数字化羊绒测色法及其在长度测量中的应用

衡 冲，沈 华，王府梅

(1. 东华大学 纺织学院，上海 201620；2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

羊绒因优良的手感受到广大消费者的青睐，而世界上约70%的羊绒来自中国[1]。我国现行的标准GB 18267—2013《山羊绒》中，长度、细度、颜色等属性均采用感官检验。检验过程耗时长、效率低下，且结果受人为因素影响大，再现性差。质量检验是制约羊绒质检体制改革的硬伤，也是推进羊绒质检体制改革必须攻克的难关[2]。现有GB 18267—2013中将羊绒的颜色粗略地分成了白绒、青绒和紫绒3类,并有对应外观特征的文字描述。检测人员对照文字描述主观评定羊绒的颜色类别，不可避免地会造成误判。实际应用中发现，不同颜色的羊绒具有不同的应用价值和染色工艺，白绒可直接染成各种鲜艳的颜色，紫绒必须首先经过褪色工艺，去除自身的颜色才能染成需要的颜色[3]。各类羊绒又有深浅程度不同的颜色，例如白绒也有很多种不同的白色，这些纤维原本的底色会影响染色后羊绒呈现的颜色[4]。为更好地实现羊绒染色，对于同一类颜色的羊绒，染色前需要精准地判断羊绒颜色的类别。

长度是决定羊绒价格和用途的关键指标[5]。目前，由于缺乏科学合理的测试技术，国内外的羊绒长度测试标准均采用手排法[6]，该方法费时费力，且主观性强，不符合当今仪器化的发展趋势。光电法测试长度的原理是根据透光量的变化计算纤维集合体的相对面密度，进而实现长度测量[7]。本文课题组经过深入研究后，将Kubelka-Munk双通道模型应用在羊毛透光信号的理论分析中[8-9]，将纤维集合体面密度Wr的算法命名为“Wu-Wang”算法[10-11]。

Wu-Wang透射理论算法在羊绒长度的实际测量应用中，通过2个参数(无穷厚时表观反射率(R∞) 和透射率(T))计算须丛上任一点的面密度(Wr)值。 透射率T通过提取透射图片的灰度值计算得到，不同颜色羊绒的R∞存在很大差异。为快速测量纤维长度，本文课题组近期开发的羊绒测长1.0版方法建立了包含12档R∞的羊绒颜色库，在长度测试之前，通过人眼主观比对待测实物样品与颜色库中的羊绒图片，选择与待测样颜色最接近的图片对应的R∞[12]。该方法主要存在以下缺陷：主观性强，不同人的测试结果存在偏差；颜色库不够丰富，有时待测试样在色卡中找不到对应色，造成较大偏差。即便扩充建立的颜色数据库还是有限的，总是会存在颜色介于2档之间的样品，人为评判时也易出现主观偏差。

基于此，本文提出了基于数字化仪器测色技术，借助颜色模型在不同色空间的转换，计算了3类颜色的羊绒在三维色空间(CIE Lab)的分布，同时得到了表征被测试样内部颜色离散型的指标；并将羊绒的颜色测试指标应用在光电法长度测试中，建立亮度指标L与材料表面无穷厚时的表观反射率R∞的计算模型，从而更加精准地从透光图像提取到表征纤维长度指标的相对面密度曲线。

1 实验及数据处理方法

材料：25种羊绒样品，包括8种白绒、11种青绒和6种紫绒，分别由鄂尔多斯国家羊绒技术检测中心与上海SGS检测中心提供。来样单位提供了每种样品按GB 18267—2013中手排法测试的拜氏图和长度指标。

仪器： Datacolor 850型球形分光光度计，用来测试无穷厚时羊绒的表观反射率R∞；彩色光电耦合器(CCD) 搭建的测色装置，用来采集压实纤维块体的反射光图像；光电检测器，实验室自制。

1.1 羊绒基准反射率测量和R∞计算

为研究本文测色系统计算的颜色指标和Wu-Wang透射理论算法在羊绒纤维长度测量中的应用，采用球形分光光度计测试羊绒在400～700 nm 波长下的反射率，作为羊绒颜色和长度的基准值[13]。实验采用直径为30 mm的最大孔径，每次称取约为6 g 的羊绒紧密堆砌在测试窗口，保证光源发出来光线不透过试样。每种羊绒测试3次，取平均值。

然后根据Wu-Wang透射理论算法计算R∞值，Wu-Wang透射理论算法如式(1)所示。

(1)

