色紡段彩紗的呈色機理及其織物外觀風格仿真設計

郭宇飛 范運舫 付東 應雙雙 周赳 周華

摘 要：為了開發快速有效的色紡段彩紗仿真設計技術，從色紡段彩紗的生產工藝出發，在分析段彩紗的生產控制與顏色分布關系的基礎上，推導出紗線混色占比公式，研究了沿紗線長度方向上任意位置點顏色信息的計算方法;依據Stearns-Noechel模型全光譜匹配顏色算法，求得從不同顏色組份的纖維到粗紗、再到紗線的混色光譜反射率，最后轉換為顯示器設備相關的RGB色彩模式，實現了色紡段彩紗織物顏色的仿真設計。然后，結合Peirce線圈幾何模型，將組織點可見部分與真實紗線顏色信息相匹配，結合不同段彩紗生產工藝，實例驗證了色紡段彩紗織物顏色的仿真設計效果。結果表明：仿真設計出的色紡段彩紗織物外觀風格示意圖與實際色紡段彩紗織物風格非常接近，為色紡段彩紗仿真設計技術的實際應用奠定了基礎。

關鍵詞：色紡紗;段彩紗;織物;仿真;混色

Abstract：In order to develop a fast and effective simulation design technology for segment colored yarn， the formula of yarn blending ratio was derived based on the production process of the segment colored yarn and the analysis of the relationship between production control and color distribution of segment colored yarns. The calculation method of color information at any position along the length of the yarn was studied. According to the full spectrum matching color algorithm of Stearns-Noechel model， the mixed spectral reflectance of fibers from different color components to roving and then to yarn was obtained. Finally， it was converted into the RGB color mode related to the display device， and the simulation design of the color of the segment colored yarn fabric was realized. Then， combined with the geometry model of Peirce coil， the visible part of the weave point was matched with the actual yarn color information. Combined with the different production process of segment colored yarn， the simulation design effect of the segment colored yarn fabric color was verified by the example. The results show that the appearance style pattern of the segment colored yarn fabric simulated by the simulation is very close to the actual style of segment colored yarn fabric. It lays a foundation for the practical application of the simulation design technology for segment colored yarn.

Key words：colored spun yarn; segment colored yarn; textile; simulation; color mixing

色紡紗是指紡紗過程中將兩種及以上不同顏色的纖維按照一定比例進行混合，形成顏色效果不均勻的混合“異色”紗線[1]。色紡段彩紗是在普通色紡紗基礎上，通過在生產工藝中控制主、輔紗混合比，使紗線沿長度方向截面內的纖維顏色組合不同，從而在紗線長度方向上呈現出顏色分段分布的效果[2]。色紡段彩紗織物的外觀風格會隨著紡紗工藝參數改變而變化，因此段彩紗織物的外觀風格與紡紗工藝有著密切的聯系。圖1所示為兩種風格效果的段彩紗織物。工廠在正式生產色紡段彩紗織物新品種之前，都需要通過調節紗線的生產工藝參數進行反復打樣，最終才能確定織物風格。為了解決生產試樣成本較高、周期較長的問題，企業迫切需要開發基于紡紗工藝參數的段彩紗設計仿真技術，以滿足日益快速變化的市場需要。

近年來，越來越多的紡織企業及科技人員著手于紡織品的仿真設計與研究。溫泉等[3]采用經典加和公式與全光譜配色算法完成了毛條混色紡紗智能測配色系統的開發，得到的最佳配方能夠滿足企業要求。李丹[4]在智能配色的基礎上研究多色組份隨機夾花與雙色組份組織夾花模板的開發，通過仿真圖像處理實現了色紡紗織物的仿真，使得色紡紗織物的仿真更接近實物樣。

由多色組份纖維形成的色紡段彩紗本身已具有色紡紗特點，但段彩紗表面還有顏色分段排列的特殊效果，這種特點主要是由其特殊的生產工藝決定的，而顏色的分段排列與工藝參數密切相關，因此為了與實際生產工藝流程相一致，必須要基于段彩紗的生產工藝及參數來進行設計與計算。其實，對色紡段彩紗織物的仿真模擬，是一個將紗線沿長度方向上的顏色變化信息與織物組織點相結合的過程，而色紡段彩紗的特征是沿紗線長度方向上的顏色不斷變化的。因此，研究色紡段彩紗織物計算機快速仿真設計，必須要研究色紡段彩紗的加工工藝與紗線主輔紗混色占比的變化規律，以及紗線上顏色分布結構的計算。

