基于三維掃描的織物多方向可視化彎曲性測(cè)試方法

摘 要：目前常用彎曲性測(cè)試方法每次只能測(cè)試織物一個(gè)方向的彎曲性能，不能直接觀察到織物不同方向的彎曲形態(tài)，且需要多次裁樣、重復(fù)測(cè)試，耗時(shí)費(fèi)力；針對(duì)這種情況，提出了一種多方向可視化織物彎曲性測(cè)試方法。以20種織物為測(cè)試對(duì)象，利用三維掃描技術(shù)獲取織物彎曲形態(tài)的點(diǎn)云圖像；基于所得圖像提取投影周長(zhǎng)、投影面積和截面積3個(gè)新指標(biāo)；最后分析新指標(biāo)與抗彎長(zhǎng)度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：新指標(biāo)與斜面法中的抗彎長(zhǎng)度有較好的相關(guān)性；織物底端的截面積能較好地體現(xiàn)織物整體的彎曲性能，這表明提出的方法具有良好的可行性。該方法一次測(cè)量可得到織物經(jīng)緯向、斜向的彎曲指標(biāo)，且每個(gè)方向分別有5個(gè)樣條，有效提升了測(cè)試效率；同時(shí)利用三維掃描技術(shù)可以更加直觀精確地描述織物彎曲形態(tài)。

關(guān)鍵詞：織物；彎曲性；多方向；可視化；三維掃描；投影面積；投影周長(zhǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS102.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2024）04-0060-08

織物彎曲性是影響服裝造型和舒適性的重要指標(biāo)［1］，受到人們的廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種織物彎曲性的測(cè)試方法，傳統(tǒng)方法有斜面懸臂法［2］、心形法［3］和圓環(huán)法［4］等，其中斜面懸臂法應(yīng)用最廣，據(jù)此開(kāi)發(fā)的設(shè)備有FAST-2彎曲測(cè)試儀［5］和Shirley硬挺度測(cè)試儀［6］。近年來(lái)又出現(xiàn)了許多新的織物彎曲性測(cè)試方法［7］，如十字交叉法［8］、M形測(cè)試法［9］、蝴蝶結(jié)法［10］等。

目前的織物彎曲測(cè)試方法每次只能測(cè)試一個(gè)方向的彎曲性能，要測(cè)不同方向或多塊試樣需要進(jìn)行多次測(cè)試，且難以觀測(cè)到每個(gè)方向的彎曲性能差異［11］。因此，本文提出了一種基于三維掃描技術(shù)的織物彎曲性測(cè)試方法，通過(guò)分析獲取的點(diǎn)云圖像提取了投影面積、投影周長(zhǎng)和截面積3個(gè)新指標(biāo)。該方法測(cè)試一次可得到織物3個(gè)方向、共15個(gè)結(jié)果，且能將彎曲性測(cè)試結(jié)果可視化，研究結(jié)果可為紡織品檢測(cè)領(lǐng)域提供新的測(cè)試手段。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣的選取

選取20種常見(jiàn)的棉、滌綸和羊毛等織物作為試樣，試樣的規(guī)格見(jiàn)表1。

1.2 斜面法測(cè)試織物彎曲性

根據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 織物彎曲長(zhǎng)度的測(cè)定》，用YG（B）022D型全自動(dòng)織物硬挺儀，在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中測(cè)試試樣經(jīng)向（0°）、緯向（90°）、斜向（45°）的抗彎長(zhǎng)度，且分別對(duì)每塊試樣的正面和反面進(jìn)行測(cè)試。

