異形網點結構提花織物設計及其灰度仿真特性

張愛丹, 郭珍妮

(1. 浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院), 浙江 杭州 310018;2. 浙江理工大學 浙江省絲綢與時尚文化研究中心, 浙江 杭州 310018)

當前影光組織是色彩仿真提花織物表現圖像色漸變過渡的常用組織[1-2],通過對影光組織的加強設計,雖可滿足織物組織對圖像色的一一對應,使織物能表現圖像色的細膩變化[3],但提花織物呈現的圖像整體色調卻與原始圖像有較大差別[4],尤其在表現不同明度基調的灰度圖像時,呈現出不同程度的明度差,且這種現象不會因圖像分色數的增加而得到改善[5]。對于這個問題,有學者提出將研究思路轉移到圖像色的預處理上,借鑒印刷行業中的數字加網技術,使連續調圖像離散為二色值圖像,將以油墨顯現的印刷網點作為提花織物的組織點,以表現提花織物圖像的明暗層次和灰度變化,為解決該問題提供了一種可行的方法[6]。

目前圖像的網點化處理所采用的網點主要是圓形、橢圓形和菱形等簡單的幾何形狀[7],因此本文在圖像色網點化設計思路基礎上,嘗試對網點的形狀、大小和變化路徑等進行設計,建立異形網點庫,使灰度圖像轉化為網點圖像時有更多的設計選擇,增添色彩仿真提花織物的設計趣味性和新穎性。通過將采用異形網點庫的灰度仿真提花織物與影光組織織物進行明度差比較分析,考察異形網點織物圖像的灰度階調變化特點,為利用異形網點庫表現特定明度基調圖像的色調仿真提花織物提供設計依據,也為色彩仿真提花的創新設計提供參考。

1 設計原理

網點是印刷制品中構成文字、圖形和圖像的基本單元,也是表現圖像明暗層次與顏色變化的物質基礎。通過借鑒印刷行業中的圖像處理技術,將連續調色階離散為二色值的網點,用不同網點面積率代表不同色階,以表現一幅具有灰度漸變的圖像[8]。由于織物的經緯兩向交織與二色值網點有相通之處,可以將二色值網點轉化為織物組織點,用于提花織物的色彩仿真設計。印刷圖像的加網技術主要有調頻和調幅,其中調頻網點是通過網點排列的疏密變化表現圖像的明暗層次,調幅網點是通過網點本身的面積大小表現圖像的深淺變化[9]。調頻網點為單個像素點,調幅網點為多個像素點的集合體,前者不存在網點形狀的變化,后者卻可以有不同的形狀。此外,當調頻網點轉化為織物組織圖時,存在交織平衡問題,而調幅網點符合提花織物對交織平衡的設計要求,因此,文中的異形網點是基于調幅網點的構成原理而進行的創新設計。

異形網點與一般調幅網點在設計上的主要差別是形狀的獨特性以及形狀生成路徑的多樣性。所謂異形是相對于常規的圓形、橢圓形和菱形等幾何形狀網點而言,同時這些網點形狀也是印刷中常用的網點形狀,相對缺乏獨特性和趣味性。異形網點的生成路徑是指一個具有特定形狀的網點,從無到有,可以有多種產生方法。大致可以概括為3種:1)線型生成方法,包括水平線、垂直線、斜線、折線和波浪線型等,即由多個像素點構成的網點形狀按行、列或斜向等進行像素點的增減;2)螺旋型生成方法,包括順時針和逆時針螺旋式增減像素點;3)按特定圖形自身的輪廓線型進行像素點的增減設計。

此外,因目前數字圖像的灰度值一般為0～255,為滿足對圖像灰度等級的一一對應表現,單位網點的總像素數在256個之內即可。而在網點排列角度的選擇上,相對于0°、15°、75°等排列角,45°角的排列效果在視覺上更加均勻,沒有明顯的線性干擾[10],是表現灰度圖像較為理想的角度。

