織物手感與手指振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性研究

徐姍姍　閻玉秀

摘 要：為了探究織物手感和手指振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，對手指滑動(dòng)觸摸織物所產(chǎn)生的手指振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測試，并采用因子分析的方法提取特征量。然后對振動(dòng)信號(hào)特征量和織物手感評(píng)價(jià)因子進(jìn)行了相關(guān)性分析。通過研究得到能夠代表手指觸摸織物所受到的振動(dòng)刺激有6個(gè)特征量。特征量與手感評(píng)價(jià)因子的相關(guān)性為：舒適感、柔軟感和光滑感與手指經(jīng)向觸摸織物時(shí)在80～500 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)強(qiáng)度呈強(qiáng)負(fù)相關(guān);舒適感和柔軟感與手指緯向觸摸織物時(shí)在90～300 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)強(qiáng)度呈中度負(fù)相關(guān)。客觀的手指振動(dòng)信息可與主觀評(píng)價(jià)統(tǒng)一起來應(yīng)用于研究織物手感，為織物手感評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性提供了一個(gè)客觀手段。

關(guān)鍵詞：手指振動(dòng);信號(hào)特征值;主觀評(píng)價(jià);手感;相關(guān)性

中圖分類號(hào)：TB383? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2021）05-0088-07

Study on the Correlation Between the Fabric Feel and Vibration Signals of Fingers

XU Shanshan， YAN Yuxiu

（College of Fashion Design & Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to explore the relationship between the fabric feel and vibration signals of fingers， vibration signals produced by fingers sliding and touching fabrics were tested and the characteristic quantities were extracted by means of factor analysis. The relationship between the characteristic quantities of vibration signals and the evaluation factor of fabric feel was analyzed by correlation analysis. Through research， there were 6 characteristic quantities which can represent the vibration stimulation that the fingers were subject to when touching the fabric. The correlation between characteristic quantities and the evaluation factor of hand feel was： comfort， softness and smoothness were strongly negatively correlated with the vibration intensity in the frequency band of 80-500 Hz when the finger touched the fabric warp-wise; comfort and softness were significantly negatively correlated with the vibration intensity in the frequency band of 90-300 Hz when the finger touched the fabric weft-wise. Objective finger vibration information can be unified with the subjective evaluation to study the fabric feel， which can provide an objective means to evaluate fabric feel accurately.

Key words：finger vibration; signal eigenvalues; subjective evaluation; hand feel; correlation

皮膚震動(dòng)是評(píng)價(jià)物體的觸覺信息（如粗糙度和紋理）的重要參數(shù)之一[1]。為了評(píng)估和識(shí)別紋理，開發(fā)出了類人觸覺傳感器和觸覺傳感系統(tǒng)[2-4]。Kikuuwe等[5]把PVDF壓電薄膜傳感器固定在指尖的指甲表面，記錄手指滑過面料組織結(jié)構(gòu)或表面磨損程度不同的機(jī)織物表面所產(chǎn)生的以電壓表示的震動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)震動(dòng)信號(hào)的FFT（Fast fourier transformation）分量可辨別出這些織物。Tanaka等開發(fā)出一套PVDF壓電薄膜傳感器系統(tǒng)，用于模擬人觸摸感的評(píng)測，可記錄傳感器觸頭滑過織物表面時(shí)摩擦震動(dòng)激發(fā)的電壓信號(hào)，發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)在時(shí)域的平均方差和在中、高頻帶范圍內(nèi)的功率譜密度能表征織物的不同觸覺質(zhì)感[6-8]。在這些研究中，PDVF壓電薄膜的可穿戴觸覺傳感器已經(jīng)開發(fā)出來并可直接測量皮膚傳播的震動(dòng)，章媛[9]通過研究服用織物與手指接觸產(chǎn)生的加速度信號(hào)，從中提取出能區(qū)分織物觸感的特征量從而對織物粗糙度和柔軟度進(jìn)行分類，最后用主觀織物粗糙度和柔軟度評(píng)價(jià)結(jié)果對分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

本文對采集到的手指滑動(dòng)觸摸織物的震動(dòng)信號(hào)與織物手感的相關(guān)性進(jìn)行研究。在信號(hào)的處理方面，提取與手指觸覺感受器應(yīng)激反應(yīng)的頻率區(qū)間重合的特征量。設(shè)計(jì)多維度主觀評(píng)價(jià)的方法對織物手感進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析摩擦震動(dòng)信號(hào)與主觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性。

