基于改進Peirce線圈模型的色紡段彩紗緯平針織物仿真

張 晗，李忠健，潘如如

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，浙江 紹興 312000)

段彩紗是選用兩種及以上原料(顏色)的粗紗，在細紗機上加裝段彩紗裝置，實現(xiàn)一種粗紗為主體紗連續(xù)喂入，另一種粗紗為輔助紗間斷喂入，從而形成具有段彩效應(yīng)的單紗，色紡段彩紗兼具色紡紗和段彩紗的特點，具有豐富的顏色效果，深受消費者的喜愛。

段彩紗的生產(chǎn)一直是色紡企業(yè)的重點和難點，段彩長度隨機分布的特點增加了配色工人的工作難度，車間內(nèi)段彩紗的生產(chǎn)需要反復(fù)打小樣確認(rèn)，因此費時費力。通過計算機技術(shù)快速、直觀地對其外觀效果進行模擬，可以節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

由于段彩紗復(fù)雜的顏色效果，本文選擇建立幾何模型，采用真實紗線圖像法進行模擬。目前國內(nèi)外對緯編針織物建立的幾何模型主要有Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型[1-2]、基于Peirce線圈模型的改進模型[3-5]和B樣條曲線模型[6-9]等。Peirce經(jīng)典緯編線圈模型是早期最具代表性的線圈模型，為后來的研究提供了理論基礎(chǔ)。該模型用半圓表示線圈圈弧，用直線段表示圈柱將針編弧與沉降弧相連，是一個理想化的模型，與實際織物存在差距。在Peirce線圈模型的基礎(chǔ)上，很多研究者提出了一系列的改進模型，Leaf等[5]考慮到紗線編織成線圈時的扭轉(zhuǎn)情況，將圈柱和圈弧均用圓弧表示，與真實的線圈形態(tài)更加貼近，但模型也更復(fù)雜。以上方法均用分段函數(shù)建立二維線圈模型。近年來，隨著三維模擬技術(shù)的逐漸發(fā)展[10]，有研究者[7]利用NURBS樣條曲線建立線圈模型，該方法通過測量實際織物的位置參數(shù)，獲得型值點，利用點的坐標(biāo)構(gòu)建曲線方程，可以建立三維線圈模型，曲線比較靈活，但受到測量數(shù)據(jù)的影響，代表性不強，而且用幾個點來確定三維的線圈形態(tài)存在誤差。

本文通過對緯平針織物的觀察和測量，提出一種基于Peirce線圈模型的改進模型，并利用改進模型對色紡段彩紗緯平針織物進行模擬。研究表明，改進后的線圈模型與織物的實際線圈結(jié)構(gòu)更加吻合，模擬效果與實際織物的外觀效果一致，且能夠適應(yīng)不同線密度的紗線和不同密度的緯平針織物。

1 線圈圖像采集和處理

1.1 圖像采集設(shè)備

本文所用的圖像采集設(shè)備裝置簡圖如圖1所示，該裝置由圖像采集和電機傳動兩部分組成，可以連續(xù)、清晰地采集紗線圖像。

1—MER-132-30GC型工業(yè)相機；2—采集范圍調(diào)節(jié)旋鈕；3—焦距調(diào)節(jié)旋鈕；4—CCD環(huán)形光源；5、6—導(dǎo)紗裝置；7—黑色背景板； 8—顯示屏；9—電源；10—電動機。圖1 圖像采集裝置簡圖Fig.1 Image acquisition device

裝置的圖像采集部分包括MER-132-30GC型工業(yè)相機、CCD環(huán)形光源以及采集范圍調(diào)節(jié)旋鈕和焦距調(diào)節(jié)旋鈕，電動機傳動部分包括電動機、傳動輥、膠輥和導(dǎo)紗裝置。

采集圖像時，將紗線從管紗上退繞下來，經(jīng)過導(dǎo)紗裝置固定在膠輥上，將黑色背景板放置在紗線下方，打開電機，使傳動輥帶動膠輥上的紗線勻速運動，控制相機進行拍照。采用上述方法依次采集200張紗線的圖像。其中，1 pixel相當(dāng)于實際紗線0.016 mm的長度。

