的風景照片，調(diào)節(jié)成在視覺上具有高、中、低3種明度基調(diào)特征的灰度圖像，再將3幅圖的明度對比度都調(diào)整成弱對比效果，如圖4所示。在提花織物樣品的設(shè)計與織造方面，除了采用聚集態(tài)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)進行提花織物設(shè)計之外，還采用影光組織進行織物樣品的設(shè)計與織造，作為研究前者仿真特性的參照樣品。

圖4 原圖Fig.4 Original images. (a) High lightness;(b) Middle lightness; (c) Low lightness

在研究方法上，除了直觀地觀察比較之外，將結(jié)合圖像特征的客觀分析，進行網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物圖像對原圖像的仿真度考察。

2.2 圖像處理與織物工藝規(guī)格

2.2.1 影光組織樣品組

將3幅風景圖像的長寬均設(shè)置為2 000像素，采用相同的影光組織庫進行提花織物樣品設(shè)計。

在影光組織的設(shè)計方面，以16枚5飛緯面緞紋為基礎(chǔ)組織，組織點過渡方向為緯向，每次增加8個經(jīng)組織點，最后產(chǎn)生有29個組織的影光組織庫。

為了使圖像的色階與影光組織數(shù)量相等，需將3幅圖像的灰度色階各自歸并為29級。

2.2.2 網(wǎng)點結(jié)構(gòu)樣品組

采用聚集態(tài)網(wǎng)點進行織物設(shè)計，不需要對原始圖像的灰度級進行色階歸并以配合影光組織庫的組織數(shù)量，但要先將連續(xù)調(diào)漸變色圖像轉(zhuǎn)化為網(wǎng)點漸變圖像。

參照印刷行業(yè)中網(wǎng)點圖像灰度等級的計算原理，結(jié)合提花織物的工藝規(guī)格，進行網(wǎng)點圖像加網(wǎng)線數(shù)的設(shè)計。加網(wǎng)線數(shù)分別采用10、12、14、16、20和24線/cm 6種規(guī)格進行圖像的網(wǎng)點化處理。上述6種加網(wǎng)線數(shù)所產(chǎn)生的網(wǎng)點圖像灰度等級區(qū)間為22～122級。由于45°網(wǎng)點排列角在視覺上效果最佳[12]，網(wǎng)點結(jié)構(gòu)織物樣品的圖像采用45°網(wǎng)點排列角，網(wǎng)點形狀為圓形。

在織物組織配置方面分2種情況：1)間絲全點，即統(tǒng)一鋪設(shè)1對16枚5飛的經(jīng)面和緯面緞紋；2)局部間絲，即當經(jīng)、緯2個方向浮長超過32個組織點時，采用32枚7飛緞紋進行局部自動點間絲。

所有織物樣品均采用1組白經(jīng)和1組黑緯交織而成，經(jīng)、緯絲均為 23.3 dtex×2桑蠶絲，經(jīng)、緯密均為1 100根/(10 cm)。

2.3 織物圖像樣品制備

3 結(jié)果與討論

圖5示出3幅采用影光組織的織物樣品。采用網(wǎng)點結(jié)構(gòu)的提花織物樣品共21幅，其中間絲全點織物樣品3幅，不同明度基調(diào)各有1幅，如圖6所示；局部間絲織物樣品18幅，不同明度基調(diào)各有6幅，分別對應(yīng)6種加網(wǎng)線數(shù)規(guī)格。

圖5 影光組織提花織物Fig.5 Jacquard fabrics using shaded weave database. (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

圖6 網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物(間絲全點)Fig.6 Clustered-dot structure jacquard fabrics (overall bindings). (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

3.1 間絲全點網(wǎng)點結(jié)構(gòu)織物圖像特征分析

從仿真效果來看，3幅采用影光組織的織物樣品沒有反映出原圖像高、中、低3種明度基調(diào)的差別，尤其是高明度織物樣品，整體較暗。而采用間絲全點的網(wǎng)點織物(加網(wǎng)線數(shù)為16線/cm)與原圖像能基本對應(yīng)。

