基于原色纖維混配色織物的呈色特性與 影響因素分析

袁 理， 代喬民， 付順林， 鄭力文， 鄢煜塵

(1.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2.武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù) 省部共建國家重點實驗室培育基地， 湖北 武漢 430200； 3.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 4.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

色紡織物是指經(jīng)特定工序混和加工紡制而成含有2種或2種以上不同色澤纖維的織物，因其具有宏觀色彩豐富、立體感強等外觀風(fēng)格而被市場青睞。產(chǎn)品已由最初的麻灰色系列發(fā)展到彩色系列,從小色差素色品種發(fā)展到大色差混色品種，并形成了紡織行業(yè)中獨具特色的色紡產(chǎn)業(yè)[1]。傳統(tǒng)的色紡織物加工，需要根據(jù)客戶來樣分析并制備不同顏色的基礎(chǔ)色纖維，隨著紗線品種以及織物顏色的增加，基礎(chǔ)色纖維的庫存數(shù)量會無序增長且不成體系，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率與節(jié)能減排。

近年來，以彩色印刷中的原色混色理論為依據(jù)，利用優(yōu)選原色纖維進(jìn)行混配呈色的色紡產(chǎn)品得到了市場和企業(yè)的高度關(guān)注，其混配色理論與優(yōu)化方案已成為目前色紡研究領(lǐng)域的重點內(nèi)容之一。程璐等[2]提出采用反向傳播(back propagation，簡稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對麻灰紗線中的黑白纖維混配呈色進(jìn)行建模分析。結(jié)果表明，相較于專用測配色儀Datacolor Match或基于Kubelka-Munk(KM)雙常數(shù)理論的配色模型，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配色方案的適用性與精度最優(yōu)，具有實際應(yīng)用價值；劉東升等[3]以經(jīng)典黑、白色纖維為基準(zhǔn)，研究了4種不同混和方式對色紡織物風(fēng)格的影響。結(jié)果表明，不同顏色混和工序會對色紡織物的風(fēng)格產(chǎn)生顯著影響；王玉娟等[4]利用改進(jìn)的Stearns-Noeche(S-N)模型建立色紡紗線自動配色系統(tǒng)。結(jié)果表明，以Datacolor SF600為測量平臺，通過1～2步的顏色修正，可以得到色差小于1的配色結(jié)果，從而滿足色紡紗生產(chǎn)中多組分、定比例的配色與修色要求；趙玉等[5]以彩色印刷中的原色混色理論為基礎(chǔ)，提出了基于原色纖維混配色的紡織品新型呈色方法與理論模型。通過結(jié)合色差分析與光譜反射率統(tǒng)計分析，確定了黃、品紅、青、黑和白色(本色)5種優(yōu)選原色纖維，選擇其中2種或 2種以上原色纖維以不同的質(zhì)量比均勻混合，可以得到色彩均勻、種類豐富的素色織物；同時，借助S-N光學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯焐珮优浞竭M(jìn)行預(yù)測，實驗結(jié)果表明，該光學(xué)模型對羊毛纖維混配色具有適用性。文獻(xiàn)[6]報道了將一種改進(jìn)型S-N方程用于色紡織物顏色的預(yù)測，相較于傳統(tǒng)的S-N模型與雙常數(shù)KM模型具有更為理想的線性與精度，但預(yù)測色差平均值為0.63。值得注意的是，上述關(guān)于原色纖維混配呈色的研究主要集中在混色模型與優(yōu)化方案層面，缺少對其呈色影響因素及一般規(guī)律的深入分析。

不同于顯示器色光混色或印刷色料混色，色紡產(chǎn)品是以染色纖維作為基本呈色單元，整體呈色特性是由加色混合和減色混合共同影響決定的[5]。在成紗和織造的過程中，每根原色纖維作為特定配方的染料載體，會在紗線或織物表面呈現(xiàn)與捻度相關(guān)的螺旋形，并且纖維間互相聚集和交疊，使得其呈色單元的尺寸很大且不均勻，因此，能夠影響色紡織物呈色特性的可能因素很多，包括：纖維的顏色與長度特性相互間的堆疊情況，染色纖維的質(zhì)量配比與種類，以及成紗或織造的工藝參數(shù)等。對原色纖維混配色織物呈色特性及影響因素展開系統(tǒng)分析是建立全色域顏色預(yù)測模型的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前原色纖維混配呈色研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

