紡織品單向?qū)阅軠y(cè)試方法分析

江燕婷， 嚴(yán)慶帥， 辛斌杰， 高 琮， 施楣梧

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100010)

吸濕速干性是表征功能用服裝面料舒適性和功能性的重要指標(biāo)之一，通常吸濕速干性能評(píng)定分吸濕性和速干性2個(gè)方面：吸濕性包括吸水率、滴水?dāng)U散時(shí)間、芯吸高度；速干性包括蒸發(fā)速率、透濕量[1]。單向?qū)闹饕頌椴顒?dòng)毛細(xì)效應(yīng)，是指利用織物內(nèi)外層纖維間產(chǎn)生的毛細(xì)效應(yīng)附加壓力差，實(shí)現(xiàn)汗液自動(dòng)從織物內(nèi)層，即疏水層，傳遞到織物外層，即親水層，并且水分難以從織物外層傳導(dǎo)回內(nèi)層，這種具有汗液自動(dòng)由內(nèi)層導(dǎo)向外層傳導(dǎo)的功能織物稱為單向?qū)椢?。采用單向?qū)媪现谱鞯姆b能夠最大限度地減少因出汗導(dǎo)致的吸收汗液后面料黏貼皮膚而帶來(lái)不舒服感，具有良好的熱濕舒適性[2]，汗液在外層快速蒸發(fā)帶走大量熱量，人體感覺(jué)涼爽。由吸濕速干性與單向?qū)远x可知，二者都屬于面料導(dǎo)濕性能的一部分，都是表征面料熱濕舒適性的指標(biāo)，但二者的側(cè)重點(diǎn)各不相同[3]。

測(cè)試織物吸濕速干性的方法可以參照GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性能的評(píng)定 第1部分：?jiǎn)雾?xiàng)組合試驗(yàn)法》和GB/T 21655.2—2009《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》以及相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而測(cè)試織物單向?qū)阅艿姆椒ㄖ饕獏⒄誈B/T 21655.2—2009，這也是目前國(guó)內(nèi)大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)參照的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)軍隊(duì)面料標(biāo)準(zhǔn)JXUB 2118—2012《07 短袖體能訓(xùn)練服規(guī)范》和武警面料標(biāo)準(zhǔn)WHB 9309—2016《07武警單向?qū)疁炀]針織布規(guī)范》中也有單向?qū)阅軠y(cè)試的相關(guān)方法，但這些方法仍比較過(guò)于簡(jiǎn)略[4-5]。GB/T 21655.1—2008中用吸水率、滴水?dāng)U散時(shí)間和芯吸高度3個(gè)指標(biāo)表征織物對(duì)水分的吸附能力；用水分蒸發(fā)速率和透濕量表征織物的速干性。而在GB/T 21655.2—2009中，用浸濕時(shí)間、吸水速率表征織物的吸濕性；用最大浸濕半徑、液態(tài)水?dāng)U散速度和單向傳遞指數(shù)表征織物的速干性；用單向傳遞指數(shù)表征織物的排汗性[6]。從吸濕速干性與單向?qū)缘谋碚骺煽闯?，單向?qū)愿鼈?cè)重織物的排汗性能。吸濕速干性的測(cè)試方法有很多，如芯吸法、滴液法、保水率測(cè)試法、吸水率測(cè)試法、干燥速率法等[7]，方法簡(jiǎn)便，成本較低。而測(cè)量織物單向?qū)阅苤饕捎靡簯B(tài)水分管理測(cè)試儀(MMT)[8]進(jìn)行表征。MMT是最常用的測(cè)試紡織品單向?qū)阅艿膬x器，其應(yīng)用已有數(shù)十年，在織物的吸濕排汗性能測(cè)試方面得到較為廣泛的應(yīng)用;但是，隨著單向?qū)椢锏目焖侔l(fā)展，比如點(diǎn)狀整理加工方法的普遍使用、織物中使用導(dǎo)電材料等，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，MMT法存在一些原理上、適應(yīng)面上的比較大的問(wèn)題，有必要探索一種新的紡織品單向?qū)阅茉u(píng)價(jià)方法。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)快速發(fā)展，不少研究人員開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)客觀評(píng)價(jià)織物的導(dǎo)濕性能，取得了一些創(chuàng)新性的研究成果。謝梅娣等[9]利用電荷耦合器件CCD攝像頭采集滴液法的潤(rùn)濕圖像，通過(guò)圖像采集卡獲取數(shù)字圖像，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算；賀慶樓[10]運(yùn)用CCD攝像頭和采集卡動(dòng)態(tài)地采集了織物液滴的擴(kuò)散過(guò)程；余紹勇[11]運(yùn)用圖像處理對(duì)不同材料的織物進(jìn)行了研究，比較了親水性、半親水性以及疏水性織物的導(dǎo)濕性能的差別；杜文豪等[12]對(duì)高速攝影連續(xù)拍攝的織物導(dǎo)濕圖像進(jìn)行一系列處理，取得圖像特征信息，并繪制織物導(dǎo)濕動(dòng)態(tài)曲線，探討不同結(jié)構(gòu)參數(shù)織物之間導(dǎo)濕性能的差別。但是以上方法大都是采用垂直芯吸法，采集的圖像存在徑向畸變的問(wèn)題，且多用于分析織物的吸濕性能。目前幾乎沒(méi)有專門搭建圖像采集系統(tǒng)并運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)織物的單向?qū)阅茏鞒龇治龅姆椒ā?/p>

