云紋紗緯編針織物外觀模擬

吳義倫 潘如如 高衛東

摘要： 云紋紗顏色漸變，對應的布面顏色難以直觀預測，需要通過打小樣來預測布面效果，但這種方式耗時、費力、增加成本。為解決此問題，文章提出一種應用真實云紋紗圖像的針織物外觀模擬方法，可以快速、直觀、準確地預測云紋紗織物的布面顏色。首先利用圖像分割、形態學開運算和閉運算等圖像處理技術對采集到的云紋紗圖像進行處理，得到原始紗線圖像主體部分;然后利用改進的Peirce線圈模型，將真實云紋紗線紋理映射至線圈的幾何模型上;最后調整線圈的串套關系，完成織物外觀的模擬。模擬結果顯示，模擬的織物與實際織物掃描圖像顏色紋理相近，外觀效果逼真。

關鍵詞： 云紋紗;圖像處理;線圈模型;映射;外觀模擬

中圖分類號： TS181.8

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）02-0037-06

引用頁碼： 021107

Abstract： Cloud yarn is of gradient color. It is difficult to predict cloth color intuitively， and it is needed to predict the effect of cloth by means of making samples. But this approach is time-consuming， laborious and costly. In order to solve this problem， a method of appearance simulation of knitted fabric based on real cloud yarn image information， with which fabric color of cloud yarn fabrics can be predicted quickly， intuitively and accurately. The procedure is as below. Firstly， collected cloud yarn images are processed with image processing techniques such as image segmentation， morphological opening and closing operations to obtain the main part of original yarn image; secondly， real cloud yarn texture is mapped to geometric model of loop with improved Peirce loop model; thirdly， the string relationship of loop is adjusted to complete appearance simulation of fabric. Simulation result shows that the simulated fabric is similar to scanned image of real fabric in respect of color and texture， and the appearance effect is realistic.

Key words： cloud yarn; image processing; loop model; mapping; appearance simulation

云紋紗緯編針織物外觀具有類似云紋的特點，符合現代眾多消費者個性化、時尚化的發展趨勢。然而，由于紡制云紋紗所用的飾紗分布無固定規律[1-2]，因此對應的織物布面效果難以預測。傳統地，工廠需要通過打小樣來預測布面效果，此方式不僅耗時、費力，而且增加企業成本。

為解決上述問題，近年來，研究者開始通過應用計算機圖像技術對針織物外觀效果進行模擬。目前，研究者大多通過應用線圈幾何模型法或圖像法對織物外觀進行模擬。祝成炎[3]用計算機模擬織物外觀紋理的方法來預測實際織物外觀，但此方法僅能模擬出紋理特點，不是整個布面效果;沙莎等[4]、于斌成等[5]通過優化模擬紗線的結構以增強模擬織物外觀真實感，但此方法不能應用于云紋紗織物模擬;張繼東等[6]、李忠健等[7]、張寧等[8]采用真實紗線圖像對織物進行模擬，但其建立的線圈模型的圈柱為直線，與真實針織物線圈形狀不符，且其紗線拼接方法在紗線粗細不勻時，拼接時會出現錯位現象，影響模擬織物外觀真實感。吳周鏡等[9]、王輝等[10]、居婷婷等[11]對針織物線圈進行模擬，通過建立針織物線圈三維結構模型，最終模擬出具有三維效果的針織物外觀結構，但是該模擬方法更加側重于針織物結構，而非外觀效果。國外研究者對于緯編針織物的仿真模擬較早，在織物的真實感模擬方面研究較多的是通過紗線真實感模型、光照模型。如德國Kaldor J M等[12]采用三維建模的方法對織物的結構進行分析，并結合紗線粗細、質量等參數，利用光線追蹤的方法實現了緯編提花針織物的計算機仿真，但是該方法應用模擬紗線模擬針織物，真實感差;同時，對機器設備要求很高，并且仿真速度很慢。