為了能客觀地證明織物圖像對原圖像的仿真效果，采取了圖像的顏色特征統(tǒng)計分析方法。顏色特征屬于圖像的內(nèi)部特征，廣泛應(yīng)用于圖像識別。顏色特征的表示方法有顏色距、顏色直方圖和顏色相關(guān)等[13]，文中采用顏色距方法中的一階矩(均值)和二階矩(方差)2種，其中均值用于反映每個顏色分量的平均強度，而方差用于表征圖像顏色的不均勻性。以二者的統(tǒng)計結(jié)果為依據(jù)，對網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計方法的仿真質(zhì)量進行評價。

由于文中研究對象為灰度圖像，顏色數(shù)據(jù)主要針對圖像像素的灰度值，即0～255之間的灰度值(明度值)，0為黑色，255為白色，以及二者之間的不同灰色。其中一階矩(均值)μi計算公式為

(1)

二階矩(方差)σi計算公式為

(2)

式中：fij為圖像中第j個像素的第i個灰度值分量；N為像素數(shù)量。

根據(jù)計算公式對原圖像、間絲全點的網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物圖像和影光組織提花織物圖像的灰度均值和方差進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如表1、2所示。

注：網(wǎng)點織物為間絲全點，加網(wǎng)線數(shù)為16 線/cm。

表2 原圖像與織物圖像的二階矩Tab.2 Second-order moment of original images and images of fabric samples

注：網(wǎng)點織物為間絲全點, 加網(wǎng)線數(shù)為16 線/cm。

一階矩越小則表示圖像越暗，反之則圖像越亮。二階矩越小則表明圖像明度反差越小，反之則圖像明度對比強烈，黑白越分明。根據(jù)表1、2的統(tǒng)計結(jié)果，網(wǎng)點織物圖像除了低明度織物樣品的方差值之外，其余數(shù)據(jù)較影光提花織物樣品更接近于原圖像。總體而言，間絲全點的網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計方法在對圖像的明度基調(diào)的仿真效果上，較優(yōu)于采用影光組織設(shè)計方法，尤其是對于高明度圖像的仿真表現(xiàn)最為理想。

3.2 局部間絲網(wǎng)點結(jié)構(gòu)織物圖像特征分析

在30 cm視距目測比較3種不同明度基調(diào)6種加網(wǎng)線數(shù)的織物樣品，它們的共同變化特征是：隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加，3組不同明度基調(diào)的織物樣品，其經(jīng)緯交織紋理逐漸細密，圖像廓輪變得清晰，如圖7所示，但同時織物手感變硬。

1.2.3 調(diào)查方法 采用問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括嬰幼兒出生基本情況調(diào)查、兒童嬰幼兒家長的喂養(yǎng)和營養(yǎng)知識調(diào)查等。

同樣采用式(1)、(2)對3種不同明度基調(diào)圖像的6種不同加網(wǎng)線數(shù)織物樣品進行一階矩和二階矩計算，結(jié)果如表3、4所示。

3.2.1 一階矩(均值)比較分析

根據(jù)局部間絲織物圖像一階矩統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加網(wǎng)線數(shù)對中、低明度織物圖像的灰度均值的影響顯示出一定的規(guī)律性，即加網(wǎng)線數(shù)增加，中明度織物圖像灰度均值略有提高，而低明度織物圖像則略微降低。加網(wǎng)線數(shù)增加對高明度織物圖像的影響未有明顯規(guī)律性，如表3所示。

計算得高、中、低3種明度基調(diào)6種加網(wǎng)線數(shù)織物樣品圖像的一階矩平均值分別為119.65、47.81和24.66，將其與間絲全點織物進行比較發(fā)現(xiàn)，局部間絲的3種不同明度基調(diào)織物圖像平均明度值明顯降低。

