袁志磊,徐平華,丁雪梅,吳雄英,4,徐明慧
[1.上海海關(guān),上海 200135;2.浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院,浙江杭州 310018;3.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心,浙江杭州 310018;4.東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051;5.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué)),上海 200051]
在衣物洗護(hù)過程中,織物在潤(rùn)濕狀態(tài)下受到機(jī)械力及洗滌劑的物理化學(xué)復(fù)合作用易發(fā)生縮皺變形,降低衣物外觀美感和服用性能[1]。其中,面料、里料與縫線性能失配造成洗后縫紉外觀質(zhì)量下降[2]。縫紉平整度的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)選料用料、服裝加工工藝、品質(zhì)控制等至關(guān)重要[3-5]。
GB/T 13771—2009《紡織品 評(píng)定織物經(jīng)洗滌后接縫外觀平整度的試驗(yàn)方法》規(guī)定采用目光比對(duì)方式評(píng)價(jià)織物縫紉平整度等級(jí);對(duì)服裝部位的測(cè)試均采用對(duì)應(yīng)的樣照參照評(píng)估,但人工評(píng)級(jí)耗時(shí)費(fèi)力、精度低、速度慢、專業(yè)性強(qiáng)[6]??陀^評(píng)級(jí)主要采用圖像處理、三維掃描及數(shù)學(xué)建模等技術(shù)評(píng)價(jià)縫紉平整度等級(jí)[7-8],在精準(zhǔn)性、普適性和主客觀一致性等方面存在一定的缺陷。
衣物護(hù)理相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)(如洗后外觀平整度、褶裥保持性等)與縫紉平整度評(píng)估現(xiàn)狀類似[9],因此本文以縫紉平整度評(píng)價(jià)為例,在回顧和總結(jié)國(guó)內(nèi)外方法標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,探析評(píng)級(jí)中存在的主要問題和技術(shù)難點(diǎn),并結(jié)合當(dāng)前機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)的發(fā)展,提出該領(lǐng)域研究的未來發(fā)展方向。
針對(duì)織物洗滌后接縫外觀平整度的評(píng)價(jià),國(guó)內(nèi)外制定了相關(guān)的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn),包括GB/T 13771—2009、ISO 7770—2009Textiles-Test method for assess?ing the smoothness appearance of seams in fabrics after cleansing、AATCC 88B—2018tTest Method for Seam Smoothness in Fabrics after Home Laundering等。上述標(biāo)準(zhǔn)原理基本相同,分為試樣處理、平衡、人工評(píng)級(jí)3 個(gè)階段。
圖1為主觀評(píng)級(jí)場(chǎng)景示意圖。
圖1 主觀評(píng)級(jí)場(chǎng)景示意圖
AATCC 88B 最早由AATCC RA61 委員會(huì)于1962年制定,雖然經(jīng)過多次修訂,但是評(píng)級(jí)方式變動(dòng)較小[6]。其余相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)類似,即在規(guī)定的照明條件下,參照標(biāo)準(zhǔn)樣照,對(duì)經(jīng)約定洗滌方式處理后的試樣進(jìn)行目測(cè)比對(duì);對(duì)3 名觀測(cè)者評(píng)級(jí)結(jié)果進(jìn)行均值修約后得出接縫外觀平整度評(píng)定等級(jí)[10]。主觀評(píng)級(jí)場(chǎng)景示意圖規(guī)定了照明條件、標(biāo)樣/試樣放置方式、觀測(cè)位置等必備條件。
標(biāo)準(zhǔn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)樣照或立體標(biāo)準(zhǔn)樣板分為單針跡和雙針劑2 種形式。AATCC 88B—2018t 提供了如圖2a、圖2b 所示的2 種標(biāo)準(zhǔn)樣照,GB/T 13771—2009、ISO 7770—2009 另增2 類立體標(biāo)準(zhǔn)樣板,如圖2c、圖2d 所示??p跡共分為5 級(jí),1 級(jí)最皺,5 級(jí)最優(yōu),加上0.5 級(jí)為1 檔,一共為5 級(jí)9 檔。由3 名觀測(cè)者對(duì)3塊試樣均值修約至最接近0.5 級(jí)檔作為最終評(píng)級(jí)結(jié)果。其中AATCC 88B—2018t修約至0.1級(jí)。
