鄭雯潔, 張愛丹,2
(1. 浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院), 浙江 杭州 310018;2. 浙江理工大學(xué) 浙江省絲綢與時(shí)尚文化研究中心, 浙江 杭州 310018)
織物圖像是將織物從立體形態(tài)轉(zhuǎn)化為平面形態(tài)的一種手段。數(shù)字形式的平面圖像具有直觀的視覺效果,以及便于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析等優(yōu)勢,已被廣泛應(yīng)用于提花織物紋樣提取[1]、網(wǎng)孔織物圖像分割[2]、織物圖像疵點(diǎn)檢測[3]等。影光組織是一種能表現(xiàn)經(jīng)、緯紗線顏色相互轉(zhuǎn)化過渡的系列變化織物組織,常用于單層結(jié)構(gòu)、重組織結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)提花織物的設(shè)計(jì)[4-6],對其呈色規(guī)律的預(yù)測研究可為提花織物顯色效果的設(shè)計(jì)提供參考。
目前對機(jī)織物呈色規(guī)律預(yù)測模型的探討,主要有建立在單一織物組織基礎(chǔ)上的幾何模型[7],以及基于區(qū)域顏色數(shù)據(jù)提取的平均計(jì)算方法[8]等。前者一般不考慮織物紗線因織縮造成的形變,以及經(jīng)緯紗線交織形成立體結(jié)構(gòu)的光影特點(diǎn)。另外,在高經(jīng)緯密設(shè)計(jì)條件下,幾何模型中的背景空隙因素作用不明顯,使得幾何模型并不適用于高經(jīng)緯密緞紋影光組織提花織物呈色效果的預(yù)測計(jì)算。而基于區(qū)域顏色數(shù)據(jù)提取的平均計(jì)算法,通過在PS圖像處理軟件中,對織物組織圖直接進(jìn)行吸色,再對吸取的顏色進(jìn)行平均值計(jì)算得出織物色值,作為建立織物呈色模型或色卡的依據(jù)。這種方法雖然可以反映織物的混色特征,但因研究對象是織物組織圖像而不是實(shí)物樣品,并不能代表真實(shí)織物表面的顏色值。上述2種織物顏色預(yù)測方法,都忽略了經(jīng)緯紗線上下沉浮交織構(gòu)成的微觀立體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的大量光影信息,以及柔性紗線因織縮而產(chǎn)生的形變特質(zhì)。鑒于此,本文以織物樣品的實(shí)物圖像為研究對象,提出一種適用于緞紋影光組織織物的明度預(yù)測方法,為影光組織的設(shè)計(jì)提供參考。
將三維立體織物轉(zhuǎn)化為灰度模式的數(shù)字圖像,從而利用構(gòu)成圖像的像素灰度值,反映無彩色織物表面的明度信息。這種明度信息是綜合性的,易受到圖片采集條件的干擾,因此需將圖像按一定方式進(jìn)行處理,盡可能降低人為因素或環(huán)境因素的影響,才能用于目標(biāo)研究。織物色的主要構(gòu)成因素為織物組織和紗線,據(jù)此將織物圖像分離為3層,分別為表示織物表面經(jīng)緯浮長的經(jīng)緯紗線圖形層、經(jīng)緯紗線交織形成立體結(jié)構(gòu)的陰影層和表示紗線原材料質(zhì)感特征的材質(zhì)層。
圖像的分層處理主要是為了得到不同圖形因素的相對面積,為實(shí)際紗線色的賦值提供范圍,而不是將拍攝圖像作為重構(gòu)織物圖像明度的直接來源,具體方法見圖1所示。根據(jù)織物圖像的重構(gòu)明度值與織物樣品實(shí)際測量明度值的擬合結(jié)果,確定織物明度預(yù)測公式的各項(xiàng)變量,用于織物明度預(yù)測回歸模型的構(gòu)建。
圖1 織物圖像光影重構(gòu)研究方法示意圖Fig.1 Diagram of light and shadow reconstruction method of fabric images
1.1.1 經(jīng)緯紗線圖形層
