環(huán)保轉(zhuǎn)杯牛仔紗外觀規(guī)律探究

劉晨芳，徐劍橋，汪 軍，陳 霞，江 慧

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院：上海 201620)

0 引言

牛仔服飾因其時(shí)尚性和穿著舒適性，從誕生至今流行不衰，遍及全世界[1]。但是，牛仔面料生產(chǎn)一直存在嚴(yán)重的污染問題，未得到很好解決。

近年來，前人開發(fā)了一種具有雙分梳功能的轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)(簡(jiǎn)稱“雙分梳轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)”)，該紡紗機(jī)含有2個(gè)相互獨(dú)立的喂入系統(tǒng)和梳理系統(tǒng)[2-3]。當(dāng)2種顏色的條子分別從2個(gè)喂給羅拉口喂入時(shí)，輸出的紗線具有特殊的外觀，即2種顏色的纖維在紗線表面間隔分布，且有一定的隨機(jī)性，具有牛仔紗的外觀特性,但是關(guān)于這種紗線的外觀顏色規(guī)律卻鮮有研究。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多[4]。筆者擬利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)，在不同直徑的轉(zhuǎn)杯下紡制相同黑白顏色比例的紗線以及黑白2種纖維混合次數(shù)不同的紗線，再采用圖像處理法[5-6]對(duì)雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗的外觀規(guī)律進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為了能更清楚地觀察紗線的外觀規(guī)律，筆者以顏色對(duì)比較為明顯的黑白2種顏色粘膠纖維條子為原料，左喂給羅拉喂入黑色粘膠條子，右喂給羅拉喂入白色粘膠條子，在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)上紡制50 tex的牛仔紗。具體實(shí)驗(yàn)方案見表1，相應(yīng)紡紗工藝參數(shù)見表2。

表1 不同轉(zhuǎn)杯直徑的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡牛仔紗實(shí)驗(yàn)方案

表2 紡紗工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線圖像采集與處理

以φ48 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡制的紗線為例。圖1為高清攝影儀拍攝的1張寬度為3.4 cm(即圖像上紗線長度)的原始圖像，從中可看出黑白2種顏色的纖維在紗線表面間隔分布。將其灰度化處理后，可看出紗線的主體部分只占圖像的一部分且紗線中有黑白2種顏色的分布。因此需要將紗線與背景，以及紗線中的黑、白部分進(jìn)行區(qū)分。筆者采用閾值分割法對(duì)紗線區(qū)域和背景區(qū)域以及紗線中的黑、白區(qū)域進(jìn)行分割，然后在圖像的列向(大致垂直于紗線軸向的方向，紗線軸向即紗線長度方向)計(jì)算每列中白色像素和紗線寬度(像素表示)的比例，以其代表該截面處白色纖維的比例。圖像處理的研究結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 原始紗線外觀

圖2 圖像處理的研究結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)此拍攝條件下圖像中的背景與紗線中黑白纖維的灰度分布范圍，以及結(jié)合紗線中黑白纖維50/50的比例條件，確定分割背景和紗線區(qū)域的閾值為140，分割黑白纖維的閾值為100。在該閾值下，可將紗線與背景，以及紗線中的黑白纖維較好地區(qū)分。經(jīng)過2次二值化后，紗線區(qū)域中的白色纖維部分灰度值為1(白色)，背景區(qū)域以及紗線中的黑色纖維灰度值為0(黑色)。

2.2 外觀顏色分布規(guī)律

2.2.1 基于單張圖像外觀分布規(guī)律分析

對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理后，可以將紗線、背景以及紗線的黑色粘膠部分和白色粘膠部分分割，因此可利用程序顯示白色區(qū)域沿紗線軸向的分布規(guī)律。將紗線沿軸向的每個(gè)像素逐點(diǎn)輸出白色部分占紗線寬度的百分比，如圖3a)所示。將φ58 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線進(jìn)行同樣處理，得到的圖像如圖3b)所示。其中，橫坐標(biāo)代表1張圖片的像素值，縱坐標(biāo)代表白色纖維占紗線寬度的比例。