本文結(jié)合現(xiàn)有的測(cè)試方法，先用MMT法對(duì)織物進(jìn)行測(cè)試，然后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型的計(jì)算機(jī)圖像分析法用于表征單向?qū)阅埽罱▓D像采集設(shè)備采集圖像，并運(yùn)用合適的圖像預(yù)處理方法對(duì)圖像信息進(jìn)行提取，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后對(duì)2種方法進(jìn)行比較分析。

1 MMT法測(cè)試單向?qū)?/h2>

1.1 測(cè)試原理

MMT[8]的裝置原理如圖1所示。一共有100多個(gè)金屬傳感器，分為上下兩層，且上下兩層的傳感器位置一一對(duì)應(yīng)，呈同心圓形狀排列，各個(gè)環(huán)形直徑分別為5、10、15、20、25和30 mm，環(huán)形排列的排針間距約5 mm，測(cè)試時(shí)被測(cè)織物夾持在上下兩層同心傳感器之間。開(kāi)始檢測(cè)后，頂部位于圓心位置的供液管自動(dòng)從水箱中抽出一定的模擬汗液[13]，滴定在待測(cè)織物上，模擬汗液在織物上沿三維方向進(jìn)行傳遞。上表面通常是織物的疏水層，即穿著時(shí)接觸穿著者皮膚的一側(cè)。然后，織物的親水層在測(cè)試中向下，與底部傳感器接觸，當(dāng)氯化鈉溶液傳遞到針排所在位置時(shí)，傳感器之間的電壓發(fā)生變化，根據(jù)電壓信號(hào)曲線圖，進(jìn)一步計(jì)算出織物內(nèi)液態(tài)水的動(dòng)態(tài)傳遞情況，可得到織物的潤(rùn)濕時(shí)間、吸水速度、鋪展速度、織物頂部和底部的最大潤(rùn)濕半徑、累積單向?qū)衲芰涂傮w水分管理能力。

圖1 MMT基本原理圖Fig.1 Testing principle of moisture management tester

從其基本原理可發(fā)現(xiàn)，MMT在測(cè)試原理和適應(yīng)面上存在比較大的問(wèn)題。因?yàn)镸MT采用針排以及電阻接觸的原理，使得其對(duì)于某些單向?qū)椢?，尤其是以點(diǎn)狀整理為加工方法的單向?qū)椢锏倪m應(yīng)能力很差，容易產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定、重現(xiàn)性不佳等現(xiàn)象，已有的文獻(xiàn)證明其測(cè)試誤差很大[14]。具體來(lái)說(shuō)，MMT采用了針排的方式，使2個(gè)針尖之間的電阻可以看作是線性及離散點(diǎn)測(cè)量的結(jié)構(gòu)，是一種相對(duì)落后的測(cè)試思路，依靠短片段內(nèi)做線性內(nèi)插的測(cè)試原理，不如近代高速發(fā)展的光學(xué)測(cè)試方法；針排扎入上下層材質(zhì)不一樣的雙層織物時(shí)，特別是采用點(diǎn)狀整理加工方法所得的單向?qū)椢飼r(shí)，因2種纖維材料含水量的差異及針排扎入深度的差異，針排扎向拒水點(diǎn)還是扎向親水區(qū)域，將造成所測(cè)的電阻值大小的波動(dòng)，而且針排扎入的位置具有隨機(jī)性，其與織物之間不同的位置的電連接的接觸電阻大小不一；對(duì)于含有導(dǎo)電纖維的織物，針排可能會(huì)扎到導(dǎo)電纖維，也可能接觸不到導(dǎo)電纖維，因此，將進(jìn)一步導(dǎo)致電阻值的測(cè)試結(jié)果差異。