圖2 縫跡標(biāo)準(zhǔn)樣照和標(biāo)準(zhǔn)樣板
服裝是由面輔料、配件等材料綜合加工而成,其縫制工藝、材料種類、色彩花型多樣,僅對(duì)織物洗后接縫外觀平整度進(jìn)行評(píng)估與服裝存在差距。為此,國(guó)內(nèi)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)不同類型服裝的縫紉外觀質(zhì)量評(píng)定。
肖平等[6]對(duì)部分涉及縫紉平整度的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容、特點(diǎn)和缺陷做了相關(guān)總結(jié)。表1 對(duì)測(cè)試方法、部位和技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)。由表1 可知,不同類型的服裝對(duì)縫紉平整度測(cè)試部位、技術(shù)要求不盡相同,參照的標(biāo)準(zhǔn)樣照也存在較大差異,如襯衫、西服、大衣、夾克衫等服裝產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試洗滌后的縫紉平整度,而絲綢服裝、羽絨服、風(fēng)衣等服裝產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)僅要求測(cè)試洗滌前的縫紉平整度。
表1 服裝縫紉平整度測(cè)試方法與技術(shù)要求
縫紉平整度客觀評(píng)級(jí)從技術(shù)手段上分為接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法2 種評(píng)級(jí)方法[11]。研究思路大致如圖3 所示,一般分為4 個(gè)階段:信息采集、預(yù)處理、特征提取和綜合評(píng)級(jí)。
圖3 縫紉平整度客觀評(píng)價(jià)研究思路
接觸式測(cè)量主要通過傳感器對(duì)織物或服裝縫跡處高低起伏形態(tài)進(jìn)行測(cè)量,獲得高度、傾斜度、曲率、長(zhǎng)度變化等信息,綜合計(jì)算縫紉平整度[12]。其中,褶皺系數(shù)[13]是將試樣拉伸至褶皺消失時(shí)的長(zhǎng)度與初始樣長(zhǎng)度的變化率;縫縮率[14]表征縫制或洗滌前后縫跡長(zhǎng)度變化量,按照下列公式進(jìn)行計(jì)算:
式中:l0為織物縫紉前的長(zhǎng)度;l為織物縫紉后的長(zhǎng)度。
利用成像設(shè)備采集試樣表面圖像后進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和等級(jí)分類。
圖像預(yù)處理是將采集圖像的有效信息與干擾信息進(jìn)行分離。干擾信息主要包括成像噪聲、面料色斑或灰點(diǎn)、表面色彩、圖案或組織紋理等。其中噪聲、色斑或簡(jiǎn)單的紋理等利用濾波或偏微分方程等技術(shù)容易濾除[15],但復(fù)雜紋樣或色彩較難去除[16]。
在特征提取和篩選方面,縫紉褶皺形貌特征是等級(jí)分類的重要評(píng)判依據(jù)。早期由于成像技術(shù)的制約,僅利用褶皺形成的光影與褶皺之間的投影比(投影曲線長(zhǎng)度與接縫長(zhǎng)度比值)[17]間接表征縫紉平整度。隨著成像質(zhì)量的提升,縫紉平整度逐步轉(zhuǎn)向褶皺自身形態(tài)的評(píng)估。一般將褶皺轉(zhuǎn)換至單通道圖像進(jìn)行特征提取。從空間域入手提取形態(tài)參數(shù),如褶皺數(shù)、曲率或構(gòu)造特征,如灰度共生矩陣析出的能量、熵、對(duì)比度、表面粗糙度等[18-19],或利用分形幾何技術(shù)[20]提取分形參數(shù);從頻率域入手,利用傅里葉變換、Gabor 變換、小波變換等方式提取頻率域特征。相關(guān)研究所采用的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[21]、haar 小波技術(shù)[22]、模糊識(shí)別模型[23]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]及粗糙集-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[25]、殘差卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[26]等方法提取了較為有效的特征指標(biāo)。如利用Gabor 濾波器提取的總熵值,其與主觀評(píng)級(jí)結(jié)果之間呈現(xiàn)良好的二次方多項(xiàng)式關(guān)系[27]。相關(guān)研究對(duì)上述部分特征與主觀評(píng)級(jí)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了具體比較分析[28]。