a) 轉(zhuǎn)杯直徑為48 mm

b) 轉(zhuǎn)杯直徑為58 mm圖3 白色粘膠纖維百分比分布

從圖3可以看出，無論轉(zhuǎn)杯直徑為48 mm還是58 mm，沿著紗線軸向(每張圖片對(duì)應(yīng)的紗線長度約為3.4 cm)，每個(gè)像素點(diǎn)處白色所占比例并不一致，說明紗線沿軸向顏色分布并不均勻，由此可以利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紗這種特性織造牛仔面料，模仿牛仔面料表面風(fēng)格。從圖3還可發(fā)現(xiàn)，在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)上用小直徑轉(zhuǎn)杯紡的紗線白色纖維比例比大直徑轉(zhuǎn)杯紡的紗線大，即用大直徑轉(zhuǎn)杯所紡紗線的黑色纖維更多的分布在表面。但由于1張圖片不具有代表性，因此需要采集多張圖片進(jìn)一步處理分析。

2.2.2 基于轉(zhuǎn)杯周長外觀分布規(guī)律分析

1張圖片僅代表實(shí)際紗線長度為3.4 cm，而多張圖片的疊加方可代表1個(gè)轉(zhuǎn)杯周長。首先利用MATLAB中的dir函數(shù)獲得指定文件夾下的所有圖片(每根紗線拍攝50張圖片，對(duì)應(yīng)實(shí)際長度為170 cm)，并存放在1種文件結(jié)構(gòu)體數(shù)組中[7]。然后將二值化后的每張圖片存儲(chǔ)至1個(gè)變量中，使文件夾中的所有圖片連成1張圖片。

以φ48 mm轉(zhuǎn)杯為例，其周長為150 720μm，轉(zhuǎn)化為像素值為8236像素，即8236個(gè)像素代表1個(gè)轉(zhuǎn)杯周長。由于拍攝角度等因素的影響，1個(gè)轉(zhuǎn)杯周長不能代表整根紗線的分布規(guī)律，因此需要將多個(gè)轉(zhuǎn)杯周長紗線的白色粘膠纖維比例進(jìn)行平均以減小誤差。

選擇像素點(diǎn)的數(shù)量影響最終規(guī)律的探索，經(jīng)過前期的運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)φ48 mm轉(zhuǎn)杯對(duì)應(yīng)284個(gè)像素輸出1個(gè)白色比例，而φ58 mm轉(zhuǎn)杯對(duì)應(yīng)321個(gè)像素輸出1個(gè)白色比例時(shí)，可以更好地看出變化規(guī)律。運(yùn)行結(jié)果如圖4和5所示。圖4中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的單位坐標(biāo)代表284個(gè)像素值，圖5中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的單位坐標(biāo)代表321個(gè)像素值。其相交位置為白色纖維百分比的平均值，橫坐標(biāo)為像素值，縱坐標(biāo)為白色纖維百分比。

圖4 φ48 mm轉(zhuǎn)杯對(duì)應(yīng)的纖維分布規(guī)律

圖5 φ58 mm轉(zhuǎn)杯對(duì)應(yīng)的纖維分布規(guī)律

從圖4和圖5可看出，無論是φ48 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線，還是φ58 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線，在同1個(gè)轉(zhuǎn)杯周長中，白色纖維比例沿紗線軸向呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)。此外，在相同閾值和黑白比例下，用φ58 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡制的紗線，在紗線軸向上白色纖維比例小于在φ48 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)上紡制的紗線。究其原因，可能是黑色纖維的摩擦因數(shù)與白色纖維有一定的差異，這需要進(jìn)一步研究分析。

2.3 不同混合程度對(duì)紗線外觀的影響

由上述實(shí)驗(yàn)與分析可得出結(jié)論：雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)上紡制的紗線外觀顏色沿軸向并非均勻分布。為了進(jìn)一步研究這種不均勻分布是否由混合不均勻引起[8-9]，筆者還進(jìn)行了不同混合程度的紡紗實(shí)驗(yàn)，其中黑白纖維比例同為50/50。具體的紡紗實(shí)驗(yàn)方案見表3，紡紗工藝參數(shù)同表2。由于只考慮外觀規(guī)律而不考慮紗線的質(zhì)量，因此利用纖維成條儀進(jìn)行黑白粘膠纖維的多次混合。

表3 黑白纖維比例為50/50的不同條子混合方案

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行紡紗，每個(gè)方案紡制的紗線在攝影儀下分別拍攝若干張圖像，經(jīng)過直觀分析后，再將紗線利用圖像處理法進(jìn)行進(jìn)一步分析。將圖像經(jīng)過同樣的灰度化處理、閾值分割、二值化處理等得到白色纖維與黑色纖維分割清楚的圖像以進(jìn)行下一步的研究分析。