總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)采用Coolmax等異形截面纖維以達(dá)到吸濕快干為目的的、均一結(jié)構(gòu)的織物，MMT的適應(yīng)性較好，但是對(duì)于含有導(dǎo)電纖維的織物，或者以點(diǎn)狀整理為加工方法的單向?qū)媪?，其適應(yīng)性不佳。

1.2 測(cè)試樣品

以4種不同類型的單向?qū)椢餅闇y(cè)試對(duì)象，試樣大小規(guī)格均為10 cm×10 cm，均由山東沃源新型面料股份有限公司提供。樣品1、樣品2和樣品3都是通過(guò)織物多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不同紗線配置的方法，使織物內(nèi)層疏水、外層親水，形成差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)織物的單向?qū)δ埽瑯悠?通過(guò)疏水劑整理的方式實(shí)現(xiàn)織物單向?qū)δ堋?/p>

樣品1的結(jié)構(gòu)：雙層滌綸針織物，親水面的紗線織入至疏水面，在疏水面呈點(diǎn)狀分布，該點(diǎn)狀親水區(qū)域在疏水面的面積為2 mm2左右，點(diǎn)狀親水區(qū)域之間的距離在2～3 mm之間；樣品2的結(jié)構(gòu)：滌綸/丙綸交織雙層針織物，疏水層針織結(jié)構(gòu)緊密，親水層針織結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，雙層組織間織入有導(dǎo)電絲，導(dǎo)電絲之間的距離在5 mm左右；樣品3的結(jié)構(gòu)：親水滌綸和拒水滌綸組成的雙層滌綸針織物，織物兩表面針織密度存在差異，針織物兩面橫密與縱密相同，但親水面相對(duì)疏水面多了空隙結(jié)構(gòu)，空隙大小約為0.2 mm2，空隙間的間距約為1 mm，因此疏水層結(jié)構(gòu)緊密，親水層結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松；樣品4的結(jié)構(gòu)：平紋純棉機(jī)織物，經(jīng)過(guò)點(diǎn)狀加工疏水劑整理在織物內(nèi)層，使織物內(nèi)層點(diǎn)狀透明印花部分疏水，印花大小約為1 mm2，間距在2 mm左右，織物內(nèi)外2層產(chǎn)生潤(rùn)濕梯度差，由此使水分便于從內(nèi)層傳導(dǎo)到外層，實(shí)現(xiàn)該機(jī)織物的單向?qū)δ堋?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及條件

依據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在(20±1) ℃，相對(duì)濕度為(65±2)%。使用液態(tài)水分管理測(cè)試儀(深圳錫萊亞太拉斯有限公司)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3個(gè)重復(fù)樣，第1次和第2次測(cè)試取樣的位置距離較大，第3次測(cè)試是在第2次測(cè)試結(jié)束烘干后，相較第2次測(cè)試位置移動(dòng)微量距離的位置。參照GB/T 21655.2—2009對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)一共測(cè)得9項(xiàng)指標(biāo)，包括浸濕時(shí)間(上、下表面)、吸水速率(上、下表面)、最大浸濕半徑(上、下表面)、液態(tài)水分?jǐn)U散速度(上、下表面)以及單向傳遞指數(shù)。

1.4 MMT法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

樣品1、2、3、4的MMT測(cè)試結(jié)果如表1所示?？煽闯?，樣品1的單向傳遞指數(shù)測(cè)試結(jié)果離散性較大，樣品3其次，樣品2和樣品4測(cè)得的單向傳遞指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