將采用相同加網(wǎng)線數(shù)的間絲全點和局部間絲的1組織物圖像的一階矩值進行比較，其結(jié)果為高、中、低3種明度織物圖像分別相差33.01、54.48和60.67，表明隨著黑色網(wǎng)點面積的增加，間絲點對黑緯顯色效果造成的影響隨之更加顯著。

圖7 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物(局部)Fig.7 Clustered-dot structure jacquard fabrics with different screen frequency (part). (a) 10 line screen/cm; (b) 12 line screen/cm; (c) 14 line screen/cm; (d) 16 line screen/cm; (e) 20 line screen/cm; (f) 24 line screen/cm

由此可見，相對于原圖像，低明度圖像適合采用局部間絲，而高明度圖像則相對更適合采用間絲全點，這對提高織物圖像整體明度有一定的作用，但同時會降低織物圖像的明度對比度。

表3 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)織物圖像的一階矩Tab.3 First-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

表4 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)織物圖像的二階矩Tab.4 Second-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

3.2.2 二階矩(方差)比較分析

通過比較局部間絲織物圖像與原圖像的二階矩統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高、中、低3種明度圖像分別采用24、14、10線/cm加網(wǎng)線數(shù)時，織物圖像明暗對比效果與原圖像最為接近，同時較間絲全點網(wǎng)點織物和影光組織織物效果理想，如表2、4所示。

由于在織物組織點總體數(shù)量為一個固定數(shù)值時，隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加，網(wǎng)點圖像的灰度等級減小，而經(jīng)緯交織狀態(tài)的變化次數(shù)增加。對于高明度圖像而言，因其黑色網(wǎng)點面積率較小，經(jīng)緯交織狀態(tài)變化的影響相對也小，因此可以選擇較高的加網(wǎng)線數(shù)；而低明度弱對比圖像，由于全黑部分受加網(wǎng)線數(shù)的影響并不明顯，唯一可以解釋的是圖像中的中間明度網(wǎng)點區(qū)域受到經(jīng)緯交織狀態(tài)頻繁交替的影響，而降低了該部分的總體灰度值，從而在整體上縮小了織物圖像的明度對比度。這也為中明度基調(diào)圖像選擇14線/cm 加網(wǎng)線數(shù)最合適做出了解釋。根據(jù)上述分析可見，在局部間絲情況下，加網(wǎng)線數(shù)對中間明度網(wǎng)點色的影響最為顯著，所以在設(shè)計加網(wǎng)線數(shù)時，應(yīng)考慮圖像明度基調(diào)的具體情況。

4 結(jié)束語

聚集態(tài)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計方法，由于采取使連續(xù)調(diào)圖像離散為黑白二色值圖像，在原理上類似于將原始圖像直接轉(zhuǎn)化為織物組織圖，因此在最大程度上降低了織物組織本身對圖像色所造成的偏離。在網(wǎng)點圖像的加網(wǎng)線數(shù)方面，高明度圖像適合采用較高加網(wǎng)線數(shù)，在不明顯影響呈色效果的情況下，使織物交織紋理細膩；低明度圖像適合采用加網(wǎng)線數(shù)相對較低的設(shè)計，以確保明度對比仿真效果；中明度圖像則可采用間于二者之間的加網(wǎng)線數(shù)，可兼顧織物仿色和織紋細致的要求。將原圖轉(zhuǎn)化為網(wǎng)點圖(織物組織圖)時，由于存在圖像暗部只有網(wǎng)點色，而亮部只有底色等情況，需要間絲處理。而相對于全局間絲，局部間絲可以降低對網(wǎng)點呈現(xiàn)效果的干擾，仿色效果更好。

總之，從對圖像色明度信息的真實傳遞方面，相較于影光組織設(shè)計方法所產(chǎn)生的織物圖像，聚集態(tài)網(wǎng)點結(jié)構(gòu)提花織物圖像在整體上更接近于原圖像，可以更好地滿足有特定明度基調(diào)需求的圖像仿真設(shè)計。