衡 沖，沈 華，王府梅

(1. 東華大學 紡織學院，上海 201620；2. 東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

羊絨因優(yōu)良的手感受到廣大消費者的青睞，而世界上約70%的羊絨來自中國[1]。我國現(xiàn)行的標準GB 18267—2013《山羊絨》中，長度、細度、顏色等屬性均采用感官檢驗。檢驗過程耗時長、效率低下，且結(jié)果受人為因素影響大，再現(xiàn)性差。質(zhì)量檢驗是制約羊絨質(zhì)檢體制改革的硬傷，也是推進羊絨質(zhì)檢體制改革必須攻克的難關(guān)[2]?，F(xiàn)有GB 18267—2013中將羊絨的顏色粗略地分成了白絨、青絨和紫絨3類,并有對應外觀特征的文字描述。檢測人員對照文字描述主觀評定羊絨的顏色類別，不可避免地會造成誤判。實際應用中發(fā)現(xiàn)，不同顏色的羊絨具有不同的應用價值和染色工藝，白絨可直接染成各種鮮艷的顏色，紫絨必須首先經(jīng)過褪色工藝，去除自身的顏色才能染成需要的顏色[3]。各類羊絨又有深淺程度不同的顏色，例如白絨也有很多種不同的白色，這些纖維原本的底色會影響染色后羊絨呈現(xiàn)的顏色[4]。為更好地實現(xiàn)羊絨染色，對于同一類顏色的羊絨，染色前需要精準地判斷羊絨顏色的類別。

長度是決定羊絨價格和用途的關(guān)鍵指標[5]。目前，由于缺乏科學合理的測試技術(shù)，國內(nèi)外的羊絨長度測試標準均采用手排法[6]，該方法費時費力，且主觀性強，不符合當今儀器化的發(fā)展趨勢。光電法測試長度的原理是根據(jù)透光量的變化計算纖維集合體的相對面密度，進而實現(xiàn)長度測量[7]。本文課題組經(jīng)過深入研究后，將Kubelka-Munk雙通道模型應用在羊毛透光信號的理論分析中[8-9]，將纖維集合體面密度Wr的算法命名為“Wu-Wang”算法[10-11]。

Wu-Wang透射理論算法在羊絨長度的實際測量應用中，通過2個參數(shù)(無窮厚時表觀反射率(R∞) 和透射率(T))計算須叢上任一點的面密度(Wr)值。 透射率T通過提取透射圖片的灰度值計算得到，不同顏色羊絨的R∞存在很大差異。為快速測量纖維長度，本文課題組近期開發(fā)的羊絨測長1.0版方法建立了包含12檔R∞的羊絨顏色庫，在長度測試之前，通過人眼主觀比對待測實物樣品與顏色庫中的羊絨圖片，選擇與待測樣顏色最接近的圖片對應的R∞[12]。該方法主要存在以下缺陷：主觀性強，不同人的測試結(jié)果存在偏差；顏色庫不夠豐富，有時待測試樣在色卡中找不到對應色，造成較大偏差。即便擴充建立的顏色數(shù)據(jù)庫還是有限的，總是會存在顏色介于2檔之間的樣品，人為評判時也易出現(xiàn)主觀偏差。

基于此，本文提出了基于數(shù)字化儀器測色技術(shù)，借助顏色模型在不同色空間的轉(zhuǎn)換，計算了3類顏色的羊絨在三維色空間(CIE Lab)的分布，同時得到了表征被測試樣內(nèi)部顏色離散型的指標；并將羊絨的顏色測試指標應用在光電法長度測試中，建立亮度指標L與材料表面無窮厚時的表觀反射率R∞的計算模型，從而更加精準地從透光圖像提取到表征纖維長度指標的相對面密度曲線。

1 實驗及數(shù)據(jù)處理方法

材料：25種羊絨樣品，包括8種白絨、11種青絨和6種紫絨，分別由鄂爾多斯國家羊絨技術(shù)檢測中心與上海SGS檢測中心提供。來樣單位提供了每種樣品按GB 18267—2013中手排法測試的拜氏圖和長度指標。

儀器： Datacolor 850型球形分光光度計，用來測試無窮厚時羊絨的表觀反射率R∞；彩色光電耦合器(CCD) 搭建的測色裝置，用來采集壓實纖維塊體的反射光圖像；光電檢測器，實驗室自制。

1.1 羊絨基準反射率測量和R∞計算

為研究本文測色系統(tǒng)計算的顏色指標和Wu-Wang透射理論算法在羊絨纖維長度測量中的應用，采用球形分光光度計測試羊絨在400～700 nm 波長下的反射率，作為羊絨顏色和長度的基準值[13]。實驗采用直徑為30 mm的最大孔徑，每次稱取約為6 g 的羊絨緊密堆砌在測試窗口，保證光源發(fā)出來光線不透過試樣。每種羊絨測試3次，取平均值。

然后根據(jù)Wu-Wang透射理論算法計算R∞值，Wu-Wang透射理論算法如式(1)所示。

(1)

