應用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬

張繼東，薛 元，張 杰，郭明瑞，魏曉婷，高衛東

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

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應用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬

張繼東1,2，薛 元1,2，張 杰1,2，郭明瑞1,2，魏曉婷1,2，高衛東1,2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

為研究數碼混色紗緯編針織物的外觀色彩及紋影的模擬方法，利用圖像處理技術對采集的圖像進行平滑去噪，得到剔除細節的模糊圖像，在Lab空間下運用彩色圖像硬聚類算法對平滑后的圖像進行聚類分割，得到混色紗主體圖像，獲取其左右的邊界和中心線信息；然后在經典的Pierce線圈模型的基礎上，利用混色紗主體圖像的廓線信息完成由紗線到線圈圈弧和圈柱的映射；最終根據不同組織的圈弧和圈柱的覆蓋關系，得到基本緯編針織物組織。結果表明，提出的紗線映射線圈算法，通過織物組織結構及密度可模擬混色紗緯編織物的混色色彩及外觀紋影。

混色紗；圖像處理；紋理映射；線圈模型；織物模擬

色紡紗是將多種色彩的纖維(染色纖維、原液著色纖維、本色纖維)混紡形成的多色纖維混色紗線。根據色紡紗線在織物上呈現的色彩及紋影機制特征，可將其分類為普通色紡紗和差異化色紡紗[1]。本課題組提出了一種三通道數碼紡紗方法，可實現柔性智能化紡紗[2]，它通過對三通道粗紗的異步牽伸、交互變色、梯度配色、混合加捻等機制，控制成形紗線的線密度及色纖維混合比例的變化[3]，形成數碼混色紗、數碼段彩紗、數碼變色紗、數碼竹節紗、數碼彩節紗和數碼雙變紗等6類差異化色紡紗線[4]。將這幾類色紡數碼紗線用于開發機織或針織面料，會在織物表面形成豐富多彩的混色色彩及變化的紋影。其中色紡紗的混色色彩取決于基色的種類及其比例，而混色紋影則取決于混色效應的變化周期、織物組織、織物密度及織物幅寬[5]。

本文以數碼混色紗緯編針織物為例，通過對色紡紗進行數字化圖像處理，提取混色紗微觀紋影信息，將其映射至針織線圈，在考慮基色種類、比例及線圈密度變化的基礎上，對緯編針織物形成的紋影機制進行計算機模擬研究。

1 混色紗圖像采集及預處理

織物外觀模擬可采用仿真紗線[6]，也可采用真實紗線的圖像。與仿真紗線相比，采用混色紗真實圖像信息既可獲得紗線真實豐富的色彩特征，也能得到紗線表面的反射光信息，可更好地表達織物的外觀色彩和紋影。

1.1 混色紗的制備

使用品紅、黃色和藍色3根純棉粗紗，在JW1551型三通道數碼彩色細紗機上一步法紡制三基色混色紗。紡制的紗線規格如表1所示。

表1 紗線規格參數Tab.1 Yarn specification parameters

1.2 混色紗紋理信息的采集

圖1示出自主研發的紗線圖像采集裝置[7]。其中：1為成像盒；2為區域掃描CCD相機傳感器；3為紗線；4為光源；5為導紗裝置；6為相機鏡頭；7為紗線張力控制面板；8為觸摸屏；9為伺服電動機輸出輥。該裝置可從移動的紗線上捕捉測量紗線的直徑、色彩沿長度方向的分布，并得到完整的紗線信息。

圖1 紗線圖像獲取裝置Fig.1 Yarn image acquisition device

1.3 混色紗圖像預處理

圖像預處理是為改善圖像數據，抑制不需要的變形或者增強某些圖像特征，為后續的特征提取和識別作準備[8]。圖2示出紗線圖像預處理過程。

圖2 紗線圖像預處理過程Fig.2 Pre-preprocessing of yarn image. (a) Original image of yarn; (b) Smooth image of yarn; (c) Clustering segmentation image of yarn; (d) Treated image of yarn

處理圖像時，首先創建一個中值濾波器[9]，對圖像進行平滑濾波，這樣不僅可消除噪聲，而且可消除太小的細節或將目標內的小間斷連接起來實現圖像模糊，如圖2(b)所示；而閾值分割只能得到二值化圖像，不能提取紗線紋理和顏色信息，因此接著使用K-means聚類算法[10]實現色彩圖像分割，采用距離作為相似性的評價指標，即認為2個對象的距離越近，其相似度就越大。如式(1)所示，從而得到紗線圖像聚類分割圖如圖2(c)所示，獲得紗線主干；最終消除圖像的背景色，獲得處理后的紗線圖像，如圖2(d)所示。

(1)

