基于圖像技術的織物導濕性能測試方法

熊晶晶， 楊 雪， 蘇 靜， 王鴻博

(1. 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122；2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

織物的導濕性是評價織物熱濕舒適性的重要參考指標，目前測試方法仍以傳統的垂直芯吸法和動態水分管理測試法(MMT)為主，存在測試步驟繁瑣，人為誤差不可避免，穩定性不高等問題[1]。圖像處理技術因直觀、準確性高、操作簡便等優勢，在紡織品質量控制和性能測試領域應用越來越廣泛[2]。如在織物疵點智能檢測研究中，杜帥等[3]采用了一種改進的局部自適應對比法，利用最相似鄰域的背景估計來檢測織物疵點，實現了復雜背景下疵點圖像的高準確率在線檢測；在紗線毛羽指數檢測時，陸奕辰等[4]提出一種基于圖像處理技術的紗線黑板毛羽量檢測方法，通過中值濾波及形態學處理等方法，獲取毛羽像素值并建立毛羽預測模型，可較為完整精確地測試紗線毛羽指數。

已有學者將圖像處理技術應用在織物導濕性能測試中：謝梅娣等[5]在滴液法測試織物導濕性時，按一定間隔時間采集織物潤濕過程圖像，經圖像處理后獲得各時刻織物的導濕面積，實現了織物導濕面積的自動測量；杜文豪等[6]設計了圖像法測試裝置和配套的處理軟件，引入圖像視頻技術進行動態觀測，并針對圖像處理中出現的問題提出了相應解決辦法，達到了傳統測試方法難以企及的效果，為織物動態導濕理論的研究提供依據；Raja等[7]在測定織物吸水速率及水分在織物表面擴散情況時，對織物導濕圖像進行形態學與閾值分割處理，并與人工面積法測量進行對比，結果表明圖像法測試與面積法測試結果相關性好，精度更高。

基于圖像處理技術測試織物導濕性能的相關研究已取得一定成果，但具體測試方法尚未標準化，測試結果的穩定性也有待提高。本文將滴液實驗時采集到的織物潤濕圖像經MatLab同態濾波增強處理后，再進行閾值分割得到織物導濕面積，并通過重復實驗對測試過程中的相關條件進行標準化探討，為測試方法的合理性和規范性提供一定依據，也可為實際應用提供相應參考。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

基于圖像處理技術測試織物導濕性能是在滴液法的基礎上進行的，首先搭建滴液實驗裝置，主要包括移液器、織物試樣臺和圖像采集及處理裝置，示意圖如圖1所示。移液器型號為Thermo Fisher 10～100 μL(賽默飛世爾科技公司)；相機型號為ZW-U500(中微科創科技有限公司)，分辨率為2 560像素×1 920像素；圖像采集與處理在Windows 10 MatLab(2018a)軟件中控制操作完成。

1.2 實驗過程

1—移液器； 2—固定螺釘(可上下調整)； 3—支撐夾； 4—試樣臺； 5—立柱； 6—相機； 7—相機夾持夾； 8—底座； 9—USB轉接線； 10—計算機。圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental device

搭建裝置時首先根據相機6的拍攝清晰度，調整相機夾持架7與試樣臺4的間距，固定試樣臺的位置和相機夾持架的高度。然后取一塊方形織物試樣，在布面中心位置沿經緯方向繪制十字線，將織物放置在試樣臺上，調整織物位置使十字線交叉點處于試樣臺的中心，在計算機圖像采集預覽界面中設置定位校準十字線，十字交叉點位于圖像顯示區域中心，調整相機位置(相機鏡頭的軸線與試樣臺的軸線保持一致)使得在圖像預覽界面中，織物的十字線與定位校準十字線重合，固定相機位置。最后放置移液器1，夾持移液器時保持移液器與織物平面垂直，且槍頭(出液口)位置在織物十字交叉點上方，滴液高度的調整通過移液器支撐夾3的固定螺釘2上下移動完成。

