基于圖像處理的織物保形性檢測(cè)

唐千惠， 王 蕾， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

織物保形性是衡量織物是否便于使用、易于保養(yǎng)的性能之一，其中折皺回復(fù)性與懸垂性是表現(xiàn)織物保形性的重要指標(biāo)，決定了織物性能與風(fēng)格[1]。近年來，機(jī)器視覺技術(shù)與視頻圖像處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于織物折皺回復(fù)性與懸垂性的檢測(cè)中。王蕾等[2]提出基于視頻序列的織物折皺回復(fù)角動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，精確描述了織物折皺回復(fù)的動(dòng)態(tài)過程。Raja等[3]基于能量模型研究了折皺回復(fù)行為。陳明等[4]自主研發(fā)了織物懸垂三維形態(tài)測(cè)試儀,并提出勻稱度和美感指數(shù)指標(biāo)來反映織物懸垂性能。張曉婷等[5]提出了三維形態(tài)測(cè)試指標(biāo)，更加精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)織物懸垂性能。Sundaresan等[6]設(shè)計(jì)了一種織物懸垂角測(cè)試儀，更準(zhǔn)確地測(cè)量織物懸垂時(shí)陰影區(qū)域的面積。但以目前的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，由于缺少織物保形性檢測(cè)的專用設(shè)備，現(xiàn)有保形相關(guān)性能的評(píng)價(jià)存在指標(biāo)單一的問題。

此外,目前對(duì)織物折皺回復(fù)性及懸垂性的綜合研究較少。鄭鵬程等[7]提出使用主觀模糊評(píng)判與近優(yōu)灰元模型結(jié)合的模糊數(shù)學(xué)雙模型互證法來評(píng)價(jià)休閑西褲的保形性。趙超等[8]證明了PhabrOmeter系統(tǒng)與KES系統(tǒng)中的部分指標(biāo)具有可替代性，結(jié)合2個(gè)系統(tǒng)可綜合評(píng)價(jià)織物保形性。

針對(duì)上述問題，本文提出將自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)與視頻圖像處理技術(shù)結(jié)合的方法，模擬織物服用過程中受壓與展平的過程，從各時(shí)刻織物折痕回復(fù)的視頻序列中提取反映織物保形性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，并分析提取出的指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得的折皺回復(fù)性與懸垂性之間的關(guān)系，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)織物保形性變化動(dòng)態(tài)過程的精確描述與保形性的全面準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1 織物保形性檢測(cè)方法

1.1 織物保形性檢測(cè)裝置

本文所采用的織物保形性檢測(cè)裝置(自制)如圖1所示。裝置由操控系統(tǒng)界面、試樣臺(tái)、抬起裝置、加壓裝置、相機(jī)和上罩蓋組成。

1—操控系統(tǒng)界面； 2—相機(jī)； 3—抬起裝置； 4— 加壓裝置； 5—試樣臺(tái)； 6—上罩蓋。圖1 織物保形性檢測(cè)裝置Fig.1 Fabric shape retention testing device

織物保形性檢測(cè)裝置中的操控系統(tǒng)界面用于加壓時(shí)間、壓力大小和抬起裝置動(dòng)作時(shí)間的控制；試樣臺(tái)由中間留有空隙的2塊梯形體構(gòu)成，便于試樣抬起裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)；試樣加壓裝置對(duì)抬起的試樣加壓，產(chǎn)生折痕；上罩蓋形成封閉空間，隔絕外界干擾因素；相機(jī)用于記錄織物折皺回復(fù)過程，視頻序列采集幀頻為8.60幀/s，視頻圖像為1 284像素×961像素的8位灰度圖像，分辨率為300 dpi。

操作步驟：首先在操控系統(tǒng)界面上輸入加壓時(shí)間、壓力大小等參數(shù)；將試樣平鋪在試樣臺(tái)上，保證試樣中心線位置與試樣臺(tái)中縫重合；啟動(dòng)系統(tǒng)，試樣被抬起裝置抬起上升，隨后被加壓裝置擠壓產(chǎn)生折痕，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的加壓時(shí)間，加壓裝置撤除，抬起裝置下降，試樣在試樣臺(tái)上逐漸展開折痕；最后由相機(jī)記錄試樣展開的過程，并用計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)織物的保形性。