1 手指震動(dòng)信號(hào)的采集

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

手指震動(dòng)記錄裝置（Yubi-Recorder）由名古屋大學(xué)的田中由浩等開發(fā)，Tec Gihan公司生產(chǎn)。裝置由皮膚震動(dòng)傳感器、帶均衡器的放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。

1.2 被 試

受試者為10名手指皮膚與身體均健康的年輕女性，其基本情況如表1所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為24 ℃、相對濕度80%的人工氣候室。受試者對28個(gè)測試樣本進(jìn)行了手指震動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中對受試者的皮膚水分含量、油分含量和皮膚溫度進(jìn)行了檢測記錄。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

選取如表2所示的28種不同類型的服裝材料，包括天然纖維、合成纖維等。根據(jù)JIS L0217—1995《紡織品的注意事項(xiàng)提示標(biāo)簽》標(biāo)準(zhǔn)手工清洗了所有試料，平攤放置晾干。實(shí)驗(yàn)前24 h放置于24 ℃、相對濕度80%的人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)在溫度24 ℃±2 ℃、相對濕度80%±2%的人工氣候?qū)嶒?yàn)室中進(jìn)行。試樣大小為15 cm×5 cm，被放置在六軸力傳感器上。所有受試者都在相同的張力下用皮帶在手指上安裝了可穿戴傳感器，在10 kHz的采樣頻率下測量皮膚傳播的震動(dòng)。受試者在每塊試料上滑動(dòng)觸摸4次，每次滑動(dòng)觸摸的長度為10 cm。摩擦速度限制在10 cm/s左右。為了調(diào)整摩擦速度，所有受試者都聽節(jié)拍器敲打來作為對速度的參考。通過使用六軸力傳感器的輸出，筆記本電腦的屏幕上顯示了兩條呈現(xiàn)0.5 N和施加接觸力的線條，并且指示所有參與者調(diào)整所施加的接觸力，使得這兩條線彼此一致從而使得接觸力被限制在0.5 N左右。實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)受試者保持手指和試料之間的角度幾乎相同。

2 主觀評(píng)價(jià)

2.1 主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目

采用語意評(píng)定法對各試樣進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。有8個(gè)手感評(píng)價(jià)項(xiàng)目，分別為光滑感、柔軟感、輕感、滑感、薄感、干燥感、冷感、舒適感。選擇以下8對評(píng)價(jià)用語來表征8種手感：（1）硬—軟（2）粗糙—光滑（3）重—輕（4）黏連—不黏連（5）厚—薄（6）潮濕—干燥（7）暖—涼（8）不舒適—舒適。在對立的8個(gè)評(píng)價(jià)用語之間劃分出7個(gè)級(jí)，對應(yīng)分?jǐn)?shù)為-3～+3，如表3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的被試、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)環(huán)境與手指震動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)相同。評(píng)價(jià)前，對評(píng)價(jià)人員進(jìn)行一定的訓(xùn)練，以進(jìn)一步提高他們對織物風(fēng)格的

判別能力，正式實(shí)驗(yàn)前，向評(píng)價(jià)人員講述各用語的含義并出示標(biāo)準(zhǔn)試樣。評(píng)價(jià)在溫度20 ℃±2 ℃、相對濕度65%±4%的人工氣候?qū)嶒?yàn)室中進(jìn)行，試樣大小為20 cm×20 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，各評(píng)價(jià)人員在對比標(biāo)準(zhǔn)試樣的基礎(chǔ)上觸摸各試樣后進(jìn)行評(píng)分。為忽略光學(xué)信息的影響，對試樣進(jìn)行了無目視的接觸和評(píng)價(jià)，觸摸方式為按面料緯向和經(jīng)向各觸摸4次，每個(gè)評(píng)價(jià)人員的評(píng)價(jià)獨(dú)立進(jìn)行。

