數(shù)字化羊絨測(cè)色法及其在長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用

衡 沖，沈 華，王府梅

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

羊絨因優(yōu)良的手感受到廣大消費(fèi)者的青睞，而世界上約70%的羊絨來自中國(guó)[1]。我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)GB 18267—2013《山羊絨》中，長(zhǎng)度、細(xì)度、顏色等屬性均采用感官檢驗(yàn)。檢驗(yàn)過程耗時(shí)長(zhǎng)、效率低下，且結(jié)果受人為因素影響大，再現(xiàn)性差。質(zhì)量檢驗(yàn)是制約羊絨質(zhì)檢體制改革的硬傷，也是推進(jìn)羊絨質(zhì)檢體制改革必須攻克的難關(guān)[2]?，F(xiàn)有GB 18267—2013中將羊絨的顏色粗略地分成了白絨、青絨和紫絨3類,并有對(duì)應(yīng)外觀特征的文字描述。檢測(cè)人員對(duì)照文字描述主觀評(píng)定羊絨的顏色類別，不可避免地會(huì)造成誤判。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不同顏色的羊絨具有不同的應(yīng)用價(jià)值和染色工藝，白絨可直接染成各種鮮艷的顏色，紫絨必須首先經(jīng)過褪色工藝，去除自身的顏色才能染成需要的顏色[3]。各類羊絨又有深淺程度不同的顏色，例如白絨也有很多種不同的白色，這些纖維原本的底色會(huì)影響染色后羊絨呈現(xiàn)的顏色[4]。為更好地實(shí)現(xiàn)羊絨染色，對(duì)于同一類顏色的羊絨，染色前需要精準(zhǔn)地判斷羊絨顏色的類別。

長(zhǎng)度是決定羊絨價(jià)格和用途的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。目前，由于缺乏科學(xué)合理的測(cè)試技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的羊絨長(zhǎng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)均采用手排法[6]，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且主觀性強(qiáng)，不符合當(dāng)今儀器化的發(fā)展趨勢(shì)。光電法測(cè)試長(zhǎng)度的原理是根據(jù)透光量的變化計(jì)算纖維集合體的相對(duì)面密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量[7]。本文課題組經(jīng)過深入研究后，將Kubelka-Munk雙通道模型應(yīng)用在羊毛透光信號(hào)的理論分析中[8-9]，將纖維集合體面密度Wr的算法命名為“Wu-Wang”算法[10-11]。

Wu-Wang透射理論算法在羊絨長(zhǎng)度的實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，通過2個(gè)參數(shù)(無(wú)窮厚時(shí)表觀反射率(R∞) 和透射率(T))計(jì)算須叢上任一點(diǎn)的面密度(Wr)值。 透射率T通過提取透射圖片的灰度值計(jì)算得到，不同顏色羊絨的R∞存在很大差異。為快速測(cè)量纖維長(zhǎng)度，本文課題組近期開發(fā)的羊絨測(cè)長(zhǎng)1.0版方法建立了包含12檔R∞的羊絨顏色庫(kù)，在長(zhǎng)度測(cè)試之前，通過人眼主觀比對(duì)待測(cè)實(shí)物樣品與顏色庫(kù)中的羊絨圖片，選擇與待測(cè)樣顏色最接近的圖片對(duì)應(yīng)的R∞[12]。該方法主要存在以下缺陷：主觀性強(qiáng)，不同人的測(cè)試結(jié)果存在偏差；顏色庫(kù)不夠豐富，有時(shí)待測(cè)試樣在色卡中找不到對(duì)應(yīng)色，造成較大偏差。即便擴(kuò)充建立的顏色數(shù)據(jù)庫(kù)還是有限的，總是會(huì)存在顏色介于2檔之間的樣品，人為評(píng)判時(shí)也易出現(xiàn)主觀偏差。

基于此，本文提出了基于數(shù)字化儀器測(cè)色技術(shù)，借助顏色模型在不同色空間的轉(zhuǎn)換，計(jì)算了3類顏色的羊絨在三維色空間(CIE Lab)的分布，同時(shí)得到了表征被測(cè)試樣內(nèi)部顏色離散型的指標(biāo)；并將羊絨的顏色測(cè)試指標(biāo)應(yīng)用在光電法長(zhǎng)度測(cè)試中，建立亮度指標(biāo)L與材料表面無(wú)窮厚時(shí)的表觀反射率R∞的計(jì)算模型，從而更加精準(zhǔn)地從透光圖像提取到表征纖維長(zhǎng)度指標(biāo)的相對(duì)面密度曲線。