2 實驗設計

2.1 實驗方案

為考察異形網點提花織物的灰度仿真特性,本文首先設計異形網點庫,并織造成織物色卡,再將其與黑白漸變色階以及影光組織織物色卡進行明度比較分析。在此基礎上,為掌握網點形狀的變化對色彩仿真效果是否有影響及其影響程度等,本文對4種不同網點形狀提花織物的圖像明度進行比較研究,實驗方案與設計流程具體如圖1所示。

圖1 實驗方案與設計流程Fig. 1 Experimental scheme and design process

2.2 織物樣品設計

2.2.1 異形網點庫設計

異形網點庫的設計主要包含4個方面:網點形狀、排列角度、生成路徑,以及單位網點的大小。單位網點的大小用像素數量表示,決定異形網點庫中網點生成過程的步驟數的最大值,可根據色彩仿真的對象圖像的灰度色階的多少而定,也可以直接設計一個最大值網點庫,之后根據應用所需從庫中選擇。本文設計了心形、樹形、葉子形和元寶形4種網點形狀如圖2所示,因采用45°排列所以單位網點外形均為正菱形,其大小為219像素。心形元寶形、樹形、葉子形的像素值分別為139、115、106和123,分別占單位網點的63%、53%、48%和56%。

圖2 4種異形網點形狀Fig. 2 Four special-shaped dot shapes. (a) Heart-shape; (b) Ingot-shape; (c) Tree-shape; (d) Leaf-shape

在生成路徑方面,本文采用按圖形自身的輪廓線型進行生成的設計方法,具體為:以白色菱形為背景,第1個黑色像素點從正菱形的中心點開始,以基本形的廓形為像素點增長的路徑,從中心點開始旋轉生成,直至將菱形單元完全填滿(如圖3所示),該設計過程采用Python編寫程序完成。

圖3 心形網點生成過程示意圖Fig. 3 Diagram of generation process of heart-shape dots

以上述4種為基本形狀設計異形網點庫,每個網點庫由220幅生成過程圖組成,可滿足220色階以內灰度圖的色彩仿真表現。

2.2.2 色卡織物

本文選用樹形網點庫進行織物色卡的設計與織造。由于網點庫包含220個生成過程,與之對應織物色卡也有220塊。為避免出現浮長過長的情況,所有網點圖轉化為織物組織圖時,統一鋪設1對32枚5飛的經面和緯面緞紋。考慮到試樣條件為白經黑緯,白色區域鋪設經面組織,黑色鋪設緯面組織。

為比較分析異形網點的灰度仿真特點,本文同時設計織造了6組采用影光組織庫的織物色卡作為對比樣品。6組影光組織庫的基本組織均為16枚緞紋,飛數分別為3、5和7;每種飛數基本組織采用經向加強和緯向加強各設計1組影光組織庫;每次增加8個經組織點,影光組織庫均為29級。由于影光組織庫的織物顯色特性,主要由基本組織及其組織點的加強方向所決定[11],其數量的多少不會從總體上改變該影光組織庫的顯色性能,因此本文織造織物色卡的影光組織庫均采用29級。

2.2.3 提花織物

由于色卡所反映的織物色是一種特殊狀態下顯色效果,不能完全等同應用于一幅圖像中的顯色效果,因此本文同時采用4種異形網點庫和2組影光組織庫,對同一幅灰度圖像進行提花織物設計與織造,最后產生6幅提花織物樣品,織物實物效果如圖4所示,圖中微觀圖部分采用AO1017歐美科數碼電子顯微鏡采集,放大倍數為15倍。

圖4 6種提花織物實物圖Fig. 4 Six figured jacquard fabrics. (a) Tree-shape dot; (b) Leaf-shape dot; (c) Heart-shape dot; (d) Ingot-shape dot; (e) Weft enhanced shaded-weave; (f) Warp enhanced shaded-weave

4種異形網點結構提花織物中,樹形和葉子形提花織物采用黑緯表現網點色,白經表現背景色;與之相反,心形和元寶形提花織物采用白經表現網點色,黑緯表現背景色。2種影光組織提花織物的影光組織庫以16枚5飛緞紋為基本組織,經向加強和緯向加強各1組,每次增加4個組織點,組織庫均為57級。

