數碼紡紗生產的彩色紗及其針織物花型模擬

文/薛元 張繼東 管幼平 李增潤 剌志勇

本文簡介了JWF1551細紗機進行數碼混配色及其彩色紡紗原理，以其紡制的二次混色紗線為例，通過對真實混色紗紋理信息映射的二維緯編織物模擬方法，在考慮混色紗紋理信息包括捻向、直徑、顏色和光照等因素的基礎上，利用Pierce經典線圈模型和處理后紗線圖像，完美地將混色紗體現在針織物上。

引言

基于環錠數碼紡紗系統可以將三原色粗紗按照設定的比例直接混配紡紗，同步完成紗線成型與紗線混配色雙功能，實現全色譜的彩色紡紗。由江南大學與經緯榆次聯合研制的JWF1551型環錠細紗機是面向柔性智能紡紗開發的新一代智能型細紗機，通過創新研發了三通道異步牽伸機構和全數控細紗機，對喂入的三基色粗紗進行異步牽伸、組合變色、梯度配比、混合加捻等機理，實現了對成紗線密度、混紡比可在線調控的柔性加工技術，可加工任意混紡比的混色紗、漸變色紗、段彩紗、竹節紗、彩節紗等各類彩色紗線和花式紗線。

1 彩色紡紗機的工作原理

圖1所示為三通道彩色紡紗機（圖中1—后膠輥，2—后膠輥，3—后膠輥，4—粗紗， 5—粗紗， 6—粗紗，7—后羅拉，8—后羅拉，9—后羅拉，10—中膠輥，11—中羅拉， 12—前膠輥，13—前羅拉，14—細紗，15—紗管）。設3個后羅拉和中羅拉、前羅拉的線速度分別為：Vq、Vz和Va、Vb、Vc。系統中3個后羅拉軸分別與中羅拉、前羅拉組合成平行并聯的3組牽伸機構，每根粗紗由對應的后羅拉喂入并以前羅拉為共同輸出端，則前羅拉與各后羅拉的速度之比ea=Vq/Va、eb=Vq/Vb、ec=Vq/Vc，即構成了每根粗紗的牽伸比。系統中錠子的回轉速度nh與前羅拉輸出線速度配合形成了紗線上所加的捻度Tw=Vq/nh。

圖1 三通道彩色紡紗機

2 彩色紗的紡制

2.1 原料、儀器和紗線規格

原料：紅色、黃色、藍色精梳長絨棉粗紗，定重分別為：紅色5g/10m，黃色5g/10m， 藍色5g/10m。

儀器：經緯榆次JWF1551環錠細紗機。

紡制紗線規格：紗線支數 21S紗線捻度76捻/10cm。

2.2 紡制工藝

在環錠紡細紗機上，三通道數碼紡紗是將后羅拉的機械結構加以嵌套設計，使得原有的后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變為3個鉗口，3個后羅拉借助于各自程序控制的伺服電動機驅動，從而實現多根粗紗以不同速度喂入。上機時根據3根色粗紗的擺放位置，確定各自的喂入通道，根據紗線設計要求，編制控制系統軟件，使控制系統驅動左、中、右3個伺服電動機按照一定的時序完成速度指令，輸入不等量的纖維須條，在線變化3根粗紗纖維的配比，紡制出特定的彩色紗品種。

2.3 由三基色進行二次混色紡制的混色紗

圖2～圖4展示的是21S、捻度為72.1捻/10cm、依次按照紅黃混紡比1:9到9:1，紅藍混紡比1:9到9:1，黃藍混紡比1:9到9:1，混紡比按照10%梯度遞增經數碼紡紗得到的彩色紗線。

圖2 紅黃混色紗

圖3 紅藍混色紗

圖4 黃藍混色紗

3 混色段彩紗圖像信息的采集

目前進行織物外觀模擬的研究中，所采用的紗線是仿真紗線和真實紗線，但是仿真紗線的逼真效果與實際紗線有一定的差別，如模擬出的紗線直徑、毛羽和光照等特征信息不能完全接近真實紗線。而真實紗線具有豐富的細節特征，種類繁多。所以，本文采用高質量的真實紗線圖像。不僅能獲得紗線豐富的特征信息，而且能得到滿足紗線表面的所有反射光。這決定了織物的外觀模擬效果和圖案風格的好壞。

圖5所示為自主研發的紗線圖像采集裝置，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—為伺服電機輸出輥。該裝置能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5 紗線序列圖像獲取裝置

4 緯編針織物的模擬

4.1 線圈的模擬

緯編針織物的基本結構單元是線圈，所以建立合適的幾何線圈模型，對于緯編針織物模擬是至關重要的。本文以Pierce線圈模型為原型，對其進行改進而建立的模型，如圖6。該模型分別由為弧AB、線段BC、弧CDE、線段EF、弧FG組成，即分別代表了線圈的針編弧、圈柱和沉降弧。

圖6 Pierce線圈模型

圖7 線圈模擬圖

通過采集的紗線紋理信息，其中包括顏色、條干和毛羽。運用圖像處理技術對其進行處理，得到去除毛羽的紗線信息；讀取其橫向與縱向的像素點信息，可獲得紗線的顏色信息與條干信息。將處理后的紗線紋理一一映射到線圈上對應的位置。如圖7所示為模擬后的線圈圖。

