劉晨芳，徐劍橋，汪 軍，陳 霞，江 慧

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院：上海 201620)

0 引言

牛仔服飾因其時尚性和穿著舒適性，從誕生至今流行不衰，遍及全世界[1]。但是，牛仔面料生產(chǎn)一直存在嚴(yán)重的污染問題，未得到很好解決。

近年來，前人開發(fā)了一種具有雙分梳功能的轉(zhuǎn)杯紡紗機(簡稱“雙分梳轉(zhuǎn)杯紡紗機”)，該紡紗機含有2個相互獨立的喂入系統(tǒng)和梳理系統(tǒng)[2-3]。當(dāng)2種顏色的條子分別從2個喂給羅拉口喂入時，輸出的紗線具有特殊的外觀，即2種顏色的纖維在紗線表面間隔分布，且有一定的隨機性，具有牛仔紗的外觀特性,但是關(guān)于這種紗線的外觀顏色規(guī)律卻鮮有研究。

隨著計算機應(yīng)用水平的提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多[4]。筆者擬利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機，在不同直徑的轉(zhuǎn)杯下紡制相同黑白顏色比例的紗線以及黑白2種纖維混合次數(shù)不同的紗線，再采用圖像處理法[5-6]對雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗的外觀規(guī)律進行研究。

1 實驗方案

為了能更清楚地觀察紗線的外觀規(guī)律，筆者以顏色對比較為明顯的黑白2種顏色粘膠纖維條子為原料，左喂給羅拉喂入黑色粘膠條子，右喂給羅拉喂入白色粘膠條子，在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機上紡制50 tex的牛仔紗。具體實驗方案見表1，相應(yīng)紡紗工藝參數(shù)見表2。

表1 不同轉(zhuǎn)杯直徑的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡牛仔紗實驗方案

表2 紡紗工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線圖像采集與處理

以φ48 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡制的紗線為例。圖1為高清攝影儀拍攝的1張寬度為3.4 cm(即圖像上紗線長度)的原始圖像，從中可看出黑白2種顏色的纖維在紗線表面間隔分布。將其灰度化處理后，可看出紗線的主體部分只占圖像的一部分且紗線中有黑白2種顏色的分布。因此需要將紗線與背景，以及紗線中的黑、白部分進行區(qū)分。筆者采用閾值分割法對紗線區(qū)域和背景區(qū)域以及紗線中的黑、白區(qū)域進行分割，然后在圖像的列向(大致垂直于紗線軸向的方向，紗線軸向即紗線長度方向)計算每列中白色像素和紗線寬度(像素表示)的比例，以其代表該截面處白色纖維的比例。圖像處理的研究結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 原始紗線外觀

圖2 圖像處理的研究結(jié)構(gòu)

根據(jù)對此拍攝條件下圖像中的背景與紗線中黑白纖維的灰度分布范圍，以及結(jié)合紗線中黑白纖維50/50的比例條件，確定分割背景和紗線區(qū)域的閾值為140，分割黑白纖維的閾值為100。在該閾值下，可將紗線與背景，以及紗線中的黑白纖維較好地區(qū)分。經(jīng)過2次二值化后，紗線區(qū)域中的白色纖維部分灰度值為1(白色)，背景區(qū)域以及紗線中的黑色纖維灰度值為0(黑色)。

2.2 外觀顏色分布規(guī)律

2.2.1 基于單張圖像外觀分布規(guī)律分析

對圖像進行一系列處理后，可以將紗線、背景以及紗線的黑色粘膠部分和白色粘膠部分分割，因此可利用程序顯示白色區(qū)域沿紗線軸向的分布規(guī)律。將紗線沿軸向的每個像素逐點輸出白色部分占紗線寬度的百分比，如圖3a)所示。將φ58 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線進行同樣處理，得到的圖像如圖3b)所示。其中，橫坐標(biāo)代表1張圖片的像素值，縱坐標(biāo)代表白色纖維占紗線寬度的比例。