2.3 主觀手感評(píng)價(jià)結(jié)果

用加權(quán)平均數(shù)的方法處理10名受試者對28塊面料的手感評(píng)價(jià)值，得到無目視接觸的織物的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，見表4。1級(jí)對應(yīng)-3分，2級(jí)對應(yīng)-2分，3級(jí)對應(yīng)-1分，4級(jí)對應(yīng)0分，5級(jí)對應(yīng)1分，6級(jí)對應(yīng)2分，7級(jí)對應(yīng)3分，每塊面料各等級(jí)中打分的人數(shù)作為權(quán)重。加權(quán)平均數(shù)的計(jì)算方法為各等級(jí)分?jǐn)?shù)與其權(quán)重相乘后求和，最后除以打分總?cè)藬?shù)10。

3 手指震動(dòng)信號(hào)特征量提取

采用的數(shù)據(jù)集由手指震動(dòng)信號(hào)采集儀器采集而成，該數(shù)據(jù)庫包含10名受試者分別滑動(dòng)觸摸28種試料各4次的手指震動(dòng)電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，共1 120條數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，每條數(shù)據(jù)記錄中包含1 s的電壓信號(hào)，共5 000個(gè)時(shí)間片（數(shù)據(jù)是以10 kHz的采樣頻率進(jìn)行記錄的，因此每個(gè)時(shí)間間隔中就包含有0.000 2 s的電壓數(shù)據(jù)）。圖3為1條記錄的電壓數(shù)據(jù)折線圖。

運(yùn)用快速傅里葉變換將采集到的手指震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的功率譜密度。本文根據(jù)手指觸摸織物時(shí)感知到的刺激強(qiáng)度在0～500 Hz頻域內(nèi)的分布特點(diǎn)，以10 Hz為間隔單位在0～100 Hz的頻率區(qū)間內(nèi)細(xì)分得到10個(gè)小頻段;以50 Hz為間隔單位在100～200 Hz的頻率區(qū)間內(nèi)分出2個(gè)中頻段;以100 Hz為間隔單位在200～500 Hz頻域內(nèi)分出3個(gè)大頻段。總共得到15個(gè)大小不一的頻段，如表5所示。

將手指在各頻段的有效震動(dòng)刺激定義為震動(dòng)強(qiáng)度值，其計(jì)算方法為在每個(gè)頻段內(nèi)以相對應(yīng)的功率譜密度曲線為上限進(jìn)行積分，最后計(jì)算得到15個(gè)震動(dòng)強(qiáng)度值。15個(gè)震動(dòng)強(qiáng)度值間的相關(guān)性分析結(jié)果表明震動(dòng)強(qiáng)度值間的相關(guān)性高，即可用較少的綜合強(qiáng)度值表示存在于各強(qiáng)度值中的信息，即降維。因子分析的方法是降維時(shí)常用的一種方法。

對手指按緯向滑動(dòng)觸摸時(shí)的15個(gè)震動(dòng)強(qiáng)度值進(jìn)行因子分析，提取出了4個(gè)相互獨(dú)立的因子變量代替了原來變量的大部分信息，方差累計(jì)載荷為90%，第一主成分因子所占方差百分比為31.1%，第二主成分因子所占的方差百分比為30.1%，第三主成分因子所占的方差百分比為21.9%，第四主成分因子所占的方差百分比為6.8%。

對手指按經(jīng)向滑動(dòng)觸摸時(shí)的15個(gè)震動(dòng)強(qiáng)度值進(jìn)行因子分析，提取出了2個(gè)相互獨(dú)立的因子變量代替了原來變量的大部分信息，方差累計(jì)載荷為87.9%，第一主成分因子所占方差百分比為44.6%，第二主成分因子所占的方差百分比為43.3%。

將緯向滑動(dòng)觸摸織物時(shí)震動(dòng)強(qiáng)度的第一主成分因子命名為因子1，第二主成分因子命名為因子2，第三主成分因子命名為因子3，第四主成分因子命名為因子4。將經(jīng)向滑動(dòng)觸摸織物時(shí)震動(dòng)強(qiáng)度的第一主成分因子命名為因子5，第二主成分因子命名為因子6。因子載荷矩陣見表6。

從表6所示的因子分析得到的因子載荷矩陣可以得出：

因子1在手指緯向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值5、6、7、8、9上有較高的載荷，參照表5，代表40～90 Hz頻段內(nèi)手指受到的有效震動(dòng)刺激，將因子1命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量1。

因子2在手指緯向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值10、11、12、13上有較高的載荷，代表90～300 Hz頻段內(nèi)手指受到的有效震動(dòng)刺激，將因子2命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量2。

