基于圖像處理的復(fù)雜多臂組織智能化設(shè)計(jì)方法

章斐燕，李啟正，祝成炎

(浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018)

由于受到多臂織機(jī)綜片數(shù)的限制，傳統(tǒng)多臂組織的花紋一般比較簡(jiǎn)單，經(jīng)緯循環(huán)通常都比較小，因此，多臂織物也被稱為“素織物”。隨著紡織產(chǎn)品和品種更新的速度越來(lái)越快，多臂織機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，要求多臂織物表面花紋美觀、變化多樣和具有新穎的外觀特征[1]。而對(duì)已有的復(fù)雜圖像進(jìn)行圖像處理，直接生成符合多臂機(jī)織造的上機(jī)圖無(wú)疑是滿足這樣需求的一條可采用的途徑。目前多臂織物CAD系統(tǒng)主要用于各類織物的組織設(shè)計(jì)、圖形編輯、工藝設(shè)計(jì)、模擬顯示及小樣織造[2-3]。雖然現(xiàn)有的多臂織物CAD系統(tǒng)功能較全[4-5]，但就目前所發(fā)表的文獻(xiàn)鮮見(jiàn)關(guān)于復(fù)雜圖像直接應(yīng)用于多臂織物組織CAD設(shè)計(jì)方面的研究報(bào)道，也未見(jiàn)具有該功能的CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)專用軟件上市。因此，建立計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)方法的模型及算法，用多臂機(jī)生產(chǎn)具有提花效果的織物具有現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)設(shè)計(jì)組織循環(huán)大、花紋復(fù)雜的組織時(shí)，一般是通過(guò)鼠標(biāo)逐點(diǎn)點(diǎn)擊的方法構(gòu)建組織圖，或是由多種基礎(chǔ)組織圖進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)[6-7]，這在一定程度上限制了組織的變化。本研究在Visual Basic 6.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，根據(jù)用戶自選的圖像進(jìn)行圖像處理，直接轉(zhuǎn)換成組織圖，通過(guò)計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)方法的模型及算法生成上機(jī)圖，使其適用于多臂機(jī)的織造。

1 多臂織物組織的智能化設(shè)計(jì)流程

采用Visual Basic 6.0程序語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)多臂織物組織的智能化設(shè)計(jì)。在可視化界面中，用戶自行加載圖片，并進(jìn)行圖像處理，根據(jù)用戶自定義的經(jīng)緯循環(huán)數(shù)自動(dòng)生成組織圖和上機(jī)圖，若織造所需綜片數(shù)超過(guò)多臂織機(jī)限定綜片數(shù) (本研究將多臂織物組織綜片數(shù)設(shè)定為22片)，則用戶輸入指定綜片數(shù)(0～22)，系統(tǒng)將根據(jù)建立的穿綜模型及算法自動(dòng)生成滿足織造要求的上機(jī)圖。此設(shè)計(jì)過(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行，直至用戶滿意。對(duì)保存的上機(jī)圖進(jìn)行一定的格式化處理后即可到多臂機(jī)上進(jìn)行織造。系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 多臂織物組織智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of intelligent designsystem of dobby fabric weave

2 圖像處理

在多臂織物組織設(shè)計(jì)中，若采用傳統(tǒng)的點(diǎn)畫(huà)方式，不僅費(fèi)時(shí)而且還不易達(dá)到理想的效果。因此，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的需求對(duì)圖像進(jìn)行處理，并進(jìn)行組織鋪設(shè)，以獲得理想的組織設(shè)計(jì)效果。

2.1 圖像二值化

圖像的二值化處理是指將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0(純黑)或255(純白)[8]，也就是使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出單純的黑白效果。一般分為兩個(gè)步驟:彩色圖像灰度化和灰度圖像二值化。首先，將用戶所需的圖像轉(zhuǎn)化為便于識(shí)別的灰度圖像[9]，灰度圖就是圖像中每一點(diǎn)的紅、綠、藍(lán)顏色分量值都相等，采用公式(1)將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。

式中:Gray為求得像素點(diǎn)的灰度值，R、G、B分別為像素點(diǎn)原來(lái)的紅色、綠色、藍(lán)色的分量值。

將灰度圖像二值化，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的黑白圖像，采用如下方法:若黑白圖像時(shí)的閾值為128(此值可在0～255任意選擇)，即灰色亮度大于128的像素轉(zhuǎn)為白色，小于128的像素轉(zhuǎn)為黑色。為了盡量滿足用戶對(duì)于圖像的需求，可以在軟件中將閾值自行設(shè)置。二值化處理前后的圖像比較如圖2所示。

圖2 二值化處理前后的圖像比較Fig.2 Image comparison before and after the binarization

2.2 圖像的分割

對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行組織點(diǎn)的分割，首先要確定組織的經(jīng)緯循環(huán)數(shù)，用戶自定義經(jīng)緯循環(huán)數(shù)(經(jīng)緯數(shù)的比例最好與圖像的長(zhǎng)寬比相似，以免圖像失真)。在二值化圖像上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每一個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)組織圖上的一個(gè)組織點(diǎn)，稱為網(wǎng)格點(diǎn)。組織圖像中的網(wǎng)格點(diǎn)分為黑色或白色兩種。圖像上網(wǎng)格點(diǎn)的大小與經(jīng)緯循環(huán)數(shù)和圖像大小有關(guān)，因此，通過(guò)在一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)取不同位置的像素進(jìn)行平均，若該網(wǎng)格內(nèi)黑色區(qū)域大于白色區(qū)域，則該網(wǎng)格點(diǎn)用“1”表示，代表經(jīng)組織點(diǎn)，反之則用“0”表示，代表緯組織點(diǎn)。這樣，就得到一個(gè)二維的布爾矩陣[10]。其中，經(jīng)緯循環(huán)數(shù)不同，織物組織圖也有所不同，如圖3所示。