表1 4種不同結(jié)構(gòu)樣品的MMT測(cè)試結(jié)果Tab.1 MMT test results of 4 different fabrics

從測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)組成以及MMT裝置的測(cè)試方式考慮，樣品1的單向傳遞指數(shù)離散性過(guò)高，可能是由于該試樣的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不同紗線配置的方法使親水面全部為親水性紗線，而疏水面存在結(jié)構(gòu)性的點(diǎn)狀親水區(qū)域，該點(diǎn)狀親水區(qū)域的面積比MMT針排的接觸面積略大，因此當(dāng)樣品1與MMT的上下針排接觸時(shí)，可產(chǎn)生2種接觸方式：1)上下針排中間所夾的區(qū)域中，上層為疏水區(qū)，下層為親水區(qū)；2)上下針排中間所夾的區(qū)域中，上下層均為親水區(qū)。在MMT測(cè)試過(guò)程中，針排不同的接觸方式會(huì)導(dǎo)致MMT的電阻接觸獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的差異，使織物測(cè)得的單向傳遞指數(shù)非常不穩(wěn)定，這可能是樣品1單向傳遞指數(shù)CV值異常高的原因。綜上，類似樣品1結(jié)構(gòu)的織物不適應(yīng)MMT的針排。

經(jīng)由點(diǎn)狀加工將疏水劑整理在織物內(nèi)層的單向?qū)椢?，即樣?，在MMT測(cè)單向傳遞指數(shù)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性相對(duì)較好，可能是樣品4本身單向傳遞指數(shù)相對(duì)較小，單向?qū)阅懿患?，且織物紗線結(jié)構(gòu)單一，沒(méi)有樣品1織物中間存在結(jié)構(gòu)性的親疏水區(qū)域的差別，因此在MMT測(cè)試時(shí)，其織物測(cè)試位置不同導(dǎo)致的排針不同接觸方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不大。

從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，樣品2的上表面浸濕時(shí)間和下表面浸濕時(shí)間存在3次測(cè)試結(jié)果都相同的現(xiàn)象。考慮到織物中存在導(dǎo)電絲，而MMT檢測(cè)時(shí)測(cè)得的接觸電阻越大表示織物的含水量越高，接觸電阻越小則表示織物的含水量越低，浸濕時(shí)間指的是從液體接觸到織物表面到含水量與時(shí)間關(guān)系曲線的斜率等于15°時(shí)所需的時(shí)間[15];因此推測(cè)可能是由于織物中存在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，MMT的針排接觸到導(dǎo)電絲時(shí)，引起MMT的電阻接觸異常。可見(jiàn)，織物具有良好的導(dǎo)電性時(shí)，也會(huì)影響MMT的接觸電阻，使檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常。

樣品3是由親水滌綸與拒水滌綸做成的雙層組織，與樣品2組成結(jié)構(gòu)相似，但不含導(dǎo)電絲。樣品3的上表面浸濕時(shí)間和下表面浸濕時(shí)間沒(méi)有出現(xiàn)如樣品2的異常，但樣品3的單向傳遞指數(shù)CV值偏大，說(shuō)明MMT對(duì)此類組織結(jié)構(gòu)的織物的單向傳遞指數(shù)測(cè)試結(jié)果不太穩(wěn)定。

從上下表面的最大浸濕半徑的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大浸濕半徑超過(guò)30.00 mm就無(wú)法再測(cè)得有效的浸濕半徑數(shù)據(jù)，而且最大浸濕半徑以5 mm為梯度，顯然與其真實(shí)的浸濕半徑差異較大，其最大浸濕半徑的精確度低。