因子3在手指緯向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值2、3上有較高的載荷，代表10～30 Hz頻段內(nèi)手指觸摸織物時(shí)感受到的有效震動(dòng)刺激，將因子3命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量3。

因子4在手指緯向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值14上有較高的載荷，代表300～400 Hz頻段內(nèi)手指受到的有效震動(dòng)刺激，將因子4命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量4。

因子5在手指經(jīng)向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值2、3、4、5、6、7上有較高的載荷，代表10～70 Hz頻段內(nèi)手指受到的有效震動(dòng)刺激，將因子5命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量5。

因子6在手指經(jīng)向觸摸織物的震動(dòng)強(qiáng)度值9、10、11、12、13、14、15上有較高的載荷，代表80～500 Hz頻段內(nèi)手指受到的有效震動(dòng)刺激，將因子6命名為震動(dòng)強(qiáng)度特征量6。

手指屬于人體無毛區(qū)皮膚，無毛皮膚含有四類有髓鞘的傳入神經(jīng)，包括二種快適應(yīng)（Fast Adapting）型，F(xiàn)A1（Meissner）和FA2（pacinian），以及二種慢適應(yīng)（Slowly Adapting）型，SA1（Merkel）和SA2（Ruffini）[10]。

FA1的應(yīng)激頻率區(qū)間為3～40Hz;FA2的應(yīng)激頻率區(qū)間為40～500 Hz，對300 Hz的刺激最敏感;SA1的應(yīng)激頻率區(qū)間為2～16 Hz;SA2的應(yīng)激頻率區(qū)間為100～500 Hz[10]。

6個(gè)手指震動(dòng)強(qiáng)度特征量對應(yīng)的頻率區(qū)間在人手指的4種觸覺感受器的應(yīng)激反應(yīng)頻段內(nèi)，6個(gè)特征量能夠高效表示手指受到的震動(dòng)刺激。表7為手指震動(dòng)強(qiáng)度特征量信息。

4 手指震動(dòng)信號(hào)特征量和主觀手感評(píng)價(jià)因子相關(guān)性分析

對手指震動(dòng)信號(hào)特征量和主觀手感評(píng)價(jià)因子進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)性分析是一種在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常用到的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對多個(gè)具備相關(guān)性的變量因素進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度[11]。兩變量相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近1，則兩變量越相關(guān)。按相關(guān)系數(shù)的大小可以得到幾種不同程度的相關(guān)，若相關(guān)系數(shù)的絕對值大于等于0.8，則說明呈極強(qiáng)相關(guān);若相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.6～0.8區(qū)間內(nèi)，則說明呈強(qiáng)相關(guān);若相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.4～0.6區(qū)間內(nèi)，則說明呈中等程度相關(guān)。表9是相關(guān)分析的主要結(jié)果。

在0.01的顯著水平，特征量2和柔軟感、舒適感呈顯著相關(guān)，特征量6和光滑感、柔軟感、舒適感呈顯著相關(guān)。舒適感、光滑感和柔軟感與特征量6呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.712、-0.705和-0.672。

舒適感和柔軟感與特征量2呈中度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.582、-0.522。

參照表7，特征量2代表手指沿緯向觸摸織物時(shí)在90～300 Hz頻段內(nèi)的震動(dòng)強(qiáng)度，特征量6代表手指沿經(jīng)向觸摸織物時(shí)在80～500 Hz頻段內(nèi)的震動(dòng)強(qiáng)度。

以舒適感、柔軟感和光滑感分別作為因變量，特征量2和特征量6作為自變量，采用逐步的方法做線性回歸分析，分析結(jié)果顯示特征量2均為被排除的變量，得到三個(gè)回歸方程：舒適感=-0.62×特征量6;柔軟感=0.532-0.938×特征量6;光滑感=-1.003×特征量6。三個(gè)方程的回歸系數(shù)的顯著性水平為0.000，明顯小于0.05，說明回歸系數(shù)顯著，線性模型恰當(dāng)。即手指震動(dòng)強(qiáng)度特征量6（按經(jīng)向觸摸）可通過線性回歸模型解釋與主觀手感值間的線性關(guān)系，手指震動(dòng)強(qiáng)度特征值2（按緯向觸摸）不可建立線性回歸模型解釋與主觀手感值間的線性關(guān)系。震動(dòng)強(qiáng)度特征值6越大，舒適感、柔軟感和光滑感的評(píng)價(jià)值越低。