1 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

材料：25種羊絨樣品，包括8種白絨、11種青絨和6種紫絨，分別由鄂爾多斯國(guó)家羊絨技術(shù)檢測(cè)中心與上海SGS檢測(cè)中心提供。來樣單位提供了每種樣品按GB 18267—2013中手排法測(cè)試的拜氏圖和長(zhǎng)度指標(biāo)。

儀器： Datacolor 850型球形分光光度計(jì)，用來測(cè)試無(wú)窮厚時(shí)羊絨的表觀反射率R∞；彩色光電耦合器(CCD) 搭建的測(cè)色裝置，用來采集壓實(shí)纖維塊體的反射光圖像；光電檢測(cè)器，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.1 羊絨基準(zhǔn)反射率測(cè)量和R∞計(jì)算

為研究本文測(cè)色系統(tǒng)計(jì)算的顏色指標(biāo)和Wu-Wang透射理論算法在羊絨纖維長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用，采用球形分光光度計(jì)測(cè)試羊絨在400～700 nm 波長(zhǎng)下的反射率，作為羊絨顏色和長(zhǎng)度的基準(zhǔn)值[13]。實(shí)驗(yàn)采用直徑為30 mm的最大孔徑，每次稱取約為6 g 的羊絨緊密堆砌在測(cè)試窗口，保證光源發(fā)出來光線不透過試樣。每種羊絨測(cè)試3次，取平均值。

然后根據(jù)Wu-Wang透射理論算法計(jì)算R∞值，Wu-Wang透射理論算法如式(1)所示。

(1)

式中，Tmin為材料無(wú)窮厚時(shí)的最小透射率，%。

在該算法中，關(guān)鍵參數(shù)R∞的計(jì)算采用當(dāng)量反射率計(jì)算方法，如式(2)所示，是根據(jù)材料在不同波長(zhǎng)下的反射率，與光電檢測(cè)器的光源對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下波譜圖的乘積的加權(quán)平均。圖1(a)示出球形分光光度計(jì)測(cè)得的羊絨試樣無(wú)窮厚時(shí)，在400～700 nm波長(zhǎng)下的反射率(波長(zhǎng)間隔為10 nm)。圖1(b)示出光電檢測(cè)器的光源光譜圖。

(2)

式中：Pi為某一波長(zhǎng)下光源的相對(duì)光強(qiáng)，可從圖1(b) 光電檢測(cè)器的光源光譜圖得到，從圖1(b)400 nm 處開始，每隔10 nm讀取該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相對(duì)光強(qiáng)值，直至最后1個(gè)值的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為700 nm，共計(jì)31個(gè)值，然后將這31個(gè)相對(duì)光強(qiáng)值歸一化(每個(gè)相對(duì)光強(qiáng)/總相對(duì)光強(qiáng))，記為Pi(i為0～31的自然數(shù)，0

圖1 羊絨的光譜特性圖Fig.1 Reflection(a) and spectrogram of photodetector light source(b) of cashmere

1.2 羊絨測(cè)色裝置及顏色指標(biāo)計(jì)算

數(shù)字化羊絨測(cè)色裝置原理如圖2所示。根據(jù)測(cè)色裝置計(jì)算羊絨的顏色指標(biāo)。首先，稱取6 g羊絨樣品放置在尺寸為10 cm×10 cm的試樣筐內(nèi)，試樣筐上部施加19.6 N的壓力將纖維集合體壓實(shí)到恒定密度。打開測(cè)色裝置，讓線型彩色CCD與試樣相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到試樣表面反射光的彩色圖片。借助顏色模型在RGB-CIE XYZ-CIE Lab色空間的轉(zhuǎn)換得到CIE Lab值，具體計(jì)算過程分3步[14]。

圖2 測(cè)色裝置反射原理圖Fig.2 Schematic diagram of color measurement device

步驟1：RGB值標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)

式中：R、G、B表示8位色彩位數(shù)紅綠藍(lán)3個(gè)通道的顏色；r、g、b表示歸一化的紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道的顏色。

步驟2：獲取CIE XYZ參數(shù)。

(4)

式中，x、y、z表示理想三原色。

步驟3:CIE Lab值的獲取

L=116fy-16

(5)

a=500(fx-fy)

(6)

b=200(fx-fz)

(7)

(8)

式中：L為亮度指標(biāo)；a為紅綠色指標(biāo)；b為黃藍(lán)色指標(biāo)。a值為正表示偏紅，a值為負(fù)表示偏綠；b值為正表示偏黃，b值為負(fù)表示偏藍(lán)。x0、y0、z0為標(biāo)準(zhǔn)完全漫反射體的白點(diǎn)值，其值分別為95.04、100、108.89。