式中：V為類間所有點與該類質心點距離之和；k為設定的聚類數目；xj為每個樣本點；ui為每個類的質心。

由于本文實驗采用是由紅、黃、藍3根粗紗混合牽伸加捻所形成的混色紗片段序列圖像，為能在織物上將混色紗顏色變化完整地呈現出來，在進行緯編針織物模擬時，需要先將分開處理的紗線片段拼接在一起，且要求拼接后紗線長度滿足最小周期的整數倍，這樣模擬的針織物才可得到準確的圖案花型，使設計人員可大致預測不同工藝參數的混色紗在緯編織物上產生的外觀圖案效果。

為將紗線拼接在一起，需要做如下工作：1)獲取紗線主干的左右邊界以及紗線的中心線；2)拼接紗線時，將多根紗線條干的中心線對應在1條直線上。

2 混色紗緯編針織線圈的模擬

緯編針織物的基本結構單元是線圈，因此建立合適的幾何線圈模型，對于緯編針織物模擬至關重要。而單個幾何線圈結構是由沉降弧、圈柱和針編弧3個部分組成的，根據紗線紋理，應當按照織物編織方向的先后順序實現線圈每個部分的紋理映射。在此基礎上，結合線圈與線圈之間的串套關系形成的組織結構，最終實現緯編針織物外觀圖案的模擬。

2.1 Pierce線圈模型

Pierce線圈模型是緯編針織物中較通用的線圈模型[11]。該模型假設紗線在織物中完全處于理想的狀態，并且假設完全松弛的線圈中紗線均勻一致，截面為圓形且左右兩邊關于y軸對稱，上一橫列的針編弧與下一橫列的沉降弧相切。

圖3 Pierce線圈模型Fig.3 Pierce loop model

該模型以O1點為坐標原點建立直角坐標系，其中H為線圈高度，W為圈距，h為線圈與線圈之間的縱向間距，a、b分別為橢圓的長短半軸，線圈各部分幾何尺寸數量關系為：線圈高度H=5a；縱向間距h=H-2b；圈距W=3a。設原點O1橫縱坐標分別為X0和Y0，其控制線圈的初始位置。由模型的代數關系可得圖3中各點的橫縱坐標，即A(x,y)=(X0-W/2，Y0+h+b)；B(x,y)=(X0-(W/2-a)，Y0+h)；C(x,y)=(X0-a，Y0)；D(x,y)=(X0，Y0-b)；E(x,y)=(X0+a，Y0)；F(x,y)=(X0+W/2-a，Y0+h)；G(x,y)=(X0+W/2，Y0+h+b)。

2.2 混色紗到線圈圈柱的映射

現假設一個線圈的編織方向由左到右，由下到上。根據圖3的線圈模型圖，其中直線BC和EF關于y軸對稱，令直線BC和EF的斜率為K1和K2，根據B、C、E、F點坐標可得到式(2)。

(2)

則線圈圈柱BC和EF直線方程分別為式(3)、(4)。

(3)

(4)

式中：iBC為線圈圈柱上B點到C點間任意點的縱坐標變化值為Y0+h,…,Y0，其以步長s1遞減，其值為-1；iEF為E點到F點間任意點的縱坐標變化值為Y0,…,Y0+h，其以步長s2遞增，其值為1。

以上可得到基本線圈的圈柱中心線BC和EF，然后將紗線每個像素點按照圈柱中心線左右兩邊的位置信息進行填充，見式(5)，完成了混色紗到線圈圈柱的映射。

(5)

式中：等式左側為線圈圈柱矩陣；等式右側為紗線圖像矩陣；t表示紗線圖像的行數，總行數為紗線長度L0；Qx與Qy表示線圈圈柱中心線任意像素點的橫縱坐標；dl和dr為2個列向量，其存儲的數據分別表示紗線的左邊界和右邊界每行中每個像素點到中心線的距離；“∶”表示其左邊數值以默認數值增加到其右邊數值；Z為1、2、3,分別表示RGB顏色空間紗線圖像中對應坐標點的R、G、B的顏色分量；R(t)表示存儲紗線圖像行標的列向量；l(t)和r(t)分別表示為存儲紗線條干的左邊界和右邊界行標的列向量。

2.3 混色紗到線圈圈弧的映射

圖4 橢圓坐標圖Fig.4 Elliptic coordinates plot

(6)

(7)

(8)

圖5 沉降弧區域圖Fig.5 area of sinker loop

(9)

(10)

圖6 紋理映射的基礎線圈Fig.6 Basic loop by texture mapping

2.4 織物組織變化模型的建立

將單個線圈以圈距W和圈高h進行有限循環，即可形成織物布片。但不同組織結構的針織物有著不同的串套關系，即存在著線圈圈柱和線圈圈弧的覆蓋關系。本文利用計算機圖形學技術，將紗線上的每個像素點位置對應到相應像素點的線圈位置，即可得到圖7(a)。顯然圈柱和圈弧沒有覆蓋的視覺效果，所以需要判斷紗線上的每個像素點是否為背景色，實現線圈圈柱與圈弧覆蓋關系，如圖7(b)所示。對于羅紋組織需要判斷織物縱行數奇偶，雙反面織物需要判斷橫列數奇偶，見式(11)。

