計算機圖像技術在織物性能測試分析中的應用

張 瀟 賀曉亞

1.共青科技職業(yè)學院(中國) 2.江西服裝學院(中國)

芳綸按纖維分子結構的不同分為間位芳綸(芳綸1313，PMIA)與對位芳綸(芳綸1414，PPTA)。其中，對位芳綸是一種性能突出的高性能纖維，具有高強、高模的力學特性與耐高溫、耐酸堿等物理特性，以及質量輕、成本相對較低的特點[1-3]，這奠定了其在航空航天、軍事器械與特種防護服等領域的應用基礎[4-5]。近年來，基于對位芳綸纖維開發(fā)設計的防彈服裝相繼問世，極大地豐富了特種防護服裝的種類，提高了防護服裝的抗沖擊效果，改善了防護性能[6-8]。采用對位芳綸織制防彈服裝時，通常采用低捻長絲進行織造，從而可有效利用纖維織物中紗線因低捻度特性造成的力學各項異性來分散子彈貫穿力。然而，對位芳綸的摩擦因數(shù)相對較小，纖維抱合力差，難以織造，給服裝設計者帶來了難度[9]。同時低捻長絲在進行織造時，織物的參數(shù)指標仍采用以往的計算式計算，存在一定的偏差。計算機圖像技術是借助原有幾何圖形或數(shù)據(jù)，構造所要表征的模型，并用顏色、數(shù)據(jù)或曲線等形式對模型性能進行形象的表征，實現(xiàn)提高計算精度與效率的目的[10]。本文嘗試利用計算機圖像技術對無捻機織對位芳綸織物的參數(shù)指標進行模擬計算，為無捻長絲織物參數(shù)指標的測試計算提供思路。

1 試樣

1.1 試驗材料

無捻對位芳綸長絲紗，由美國杜邦公司提供，長絲線密度為1.78 dtex，長絲紗線橫截面的長絲根數(shù)為60根；聚乙烯醇漿料，由蘇州天華紡織技術服務有限公司提供。

1.2 試驗設備

Y300 S型全自動劍桿織樣機，南通三思機電科技有限公司；FI-6770型掃描儀，南京富士通計算機設備有限公司；MGX-502B型織物起毛起球儀，溫州方圓儀器有限公司；HH-601型超級恒溫水浴儀，常州市億能實驗儀器廠；INSTRON 5590型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 對位芳綸織物的織造與處理

織制對位芳綸長絲平紋織物，經紗密度為280根/10 cm，緯紗密度為220根/10 cm。由于織造原料選用的是無捻長絲纖維，織制過程中易出現(xiàn)長絲斷裂與糾纏的情況，造成織造難度上升，長絲抗沖擊效果差。為避免上述情況的出現(xiàn)，織造過程中選用聚乙烯醇漿料對對位芳綸長絲進行上漿處理，在長絲表面形成一層薄膜，增加長絲間的黏合力，提高對位芳綸長絲的可織性。織造后的織物再進行退漿處理，最后烘干備用。

1.3.2 對位芳綸織物的圖像處理

使用掃描儀垂直于織物試樣表面進行掃描，掃描儀的分辨率設置為300 dpi。對照片進行角度校正，排除人為因素造成的織物角度傾斜問題。對角度校正后的織物照片進行平滑去噪處理。本文采用中值濾波法完成圖像的降噪處理，同時使用Matlab軟件地照片進行均衡化處理，提高對比度，使照片更清晰。采用Photoshop圖像處理軟件將拍攝后的織物圖像轉化為灰階圖像。

1.3.3 對位芳綸織物的孔隙率計算

1.3.3.1 計算機圖像技術(圖像法)織物孔隙率計算

在Photoshop圖像處理軟件中調用已轉化為灰階圖像的織物照片，調節(jié)灰階圖像閾值的同時，觀察灰階圖像中非孔隙結構與孔隙結構中的圖像變化，調節(jié)至合適值后再進行圖像分割；設定50%閾值分割圖像，高于閾值的灰階圖像顯示為黑色，低于閾值的灰階圖像顯示為白色，完成灰階圖像向二元黑白圖像的轉變。

圖1 圖像處理前后的織物照片

調用Matlab軟件中的下列程序對二元黑白圖像中黑、白色區(qū)域的面積進行計算，根據(jù)計算得的黑、白色面積的比值，計算織物的孔隙率。

1.3.3.2 試驗法織物孔隙率計算

傳統(tǒng)機織物孔隙率計算方法分為試驗測試計算法和織物結構參數(shù)指標計算法。試驗測試計算法的計算式如式(1)所示。根據(jù)式(1)可計算出對位芳綸織物的孔隙面積，孔隙面積與織物總面積的比值，即為對位芳綸織物的孔隙率。

(1)