1.2 紗線條干提取

為提高模擬的織物外觀與實際織物外觀之間視覺上的相似性，更好地反映織物表面的紋理特征，采用如下方法去除紗線圖像的背景和噪點。具體操作步驟如下：

(1) 二值化處理。用MATLAB軟件讀取紗線圖像，對圖像進行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。然后利用Otsu圖像閾值分割法處理灰度化之后的圖像，轉(zhuǎn)化為二值圖像，其中紗線條干部分的像素值為1，背景部分的像素值為0。

(2) 形態(tài)學(xué)處理。為了達到最佳的去除邊緣毛刺的效果，創(chuàng)建一個半徑為1的平坦型圓盤結(jié)構(gòu)元素，對二值圖像先用開運算處理，平滑紗線輪廓，將細小的突出部分去除，然后用閉運算處理，將缺口部分進行填充，使紗線條干信息更加完整。

(3) 條干提取。將紗線原圖像進行均一化處理，將三通道圖像中每一通道每個像素點的值與步驟(2)所得的二值圖像進行矩陣乘法的運算，得到的新圖像即為去除采集背景而保留紗線條干信息的圖像。

紗線圖像處理前后的對比如圖2所示。

圖2 紗線圖像處理前后對比Fig.2 Comparison of yarn images before and after processing

2 建立線圈模型

對5種緯平針織物的正反面圖像進行采集，分別從織物正、反面圖像中獲得單個線圈圈柱和圈弧的圖像，將兩者進行合成，得到單個線圈的圖像，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，實際織物的左右線圈結(jié)構(gòu)并不是對稱的，這可能是成圈時紗線捻度的存在所造成的。以捻向為Z捻的針織紗為例，線圈的左側(cè)在成圈時具有解捻效果，紗線中的纖維傾向于平行伸直，而線圈的右側(cè)在成圈時具有加捻效果，導(dǎo)致紗線中的纖維螺旋轉(zhuǎn)曲的效果更明顯。因此，對Peirce線圈模型進行改進，建立新的線圈模型。

圖3 5種織物的單個線圈圖像Fig.3 Single loop image of five fabrics

2.1 確立模型中心線

首先需要確定線圈模型中心線，從而建立基本的線圈形態(tài)。建立的線圈模型中心線如圖4所示。

圖4 線圈結(jié)構(gòu)模型中心線Fig.4 Loop structure model centerline

基于對實際線圈結(jié)構(gòu)的觀察，與Peirce線圈模型相比，對一側(cè)圈柱的形狀進行改進。其中：AB段是半徑為b的1/4圓弧，表示線圈左側(cè)沉降弧；BC段是一條直線段，表示左側(cè)圈柱；CD段是半徑為a的1/2圓弧，表示針編弧；DE段是半徑為a的1/8圓弧，EF段是半徑為b的1/8圓弧，DE段和EF段的圓弧在E點處相切，共同組成右側(cè)圈柱；FG段是半徑為b的1/4圓弧，表示右側(cè)沉降弧。

2.2 模型參數(shù)化

為了提高模型的可行性和適用性，對模型中各個參數(shù)之間的關(guān)系進行研究，以避免反復(fù)測量，保證各段曲線相連接。線圈結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)如圖5所示。

a—針編弧的半徑，mm；b—沉降弧的半徑，mm；h—圈柱的高度，mm；W—相鄰縱行之間的圈距，mm；H—相鄰橫列之間的圈高，mm；d—紗線直徑，mm。圖5 線圈結(jié)構(gòu)模型參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of loop structure model parameters

結(jié)合圖4和5，圖4中各點的坐標(biāo)如下：

線圈每個分段的函數(shù)表達式如下：

由于實際織物中線圈高度是一致的，所以模型中左、右圈柱的高度h需保持一致，而右側(cè)圈柱的高度與圈弧的半徑a、b有關(guān)，因此h受到圈弧半徑a、b的影響。結(jié)合圖4建立的線圈模型中心線，三者之間存在以下關(guān)系：

3 織物模擬

基于上述模型和采集的色紡段彩紗圖像，結(jié)合紗線圖像法對織物進行模擬[11]。

由于單張圖像只能采集實際紗線14 mm的長度，因此需要對紗線圖像進行拼接。在圖像采集裝置中對紗線路徑和時間間隔進行控制，經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采集時間間隔為4 150 ms時，可以保證兩張連續(xù)圖像的重疊或缺失長度在10個像素點以內(nèi)，不影響織物外觀效果，因此不考慮采集的紗線圖像片段重合或缺失的情況，對紗線圖像直接進行拼接。

