云紋紗緯編針織物外觀模擬

吳義倫 潘如如 高衛(wèi)東

摘要： 云紋紗顏色漸變，對(duì)應(yīng)的布面顏色難以直觀預(yù)測(cè)，需要通過(guò)打小樣來(lái)預(yù)測(cè)布面效果，但這種方式耗時(shí)、費(fèi)力、增加成本。為解決此問(wèn)題，文章提出一種應(yīng)用真實(shí)云紋紗圖像的針織物外觀模擬方法，可以快速、直觀、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)云紋紗織物的布面顏色。首先利用圖像分割、形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算等圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的云紋紗圖像進(jìn)行處理，得到原始紗線圖像主體部分;然后利用改進(jìn)的Peirce線圈模型，將真實(shí)云紋紗線紋理映射至線圈的幾何模型上;最后調(diào)整線圈的串套關(guān)系，完成織物外觀的模擬。模擬結(jié)果顯示，模擬的織物與實(shí)際織物掃描圖像顏色紋理相近，外觀效果逼真。

關(guān)鍵詞： 云紋紗;圖像處理;線圈模型;映射;外觀模擬

中圖分類號(hào)： TS181.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2019）02-0037-06

引用頁(yè)碼： 021107

Abstract： Cloud yarn is of gradient color. It is difficult to predict cloth color intuitively， and it is needed to predict the effect of cloth by means of making samples. But this approach is time-consuming， laborious and costly. In order to solve this problem， a method of appearance simulation of knitted fabric based on real cloud yarn image information， with which fabric color of cloud yarn fabrics can be predicted quickly， intuitively and accurately. The procedure is as below. Firstly， collected cloud yarn images are processed with image processing techniques such as image segmentation， morphological opening and closing operations to obtain the main part of original yarn image; secondly， real cloud yarn texture is mapped to geometric model of loop with improved Peirce loop model; thirdly， the string relationship of loop is adjusted to complete appearance simulation of fabric. Simulation result shows that the simulated fabric is similar to scanned image of real fabric in respect of color and texture， and the appearance effect is realistic.

Key words： cloud yarn; image processing; loop model; mapping; appearance simulation

云紋紗緯編針織物外觀具有類似云紋的特點(diǎn)，符合現(xiàn)代眾多消費(fèi)者個(gè)性化、時(shí)尚化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，由于紡制云紋紗所用的飾紗分布無(wú)固定規(guī)律[1-2]，因此對(duì)應(yīng)的織物布面效果難以預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)地，工廠需要通過(guò)打小樣來(lái)預(yù)測(cè)布面效果，此方式不僅耗時(shí)、費(fèi)力，而且增加企業(yè)成本。

為解決上述問(wèn)題，近年來(lái)，研究者開(kāi)始通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)對(duì)針織物外觀效果進(jìn)行模擬。目前，研究者大多通過(guò)應(yīng)用線圈幾何模型法或圖像法對(duì)織物外觀進(jìn)行模擬。祝成炎[3]用計(jì)算機(jī)模擬織物外觀紋理的方法來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際織物外觀，但此方法僅能模擬出紋理特點(diǎn)，不是整個(gè)布面效果;沙莎等[4]、于斌成等[5]通過(guò)優(yōu)化模擬紗線的結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)模擬織物外觀真實(shí)感，但此方法不能應(yīng)用于云紋紗織物模擬;張繼東等[6]、李忠健等[7]、張寧等[8]采用真實(shí)紗線圖像對(duì)織物進(jìn)行模擬，但其建立的線圈模型的圈柱為直線，與真實(shí)針織物線圈形狀不符，且其紗線拼接方法在紗線粗細(xì)不勻時(shí)，拼接時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，影響模擬織物外觀真實(shí)感。吳周鏡等[9]、王輝等[10]、居婷婷等[11]對(duì)針織物線圈進(jìn)行模擬，通過(guò)建立針織物線圈三維結(jié)構(gòu)模型，最終模擬出具有三維效果的針織物外觀結(jié)構(gòu)，但是該模擬方法更加側(cè)重于針織物結(jié)構(gòu)，而非外觀效果。國(guó)外研究者對(duì)于緯編針織物的仿真模擬較早，在織物的真實(shí)感模擬方面研究較多的是通過(guò)紗線真實(shí)感模型、光照模型。如德國(guó)Kaldor J M等[12]采用三維建模的方法對(duì)織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合紗線粗細(xì)、質(zhì)量等參數(shù)，利用光線追蹤的方法實(shí)現(xiàn)了緯編提花針織物的計(jì)算機(jī)仿真，但是該方法應(yīng)用模擬紗線模擬針織物，真實(shí)感差;同時(shí)，對(duì)機(jī)器設(shè)備要求很高，并且仿真速度很慢。