1.3 新方法測(cè)試織物彎曲性

1.3.1 試樣規(guī)格

經(jīng)過(guò)多次預(yù)實(shí)驗(yàn)得到的試樣形狀和規(guī)格如圖1所示，試樣中心為等腰直角三角形，兩個(gè)直角邊為14.5 cm，分別對(duì)應(yīng)織物經(jīng)向（0°）和緯向（90°），斜邊對(duì)應(yīng)45°斜向。由于傳統(tǒng)的紡織品物理性機(jī)械能測(cè)試時(shí)，取樣一般為5個(gè)，因此試樣在經(jīng)、緯、斜向分別有5個(gè)樣條，每個(gè)樣條長(zhǎng)5.0 cm、寬2.5 cm。為避免因樣條彎曲造成相互遮擋，影響后續(xù)的三維圖像處理，將各樣條間的距離設(shè)為0.5 cm。為使研究更具普適性，試樣裁剪時(shí)在織物的不同位置進(jìn)行取樣，按照?qǐng)D1所示的規(guī)格裁剪3塊；即利用新方法取樣時(shí)，經(jīng)緯和斜向也取自不同的位置。

1.3.2 測(cè)試裝置與原理

測(cè)試裝置如圖2（a）所示。為不影響后續(xù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，直角三棱柱為透明材質(zhì)；三棱柱上表面設(shè)有與試樣中心完全相同的等腰直角三角形。測(cè)試時(shí)，將圖1中的織物試樣放置于裝置上表面，3個(gè)方向共15個(gè)樣條在自身重力作用下彎曲下垂，如圖2（b）所示。織物彎曲形態(tài)的獲取既可采用拍照的方式，也可用三維掃描的形式獲得，本文使用EinScan Pro 2X三維掃描儀對(duì)織物彎曲形態(tài)進(jìn)行提取。由于掃描儀不能獲取織物表面經(jīng)緯方向，因此在織物經(jīng)向放置一個(gè)長(zhǎng)2.0 cm、直徑0.2 cm的圓柱形參照物，在織物三維圖像上形成凸起，以便在后續(xù)處理過(guò)程中區(qū)分織物方向。試樣放置后1分鐘織物彎曲形態(tài)穩(wěn)定，此時(shí)利用三維掃描儀對(duì)織物試樣一周進(jìn)行掃描，之后刪除多余部分并生成半封閉的點(diǎn)云文件。

1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

為方便后續(xù)織物坐標(biāo)點(diǎn)提取，且使用EinScan Pro 2X三維掃描儀難以得到較小的間隙，因此將采集的織物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件，刪除相鄰樣條間多余部分；再將保存好的obj文件導(dǎo)入zbrush軟件，利用move工具對(duì)缺失部分進(jìn)行補(bǔ)充；最后將織物三維圖像表面進(jìn)行平滑處理，消除試樣邊緣的鋸齒部分。

由于直接采集的三維圖像坐標(biāo)系是隨機(jī)的，因此需要在織物表面建立坐標(biāo)系，具體方法是在Geomagic Wrap采集三點(diǎn)平面，對(duì)齊到全局建立坐標(biāo)系。分別以織物經(jīng)向、緯向和豎直方向?yàn)閄軸、Y軸、Z軸建立三維坐標(biāo)系，得到的三維圖像，如圖3所示。

1.5 特征指標(biāo)的提取

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，置于三棱柱上的試樣自由下垂所形成的形狀輪廓各不相同，抗彎長(zhǎng)度越大的織物，樣條伸出裝置邊緣的部分越多，形成的投影面積和周長(zhǎng)越大，因此提取正視角下樣條彎曲形成的投影面積S和周長(zhǎng)C作為特征指標(biāo)，如圖4所示。同時(shí)為分析織物不同方向彎曲性的差異，分別提取織物經(jīng)向（ 0°） 、緯向（ 90°）和斜向（45° ）樣條投影面積和周長(zhǎng)。由于位于三棱柱邊緣處的各樣條寬度相同，因此投影周長(zhǎng)C為樣條在裝置邊緣伸出部分兩側(cè)的長(zhǎng)度之和，C1和C2分別代表伸出部分兩側(cè)的長(zhǎng)度。

以試樣8經(jīng)向?yàn)槔肎eomagic Wrap提取織物試樣四周的點(diǎn)坐標(biāo)，如圖5所示。通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算相鄰點(diǎn)之間的歐幾里得距離［12］，計(jì)算方法如式（1）所示：