本文以原色纖維混配色織物的呈色特性為研究內(nèi)容，重點分析其色度學(xué)指標(biāo)的主要影響因素及一般規(guī)律，提出利用離散Fréchet距離準(zhǔn)則與色差分析公式建立色度學(xué)指標(biāo)聯(lián)合表征模型，并用于原色纖維混配色織物的色度學(xué)指標(biāo)特征提取；同時，針對聚集態(tài)染色纖維呈色的隨機性與多樣性，以聚類分析理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于“類內(nèi)距離”與“類間距離”的色度學(xué)指標(biāo)差異性判別準(zhǔn)則。相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗閾值判別法，該判別準(zhǔn)則能夠針對不同參數(shù)的測試樣本進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，具有自適應(yīng)性。本文的研究對于最終建立原色纖維混配色預(yù)測模型以及色紡企業(yè)的實踐生產(chǎn)均具有積極參考作用。

1 色度學(xué)指標(biāo)聯(lián)合表征模型

光譜反射率曲線與CMC(l∶c)色差分析被廣泛應(yīng)用于紡織品色度學(xué)指標(biāo)的定量分析,但由于其顏色表征原理與特性的不同，2種分析模型間會存在“同色異譜”的問題，因此，本文提出采用聯(lián)合表征模型對色紡產(chǎn)品的色度學(xué)指標(biāo)進(jìn)行表征與分析，充分利用2種分析模型的表征能力，具體定義如下：

(1)

ΔF表示樣本間光譜反射率曲線相似度，即離散Fréchet距離，定義如下：

ΔE表示樣本間的CMC(2∶1)色差分析數(shù)值，定義為

(2)

式中：ΔL、ΔCab、ΔHab分別為樣本間的明度差、飽和度差、色相差；SL、SC、SH分別為明度差、飽和度差、色相差的加權(quán)系數(shù)；l和c分別取值為2和1，并記作CMC(2∶1)。同時，Sf、Se分別為譜差與色相差分量的加權(quán)系數(shù)。為進(jìn)一步簡化分析，本文設(shè)定加權(quán)系數(shù)Sf=Se=0.5。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗樣本的制備

可能影響色紡織物呈色特性的因素很多，既包括染色纖維的質(zhì)量配比，也包括染色纖維的種類和性狀特性，同時也包括成紗或織造工藝等。為定量分析不同影響因素的顯著性，委托相關(guān)企業(yè)制備了27份具有不同配比參數(shù)的色紡織物樣品。其中：織物用紗的線密度為20 tex；組織結(jié)構(gòu)為平紋，采用 130號筘；下機緯密為280根/(10 cm)。在無特殊說明情況下，每份樣品均由3種染色纖維構(gòu)成，染色纖維長度為38 mm，捻系數(shù)為350。不同樣品間的染色纖維配比質(zhì)量、纖維種類、長短、捻系數(shù)等參數(shù)存在細(xì)微差別，具體配比如表1所示。

表1 實驗樣本配比參數(shù)表Tab.1 Parameters of experiment samples

2.2 色度學(xué)指標(biāo)的測量

本文利用X-rite COLORI7分光光度計對樣品的色度學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測量，儀器參數(shù)中光線幾何條件確定為照明觀察條件為d/8、照明光源為D65、測量孔徑為22 mm；同時，隨機抽取10個測量點，以不同角度旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行測量；最后，將全部測量結(jié)果分為2組進(jìn)行平均擬合，減少測量過程中引入的隨機誤差。由于測量對象的無光澤性，按照GB/T 8424.1—2001《紡織品 色牢度試驗 表面顏色的測定通則》，采用去除鏡面反射(SCE)模式；在UV去除方面，設(shè)置為無UV濾鏡模式。在測量之前，按照上述設(shè)置進(jìn)行設(shè)備的校正和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測試。

2.3 色度學(xué)指標(biāo)差異性判別準(zhǔn)則

在紡織品色差分析過程中，通常采用確定的閾值作為判別準(zhǔn)則，如ΔEcmc(l∶c)=0.8或1.0[9-10],但對于色紡織物而言，其呈色具有典型的不均勻性和隨機性，通過某一確定閾值很難全面、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行分析或判別。因此，本文以聚類算法為理論基礎(chǔ)，針對色紡織物，提出了基于“類內(nèi)距離”和“類間距離”的色差判別準(zhǔn)則[11]，能夠針對不同參數(shù)的測試樣本參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具體定義如下：