1 基于生產工藝的主輔紗混色占比計算

色紡段彩紗結構由節長和節距間隔排列而成，段彩紗節長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，節距部分的顏色為主紗的顏色。目前，段彩紗生產工藝主要通過控制主紗與輔紗定量、傳動比及前區牽伸倍數來改變段彩紗節長部分的混色比。因此，需要推導出節長部分主輔紗占比公式，求出節長部分主輔紗的混色比例才能完成紗線節長部分的混色仿真。

1.1 段彩紗生產原理

色紡段彩紗的生產設備主要是在細紗機上改裝成能夠獨立間歇運動的后羅拉。如圖2所示，主紗由中羅拉連續性喂入，經前羅拉與中羅拉牽伸后形成連續性的基紗須條;輔紗由后羅拉間歇性喂入，由中羅拉與后羅拉牽伸后，與主紗逐漸融合，經牽伸后在前羅拉鉗口處匯合加捻形成段彩紗[5]。

節長是由連續性喂入的主紗及間歇性喂入的輔紗共同形成的紗線片段長度;節距是節長之間僅有連續性喂入主紗形成的紗線片段長度。在生產工藝中，隨著節長增大，紗線上彩節的長度也隨著增大，色紡段彩紗織物表面節長部分就會顯得更密;隨著節距增大，紗線上無輔紗混色的長度越長，色紡段彩紗織物表面節長部分會顯得相對稀疏。用前羅拉到后羅拉之間的傳動比來調節后羅拉的轉速，從而影響節長部分輔紗的占比。傳動比越大，后羅拉的轉速越大，紗線上節長部分輔紗占比越大。

1.2 段彩紗節長部分主輔紗占比計算式的推導

段彩紗的顏色分布在節長和節距部分，其中節距部分的顏色為主紗的顏色，節長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，因此為了對段彩紗節長部分進行混色仿真計算，需要對紗線節長部分主輔紗占比的計算式進行推導。

由圖2所示，在段彩紗節長形成過程中，輔紗通過后羅拉喂入，經過后區牽伸在中羅拉入口處和主紗匯聚，一同喂入前區牽伸最終形成段彩紗。根據段彩紗工藝分析，主要考慮主紗定量、輔紗定量、前區牽伸倍數及傳動比對段彩紗節長部分主輔紗占比的計算，在工藝仿真設計中，與實際存在的誤差是在允許范圍之內的。因此，推導出段彩紗節長部分主輔紗占比計算見式（5）、式（6）：

2 段彩紗混色計算

由上述工藝介紹可知，工藝參數決定了紗線沿長度方向上的顏色分布，節長部分顏色是由主紗、輔紗混色而成，因此將式（5）、式（6）計算出的主輔紗占比作為段彩紗節長部分主輔紗混色時的混色比;另外主紗、輔紗顏色本身也是由一些不同顏色纖維混合而成，因此段彩紗可以呈現復雜豐富多變的顏色效果。如何準確求得不同纖維、紗線混色的顏色，也是段彩紗仿真的一個非常關鍵的步驟。

采用基于Stearns-Noechel模型的全光譜混色算法，根據有色纖維光譜反射率和比例求得混色色紡紗線的顏色，該算法相比三刺激值算法[6]優點主要是配色所用單色數目不受限制，應用范圍廣泛，具有更強的實用性，在前期研究中已經證明此算法對色紡紗線仿真混色配色有效，并得到較好應用獲得企業的認可[7]。

2.1 Stearns-Noechel模型

由于混色是將不同顏色的單色纖維按照不同質量比例進行混合，織物的表觀顏色取決于織物對入射光的反射，因此混色模型是要建立在混色的總體反射率與其組份單色的反射率、混色比例之間的關系。Stearns和Noechel在反射率的中間函數式（7）的基礎上提出了一個能較好地解釋混色紗線的顏色特征的經驗公式（8），稱為Stearns-Noechel模型[8]。

式中：λ為波長;Rblend（λ）表示在波長λ處的混色樣的反射率值;Ri（λ）表示在波長為λ時第i組份單色的反射率值;xi表示設計樣品中i元素所占的質量比例，且∑xi=1;b是一個與波長λ以及組成單色纖維原料相關的參數[9]。