經(jīng)緯紗線圖形層是光影分離和重構(gòu)的基礎(chǔ),主要呈現(xiàn)織物表面經(jīng)緯紗線浮長的獨(dú)立面積,以反映織物的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度與紗線線密度等特征。在織物圖像中,陰影層和紗線材質(zhì)層的重建都依附于這一層,同時(shí)也是反映織物紗線形變狀態(tài)的重要圖形層。
1.1.2 立體結(jié)構(gòu)陰影層
陰影層由經(jīng)緯紗線投影信息組成,隨著織物組織和紗線規(guī)格的變化而不同。在織物圖像中,陰影部分反映了經(jīng)緯紗線上下起伏交織的立體狀態(tài),是區(qū)別于幾何模型平面特性的關(guān)鍵因素。紗線陰影部分具有明暗漸變的特點(diǎn),在提取過程中需要對其面積范圍進(jìn)一步確定。
1.1.3 經(jīng)緯材質(zhì)層
材質(zhì)層反映了經(jīng)緯紗原材料的圖像特征,具體表現(xiàn)為類似雜點(diǎn)的紋理。雜點(diǎn)紋理提供了紗線材質(zhì)本身的特性,如構(gòu)成紗線的纖維及其成紗形式等方面的信息。根據(jù)經(jīng)緯紗線的材質(zhì)和顏色的變化,材質(zhì)層對織物明度值的影響效果也不同。材質(zhì)層為體現(xiàn)織物原材料特性預(yù)設(shè)了空間,為更準(zhǔn)確預(yù)測織物色創(chuàng)造了條件。
光影重構(gòu)是基于上述圖像分層的二次篩選及重新組合,是指對各層圖像數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算。圖像的分層是為了更精確地反映原始織物圖像的光影關(guān)系。
對于紗線圖形層,由于織縮及紗線交織產(chǎn)生的扭曲形變,實(shí)際的織物經(jīng)緯浮長面積不同于織物組織圖理想狀態(tài)下的面積。這一圖層的提取決定了織物明度預(yù)測模型的基礎(chǔ)數(shù)值。
對于陰影層,一方面經(jīng)緯紗線上的陰影表現(xiàn)為灰度值漸變的像素點(diǎn),因此需設(shè)定提取的臨界值,以確定作為陰影的像素;另一方面當(dāng)紗線為黑色或顏色較深時(shí),投于之上的陰影通常難以察覺,因此陰影效應(yīng)主要對白色或淺色紗線產(chǎn)生顯著作用。
織物紗線顏色的深淺對材質(zhì)層也有一定的影響。白色或淺色紗線在光源下即使產(chǎn)生亮點(diǎn),對織物整體明度值并無太大影響。而在黑色或深色紗線上,這種亮點(diǎn)對視覺造成明顯的干擾。此外,如織物紗線的纖維和成紗加工形式不同,產(chǎn)生的紋理圖像也各不相同,需要區(qū)別對待。
以16枚3飛、5飛、7飛緯面緞紋為基礎(chǔ)組織進(jìn)行影光組織庫設(shè)計(jì),并進(jìn)行織物樣品織造。影光組織庫在組織點(diǎn)過渡方向上,分別采用緯向加強(qiáng)和經(jīng)向加強(qiáng)2種方法;每次增加的組織點(diǎn)數(shù)量等于基礎(chǔ)組織循環(huán)數(shù),共計(jì)6組各有15個(gè)組織的最小值影光組織庫[9]??椢飿悠酚?組白經(jīng)和1組黑緯交織而成,其中經(jīng)、緯紗組合分別為22.2、24.4 dtex×2的桑蠶絲,經(jīng)緯密均為1 100根/(10 cm)。文中織物樣品均由杭州宏創(chuàng)紡織有限公司生產(chǎn)織造。
對織物色卡樣品進(jìn)行背面拖裱,使其平整挺括,再采用美國X-rite愛色麗公司Color i7型臺式分光測色儀進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)采集條件:顏色系統(tǒng)為CIEL*a*b*,觀測角度為10°,測量孔徑為25 mm,光源為脈沖氙燈D65。每塊織物樣品測試3次,取其明度平均值。
2.2.1 織物圖像采集與剪裁