2 結(jié)果與討論

2.1 3類顏色的羊絨在三維色空間的分布

用彩色CCD成像機(jī)測(cè)得羊絨樣品的反射光信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得每種羊絨的平均顏色值在三維CIE Lab色空間的分布情況，如圖3所示。

注：試樣編號(hào)根據(jù)25種羊絨樣品的L值從大到小順序進(jìn)行編號(hào)。圖3 3種顏色的羊絨在三維色空間的數(shù)值分布Fig.3 Distribution of three colors of cashmere in CIE Lab color space

由圖3可以看出，不同顏色羊絨的L值差異最大，b值次之，a值差異最小。表明可從平均亮度指標(biāo)L值來區(qū)分3類羊絨，紫絨與其他2類的L值差異更大。其中：白絨的L值最大，分布在77.4～83.3之間；青絨次之，分布在69.8～77.2之間；紫絨最小，分布在42.6～62.1之間。3類顏色羊絨的平均L值分布在不同的水平上，但其a和b值存在交疊部分。

顏色是人對(duì)光的視覺感知，本質(zhì)是分子結(jié)構(gòu)中的電子能夠?qū)梢姽獍l(fā)生選擇性地吸收[15]。羊絨呈現(xiàn)不同顏色的原理是材料對(duì)入射光線的選擇性吸收造成的，不同顏色的羊絨選擇性吸收入射的不同波長(zhǎng)的光線?；诓噬獵CD攝像技術(shù)不僅可得到一定面積內(nèi)羊絨顏色的平均值，還可精確得到每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值。為了解每種羊絨內(nèi)部每根纖維顏色的差異性，從白、青、紫絨中隨機(jī)各選 1種試樣，測(cè)試計(jì)算了各試樣內(nèi)部顏色指標(biāo)的分布見圖4。

圖4 3種顏色的羊絨內(nèi)部的顏色指標(biāo)分布范圍Fig.4 Intra-sample distribution range in color parameters of three colors of cashmere. (a) Values of L; (b) Values of a; (c) Values of b

由圖4可以看出，3種顏色羊絨的亮度(L)值基本分布在不同的數(shù)值范圍內(nèi)，彩度指標(biāo)a和b值的分布范圍幾乎重合。另外，彩度指標(biāo)a值有正有負(fù)，代表在本文實(shí)驗(yàn)光照條件下羊絨試樣偏紅偏綠色均有；而b值絕大部分為正值，代表在本文實(shí)驗(yàn)光照條件下羊絨試樣偏黃色，物體顏色與自身吸光、反光特性和外加光源、CCD傳感器 3個(gè)方面因素有關(guān)。每種羊絨內(nèi)部各根纖維的顏色指標(biāo)也存在一定的離散性。

上述每個(gè)顏色指標(biāo)的離散程度用下式表征。計(jì)算結(jié)果見圖5。

(9)

(10)

圖5 羊絨試樣顏色的離散情況Fig.5 Intra-sample variation in color of cashmere. (a) Variation values of color parameters; (b) CV values of color parameters

根據(jù)圖3，將試樣按照L值從大到小的順序編號(hào)，也就是試樣亮度越暗，試樣編號(hào)越大。從圖5(a) 總體來看，試樣越暗，L、a和b值的標(biāo)準(zhǔn)差呈增大趨勢(shì)，也就是試樣越暗，其亮度和彩度的離散程度均呈增大趨勢(shì)。圖5(b)可比較L、a和b值這 3個(gè)指標(biāo)間的相對(duì)離散程度，總體來看，a值的離散程度較大，b值次之，L值最小，表明羊絨的亮度指標(biāo)離散程度小，彩度指標(biāo)離散程度大。

2.2 光電法測(cè)試羊絨長(zhǎng)度中R∞與L的關(guān)系

R∞是光電法測(cè)試計(jì)算纖維集合體面密度和纖維長(zhǎng)度的必要參數(shù)。用球形分光光度計(jì)測(cè)得無(wú)窮厚時(shí)羊絨樣品在400～700 nm波長(zhǎng)條件下的反射率，結(jié)果如圖6(a)所示，用式(3)計(jì)算這些樣品的當(dāng)量反射率R∞如圖6(b)所示。

圖6 羊絨試樣的反射性能Fig.6 Reflection property of cashmere. (a) Reflection obtained by datacolor; (b) R∞ of cashmere