1.2 視頻圖像處理方法

采集到視頻序列中的其中一幀折痕回復(fù)圖像中織物部分如圖2(a)所示。視頻圖像處理步驟為：首先對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，減去預(yù)先儲(chǔ)存的圖像背景，凸顯試樣主體。然后利用大津閾值算法[9]將預(yù)處理后的視頻圖像處理成二值圖像(見圖2(b))，將試樣與背景信息分開，便于對(duì)試樣折痕輪廓的識(shí)別。最后通過細(xì)化算法[10]將二值圖像處理成一條單像素寬的連通曲線(見圖2(c))，獲取細(xì)化織物折痕輪廓所在的位置信息，用于評(píng)價(jià)指標(biāo)的識(shí)別與提取。

圖2 單幀視頻圖像及二值化與細(xì)化后圖像Fig.2 One frame of video image (a) ， binary image (b) and thinning image (c)

1.3 織物保形性評(píng)價(jià)指標(biāo)

從處理后的視頻圖像中提取出評(píng)價(jià)織物保形性的3個(gè)指標(biāo)，即頂角、頂高、保形面積。

1) 頂角是折痕處的頂點(diǎn)位置與試樣折痕的兩邊形成的夾角，首先確定頂點(diǎn)位置，通過Hough變換[11]確定頂點(diǎn)附近折痕輪廓曲線的像素點(diǎn)坐標(biāo)，找到左右極角的峰值，從而得到頂角角度。該指標(biāo)反映織物折痕回復(fù)情況，頂角角度越大，織物抗皺性越好；反之則相反。

2) 頂高是折痕頂點(diǎn)位置與試樣臺(tái)面之間的最短距離，試樣臺(tái)面位置可通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定得到。該指標(biāo)反映織物懸垂性情況，頂高越小，織物懸垂性能越好；反之則相反。

3) 保形面積是試樣折痕的兩邊與試樣臺(tái)面所圍成的面積，通過統(tǒng)計(jì)試樣兩邊與試樣臺(tái)面的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)得到。該指標(biāo)反映織物的綜合保形能力，保形面積越小，織物抗皺性越好，懸垂性越好；反之則相反。

動(dòng)態(tài)測(cè)量織物折痕回復(fù)過程中各時(shí)刻的頂角、頂高與保形面積，繪制3個(gè)指標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線，描述織物折痕回復(fù)的動(dòng)態(tài)過程。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取5種不同種類的織物，沿經(jīng)向與緯向各裁剪4塊30 cm×30 cm大小的試樣，并在相對(duì)濕度為(65±2)%、溫度為(21±1) ℃的條件下放置至少24 h。試樣具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 試樣規(guī)格參數(shù)Tab.1 Sample specifications

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 織物保形性

檢測(cè)織物保形性的具體流程如下：

1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。在操控界面系統(tǒng)界面上設(shè)置壓力10 N，加壓時(shí)間10 s。將試樣平鋪在試樣臺(tái)上，保證試樣中心與試樣臺(tái)中心線重合。

2) 儀器測(cè)試。啟動(dòng)系統(tǒng)，試樣在抬起裝置與加壓裝置的動(dòng)作配合下，產(chǎn)生折痕并自然展開，并由相機(jī)記錄折痕展開后90 s的視頻圖像。

3) 視頻圖像處理。將視頻圖像依次進(jìn)行預(yù)處理、 二值化處理與細(xì)化算法處理，形成連續(xù)的單位像素寬度的曲線，用于評(píng)價(jià)指標(biāo)的識(shí)別與提取。

4) 指標(biāo)提取。從中提取出評(píng)價(jià)織物保形性的3個(gè)指標(biāo)：頂角、頂高與保形面積，分別計(jì)算4塊試樣對(duì)應(yīng)3項(xiàng)指標(biāo)的平均值，并繪制出這3個(gè)指標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線。

2.2.2 織物折皺回復(fù)性

按AATCC 66—2014《機(jī)織物折皺回復(fù)：回復(fù)角》的標(biāo)準(zhǔn)要求, 使用SDL-M003A 型折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的折皺回復(fù)性。首先放置試樣，使用5 N負(fù)載對(duì)試樣施加壓力。 5 min后將試樣平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到圓形刻度試樣架上，試樣進(jìn)入折痕回復(fù)階段5 min后，使用圓形刻度盤讀取并記錄折皺回復(fù)角。

