熊巧玲,劉 貴,陸東東,杜趙群

(1.東華大學(xué),產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,上海 201620;2.福建省紡織產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省纖維檢驗(yàn)中心),福建 福州350026;3.福建省運(yùn)動(dòng)鞋面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建華峰新材料有限公司),福建 莆田 351144)

在紡織服裝領(lǐng)域,織物綜合觸感風(fēng)格是織物固有的物理機(jī)械性能在人腦的綜合反映[1-2]。織物的觸感對(duì)紡織服裝整體的舒適度有著重要影響。一般來說,當(dāng)皮膚表面與織物間發(fā)生接觸時(shí),人們可以感知織物的觸感。但在日常生活中,當(dāng)用手觸摸感知評(píng)估材料屬性時(shí),通常會(huì)伴隨著視覺信息的輸入,有時(shí)還會(huì)有聲音信息。在判斷物體的大小、形狀和位置時(shí),視覺信息通常占主導(dǎo)地位,但在有些情況下觸覺信息也會(huì)很大程度上影響判斷的結(jié)果。大多數(shù)事件都可以同時(shí)傳遞多種線索,而大腦可以通過不同的感官通道接收相應(yīng)信息。有效地將不同感覺通道的線索信息合并為統(tǒng)一,連貫且強(qiáng)烈的感知的過程稱為多個(gè)感覺通道線索的知覺整合,也稱多感覺整合[3-4]。對(duì)于織物綜合觸感風(fēng)格客觀評(píng)價(jià)的研究,最具有代表的是川端季雄將織物的力學(xué)特征與感官評(píng)價(jià)相聯(lián)系及建立了KES-F織物風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)[5],并提出了綜合觸感風(fēng)格與基礎(chǔ)觸感風(fēng)格的概念。根據(jù)織物的基礎(chǔ)觸感風(fēng)格,例如光滑度、柔軟度、硬挺度等可以得到織物的綜合觸感。有許多的研究專門研究視覺和觸覺中的柔軟度和粗糙感的不同模態(tài)感知[6-9],但是對(duì)于織物綜合觸感的研究很少。國(guó)內(nèi)外已有研究表明,視覺和觸摸在許多粗糙度和柔軟度識(shí)別任務(wù)上都是有效的。但是,鮮有證據(jù)表明同時(shí)使用兩種感官可以提高辨別力。對(duì)于織物的粗糙度,多感覺模態(tài)是否能將粗糙度信息進(jìn)行整合尚不明確。有學(xué)者認(rèn)為視覺和觸覺可以從本質(zhì)上向感知系統(tǒng)提供相同的粗糙度信息。如果是這樣,則沒有必要進(jìn)行集成,因?yàn)閷⒆⒁饬D(zhuǎn)移到任何一種方式都可以使感知者提取所有相關(guān)數(shù)據(jù)[10]。目前幾乎沒有人嘗試對(duì)織物綜合觸感判別多模態(tài)感知進(jìn)行建模。因此,本文重點(diǎn)研究以下兩個(gè)問題:(1)視、觸覺雙模態(tài)下的織物綜合觸感與單模態(tài)下織物綜合觸感的差異;(2)多模態(tài)織物綜合觸感整合模型。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

挑選了15塊不同觸感風(fēng)格的機(jī)織面料,面料以滌綸和滌棉混紡為主,并且其觸感風(fēng)格具有一定的代表性和相對(duì)可比性。面料的基本參數(shù)如表1所示。將布樣熨燙平整并在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24h。在布樣的經(jīng)向、緯向和45°方向各裁剪三塊50cm×5cm的長(zhǎng)條用于織物物理指標(biāo)的測(cè)試。同時(shí)裁剪20cm×20cm的正方形用于主觀評(píng)價(jià)。

表1 面料基本規(guī)格參數(shù)