本文提出了一種通過將真實云紋紗線圖像與優化后的線圈幾何模型相結合來模擬云紋紗織物的一種方法，能夠適應不同密度、不同紗線品種的針織物模擬，算法適應性較好。

1?云紋紗圖像采集及預處理

1.1?圖像信息獲取

為獲取云紋紗圖像，本文臨時搭建了一個連續獲取云紋紗圖像的裝置。

該裝置主要由8個部件組成。1為顯示器，2為MER-132-30GC工業相機，3為LED環形光源，4為紗線退繞裝置，5為紗線卷繞裝置，6為220V交流電機，7、8為導紗裝置。其中，7、8之間是紗線圖像采集區域，采集部分用黑布遮蓋以保證采集區域封閉，使用LED環形光源，采集的云紋紗線圖像。

1.2?圖像預處理

為了去除云紋紗毛羽等不需要的噪聲，得到紗線主體圖像，本文對采集的云紋紗圖像進行預處理，預處理過程。

處理紗線原始圖像時，為了將紗線與背景區分開，首先將采集的紗線圖像二值化處理;然后對二值圖像做形態學開運算和閉運算去除毛羽等噪聲，得到光滑的紗線主體二值圖像;最后通過將紗線主體二值圖像與紗線原圖做矩陣點乘運算（下式）得到紗線主體圖像，將紗線與背景完全分割開。

式中：Y為紗線主體圖像，B為紗線主體二值圖像，I為紗線原圖像，Z表示R、G、B三個分量，其值分別為1、2、3。

1.3?紗線拼接

由于采集裝置采集的是紗線圖像的片段，為了滿足模擬織物幅寬的要求，需要對紗線圖像進行拼接，本文采用文獻[8]中的方法，獲取紗線中心線、左右端中心位置及上下邊界。文獻[6]中僅以中心線進行拼接，但由于紗線的條干不勻等因素，以中心線拼接會造成紗線的中心線與中心位置不重合，拼接會出現錯位現象。為了糾正錯位現象，本文對拼接進行糾偏。

紗線條干以中心線為基準靠在一起，若中心位置偏離對應紗線中心線下側，設偏離值為正，反之為負。A段紗線中心位置偏離中心線下側，設其偏離值為-LA（LA>0）;B端中心位置偏離中心線上側，設其值為LB（LB>0），則其總偏移量如下式所示。

同理，其他情況的拼接均以此計算方法。若L=0，則兩側紗線位置不變;若L>0，則將右側紗線下移L;若L<0，則將右側紗線上移L，即可完成紗線的拼接，此方法解決了拼接錯位問題。

2?線圈模擬

2.1?建立線圈幾何模型

Peirce線圈幾何模型將圈柱假設為直線，但真實狀態下的線圈圈柱部分由于受到力的作用，會發生彎曲。本文將Peirce線圈幾何模型的圈柱部分用四個圓弧替代，沉降弧和針編弧用橢圓弧代替，弧AB、HI為線圈的沉降弧;弧BC、CD、FG、GH為線圈的圈柱部分，分別由圓的1/8組成;弧DEF為線圈的針編弧。其中，設弧BC、CD、FG、GH分別對應的弧度為π/4，弧AB、HI對應的弧度為π/2，針編弧DEF對應的弧度為π。

線圈幾何模型時是以O1（x0，y0）為原點建立直角坐標系，H表示線圈高度，W表示線圈的圈距，a表示橢圓長半軸長度，b表示橢圓短半軸長度，h表示縱向線圈之間的距離。根據線圈模型的幾何關系，可以得到各點的坐標，繼而可以得到各段弧線在對應弧度范圍內相對應的函數方程，如下式所示。

2.2?線圈的模擬

模擬線圈時，需要將真實紗線信息映射到線圈幾何模型上。本文采用文獻[6]中的線圈圈弧的映射方法，先將真實紗線信息中心線與線圈幾何模型函數曲線相對應，然后將真實紗線中心線兩側的像素點信息映射到幾何模型函數曲線的兩側。以線圈沉降弧為例，按下式的映射原理，最終可得到沉降弧模擬圖像。