a) 轉(zhuǎn)杯直徑為48 mm

b) 轉(zhuǎn)杯直徑為58 mm圖3 白色粘膠纖維百分比分布

從圖3可以看出，無論轉(zhuǎn)杯直徑為48 mm還是58 mm，沿著紗線軸向(每張圖片對應(yīng)的紗線長度約為3.4 cm)，每個像素點處白色所占比例并不一致，說明紗線沿軸向顏色分布并不均勻，由此可以利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紗這種特性織造牛仔面料，模仿牛仔面料表面風(fēng)格。從圖3還可發(fā)現(xiàn)，在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機上用小直徑轉(zhuǎn)杯紡的紗線白色纖維比例比大直徑轉(zhuǎn)杯紡的紗線大，即用大直徑轉(zhuǎn)杯所紡紗線的黑色纖維更多的分布在表面。但由于1張圖片不具有代表性，因此需要采集多張圖片進一步處理分析。

2.2.2 基于轉(zhuǎn)杯周長外觀分布規(guī)律分析

1張圖片僅代表實際紗線長度為3.4 cm，而多張圖片的疊加方可代表1個轉(zhuǎn)杯周長。首先利用MATLAB中的dir函數(shù)獲得指定文件夾下的所有圖片(每根紗線拍攝50張圖片，對應(yīng)實際長度為170 cm)，并存放在1種文件結(jié)構(gòu)體數(shù)組中[7]。然后將二值化后的每張圖片存儲至1個變量中，使文件夾中的所有圖片連成1張圖片。

以φ48 mm轉(zhuǎn)杯為例，其周長為150 720μm，轉(zhuǎn)化為像素值為8236像素，即8236個像素代表1個轉(zhuǎn)杯周長。由于拍攝角度等因素的影響，1個轉(zhuǎn)杯周長不能代表整根紗線的分布規(guī)律，因此需要將多個轉(zhuǎn)杯周長紗線的白色粘膠纖維比例進行平均以減小誤差。

選擇像素點的數(shù)量影響最終規(guī)律的探索，經(jīng)過前期的運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)φ48 mm轉(zhuǎn)杯對應(yīng)284個像素輸出1個白色比例，而φ58 mm轉(zhuǎn)杯對應(yīng)321個像素輸出1個白色比例時，可以更好地看出變化規(guī)律。運行結(jié)果如圖4和5所示。圖4中橫坐標(biāo)對應(yīng)的單位坐標(biāo)代表284個像素值，圖5中橫坐標(biāo)對應(yīng)的單位坐標(biāo)代表321個像素值。其相交位置為白色纖維百分比的平均值，橫坐標(biāo)為像素值，縱坐標(biāo)為白色纖維百分比。

圖4 φ48 mm轉(zhuǎn)杯對應(yīng)的纖維分布規(guī)律

圖5 φ58 mm轉(zhuǎn)杯對應(yīng)的纖維分布規(guī)律

從圖4和圖5可看出，無論是φ48 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線，還是φ58 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線，在同1個轉(zhuǎn)杯周長中，白色纖維比例沿紗線軸向呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。此外，在相同閾值和黑白比例下，用φ58 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡制的紗線，在紗線軸向上白色纖維比例小于在φ48 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機上紡制的紗線。究其原因，可能是黑色纖維的摩擦因數(shù)與白色纖維有一定的差異，這需要進一步研究分析。

2.3 不同混合程度對紗線外觀的影響

由上述實驗與分析可得出結(jié)論：雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機上紡制的紗線外觀顏色沿軸向并非均勻分布。為了進一步研究這種不均勻分布是否由混合不均勻引起[8-9]，筆者還進行了不同混合程度的紡紗實驗，其中黑白纖維比例同為50/50。具體的紡紗實驗方案見表3，紡紗工藝參數(shù)同表2。由于只考慮外觀規(guī)律而不考慮紗線的質(zhì)量，因此利用纖維成條儀進行黑白粘膠纖維的多次混合。

表3 黑白纖維比例為50/50的不同條子混合方案

根據(jù)表3的實驗方案進行紡紗，每個方案紡制的紗線在攝影儀下分別拍攝若干張圖像，經(jīng)過直觀分析后，再將紗線利用圖像處理法進行進一步分析。將圖像經(jīng)過同樣的灰度化處理、閾值分割、二值化處理等得到白色纖維與黑色纖維分割清楚的圖像以進行下一步的研究分析。