1.2 物理指標(biāo)測(cè)試

為了定量描述織物的綜合觸感,本文章采用由東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)和南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司共同研發(fā)的CHES-FY紡織材料手感風(fēng)格儀[11-12](以下簡(jiǎn)稱CHES-FY風(fēng)格儀)測(cè)試織物的物理指標(biāo)。該儀器基于三點(diǎn)梁彎曲原理,可通過單次測(cè)量獲得織物的壓縮、彎曲、摩擦、剪切性能。測(cè)試過程如圖1所示。在測(cè)厚階段,左壓輥在織物放置前后分別接觸基準(zhǔn)板和織物一次,由此得到織物厚度,壓力輥繼續(xù)緩慢下降至設(shè)定的壓縮力值完成壓縮階段。彎曲階段,壓力輥上移同時(shí)運(yùn)動(dòng)壓板緩慢下降到設(shè)定彎曲位移。摩擦階段,左右壓力輥同時(shí)下移給予織物兩端一定壓力值,運(yùn)動(dòng)壓板繼續(xù)下移,使壓力輥與織物間產(chǎn)生摩擦阻力。拉伸階段,左右壓力輥壓力增大防止織物滑移,運(yùn)動(dòng)壓板繼續(xù)下降使織物被拉伸。從整個(gè)測(cè)試過程所得的位移-力值曲線可得到表2所示的物理指標(biāo)。其中TSF表示織物抵抗壓縮變形的能力,可用于表征織物的豐滿程度。SST表示織物抵抗彎曲變形的能力,可表征織物的柔軟程度。FSM和SLT分別表示織物抵抗摩擦變形及拉伸變形的能力,可分別表征粗糙度和松緊度。

表2 CHES-FY物理指標(biāo)的含義

圖1 CHES-FY測(cè)試過程示意圖

1.3 主觀評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)人員為35位東華大學(xué)紡織學(xué)院在讀學(xué)生,年齡在20～30歲之間。5位人員對(duì)所選15塊試樣進(jìn)行觸感評(píng)分,評(píng)分范圍為0～10。另外30位進(jìn)行不同模態(tài)的選擇實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行測(cè)試之前,對(duì)35名受試人員進(jìn)行培訓(xùn),讓他們熟悉測(cè)試流程以及方法,告知受試人員從多維感知試樣的接觸舒適程度(忽略接觸冷暖感),綜合感受到的粗糙感、柔軟感等作出判斷。在進(jìn)行評(píng)價(jià)前,受試人員事先用相同的肥皂洗凈手并擦拭干。試驗(yàn)在溫度為20℃,相對(duì)濕度為65%的安靜且明亮的環(huán)境中進(jìn)行。5位主觀觸感評(píng)估小組對(duì)15塊試樣進(jìn)行評(píng)級(jí),小組人員使用相同的手勢(shì),如下頁圖2所示:(1)左手按住織物左側(cè),右手從左到右撫摸織物(2)用右手食指托起織物然后用拇指按壓;(3)用右手將織物抓起并捏壓幾次;(4)左手右手各持織物的兩邊拉扯幾次。將5人所評(píng)分?jǐn)?shù)的平均值作為最終的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖2 觸摸手勢(shì)

進(jìn)行不同模態(tài)選擇實(shí)驗(yàn)時(shí),為了避免觸摸過程中織物摩擦發(fā)出聲音的影響,受試人員需帶上耳塞。評(píng)價(jià)依次由觸覺單模態(tài),視覺單模態(tài),視觸覺雙模態(tài)順序進(jìn)行。觸覺單模態(tài)及視觸覺雙模態(tài)評(píng)價(jià)時(shí),所有受試人員使用越圖2相同的手勢(shì)。試驗(yàn)過程中同時(shí)向被試人員隨機(jī)呈現(xiàn)兩塊織物,其中一塊觸感適中的織物作為為參照織物,被試人員通過比較參照織物和待評(píng)試樣,判斷待評(píng)試樣的觸感是否更為舒適。若更舒適,對(duì)實(shí)驗(yàn)者說1,若沒有參照試樣舒適,則說0。

進(jìn)行觸覺單模態(tài)評(píng)價(jià)時(shí),將織物放進(jìn)如圖3所示的黑箱中,被試人員可將通過黑箱開口處觸摸織物。評(píng)價(jià)完成后將黑箱移除,被試人員視線垂直于織物平面,距離約為20cm,同時(shí)作者按照?qǐng)D2的觸摸手勢(shì)觸摸織物,讓被試人員進(jìn)行觀察,進(jìn)行視覺單模態(tài)的評(píng)價(jià)。為了消除視覺記憶的影響,視觸覺雙模態(tài)評(píng)價(jià)在視覺單模態(tài)評(píng)價(jià)后一周再進(jìn)行,試驗(yàn)條件與視覺評(píng)價(jià)時(shí)相同。

圖3 不同模態(tài)下的評(píng)價(jià)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合觸感指數(shù)與雙模態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性