式中：P為線圈圖像矩陣，Y為紗線圖像矩陣，x、y分別為函數曲線上任一點的橫、縱坐標，θ為函數曲線對應的弧度，k的值為OM的長度與PQ上任一點到O點距離的差值，m為紗線圖像的中心線所在的行，n為紗線圖像的列數，Z與式（1）含義相同。

由于紗線圖像中的像素點是離散的，因此模擬的圖像上會有黑點存在。為解決這種黑點問題，本文在映射時進行了最鄰近插值算法處理，該算法取插值點的4個鄰點中距離最近的鄰點灰度值作為該點的灰度值。

設待求像素點坐標為（i+u，j+v），則其灰度值為f（i+u，j+v）。根據u、v的值即可得出f（i+u，j+v）的灰度值（下式），最終插值結果，解決了黑點問題。

3?織物的模擬

3.1?線圈串套處理

在織物模擬時，先將單個線圈模型沿著橫向和縱向循環，然后將云紋紗真實圖像信息沿著紗線的編織方向依次映射到線圈幾何模型中心線兩側，得到的模擬圖。可以看出，線圈和線圈之間沒有串套的關系。為了形成緯編針織物線圈之間相互串套的外觀，本文在云紋紗真實圖像信息映射至線圈幾何模型的針編弧時，計算線圈圖像矩陣P中當前像素點的R、G、B分量值之和，若其值為0，即為背景色，則繼續映射;若其值不為0，即為非背景色，則無需映射。得到結果，從而解決了線圈串套問題。

3.2?云紋紗緯編針織物的模擬

3.2.1?模擬織物與實物圖的對比

為了讓實驗結果有說服力，本文將模擬的緯平針織物與對應的通過掃描得到的同密度緯編針織物圖像作對比，對比的結果。

利用本文方法模擬的同密度的云紋紗針織物，將云紋紗線用小樣襪機織出的實物。從模擬的結果對比來看，模擬的云紋紗織物具有明顯的云紋效果，與掃描得到的真實云紋紗織物外觀紋理基本一致。

3.2.2?不同密度的針織物模擬

密度是針織物設計的重要參數，本文織物模擬的算法可根據實際需求通過調節線圈的圈距W和兩線圈縱向距離h改變織物的密度，如圖10所示。

密度較小的模擬織物，通過調節圈距W與兩線圈縱向距離h來增大密度，得到模擬織物。織物密度明顯增大，表面線圈緊密相連;反之，圖10（a）密度較小，線圈稀疏。由此可以得到不同密度模擬出的織物在視覺效果上有較大的差異，而本文可根據需要調整針織物的密度參數，算法適應性較好。

3.2.3?模擬織物重復周期可調

云紋紗線的織物模擬重復周期會對模擬織物的外觀有一定的影響，改變模擬織物的重復周期，可以得到模擬織物不同外觀效果。本文所用的算法可以根據需要調節織物模擬的重復周期。

模擬織物的重復周期較小，模擬出的織物云紋效果并不明顯;模擬織物的周期適中，外觀可以看出云紋織物的特點;模擬織物的周期較大，云紋效果較為明顯。三幅圖像對比可以看出，模擬織物重復周期會影響其外觀效果，本文算法可以調節針織物的重復周期，適應性較好。

3.2.4?不同顏色云紋紗的針織物模擬

在實際開發設計時，云紋紗線有很多不同的顏色種類，這就要求模擬算法必須有較好的品種適應性。本文所采用的算法可以適應各種顏色種類云紋紗的織物外觀模擬。

分別是兩種不同顏色云紋紗線的織物模擬圖像，兩幅圖像的外觀均有明顯的云紋效果，外觀真實感好。由此得出，本文所采用的算法具有較好的品種適應性。

4?結?語

本文采用真實云紋紗圖像模擬緯編針織物，將真實云紋紗圖像信息映射到優化后的Peirce線圈幾何模型兩側，并對線圈做串套處理以形成針織物外觀。將模擬的圖像與真實掃描的織物圖像作對比可以看出，模擬的織物圖像外觀效果逼真，與真實掃描織物外觀顏色紋理一致。同時，又模擬了不同密度、不同紗線及不同紗線起點的緯編針織物，模擬的真實感好，因此，本文所采用的模擬算法參數可調、品種適應性較好，解決了傳統需要打小樣預測織物布面效果的問題。

參考文獻：

[1]高娜， 李強， 徐伯俊， 等.云紋花色紗周期性規律研究[J]. 絲綢， 2018， 55（4）： 24-30.