式中：d為兩點(diǎn)之間的直線距離；n為空間維度。圖5中，由于點(diǎn)1和點(diǎn)3之間所求的為投影距離，因此將提取到的直線距離利用三角函數(shù)計(jì)算出投影距離，點(diǎn)2、4及點(diǎn)3、4間的距離計(jì)算方式同理。

45°斜向樣條中C1和C2的提取方式分為兩種。第一種，將坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)45°，使X軸與織物斜向平行，計(jì)算方法與上述經(jīng)向投影距離相同；第二種，不改變?cè)镜淖鴺?biāo)系，利用式（1）代入相鄰兩點(diǎn)間的坐標(biāo)值，依次計(jì)算其投影距離C1和C2。最終投影周長(zhǎng)C和面積S的計(jì)算方法如式（2）—（3）所示：

為進(jìn)一步分析織物彎曲程度，提取織物三維點(diǎn)云圖像橫向截面積M，用來(lái)表征織物整體彎曲性能，與上述彎曲投影周長(zhǎng)C和面積S相結(jié)合可分析織物的彎曲性能。在imageware軟件中構(gòu)建平行點(diǎn)云截面，以3個(gè)方向中最高的樣條底端為基準(zhǔn)依次截取1/4、1/2、3/4處和底端共4個(gè)位置的點(diǎn)云截面；截取后擬合并封閉曲線，結(jié)果如圖6所示；最后獲得曲線邊界限制平面面積，即截面積M。

2 結(jié)果與討論

新方法和斜面法的測(cè)試結(jié)果如表2所示，其中經(jīng)向（0°） 、緯向（ 90°）和45°抗彎長(zhǎng)度是斜面法10個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值，S和C為新方法15個(gè)（3塊試樣、每塊試樣每個(gè)方向5個(gè)樣條）測(cè)試結(jié)果的平均值，M是3塊試樣所測(cè)截面積的平均值。

2.1 投影周長(zhǎng)C和面積S與抗彎長(zhǎng)度之間的相關(guān)性

為進(jìn)一步探究斜面法和本文提出的新方法所測(cè)結(jié)果是否具有較好的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)性對(duì)表2中的新指標(biāo)：即投影周長(zhǎng)C和面積S與斜面法所測(cè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，Pearson相關(guān)系數(shù)r計(jì)算公式如式（4）所示：

式中：r代表相關(guān)系數(shù)，n表示樣本量，sx和sy表示隨機(jī)變量X和Y的標(biāo)準(zhǔn)差。實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，新方法的兩個(gè)指標(biāo)與斜面法中的抗彎長(zhǎng)度具有較好的正相關(guān)關(guān)系， 這說(shuō)明抗彎長(zhǎng)度越小的織物，用新方法測(cè)試時(shí)，其投影面積S和周長(zhǎng)C越小。這是因?yàn)樾路椒ê托泵娣ǖ臏y(cè)試原理相同，均為織物僅在自身重力作用下自然彎曲下垂；越柔軟的織物，則越容易受外力影響，不易保持原有的初始狀態(tài)，導(dǎo)致受自身重力彎曲變形后的試樣條尺寸與平鋪尺寸相差越大。

2.2 投影周長(zhǎng)C及面積S與抗彎長(zhǎng)度之間的關(guān)系

為進(jìn)一步建立新方法中的2個(gè)特征參數(shù)（即C和S）與斜面法中的抗彎長(zhǎng)度之間具體的關(guān)系式，將其進(jìn)行曲線擬合。

從圖7可以看出，抗彎長(zhǎng)度與投影周長(zhǎng)C之間的關(guān)系式為：Y=0.248X1+11.163，R2=0.831，其中Y表示抗彎長(zhǎng)度（mm），X1表示投影周長(zhǎng)C（mm）。抗彎長(zhǎng)度和C呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明用該方法測(cè)試時(shí)，抗彎長(zhǎng)度越大，即越硬挺的織物，越不容易彎曲變形，C越接近于織物平鋪時(shí)的周長(zhǎng)。