在等級(jí)評(píng)定方面,將提取的若干項(xiàng)特征值作為輸入信息,利用聚類分析、回歸分析、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)等方式進(jìn)行分類[21-23]。對(duì)于花型或顏色干擾弱的樣本,上述研究方法得出的結(jié)論顯示能夠有效區(qū)分縫紉平整度等級(jí),但對(duì)于花色干擾的織物,由于在預(yù)處理階段較難將目標(biāo)和背景分離,輸入圖像混雜過多干擾信息,至今基于圖像分析的評(píng)級(jí)方法尚未成為通用可行的解決手段。
三維重建的優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀獲得縫跡處褶皺的空間形貌,有效規(guī)避顏色和紋理的影響。主要包括三維掃描和重建、預(yù)處理、特征提取、等級(jí)分類[29-31]。
三維形貌的獲取一般利用激光掃描、光柵投影、光度立體視覺、雙目或者多目立體視覺法獲得表面點(diǎn)云信息,重建出褶皺形貌。隨著便攜式商用三維掃描儀的出現(xiàn),對(duì)褶皺形貌的獲取更加方便,但是時(shí)間代價(jià)以及硬件成本較高。光度立體視覺基于多角度光影變化重建形貌、雙目或者多目成像則基于織物圖像自身特征匹配后重建形態(tài),利用多幅圖像信息構(gòu)建三維空間形貌,在一定程度上減少了信息采集階段的成本[9]。
三維空間形貌特征包括平均長(zhǎng)度、體積、表面積、扭曲程度等[32]。如利用褶皺輪廓曲率與主觀評(píng)級(jí)、抽皺量構(gòu)成關(guān)聯(lián)度,則不同面料的關(guān)系曲線分布形態(tài)存在差異[33],說明不同材質(zhì)的面料,其縫紉平整度主觀認(rèn)知與當(dāng)前提出的特征之間還存在一定的差異。
客觀評(píng)級(jí)方法的研究逐步成熟,但人工評(píng)級(jí)至今仍在應(yīng)用,尚未被有效替代。其原因需要從人工評(píng)級(jí)的優(yōu)勢(shì)和缺陷2方面進(jìn)行分析。
諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者David 等[34]研究得出,哺乳類動(dòng)物的可視皮層呈分級(jí)結(jié)構(gòu),神經(jīng)-中樞-大腦的反饋是一個(gè)不斷迭代、抽象的過程。這種對(duì)檢測(cè)積累的“有限樣本”自我比對(duì)、自動(dòng)學(xué)習(xí)的能力應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暋5斯ぴu(píng)價(jià)同樣存在嚴(yán)重缺陷,即效率低、分辨精度低、重復(fù)性差。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試條件較為苛刻,尤其對(duì)于紡織服裝企業(yè)而言,投入成本大。此外,高度依賴經(jīng)驗(yàn),對(duì)評(píng)級(jí)人員要求較高。也正因?yàn)槿绱耍枰私夂蛯W(xué)習(xí)人工評(píng)級(jí)機(jī)制,研究可以實(shí)現(xiàn)主客觀高度一致的客觀評(píng)級(jí)方法。
當(dāng)前客觀檢測(cè)方法的研究以二維圖像和三維空間信息分析和評(píng)價(jià)為主。
三維形貌的重建,如利用三維激光或光柵式掃描儀對(duì)樣本進(jìn)行掃描,由于需要逐點(diǎn)或逐行掃描,單一樣品掃描時(shí)間過長(zhǎng),加之需要尺寸標(biāo)定耗費(fèi)大量時(shí)間[33],超出商用檢測(cè)時(shí)間的容忍度,原則上應(yīng)當(dāng)短于人工評(píng)級(jí)耗時(shí)?;诙喾鶊D像信息的重建,依據(jù)不同算法的復(fù)雜度,其時(shí)間損耗差異較大,目前重建時(shí)間仍有提速的必要。對(duì)于單幅圖像而言,在花型和色彩干擾弱的情況下,一般處理和分析耗時(shí)能夠滿足商用檢測(cè)需求,但是對(duì)于復(fù)雜紋理和色彩干擾,預(yù)處理時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。
織物組織結(jié)構(gòu)紋理、色彩和花型、表面臟污或其他信息是縫紉平整度客觀評(píng)價(jià)中的主要干擾信息。利用三維重建方式有效規(guī)避該影響,但是速度過慢,仍需提升效率。對(duì)于二維圖像而言,優(yōu)勢(shì)是處理速度快,但缺點(diǎn)是對(duì)于表面干擾信息的有效濾除仍存在較大障礙[22]。