采用歐美科臺式數(shù)碼電子顯微鏡(型號AO1017)進(jìn)行織物樣品圖像采集,放大91.68倍,拍攝的織物圖像長寬尺寸為2 592像素×1 944像素,如圖2(a)所示。再將其統(tǒng)一導(dǎo)入MatLab軟件中轉(zhuǎn)換為灰度模式圖像。
圖2 織物圖像分層提取及其圖像例證Fig.2 Layered extraction of fabric images and its image illustration. (a)Original digital image; (b)Preprocess window image; (c)Connection area image; (d)Open operational image; (e)White warp image; (f)Black weft image; (g)Shadow image on the white warp; (h)Texture image on black weft
采用 imcrop 函數(shù),按照同一起點(diǎn)和同一尺寸,將所有織物樣品圖像均裁剪為501像素×501像素的窗口圖像,使其包含一個(gè)完整組織循環(huán)。計(jì)算各窗口圖像的平均灰度值,將窗口圖像中灰度值低于灰度均值的像素全部設(shè)為“0”,得到預(yù)處理的窗口圖像,見圖2(b),之后的圖像運(yùn)算都基于該步驟圖像的灰度信息。
2.2.2 開運(yùn)算圖像處理
開運(yùn)算是一種對數(shù)字圖像進(jìn)行形態(tài)處理的方法,參與運(yùn)算的對象有2個(gè):目標(biāo)圖像和結(jié)構(gòu)集合。本文實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)圖像為預(yù)處理窗口圖像,結(jié)構(gòu)集合也稱結(jié)構(gòu)元素,其可以是任何形狀,如線性、圓盤形等[10]。文中利用開運(yùn)算方法主要是為了在消除預(yù)處理窗口織物圖像中黑緯上雜點(diǎn)的同時(shí),保留白經(jīng)圖形邊緣的灰度像素點(diǎn),為分離白經(jīng)、黑緯圖形提供最優(yōu)圖像方案。
在開運(yùn)算處理中,結(jié)構(gòu)元素的大小和形狀設(shè)置是關(guān)鍵。文中結(jié)構(gòu)元素的大小根據(jù)黑緯上雜點(diǎn)像素面積而定。先在MatLab軟件中采用graythresh函數(shù)(Otsu算法),對每幅預(yù)處理窗口圖像進(jìn)行閾值分割,得到連通域圖像,見圖2(c)。再將連通域面積降序排列,排除織物經(jīng)、緯圖形區(qū)域之后,得到最大雜點(diǎn)面積。以16枚3飛經(jīng)向加強(qiáng)組織織物樣品為例,分別在組織點(diǎn)連續(xù)增加到第5個(gè)和第11個(gè)時(shí),相鄰經(jīng)紗上的經(jīng)組織點(diǎn)產(chǎn)生連結(jié),因此將1組影光組織織物分為 3 段提取。第1段中組織點(diǎn)連通區(qū)域數(shù)量最多,為16~20個(gè)之間;第2段數(shù)量為6個(gè);第3段數(shù)量為1個(gè)。3段中需重點(diǎn)考察第1段第16個(gè)組織點(diǎn)連通區(qū)域之后的4個(gè)區(qū)域面積,若其中有1個(gè)區(qū)域與其他相差300像素以上即為最大雜點(diǎn)面積。根據(jù)上述方法得到每段最大雜點(diǎn)連通區(qū)域,再取其像素?cái)?shù)量平均值,作為結(jié)構(gòu)元素大小的根據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,文中最終采用半徑為 5 像素的圓形結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行開運(yùn)算圖像處理,經(jīng)開運(yùn)算處理的織物圖像見圖2(d)。
2.3.1 經(jīng)緯圖形區(qū)域的提取與賦值