(3)

式中：Dw(i)=ΔUFE(ia,ib)，表示樣本i不同測量點(a,b)之間的聯(lián)合色度學(xué)特征距離，即樣本的類內(nèi)距離；Dw(j)=ΔUFE(ja,jb)，表示樣本j不同測量(a,b)之間的色度學(xué)特征距離；Db(i,j)=ΔUFE(i,j)，表示樣本i,j之間的聯(lián)合色度學(xué)特征距離，即樣本間的類間距離。當(dāng)St=1時，表明色度學(xué)指標(biāo)具有顯著差異性；當(dāng)St=0時，表示差異不明顯。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 纖維配比差異對色度學(xué)指標(biāo)的影響

色紡織物是以染色纖維的聚集態(tài)為基本呈色單元，因此，不同原色纖維混配的質(zhì)量差異會導(dǎo)致其色度學(xué)指標(biāo)的改變。對13份具有不同染色纖維質(zhì)量配比參數(shù)的樣本進(jìn)行差異顯著性判別分析，具體結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，對于不同原色纖維混配色織物，在纖維總體配比差異達(dá)到1%以上時，色度學(xué)指標(biāo)具有穩(wěn)定的顯著差異性。其中，配比質(zhì)量差異分別為0.94%與1.00%的測試樣本光譜反射率曲線如圖1所示。可以看出：17001#與17002#樣本間的光譜曲線出現(xiàn)了多處重合與交疊；而當(dāng)質(zhì)量配比差異增加到1%時，即17009#與17010#樣本間光譜曲線可彼此分離；因此，建立的色度學(xué)指標(biāo)聯(lián)合表征模型與差異性判別分析準(zhǔn)則能夠有效表征色紡織物的呈色特

表2 原色纖維質(zhì)量配比差異與顯著性判別分析Tab.2 Quality ratio difference of primary-color fibers and significant analysis of colorimetry index

性與規(guī)律。同時，統(tǒng)計分析表明，色紡織物的色度學(xué)指標(biāo)差異顯著性與其原色纖維質(zhì)量配比差異總體呈現(xiàn)正向線性相關(guān)性。

圖1 原色纖維質(zhì)量配比差異與色紡織物光譜反射率曲線Fig.1 Quality ratio difference of primary-color fibers and spectral color rate curve of colored spun fabric.

3.2 纖維長度對色度學(xué)指標(biāo)的影響

由于纖維長度的差異和紗線中不同位置纖維所受的力學(xué)作用不同，纖維在成紗的過程中會發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，由此引起染色纖維分布位置、堆砌緊度的不同，即染色纖維的長度差異會導(dǎo)致色紡織物呈色特性的改變。對8個具有不同纖維長度的樣本進(jìn)行聯(lián)合色度學(xué)指標(biāo)特征提取與差異性判別分析，結(jié)果如表3所示。

對于不同的原色纖維，其性狀差異(纖維長度分別為38與51 mm)會導(dǎo)致其色紡織物色度學(xué)指標(biāo)的改變，而且這種變化具有顯著性。部分測試樣本間的光譜反射率曲線如圖2所示。

圖2 原色纖維性狀差異與色紡織物光譜反射率曲線Fig.2 Character difference of primary-color fibers and significant analysis of colorimetry index. (a) 17012# and 17015#; (b) 17025# and 17028#

值得注意的是，雖然17025#與17028#樣本間的色度學(xué)指標(biāo)特征的“類間距離”大于“類內(nèi)距離”，具有差異性，但根據(jù)2.3色度學(xué)指標(biāo)差異性判別準(zhǔn)則，測試樣本間的色度學(xué)指標(biāo)的差異不具備顯著性。進(jìn)一步分析表明，測試樣本間的光譜反射率曲線存在可分辨差異性(見圖2)，但Lab色差值ΔEcmc(2∶1)為0.686 ，小于經(jīng)驗閾值0.8。綜上，本文所建立的色度學(xué)聯(lián)合表征模型與差異性判別準(zhǔn)則可充分結(jié)合光譜反射率曲線與色差分析模型的顏色表征能力，具有理想的穩(wěn)定性與自適應(yīng)性。

