应用混色纱纹理信息的纬编针织物模拟

张继东，薛 元，张 杰，郭明瑞，魏晓婷，高卫东

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122；2. 江南大学 纺织服装学院，江苏 无锡 214122)



应用混色纱纹理信息的纬编针织物模拟

张继东1,2，薛 元1,2，张 杰1,2，郭明瑞1,2，魏晓婷1,2，高卫东1,2

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122；2. 江南大学 纺织服装学院，江苏 无锡 214122)

为研究数码混色纱纬编针织物的外观色彩及纹影的模拟方法，利用图像处理技术对采集的图像进行平滑去噪，得到剔除细节的模糊图像，在Lab空间下运用彩色图像硬聚类算法对平滑后的图像进行聚类分割，得到混色纱主体图像，获取其左右的边界和中心线信息；然后在经典的Pierce线圈模型的基础上，利用混色纱主体图像的廓线信息完成由纱线到线圈圈弧和圈柱的映射；最终根据不同组织的圈弧和圈柱的覆盖关系，得到基本纬编针织物组织。结果表明，提出的纱线映射线圈算法，通过织物组织结构及密度可模拟混色纱纬编织物的混色色彩及外观纹影。

混色纱；图像处理；纹理映射；线圈模型；织物模拟

色纺纱是将多种色彩的纤维(染色纤维、原液着色纤维、本色纤维)混纺形成的多色纤维混色纱线。根据色纺纱线在织物上呈现的色彩及纹影机制特征，可将其分类为普通色纺纱和差异化色纺纱[1]。本课题组提出了一种三通道数码纺纱方法，可实现柔性智能化纺纱[2]，它通过对三通道粗纱的异步牵伸、交互变色、梯度配色、混合加捻等机制，控制成形纱线的线密度及色纤维混合比例的变化[3]，形成数码混色纱、数码段彩纱、数码变色纱、数码竹节纱、数码彩节纱和数码双变纱等6类差异化色纺纱线[4]。将这几类色纺数码纱线用于开发机织或针织面料，会在织物表面形成丰富多彩的混色色彩及变化的纹影。其中色纺纱的混色色彩取决于基色的种类及其比例，而混色纹影则取决于混色效应的变化周期、织物组织、织物密度及织物幅宽[5]。

本文以数码混色纱纬编针织物为例，通过对色纺纱进行数字化图像处理，提取混色纱微观纹影信息，将其映射至针织线圈，在考虑基色种类、比例及线圈密度变化的基础上，对纬编针织物形成的纹影机制进行计算机模拟研究。

1 混色纱图像采集及预处理

织物外观模拟可采用仿真纱线[6]，也可采用真实纱线的图像。与仿真纱线相比，采用混色纱真实图像信息既可获得纱线真实丰富的色彩特征，也能得到纱线表面的反射光信息，可更好地表达织物的外观色彩和纹影。

1.1 混色纱的制备

使用品红、黄色和蓝色3根纯棉粗纱，在JW1551型三通道数码彩色细纱机上一步法纺制三基色混色纱。纺制的纱线规格如表1所示。

表1 纱线规格参数Tab.1 Yarn specification parameters

1.2 混色纱纹理信息的采集

图1示出自主研发的纱线图像采集装置[7]。其中：1为成像盒；2为区域扫描CCD相机传感器；3为纱线；4为光源；5为导纱装置；6为相机镜头；7为纱线张力控制面板；8为触摸屏；9为伺服电动机输出辊。该装置可从移动的纱线上捕捉测量纱线的直径、色彩沿长度方向的分布，并得到完整的纱线信息。

图1 纱线图像获取装置Fig.1 Yarn image acquisition device

1.3 混色纱图像预处理

图像预处理是为改善图像数据，抑制不需要的变形或者增强某些图像特征，为后续的特征提取和识别作准备[8]。图2示出纱线图像预处理过程。

图2 纱线图像预处理过程Fig.2 Pre-preprocessing of yarn image. (a) Original image of yarn; (b) Smooth image of yarn; (c) Clustering segmentation image of yarn; (d) Treated image of yarn

处理图像时，首先创建一个中值滤波器[9]，对图像进行平滑滤波，这样不仅可消除噪声，而且可消除太小的细节或将目标内的小间断连接起来实现图像模糊，如图2(b)所示；而阈值分割只能得到二值化图像，不能提取纱线纹理和颜色信息，因此接着使用K-means聚类算法[10]实现色彩图像分割，采用距离作为相似性的评价指标，即认为2个对象的距离越近，其相似度就越大。如式(1)所示，从而得到纱线图像聚类分割图如图2(c)所示，获得纱线主干；最终消除图像的背景色，获得处理后的纱线图像，如图2(d)所示。

(1)