2.2 混色光譜計算過程

全光譜混色理論上是將擬合樣與標準樣各個波段的光譜反射率值完全相同，實現全光譜匹配[10]。通過此算法完成從纖維到粗紗，粗紗到最終紗線的混色。

在各個單色反射光譜Ri（λ）和比例xi條件下，根據式（8）導出混和后的反射光譜Rblend（λ），波長范圍選用可見光波段（400～700 nm之間，每隔10 nm作為一個間隔）算法描述如式（9）[11]：

2.3 混色光譜反射率轉換為顯示器設備RGB表達

對于紗線的仿真混色效果最終要通過計算機顯示器來表達，然而當今市面上所有的顯示器都是與設備相關的，即同一種RGB顏色在不同的顯示器上會呈現出不同的顏色。為了確保顏色準確性，不僅需要選擇專業的顯示器，還要將光譜反射率轉換為顯示器設備相關的RGB色彩模式，步驟：

a） 將式（9）求得的混色光譜，先轉換為設備無關的CIE Lab色彩模式[12];

b） 根據色彩管理要求，顯示器經過特征化，獲取其顏色特征文件ICC Profile[13];

c） 將設備無關的CIE Lab顏色依據顯示器ICC Profile，轉換成顯示器的RGB顏色，從而達到在顯示器上準確顯示出紗線的仿真混色效果[14]。

3 段彩紗顏色排列分布

為了完成段彩紗沿長度方向顏色分布信息，還需要結合實際工藝參數計算段彩紗的結構分布。段彩紗結構由節長和節距間隔排列而成，節長節距改變主要影響段彩紗沿長度方向上的顏色排列結構。在段彩紗的顏色信息仿真模擬當中，需要給出任意長度位置x并求出此處的顏色信息，才能將紗線的顏色信息與具體織物組織結構進行計算，完成色紡段彩紗織物的仿真設計。

在段彩紗的生產過程中，紗線節長、節距分別設定4組參數，其中節長為mi{m1，m2，m3，m4}，節距為nj{n1，n2，n3，n4}，定義節長加節距為紗線的單元D，而紗線上每個單元大小都是由節長和節距在給出數組中分別隨機選取加和而成，因此節長和節距組成的紗線單元大小共有i×j=16種。若紗線由N個單元依次排列組成，其中每個單元都是從這16種單元隨機選取排列而成的，因此每個單元也稱作隨機增量，由N個單元組成的紗線總長度S（N）=D（0）+D（1）+…+D（N）。

判斷紗線上任意長度位置x的顏色信息，需要先判斷出x的具體位置是在節長部分還是節距部分，因此先將x與紗線前N個單元的總長度S（N）進行比較，判斷出x所在的具體單元，然后與此單元的紗線節長節距進行比較確定所在位置。S（k）是前k個單元的總和，每個單元的長度是S（k）的隨機增量，所以S（k）=D（0）+D（1）+…+D（k），假設x位于D（k）單元，即S（k-1）

4 段彩紗顏色設計實例

4.1 主輔紗的顏色計算

主輔紗本身就是多顏色纖維混合的，實際顏色由混合度而定，當混合度為0時，主輔紗的顏色為各個纖維分離的顏色構成;纖維混合度為100時，纖維混合均勻，主輔紗顏色為纖維混合的平均色。主輔紗也同樣存在沿長度方向的色纖維混紡比隨機擾動帶來的顏色變化，因此實際仿真中的主、輔紗線還要加上沿長度方向色纖維混紡比隨機擾動程度參數。

選取單色纖維樣DS04、DS05、DS06，以95.3%、2.5%、2.2%的比例進行混色，依據式（8）、式（9）求得主紗混色樣LG01的光譜反射率，由主紗LG01的光譜反射率計算出L、a、b，結果為L=87.26，a=0.86，b=8.33。其單色纖維樣光譜反射率以及計算出的主紗混色樣光譜反射率如圖4所示，混色過程如圖5所示。

選取不同顏色的單色纖維樣DS01、DS02、DS03，以13.7%、12.5%、73.7%的比例進行混色，依據式（8）、式（9）求得輔紗混色樣LG02的混色光譜反射率，由輔紗LG02的光譜反射率計算出L、a、b，結果為L=34.57，a=-20.58，b=-4.66。其單色纖維樣光譜反射率以及計算出的輔紗混色樣光譜反射率圖6所示，混色過程如圖7所示。