由于圖像處理是將織物表面信息映射成平面圖像,褶皺與干擾信息混雜,如何有效分離較為關(guān)鍵。改進(jìn)途徑包括對(duì)成像設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化或從特征形貌角度進(jìn)行分離,但相關(guān)研究表明目前尚未能有效解決此類問題,而這一問題影響到紡織品表面性能的檢測(cè),如起毛起球評(píng)級(jí)、疵點(diǎn)檢測(cè)、織物洗后外觀平整度評(píng)級(jí)[9]等,成為當(dāng)前的共性問題。
一方面,當(dāng)前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)樣本過少?,F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提及的標(biāo)準(zhǔn)立體樣板或樣照是人工評(píng)級(jí)時(shí)的參照樣,數(shù)量有限。另一方面,標(biāo)準(zhǔn)樣的種類需求豐富,不僅需要對(duì)織物縫紉平整度進(jìn)行評(píng)判,還需要對(duì)服裝不同部位甚至整件服裝進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[35-37]。此外,現(xiàn)有部分標(biāo)準(zhǔn)中的描述不明確,存在一定的操作難度。如“男西服外觀起皺樣照”是服裝整體樣照,而縫紉平整度是對(duì)服裝局部進(jìn)行評(píng)價(jià),服裝整體樣照不利于檢測(cè)人員對(duì)局部縫紉外觀質(zhì)量進(jìn)行判斷;在連衣裙、牛仔服、人造毛皮服裝等服裝產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)縫紉平整度沒有具體的等級(jí)要求,僅憑檢測(cè)人員主觀判斷是否縫制平伏、線路順直,缺乏判斷標(biāo)準(zhǔn),檢測(cè)人員難以把握,建議將不小于4 級(jí)作為縫制平伏的判斷標(biāo)準(zhǔn);在部分服裝產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(例如FZ/T 81010—2018、FZ/T 81007—2012、FZ/T 81008—2020 等)中,對(duì)測(cè)試部位的標(biāo)注不夠明確,僅說明為主要表面部位,如何判斷為主要表面部位可能會(huì)導(dǎo)致不同檢測(cè)人員判定結(jié)果出現(xiàn)差異。因此,需要構(gòu)建基于一定數(shù)量且公認(rèn)的樣本訓(xùn)練庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試,使現(xiàn)有各類客觀評(píng)級(jí)方法與人工評(píng)級(jí)保持一致。
織物外觀性能的評(píng)估速度因技術(shù)的迭代逐步提升,最終測(cè)評(píng)表現(xiàn)應(yīng)最大限度地優(yōu)于人工檢測(cè)速度。從當(dāng)前客觀評(píng)級(jí)技術(shù)手段來看,盡管三維重建精度越來越高,但掃描速度遠(yuǎn)未達(dá)到商用評(píng)級(jí)需求。利用二維圖像信息重建,從算法復(fù)雜度來看同樣需要耗費(fèi)一定的時(shí)間。對(duì)于純色織物,二維圖像免去了干擾信息的濾除,可略過三維重建,因此速度上有優(yōu)勢(shì),基本能滿足當(dāng)前的測(cè)試需求。因此,如何有效、快速濾除表面干擾信息,成為制約縫紉外觀平整度評(píng)級(jí)速度的關(guān)鍵,也是今后需要重點(diǎn)解決的難點(diǎn)之一。
除了檢測(cè)速度,評(píng)級(jí)精度也是今后需要重點(diǎn)解決的問題。人工評(píng)級(jí)為5 級(jí)9 檔制,精確度為0.5 級(jí),難以區(qū)分不同面料或者不同洗滌、干燥條件之間的差異,使得該指標(biāo)難以用于評(píng)價(jià)面料、縫線、工藝或者洗滌程序差異,用途受限。因此,在今后的研究中,輸出結(jié)果除了覆蓋人工評(píng)級(jí)范圍,還需要對(duì)每檔之間的弱變化進(jìn)行細(xì)分,給出高于人工評(píng)級(jí)精度的評(píng)價(jià)值。此外,樣品庫(kù)的褶皺效應(yīng)信息,也應(yīng)當(dāng)根據(jù)洗護(hù)的實(shí)際效果,明確是否需要延展評(píng)級(jí)范圍,避免出現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)樣更加褶皺時(shí),強(qiáng)制歸集至1 級(jí),需要更多地考慮褶皺狀態(tài)。
目前,客觀評(píng)級(jí)研究方法較多關(guān)注織物洗后縫縮評(píng)級(jí),對(duì)實(shí)際服裝的縫紉平整度評(píng)級(jí)研究較少,即研究覆蓋面較窄。因此,針對(duì)襯衫、西服、大衣、絲綢服裝等整件服裝的縫紉平整度評(píng)級(jí)有待進(jìn)一步研究。此外,對(duì)于織物的色彩、紋理、花型等干擾因素的濾除,也是今后研究的重點(diǎn),需要不斷提升客觀評(píng)級(jí)方法的普適性,并建立相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)。