式中：V为类间所有点与该类质心点距离之和；k为设定的聚类数目；xj为每个样本点；ui为每个类的质心。

由于本文实验采用是由红、黄、蓝3根粗纱混合牵伸加捻所形成的混色纱片段序列图像，为能在织物上将混色纱颜色变化完整地呈现出来，在进行纬编针织物模拟时，需要先将分开处理的纱线片段拼接在一起，且要求拼接后纱线长度满足最小周期的整数倍，这样模拟的针织物才可得到准确的图案花型，使设计人员可大致预测不同工艺参数的混色纱在纬编织物上产生的外观图案效果。

为将纱线拼接在一起，需要做如下工作：1)获取纱线主干的左右边界以及纱线的中心线；2)拼接纱线时，将多根纱线条干的中心线对应在1条直线上。

2 混色纱纬编针织线圈的模拟

纬编针织物的基本结构单元是线圈，因此建立合适的几何线圈模型，对于纬编针织物模拟至关重要。而单个几何线圈结构是由沉降弧、圈柱和针编弧3个部分组成的，根据纱线纹理，应当按照织物编织方向的先后顺序实现线圈每个部分的纹理映射。在此基础上，结合线圈与线圈之间的串套关系形成的组织结构，最终实现纬编针织物外观图案的模拟。

2.1 Pierce线圈模型

Pierce线圈模型是纬编针织物中较通用的线圈模型[11]。该模型假设纱线在织物中完全处于理想的状态，并且假设完全松弛的线圈中纱线均匀一致，截面为圆形且左右两边关于y轴对称，上一横列的针编弧与下一横列的沉降弧相切。

图3 Pierce线圈模型Fig.3 Pierce loop model

该模型以O1点为坐标原点建立直角坐标系，其中H为线圈高度，W为圈距，h为线圈与线圈之间的纵向间距，a、b分别为椭圆的长短半轴，线圈各部分几何尺寸数量关系为：线圈高度H=5a；纵向间距h=H-2b；圈距W=3a。设原点O1横纵坐标分别为X0和Y0，其控制线圈的初始位置。由模型的代数关系可得图3中各点的横纵坐标，即A(x,y)=(X0-W/2，Y0+h+b)；B(x,y)=(X0-(W/2-a)，Y0+h)；C(x,y)=(X0-a，Y0)；D(x,y)=(X0，Y0-b)；E(x,y)=(X0+a，Y0)；F(x,y)=(X0+W/2-a，Y0+h)；G(x,y)=(X0+W/2，Y0+h+b)。

2.2 混色纱到线圈圈柱的映射

现假设一个线圈的编织方向由左到右，由下到上。根据图3的线圈模型图，其中直线BC和EF关于y轴对称，令直线BC和EF的斜率为K1和K2，根据B、C、E、F点坐标可得到式(2)。

(2)

则线圈圈柱BC和EF直线方程分别为式(3)、(4)。

(3)

(4)

式中：iBC为线圈圈柱上B点到C点间任意点的纵坐标变化值为Y0+h,…,Y0，其以步长s1递减，其值为-1；iEF为E点到F点间任意点的纵坐标变化值为Y0,…,Y0+h，其以步长s2递增，其值为1。

以上可得到基本线圈的圈柱中心线BC和EF，然后将纱线每个像素点按照圈柱中心线左右两边的位置信息进行填充，见式(5)，完成了混色纱到线圈圈柱的映射。

(5)

式中：等式左侧为线圈圈柱矩阵；等式右侧为纱线图像矩阵；t表示纱线图像的行数，总行数为纱线长度L0；Qx与Qy表示线圈圈柱中心线任意像素点的横纵坐标；dl和dr为2个列向量，其存储的数据分别表示纱线的左边界和右边界每行中每个像素点到中心线的距离；“∶”表示其左边数值以默认数值增加到其右边数值；Z为1、2、3,分别表示RGB颜色空间纱线图像中对应坐标点的R、G、B的颜色分量；R(t)表示存储纱线图像行标的列向量；l(t)和r(t)分别表示为存储纱线条干的左边界和右边界行标的列向量。

2.3 混色纱到线圈圈弧的映射

图4 椭圆坐标图Fig.4 Elliptic coordinates plot

(6)

(7)

(8)

图5 沉降弧区域图Fig.5 area of sinker loop

(9)

(10)

图6 纹理映射的基础线圈Fig.6 Basic loop by texture mapping

2.4 织物组织变化模型的建立

将单个线圈以圈距W和圈高h进行有限循环，即可形成织物布片。但不同组织结构的针织物有着不同的串套关系，即存在着线圈圈柱和线圈圈弧的覆盖关系。本文利用计算机图形学技术，将纱线上的每个像素点位置对应到相应像素点的线圈位置，即可得到图7(a)。显然圈柱和圈弧没有覆盖的视觉效果，所以需要判断纱线上的每个像素点是否为背景色，实现线圈圈柱与圈弧覆盖关系，如图7(b)所示。对于罗纹组织需要判断织物纵行数奇偶，双反面织物需要判断横列数奇偶，见式(11)。

(11)

