非规则网点库设计及其织物灰度色阶呈色性能与评价

叶婧婧, 张爱丹

(浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州 310018)

数码提花织物对图像的设计表现依托于纱线色与织物组织的配合设计,其中织物组织及其组合结构是实现数码提花织物创新设计的核心因素[1-2]。基于缎纹组织设计产生的影光组织库及其应用,为数码提花织物在灰度和彩色仿真领域开拓了设计空间,并产生了丰硕成果[3-4]。然而基于缎纹影光组织的灰度仿真提花织物,对图像内容的细节表现十分细腻,但对图像的整体明度基调,以及基于明度基调的强弱对比关系的反映有失客观。尤其是在单经单纬的设计条件下,不同加强方向的缎纹影光组织库,对黑白渐变色的仿色显示出明显不同的呈色效果,不能满足高品质灰度仿真提花织物对呈色稳定性的设计要求[5-6]。

本文借鉴印刷中的混合加网技术,利用随机记录点聚集抖动使连续调图像分离成二色值网点图像的设计原理[7],建立非规则网点库并将其应用于色卡织物和灰度仿真提花织物设计。本文中的非规则网点库是指由一系列具有连续渐变关系的单元网点图构成的图形库,并且单元网点图在网点的形状和排列两方面同时具有一定随机性。通过对分别采用非规则网点库和缎纹影光组织库设计织造的织物色卡呈色性能的比较分析,验证非规则网点织物对灰度色阶的再现能力,为灰度仿真提花织物设计提供一种新的网点图形库。

此外,当前对于提花织物灰度仿真效果的评价方法,主要采用织物色之间自身明度差的比较[8]与织物色与渐变色阶之间的明度差比较[9]两种方法。因此本文在采用这两种方法的基础上,进一步考察了织物样品的亮度、明度、对比度和纹理结构特征等参数对织物灰度仿真效果的影响,使评价结果更符合人眼视觉特征。

1 非规则网点库的设计特征与方法

混合加网技术结合了调幅加网和调频加网的特性,既体现调频网点的随机性分布,又兼具调幅网点在形状和面积上可变性[10]。当前采用网点设计方法进行的灰度仿真提花织物设计,其单个网点的组织排列均为规则分布,并且网点在形状上都是相同的,即网点面积的变化都是基于一个相同的网点形状。因此,本文中非规则网点库的设计,主要发挥了混合加网的随机性技术,使非规则网点的位置分布具有随机性效果。并进一步将这种随机性应用到网点外形和形状大小的设计层面,使网点变成边数和面积均不一致的多边形,产生在形状和大小都具有明显随机性特点。一个非规则网点单元是由一定数量的不规则多边形网点构成的,通过多边形网点面积的变化,即白(黑)色背景和黑(白)色网点的面积比值的不同,达到模拟黑白渐变色的效果。由黑白两色构成的非规则多边形网点,与由经、纬两种组织点构成的织物组织,在一定程度上具有共通性,为单纯的非规则网点单元向织物组织的转化提供了可能性。

非规则网点库的设计主要包括3个方面:中心点路径、网点单元尺寸和灰度级数设计。中心点路径由空间填充曲线决定,填充的曲线不同产生的中心点路径也不同。为使中心点的分布无明显规律性,本文采用Hilbert曲线(图1(a))设计中心点路径,并以圆盘定位方法获得中心点位置,如图1(b)所示。网点单元尺寸由填充曲线的阶数n决定,阶数越高,网点单元的尺寸越大。灰度级数的设计先由定位圆盘的中心点生成Delaunay三角网(图1(c)),生成灰度渐变层次,得到最终的抖动矩阵,如图1(d)所示。其中灰度级数由定位圆盘半径R决定,半径越大产生的中心点数量越少,可生成的灰度级数则越多。

图1 非规则网点生成过程

2 实 验

2.1 方 案

本实验分别将非规则网点库和缎纹影光组织应用于从黑到白的渐变色阶,得到相应的色卡图并织成织物色卡。为考察非规则网点对于黑白渐变色阶的仿真性能,首先将织物样品的测色数据分别与原黑白渐变色阶进行明度差比较分析;再对织物色卡扫描图和黑白渐变色阶进行结构相似性评价,多维度量化分析非规则网点结构织物的灰度仿真特性。实验方案流程如图2所示。

图2 实验方案流程

2.2 织物样品制备

考虑到网点尺寸太大时不能细腻地表现图像细节,网点尺寸太小时会使网点过密从而不能满足织物织造的工艺条件,因此本实验设计了两种规格尺寸的非规则网点库,一种单元网点长宽为183像素×183像素(称为183型),另一种为122像素×122像素(称为122型)。设计上述两种单元网点尺寸时,采用的填充曲线阶数n=5,中心点定位圆盘半径R=2,产生的中心点数量为122个。圆盘半径决定非规则网点图形库的灰度级数,但由于级数过大时会使部分的灰度色域丢失,因此本实验选择色域完好的42阶灰度级数,可以满足42阶内的灰度仿真表现。同时设计了2组缎纹影光组织库,用于设计织造对比样品。影光组织库以24枚7飞为基础组织,经向加强和纬向加强各1组,每次增加组织点数量为12个,每组共计45个组织。