式中：

F——對位芳綸織物的孔隙面積，m2；

Q——對位芳綸織物單位面積上氣體的體積流速，m3/s；

K——與織物幾何結構和流體流動因素相關的比例常數(shù)；

ΔP——對位芳綸織物兩側的壓力差值，Pa。

1.3.3.3 計算法織物孔隙率計算

根據(jù)織物結構參數(shù)指標計算織物孔隙率，計算式如式(2)～式(4)所示。采用該法計算時需通過顯微鏡測試對位芳綸長絲束的直徑、線密度等指標。

(2)

(3)

(4)

式中：

ηy——織物孔隙率，%；

δy——長絲束的密度，涵蓋長絲束外輪廓的全部體積，g/cm3；

δ——織物的密度，g/cm3；

d——長絲束的直徑，cm；

Ntex——長絲束的線密度，tex；

G——織物單位面積的質量，g/cm2；

T——織物的厚度，mm。

1.3.4 對位芳綸織物的起球性能計算

1.3.4.1 磨擦觀察法織物起球性能分析

參照GB/T 4802.1—2008《織物起毛起球性能的測定 第1部分 圓軌跡法》對織造的對位芳綸織物進行起球試驗。

1.3.4.2 圖像法織物起球性能分析

利用圖像法分析織物的起球，遵循圖像采集、圖像處理、圖像分析的流程。起球試驗后的對位芳綸織物參照1.3.2節(jié)的圖像處理方法，對起球試驗后的對位芳綸織物[圖2a)]進行圖像處理。在圖像處理后的圓形織物圖像內截取最大內接正方形，如圖2b)所示。處理后的圖像依次經紋理濾除和毛球提取，從而獲得只含有毛球信息的二值圖像。根據(jù)二值圖像對織物的起球等級進行評價。具體操作如下：根據(jù)傅里葉原理將織物圖像轉換成頻域信息，在頻域內濾除關于織物紋理的周期性雜點信息。在計算過程中，可最大程度地對雜波進行擬合，在確保高精度的情況下，簡化信號波的數(shù)量與復雜程度，進而摳出紋理周期性雜點[圖2c)]。在濾除織物紋理的基礎上，對圖像中的毛球進行提取。本文采取邊緣檢測法中的Canny算子對圖像中的毛球進行提取，其原理是利用圖像中的導數(shù)極值和過零點信息進行判斷。毛球提取后的圖像如圖2 d)所示。根據(jù)毛球提取圖像，可直接對織物的起球等級進行評價。

圖2 對位芳綸織物起球圖像處理照片

2 結果與討論

2.1 對位芳綸織物的孔隙率分析

不同測試分析方法下對位芳綸織物的孔隙率測試結果見圖3。從圖3可以看出，試驗法測得的對位芳綸織物的孔隙率最大，計算法次之，圖像法測得的孔隙率最小，但三者相差不大。此外，圖像法測得的織物孔隙率波動小，精確度較好。采用試驗法測得的織物孔隙率最大，這是因為試驗過程中，儀器參數(shù)調試與風量控制受到一定的限制，易導致測試結果出現(xiàn)偏差。采用計算法測試分析時，由于用于計算的對位芳綸纖維長絲束為低捻度紗線在重力作用的影響下呈平鋪狀態(tài)，其線密度與直徑測試結果存在一定的誤差，進而導致計算結果出現(xiàn)偏差。因此，從測試原理角度分析，可認為采用圖像技術測試織物孔隙率的方法優(yōu)于另外兩種方法。

圖3 不同測試分析方法下對位芳綸織物的孔隙率測試結果

2.2 對位芳綸織物的起球性能分析

本文利用單位面積內毛球面積的占比表征織物起球性能。因為目前尚無對位芳綸長絲束起球樣板，因此采用羊毛織物的樣板進行評價。磨擦觀察法計算得圓形織物試樣的面積為10 023.665 mm2，內接正方形面積為6 384.5 mm2。再經計算可知，磨擦觀察法計算得毛球面積占比約為0.492%，毛球個數(shù)為156個。圖像法計算得毛球面積占比約為0.453%，毛球個數(shù)為147個，兩種測試方法的測試結果相差僅0.79%，相差幅度相對較小，表明采用圖像法分析織物的起球性能是可行的，且相比磨擦觀察法，圖像法更快捷。

3 結論

本文分別采用傳統(tǒng)儀器和計算機圖像技術，測試分析由低捻度長絲紡制的對位芳綸織物的孔隙率和起毛起球性能。測試結果表明，對于相同結構參數(shù)的對位芳綸織物，試驗法測得的對位芳綸織物的孔隙率最大，計算法次之，圖像法測得的孔隙率最小，但三者相差不大。織物起球性能觀察計算結果與圖像法測試所得結果相近。基于此，本文認為采用計算機圖像技術測試計算織物的孔隙率與起球性能是可行的，且該方法具有精準度較高、效率高、成本低的優(yōu)勢。