圖8顯示抗彎長(zhǎng)度與投影面積S為正相關(guān)關(guān)系，具體關(guān)系式為：Y=0.019X2+11.476，其中Y表示抗彎長(zhǎng)度（mm），X2表示投影面積S（mm2）。即越硬挺的織物，用本文方法測(cè)試時(shí)，S越接近于織物平鋪時(shí)的面積。由于本文將織物投影區(qū)域近似看為梯形進(jìn)行面積計(jì)算，因此該指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)略小于投影周長(zhǎng)C。決定系數(shù)R2=0.806，說(shuō)明建立的一次函數(shù)同樣具有較好的擬合效果。

2.3 截面積M與抗彎長(zhǎng)度間的相關(guān)性

1/4處、1/2處、3/4處和底端四個(gè)位置的點(diǎn)云截面積與抗彎長(zhǎng)度之間的相關(guān)系數(shù)如表4所示，其中抗彎長(zhǎng)度為經(jīng)、緯和45°斜向3個(gè)方向的平均值。由表4可知，4個(gè)位置的截面積M都與抗彎長(zhǎng)度呈較好的正相關(guān)關(guān)系；其中底端的截面面積與抗彎長(zhǎng)度相關(guān)性最高，說(shuō)明該位置最能表現(xiàn)織物整體的彎曲性能。

將底端的截面積M和抗彎長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9—圖10所示，可以看出兩個(gè)方法得到的曲線形態(tài)大致相同。即抗彎長(zhǎng)度越大的織物越不容易彎曲，底端所形成的截面積M越大，并越接近于織物試樣平鋪的面積。

2.4 本文方法具有的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)方法相比，本文方法具有以下優(yōu)勢(shì)：a）可同時(shí)得到織物經(jīng)、緯、45° 3個(gè)方向的彎曲性及彎曲各向異性，測(cè)試效率高。b）每個(gè)方向可同時(shí)得到5個(gè)樣條的測(cè)試結(jié)果，對(duì)其取平均，可提高測(cè)試精度；可用于比較每個(gè)方向5個(gè)樣條之間的測(cè)試穩(wěn)定性。c）可直觀反映織物之間的彎曲性差異。

不同織物的彎曲性如圖11所示，圖11中的水平參照物代表織物經(jīng)向，從圖11可以看出：

7#織物最柔軟，因其截面積最小，從不同方向的彎曲性來(lái)看，經(jīng)向最硬挺，45°斜向與緯向比經(jīng)向柔軟，且每個(gè)方向不同樣條間的彎曲性差異不大。

5#在所有織物中最硬挺，且其經(jīng)向最不易彎曲，經(jīng)向5個(gè)樣條基本都呈水平伸直狀態(tài)，其次為45°，緯向最柔軟；從不同方向的彎曲穩(wěn)定性來(lái)看，經(jīng)向較穩(wěn)定，45°雖然也較穩(wěn)定，但5個(gè)樣條均有一定程度的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為樣條投影均不呈矩形，45°樣條間有一定的差異，其中圖11（a）所示織物從左到右

第1個(gè)樣條最柔軟，第5個(gè)最硬挺。

6#經(jīng)向柔軟性僅次于7#，其經(jīng)向和45°斜向的彎曲性差異不大，均比緯向硬挺，3個(gè)方向的5個(gè)樣條間均有一定的彎曲差異性。

8#經(jīng)向硬挺度僅次于5#，緯向硬挺度遠(yuǎn)大于5#，45°彎曲性與5#相差不大，3個(gè)方向均有一定的彎曲差異性，其中經(jīng)向從上到下第1個(gè)和第5個(gè)樣條最柔軟，中間3個(gè)樣條較硬挺；緯向從左到右第3個(gè)樣條最硬挺；斜向從上到下第2個(gè)樣條最硬挺。

綜上可知，利用新方法一次可獲得織物3個(gè)方向，每個(gè)方向5個(gè)樣條的彎曲性，大大提高了測(cè)試效率。其次，該方法可直觀顯示不同織物，以及同一織物不同方向的彎曲性及彎曲差異性，即將測(cè)試結(jié)果可視化，比傳統(tǒng)方法所得的彎曲性數(shù)據(jù)更直觀，更一目了然地體現(xiàn)織物變形能力。