變異系數(shù)，即CV值代表了數(shù)據(jù)的波動程度，因此為了探究不同混合次數(shù)對紗線外觀均勻性的影響，筆者利用白色纖維百分比的變異系數(shù)進行對比。變異系數(shù)越大，則證明數(shù)據(jù)波動越大，紗線混合越不均勻。變異系數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值，因此調(diào)用MATLAB中的std和mean函數(shù)求得白色比例的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值。各方案的運行結(jié)果如表4。

表4 不同實驗方案白色纖維混紡均勻性

由表4可看出，隨著混合次數(shù)的增多，CV值呈下降趨勢，說明紗線沿軸向白色纖維所占比例波動程度變小，紗線表面黑白顏色分布更為均勻。此外，2根條子從1個喂給羅拉口喂入的CV值明顯大于從2個喂給羅拉口喂入的CV值，原因可能是雙分梳有2個輸纖口，并且2個輸纖口為交叉排列，當(dāng)2種纖維從出纖口噴出時可以在轉(zhuǎn)杯中更均勻地混合。由此可以得出：雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡制的紗線沿軸向2種顏色不均勻分布是由于2種纖維在轉(zhuǎn)杯中混合不均勻?qū)е碌模眉喚€的這種特性，可以在此臺紡紗機上紡制外觀獨特的牛仔紗。

3 織造工藝參數(shù)設(shè)置及其產(chǎn)品

上述實驗表明，在雙分梳單頭試驗機上紡制的色紡紗線外觀呈現(xiàn)不均勻分布，可以利用這種紗線進行織造，模擬牛仔面料表面風(fēng)格。為了進一步驗證紗線的面料效果，筆者將紡制的黑白纖維比例為50/50粘膠紗線進行織造。綜合考慮后，經(jīng)紗均選用黑白纖維比例為50/50的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗，緯紗分別選用黑白纖維比例為60/40，50/50，40/60，30/70的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗進行織造，對比不同混紡比例織造牛仔面料的效果?？椩旃に噮?shù)見表5。

表5 織造工藝參數(shù)

將不同比例的黑白粘膠纖維緯紗在半自動織樣機上按照表5工藝參數(shù)織造，最終織物效果如圖6所示。

a) 60/40緯紗 b) 50/50緯紗

c) 40/60緯紗 d) 30/70緯紗圖6 黑白粘膠50/50混紡經(jīng)紗與不同混紡比例黑白粘膠緯紗織造的織物

從圖6可看出，無論緯紗混紡比例大小，織物都具有明顯的牛仔風(fēng)格，只是顏色深淺存在差異，證明了利用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡制環(huán)保牛仔紗的可行性。筆者直接利用有色纖維進行紡紗，大大減少了對環(huán)境的污染；且用雙分梳轉(zhuǎn)杯紡紗機紡制的紗線作經(jīng)紗、緯紗織造出的織物具有明顯的牛仔風(fēng)格。此外，使用纖維染色，比紗線染色更為環(huán)保，避免了染色與后整理帶來的污染問題，減少了廢水排放。

4 結(jié)論

筆者在雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機上紡制不同的雙分梳轉(zhuǎn)杯牛仔紗，再利用圖像處理技術(shù)對紗線的外觀規(guī)律進行探索，并利用這種規(guī)律進行粘膠牛仔面料的開發(fā)，得出以下結(jié)論。

a) 紗線外觀顏色沿軸向方向是間隔分布的，且呈現(xiàn)出一定的隨機性。

b) 用φ58 mm轉(zhuǎn)杯的雙分梳轉(zhuǎn)杯紡試驗機紡紗，紗線中黑色纖維相比φ48 mm轉(zhuǎn)杯紡制的紗線更多地分布于紗線表面，且在1個轉(zhuǎn)杯周長內(nèi)白色纖維比例沿紗線軸向呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢。

c) 隨著2種纖維混合次數(shù)增加，紗線外觀顏色沿軸向方向分布更均勻，說明雙分梳轉(zhuǎn)杯紡牛仔紗的外觀不均勻分布是由于纖維在轉(zhuǎn)杯中混合不均勻引起的。

d) 利用這種雙分梳牛仔紗織造的面料,具有明顯的牛仔風(fēng)格。