4.1.1 線圈長度

基本單元的線圈長度不僅是決定針織物本身性能的重要物理指標，而且對彩色紗線構造的緯編針織物花型有較大的影響。因為數碼彩色紗的色彩是由不同比例長度的顏色組成，所以無論是計算機模擬上，還是在電腦橫機上讓其構成已知規律的花型效果，必須要確定線圈長度大小、數碼紗線每種顏色長度、織物幅寬之間的代數關系，如圖8所示。根據所構建的模型、映射關系和紗像素長度，可確定一定紗線長度所對應的線圈個數，如圖9所示。算法中根據紗線像素長度，即可獲得所對應的真實紗線長度。因此，就可以跟真實線圈長度進行對接，即真實線圈長度所對應的模擬線圈長度，從而能夠將線圈上顏色的分布與真實紗線對應起來，則能精準地控制所形成的織物花型。

表1 三通道彩色紡紗機成紗工藝參數設計

圖8 紗線原始圖像

圖9 同等紗線長度對應的線圈圖

4.1.2 線圈亮度

織物表面在一定的光照下，不同位置將會呈現出不同的明暗效果，即其明暗效果直接反映到線圈上。對平面的線圈幾何形態，加上一定的亮度變化，使線圈顯現出其前后的消隱關系，使線圈之間的覆蓋關系接近真實狀態。本文選用的是HSV顏色空間，它能把色調、飽和度和明度的變化情形表現得很清楚。它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性。所以使用過程中將線圈圈弧和圈柱的像素點RGB顏色空間模型分量（R，G，B）轉換成HSV顏色空間模型分量（H，S，V），提取亮度分量V值，依照光照明暗變換的曲線方程，計算出不同位置的V值，再將HSV顏色空間轉換到RGB顏色空間，不同亮度變化的線圈，如圖10所示。之后根據線圈不同串套關系，由不同位置的亮度變化，可以得出不同組織的線圈亮度變化，如圖11所示。

4.2 不同組織的模擬

緯編針織物具有不同的組織，其中包括基本組織、變化組織和花色組織。針對本文研究的混色段彩數碼紗，它與常規下普通紗線有著相當大的區別，其有著豐富的色彩紋理信息，它的顏色變化多種多樣，將這種紗線與簡單組織結合，能夠更加突出紗線顏色紋理的特點來構造花型，而花色組織多采用簡單單色紗線，來突出結構花型。所以，本文將其應用在基本組織緯編針織物上，通過變換不同的基本組織、改變紗線總長度以及紗線各顏色比例的色段長度，從而可以形成不同圖案花型織物。

4.2.1 緯平針組織的模擬

緯平針組織又稱為平針組織，由連續的單元線圈向一個方向串套而成的。其具有兩面不同的外觀，即存在正反面，從而導致了平針組織兩面具有不同的串套關系。正面線圈效果在織物的縱向方向呈現“V”形，即正面線圈的圈柱覆蓋在圈弧上面，反面線圈的圈弧覆蓋在圈柱上面。如圖12所示。

4.2.2 羅紋組織的模擬

羅紋組織是由正面線圈縱行和反面線圈縱行以一定的組合而相間配置而成的。本文以最小循環單元中的正反面線圈縱行進行模擬，如圖13所示。

圖10 光照對比圖

圖11 線圈不同覆蓋關系圖

4.2.3 雙反面組織的模擬

雙反面組織是在橫列方向上，正面線圈與反面線圈交替進行配置所形成的，由于自身結構，其線圈的圈弧向外凸出，圈柱向里凹陷，使織物兩面都呈現出反面的效果。如圖14所示。

圖12 平針組織

圖13 1+1羅紋組織

圖14 雙反面組織

4.3 花型的模擬

4.3.1 混色紗織物花型模擬

混色紗在同一截面內由多種彩色組成，其是按指定的比例將3根粗紗包含的色纖維進行混合加捻而成。其顏色變化有一定的隨機性，織物不易織造成較規律的花型圖案。如圖15可知，混色紗所形成的織物圖案風格，是由不同色彩碎點組合而成，顏色的比例由紗線顏色組分多少所控制。

圖15 不同顏色比例混色紗織物模擬圖

4.3.2 段彩紗織物花型模擬

段彩紗的特點為單元周期紗線片段是由不同長度顏色片段或者不同顏色組分組合而成的。就其特點，只要找出紗線各段所占的比例長度、織物幅寬、紗線總長度以及織物線圈長度之間的關系，就可以設計出自己想要的花型，實現可控圖案效果的功能。這在一定程度上大大減少了小樣試制次數，提高了生產效率，降低了成本。如圖16所示。

圖16 不同色段長度織物模擬圖

4.3.3 漸變紗織物花型模擬

漸變紗是不同顏色之間以一定梯度逐漸過渡顏色的紗線。其所形成的紗線花式變化絢麗多姿，層出不窮。漸變紗織物花型的模擬與段彩紗類似，其與紗線的長度等有很大的關系，當這些關系處于一個契合點時，就可以使紗線彩段循環和織物用紗循環重合，得到所設計的花型。如圖17所示，段彩紗毛衫花型如圖18所示。

圖17 漸變紗織物模擬圖

圖18 段彩紗毛衫花型模擬圖

5 結語

本文簡介了JWF1551細紗機進行數碼混配色及其彩色紡紗原理，以其紡制的二次混色紗線為例，通過對真實混色紗紋理信息映射的二維緯編織物模擬方法，在考慮混色紗紋理信息包括捻向、直徑、顏色和光照等因素的基礎上，利用Pierce經典線圈模型和處理后紗線圖像，完美地將混色紗體現在針織物上，并直觀地模擬了彩色紗線所形成的不同織物組織的色彩圖案，以及線圈圈柱和線圈圈弧一定的覆蓋效果，形成了較好的三維外觀形態。