變異系數(shù)，即CV值代表了數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度，因此為了探究不同混合次數(shù)對(duì)紗線外觀均勻性的影響，筆者利用白色纖維百分比的變異系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。變異系數(shù)越大，則證明數(shù)據(jù)波動(dòng)越大，紗線混合越不均勻。變異系數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值，因此調(diào)用MATLAB中的std和mean函數(shù)求得白色比例的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值。各方案的運(yùn)行結(jié)果如表4。

表4 不同實(shí)驗(yàn)方案白色纖維混紡均勻性

由表4可看出，隨著混合次數(shù)的增多，CV值呈下降趨勢(shì)，說明紗線沿軸向白色纖維所占比例波動(dòng)程度變小，紗線表面黑白顏色分布更為均勻。此外，2根條子從1個(gè)喂給羅拉口喂入的CV值明顯大于從2個(gè)喂給羅拉口喂入的CV值，原因可能是雙分梳有2個(gè)輸纖口，并且2個(gè)輸纖口為交叉排列，當(dāng)2種纖維從出纖口噴出時(shí)可以在轉(zhuǎn)杯中更均勻地混合。由此可以得出：雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡制的紗線沿軸向2種顏色不均勻分布是由于2種纖維在轉(zhuǎn)杯中混合不均勻?qū)е碌?，利用紗線的這種特性，可以在此臺(tái)紡紗機(jī)上紡制外觀獨(dú)特的牛仔紗。

3 織造工藝參數(shù)設(shè)置及其產(chǎn)品

上述實(shí)驗(yàn)表明，在雙分梳單頭試驗(yàn)機(jī)上紡制的色紡紗線外觀呈現(xiàn)不均勻分布，可以利用這種紗線進(jìn)行織造，模擬牛仔面料表面風(fēng)格。為了進(jìn)一步驗(yàn)證紗線的面料效果，筆者將紡制的黑白纖維比例為50/50粘膠紗線進(jìn)行織造。綜合考慮后，經(jīng)紗均選用黑白纖維比例為50/50的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗，緯紗分別選用黑白纖維比例為60/40，50/50，40/60，30/70的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗進(jìn)行織造，對(duì)比不同混紡比例織造牛仔面料的效果?？椩旃に噮?shù)見表5。

表5 織造工藝參數(shù)

將不同比例的黑白粘膠纖維緯紗在半自動(dòng)織樣機(jī)上按照表5工藝參數(shù)織造，最終織物效果如圖6所示。

a) 60/40緯紗 b) 50/50緯紗

c) 40/60緯紗 d) 30/70緯紗圖6 黑白粘膠50/50混紡經(jīng)紗與不同混紡比例黑白粘膠緯紗織造的織物

從圖6可看出，無論緯紗混紡比例大小，織物都具有明顯的牛仔風(fēng)格，只是顏色深淺存在差異，證明了利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡制環(huán)保牛仔紗的可行性。筆者直接利用有色纖維進(jìn)行紡紗，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染；且用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)紡制的紗線作經(jīng)紗、緯紗織造出的織物具有明顯的牛仔風(fēng)格。此外，使用纖維染色，比紗線染色更為環(huán)保，避免了染色與后整理帶來的污染問題，減少了廢水排放。

4 結(jié)論

筆者在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)上紡制不同的雙分梳轉(zhuǎn)杯牛仔紗，再利用圖像處理技術(shù)對(duì)紗線的外觀規(guī)律進(jìn)行探索，并利用這種規(guī)律進(jìn)行粘膠牛仔面料的開發(fā)，得出以下結(jié)論。

a) 紗線外觀顏色沿軸向方向是間隔分布的，且呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。

b) 用φ58 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗(yàn)機(jī)紡紗，紗線中黑色纖維相比φ48 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線更多地分布于紗線表面，且在1個(gè)轉(zhuǎn)杯周長內(nèi)白色纖維比例沿紗線軸向呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)。

c) 隨著2種纖維混合次數(shù)增加，紗線外觀顏色沿軸向方向分布更均勻，說明雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗的外觀不均勻分布是由于纖維在轉(zhuǎn)杯中混合不均勻引起的。

d) 利用這種雙分梳牛仔紗織造的面料,具有明顯的牛仔風(fēng)格。