圖3 不同經(jīng)緯循環(huán)的組織圖Fig.3 Weave diagram with different number of warps and wefts

3 鋪設(shè)組織

根據(jù)所選圖像的不同，生成的組織圖中經(jīng)、緯浮長(zhǎng)數(shù)也不同，為避免上機(jī)織造困難，可以對(duì)組織圖中的黑色區(qū)域和白色區(qū)域進(jìn)行組織的鋪設(shè)。其中，在鋪設(shè)組織時(shí)，可以通過(guò)軟件界面操作在白色、黑色部分鋪設(shè)基礎(chǔ)組織，這不僅從根本上保持了圖案的形狀、自由選擇不同部分的組織規(guī)律，而且還便于織造。

當(dāng)不同組織在結(jié)構(gòu)上差異太大，會(huì)產(chǎn)生織縮不一和緊度差異，增加織造難度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響織物外觀，因此，在鋪設(shè)組織時(shí)應(yīng)該選用合適的組織。在選擇上要散點(diǎn)排列，力求布局均勻，盡量使經(jīng)緯交織次數(shù)一致。如地組織(圖3的白色區(qū)域)多為緞紋、平紋、斜紋，它們的經(jīng)緯浮長(zhǎng)比較短，織出來(lái)的布面比較細(xì)膩，與花部(圖3的黑色區(qū)域)形成較大的對(duì)比，使花紋更加突出。鋪設(shè)組織后的組織圖效果如圖4所示。

圖4 鋪設(shè)組織后的組織圖Fig.4 Weave diagram with different weaves laying

4 上機(jī)圖的顯示

本研究所設(shè)計(jì)的多臂織物組織的綜片數(shù)最多為22片，當(dāng)綜框變化規(guī)律超過(guò)22時(shí)，便需要對(duì)現(xiàn)有的組織圖進(jìn)行修改以符合多臂機(jī)的織造。若采用鼠標(biāo)逐點(diǎn)修改，則不僅對(duì)操作人員的要求較高，而且修改的程序繁瑣比較費(fèi)時(shí)。因此，根據(jù)多臂織物組織的穿綜圖、紋板圖及組織圖之間的關(guān)系，歸納出多臂織物組織形成規(guī)律，并建立適用計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)方法的模型及算法。

4.1 織物組織中各個(gè)部分的數(shù)學(xué)關(guān)系

將多臂織物的組織圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為組織矩陣的運(yùn)算與處理。根據(jù)組織圖、穿綜圖與紋板圖三者之間的關(guān)系計(jì)算出組織矩陣。三者之間的關(guān)系見(jiàn)式(2)[11]:

式中:L表示紋板矩陣;D表示穿綜矩陣;W表示組織矩陣。

4.2 多臂織物智能化設(shè)計(jì)方法的模型

在多臂織物組織的穿綜設(shè)計(jì)中采用如下2種方法:1)當(dāng)織物組織變化小于22片綜時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)采用傳統(tǒng)的照?qǐng)D穿綜法，最后生成的上機(jī)圖符合多臂機(jī)織造。2)當(dāng)織物組織變化超過(guò)22片綜時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)采用模型中的穿綜法，如圖5所示。

圖5 多臂織物組織的穿綜模型Fig.5 Drafting model of dobby fabric weave

采用該模型及算法后，用戶只需輸入指定綜片數(shù)(0～22)，就可以快速生成符合多臂機(jī)織造的上機(jī)圖。以圖4(a)為例，織造所需綜片數(shù)為29片，超過(guò)多臂機(jī)限定綜框數(shù)。若用戶指定用22片綜織造，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理之后生成的上機(jī)圖如圖6所示。

圖6 綜片數(shù)優(yōu)化處理后需22片綜的上機(jī)圖Fig.6 Looming draft with 22 heddles after optimization of heddle number

5 結(jié)論

這種適用于不同綜片數(shù)、不同經(jīng)緯循環(huán)數(shù)的計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)方法基本上能滿足多臂織物的圖案選擇，在一定的經(jīng)緯循環(huán)數(shù)內(nèi)，組織變化規(guī)律接近于綜片數(shù)時(shí)，所生成的上機(jī)圖能很好地展現(xiàn)圖像的內(nèi)容，這不僅滿足了用戶個(gè)性化的需求，而且使組織設(shè)計(jì)變得方便簡(jiǎn)單。當(dāng)然，不同組織的鋪設(shè)在一定程度上會(huì)影響織造所需的綜框數(shù)和織物的花紋效果。

在織物組織設(shè)計(jì)中，由計(jì)算機(jī)代替設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣的組織具有較大的發(fā)展前景。本研究基于多臂織物組織的形成原理及用戶對(duì)圖像的個(gè)性化需求，利用一種計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)方法的模型及算法，優(yōu)化綜片數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了多臂織物組織的智能化設(shè)計(jì)。同時(shí)，若在進(jìn)行組織鋪設(shè)時(shí)選用變化規(guī)律較小的組織，也能相應(yīng)地減少織造所需的綜框數(shù)。但本系統(tǒng)只是對(duì)圖像的組織智能化設(shè)計(jì)的初步實(shí)現(xiàn)，其CAD技術(shù)仍然需要進(jìn)一步研究，如對(duì)于復(fù)雜的圖像失真率如何達(dá)到最低等。

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