3.3 纖維種類對色度學(xué)指標(biāo)的影響

與纖維性狀特征對色紡織物色度學(xué)指標(biāo)影響的機制相同，染色纖維的種類同樣是其色紡產(chǎn)品色度學(xué)指標(biāo)變化的影響因素之一。對2份不同纖維種類的色紡產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)合色度學(xué)指標(biāo)特征提取與差異性判別分析，結(jié)果如表4所示。可知采用細(xì)絨棉與長絨棉制備的2種織物，在其他配比及織造參數(shù)均保持一致的情況下，原色纖維種類的差異會對色紡織物的色度學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

表4 原色纖維種類差異與顯著性判別分析Tab.4 Type difference of primary-color fibers and significant analysis of colorimetry index

3.4 捻系數(shù)對織物色度學(xué)指標(biāo)的影響

根據(jù)纖維成紗機制與過程，色紗捻系數(shù)的差異會導(dǎo)致染色纖維在色紡織物表面聚集、堆疊以及分布的變化，也是其呈色特性主要影響因素之一。對4種具有不同捻系數(shù)的樣本進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。可知，當(dāng)捻系數(shù)差異為10和20時，色紡織物色度學(xué)指標(biāo)將發(fā)生顯著變化。

表5 原色纖維捻系數(shù)差異與顯著性判別分析Tab.5 Twisting coefficients difference of primary-color fibers and significant analysis of colorimetry index

3.5 異常結(jié)果分析

在部分單項測試分析中，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)異常和波動的情況，如：原色纖維配比質(zhì)量差異分析實驗中的17004#與17012#樣本；原色纖維性狀差異分析實驗中的17025#與17028#樣本。通過對測試樣本的顏色與紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在這些樣本中均出現(xiàn)不同程度的染色纖維異常聚集的情況，即因為質(zhì)量控制和織造工藝而引起的色度學(xué)指標(biāo)特征波動。部分色紡織物異常結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 原色纖維異常聚集與異色纖維團(tuán)Fig.3 Abnormal aggregation and heterogeneous fibrous mass of primary-color fibers.(a) White fiber aggregation;(b) Red fiber aggregation;(c) Black fiber aggregation

4 結(jié) 論

本文以原色纖維混配色織物的呈色特性為研究內(nèi)容，重點分析其色度學(xué)指標(biāo)的主要影響因素。針對色紡織物特殊的呈色機制與過程，建立了基于離散Fréchet距離準(zhǔn)則與色差分析公式的色紡織物聯(lián)合色度學(xué)指標(biāo)分析模型；同時，以聚類分析理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于“類內(nèi)距離”與“類間距離”的色度學(xué)指標(biāo)差異性判別準(zhǔn)則，可根據(jù)測試樣本的色度學(xué)指標(biāo)動態(tài)調(diào)整判別閾值，具有自適應(yīng)性。對27個具有不同配比參數(shù)及特性的色紡織物進(jìn)行實驗分析，結(jié)果如下：

1)原色纖維的質(zhì)量配比差異會導(dǎo)致其色紡織物色度學(xué)指標(biāo)的改變，并且當(dāng)配比差異達(dá)到1%以上時，色度學(xué)指標(biāo)差異具有顯著性，同時，色度學(xué)指標(biāo)差異的顯著性與纖維配比總體差異呈現(xiàn)正向相關(guān)性；

2)纖維性狀差異會導(dǎo)致其色紡織物色度學(xué)指標(biāo)的顯著改變，當(dāng)采用2種長度(分別為38 mm與51 mm)的棉纖維時，色紡織物的色度學(xué)指標(biāo)差異顯著，僅有1對測試樣本間由于織造工藝瑕疵導(dǎo)致測試結(jié)果異常；

3)原色纖維的種類，如精梳細(xì)絨棉和精梳長絨棉，以及捻系數(shù)差異同樣能夠?qū)ζ渖徔椢锏纳葘W(xué)指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

本文研究結(jié)果對最終建立原色纖維混配色預(yù)測模型以及色紡企業(yè)的實踐生產(chǎn)均具有積極指導(dǎo)作用。針對色紡針織物呈色影響因素展開定量分析以及建立色紡產(chǎn)品表面顏色表征模型將是本文下一步研究的重點。