本实验所有织物样品均采用1组米白经和1组黑纬交织而成。经、纬组合均为23.3 dtex×2,桑蚕丝;经、纬密均为1 100根/10 cm。其中非规则网点库中的每个网点单元,是由数量众多的黑色不规则多边形构成,而背景为白色,在织物组织设计环节中需进行点间丝处理,以避免其浮长过长。因此,本文采用了24枚7飞的经面和纬面缎纹作为非规则网点色卡织物的间丝组织。最后获得色卡织物样品共计4组,其中非规则网点织物色卡2组,每组42块,共计84块;缎纹影光组织织物色卡2组,每组45块,共计90块。每块织物色卡尺寸为3.6 cm×3.6 cm,其中1组非规则网点织物色卡实物效果,如图3所示。

图3 非规则网点织物色卡样品

2.3 织物样品测色与扫描

测色设备:CM-700d日本KONICA MINOLTA手持分光测色仪(柯尼卡美能达(中国)投资有限公司)。织物样品测色条件:颜色系统为CIEL*a*b*,光源为D65,观测角度为10°,测量孔径为8 mm。每块色卡织物测量3次取其平均值。

织物样品采用Canon E568扫描仪(佳能(越南)有限公司)进行采样,扫描分辨率为600 dpi,彩色模式,图片保存为BMP格式。4组色卡织物全部扫描完成后,在图形处理软件Photoshop中进行去色,并将每块色卡图像尺寸统一修整为200像素×200像素。由于缎纹影光组织织物色卡组有45块,而非规则网点织物色卡组为42块,为保证4组色卡样品数据组数相同,本文将2组影光组织织物色卡每间隔11块去除1块,每组去除3块。由于经面组织和纬面组织织物色卡不能去除,因此去除的第1块原始编号为12。

3 结果与分析

3.1 织物明度仿真分析

为准确说明色卡织物的整体明度仿真情况和渐变呈色均匀性,首先将4组色卡织物测色所得明度数据按组进行平均值计算;其次统计每组色卡织物样品中每相邻2块色卡织物之间的明度差,再计算各组明度差的标准差,用于表征色卡织物样品色阶过渡的均匀性,结果如表1所示。

表1 织物样品组各项明度值指标

由表1可知,4组织物色卡组明度均值与黑白色阶明度均值为50[11],最接近的是183型非规则网点色卡织物组,其次是122型。前者相对于原色阶整体偏亮2.38%,后者偏亮2.98%。后两位分别是经向加强和纬向加强影光组织色卡织物,其中经向整体偏亮10.64%,纬向则偏暗15.16%。2组非规则网点色卡织物和2组影光组织色卡织物,与黑白渐变色阶之间的明度均值相差分别为2.68%、12.90%,前者比后者降低了10.20%。

色阶明度差的标准差越小,则表明织物色卡组色阶过渡越均匀。由表1中色阶标准差均值可知,色阶过渡最均匀的是183型非规则网点织物色卡组,其后依此是122型、纬向加强和经向加强影光组织织物色卡组。2组非规则网点织物色卡样品组的色阶标准差均值为0.78,而2组影光组织色卡织物样品组的色阶标准差均值为1.28,前者比后者降低了38.80%。说明在相同的织物规格与织造条件下,采用非规则网点设计的织物在呈色上更加均匀。

为考察各组色卡织物样品的明度变化趋势,本文将测色所得明度数据与42级黑白渐变色阶的明度值绘制成曲线,如图4所示。由图4中曲线变化可以看出,2组非规则网点色卡织物明度值极为接近,色阶曲线变化趋势较为平缓,且高明度区域相对于2组缎纹影光组织更接近黑白渐变色阶,可见其明度仿真效果更为理想。

图4 黑白渐变色阶与织物样品明度值曲线

为进一步量化比较4组色卡织物的明度值与黑白色阶理论明度值的整体相似性,本文分别计算了每组织物色卡的明度曲线与理论值直线之间的面积差(表1)。面积差越小,表示2组数据曲线越接近,进而证明两者之间的相似度越高。由表1中的面积差可知,差值最小的是183型非规则网点色卡织物组,其次是122型,且两者的面积差较为接近。纬向和经向加强影光组织织物色卡组都较非规则网点织物色卡组要差,最不理想的是纬向加强影光组织织物色卡组。

通过上述对非规则网点和缎纹影光组织织物色卡样品之间的明度均值、明度标准差均值和面积差的比较表明,183型非规则网点织物色卡组在总体表现上与黑白渐变色阶最接近,并且织物色卡的明度过渡也最为均匀。2组不同网点单元尺寸的非规则网点织物色卡组在3种比较项中的表现都较为接近,而2组不同加强方向的影光组织织物色卡组的数据波动比较明显,这也表明非规则网点织物对均匀过渡的黑白色阶相对于缎纹影光组织织物具有更好的呈色稳定性。