本文提出了一種通過(guò)將真實(shí)云紋紗線圖像與優(yōu)化后的線圈幾何模型相結(jié)合來(lái)模擬云紋紗織物的一種方法，能夠適應(yīng)不同密度、不同紗線品種的針織物模擬，算法適應(yīng)性較好。

1?云紋紗圖像采集及預(yù)處理

1.1?圖像信息獲取

為獲取云紋紗圖像，本文臨時(shí)搭建了一個(gè)連續(xù)獲取云紋紗圖像的裝置。

該裝置主要由8個(gè)部件組成。1為顯示器，2為MER-132-30GC工業(yè)相機(jī)，3為L(zhǎng)ED環(huán)形光源，4為紗線退繞裝置，5為紗線卷繞裝置，6為220V交流電機(jī)，7、8為導(dǎo)紗裝置。其中，7、8之間是紗線圖像采集區(qū)域，采集部分用黑布遮蓋以保證采集區(qū)域封閉，使用LED環(huán)形光源，采集的云紋紗線圖像。

1.2?圖像預(yù)處理

為了去除云紋紗毛羽等不需要的噪聲，得到紗線主體圖像，本文對(duì)采集的云紋紗圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)程。

處理紗線原始圖像時(shí)，為了將紗線與背景區(qū)分開(kāi)，首先將采集的紗線圖像二值化處理;然后對(duì)二值圖像做形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算去除毛羽等噪聲，得到光滑的紗線主體二值圖像;最后通過(guò)將紗線主體二值圖像與紗線原圖做矩陣點(diǎn)乘運(yùn)算（下式）得到紗線主體圖像，將紗線與背景完全分割開(kāi)。

式中：Y為紗線主體圖像，B為紗線主體二值圖像，I為紗線原圖像，Z表示R、G、B三個(gè)分量，其值分別為1、2、3。

1.3?紗線拼接

由于采集裝置采集的是紗線圖像的片段，為了滿足模擬織物幅寬的要求，需要對(duì)紗線圖像進(jìn)行拼接，本文采用文獻(xiàn)[8]中的方法，獲取紗線中心線、左右端中心位置及上下邊界。文獻(xiàn)[6]中僅以中心線進(jìn)行拼接，但由于紗線的條干不勻等因素，以中心線拼接會(huì)造成紗線的中心線與中心位置不重合，拼接會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。為了糾正錯(cuò)位現(xiàn)象，本文對(duì)拼接進(jìn)行糾偏。

紗線條干以中心線為基準(zhǔn)靠在一起，若中心位置偏離對(duì)應(yīng)紗線中心線下側(cè)，設(shè)偏離值為正，反之為負(fù)。A段紗線中心位置偏離中心線下側(cè)，設(shè)其偏離值為-LA（LA>0）;B端中心位置偏離中心線上側(cè)，設(shè)其值為L(zhǎng)B（LB>0），則其總偏移量如下式所示。

同理，其他情況的拼接均以此計(jì)算方法。若L=0，則兩側(cè)紗線位置不變;若L>0，則將右側(cè)紗線下移L;若L<0，則將右側(cè)紗線上移L，即可完成紗線的拼接，此方法解決了拼接錯(cuò)位問(wèn)題。

2?線圈模擬

2.1?建立線圈幾何模型

Peirce線圈幾何模型將圈柱假設(shè)為直線，但真實(shí)狀態(tài)下的線圈圈柱部分由于受到力的作用，會(huì)發(fā)生彎曲。本文將Peirce線圈幾何模型的圈柱部分用四個(gè)圓弧替代，沉降弧和針編弧用橢圓弧代替，弧AB、HI為線圈的沉降弧;弧BC、CD、FG、GH為線圈的圈柱部分，分別由圓的1/8組成;弧DEF為線圈的針編弧。其中，設(shè)弧BC、CD、FG、GH分別對(duì)應(yīng)的弧度為π/4，弧AB、HI對(duì)應(yīng)的弧度為π/2，針編弧DEF對(duì)應(yīng)的弧度為π。

線圈幾何模型時(shí)是以O(shè)1（x0，y0）為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，H表示線圈高度，W表示線圈的圈距，a表示橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，b表示橢圓短半軸長(zhǎng)度，h表示縱向線圈之間的距離。根據(jù)線圈模型的幾何關(guān)系，可以得到各點(diǎn)的坐標(biāo)，繼而可以得到各段弧線在對(duì)應(yīng)弧度范圍內(nèi)相對(duì)應(yīng)的函數(shù)方程，如下式所示。