式中，Tmin为材料无穷厚时的最小透射率，%。

在该算法中，关键参数R∞的计算采用当量反射率计算方法，如式(2)所示，是根据材料在不同波长下的反射率，与光电检测器的光源对应波长下波谱图的乘积的加权平均。图1(a)示出球形分光光度计测得的羊绒试样无穷厚时，在400～700 nm波长下的反射率(波长间隔为10 nm)。图1(b)示出光电检测器的光源光谱图。

(2)

式中：Pi为某一波长下光源的相对光强，可从图1(b) 光电检测器的光源光谱图得到，从图1(b)400 nm 处开始，每隔10 nm读取该波长对应的相对光强值，直至最后1个值的对应波长为700 nm，共计31个值，然后将这31个相对光强值归一化(每个相对光强/总相对光强)，记为Pi(i为0～31的自然数，0

图1 羊绒的光谱特性图Fig.1 Reflection(a) and spectrogram of photodetector light source(b) of cashmere

1.2 羊绒测色装置及颜色指标计算

数字化羊绒测色装置原理如图2所示。根据测色装置计算羊绒的颜色指标。首先，称取6 g羊绒样品放置在尺寸为10 cm×10 cm的试样筐内，试样筐上部施加19.6 N的压力将纤维集合体压实到恒定密度。打开测色装置，让线型彩色CCD与试样相对运动，得到试样表面反射光的彩色图片。借助颜色模型在RGB-CIE XYZ-CIE Lab色空间的转换得到CIE Lab值，具体计算过程分3步[14]。

图2 测色装置反射原理图Fig.2 Schematic diagram of color measurement device

步骤1：RGB值标准化。

(3)

式中：R、G、B表示8位色彩位数红绿蓝3个通道的颜色；r、g、b表示归一化的红、绿、蓝3个通道的颜色。

步骤2：获取CIE XYZ参数。

(4)

式中，x、y、z表示理想三原色。

步骤3:CIE Lab值的获取

L=116fy-16

(5)

a=500(fx-fy)

(6)

b=200(fx-fz)

(7)

(8)

式中：L为亮度指标；a为红绿色指标；b为黄蓝色指标。a值为正表示偏红，a值为负表示偏绿；b值为正表示偏黄，b值为负表示偏蓝。x0、y0、z0为标准完全漫反射体的白点值，其值分别为95.04、100、108.89。

2 结果与讨论

2.1 3类颜色的羊绒在三维色空间的分布

用彩色CCD成像机测得羊绒样品的反射光信号，经数据处理获得每种羊绒的平均颜色值在三维CIE Lab色空间的分布情况，如图3所示。

注：试样编号根据25种羊绒样品的L值从大到小顺序进行编号。图3 3种颜色的羊绒在三维色空间的数值分布Fig.3 Distribution of three colors of cashmere in CIE Lab color space

由图3可以看出，不同颜色羊绒的L值差异最大，b值次之，a值差异最小。表明可从平均亮度指标L值来区分3类羊绒，紫绒与其他2类的L值差异更大。其中：白绒的L值最大，分布在77.4～83.3之间；青绒次之，分布在69.8～77.2之间；紫绒最小，分布在42.6～62.1之间。3类颜色羊绒的平均L值分布在不同的水平上，但其a和b值存在交叠部分。

颜色是人对光的视觉感知，本质是分子结构中的电子能够对可见光发生选择性地吸收[15]。羊绒呈现不同颜色的原理是材料对入射光线的选择性吸收造成的，不同颜色的羊绒选择性吸收入射的不同波长的光线。基于彩色CCD摄像技术不仅可得到一定面积内羊绒颜色的平均值，还可精确得到每个像素点的颜色值。为了解每种羊绒内部每根纤维颜色的差异性，从白、青、紫绒中随机各选 1种试样，测试计算了各试样内部颜色指标的分布见图4。

图4 3种颜色的羊绒内部的颜色指标分布范围Fig.4 Intra-sample distribution range in color parameters of three colors of cashmere. (a) Values of L; (b) Values of a; (c) Values of b

由图4可以看出，3种颜色羊绒的亮度(L)值基本分布在不同的数值范围内，彩度指标a和b值的分布范围几乎重合。另外，彩度指标a值有正有负，代表在本文实验光照条件下羊绒试样偏红偏绿色均有；而b值绝大部分为正值，代表在本文实验光照条件下羊绒试样偏黄色，物体颜色与自身吸光、反光特性和外加光源、CCD传感器 3个方面因素有关。每种羊绒内部各根纤维的颜色指标也存在一定的离散性。

上述每个颜色指标的离散程度用下式表征。计算结果见图5。

(9)

(10)

图5 羊绒试样颜色的离散情况Fig.5 Intra-sample variation in color of cashmere. (a) Variation values of color parameters; (b) CV values of color parameters