客觀評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的建立將有利于統(tǒng)一各類服裝的縫紉平整度評(píng)級(jí)方法,目前,在GB/T 2660—2017《襯衫》、GB/T 18132—2016《絲綢服裝》、GB/T 2664—2017《男西服、大衣》等服裝產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,依據(jù)服裝款式、材質(zhì)、縫制工藝等,都各自規(guī)定了一套標(biāo)準(zhǔn)樣照,用于縫紉平整度的人工評(píng)價(jià)。但是隨著客觀評(píng)級(jí)技術(shù)的發(fā)展,基于大數(shù)據(jù)下的智能評(píng)價(jià)模型的建立,可以利用機(jī)器自學(xué)習(xí)機(jī)制進(jìn)行等級(jí)判定,不再依賴于檢驗(yàn)員的經(jīng)驗(yàn)和各種標(biāo)準(zhǔn)樣照。
人工視覺評(píng)級(jí)過程可看作一種合理且高效的圖像處理系統(tǒng),并非糾結(jié)于一兩種特征,而是依據(jù)多源信息并結(jié)合檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合判定,具有較強(qiáng)的容錯(cuò)和智能綜合特性[38],這是人工檢測(cè)目前難以替代的根本原因。在提升主客觀評(píng)級(jí)的高度一致性方面,需要對(duì)人工評(píng)級(jí)機(jī)制進(jìn)行深入探究[39],從評(píng)價(jià)思路、評(píng)價(jià)特征、特征綜合等方面深入研究和模擬,最大程度地接近主觀評(píng)級(jí)專家的共性評(píng)價(jià)邏輯。
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,服裝縫紉平整度的評(píng)價(jià),不僅局限于依靠人工主觀、直接測(cè)量、圖像分析等測(cè)量方法,還要建立大數(shù)據(jù)下的智能評(píng)價(jià)模型,在豐富褶皺效應(yīng)的同時(shí),利用自學(xué)習(xí)機(jī)制智能判定等級(jí),實(shí)現(xiàn)與專家主觀評(píng)級(jí)的高度一致。
紡織品服裝檢測(cè)在向智能化、便捷化、精確化方向發(fā)展的同時(shí),檢測(cè)成本也必然成為商用研發(fā)考慮的因素之一。檢測(cè)儀器的硬件成本主要包括信息采集設(shè)備及成像環(huán)境所需的配置。目前采用的手持式三維掃描儀除了掃描速度慢之外,還有價(jià)格昂貴的問題,難以商業(yè)推廣。圖像處理和分析技術(shù)基于成像結(jié)果的分析,絕大多數(shù)相機(jī)能夠有效分辨織物的褶皺狀態(tài),成本相對(duì)低廉,是今后硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)的首選配件。軟件方面主要取決于設(shè)計(jì)難度、軟件開發(fā)周期和維護(hù)成本等,隨著設(shè)備的普及和廣泛使用,其編輯成本將降低。相比較而言,硬件成本更有壓縮空間。
(1)服裝縫紉平整度是服裝外觀質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,當(dāng)前的人工評(píng)級(jí)法和客觀評(píng)級(jí)法各具優(yōu)勢(shì),同時(shí)也存在一定的缺陷。人工評(píng)級(jí)法即標(biāo)樣對(duì)照法,綜合了經(jīng)驗(yàn)和特征綜合的認(rèn)知優(yōu)勢(shì),但容易受環(huán)境、生理狀態(tài)或其他外部因素的干擾??陀^評(píng)級(jí)法重復(fù)性好,圖像分析速度快,但易受織物表面顏色、紋理的影響;三維掃描法所用設(shè)備昂貴,耗時(shí)較長(zhǎng),且容易出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。整體來看,客觀評(píng)級(jí)法在干擾信息濾除或重建速度上有待進(jìn)一步提升。
(2)在今后的研究中,應(yīng)當(dāng)結(jié)合機(jī)器視覺、人工智能、大數(shù)據(jù)等多種分析技術(shù),利用自學(xué)習(xí)機(jī)制研究多類型織物或者服裝縫紉平整度的精確評(píng)級(jí)方法,實(shí)現(xiàn)主客觀的高度一致。在研究與當(dāng)前檢測(cè)需求相適應(yīng)的客觀評(píng)級(jí)方法基礎(chǔ)上,建立可替代主觀評(píng)級(jí)的客觀評(píng)級(jí)方法標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于提高我國(guó)服裝縫紉平整度檢測(cè)技術(shù)、促進(jìn)服裝企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有重要意義。