2.2?線圈的模擬

模擬線圈時(shí)，需要將真實(shí)紗線信息映射到線圈幾何模型上。本文采用文獻(xiàn)[6]中的線圈圈弧的映射方法，先將真實(shí)紗線信息中心線與線圈幾何模型函數(shù)曲線相對(duì)應(yīng)，然后將真實(shí)紗線中心線兩側(cè)的像素點(diǎn)信息映射到幾何模型函數(shù)曲線的兩側(cè)。以線圈沉降弧為例，按下式的映射原理，最終可得到沉降弧模擬圖像。

式中：P為線圈圖像矩陣，Y為紗線圖像矩陣，x、y分別為函數(shù)曲線上任一點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，θ為函數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的弧度，k的值為OM的長(zhǎng)度與PQ上任一點(diǎn)到O點(diǎn)距離的差值，m為紗線圖像的中心線所在的行，n為紗線圖像的列數(shù)，Z與式（1）含義相同。

由于紗線圖像中的像素點(diǎn)是離散的，因此模擬的圖像上會(huì)有黑點(diǎn)存在。為解決這種黑點(diǎn)問(wèn)題，本文在映射時(shí)進(jìn)行了最鄰近插值算法處理，該算法取插值點(diǎn)的4個(gè)鄰點(diǎn)中距離最近的鄰點(diǎn)灰度值作為該點(diǎn)的灰度值。

設(shè)待求像素點(diǎn)坐標(biāo)為（i+u，j+v），則其灰度值為f（i+u，j+v）。根據(jù)u、v的值即可得出f（i+u，j+v）的灰度值（下式），最終插值結(jié)果，解決了黑點(diǎn)問(wèn)題。

3?織物的模擬

3.1?線圈串套處理

在織物模擬時(shí)，先將單個(gè)線圈模型沿著橫向和縱向循環(huán)，然后將云紋紗真實(shí)圖像信息沿著紗線的編織方向依次映射到線圈幾何模型中心線兩側(cè)，得到的模擬圖?？梢钥闯?，線圈和線圈之間沒(méi)有串套的關(guān)系。為了形成緯編針織物線圈之間相互串套的外觀，本文在云紋紗真實(shí)圖像信息映射至線圈幾何模型的針編弧時(shí)，計(jì)算線圈圖像矩陣P中當(dāng)前像素點(diǎn)的R、G、B分量值之和，若其值為0，即為背景色，則繼續(xù)映射;若其值不為0，即為非背景色，則無(wú)需映射。得到結(jié)果，從而解決了線圈串套問(wèn)題。

3.2?云紋紗緯編針織物的模擬

3.2.1?模擬織物與實(shí)物圖的對(duì)比

為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果有說(shuō)服力，本文將模擬的緯平針織物與對(duì)應(yīng)的通過(guò)掃描得到的同密度緯編針織物圖像作對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果。

利用本文方法模擬的同密度的云紋紗針織物，將云紋紗線用小樣襪機(jī)織出的實(shí)物。從模擬的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，模擬的云紋紗織物具有明顯的云紋效果，與掃描得到的真實(shí)云紋紗織物外觀紋理基本一致。

3.2.2?不同密度的針織物模擬

密度是針織物設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，本文織物模擬的算法可根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)調(diào)節(jié)線圈的圈距W和兩線圈縱向距離h改變織物的密度，如圖10所示。

密度較小的模擬織物，通過(guò)調(diào)節(jié)圈距W與兩線圈縱向距離h來(lái)增大密度，得到模擬織物?？椢锩芏让黠@增大，表面線圈緊密相連;反之，圖10（a）密度較小，線圈稀疏。由此可以得到不同密度模擬出的織物在視覺(jué)效果上有較大的差異，而本文可根據(jù)需要調(diào)整針織物的密度參數(shù)，算法適應(yīng)性較好。

3.2.3?模擬織物重復(fù)周期可調(diào)

云紋紗線的織物模擬重復(fù)周期會(huì)對(duì)模擬織物的外觀有一定的影響，改變模擬織物的重復(fù)周期，可以得到模擬織物不同外觀效果。本文所用的算法可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)織物模擬的重復(fù)周期。

模擬織物的重復(fù)周期較小，模擬出的織物云紋效果并不明顯;模擬織物的周期適中，外觀可以看出云紋織物的特點(diǎn);模擬織物的周期較大，云紋效果較為明顯。三幅圖像對(duì)比可以看出，模擬織物重復(fù)周期會(huì)影響其外觀效果，本文算法可以調(diào)節(jié)針織物的重復(fù)周期，適應(yīng)性較好。

3.2.4?不同顏色云紋紗的針織物模擬

在實(shí)際開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，云紋紗線有很多不同的顏色種類，這就要求模擬算法必須有較好的品種適應(yīng)性。本文所采用的算法可以適應(yīng)各種顏色種類云紋紗的織物外觀模擬。