根据图3，将试样按照L值从大到小的顺序编号，也就是试样亮度越暗，试样编号越大。从图5(a) 总体来看，试样越暗，L、a和b值的标准差呈增大趋势，也就是试样越暗，其亮度和彩度的离散程度均呈增大趋势。图5(b)可比较L、a和b值这 3个指标间的相对离散程度，总体来看，a值的离散程度较大，b值次之，L值最小，表明羊绒的亮度指标离散程度小，彩度指标离散程度大。

2.2 光电法测试羊绒长度中R∞与L的关系

R∞是光电法测试计算纤维集合体面密度和纤维长度的必要参数。用球形分光光度计测得无穷厚时羊绒样品在400～700 nm波长条件下的反射率，结果如图6(a)所示，用式(3)计算这些样品的当量反射率R∞如图6(b)所示。

图6 羊绒试样的反射性能Fig.6 Reflection property of cashmere. (a) Reflection obtained by datacolor; (b) R∞ of cashmere

CIE Lab是一种与设备无关的颜色系统，也是一种基于生理特征的颜色系统，用数字化的方法来描述人的视觉感应。L值的物理含义是表示物体的亮度。某一像素点的L值大，则亮度高，表示被反射进入观察者眼睛的光线强，所以L值也是材料反射性能的一种表征。通过CCD扫描物体的彩色反射图片，借助颜色模型在不同色空间的转换获取表征材料对光的反射性能的指标，即是CIE Lab色空间中的L值。R∞物理含义是材料堆积无穷厚时的反射率，表征材料对光的反射性能。L值和R∞的物理含义类同，从理论上分析2个指标间必定存在某种相关关系。通过实验证明，L值和R∞之间存在图7所示的正相关关系。

图7 羊绒表观反射率R∞与颜色 指标L的关系Fig.7 Relationship between L value and R∞ of cashmere

图7横坐标是光电检测器测得的L值，纵坐标是球形分光光度计测得材料无穷厚的反射率R∞。分别采用直线模型和曲线模型拟合二者的关系为:

R∞=1.327L-38.825

(11)

R∞=0.009 23L2.034

(12)

从拟合相关性R2来看，曲线模型效果更优，R2=0.968，说明可通过彩色CCD客观地测试纤维集合体无穷厚时的反射率R∞。该方法不但经济实用，且测试的试样面积大(球形分光光度计测试面积最大孔径为30 mm)，结果的随机波动小，可信度高。

2.3 数字化测色法在长度测量中的应用

用彩色CCD装置测试了本文25种羊绒散纤维的RGB图像，用式(3)～(8)和(12)计算每种羊绒的当量反射率R∞。而后基于本文课题组研发的光电检测器测试了25种羊绒须丛的透光强度，并用纤维集合体面密度的Wu-Wang光学算法计算须丛的面密度分布以及线密度曲线发现，所有羊绒须丛的线密度曲线与按GB 18267—2013测试的拜氏图换算的标准须丛曲线都非常接近，在3类颜色的试样中，选择3种颜色差异性样品的结果对比如图8所示。结果发现二者比较接近。

图8 基于光电检测器和手排法的羊绒长度 测量结果对比Fig.8 Length measurement result comparision of cashmere based on CCD device and manual length method. (a) White cashmere; (b) Grey cashmere; (c) Brown cashmere

本文实验结果证明，用彩色CCD测试羊绒颜色后换算当量反射率R∞，用于计算羊绒须丛线密度曲线，不但便捷，且可行性很高。该结果可应用在双须光电法测试有色纤维长度和有色纤维集合体面密度分布。

3 结 论

1)颜色和长度是羊绒非常重要的指标参数，目前国内外标准均采用人工目测颜色，手排法测试羊绒长度，难免存在误差。基于前期搭建的彩色光电耦合器(CCD)测色装置，分析了3类颜色羊绒在CIE Lab三维色空间的分布，可客观地测试羊绒的颜色。本文方法可用于其他有色纤维的颜色和其他性能的光电检测。

2)本文获得的羊绒颜色值CIEL、a和b值，基于CCD的测色技术还可得到试样内部颜色指标的离散程度。该指标可用于染色、脱色前定量获知原料颜色，精准确定染色、脱色工艺。

3)通过建立基于彩色CCD的L值与Datacolor 850型球形分光光度计测得的R∞之间的计算模型，给出了一条有色羊绒长度测试的成功技术路线：以彩色CCD客观测量羊绒的颜色值L，换算为表观反射率R∞，再用光电测试和Wu-Wang面密度光学算法获取须丛面密度分布和线密度曲线，进而计算羊绒的各项长度指标和长度分布曲线。