綜上所述，由于MMT存在原理性缺陷，對(duì)某些特定種類的單向?qū)椢?，如有織物?nèi)存在結(jié)構(gòu)性點(diǎn)狀親水區(qū)域，或者織物具有一定的導(dǎo)電性等狀況時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其測(cè)試性能結(jié)果不穩(wěn)定，說(shuō)明MMT對(duì)于某些結(jié)構(gòu)均一的織物還能適應(yīng)，但是已經(jīng)不能適應(yīng)某些加工方式下的品種，如樣品1和樣品3這種結(jié)構(gòu)類型的測(cè)試。點(diǎn)狀整理是現(xiàn)在加工單向?qū)媪系闹饕椒?，單純使用MMT法會(huì)給很多面料生產(chǎn)商評(píng)估新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制造成影響，因此，有必要設(shè)計(jì)一種新的方案來(lái)檢測(cè)面料的單向?qū)阅?。為此，提出了基于光學(xué)測(cè)試的圖像法，并和MMT法進(jìn)行比較。

2 圖像法測(cè)試單向?qū)?/h2>

2.1 圖像法系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究所用的單向?qū)疁y(cè)試系統(tǒng)主要分為硬件和軟件2部分：硬件包括CCD攝像頭和圖像采集卡等組成的圖像采集系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、整個(gè)系統(tǒng)框架的支撐系統(tǒng)；軟件包括圖像預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)提取模塊?；趫D像法的單向?qū)疁y(cè)試研究主要包括3部分內(nèi)容：1)圖像硬件系統(tǒng)的搭建； 2)圖像處理與提取算法的開(kāi)發(fā)；3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

2.2 圖像采集模塊

選用MMT測(cè)試中的樣品4進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用自制的圖像采集系統(tǒng)，其示意圖如圖2所示。

圖2 圖像采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Image acquisition system

采用環(huán)形光源以上下投射方式光照，使樣品上下表面中央的潤(rùn)濕圖案得到均勻充分照明，2個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)攝像頭分別位于樣品的上側(cè)和下側(cè)。整個(gè)采集系統(tǒng)放置在暗箱內(nèi)，暗箱的作用是使光線遇到樣品的反射光和散射光時(shí)能被暗箱上的黑紙板吸收，有利于提高CCD工業(yè)相機(jī)采集圖像的質(zhì)量。針筒在測(cè)試時(shí)滴入試液，試液為5%的書(shū)寫(xiě)用藍(lán)墨水和蒸餾水混合液，針筒口距樣品1 cm以內(nèi)。反映織物上下表面的浸濕變化的一系列圖像同時(shí)被固定于織物上下2側(cè)的2個(gè)攝像頭拍攝到。試樣在高幀率模式下以相同的時(shí)間間隔采集20張圖片。CCD工業(yè)相機(jī)獲得的圖像存儲(chǔ)為空間分辨率為2 592像素×1 944像素的圖像，采集到的序列圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，得到圖像相關(guān)的特征參數(shù)信息。最后與MMT法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，證明圖像法與MMT法相比具有良好的應(yīng)用前景。

2.3 圖像處理模塊

圖3所示為采集的樣品4潤(rùn)濕圖像序列。在樣品上方將1滴試液滴在織物上，樣品開(kāi)始浸濕時(shí)，通過(guò)設(shè)定相機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的拍攝數(shù)量控制相鄰2張照片的時(shí)間間隔，以相同的時(shí)間間隔分別在親水層和疏水層各采集20張圖像。相鄰序列圖像的時(shí)間間隔約為0.5 s，一共采集了10 s內(nèi)織物潤(rùn)濕區(qū)域的變化。考慮到織物剛開(kāi)始潤(rùn)濕的10 s內(nèi)浸潤(rùn)面積變化較大，其后浸濕面積變化相對(duì)平穩(wěn)，因此采集初始10 s內(nèi)的圖像進(jìn)行處理，對(duì)圖像法的效果作初步的嘗試。由于織物的圖案背景較為單純，因此圖像中試液浸濕區(qū)域與背景區(qū)分明顯。不過(guò)疏水層由于面料的疏水作用，液體含量較少，墨水浸濕區(qū)域與背景區(qū)分程度不如親水層。

圖3 樣品4的原始潤(rùn)濕圖像序列Fig.3 Raw wetting image sequence of sample 4. (a)Hydrophilic surface; (b)Hydrophobic surface

樣品浸濕序列圖像處理的目的是從采集到的圖像中提取浸濕邊緣、面積等信息，為進(jìn)一步的圖像分析提供數(shù)據(jù)，其浸濕序列圖像特征提取算法流程如圖4所示。

