唐 晨，王 妮，1b，施楣梧，俞建勇

（1.東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.現(xiàn)代紡織研究院，上海 201620；2.中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082）

紅外攝影是指利用700～1 200nm波段的近紅外線感光成像，雖然該波段電磁波人的肉眼不可見(jiàn)，但數(shù)碼相機(jī)的影像感應(yīng)器卻能很容易地捕捉到，并對(duì)其具有較好的接收記錄能力，能將物體反射、透射的不可見(jiàn)紅外圖像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成為可見(jiàn)的RAW（一種無(wú)損壓縮圖像，它的數(shù)據(jù)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)相機(jī)處理的原文件）影像，并且所形成的影像具有迷幻、空靈、奇異等常規(guī)可見(jiàn)光成像所不具有的特殊效果，視覺(jué)沖擊力強(qiáng)、表現(xiàn)力獨(dú)特[1－2].紅外攝影除了可以拍攝風(fēng)格迥異的照片外，還在其他方面得到廣泛應(yīng)用.例如，在刑事偵查上用于對(duì)文件和犯罪物證進(jìn)行鑒別和揭示；在醫(yī)學(xué)上用于查找病變的細(xì)胞和組織；在植物學(xué)上用于對(duì)植物病理的研究等[3－6].

由于紅外攝影所采用的紅外光線波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)的穿透能力強(qiáng)，使得其常常與透視聯(lián)系在一起[7].紅外透視是指紅外線穿透衣服面料，經(jīng)人體表面的皮膚反射后，再重新透射過(guò)衣服面料，最后在相機(jī)上成像的過(guò)程，所成的像具有近似“裸體”或“半裸”的效果[8].一般而言，對(duì)于輕薄面料或在面料吸濕的情況下，這種透視效果會(huì)更加明顯.為了防止紅外透視造成的不良影響及紅外光對(duì)正常影像形成干擾而產(chǎn)生偏色，很多數(shù)碼相機(jī)的廠商都會(huì)在數(shù)碼相機(jī)上面做一些限制性設(shè)置或者在鏡頭的前面安裝一個(gè)紅外截止濾鏡，這種濾鏡可以部分截止一些紅外線穿過(guò)鏡頭，而只允許可見(jiàn)光通過(guò)并成像[4].

文獻(xiàn)[9-12]研究了紡織品對(duì)紅外輻射的反射、透射和吸收，并建立了紅外輻射在單層、多層織物中透射、反射和吸收的模型，研究的紅外波段主要集中在中遠(yuǎn)紅外部分，與近紅外波段的性質(zhì)不同.為了研究影響常用服裝面料近紅外光透射／屏蔽效果的因素，本文測(cè)試了47種不同原料、厚度、孔隙率、面密度的平紋機(jī)織坯布在700～1 200nm波段的近紅外光透射率，利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定了影響透射率的主要因素，并通過(guò)主成分分析法提取了主要的影響因子并建立回歸方程.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

47種不同原料、厚度、孔隙率、面密度的平紋機(jī)織坯布樣品的基本參數(shù)如表1所示.

表1 試樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the testing fabrics

續(xù) 表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 孔隙率測(cè)試

織物孔隙率的測(cè)試采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行，具體方法是首先利用KH-1000型三維視頻顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行拍照，由于所選織物為本色坯布，底板采用黑絨板，光源為100W鹵素?zé)簦行袼貫?50×984，根據(jù)面料孔隙率的差異分別選擇50，100，120，200倍的放大倍數(shù)進(jìn)行拍照保存；然后應(yīng)用Matlab軟件對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行圖像處理，即先將真彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，根據(jù)灰度直方圖選取合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，使得孔隙和纖維分屬黑、白兩種顏色.圖1所示為所測(cè)試的其中一種織物的原始圖像與經(jīng)過(guò)處理后的圖像的對(duì)比.孔隙率的計(jì)算如式（1）所示.