3.1 圖像映射

用紗線圖像模擬織物時，首先建立紗線圖像信息映射模型，將紗線圖像中的條干中心像素點信息按照編織方向依次映射到模型中心線上，然后將中心像素點所在列的像素點信息映射到模型中心線兩側(cè)。由于采集的紗線圖像是直線，但形成線圈時需要彎曲成圈，會發(fā)生紗線壓縮和拉伸。對于紗線壓縮部分，由下一個中心像素點所在列的信息覆蓋前面的像素點信息。對于紗線拉伸部分，拉伸導(dǎo)致紗線條干部分存在像素缺失。經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，用最鄰近插值算法處理[12]可以解決黑點問題。該算法取插值點周圍4個點中距離最近點的灰度值，將該點的灰度值賦給插值點，就能得到插值點的灰度值。處理后單個線圈的模擬結(jié)果如圖6所示，其中左圖中線圈各個參數(shù)值較小。

圖6 單個線圈的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of a single loop

將單個線圈幾何模型沿著橫向和縱向循環(huán)。然后將拼接好的紗線圖像信息映射到線圈模型中。此時得到的織物模擬效果只是線圈的堆疊，而不是呈現(xiàn)圈柱覆蓋于圈弧之上和線圈之間相互串套的外觀。

為了解決這種情況，在紗線真實圖像信息映射至針編弧部分時，檢測背景顏色灰度值。如果背景檢測點的灰度值為零，則說明該點為黑色背景，沒有圈柱部分存在，那么就發(fā)生映射；如果背景檢測點的灰度值不為零，則說明該點有先前映射的圈柱存在，由于圈柱覆蓋圈弧，因此此處不發(fā)生映射[13]。這樣就解決了緯平針織物線圈的消隱問題，完成色紡段彩紗緯平針織物的模擬。

3.2 織物模擬結(jié)果

用主紗部分為黃色、段彩部分為白色的色紡段彩紗進行模擬，為了對比織物模擬效果，將紗線編織成緯平針織物，采集真實織物圖像與模擬結(jié)果進行對比，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，模擬織物將段彩紗編織成織物的效果基本顯示出來，與真實織物之間段彩片段的外觀效果基本一致，可真實反映出所紡紗線織入織物中的條干情況。

圖7 緯平針織物模擬結(jié)果與真實圖像Fig.7 Simulation results and real image of weft plain knitted fabric

4 結(jié)果與分析

通過對比Peirce線圈模型和改進后線圈模型的模擬效果，以及模擬不同織物參數(shù)和段彩參數(shù)的織物，對織物模擬的結(jié)果進行驗證。本文對織物密度和段彩顏色進行了調(diào)整，實現(xiàn)了不同外觀效果的織物模擬。

4.1 模型的驗證

為了驗證改進后的線圈模型與實際織物線圈結(jié)構(gòu)在一個線圈長度上的一致性，隨機選擇了5塊緯平針織物，其主要參數(shù)值如表1所示。

表1 5塊緯平針織物的主要參數(shù)值Table 1 The main parameter values of five weft plain knitted fabrics mm

對實際織物一個線圈的長度進行測量，并結(jié)合織物的密度和紗線線密度，根據(jù)改進后模型的線圈結(jié)構(gòu)，對模型中一個線圈的長度進行了計算，結(jié)果如表2所示。

表2 一個線圈長度的測量與計算結(jié)果對比Table 2 Comparison of the measurement and calculation results of a loop length mm

其中，Peirce線圈模型是一個較為理想的模型，模型中一個線圈長度l=2×(a+b+h)+W+5.94d[1]。由表2可以發(fā)現(xiàn)，改進后的線圈模型計算的一個線圈長度與實際織物的一個線圈長度更加接近。由此表明，與Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型相比，改進模型更具有代表性。

用相同的紗線圖像和織物密度分別對兩種模型的線圈結(jié)構(gòu)進行模擬，如圖8所示。

圖8 兩種模型的緯平針織物模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results of weft plain knitted fabric between two models