式中，Tmin為材料無窮厚時的最小透射率，%。

在該算法中，關(guān)鍵參數(shù)R∞的計算采用當量反射率計算方法，如式(2)所示，是根據(jù)材料在不同波長下的反射率，與光電檢測器的光源對應波長下波譜圖的乘積的加權(quán)平均。圖1(a)示出球形分光光度計測得的羊絨試樣無窮厚時，在400～700 nm波長下的反射率(波長間隔為10 nm)。圖1(b)示出光電檢測器的光源光譜圖。

(2)

式中：Pi為某一波長下光源的相對光強，可從圖1(b) 光電檢測器的光源光譜圖得到，從圖1(b)400 nm 處開始，每隔10 nm讀取該波長對應的相對光強值，直至最后1個值的對應波長為700 nm，共計31個值，然后將這31個相對光強值歸一化(每個相對光強/總相對光強)，記為Pi(i為0～31的自然數(shù)，0

圖1 羊絨的光譜特性圖Fig.1 Reflection(a) and spectrogram of photodetector light source(b) of cashmere

1.2 羊絨測色裝置及顏色指標計算

數(shù)字化羊絨測色裝置原理如圖2所示。根據(jù)測色裝置計算羊絨的顏色指標。首先，稱取6 g羊絨樣品放置在尺寸為10 cm×10 cm的試樣筐內(nèi)，試樣筐上部施加19.6 N的壓力將纖維集合體壓實到恒定密度。打開測色裝置，讓線型彩色CCD與試樣相對運動，得到試樣表面反射光的彩色圖片。借助顏色模型在RGB-CIE XYZ-CIE Lab色空間的轉(zhuǎn)換得到CIE Lab值，具體計算過程分3步[14]。

圖2 測色裝置反射原理圖Fig.2 Schematic diagram of color measurement device

步驟1：RGB值標準化。

(3)

式中：R、G、B表示8位色彩位數(shù)紅綠藍3個通道的顏色；r、g、b表示歸一化的紅、綠、藍3個通道的顏色。

步驟2：獲取CIE XYZ參數(shù)。

(4)

式中，x、y、z表示理想三原色。

步驟3:CIE Lab值的獲取

L=116fy-16

(5)

a=500(fx-fy)

(6)

b=200(fx-fz)

(7)

(8)

式中：L為亮度指標；a為紅綠色指標；b為黃藍色指標。a值為正表示偏紅，a值為負表示偏綠；b值為正表示偏黃，b值為負表示偏藍。x0、y0、z0為標準完全漫反射體的白點值，其值分別為95.04、100、108.89。

2 結(jié)果與討論

2.1 3類顏色的羊絨在三維色空間的分布

用彩色CCD成像機測得羊絨樣品的反射光信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得每種羊絨的平均顏色值在三維CIE Lab色空間的分布情況，如圖3所示。

注：試樣編號根據(jù)25種羊絨樣品的L值從大到小順序進行編號。圖3 3種顏色的羊絨在三維色空間的數(shù)值分布Fig.3 Distribution of three colors of cashmere in CIE Lab color space

由圖3可以看出，不同顏色羊絨的L值差異最大，b值次之，a值差異最小。表明可從平均亮度指標L值來區(qū)分3類羊絨，紫絨與其他2類的L值差異更大。其中：白絨的L值最大，分布在77.4～83.3之間；青絨次之，分布在69.8～77.2之間；紫絨最小，分布在42.6～62.1之間。3類顏色羊絨的平均L值分布在不同的水平上，但其a和b值存在交疊部分。

顏色是人對光的視覺感知，本質(zhì)是分子結(jié)構(gòu)中的電子能夠?qū)梢姽獍l(fā)生選擇性地吸收[15]。羊絨呈現(xiàn)不同顏色的原理是材料對入射光線的選擇性吸收造成的，不同顏色的羊絨選擇性吸收入射的不同波長的光線?；诓噬獵CD攝像技術(shù)不僅可得到一定面積內(nèi)羊絨顏色的平均值，還可精確得到每個像素點的顏色值。為了解每種羊絨內(nèi)部每根纖維顏色的差異性，從白、青、紫絨中隨機各選 1種試樣，測試計算了各試樣內(nèi)部顏色指標的分布見圖4。

圖4 3種顏色的羊絨內(nèi)部的顏色指標分布范圍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

由圖4可以看出，3種顏色羊絨的亮度(L)值基本分布在不同的數(shù)值范圍內(nèi)，彩度指標a和b值的分布范圍幾乎重合。另外，彩度指標a值有正有負，代表在本文實驗光照條件下羊絨試樣偏紅偏綠色均有；而b值絕大部分為正值，代表在本文實驗光照條件下羊絨試樣偏黃色，物體顏色與自身吸光、反光特性和外加光源、CCD傳感器 3個方面因素有關(guān)。每種羊絨內(nèi)部各根纖維的顏色指標也存在一定的離散性。

上述每個顏色指標的離散程度用下式表征。計算結(jié)果見圖5。

(9)

(10)