CIE Lab是一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色系統(tǒng)，也是一種基于生理特征的顏色系統(tǒng)，用數(shù)字化的方法來描述人的視覺感應(yīng)。L值的物理含義是表示物體的亮度。某一像素點(diǎn)的L值大，則亮度高，表示被反射進(jìn)入觀察者眼睛的光線強(qiáng)，所以L值也是材料反射性能的一種表征。通過CCD掃描物體的彩色反射圖片，借助顏色模型在不同色空間的轉(zhuǎn)換獲取表征材料對(duì)光的反射性能的指標(biāo)，即是CIE Lab色空間中的L值。R∞物理含義是材料堆積無(wú)窮厚時(shí)的反射率，表征材料對(duì)光的反射性能。L值和R∞的物理含義類同，從理論上分析2個(gè)指標(biāo)間必定存在某種相關(guān)關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)證明，L值和R∞之間存在圖7所示的正相關(guān)關(guān)系。

圖7 羊絨表觀反射率R∞與顏色 指標(biāo)L的關(guān)系Fig.7 Relationship between L value and R∞ of cashmere

圖7橫坐標(biāo)是光電檢測(cè)器測(cè)得的L值，縱坐標(biāo)是球形分光光度計(jì)測(cè)得材料無(wú)窮厚的反射率R∞。分別采用直線模型和曲線模型擬合二者的關(guān)系為:

R∞=1.327L-38.825

(11)

R∞=0.009 23L2.034

(12)

從擬合相關(guān)性R2來看，曲線模型效果更優(yōu)，R2=0.968，說明可通過彩色CCD客觀地測(cè)試?yán)w維集合體無(wú)窮厚時(shí)的反射率R∞。該方法不但經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且測(cè)試的試樣面積大(球形分光光度計(jì)測(cè)試面積最大孔徑為30 mm)，結(jié)果的隨機(jī)波動(dòng)小，可信度高。

2.3 數(shù)字化測(cè)色法在長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用

用彩色CCD裝置測(cè)試了本文25種羊絨散纖維的RGB圖像，用式(3)～(8)和(12)計(jì)算每種羊絨的當(dāng)量反射率R∞。而后基于本文課題組研發(fā)的光電檢測(cè)器測(cè)試了25種羊絨須叢的透光強(qiáng)度，并用纖維集合體面密度的Wu-Wang光學(xué)算法計(jì)算須叢的面密度分布以及線密度曲線發(fā)現(xiàn)，所有羊絨須叢的線密度曲線與按GB 18267—2013測(cè)試的拜氏圖換算的標(biāo)準(zhǔn)須叢曲線都非常接近，在3類顏色的試樣中，選擇3種顏色差異性樣品的結(jié)果對(duì)比如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者比較接近。

圖8 基于光電檢測(cè)器和手排法的羊絨長(zhǎng)度 測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Length measurement result comparision of cashmere based on CCD device and manual length method. (a) White cashmere; (b) Grey cashmere; (c) Brown cashmere

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，用彩色CCD測(cè)試羊絨顏色后換算當(dāng)量反射率R∞，用于計(jì)算羊絨須叢線密度曲線，不但便捷，且可行性很高。該結(jié)果可應(yīng)用在雙須光電法測(cè)試有色纖維長(zhǎng)度和有色纖維集合體面密度分布。

3 結(jié) 論

1)顏色和長(zhǎng)度是羊絨非常重要的指標(biāo)參數(shù)，目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用人工目測(cè)顏色，手排法測(cè)試羊絨長(zhǎng)度，難免存在誤差?；谇捌诖罱ǖ牟噬怆婑詈掀?CCD)測(cè)色裝置，分析了3類顏色羊絨在CIE Lab三維色空間的分布，可客觀地測(cè)試羊絨的顏色。本文方法可用于其他有色纖維的顏色和其他性能的光電檢測(cè)。

2)本文獲得的羊絨顏色值CIEL、a和b值，基于CCD的測(cè)色技術(shù)還可得到試樣內(nèi)部顏色指標(biāo)的離散程度。該指標(biāo)可用于染色、脫色前定量獲知原料顏色，精準(zhǔn)確定染色、脫色工藝。

3)通過建立基于彩色CCD的L值與Datacolor 850型球形分光光度計(jì)測(cè)得的R∞之間的計(jì)算模型，給出了一條有色羊絨長(zhǎng)度測(cè)試的成功技術(shù)路線：以彩色CCD客觀測(cè)量羊絨的顏色值L，換算為表觀反射率R∞，再用光電測(cè)試和Wu-Wang面密度光學(xué)算法獲取須叢面密度分布和線密度曲線，進(jìn)而計(jì)算羊絨的各項(xiàng)長(zhǎng)度指標(biāo)和長(zhǎng)度分布曲線。