在溫度為20℃,相對(duì)濕度為65%的條件下,CHES-FY可測(cè)得所選15塊織物的壓縮性能、彎曲性能、摩擦性能及拉伸性能。TSF越高表示織物越豐滿度,SST越低表示織物越柔軟,Fsm越高表示織物越滑爽,SLT越高表示織物越緊實(shí)?？梢愿鶕?jù)公式(1)[13]算得織物的綜合觸感指數(shù)CH,CH越高表示織物的綜合觸感越好。

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果L與CHES-FY測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 主觀評(píng)價(jià)及CHES-FY測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證由CHES-FY所測(cè)試結(jié)果與主觀感知的相關(guān)性,將綜合觸感指數(shù)與主觀評(píng)級(jí)值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析。相關(guān)系數(shù)為0.879,顯著性P值為0,說明綜合觸感指數(shù)與主觀評(píng)級(jí)之間具有極其顯著的統(tǒng)計(jì)效果且高度正相關(guān)。

2.2 心理測(cè)量函數(shù)

心理物理學(xué)研究的是心理量與物理量之間的關(guān)系,定量描述這種關(guān)系的函數(shù)被稱為心理測(cè)量函數(shù)[14-15]。以物理刺激量為橫坐標(biāo),以能正確識(shí)別物理刺激的百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)的心理測(cè)量函數(shù)一般情況為下S型曲線[16-17],心理測(cè)量函數(shù)中最常研究的是斜率和閾限。閾限分為兩種,一種是絕對(duì)閾限,指剛好能引起心理知覺的刺激值,通常把有50%的次數(shù)被察覺道的刺激值定義為絕對(duì)閾限;另一種是差別閾限,指在已有知覺的基礎(chǔ)上增加或減少刺激量時(shí)能被察覺到的最小差異量,即50%的次數(shù)能辨別出差別感覺的兩個(gè)刺激強(qiáng)度之差,又別稱為最小可覺差(JND)。本文以綜合觸感指數(shù)差值ΔCH為自變量,識(shí)別正確率P為因變量建立心理測(cè)量函數(shù),并采用Boltzmann函數(shù)擬合,擬合關(guān)系式為公式(2)

由表3可知編號(hào)為2的試樣在所選15塊試樣中的綜合觸感是適中的,所以在進(jìn)行選擇實(shí)驗(yàn)時(shí),將試樣2作為參照試樣,將待評(píng)試樣的綜合觸感指數(shù)與參照試樣的綜合觸感指數(shù)之間的差值記為ΔCH。表4是各試樣的ΔCH以及在不同模態(tài)下感知織物綜合觸感的正確識(shí)別率。PH、PV、PVH分別代表觸覺單模態(tài)、視覺單模態(tài)、視觸覺雙模態(tài)下的正確識(shí)別率。

表4 試樣的綜合觸感指數(shù)及不同模態(tài)下的識(shí)別率

由表4可以看到試樣14和7的ΔCH分別0.386和0.827,但是在視覺單模態(tài)下正確識(shí)別率卻能達(dá)到0.95和1.00。這可能是由于僅僅靠視覺單模態(tài)進(jìn)行選擇實(shí)驗(yàn)時(shí),試樣的紋理圖案比較受被試者關(guān)注。14的經(jīng)緯紗線比較粗,同時(shí)經(jīng)緯密較小,視覺上給人非常粗糙的感覺,但實(shí)際感覺是松軟的。7有絲綢光澤,視覺上也非常舒適。在進(jìn)行擬合時(shí),剔除這兩個(gè)相對(duì)異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖4為不同模態(tài)下的心理測(cè)量函數(shù)的擬合曲線。

圖4 不同模態(tài)下的心理測(cè)量函數(shù)

(a)為觸覺單模態(tài)的心理測(cè)量函數(shù),參數(shù)a1=0.126,a2=0.965,a=0.74521,k=0.21118且擬合優(yōu)度為0.880,F檢驗(yàn)表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到觸覺單模態(tài)下的差別閾限0.474。(b)為視覺單模態(tài)的心理測(cè)量函數(shù),參數(shù)a1=-4.044,a2=1.014,a=-0.383,k=0.393且擬合優(yōu)度為0.858,F檢驗(yàn)表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到視覺單模態(tài)下的差別閾限0.697。(c)為視觸覺雙模態(tài)的心理測(cè)量函數(shù),參數(shù)a1=-2021.495,a2=0.993,a=-3.123,k=0.428且擬合優(yōu)度為0.825,F檢驗(yàn)表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到視覺單模態(tài)下的差別閾限0.434。擬合結(jié)果表明,視觸覺雙模態(tài)下的差別閾值最小,同時(shí)觸覺單模態(tài)下的差別閾值小于視覺單模態(tài)下的差別閾值。視覺單模態(tài)可以在一定程度上判斷織物的綜合觸感,但是使用觸覺單模態(tài)的感知結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更接近,視覺對(duì)綜合觸感的感知有增強(qiáng)效果。