圖5 羊絨試樣顏色的離散情況Fig.5 Intra-sample variation in color of cashmere. (a) Variation values of color parameters; (b) CV values of color parameters

根據(jù)圖3，將試樣按照L值從大到小的順序編號，也就是試樣亮度越暗，試樣編號越大。從圖5(a) 總體來看，試樣越暗，L、a和b值的標準差呈增大趨勢，也就是試樣越暗，其亮度和彩度的離散程度均呈增大趨勢。圖5(b)可比較L、a和b值這 3個指標間的相對離散程度，總體來看，a值的離散程度較大，b值次之，L值最小，表明羊絨的亮度指標離散程度小，彩度指標離散程度大。

2.2 光電法測試羊絨長度中R∞與L的關(guān)系

R∞是光電法測試計算纖維集合體面密度和纖維長度的必要參數(shù)。用球形分光光度計測得無窮厚時羊絨樣品在400～700 nm波長條件下的反射率，結(jié)果如圖6(a)所示，用式(3)計算這些樣品的當量反射率R∞如圖6(b)所示。

圖6 羊絨試樣的反射性能Fig.6 Reflection property of cashmere. (a) Reflection obtained by datacolor; (b) R∞ of cashmere

CIE Lab是一種與設備無關(guān)的顏色系統(tǒng)，也是一種基于生理特征的顏色系統(tǒng)，用數(shù)字化的方法來描述人的視覺感應。L值的物理含義是表示物體的亮度。某一像素點的L值大，則亮度高，表示被反射進入觀察者眼睛的光線強，所以L值也是材料反射性能的一種表征。通過CCD掃描物體的彩色反射圖片，借助顏色模型在不同色空間的轉(zhuǎn)換獲取表征材料對光的反射性能的指標，即是CIE Lab色空間中的L值。R∞物理含義是材料堆積無窮厚時的反射率，表征材料對光的反射性能。L值和R∞的物理含義類同，從理論上分析2個指標間必定存在某種相關(guān)關(guān)系。通過實驗證明，L值和R∞之間存在圖7所示的正相關(guān)關(guān)系。

圖7 羊絨表觀反射率R∞與顏色 指標L的關(guān)系Fig.7 Relationship between L value and R∞ of cashmere

圖7橫坐標是光電檢測器測得的L值，縱坐標是球形分光光度計測得材料無窮厚的反射率R∞。分別采用直線模型和曲線模型擬合二者的關(guān)系為:

R∞=1.327L-38.825

(11)

R∞=0.009 23L2.034

(12)

從擬合相關(guān)性R2來看，曲線模型效果更優(yōu)，R2=0.968，說明可通過彩色CCD客觀地測試纖維集合體無窮厚時的反射率R∞。該方法不但經(jīng)濟實用，且測試的試樣面積大(球形分光光度計測試面積最大孔徑為30 mm)，結(jié)果的隨機波動小，可信度高。

2.3 數(shù)字化測色法在長度測量中的應用

用彩色CCD裝置測試了本文25種羊絨散纖維的RGB圖像，用式(3)～(8)和(12)計算每種羊絨的當量反射率R∞。而后基于本文課題組研發(fā)的光電檢測器測試了25種羊絨須叢的透光強度，并用纖維集合體面密度的Wu-Wang光學算法計算須叢的面密度分布以及線密度曲線發(fā)現(xiàn)，所有羊絨須叢的線密度曲線與按GB 18267—2013測試的拜氏圖換算的標準須叢曲線都非常接近，在3類顏色的試樣中，選擇3種顏色差異性樣品的結(jié)果對比如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者比較接近。

圖8 基于光電檢測器和手排法的羊絨長度 測量結(jié)果對比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

本文實驗結(jié)果證明，用彩色CCD測試羊絨顏色后換算當量反射率R∞，用于計算羊絨須叢線密度曲線，不但便捷，且可行性很高。該結(jié)果可應用在雙須光電法測試有色纖維長度和有色纖維集合體面密度分布。

3 結(jié) 論

1)顏色和長度是羊絨非常重要的指標參數(shù)，目前國內(nèi)外標準均采用人工目測顏色，手排法測試羊絨長度，難免存在誤差。基于前期搭建的彩色光電耦合器(CCD)測色裝置，分析了3類顏色羊絨在CIE Lab三維色空間的分布，可客觀地測試羊絨的顏色。本文方法可用于其他有色纖維的顏色和其他性能的光電檢測。

2)本文獲得的羊絨顏色值CIEL、a和b值，基于CCD的測色技術(shù)還可得到試樣內(nèi)部顏色指標的離散程度。該指標可用于染色、脫色前定量獲知原料顏色，精準確定染色、脫色工藝。

3)通過建立基于彩色CCD的L值與Datacolor 850型球形分光光度計測得的R∞之間的計算模型，給出了一條有色羊絨長度測試的成功技術(shù)路線：以彩色CCD客觀測量羊絨的顏色值L，換算為表觀反射率R∞，再用光電測試和Wu-Wang面密度光學算法獲取須叢面密度分布和線密度曲線，進而計算羊絨的各項長度指標和長度分布曲線。