2.2.3 織物懸垂性

按GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測(cè)定》要求，使用YG811E 型織物懸垂性測(cè)試儀測(cè)試試樣動(dòng)態(tài)與靜態(tài)懸垂系數(shù)。首先放置試樣，使用儀器采集試樣靜態(tài)懸垂圖。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到64 r/min時(shí)，采集試樣動(dòng)態(tài)懸垂圖。最后通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，分別獲得試樣的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)懸垂系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 織物保形性測(cè)試結(jié)果分析

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣折痕回復(fù)速率隨時(shí)間增加逐漸降低，折痕展開后約60 s時(shí)恢復(fù)過程基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因此,截取第60 s時(shí)的視頻圖像分析試樣折皺回復(fù)情況。經(jīng)向與緯向試樣折皺回復(fù)情況相似，試樣經(jīng)向圖像如圖3所示。

圖3 經(jīng)向試樣圖像Fig.3 Warp sample image

由圖3看出，不同種試樣的折痕回復(fù)情況有所不同。試樣1#較靠近試樣臺(tái)，試樣3#折痕形成銳利的三角形，其余試樣折痕兩翼較為平緩。所有試樣的頂角清晰，易于測(cè)量。為了更加直觀準(zhǔn)確地描述試樣的折皺回復(fù)情況，動(dòng)態(tài)檢測(cè)5種試樣在折痕回復(fù)階段中頂角、頂高與保形面積的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 保形性指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of shape retention index.(a) Warp apex angle; (b) Weft apex angle; (c) Warp height; (d) Weft height; (e) Warp shape retention area; (f) Weft shape retention area

試樣的頂角、頂高和保形面積的最大標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.8°、0.06 cm、0.13 cm2，說明該方法具有較好的可重復(fù)性。由圖4可以看出，經(jīng)向與緯向試樣的同一個(gè)保形性指標(biāo)隨時(shí)間變化的規(guī)律大致相同。如圖4(a)和(b)所示，隨時(shí)間延長(zhǎng)，試樣頂角先逐漸增加，在60 s后趨于平緩。滌綸織物(試樣2#)的頂角隨時(shí)間變化較平緩，頂角最大，表現(xiàn)出優(yōu)異的折皺回復(fù)性。試樣1#較試樣4#和試樣5#頂角更大，說明絲光潮交聯(lián)整理可改善織物保形性。圖4(c)和(d)中，試樣頂高隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸變小，后趨于平緩。試樣4#與試樣5#的經(jīng)向頂高比緯向頂高小，可能是由于試樣經(jīng)密與緯密差異導(dǎo)致。圖4(e)和(f)中，因受頂角、頂高等影響，各試樣保形面積隨時(shí)間變化趨勢(shì)不同。除試樣2#外，其余試樣的保形面積隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸變小，在30 s后趨于穩(wěn)定。由圖4還可知，試樣2#經(jīng)向頂角和頂高比其余試樣大，導(dǎo)致經(jīng)向保形面積遠(yuǎn)大于其余試樣。因第60 s時(shí)各指標(biāo)趨于平穩(wěn)，能反映織物保形性形態(tài)特征。提取折皺回復(fù)階段第60 s時(shí)各試樣的保形性3項(xiàng)指標(biāo)的平均數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 折痕回復(fù)階段第60 s時(shí)織物保形性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Result of fabric shape retention test at 60 s during crease recovery stage

由表2可知，全部試樣經(jīng)向頂角均大于緯向頂角，經(jīng)向頂高小于緯向頂高。這可能是由于各試樣的經(jīng)密遠(yuǎn)大于緯密，導(dǎo)致經(jīng)向試樣比緯向試樣具有更好的折皺回復(fù)性。通常，試樣的頂角越大、頂高越小，則保形面積越小，反之則相反。經(jīng)向與緯向試樣的3項(xiàng)指標(biāo)平均測(cè)試結(jié)果的Pearson相關(guān)性為0.999，且在0.01 水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，因此，選用經(jīng)向試樣測(cè)試結(jié)果分析與織物折皺回復(fù)性、懸垂性的關(guān)系。