4.2 主輔紗合成段彩紗的顏色計算

段彩紗的顏色是分段連續分布，其中紗線節長部分的顏色為主紗與輔紗的混色，即LG01與LG02的混色，而段彩紗節距部分的顏色為主紗的顏色，即LG01的顏色。

參考色紡段彩紗的生產工藝，如果選取工藝參數為：主紗定量6.3 g/10m，輔紗定量4.5 g/10m，傳動比0.0267，前區牽伸倍數25。根據式（5）、式（6）計算求出主紗占比67.71%，輔紗占比32.29%。將主紗LG01與輔紗LG02以比例67.71%和32.29%進行混色，依據式（8）、式（9）得到段彩紗節長部分顏色，轉換為L、a、b得L=56.67，a=-16.05，b=-2.91，其過程如圖8（a）、圖8（b）所示。段彩紗節距部分的顏色為主紗LG01的顏色，由主紗LG01的光譜反射率計算出L、a、b為L=87.26，a=0.86，b=8.33，如圖8（c）所示。

結合生產工藝參數主紗定量、輔紗定量、傳動比、前區牽伸倍數，已經求出段彩紗節長和節距部分的顏色。因此接下來需要根據節長節距的數據求段彩紗的顏色結構分布，從而獲得沿段彩紗長度方向上任意位置點的顏色信息。

5 色紡段彩紗面料仿真效果展示

根據Peirce線圈模型[15]，假定線圈是由在投影平面上的半圓弧（針編弧和沉降弧）與直線（圈柱）連接而成。線圈模型如圖9所示為緯平針組織結構，線圈長度包括線段0—1、1—2、2—3、3—4、4—5和5—6。由于紗線的彈性力使圈弧呈圓弧狀，可使線段0—1、2—3—4和5—6作為一個直徑等于G的圓周，而線段1—2和4—5為圈柱，將線圈的圈柱部分視為線圈的可見部分，其長度為m。為了計算方便，假設線圈在平面上的投影由直線和圓弧相連接而成如圖10所示。

式中：A為圈距，mm;d為紗線在自由狀態下的直徑，mm;B為圈高，mm;m為圈柱，mm;G為圓周直徑，mm;PA為橫向密度，縱行/50mm;為縱向密度，橫列/50mm。

根據選定的織物規格求出每行織物縱向線圈數和橫列數，可以求出每行的紗線總長度，以及整塊織物紗線的總長度L總。然后采用上文介紹的方法，在程序中根據段彩紗生產工藝參數生成一個長度為L總的段彩紗顏色排列分布信息。

以緯平針組織為例，將線圈的圈柱部分視為線圈的可見部分，因此，只需考慮每個線圈中的圈柱在織物總紗線長度上的位置信息，然后將每個圈柱的位置信息與采用實際工藝參數仿真出來的真實紗線信息相匹配，然后在圈柱上的每個像素點映射此位置的真實顏色信息，從而生成與生產工藝參數結合的面料仿真示意圖。

色紡段彩紗結構是由節長和節距間隔排列而成，節長節距的改變主要影響段彩紗沿長度方向上的顏色分布。根據上文段彩紗顏色結構分布的算法，求出段彩紗的顏色結構分布，獲得沿段彩紗長度方向上的顏色分布信息，產生節長部分顏色（LG01+LG02）與節距部分顏色為LG01的間隔分布。

若選取節長節距（mm）的工藝參數為：節長m{310，330，360，330}，節距n{500，650，750，900}，得到此紗線在緯平針組織上的面料仿真示意圖，如圖11（a）所示。在其他工藝參數不變的條件下，將節長增大為原來的3倍，即m{930，990，1080，990}，節距n{500，650，750，900}，段彩紗節長增大，織物表面段彩紗部分的顏色顯示的也就越長，因此得到風格不同的段彩紗面料仿真效果，如圖11（b）所示。

6 結 語

首先探討了色紡段彩紗中節長、節距、傳動比等生產工藝參數對色紡紗以及色紡紗織物外觀風格的影響規律;基于生產工藝參數，推導了用于段彩紗混色計算的主、輔紗占比公式，依據Stearns-Noechel模型的全光譜混色算法，實現了段彩紗的混色仿真計算;通過段彩紗顏色分布結構算法，得到沿段彩紗長度方向上任意位置點的顏色信息計算方法。最后結合實際工藝參數進行模擬，通過改變工藝參數模擬出不同織物風格仿真示意圖，實例驗證了色紡段彩紗織物顏色和外觀風格的仿真設計效果，為開發結合生產工藝參數的段彩紗顏色和外觀風格仿真設計技術及其實際應用奠定了基礎。

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