式中：L(Qy，Qx,Z)表示矩阵，代表线圈上任意位置像素点；mod为取余运算符；r表示初始值j1以纵向间距h为步长增加或减小的变化值，控制织物横列数；c表示初始值为i1以圈距W为步长增加或减小的变化值，控制织物纵行数。

利用这个原理便可改变织物组织的变化规律，从而改变织物的组织类型，如图7(c)、(d)所示。

图7 不同组织覆盖关系Fig.7 Covering relationships of different textures. (a) No conforming to loop covering; (b) Flat texture covering; (c) Rib texture covering; (d) Purl texture covering

3 混色纱纬编针织物的模拟

模拟织物时，应当按照实际织物编制过程的走向，使形成的图案效果更加接近实际。假设编织的横列数为偶数时，织物的编织方向从左到右；横列数为奇数时，织物的编织方向从右到左。通过改变纬编针织物组织变化模型中的参数，即线圈紧密和稀疏程度以及纱线颜色周期的长度，可获得不同的织物外观效果。

3.1 不同织物组织的模拟

纬平针组织是由连续的单元线圈向同一个方向串套而成的，并且具有正反两面，正因为正反面串套关系不同，所形成的花型也不同，如图8(a)、(b)所示。平针组织反面正面形成蓝色的点状花纹，而其反面则形成向左倾斜的条纹。罗纹组织是由正面线圈纵行和反面线圈纵行以一定组合相间配置，如图8(c)所示。罗纹组织面料形成向右倾斜的蓝色条纹。双反面组织是正面线圈纵行和反面线圈横列交替配置，见图8(d)，双反面组织面料形成的条纹规律性不强。

图8 不同组织织物模拟图Fig.8 Simulation images of fabrics with different textures. (a) Plain-knitted front face; (b) Plain-knitted opposite face; (c) Rib; (d) Purl

3.2 不同纵横密度织物的模拟

针织物的密度是在纱线线密度一定的条件下，表示针织物稀密程度的一个重要指标，直接反映出织物中单位长度内的线圈数，同时也极大地影响针织物外在性能与花色，因此通过改变H、W、h、a、b来调整线圈圈高、圈距、线圈形态，可得到纵横密不同的织物效果图，如图9所示。

图9 不同纵横密织物的模拟图Fig.9 Simulation images of tight (a) and sparse (b) plain-knitted fabrics

3.3 不同颜色比例混色纱的模拟

当织物组织相同时，采用不同颜色比例的混色纱，则会形成不同的花色图案。纱线单个周期内的颜色种类越多，织物图案越明显。如图10(a)、(b)为不同颜色比例的平针组织织物，图10(c)、(d)为1+1罗纹组织织物，图10(e)、(f)为双反面组织织物。

图10 不同颜色比例纱线的织物模拟图Fig.10 Simulation images of fabric with different color proportion. (a) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (b) Red∶yellow∶blue=1∶5∶4; (c) Red∶yellow∶blue=4∶5∶1; (d) Red∶yellow∶blue=0∶5∶5(e) Red∶yellow∶blue=5∶5∶0; (f) Red∶yellow∶blue=5∶0∶5.

4 结 语

本文构建了由混色纱真实纹理信息映射纬编织物纹理的模拟方法。实际模拟效果表明，利用Pierce经典线圈模型和处理后纱线图像，可更加直观地表达混色纱在针织物上叠加形成的纹理效果，得到更为真实的针织物图案，为色纺纱及针织物设计提供有效手段。

FZXB

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Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information

ZHANG Jidong1，2，XUE Yuan1，2，ZHANG Jie1，2，GUO Mingrui1，2，WEI Xiaoting1，2，GAO Weidong1，2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textile(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study a simulation method for weft knitted fabric external color and schlieren using digital and mixed color yarn, the details removing blurred image was firstly acquired by smoothing and denoising image using image processing technology . Then color image K-means clustering algorithm was applied to segment the smooth image to obtain yarn body image in the Lab space and clustering around the boundary and the center line of the information. On the basis of classic Pierce′s loop model, the profile information of the mixed color yarn image was used to complete the mapping from yarn to loop arc and loop column. Finally, according to the covering relationships of different textures, basic weft knitted fabrics were obtained. The algorithm proposed for the yarn texture mapping to loop, can simulate mixed color and appearance of schlieren of weft knitted fabric using mixed color yarn according to the actual fabric structure and density.

mixed color yarn; image processing; texture mapping; loop model; fabric simulation

10.13475/j.fzxb.20160805607

2016-08-26

2017-04-08

中央高校基本科研业务费专项资金项目(JUSRP51631A)；中国纺织工业联合会应用基础研究资助项目(J201506)；浙江省科技重大专项项目(2014C11SA480012)

张继东(1992—)，男，硕士生。主要研究方向为织物模拟与计算机仿真。薛元，通信作者，E-mail：fzxueyuan@qq.com。

TS 181.8

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