由圖1可見(jiàn)，短纖維紗線毛羽的存在對(duì)布面的孔隙率具有一定的影響.雖然毛羽的存在可能會(huì)造成計(jì)算孔隙率與實(shí)際孔隙率的差異，但實(shí)際上毛羽對(duì)近紅外光有一定的阻礙作用，會(huì)造成織物的近紅外光透射率下降.采用圖像處理的方法計(jì)算孔隙率，其結(jié)果更符合近紅外光透射的實(shí)際情況，這也是本文采用圖像處理的方法計(jì)算孔隙率而舍棄原始的織物緊度計(jì)算方法的原因.

1.2.2 透射率測(cè)試

透射率采用日立U-4100型紫外可見(jiàn)光近紅外分光光度計(jì)測(cè)試，選取700～1 200nm范圍內(nèi)的近紅外光波，每間隔5nm測(cè)試記錄透射率T，掃描速度為600nm／min，測(cè)試結(jié)果取平均值.測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下進(jìn)行.

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用列聯(lián)表分析、相關(guān)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找出所研究的變量中與織物近紅外光透射率有關(guān)的變量，并分析所篩選的變量之間是否具有一定的相關(guān)性.如果所篩選出的變量之間存在相關(guān)性，則利用主因子分析重新提取新的變量代替原有變量，使問(wèn)題的分析簡(jiǎn)化，并利用新的變量建立回歸方程，可對(duì)織物的近紅外光透射率進(jìn)行預(yù)測(cè).

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的列聯(lián)表分析

由于原料屬于定性的分類變量，因此，需要對(duì)原料類別使用列聯(lián)表的分析方法.為了方便分析，這里首先從本文所選14種原料中挑選出使用數(shù)量較多的類型為3，6，9的3種原料，然后對(duì)其透射率進(jìn)行分類，將透射率在0～25%之間的定為1類，透射率超過(guò)25%定為2類.整理后的原始數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 原料類型為3，6，9試樣的列聯(lián)表Table 2 Sample with material types numbered 3，6，9

表3 實(shí)際計(jì)數(shù)與列聯(lián)表分析的期望計(jì)數(shù)Table 3 Actual count and expect count of column contingency table

經(jīng)計(jì)算fisher's檢驗(yàn)后的P值為0.02，小于0.05，因此認(rèn)為原料與透射率的大小是相關(guān)的.在其他條件相同的情況下，原料對(duì)織物近紅外光透射的影響主要體現(xiàn)在纖維材料的反射和吸收上.對(duì)于表面反射而言，僅與3個(gè)因素相關(guān)：入射光的偏振態(tài)、入射角和介質(zhì)的折射率，如根據(jù)菲涅爾的光反射基本原理，當(dāng)光束正入射時(shí)，反射率n＝（n2－n1）2／（n2＋n1）2，其中n2和n1分別是形成界面的兩種物質(zhì)的相對(duì)折射率.通常紡織纖維的相對(duì)折射率在1.5左右（這個(gè)值是相對(duì)真空而言，近紅外條件下的還要根據(jù)波長(zhǎng)變化進(jìn)行換算），對(duì)于反射率而言，兩者基本沒(méi)有差別.對(duì)于近紅外吸收而言，物質(zhì)在近紅外光區(qū)域的吸收主要是X—H（X為C，S，O等）基團(tuán)的倍頻和組合頻的振動(dòng)吸收[13]，其吸收強(qiáng)度較基頻吸收小很多，吸收的光量與高分子聚合物的聚合度和結(jié)晶度有關(guān).由于纖維規(guī)格和制造方法的不同，尤其是化纖，即使同種原料的纖維也會(huì)因結(jié)構(gòu)上的不同而導(dǎo)致近紅外光的吸收存在差異.另外，生產(chǎn)時(shí)添加劑的種類和用量也會(huì)影響到其近紅外光吸收強(qiáng)弱.但總體上，常規(guī)紡織用纖維材料對(duì)近紅外光吸收光量有限，不到1／1 000[14－15]（除添加了如近紅外吸收劑等對(duì)近紅外輻射衰減具有較大影響添加劑的纖維），從而吸收所造成的影響也同樣可以忽略.因此，原料與透射率的影響有關(guān)并非源自于原料本身的吸收與反射，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種原料的織物而言，當(dāng)其透射率為1類時(shí)，往往對(duì)應(yīng)于更大的面密度和厚度或更小的孔隙率，如對(duì)于編號(hào)為3的滌綸織物而言，屬于2類的編號(hào)為5，6，7，8織物的厚度、面密度和孔隙率數(shù)值較接近.同樣，對(duì)于屬于1類的編號(hào)為9和10滌綸織物，其與2類織物的不同之處在于具有較高的厚度、面密度和較低的孔隙率，導(dǎo)致透射率較低.綜上，原料對(duì)透射率影響歸根結(jié)底來(lái)自于織物厚度、面密度及孔隙率的影響，因此，下文將重點(diǎn)分析這3個(gè)因素對(duì)透射率的影響.