圖4 液態(tài)水傳遞圖像分析的算法結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Algorithm structure diagram of liquid water transfer image analysis

首先把采集的織物潤(rùn)濕圖像與背景圖像進(jìn)行減法處理。圖像減法也稱為差分運(yùn)算，常用于檢測(cè)一系列相同場(chǎng)景圖像的差異，因此適合用來(lái)處理動(dòng)態(tài)系列圖像。采用此時(shí)刻的滲透過(guò)程圖片減去背景圖片，如果相減后像素值小于零，則直接令該點(diǎn)像素值為零。減法處理可減少光照不均，抑制織物花色紋理因素對(duì)圖像后續(xù)處理造成的影響。圖5(a)示出單向?qū)椢锏谋尘皥D，即樣品開(kāi)始浸濕之前的靜態(tài)拍攝圖，圖5(b)示出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中織物上墨水傳遞時(shí)的圖像。

圖5 織物親水層浸濕對(duì)比Fig.5 Comparison of fabric hydrophilic surface wetting.

織物浸濕圖像與織物背景圖作減運(yùn)算處理后得到差值圖像,但是圖像顏色較深，缺乏顏色層次變化對(duì)比;因此，需要對(duì)圖像的灰度進(jìn)行調(diào)整。圖6(a)所示為根據(jù)灰度直方圖分布調(diào)整的圖像，灰度變換可使圖像對(duì)比度擴(kuò)展，圖像變清晰，特征明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段之一。

圖6 圖像預(yù)處理過(guò)程圖Fig.6 Preprocessing diagram of images.

一般用高斯濾波、均值濾波等濾波器降噪時(shí)，會(huì)比較明顯地模糊邊緣，而雙邊濾波在平滑濾波的同時(shí)能大量保留圖像的邊緣和細(xì)節(jié)特征。雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結(jié)合圖像空間鄰近度和像素相似度的一種折中處理，同時(shí)考慮空域信息和灰度相似性。雙邊濾波有2個(gè)權(quán)重：空間權(quán)重與相似權(quán)重，賦予相似權(quán)重更大的值，可減少圖像背景的干擾，起到保持邊緣，去除噪聲的作用。雙邊濾波的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：f(x,y)為濾波后圖像在(x，y)處的灰度值；Sx,y為以(x,y)為中心點(diǎn)的(2N+1)×(2N+1)大小的鄰域；g(i，j)為輸入圖像在(i，j)處的輸入點(diǎn)；δr、δs為程序輸入值，根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定;ws(i,j)為空間鄰近因子的權(quán)重，即與空間距離相關(guān)的權(quán)值，一般由高斯濾波直接計(jì)算得到;wr(i,j)為亮度相似因子的權(quán)重，是與周圍像素灰度值相關(guān)的權(quán)值。

和常用的高斯濾波相比，雙邊濾波多了1個(gè)高斯方差，能較好地保留圖像的高頻細(xì)節(jié)，使圖像邊緣信息得到較好地保留。

圖6(b)所示為雙邊濾波處理后的圖像，與圖6(a)相比，圖像背景更干凈，而且浸濕區(qū)域的形狀邊緣保留的較好。隨后對(duì)圖6(b)進(jìn)行二值化，所得圖像如圖6(c)所示。

雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結(jié)合圖像空間鄰近度和像素相似度的一種折中處理，同時(shí)考慮對(duì)二值圖像進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算，分別得到圖6(d)和圖6(e)，開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算去除了圖像中較小的點(diǎn)，并使浸濕區(qū)域變得相對(duì)平滑。最后對(duì)圖像進(jìn)行去噪，去除圖像中的小面積，得到如圖6(f)所示的圖像。

依據(jù)以上算法，對(duì)親水面序列全部圖像進(jìn)行批量處理，結(jié)果如圖7(a)所示。圖7(a)與圖3(a)有較好的對(duì)應(yīng)性。圖7可反映面料潤(rùn)濕時(shí)浸濕區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化。對(duì)疏水面圖像作同樣的處理，得到的效果如圖7(b)所示。

圖7 預(yù)處理圖像序列Fig.7 Preprocessing image sequence. (a)Hydrophilic surface; (b)Hydrophobic surface