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中手指觸摸面料方式為緯向和經(jīng)向各4次，且配對樣本T檢驗(yàn)結(jié)果為手指震動(dòng)強(qiáng)度特征量2和特征量6無顯著差異，即說明被試者按經(jīng)向和緯向觸摸同一織物時(shí)，手指震動(dòng)強(qiáng)度無顯著差異。手感的評(píng)價(jià)值與按緯向觸摸面料時(shí)手指的震動(dòng)強(qiáng)度無法建立顯著線性回歸模型的原因可能涉及神經(jīng)、心理學(xué)領(lǐng)域，待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

a）根據(jù)傳感器檢測到的0～500Hz頻率范圍內(nèi)的手指震動(dòng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)，細(xì)分出15個(gè)頻段并計(jì)算出各頻段內(nèi)的手指震動(dòng)強(qiáng)度值。因子分析降維得到震動(dòng)強(qiáng)度值6個(gè)特征量，它們能夠代表手指觸覺感受器受到的震動(dòng)刺激。

b）相關(guān)性分析結(jié)果為手感評(píng)價(jià)中的舒適感、光滑感和柔軟感與手指震動(dòng)強(qiáng)度特征值6呈強(qiáng)負(fù)相關(guān);舒適感和柔軟感與手指震動(dòng)強(qiáng)度值2呈中度負(fù)相關(guān)。

c）線性回歸分析得到三個(gè)回歸方程：舒適感=-0.62×特征量6;柔軟感=0.532-0.938×特征量6;光滑感=-1.003×特征量6。手指震動(dòng)強(qiáng)度特征量6（按經(jīng)向觸摸）可通過線性回歸模型解釋與主觀手感值間的線性關(guān)系，手指的震動(dòng)強(qiáng)度特征值6越大，舒適感、柔軟感和光滑感的評(píng)價(jià)值越低。

d）基于手指震動(dòng)信息的特征量對織物舒適感、光滑感和柔軟感進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)可行，客觀的手指震動(dòng)信息能為織物手感評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性提供一個(gè)客觀手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]SLIMAN BENSMIA， MARK HOLLINS. Pacinian representations of fine surface texture[J].Perception & Psychophysics，2005，67（5）：842-54.

[2]MUKAIBO Y， SHIRADO H， KONYO M， et al. Development of a texture sensor emulating the tissue structure and perceptual mechanism of human fingers[C]//Proc IEEE International Conference on Robotics & Automation，2005.

[3]HOSODA K， TADA Y， ASADA M. Anthropomorphic robotic soft fingertip with randomly distributed receptors[J].Robotics & Autonomous Systems，2006，54（2）：104-109.

[4]FISHEL J A， LOEB G B. Bayesian exploration for intelligent identification of textures[J].Frontiers in Neurorobotics，2012，6：4.

[5]KIKUUWE R， NAKAMURA K， YAMAMOTO M. Finger-mounted tactile sensor for evaluating surfaces[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，2011，77（784）：4567-4580.

[6]TANAKA M， CHONAN S， JIANG Z， et al. Measurement and valuation of touch sensation. tactile perception of forefinger compared with PVDF sensor output[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，1999，65（631）：970-976.

[7]TANAKA M， NUMAZAWA Y. Rating and valuation of human haptic sensation[C]//11th International Symposium on Applied Electromagnetics and Mechanics，2004.

[8]TANAKA Y， TANAKA M， CHONAN S. Development of a sensor system for collecting tactile information[J].Microsystem Technologies，2007，13（8-10）：1005-1013.

[9]章媛.基于摩擦震動(dòng)信號(hào)的織物觸感分類研究[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[10]潘志娟，李旭高.觸摸手法的生理機(jī)制及對織物評(píng)價(jià)的影響[J].紡織學(xué)報(bào).2002，23（3）：13-14.

[11]李鋼，胡新榮，姚迅，等.絲綢織物懸垂性影響因子定量相關(guān)性分析[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2015，23（5）：36-42.

收稿日期：2019-11-13 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2020-07-20

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳省級(jí)新產(chǎn)品試制計(jì)劃項(xiàng)目（2018D60SA733456）

作者簡介：徐姍姍（1994-），女，杭州人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性方面的研究。

通信作者：閻玉秀，E-mail：yanyuxiu777@163.com