GAO Na， LI Qiang， XU Bojun， et al. Study on the periodical regularity of mottle yarn[J]. Journal of Silk， 2018， 55（4）： 24-30.

[2]高娜， 李強， 徐伯俊， 等. 云紋花色紗的紡制及性能分析[J]. 絲綢， 2017，54（5）：24-28.

GAO Na， LI Qiang， XU Bojun， et al. Moire fancy yarn spinning and its performance analysis[J]. Journal of Silk， 2017， 54（5）： 24-28.

[3]祝成炎. 計算機模擬織物外觀的一種方法研究[J]. 絲綢， 1996（6）： 41-43.

ZHU Chengyan. A research on the computer simulation of fabric appearance[J]. Journal of Silk， 1996（6）： 41-43.

[4]沙莎， 蔣高明. 緯編針織物三維模擬技術的研究現狀與發展趨勢[J]. 紡織學報， 2016， 37（11）： 166-172.

SHA Sha， JIANG Gaoming. Research status and development trend of 3D simulation technology for weft knitted fabric[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（11）： 166-172.

[5]于斌成， 李柏巖， 劉曉強， 等. 一種增強模擬緯編針織物外觀真實感的方法[J]. 東華大學學報（自然科學版）， 2013，39（5）： 644-649.

YU Bincheng， LI Baiyan， LIU Xiaoqiang， et al. A method to improve the sense of reality of simulated weft knitted fabric appearance[J]. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2013， 39（5）： 644-649.

[6]張繼東， 薛元， 張杰， 等. 應用混色紗紋理信息的緯編針織物模擬[J]. 紡織學報， 2017， 38（7）： 148-154.

ZHANG Jidong， XUE Yuan， ZHANG Jie， et al. Weft knitted fabric simulation using mixed color yarn texture information[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（7）： 148-154.

[7]李忠健， 潘如如， 高衛東. 應用紗線序列圖像的電子織物構建[J]. 紡織學報， 2016， 37（3）： 35-40.

LI Zhongjian， PAN Ruru， GAO Weidong. Automatic construction of digital woven fabric using sequence yarn images[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（3）： 35-40.

[8]張寧， 李忠健， 潘如如， 等. 采用色紡紗圖像的真實感色織物模擬[J]. 紡織學報， 2017， 38（5）： 37-42.

ZHANG Ning， LI Zhongjian， PAN Ruru， et al. Simulation of realistic yarn-dyed fabric using colored spun yarn images[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（5）： 37-42.

[9]吳周鏡， 宋暉， 李柏巖， 等. 緯編針織物在計算機中的三維仿真[J]. 東華大學學報（自然科學版）， 2011， 37（2）： 210-214.

WU Zhoujing， SONG Hui， LI Boyan， et al. 3D simulation of weft knitted fabric in computer[J]. Journal of Donghua University（Natural Science）， 2011， 37（2）： 210-214.

[10]王輝， 方園， 潘優華. 緯編針織物線圈模型的分析與研究[J]. 浙江理工大學學報， 2008， 25（5）： 521-525.

WANG Hui， FANG Yuan， PAN Youhua. Analysis and research on the weft knitted fabrics’ loop model[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University， 2008， 25（5）： 521-525.

[11]居婷婷. 毛衫織物線圈結構建模與仿真研究[D]. 杭州： 浙江理工大學， 2012： 30-35.

JU Tingting. Structure Modeling and Simulation of Sweater Fabric Loop[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2012： 30-35.

[12]KALDOR J M， JAMES D L， MARSCHNER S. Simulating knitted cloth at the yarn level[J]. ACM Transactions on Graphics， 2008， 27（3）： 1-9.