灰度織物圖像經(jīng)開運(yùn)算處理后,白經(jīng)與黑緯區(qū)域被基本分離,見圖2(d)。根據(jù)圖像像素灰度值劃分經(jīng)、緯紗線圖形,并計(jì)算所占面積率。先統(tǒng)計(jì)織物圖像中灰度值為“0” 的像素?cái)?shù)量,再計(jì)算其與圖像總像素量的比值,即為黑緯面積比Sw1(%);其余灰度值大于“0”的像素區(qū)域即為白經(jīng)圖形部分,其與圖像總像素量的比值設(shè)為Sj1(%)。白經(jīng)和黑緯的圖形效果,見圖2(e)和(f)。
在獲得每個(gè)織物樣品圖像的經(jīng)緯紗線的面積及其比值之后,再賦予各自實(shí)際的紗線色的色值。經(jīng)測色得知,白色經(jīng)紗的明度值(Lj)為 91.16,黑色緯紗的明度值(Lw)為 14.09。
2.3.2 白經(jīng)投影區(qū)域的提取與賦值
圖像開運(yùn)算處理后,白經(jīng)上的投影更加塊狀化,有利于灰度模式織物圖像的像素提取。根據(jù)開運(yùn)算后的圖像灰度平均值,將大于平均值的像素部分賦值為“0”。此時(shí)圖像中只保留了白經(jīng)的深灰部分,見圖2(g)。投影部分的像素?cái)?shù)量與圖像總像素?cái)?shù)量的比值設(shè)為Sh1(%)。再從白經(jīng)面積中減去白經(jīng)投影面積,剩余部分的像素?cái)?shù)量與圖像總像素?cái)?shù)量的比值設(shè)為Sj2(%)。白經(jīng)陰影部分的明度值設(shè)為Lh1,取經(jīng)紗和緯紗的實(shí)際明度值的中間值“50”。
2.3.3 黑緯雜點(diǎn)區(qū)域的提取與賦值
材質(zhì)層雜點(diǎn)圖像存在灰度變化,但僅有部分像素雜點(diǎn)對織物明度有所影響,因此需要設(shè)定雜點(diǎn)篩選臨界值。將預(yù)處理窗口圖像與開運(yùn)算圖像相減,得到雜點(diǎn)圖像,見圖2(h)。統(tǒng)計(jì)圖像中灰度值為255的像素?cái)?shù)量,即為黑緯雜點(diǎn)面積。這部分與圖像總像素?cái)?shù)量的比值設(shè)為Sh2(%)。再計(jì)算黑緯面積減去雜點(diǎn)面積,其差值與圖像總像素?cái)?shù)量的比值設(shè)為Sw2(%)。黑緯雜點(diǎn)部分的明度值設(shè)為Lh2,取白經(jīng)實(shí)際明度值“91.16”。
根據(jù)明度相加定律,織物明度為各部分明度之和,即為經(jīng)緯紗線圖形層、陰影層和材質(zhì)層線性重構(gòu)的還原過程。由上述3層圖像的重構(gòu)轉(zhuǎn)化得到的織物綜合明度計(jì)算公式如下:
Lzi=Sj2Lj+Sw2Lw+Sh1Lh1+Sh2Lh2
i=1,2,…,R-1
式中:Lzi為織物綜合計(jì)算明度值;Sj2、Sw2分別為織物經(jīng)、緯紗各自面積比;Lj、Lw為經(jīng)、緯紗實(shí)測明度值;Sh1、Sh2分別為白經(jīng)投影面積比和黑緯雜點(diǎn)面積比;Lh1、Lh2為陰影和雜點(diǎn)的明度值;R為織物組織循環(huán)數(shù),文中取16;i為最小值影光組織庫的取值范圍,文中為1~15。
為考察各分層圖對于織物明度的影響程度,分別計(jì)算織物樣品圖像的經(jīng)緯紗線圖形層、經(jīng)緯紗線圖形層結(jié)合陰影層,以及綜合3層的織物明度值,再將3種計(jì)算結(jié)果與實(shí)物樣品測色數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。文中以16枚7飛經(jīng)向加強(qiáng)織物樣品為例,其結(jié)果如圖3所示。由圖可知,由計(jì)算所得的織物經(jīng)緯紗線圖形層明度值(Lpi)大于實(shí)測明度值(L1),但曲線走向與實(shí)測明度值一致,表明僅考慮經(jīng)緯表面浮長無法較好地還原織物明度;增加白經(jīng)陰影層計(jì)算所得的織物明度值(Lti),更接近織物樣品的測量明度,可見投影層對織物明度重構(gòu)具有重要作用;再增加黑緯雜點(diǎn)層計(jì)算得到織物明度值(Lzi),與(Lti)相比變化較小,從圖中無法直接判斷雜點(diǎn)層的改善作用。