實驗時，待測織物試樣放置在試樣臺4上，由移液器1取定量液體滴在織物表面，由計算機軟件控制進行織物圖像采集，并實時顯示在計算機上，再經圖像處理過程后提取測試指標。實驗過程中，液體均在滴落后30 s內達到擴散平衡，設定在液體滴落30 s 時采集圖像。實驗過程中采集到的圖像中潤濕區域應盡可能處于圖像中央位置。滴液高度和滴液量等實驗條件的確定在后文具體探討。

2 圖像處理

圖像處理過程主要是設計合適的算法來分割織物圖像的干濕區域，同時提取潤濕區域的面積特征值。受設備及環境的影響，采集到的圖像存在整體亮度低及光照不均勻的問題，潤濕區域特別是邊緣部分與背景干燥區域對比度低，直接進行圖像分割會損失掉部分信息，對測試結果的準確度造成影響，因此，需先對圖像進行增強處理。

2.1 同態濾波增強

同態濾波是將頻域濾波和灰度變換結合起來的一種圖像增強處理方法，在頻域中壓縮圖像亮度的范圍同時增強圖像對比度，增強圖像暗區細節而不損失亮區細節。對于一幅光照不均勻的圖像，同態濾波可同時實現亮度調整和對比度提升，從而改善圖像質量，避免了直接對圖像進行傅里葉變換處理的失真，原理簡單，計算量小且效果好[8-9]。同態濾波基本原理如下[10]。

根據數字圖像原理，將一幅圖像放入坐標系中，定義為一個二維函數f(x,y)，圖像中的每個像素用(x,y)坐標表示，幅值f為圖像在該點的灰度或強度，圖像來自于照射源對物體的照射，用i(x,y)表示光線的入射分量，r(x,y)表示光線的反射分量，f(x,y)則可通過以下函數關系[9]表示：

f(x,y)=i(x,y)·r(x,y)

由于入射分量和反射分量的相乘性質，不能直接進行傅里葉變換，可先對f(x,y)取對數，分離i(x,y) 和r(x,y)，即有：

lnf(x,y)=lni(x,y)+lnr(x,y)

在空間域上疊加2個分量，再對其進行傅里葉變換得到對應的頻域表示為

F(u,v)=Fi(u,v)+Fr(u,v)

然后選擇一個合適的濾波函數H(u,v)，對F(u,v)進行濾波，結果表示為

S(u,v)=H(u,v)F(u,v)=

H(u,v)Fi(u,v)+H(u,v)Fr(u,v)

濾波后進行反傅里葉變換，返回空域對數圖像：

s(x,y)=F-1[S(u,v)]=F-1[H(u,v)Fi(u,v)]+

F-1[H(u,v)Fr(u,v)]=i(x,y)+r(x,y)

最后取指數得到空域濾波結果：

g(x,y)=exp^(s(x,y))=i0(x,y)·r0(x,y)

在MatLab軟件中根據上述原理編寫代碼，并對織物潤濕圖像進行同態濾波處理，處理前后織物圖像如圖2所示。可以看出，經同態濾波增強后織物圖像亮度明顯提升，同時干濕區域的對比度提高，便于后續干濕區域的分割。

圖2 同態濾波處理前后織物潤濕圖像Fig.2 Fabric wetting image before(a) and after(b)homomorphic filtering

2.2 圖像處理結果量化

織物圖像經同態濾波處理后干濕區域的對比度明顯增強，可直接進行二值化閾值分割，使用regionprops函數獲取最大連通域，再進行形態學操作去除少量孤立噪點，最后計算潤濕區域面積，完整過程如圖3所示。

圖3 圖像處理過程Fig.3 Image processing

經上述圖像處理過程所得的織物潤濕區域面積單位為像素，需進行像素量化轉化為實際面積值，像素量化的準確度將直接影響實驗結果的準確度。采用面積法進行像素量化，參照物選擇已知面積的規則圓形樣卡。對所采集的樣卡圖像運行圖像處理程序，測得面積值像素點為540 000，樣卡實際面積為3.14 cm2，則織物潤濕區域的面積可通過下式[1]計算得到：

