基于圖像處理的紗線捻系數與明度關系研究

金佳冰 郭明瑞 傅佳佳 盧雨正

(江南大學，江蘇無錫，214122)

1 研究背景

捻系數作為紗線的一個重要參數，影響著紗線各方面的性能，學者們對于紗線捻系數的研究著重于對紗線質量的影響，如力學性能中的斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功等[1]。此外，捻系數還影響紗線的外觀形態，如毛羽、條干不勻、紗疵等，其中捻系數對紗線光澤的影響不可忽略，但這方面的研究相對較少。在環錠紡的成紗結構方面，由于紗線捻回角的變化，紗線表面的螺旋纖維角度發生改變，表面反射特征也由此發生變化，即紗線顏色的RGB值會隨之改變，這導致了紗線光澤上的差異；從色彩理論方面來說，在視覺效果上主要是明度的差異。目前一些企業存在同種色纖維不同紡紗方式所紡制的同一號數紗線顏色存在差異性、生產樣品與用戶需求樣品有色差等問題，這些色差可能會導致用戶退貨，給企業造成損失。因此在滿足紗線性能及用紗條件的情況下，找出環錠紡紗線表面明度的變化規律，嘗試微調捻系數，以達到調整紗線明暗效果的目的。

由于Datacolor測色儀孔徑的限制，直徑較小的紗線無法滿足其測色要求，一般通過后道織造工序，或是將紗線繞于黑板上來保證樣品的不透光性[2-4]，間接地對織物進行測色，但是這兩種方法在經過后道工序后，紗線的卷繞方式或織物的組織結構對紗線的顏色有很大影響，不能直接體現出紗線的表觀顏色。另一種方法是利用DigEye對繞于白色紙板上的紗線進行測色，其采用數碼相機進行拍攝，但是與顯微鏡相比，其放大倍率與清晰度的限制導致無法從細節上反映出紗線的表面形態。

近些年學者們對于單根紗線表面反射特征進行了研究，同時建立了光照模型，這些模型可作參考，但各自都存在弊端。王志東等把單股未加捻紗線當作圓柱模型進行模擬[5]，但模擬的紗線表面亮度漸變速度過快，邊界暗處范圍過大，效果不理想。張瑞林等把紗線當作橢圓柱模型進行模擬[6]，此模型紗線表面光度漸變自然，但是這兩種模型都把紗線模型理想化，不能反映出紗線捻度的特征。喻飛等對數碼紗的外觀進行了仿真，增加了捻度的模型[7]，但此類方法主要體現為數碼紗的混色效果，其光照模型較為生硬，不能很好地體現出捻度對紗線表面細節的影響。

為此，我們利用超景深顯微鏡對不同捻系數的紗線進行拍攝，通過圖像處理法提取圖片中的像素點，并進行數據分析，探究紗線表面最真實的圖像信息及其規律，為后續更加準確地建立紗線的光照模型、分析紗線的顏色提供思路。

2 圖像采集

采用VHX-5000型超景深三維數碼顯微鏡(基恩士公司)對280、320、360、400、440五種捻系數的原液著色藍色纖維環錠紡紗線進行圖像采集，拍攝前需為電動XY平臺設定原點，調整電動XY平臺的高度，將變焦環的倍率進行相應的調整，焦距設置為35 mm，進行圖片的實時深度合成，并將紗線不同的三處位置進行拼接，分辨率設置為5 166 pixel×1 215 pixel，標尺為500 μm。以280捻系數為例，如圖1所示。

圖1 280捻系數環錠紡紗線超景深顯微鏡圖像

3 圖像處理

3.1 圖像處理流程

采用超景深顯微鏡拍攝的原始圖像需用Matlab R2014b對其進行相關的處理，處理流程如圖2所示。

圖2 圖像處理流程圖

3.2 圖像裁剪

為突出紗線表面捻度細節，運用imcrop函數，按照同一起點、同一長寬度的條件，將5種捻系數紗線圖片均裁剪為500 pixel×100 pixel的規格，以280捻系數為例，如圖3所示。

圖3 裁剪后的500 pixel×100 pixel的圖像

3.3 中值濾波去噪

中值濾波是一種非線性濾波[8]，它是一種保護邊緣的非線性圖像平滑方法，在圖像增強中應用廣泛。中值濾波的平滑效果優于均質濾波，在抑制噪聲的同時還能夠保持圖像的邊緣清晰，在Matlab軟件中，運用medfilt2函數進行圖像的中值濾波去噪，每個輸出像素為m×n領域的中值，如3×3、5×5、7×7、9×9等模版。由于中值濾波僅針對單通道，在不轉換為灰度圖像的前提下，需要對RGB三通道分別進行去噪處理。