2.3 視覺、觸覺貢獻(xiàn)度計(jì)算

當(dāng)一個(gè)人用手探索一個(gè)物體時(shí),視覺和觸覺都為估計(jì)物體的屬性提供了信息。視覺經(jīng)常支配著綜合的視覺-觸覺感知,例如在判斷大小、形狀或位置時(shí)。但在某些情況下,感知又明顯受到觸覺的影響。為了確定在判斷織物綜合觸感時(shí)視覺或觸覺占主導(dǎo)地位的程度,在本文中采用極大似然估計(jì)模型(MLE)[18-20]計(jì)算視覺和觸覺對(duì)于織物綜合觸感感知強(qiáng)度的貢獻(xiàn)度。

感官系統(tǒng)對(duì)環(huán)境屬性的估計(jì)可以表示為其中S是被估計(jì)的物理性質(zhì),f是神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行估計(jì)的操作。下標(biāo)指的是模態(tài)。每一種感官模態(tài)都夾雜著噪音,假設(shè)每種模態(tài)下噪音獨(dú)立且符合高斯分布,同時(shí)先驗(yàn)概率是均勻的,那么MLE模型可表示為

式(4)中wi表示多模態(tài)整合時(shí)某種模態(tài)所占權(quán)重,σi2是感知方差,權(quán)重系數(shù)為歸一化后方差的倒數(shù)。采用該模型來表示視觸整合,那么視觸感知的方差可以表示為

同時(shí)權(quán)重系數(shù)、方差以及由心理測(cè)量函數(shù)所得的差別閾值T有以下關(guān)系,并且wV+wH=1

根據(jù)式(5)和(6),最終視覺模態(tài)和觸覺模態(tài)的預(yù)測(cè)權(quán)重系數(shù)為

將2.2中心理測(cè)量函數(shù)所得差別閾值TH=0.474,TV=0.697代入式(7)計(jì)算得到wH=0.68,wV=0.32。

當(dāng)我們同時(shí)用視覺和觸覺進(jìn)行織物綜合觸感的感知時(shí),輸入大腦的視覺和觸覺信息會(huì)按照類似最大似然的方法進(jìn)行整合,而根據(jù)MLE所計(jì)算出的權(quán)重,可以定量地表示視覺和觸覺在感知過程中各自的貢獻(xiàn)度。從計(jì)算結(jié)果可以看出,觸覺在感知中占主導(dǎo)地位,這與我們的經(jīng)驗(yàn)也是相符合的,但是實(shí)際上視覺也是在一定程度上增加了感知強(qiáng)度。

3 結(jié)語

基于CHES-FY系統(tǒng)所得的織物綜合觸感指數(shù),研究了被試人員在觸覺單模態(tài)、視覺單模態(tài)以及視觸覺雙模態(tài)下對(duì)織物綜合觸感評(píng)估的心理測(cè)量函數(shù),并計(jì)算了在視觸覺雙模態(tài)下感知織物綜合觸感時(shí),各模態(tài)所占主導(dǎo)地位的程度。結(jié)果表明,根據(jù)CHES-FY系統(tǒng)所得綜合觸感指數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果具有很強(qiáng)的相關(guān)性,使用綜合觸感指數(shù)可以很好地表征織物綜合觸感?？椢锞C合觸感的心理測(cè)量函數(shù)服從Boltzmann模型,并且在視觸覺雙模態(tài)下的差別閾值最小,在視覺模態(tài)下的差別閾值最大。在視觸覺雙模態(tài)下的感知強(qiáng)度中,視覺模態(tài)和觸覺模態(tài)分別占0.68和0.32。可以看出視覺和觸覺在織物綜合識(shí)別任務(wù)上都是有效的,但是,觸覺模態(tài)更有主導(dǎo)性,并且同時(shí)使用兩種感官可以提高辨別力。幾乎沒有人嘗試對(duì)織物綜合觸感判別的多感官感知進(jìn)行建模,然而探究人類對(duì)織物綜合觸感的多感官感知的機(jī)制可以促進(jìn)虛擬織物的開發(fā),對(duì)于人機(jī)交互也有極大的意義,多模態(tài)的人機(jī)交互可以更準(zhǔn)確、更快速地完成任務(wù)。