2.2 直接相關(guān)和偏相關(guān)分析結(jié)果

以織物的近紅外光透射率作為因變量，織物的厚度、面密度和孔隙率作為自變量，進(jìn)行單因素簡(jiǎn)單相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4所示.

表4 厚度、面密度和孔隙率與透射率的直接相關(guān)性Table 4 Direct correlation statistics between thickness，surface density，porosity and transmittance

通過(guò)直接相關(guān)性分析得知，織物的厚度、面密度和孔隙率都會(huì)影響織物的近紅外光透射率，且這3者的影響具有協(xié)同作用.厚度和面密度與織物的近紅外光透射率負(fù)相關(guān)，孔隙率與織物的近紅外光透射率正相關(guān)，即隨著厚度或面密度的減小，其織物的近紅外光透射率增加，而隨著孔隙率的增加其近紅外光透射率增加.這是因?yàn)榭椢锖穸鹊脑黾訒?huì)使得光線經(jīng)過(guò)的路徑增大，增加了光線因材料本身吸收以及傳輸路徑上的反射和散射次數(shù)而造成的衰減，從而與透射率成負(fù)相關(guān)；織物的面密度大說(shuō)明單位面積內(nèi)的紗線質(zhì)量大，這往往對(duì)應(yīng)于較低的紗線線密度，從而引起厚度的增加或布面孔隙率的減小，因此也會(huì)對(duì)近紅外光透射率的大小產(chǎn)生影響.

為了更好地表征近紅外光透射率的影響因素，根據(jù)這3個(gè)變量所起作用的大?。?quán)重），對(duì)其重新組合，為此，對(duì)這3個(gè)變量進(jìn)行偏相關(guān)分析以消除其共線性影響，結(jié)果如表5所示.

表5 厚度、面密度、孔隙率之間的偏相關(guān)性Table 5 Partial correlation among the thickness，surface density and porosity

由表5可知，在控制孔隙率影響的前提下，厚度和面密度之間具有很高的正相關(guān)性，即在孔隙率一定時(shí)，隨著厚度的增加，織物的面密度也增加.同樣可以看出，在控制厚度的前提下，織物的孔隙率和面密度有一定的負(fù)相關(guān)性.而在控制面密度的前提下，織物的厚度和孔隙率之間沒(méi)有必然聯(lián)系.究其原因，應(yīng)該是織物的厚度和面密度都受到經(jīng)緯紗密度、紗線線密度、組織結(jié)構(gòu)、紗線捻度、原料等因素的共同作用所致.而對(duì)于布面孔隙率而言，盡管可以通過(guò)設(shè)計(jì)多孔織物中孔隙的數(shù)量和大小改變織物面密度，但由于紗線線密度和織物組織結(jié)構(gòu)的限制，其對(duì)厚度的影響有限，因此孔隙率與厚度的相關(guān)性較低.