分別是兩種不同顏色云紋紗線的織物模擬圖像，兩幅圖像的外觀均有明顯的云紋效果，外觀真實(shí)感好。由此得出，本文所采用的算法具有較好的品種適應(yīng)性。

4?結(jié)?語(yǔ)

本文采用真實(shí)云紋紗圖像模擬緯編針織物，將真實(shí)云紋紗圖像信息映射到優(yōu)化后的Peirce線圈幾何模型兩側(cè)，并對(duì)線圈做串套處理以形成針織物外觀。將模擬的圖像與真實(shí)掃描的織物圖像作對(duì)比可以看出，模擬的織物圖像外觀效果逼真，與真實(shí)掃描織物外觀顏色紋理一致。同時(shí)，又模擬了不同密度、不同紗線及不同紗線起點(diǎn)的緯編針織物，模擬的真實(shí)感好，因此，本文所采用的模擬算法參數(shù)可調(diào)、品種適應(yīng)性較好，解決了傳統(tǒng)需要打小樣預(yù)測(cè)織物布面效果的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]高娜， 李強(qiáng)， 徐伯俊， 等.云紋花色紗周期性規(guī)律研究[J]. 絲綢， 2018， 55（4）： 24-30.

GAO Na， LI Qiang， XU Bojun， et al. Study on the periodical regularity of mottle yarn[J]. Journal of Silk， 2018， 55（4）： 24-30.

[2]高娜， 李強(qiáng)， 徐伯俊， 等. 云紋花色紗的紡制及性能分析[J]. 絲綢， 2017，54（5）：24-28.

GAO Na， LI Qiang， XU Bojun， et al. Moire fancy yarn spinning and its performance analysis[J]. Journal of Silk， 2017， 54（5）： 24-28.

[3]祝成炎. 計(jì)算機(jī)模擬織物外觀的一種方法研究[J]. 絲綢， 1996（6）： 41-43.

ZHU Chengyan. A research on the computer simulation of fabric appearance[J]. Journal of Silk， 1996（6）： 41-43.

[4]沙莎， 蔣高明. 緯編針織物三維模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2016， 37（11）： 166-172.

SHA Sha， JIANG Gaoming. Research status and development trend of 3D simulation technology for weft knitted fabric[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（11）： 166-172.

[5]于斌成， 李柏巖， 劉曉強(qiáng)， 等. 一種增強(qiáng)模擬緯編針織物外觀真實(shí)感的方法[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013，39（5）： 644-649.

YU Bincheng， LI Baiyan， LIU Xiaoqiang， et al. A method to improve the sense of reality of simulated weft knitted fabric appearance[J]. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2013， 39（5）： 644-649.

[6]張繼東， 薛元， 張杰， 等. 應(yīng)用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2017， 38（7）： 148-154.

ZHANG Jidong， XUE Yuan， ZHANG Jie， et al. Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（7）： 148-154.

[7]李忠健， 潘如如， 高衛(wèi)東. 應(yīng)用紗線序列圖像的電子織物構(gòu)建[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2016， 37（3）： 35-40.

LI Zhongjian， PAN Ruru， GAO Weidong. Automatic construction of digital woven fabric using sequence yarn images[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（3）： 35-40.

[8]張寧， 李忠健， 潘如如， 等. 采用色紡紗圖像的真實(shí)感色織物模擬[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2017， 38（5）： 37-42.

ZHANG Ning， LI Zhongjian， PAN Ruru， et al. Simulation of realistic yarn-dyed fabric using colored spun yarn images[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（5）： 37-42.

[9]吳周鏡， 宋暉， 李柏巖， 等. 緯編針織物在計(jì)算機(jī)中的三維仿真[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011， 37（2）： 210-214.

WU Zhoujing， SONG Hui， LI Boyan， et al. 3D simulation of weft knitted fabric in computer[J]. Journal of Donghua University（Natural Science）， 2011， 37（2）： 210-214.

[10]王輝， 方園， 潘優(yōu)華. 緯編針織物線圈模型的分析與研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 25（5）： 521-525.

WANG Hui， FANG Yuan， PAN Youhua. Analysis and research on the weft knitted fabrics’ loop model[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University， 2008， 25（5）： 521-525.

[11]居婷婷. 毛衫織物線圈結(jié)構(gòu)建模與仿真研究[D]. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2012： 30-35.

JU Tingting. Structure Modeling and Simulation of Sweater Fabric Loop[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2012： 30-35.

[12]KALDOR J M， JAMES D L， MARSCHNER S. Simulating knitted cloth at the yarn level[J]. ACM Transactions on Graphics， 2008， 27（3）： 1-9.