色卡織物和提花織物樣品,均由1組白經和1組黑緯交織而成,經、緯組合均為:23.3 dtex×2桑蠶絲;經、緯密均為1 100根/(10 cm)。織物樣品由浙江宏創紡織有限公司織造。

2.3 織物樣品明度數據采集

色卡織物樣品的明度值(L)由美國X-rite愛色麗Color i7手持分光測色儀進行數據采集,其中異形網點織物色卡1組220塊,每塊大小為3.5 cm×3.5 cm;影光組織織物色卡6組,每組29塊,共計174塊,每塊大小為3.5 cm × 4.5 cm。數據采集條件為:顏色空間CIELAB,測量孔徑為6 mm。每塊織物樣品測3次,取平均值。

4幅異形網點提花織物和2幅影光組織提花織物,經Canon E568掃描儀采樣獲得數字圖像,掃描分辨率為300 dpi,彩色模式。將掃描圖像在PS軟件中進行修剪調整,使6幅織物圖像與原圖像具有相同的長寬像素值,并將其色彩模式轉換為灰度模式。之后將每幅織物圖像均分為9等份,分別計算每份的平均灰度值。

3 結果與討論

3.1 色卡織物明度比較分析

將經測色儀采集的7組織物色卡明度值數據,按組進行平均值計算,結果如表1所示。將明度值為0的黑色到明度值為100的白色的漸變色階,歸納為29級,再計算其明度均值為50,以此作為評價織物色卡灰度仿真性能的參考值。220級樹形網點織物色卡根據測色數據也歸納為29級,使其與影光組織織物色卡數量對應。

表1 7組織物色卡明度均值Tab. 1 Lightness mean values of 7 groups of fabric color cards

從表1可知,與黑白色階的明度均值最接近的是16枚3飛緯向加強影光組織織物色卡組的明度均值,二者相差0.76;其次是樹形網點織物色卡組,二者差值為1。其余5組影光組織織物色卡組的明度均值,都較樹形網點組的差一些。其中3組緯向加強織物色卡組的明度均值低于50,說明織物色卡組整體偏暗;3組經向加強的織物色卡組都高于50,說明織物色卡整體偏亮。

將7組織物色卡的測色數據與29級黑白漸變色階的明度值繪制成曲線如圖5所示。可知,3組經向加強織物色卡的明度值曲線極為接近,且整體明度值明顯高于其余各組。3組緯向加強織物色卡組中有2組下凹趨勢明顯,其余1組與樹形網點織物色卡組接近,居于7組中間,與黑白漸變色階的線性特征吻合度相對更好。

圖5 織物樣品組與圖像色階的明度值曲線圖Fig. 5 Lightness curves of fabric samples and grayscale

為更準確地表征7組織物色卡的明度值與黑白漸變色階的理論明度值之間的接近度。在各組數據都滿足正態性檢驗的前提下,分別將7組織物色長與黑白漸變色階的理論明度值進行單因素方差分析,結果如表2所示。

表2 織物色卡與黑白漸變色階明度值擬合度Tab. 2 Fitting degrees of lightness values between fabric color cards and grayscale

概率P值越高,表示2組數據的擬合度越高。從表2可知,16枚3飛緯向加強影光組織織物色卡組擬合度最高,其次是樹形網點織物色卡組。2組16枚7飛影光組織織物色卡與黑白漸變色階的明度值擬合度最差;其次是2組16枚5飛影光組織織物色卡。16枚5飛和16枚7飛各自2種不同加強方向的織物色卡組的P值都較為相近,而16枚3飛經、緯兩向加強的影光組織織物色卡組之間差距顯著。

從上述比較分析表明,樹形網點織物色卡組對黑白漸變色階的灰度仿真表現,雖較16枚3飛緯向加強織物色卡組略差一點,但總體而言,相對于采用影光組織的織物色卡具有更穩定的呈色性能,且灰度仿真的整體效果也較為理想。

3.2 提花織物圖像明度比較分析

由于織物圖像明暗變化復雜,為能更合理地比較不同網點形狀和影光組織提花織物對原圖像的灰度仿真效果,本文先將原圖像和6幅織物圖像按3行3列均分為9個圖區,再按圖區進行明度均值計算,結果如圖6所示。