由此可知，由于3個(gè)參數(shù)之間存在內(nèi)在聯(lián)系，可以利用主因子分析法進(jìn)行權(quán)重分析，提取新的影響變量.

2.3 因子分析結(jié)果與回歸模型的建立

借助因子的權(quán)重分析，提取了2個(gè)主成分，這兩個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95.259%，因子1主要與厚度、面密度有關(guān)，因子2主要與孔隙率有關(guān).采用方差最大旋轉(zhuǎn)法對(duì)主成分載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)果如表6所示.由表6可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)矩陣旋轉(zhuǎn)，載荷系數(shù)的取值更加極端.根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的矩陣可以計(jì)算因子得分，具體如表7所示.

表6 因子的載荷矩陣Table 6 Component matrix

表7 因子得分系數(shù)矩陣Table 7 Component score coefficient matrix

由表7可知，主因子1（A）和主因子2（B）得分的表達(dá)式可以寫(xiě)成：

其中：厚度、孔隙率與面密度的取值不是原始數(shù)據(jù)，而是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)變量.

以近紅外光透射率作為因變量，回歸模型采用二元線性回歸，使用輸入回歸法進(jìn)行擬合.表8給出了擬合方程的回歸系數(shù)及其檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明回歸方程是顯著的.

表8 回歸方程系數(shù)及回歸方程系數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果Table 8 The regression coefficients and results of the tests

由表8得到主因子1與主因子2與近紅外透射率的回歸方程如式（4）所示.

經(jīng)由回歸分析計(jì)算得到的近紅外光透射率與原數(shù)據(jù)相比，絕對(duì)誤差＜5%，可以較好地?cái)M合.

通過(guò)透射率的回歸方程可以看出，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，主因子1每增加一個(gè)單位，透射率將下降5.589%，主因子2每增加一個(gè)單位，透射率將增加3.337%.鑒于二者的t統(tǒng)計(jì)量差值不太大，認(rèn)為這兩個(gè)因子對(duì)透射率的依賴程度相當(dāng).因此，在織物的設(shè)計(jì)中建議：（1）采用增加緊度的方法來(lái)降低其近紅外光透射率，尤其是夏季面料，其以輕薄為主，增加厚度不切實(shí)際，在對(duì)織物其他性能影響不大的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增加經(jīng)緯紗密度，以較好地減少近紅外光的透射；（2）對(duì)于一定線密度的紗線而言，機(jī)織物在設(shè)計(jì)時(shí)采用可增加織物厚度的組織（如凹凸組織、多層組織等），避免孔隙率較大的組織（如透孔組織），可以較好地減少近紅外光的透射率.

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)利用SPSS軟件的列聯(lián)表分析，得出織物的厚度、孔隙率和面密度與透射率相關(guān)；相關(guān)分析進(jìn)一步確定織物厚度、面密度和孔隙率與織物的近紅外光透射率具有直接相關(guān)性.

（2）通過(guò)偏相關(guān)性分析，確定織物的厚度、面密度和孔隙率之間具有一定的線性相關(guān)性，進(jìn)而利用權(quán)重分析提取新的變量代替原有變量.

（3）通過(guò)主成分分析法，提取了兩個(gè)新變量來(lái)代替原來(lái)的厚度、面密度和孔隙率，并建立了近紅外光透射率與新的主因子之間的回歸方程，方程的絕對(duì)誤差在5%以內(nèi)，可以進(jìn)行較好地?cái)M合.

（4）由回歸方程可知，兩個(gè)主因子對(duì)近紅外光透射率大小的影響相當(dāng)，建議在織物設(shè)計(jì)時(shí)可采用較高緊度的織物或采用增加織物厚度的組織，以較好地減少近紅外光的透射率.

參 考 文 獻(xiàn)

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