由圖8發(fā)現(xiàn)，采用Peirce線圈模型模擬的織物段彩效果不明顯，段彩部分散亂，而用改進后的模型模擬的織物外觀更加飽滿，線圈形態(tài)也更加自然。

為了更好地驗證改進模型的模擬效果，進行主觀評價試驗，選取30名受試者，請受試者分別觀察兩種模型的模擬效果，其中，用Peirce線圈模型模擬的結(jié)果圖稱為a圖，用改進后的線圈模型模擬的效果圖稱為b圖，然后讓受試者在“a圖效果好”“效果相似”“b圖效果好”3個選項中進行選擇，結(jié)果顯示，有22位受試者選擇“b圖效果好”，占總結(jié)果的73%，剩下的8位選擇“效果相似”。由此可以驗證，改進后的線圈模型與Peirce線圈模型相比，前者的模擬效果有一定的改進。

4.2 不同密度的針織物模擬

針織物的縱、橫密度是影響織物外觀的一個重要的參數(shù)，為了提高模擬算法的適應(yīng)性，所用算法可以根據(jù)紗線線密度和所需的織物密度，對模擬織物密度進行調(diào)整，在調(diào)整時，通過控制線圈之間的間距控制模擬織物的密度。根據(jù)需要調(diào)整模擬織物的參數(shù)值。圖9展示了4種緯平針織物密度的仿真效果。

圖9 不同密度的緯平針織物模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of weft plain knitted fabrics with different fabric densities

其中，圖9(a)和(b)為織物密度較大的情況，圖9(c)和(d)為織物密度較小的情況，4種織物模擬效果的參數(shù)如表3所示。

表3 4種織物模擬結(jié)果的參數(shù)值Table 3 Parameter values of four fabric simulation results

由圖9可知，不同織物密度的仿真效果差異很大：織物密度較大時，紗線較緊湊，線圈之間空隙很小，段彩效果明顯；織物密度較小時，線圈之間空隙較大，線圈結(jié)構(gòu)清晰，但由于空隙的存在，段彩效果不明顯。因此，本文提出的方法能實現(xiàn)對不同密度織物的模擬，模擬效果與實際織物的外觀效果一致。

4.3 不同段彩顏色的針織物模擬

色紡段彩紗顏色豐富，在所編織的織物中，段彩部分與主紗部分的顏色會相互影響，因此不容易觀察紗線的配色，通常需要多次打樣才能滿足客戶要求。為此，提出可以對段彩紗針織物的段彩顏色進行調(diào)整的模擬方法，配色工人只需將段彩部分進行配色后，測量混勻后纖維顏色的R(red)、G(green)、B(blue)值，即可對段彩部分的纖維顏色進行替換，避免了反復(fù)打樣。不同段彩顏色的緯平針織物模擬效果如圖10所示。

圖10 不同段彩顏色的緯平針織物模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of weft plain knitted fabrics with different segment colors

其中，圖10(a)中段彩部分為紗線原本的顏色，圖10(b)和(c)為段彩顏色替換后的模擬效果。圖10(b)中段彩部分纖維的R、G、B值分別為148、176、161，圖10(c)中段彩部分纖維的R、G、B值分別為64、46、36。

由圖10可知，段彩部分的顏色不同對織物外觀風(fēng)格的影響很大，較小的顏色偏差就能產(chǎn)生較大的視覺差異。對段彩部分顏色的變化進行模擬，可以減少工人打樣的次數(shù)，加快產(chǎn)品的開發(fā)進度。

5 結(jié) 語

本文基于Peirce線圈結(jié)構(gòu)模型，先確定了改進模型的中心線，并根據(jù)測得的實際緯平針織物結(jié)構(gòu)參數(shù)值確定了各個參數(shù)之間的關(guān)系，最終確定改進后的線圈結(jié)構(gòu)模型。通過紗線圖像法對織物進行模擬研究發(fā)現(xiàn)，所提出的改進線圈模型的模擬結(jié)果與實際織物的線圈結(jié)構(gòu)更加相似。該改進線圈模型可對不同織物密度和段彩顏色進行模擬，提高了模型對于不同織物密度和段彩顏色的緯平針織物的適應(yīng)性，為精準(zhǔn)模擬段彩紗針織物奠定了基礎(chǔ)。