圖3 織物明度曲線圖Fig.3 Diagram of fabric lightness
下面進(jìn)一步以3組飛數(shù)分別為3、5、7的 16 枚經(jīng)向加強(qiáng)影光組織織物樣品為分析對象,通過對3組織物樣品圖像的經(jīng)緯圖形層明度Lpi、經(jīng)緯紗線圖形層結(jié)合投影層的明度Lti,以及在前二者基礎(chǔ)上增加材質(zhì)層的明度Lzi分別與織物樣品實(shí)際測量明度L1,進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果見表1。表中:F值為上述3組計(jì)算明度值和1組測量明度值的組間方差和組內(nèi)方差的比值,p值為各組均值相等的概率,作為計(jì)算明度數(shù)據(jù)與織物樣品測量明度數(shù)據(jù)擬合度的評價(jià)值,F(xiàn)值越大且p值小于 0.05,表示數(shù)據(jù)擬合度越差,反之則擬合度越好。
表1 織物明度單因素方差分析表Tab.1 One-way analysis of variance for fabric lightness
從表1可見,增加紗線材質(zhì)層后,3組織物的計(jì)算明度Lzi的p值均遠(yuǎn)大于 0.05,且F值相對其他2組更接近于0,發(fā)揮了進(jìn)一步縮小計(jì)算值與實(shí)測值差距的作用。其中16枚3飛織物樣品組的綜合明度Lzi與實(shí)測明度的擬合度最佳,其次是16枚7飛、16枚5飛。
對3組織物樣品的3種不同圖像層組合明度值的擬合度分別取其均值,其中經(jīng)緯圖形層明度與實(shí)測明度的擬合度為0.15,增加陰影層后擬合度提高到0.76,再加入材質(zhì)層后的明度擬合度上升為0.89,可見,基于織物圖像分層圖得到的線性光影重構(gòu)明度,較好地還原織物實(shí)際明度,為文中明度預(yù)測模型的建立提供了變量選擇的依據(jù)。
根據(jù)上述線性光影重構(gòu)獲得織物明度的結(jié)果,文中以織物預(yù)測明度為因變量,以織物經(jīng)緯圖形、投影和雜點(diǎn)面積為自變量,建立二次多項(xiàng)式,以逼近實(shí)際函數(shù)表達(dá)關(guān)系[11]。其中織物經(jīng)緯紗線圖形面積與基于特定影光組織的織物樣品的實(shí)際形變量(S)建立了聯(lián)系,S由織物樣品圖像提取所得經(jīng)緯紗線圖形與其對應(yīng)意匠經(jīng)緯紗線圖形二者面積的差值所得。此外,為便于運(yùn)算,引入多個(gè)新變量以替換二次多項(xiàng)式中相應(yīng)數(shù)量的由2個(gè)自變量乘積組成的單項(xiàng)式,即將二次多項(xiàng)式模型轉(zhuǎn)為多元線性模型,見如下公式:
Y=B0+B1x1+B2x2+B3x3+B4x4+
B5x5+B6x6+B7x7+B8x8+B9x9
下面分別對 3 組經(jīng)向、3 組緯向加強(qiáng)織物圖像數(shù)據(jù),以及將前二者全部組合在一起,形成包含經(jīng)緯兩向加強(qiáng)的6組織物圖像數(shù)據(jù),建立3個(gè)逐步回歸分析預(yù)測模型。圖像數(shù)據(jù)樣本具體為從每組15個(gè)樣本中隨機(jī)選取13個(gè)作為訓(xùn)練樣本,剩余2項(xiàng)為檢驗(yàn)樣本。將所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本輸入逐步回歸分析模型,結(jié)果見表 2。
表2 逐步回歸分析結(jié)果Tab.2 Results of stepwise regression analysis
注:模型1#基于3組經(jīng)向加強(qiáng)織物的圖像數(shù)據(jù);模型2#基于3組緯向加強(qiáng)織物的圖像數(shù)據(jù);模型3#基于經(jīng)、緯組合6組織物的圖像數(shù)據(jù)。