式中：S為織物潤濕區域的面積，cm2；SP為潤濕區域像素面積；SC為參照樣卡實際面積，cm2；SCp為參照樣卡像素面積。

3 實驗參數優化

3.1 導濕性能

測試織物導濕性能時液體一般使用蒸餾水或去離子水，為方便觀察液體在織物中的擴散情況，常在液態水中加入有色染料，也有研究者在水中加入適量氯化鈉，與服用面料實際使用時的排汗過程相似[11]。考慮到加入不同試劑會改變液體的表面張力，在織物中的擴散情況也可能出現差異，實驗時取等量的去離子水、質量分數為1%的NaCl溶液和剛果紅溶液，測試3種液體的表面張力，結果分別為72.3、73.6、62.5 mN/m，然后分別對織物試樣進行滴液實驗，比較使用3種液體時測試結果的差異，具體結果如表1所示。文中所有織物原料均為市售，紗線線密度均為14.5 text，織物組織為二上二下左斜，經密為524根/(10 cm)，緯密為283根/(10 cm)。

表1 不同液體導濕面積測試結果Tab.1 Moisture conductivity area of different liquids cm2

由表1可知，在同一織物上3種液體的潤濕面積略有差異，表面張力較小的剛果紅溶液在織物表面的潤濕面積略大于去離子水和NaCl溶液，液滴接觸織物時潤濕速度也較快，NaCl溶液的表面張力與去離子水接近，潤濕面積差異小。一般情況下，液體的表面張力越小其潤濕性能越好，測試液體的選用對實驗結果的影響較小，在測試時可根據測試需求選擇合適的實驗液體，但需對所使用的液體類型及其表面張力加以說明[12]。本文后續實驗使用去離子水作為滴液液體。

3.2 滴液高度

滴液高度是搭建滴液裝置時首先要確定的參數，其他實驗條件的確定都應在同一滴液高度下進行。另外受重力影響，液滴從不同高度滴落到織物上的瞬間芯吸壓力不同[13]，對液體在織物表面傳遞的初始階段有直接影響，因此，選擇合適的滴液高度對液體潤濕情況的分析十分必要。

根據重復實驗結果的差異情況確定滴液高度。在實驗過程中發現，滴液高度超過6 cm時會出現液滴迸濺現象，所以擬定滴液高度選擇1、2、3、4、5、6 cm， 采集在不同液滴高度時棉織物達到擴散平衡時的導濕圖像，每個對應高度重復實驗5組，分析不同高度時重復實驗結果的變異系數(CV),結果取平均值，如表2所示。

表2 不同滴液高度時棉織物導濕面積測試結果Tab.2 Moisture conductivity area test result of cotton fabric with different drop height

由測試結果可知，滴液高度為2 cm時，5次實驗測試結果CV值最小，穩定性最好，當滴液高度增大到6 cm時，偶爾會有液滴飛濺的現象，CV值也較大。在滴液法AATCC 198—2018 《紡織品水平芯吸》測試標準中建議采用的滴液高度為1 cm，根據表2實驗結果可知，當滴液高度設置為1 cm時，導濕面積的差異值也較小，但實驗過程中發現受光照條件的影響，部分淺色織物上出現了移液器倒影的情況，且液滴潤濕速率很快，不利于潤濕過程的觀察，所以綜合考慮確定滴液高度為2 cm固定移液器的位置。

3.3 滴液量

滴液量也直接影響液滴在織物表面的浸潤，滴液量過多會發生滲漏或潤濕面積過大造成相機不便采集；滴液量過少則液體擴散時間短，潤濕面積過小不易測量，實驗結果誤差也較大，因此，須根據實驗裝置設定合適的液滴量，并精確控制重復實驗時滴液量差異。