3.2 织物结构相似性评价

考虑到非规则网点织成织物后部分色卡图形较大,小孔径测色仪不能较为准确测量出织物上不均匀色块的明度值,本实验将色卡织物图像与黑白渐变色阶图进行结构相似性(Structural Similarity,SSIM)分析,如下式所示。

(1)

式中:x和y分别表示待比较的两幅图像,μx、μy表示图像x、y的明度均值,σx、σy表示图像x、y的明度方差,σxy表示明度协方差,常数C1=0.000 1、C2=0.000 9。

根据式(1)对4组织物图像与原图像进行数据统计,结果如图5所示。

图5 织物结构相似性比较分析

SSIM值越大,则表示该织物图像与渐变色阶图更接近。由图5可知,在总体趋势上183型非规则网点织物色卡组的SSIM值最高,表明其与黑白渐变色阶的相似度最高,其次是122型色卡组。而2组缎纹影光组织织物色卡组的SSIM值均低于2组非规则网点织物色卡组,表明从织物图像的像素点明度值构成结构层面上,同样是非规则网点织物结构较缎纹影光组织织物结构具有更为理想的效果。

为量化说明4组织物色卡结构相似程度的整体情况,本文计算各组SSIM数据的均值,结果从高到低依次为0.14、0.12、0.10、0.07,分别对应183型、122型、经向加强、纬向加强织物色卡组。2组非规则网点织物的SSIM均值相比缎纹影光组织织物高52.90%,表明在织物的表现上非规则网点比缎纹影光组织更为理想。4组织物的结构相似性评价结果与明度值比较分析情况一致,且具有更好的视觉相关性。

综上所述,无论从色卡织物实测的明度值,还是从色卡织物图像的结构相似性层面的比较分析,都表明非规则网点织物组对黑白渐变色阶的表现在总体上的灰度仿真效果更为理想。而非规则网点单元尺寸的变化,对黑白渐变色阶呈色效果有一定影响,但从本实验的2组研究对象而言,网点单元尺寸较大的比较小的略好一些,整体差距较小。

4 设计应用

在比较分析了分别基于非规则网点库和缎纹影光组织库织物对黑白渐变色阶的灰度仿真性能之后,本文进一步应用于一幅黑白图像(图6(a))的灰度仿真设计,考察其具体实践应用效果。4幅提花织物的工艺规格和织造条件均与色卡织物样品相同。每幅提花织物的长宽尺寸均为27 cm×27 cm,局部效果如图6(b～e)所示。

从4幅提花织物的实物效果来看,其中采用缎纹影光组织的2幅提花织物之间表现出明显的明暗差异,纬向加强提花织物图像整体较原图像要暗,而且人物面部的明暗过渡并不均匀,有断层的迹象,如图6(b)所示;经向加强的则较原图像整体偏亮,而人物面部的阴影层次有较多缺失,使人脸的立体感弱化,如图6(c)所示。2幅非规则网点提花织物所表现的图像,总体明暗关系表现稳定,并且在整体灰度仿真上更接近于原图像,其中122型提花织物纹理较183型细腻,网点感较弱,直观感觉仿真效果更好。

实践表明,4幅提花织物的灰度仿真效果与对应的4组织物色卡组的比较分析结果基本一致。唯一不同的是网点单元较大的183型非规则网点织物色卡组,无论在明度差还是结构相似性方面都是相对最佳的,但在实际应用中,因其网点较大则其纹理较为明显,若为近距离观赏,并非最佳选择,可考虑选择较小尺寸的非规则网点库。

5 结 论

本文提出一种非规则网点库的设计方法,并将其设计织造为基于黑白渐变色阶的织物色卡和提花织物。通过将其与采用缎纹影光组织库的织物样品进行明度仿真分析和结构相似性评价两个方面的量化比较分析,证明在相同织物规格和生产条件下,非规则网点库对均匀过渡的渐变色具有更稳定的灰度仿真性能,同时也能满足对复杂图像的灰度还原表现。

非规则网点库可以通过调节单元网点的大小以满足不同观看距离的应用场景。单元网点大小的变化,除了对图像色的灰度仿真略有影响外,主要是网点形状的可见程度问题。单元网点尺寸越大,织物图像的网点纹理越显著,但网点过大时会影响对图像细节的表达。若是针对近距离观看的对象的灰度仿真,建议选择单元网点规格较小的非规则网点库。此外,在灰度仿真织物的评价方面,基于织物图像的结构相似性分析得到的结论与基于明度差、面积差等的研究结论相符。结构相似性分析综合了织物图像的亮度、明度、对比度和纹理结构特征三个维度的评价指标,为提花织物灰度仿真性能评价提供了一种新的有效方法。

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