3.4 像素點提取及顏色空間轉換

在拍攝的紗線表觀圖像中，包含了紗線表面的所有反射光。首先讀取圖片，對其RGB信息進行提取，同時為了不受純黑色像素點的影響，將其去除。由于面向硬件的RGB顏色空間不能反映明亮程度的信息，于是引入了面向用戶的HSV顏色空間(HSV顏色空間中的V是指明度)，HSV空間是一種復合主觀感覺的顏色模型，不同于RGB顏色空間的單位立方體，其空間結構為錐形，顏色種類H的范圍為0～1，飽和度S的范圍為0～1，明度V的范圍也為0～1。用rgb2hsv函數將獲取的紗線圖像RGB顏色空間轉換成HSV顏色空間，此算法建立了兩種顏色空間顏色值的映射關系[9]。對采樣紗線的每個點的明度通道提取明度值V，將像素點的位置設為X軸、Y軸，明度設為Z軸，繪制明度三維曲面圖。

4 試驗結果與分析

4.1 中值濾波去噪效果對比

由于裁剪后圖片中噪點的存在，在使用圖片時需對其進行去噪預處理，選用3×3、5×5、7×7、9×9模版中值濾波進行去噪，以280捻系數為例，對比圖如圖4所示。隨著鄰域范圍的增大，去噪效果會加強，但是圖像的清晰度也隨之下降，圖像細節損失嚴重，表面反射光的特征不能很好地體現，尤其是紗線表面纖維的凹凸效果明顯減弱，因此選用3×3模版。

(a)3×3

(b)5×5

(c)7×7

(d)9×9

4.2 紗線表面明度三維曲面圖

為了更加直觀地觀測紗線表面的反射光特征，尤其是具有捻度的環錠紡紗線表面纖維的凹凸效應，將圖片中的像素點RGB信息提取后，將RGB顏色空間轉換成HSV顏色空間，并提取其明度通道，以280捻系數為例，分別從原始視角，X-Y視角，X-V視角，Y-V視角作出三維曲面圖，如圖5所示。從圖5中可以明顯地看出，紗線的橫向界面呈開口向下的拋物線狀，表明水平方向上明度是由紗軸中心向兩邊遞減，垂直方向上明度是由頂部至底部遞減；且紗線表面并非理論圓柱或是橢圓柱模型的光滑柱體，表面凸起的纖維對光的反射率較高，呈現出明度較亮，而凹陷的纖維對光的反射率較低，呈現出明度較暗，正因為表面凸起與凹陷纖維的存在才導致了紗線的明暗效果。事實上，不光捻度，還有毛羽、條干不勻等其他因素的存在，當光照射到紗線表面時，產生一系列反射光、透射光以及被物體吸收的部分光都會影響紗線的明暗效果。

(a)原始視角

(b)X-Y視角

(c)X-V視角

(d)Y-V視角

320、360、400、440四種捻系數紗線表面的X-Y視角圖如圖6所示。從圖6中只能觀測出捻度的增大導致捻回角的增大，人眼無法直接分辨出紗線表面的明暗程度，因此需要對明度值進行正態密度曲線直方圖分析。

(a)320捻系數

(b)360捻系數

(c)400捻系數

(d)440捻系數

4.3 紗線表面明度正態密度曲線直方圖

明度值的正態密度曲線直方圖如圖7所示。在正態密度曲線直方圖中，μ值描述的是正態分布中心的位置，當μ值變化時，其密度曲線的對稱軸左右移動，μ值相當于期望值。δ值反映的是密度曲線的集中程度，相當于方差，其值越大，說明方差越大，圖像越分散，反之亦然。不同捻系數紗線的μ值和δ值見表1。

圖7 明度值的正態密度曲線直方圖

表1不同捻系數紗線的μ、δ數值表

捻系數μδ2803203604004400.625 60.624 80.616 70.605 00.606 20.122 60.136 10.120 70.151 10.155 7

圖7中縱坐標為數據點的數量，范圍為0～50 000，橫坐標為明度，范圍為0～1，可以看出，隨著捻系數的增大，正態分布中心的位置會向右發生偏移，即低捻系數紗線比高捻系數紗線整體區域明度更高。表1中的δ值在隨著捻系數的增大后，整體上呈增大的趨勢，說明相比于高捻系數紗線，低捻系數下的紗線表面明度分布更加集中，體現在視覺效果上為顏色更加明亮。

5 結論

(1)環錠紡紗線并不是理論上的圓柱或橢圓柱模型，其光照模型更為復雜，明度除了從紗軸中心線向兩邊遞減外，還從紗線表面凸起纖維向凹陷纖維遞減，這導致了紗線表面明亮程度的參差不齊。

(2)隨著捻系數的增大，紗線表面的反射光會有所減弱，且明度分布會有所分散，在視覺效果上導致紗線顏色的變暗。與纖維混紡相比，雖然捻系數對于紗線顏色的影響較小，但在滿足紗線性能及用紗條件的情況下，在調整紗線顏色方面，捻系數的微調比小比例纖維混色更易于控制，同時也為后續紗線光照模型的建立奠定了基礎。