對棉織物、莫代爾織物、竹漿纖維織物和滌綸織物分別滴定20、30、40、50 μL的液體，觀察并拍攝液滴達到擴散平衡時的圖像發現，當滴液量為50 μL時，莫代爾織物和竹漿纖維織物的潤濕區域超出相機的拍攝范圍，所以為適應相機拍攝條件，設定滴液量為40 μL，可確保獲得各種織物的完整潤濕圖像。實驗過程中需保持每次重復實驗時滴液量一致，在實驗前對單次滴液量進行誤差分析，多次量取液滴稱量，計算稱量結果的CV值。實驗時記錄并計算了10次液滴質量的差異，結果為39.8 μL，CV值約為3.3%，誤差較小。

3.4 圖像采集樣本數

通常而言，重復實驗的次數對織物性能測試結果有一定影響，由于織物的各向異性結構及在織造過程中可能出現的密度不勻、平整度差異、松緊度差異等疵點會造成測試數據的差異，單次測試結果隨機誤差較大，說服力不足，而重復實驗過多會降低實驗效率，浪費布樣，因此，需合理設定重復實驗次數[14-15]。在結合圖像處理技術測試織物導濕性能時，需采集多次重復實驗的圖像增加測試結果的可靠性。

對同一棉織物試樣分別進行3、4、5、6、7、8次滴液實驗，滴液位置變換方法示意圖如圖4所示。采集各次實驗后的導濕面積圖像，經處理后計算各采樣數量下導濕面積的變異系數(CV)值，根據重復實驗結果的穩定性選擇合適的圖像采集樣本數，測試結果如表3所示。在實驗過程中，采樣位置距離布邊均超過5 cm，為保持織物不因重力而塌陷或產生折皺，需使用夾子夾持，夾樣時應注意不產生伸長或折皺，同時應避開布面有明顯疵點的區域。

圖4 取樣方法示意圖Fig.4 Diagram of sampling method

由表3可知，按照圓形法變換滴液位置取樣時，導濕面積CV值呈現了先減小后變大的趨勢，當重復取樣數超過6時，CV值變化不大。在樣本數為5和6時，CV值接近，樣本數為5時變異系數稍小。考慮到節約布料和提高實驗效率，圖像采集樣本數定為5。

表3 采樣數量對導濕面積測試結果的影響Tab.3 Influence of sampling quantity on moisture conductivity area test results

3.5 實踐優化

按照上述實驗條件優化探討結果固定實驗裝置，并對表1中6種織物進行導濕性能測試，經圖像處理后測試結果顯示：莫代爾織物表現出較好的導濕性，導濕面積最大，棉/莫代爾混紡織物次之，而滌綸織物導濕性能較弱，在測試時也可明顯觀察到液體主要沿滌綸紗線表面及紗線之間的空隙擴散，導濕面積較其他親水性織物偏小。對比文獻[16]結果發現，在探討纖維素纖維種類對織物熱濕舒適性的影響時，上述幾種織物芯吸高度測試結果與本文實驗方法所得結論相符，即莫代爾織物的導濕性能優于竹漿纖維織物，棉織物次之，但垂直芯吸法測試過程較為繁瑣，人工讀數誤差也較大，本文基于圖像技術測試方法有一定的優越性。

4 結 論

1)采用同態濾波處理增強和閾值分割方法，可較為完整地分離出織物圖像中的潤濕區域，經圖像處理測得的織物導濕面積與傳統方法計算結果差異小，且測試過程簡單，可避免因人為操作造成的隨機誤差。

2)滴液時可根據實驗需求選擇合適的液體進行實驗，但應對所使用液體的表面張力加以說明，應控制合適的滴液量，不造成液滴滲漏或者潤濕區域過小的現象，同時適應相機的拍攝條件。

3)當滴液高度設置為2 cm，按圓形軌跡變換滴液位置重復實驗5次時，測得的織物導濕面積數據穩定性較好。