3 結(jié) 論

針對(duì)常用彎曲性測(cè)試方法每次只能測(cè)試織物單個(gè)方向彎曲性的不足，本文用自行設(shè)計(jì)的裝置測(cè)試了20個(gè)織物。通過(guò)三維掃描獲得織物彎曲的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并提取了投影周長(zhǎng)C、投影面積S和截面面積M 3個(gè)特征指標(biāo)，得到以下結(jié)論：

a）新方法中的3項(xiàng)特征指標(biāo)與斜面法的抗彎長(zhǎng)度具有良好的正相關(guān)關(guān)系，表明利用本文提出的方法測(cè)試多方向織物彎曲性具有一定的可行性。

b）織物底端的點(diǎn)云截面積能較好地體現(xiàn)織物整體的彎曲性能，與投影周長(zhǎng)C和投影面積S相結(jié)合，可以用來(lái)分析織物多方向的整體彎曲性能。

c）利用新方法一次取樣即可獲得織物3個(gè)方向，每個(gè)方向5個(gè)樣條的彎曲性，大大提高了測(cè)試效率，測(cè)試效率是現(xiàn)有方法的15倍。

d）新方法可直觀顯示不同織物，以及同一織物不同方向的彎曲性及彎曲差異性，即將測(cè)試結(jié)果可視化。

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A multi-direction visual bending test method of fabrics based on 3D scanning

JIANG Xina， LIU Chengxiaa，b

Abstract： The bending property of the fabric is one of the mechanical properties of the fabric to be evaluated. It affects the formability， drapability， and crease recovery of the fabric to some extent. It also plays a key role in determining the stiffness and softness of the fabric， as well as in the performance of the garment shaping. If the fabric bending stiffness is low， clothing will appear easy to arch， easy to wrinkle， and not easy to recover. On the contrary， if bending stiffness is high， the body fit will be poor. So far， traditional fabric bending performance testing mostly relies on repeated labor. In addition， the existing fabric bending test methods can only test the bending properties of a single direction each time， and it is difficult to directly observe the differences in the bending properties of fabrics in each direction.

In view of the above situation， a multi-direction visual bending test method of fabrics based on 3D scanning was proposed， and three characteristic indexes representing fabric bending were extracted， namely， the projection perimeter of fabric splines in different directions， the projection area and the overall cross-sectional area of fabrics. The projected perimeter and area are measured by the projection formed by the bending shape of the fabric specimen in each direction under gravity conditions. The section area is the area formed by the fitting curve of the point cloud section at 1/4， 1/2， and 3/4， and the bottom of the three-dimensional point cloud of the fabric. Using three-dimensional scanning technology can better show the bending shape of fabrics. Not only can the whole bending property of the fabric be obtained， but also the fabric samples in different directions can be compared and analyzed. The study shows that the results measured by the new method have better correlation coefficients than the results of the conventional cantilever method. The correlation between the projection circumference and the bending length is higher than the projection area， and the section area of the bottom has the highest correlation with the bending length among the four positions.

Although there are a lot of bending test methods， only the bending result of a single direction of the fabric can be obtained from each test. By contrast， the bending results of three directions of the fabric and the bending indexes of the five specimens in each direction can be obtained. At the same time， the bending differences between different fabrics and different directions of the same fabric can be obtained more intuitively. The research results of this paper can provide a more efficient testing method for the field of textile testing， and the testing efficiency is 15 times that of the existing methods， which has good theoretical significance and practical value.

Keywords： fabric; bendability; multi-directional; visualization; 3D scanning; projected area; projected perimeter

收稿日期：2023-06-28 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-10-20

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY20E050017）

作者簡(jiǎn)介：蔣鑫（1998—），女，四川成都人，碩士研究生，主要從事紡織服裝檢測(cè)技術(shù)方面的研究。

通信作者：劉成霞，E-mail：glorior_liu@163.com