表2中R2為自變量和因變量之間線性擬合度的檢驗(yàn)值[12],當(dāng)R2越接近于1,表明數(shù)據(jù)和模型的擬合度越好。其中模型1和模型2的R2分別為0.982和0.958,且p值均小于0.01,說明模型與數(shù)據(jù)的擬合度較好。此外,模型1、2的數(shù)據(jù)擬合程度優(yōu)于模型3,說明經(jīng)、緯兩向加強(qiáng)織物圖像數(shù)據(jù)各自分別建立模型,有利于提高模型對明度預(yù)測的準(zhǔn)確性。
最后根據(jù)逐步回歸分析結(jié)果,去除對模型無明顯影響的變量,分別得到經(jīng)向加強(qiáng)織物和緯向加強(qiáng)織物明度線性回歸模型,再將其還原為非線性回歸模型:
Yj=-3.73+7.43x1+326.86x2+16.64x1x3-
Yw=30.13+240.27x2-1 712.78x3+510.75x1x3-
式中:Yj為經(jīng)向加強(qiáng)織物的預(yù)測明度;Yw為緯向加強(qiáng)織物的預(yù)測明度。再用剩余的12項(xiàng)檢驗(yàn)樣本,分別對經(jīng)、緯兩向加強(qiáng)織物明度預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見表3。表中樣品4、7和9的預(yù)測明度值比實(shí)際測量值高,其余檢驗(yàn)樣品則比實(shí)際測量值低,驗(yàn)證結(jié)果表明,緯向加強(qiáng)織物預(yù)測模型的平均誤差率為1%,經(jīng)向加強(qiáng)織物預(yù)測模型的平均誤差率為2%,總體相對誤差在±4%以內(nèi),預(yù)測準(zhǔn)確度較好,可用于影光效果織物的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。
表3 預(yù)測模型驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Results of prediction model validation
本文基于織物實(shí)物圖像的分層處理與光影重構(gòu),建立了適用于預(yù)測黑白緞紋影光組織織物明度的數(shù)學(xué)模型。為使明度預(yù)測模型具備較全面反映織物組織本身變化、紗線形變、紗線交織產(chǎn)生的立體光影效應(yīng),以及紗線材質(zhì)等影響織物明度的因素,提出先將織物樣品圖像分為經(jīng)緯紗線圖形層、陰影層和材質(zhì)層,以獲取相關(guān)圖形、圖像的面積率,為替換實(shí)際經(jīng)緯紗線顏色值提供區(qū)域范圍,在此基礎(chǔ)上建立織物明度計(jì)算公式。通過應(yīng)用該計(jì)算公式對經(jīng)分層的6組影光組織織物樣品圖像進(jìn)行織物明度值的重構(gòu)實(shí)驗(yàn),并以織物樣品實(shí)際測色數(shù)據(jù)為參照比較分析3種圖像層的貢獻(xiàn)度,為織物明度預(yù)測模型提供變量選擇依據(jù)。
以經(jīng)緯圖形面積率、陰影面積率、雜點(diǎn)面積率為自變量建立二次多項(xiàng)式,基于78個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析,并以此建立經(jīng)向加強(qiáng)和緯向加強(qiáng)織物的明度回歸預(yù)測模型。經(jīng)過12項(xiàng)測試樣本驗(yàn)證,該預(yù)測模型總體誤差率在±4%以內(nèi),可較好地還原緞紋影光組織織物的實(shí)際明度,具有一定適用性,可為黑白影光效果織物的設(shè)計(jì)提供明度預(yù)測,并為構(gòu)建彩色影光組織織物的顏色預(yù)測模型提供方法參考。
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