圖6 原圖像與6種織物圖像分圖區明度均值曲線圖Fig. 6 Curves of mean regional lightness of original image and six jacquard fabric images

從圖6可知,原圖像第1、2、5圖區的明度均值明顯高于所有織物圖像的相應區域,說明織物圖像對高明度圖區的表現有所欠缺。這是由于本文提花織物是由1組白經和1組黑緯交織而成,織物圖像亮色區域始終存在黑緯組織點,從而影響織物顯色的純凈度。6幅織物中緯向加強影光組織織物的9個圖區明度均值都最低,而經向加強織物則各圖區明度均值總體最高,2種不同加強方向影光組織織物圖像明度差異明顯;4幅異形網點提花織物的情況,則居于前二者之間,這說明異形網點結構提花織物整體具有更穩定的灰度仿真性能。

另外,4種不同形狀網點提花織物中,心形網點織物相對其它3種,各區域明度均值總體略高,織物圖像整體相對更顯明亮。這可以解釋為心形網點形狀不僅造型飽滿,且水平和垂直2個方向的組織點連續較為均衡,更重要的是在4種形狀中,一個完整的心形由139個像素點構成,元寶形則由115個像素點構成,在二者形狀都由白經表現的情況下,前者所表現的織物圖像明度高于后者,說明網點形狀的像素點數量對顯色效果也有一定的影響。

為進一步掌握提花織物圖像與原圖像之間整體明度差的量化數據,本文先將各織物9個圖區的明度值分別與原圖像對應圖區的明度值一一進行明度差計算,再對9個圖區明度差進行均值統計,結果如表3所示。

表3 提花織物圖像與原圖像的分圖區明度差值Tab. 3 Regional lightness differences between jacquard fabric images and original image

由表3可知,心形網點提花織物圖像與原圖像的明度差均值最小,說明其在6幅提花織物中具有最佳的仿真表現;其次是16枚5飛經向加強提花織物;其余3種網點明度差均值從小到大依次為元寶形、樹形和葉子形;效果最差的是緯向加強影光組織織物。

不同形狀的異形網點織物,其灰度仿真效果在基本接近的前提下略有差異。根據實驗結果,這種細微差異的影響因素大致可以確定為網點形狀的飽滿程度,即網點形狀的像素數量,像素點多的相對于較少的更能反映形狀所對應的紗線色,但這種影響只是小范圍內的細微調節。另外,由于本文實驗沒有設計像素數量相同但形狀不同的網點結構,暫時無法明確形狀的長寬比,以及外輪廓線的曲折程度等對灰度仿真效果是否存在影響,有待后續進一步的研究討論。

4 結束語

異形網點結構提花織物設計采用連續調圖像離散后的黑白二色值圖像,由于圖像只有圖與底2種顏色,在最大限度上降低了對織物組織的設計需求,從而有效避免了織物組織對圖像色表現上的偏色問題。本文實驗結果表明,在相同的織造條件下,采用經、緯兩向加強影光組織設計的提花織物對原圖像明度基調的再現上具有明顯的差異,而基于異形網點的提花織物則不存在類似的影響因素,表現出更穩定的灰度仿真性能。此外,異形網點為圖像的二色值化設計提供開闊的創意空間,主要體現為以下2點:

1)網點形狀可自由設計,在確保灰度仿真效果的前提下,使提花織物圖像具有更突出的新穎性,滿足色彩仿真提花織物產品的個性化創意設計需求;

2)利用網點形狀的像素數量變化,以及網點形狀與紗線色的配合設計,實現對提花織物圖像灰度效果的細化調節,為灰度仿真提花織物提供多樣化設計途徑。

總之,異形網點庫的設計,一方面是對常規網點形狀的突破,利用圖像處理技術為色彩仿真提花織物設計開拓新的設計路徑;另一方面,異形網點在提花織物色彩仿真中的應用研究,為非色彩仿真的創意提花面料的設計開發提供方法和設計參考。