2.4 圖像法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用像素累積法統(tǒng)計(jì)樣品浸濕區(qū)域的面積，對(duì)處理后圖像的像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制像素點(diǎn)與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖8所示?？煽闯?，開(kāi)始時(shí)疏水面曲線高于親水面，隨后隨著時(shí)間變化，親水面的浸濕區(qū)域明顯高于疏水面，因?yàn)橐后w由疏水層透過(guò)織物浸入親水層，疏水面浸濕區(qū)域面積變化緩慢，親水面的曲線明顯高于疏水面。該曲線與MMT測(cè)得的2個(gè)面含水量隨時(shí)間變化趨勢(shì)相比，開(kāi)始部分有較好的一致性，說(shuō)明該方法可較好地模擬水滴剛開(kāi)始在面料上擴(kuò)散的狀態(tài)。

圖8 像素點(diǎn)與圖像序列關(guān)系曲線Fig.8 Pixel and image sequence relationship curve

圖像法精確到像素級(jí)測(cè)量，同一個(gè)織物表面可獲得百萬(wàn)級(jí)甚至千萬(wàn)級(jí)的像素矩陣，而MMT采用針式傳感器測(cè)量，針間距離大，測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)少；因此，圖像法與MMT法相比，圖像法的精確度更高，并且可結(jié)合攝像技術(shù)捕捉液體在織物表面的瞬時(shí)流速，是客觀表征液體的液態(tài)水分管理性能的另一種方向。除了數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，圖像法對(duì)于測(cè)量點(diǎn)狀整理加工所得的單向?qū)椢锖秃袑?dǎo)電纖維的單向?qū)椢锩媪隙加辛己玫倪m應(yīng)性。而且，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)單向?qū)椢镒隽舜罅垦芯?，但很少有涉及到水分從貼身內(nèi)層傳導(dǎo)到織物外層，并從外層擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過(guò)程的系統(tǒng)研究[16];因此，圖像法在這方面具有非常大的應(yīng)用潛力。此外，圖像法除了檢測(cè)質(zhì)量濃度為9 g/L的氯化鈉水溶液，即模擬汗液的傳遞過(guò)程，還可檢測(cè)一些不能在MMT上測(cè)試的，比如油和某些有機(jī)溶劑[7]等一些使織物導(dǎo)電的液體，檢測(cè)的適用范圍更廣。

基于光學(xué)測(cè)試的墨水圖像法用于純色淺色織物時(shí)效果較好，采集的圖像清晰分明，但用于深色及花色圖案復(fù)雜的織物時(shí)，采集的圖像質(zhì)量不佳，難以進(jìn)行后續(xù)圖像處理;因此，采用墨水法測(cè)量織物單向?qū)阅苡写M(jìn)一步的研究。

3 結(jié) 論

1)目前采用液態(tài)水分管理測(cè)試儀(MMT)法是獲得織物單向?qū)芰χ庇^數(shù)據(jù)的通用方法，但其表征卻存在適應(yīng)性的問(wèn)題。MMT可適應(yīng)以吸濕快干為目的的均一結(jié)構(gòu)的織物，但是對(duì)于含有導(dǎo)電纖維的織物，或者以點(diǎn)狀整理為加工方法的單向?qū)椢?，MMT的原理性缺陷給某些種類的單向?qū)椢锏臏y(cè)試造成了困難。

2)圖像法能夠更好地解決MMT法測(cè)試原理缺陷帶來(lái)的問(wèn)題，不需考慮離散化的點(diǎn)接觸，具有獲得數(shù)據(jù)精確度高的優(yōu)點(diǎn)，因此不論是以點(diǎn)狀整理為主要加工方法的單向?qū)椢铮€是帶有導(dǎo)電纖維的單向?qū)椢?，都能得到較好的檢測(cè)。

本文基于光電測(cè)試的圖像法實(shí)驗(yàn)，雖然還只是一個(gè)初步的嘗試，精確度有待進(jìn)一步提高，但也可以看出圖像法測(cè)試設(shè)備的制造成本與MMT法相比更低，理論上測(cè)試結(jié)果也會(huì)更穩(wěn)定;因此，圖像法有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。