3.2 保形性與折皺回復(fù)性的關(guān)系分析

織物折皺回復(fù)角的平均值如表3所示。5種試樣在經(jīng)向與緯向的折皺回復(fù)角與頂角的Pearson相關(guān)性為0.875(大于0.5)，之間的Sig.值為0.01(小于0.05)，具有顯著相關(guān)性。對(duì)折皺回復(fù)角與頂角的線性回歸分析表明，相關(guān)系數(shù)R2為0.766，說明估測(cè)建立模型與觀測(cè)值擬合程度較好。調(diào)整后R2為0.737，說明自變量頂角在此模型中一共可以解釋因變量折皺回復(fù)角度73.7%的變化。方差結(jié)果表明，F(xiàn)為26.187，對(duì)應(yīng)Sig.值為0.01(小于0.05)，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B(常數(shù)項(xiàng))和頂角的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為-95.135和1.529。常數(shù)項(xiàng)和頂角的Sig.值分別為0.049和0.001(小于0.05)，表明常數(shù)項(xiàng)和頂角對(duì)折皺回復(fù)角產(chǎn)生重大影響。得到的折皺回復(fù)角與頂角之間的線性回歸方程為

Y=-95.135+1.529X

式中：Y為折皺回復(fù)角,(°)；X為頂角,(°)。

表3 參照AATCC 66—2014手動(dòng)方法 測(cè)量的織物折皺回復(fù)角平均值Tab.3 Average value of fabric wrinkle recovery angle according to AATCC 66—2014 manual method

通過分析表明，折皺回復(fù)角與頂角存在對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，即可以通過頂角來預(yù)測(cè)織物的折皺回復(fù)角。

3.3 保形性與懸垂性的關(guān)系分析

織物懸垂系數(shù)的平均值如表4所示。靜懸垂系數(shù)與動(dòng)懸垂系數(shù)的Pearson相關(guān)性為0.959(大于0.5)，之間的Sig.值為0.01(小于0.05)，具有顯著相關(guān)性，因此，只需分析靜懸垂系數(shù)與保形性指標(biāo)間的關(guān)系。靜懸垂系數(shù)與頂角不具有顯著相關(guān)性，但與頂高、保形面積之間的Pearson相關(guān)性均大于0.5，Sig.值均小于0.05，具有顯著相關(guān)性。對(duì)靜懸垂系數(shù)與保形面積的回歸分析表明，相關(guān)系數(shù)R為0.944，調(diào)整后R2為0.855，F(xiàn)=24.675，對(duì)應(yīng)Sig.值為0.016，說明具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B(常數(shù)項(xiàng))和保形面積分別為22.707和20.071。常數(shù)項(xiàng)和保形面積的Sig.值分別為0.049和0.016(小于0.05)，表明常數(shù)項(xiàng)和保形面積對(duì)靜懸垂系數(shù)產(chǎn)生重大影響。得到的靜懸垂系數(shù)與保形面積之間的線性回歸方程為

Y=22.707+20.071X

式中：Y為靜懸垂系數(shù)，%；X為保形面積, cm2。

表4 參照GB/T 23329—2009 手動(dòng)方法測(cè)量的織物懸垂系數(shù)的平均值Tab.4 Average value of fabric drape coefficient according to GB/T 23329—2009 manual method

靜懸垂系數(shù)與頂高雖具有相關(guān)性，但他們之間的線性方程擬合度不如靜懸垂系數(shù)與保形面積線性方程的擬合度好。

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)織物保形性能的動(dòng)態(tài)測(cè)量，可以直觀地看出織物保形性指標(biāo)隨時(shí)間的變化過程。經(jīng)過動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣在折痕回復(fù)階段60 s后各指標(biāo)變化趨于平穩(wěn)，基本達(dá)到保形性最佳恢復(fù)狀態(tài)。

2) 頂角與折皺回復(fù)角，頂高、保形面積與懸垂系數(shù)之間具有線性函數(shù)關(guān)系，因此，可以通過頂角、頂高、保形面積3項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)織物折皺回復(fù)角與懸垂系數(shù)，解決了目前織物保形性檢測(cè)自動(dòng)化程度低、評(píng)價(jià)指標(biāo)單一的缺點(diǎn)，更加全面、高效地評(píng)價(jià)織物保形性，并驗(yàn)證了織物保形性檢測(cè)系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。

3) 今后將增加試樣種類，更改測(cè)試條件，尋求更加穩(wěn)定可行的織物保形性檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)織物保形性更加準(zhǔn)確、全面的評(píng)價(jià)。