(11)

式中：L(Qy，Qx,Z)表示矩陣，代表線圈上任意位置像素點；mod為取余運算符；r表示初始值j1以縱向間距h為步長增加或減小的變化值，控制織物橫列數；c表示初始值為i1以圈距W為步長增加或減小的變化值，控制織物縱行數。

利用這個原理便可改變織物組織的變化規律，從而改變織物的組織類型，如圖7(c)、(d)所示。

圖7 不同組織覆蓋關系Fig.7 Covering relationships of different textures. (a) No conforming to loop covering; (b) Flat texture covering; (c) Rib texture covering; (d) Purl texture covering

3 混色紗緯編針織物的模擬

模擬織物時，應當按照實際織物編制過程的走向，使形成的圖案效果更加接近實際。假設編織的橫列數為偶數時，織物的編織方向從左到右；橫列數為奇數時，織物的編織方向從右到左。通過改變緯編針織物組織變化模型中的參數，即線圈緊密和稀疏程度以及紗線顏色周期的長度，可獲得不同的織物外觀效果。

3.1 不同織物組織的模擬

緯平針組織是由連續的單元線圈向同一個方向串套而成的，并且具有正反兩面，正因為正反面串套關系不同，所形成的花型也不同，如圖8(a)、(b)所示。平針組織反面正面形成藍色的點狀花紋，而其反面則形成向左傾斜的條紋。羅紋組織是由正面線圈縱行和反面線圈縱行以一定組合相間配置，如圖8(c)所示。羅紋組織面料形成向右傾斜的藍色條紋。雙反面組織是正面線圈縱行和反面線圈橫列交替配置，見圖8(d)，雙反面組織面料形成的條紋規律性不強。

圖8 不同組織織物模擬圖Fig.8 Simulation images of fabrics with different textures. (a) Plain-knitted front face; (b) Plain-knitted opposite face; (c) Rib; (d) Purl

3.2 不同縱橫密度織物的模擬

針織物的密度是在紗線線密度一定的條件下，表示針織物稀密程度的一個重要指標，直接反映出織物中單位長度內的線圈數，同時也極大地影響針織物外在性能與花色，因此通過改變H、W、h、a、b來調整線圈圈高、圈距、線圈形態，可得到縱橫密不同的織物效果圖，如圖9所示。

圖9 不同縱橫密織物的模擬圖Fig.9 Simulation images of tight (a) and sparse (b) plain-knitted fabrics

3.3 不同顏色比例混色紗的模擬

當織物組織相同時，采用不同顏色比例的混色紗，則會形成不同的花色圖案。紗線單個周期內的顏色種類越多，織物圖案越明顯。如圖10(a)、(b)為不同顏色比例的平針組織織物，圖10(c)、(d)為1+1羅紋組織織物，圖10(e)、(f)為雙反面組織織物。

圖10 不同顏色比例紗線的織物模擬圖Fig.10 Simulation images of fabric with different color proportion. (a) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (b) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (c) Red∶yellow∶blue=4∶5∶1; (d) Red∶yellow∶blue=0∶5∶5(e) Red∶yellow∶blue=5∶5∶0; (f) Red∶yellow∶blue=5∶0∶5.

4 結 語

本文構建了由混色紗真實紋理信息映射緯編織物紋理的模擬方法。實際模擬效果表明，利用Pierce經典線圈模型和處理后紗線圖像，可更加直觀地表達混色紗在針織物上疊加形成的紋理效果，得到更為真實的針織物圖案，為色紡紗及針織物設計提供有效手段。

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Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information

ZHANG Jidong1，2，XUE Yuan1，2，ZHANG Jie1，2，GUO Mingrui1，2，WEI Xiaoting1，2，GAO Weidong1，2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textile(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study a simulation method for weft knitted fabric external color and schlieren using digital and mixed color yarn, the details removing blurred image was firstly acquired by smoothing and denoising image using image processing technology . Then color image K-means clustering algorithm was applied to segment the smooth image to obtain yarn body image in the Lab space and clustering around the boundary and the center line of the information. On the basis of classic Pierce′s loop model, the profile information of the mixed color yarn image was used to complete the mapping from yarn to loop arc and loop column. Finally, according to the covering relationships of different textures, basic weft knitted fabrics were obtained. The algorithm proposed for the yarn texture mapping to loop, can simulate mixed color and appearance of schlieren of weft knitted fabric using mixed color yarn according to the actual fabric structure and density.

mixed color yarn; image processing; texture mapping; loop model; fabric simulation

10.13475/j.fzxb.20160805607

2016-08-26

2017-04-08

中央高校基本科研業務費專項資金項目(JUSRP51631A)；中國紡織工業聯合會應用基礎研究資助項目(J201506)；浙江省科技重大專項項目(2014C11SA480012)

張繼東(1992—)，男，碩士生。主要研究方向為織物模擬與計算機仿真。薛元，通信作者，E-mail：fzxueyuan@qq.com。

TS 181.8

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