基于图像处理的复杂多臂组织智能化设计方法

章斐燕，李启正，祝成炎

(浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，杭州310018)

由于受到多臂织机综片数的限制，传统多臂组织的花纹一般比较简单，经纬循环通常都比较小，因此，多臂织物也被称为“素织物”。随着纺织产品和品种更新的速度越来越快，多臂织机技术的不断进步，要求多臂织物表面花纹美观、变化多样和具有新颖的外观特征[1]。而对已有的复杂图像进行图像处理，直接生成符合多臂机织造的上机图无疑是满足这样需求的一条可采用的途径。目前多臂织物CAD系统主要用于各类织物的组织设计、图形编辑、工艺设计、模拟显示及小样织造[2-3]。虽然现有的多臂织物CAD系统功能较全[4-5]，但就目前所发表的文献鲜见关于复杂图像直接应用于多臂织物组织CAD设计方面的研究报道，也未见具有该功能的CAD设计系统专用软件上市。因此，建立计算机智能化设计方法的模型及算法，用多臂机生产具有提花效果的织物具有现实意义。

当设计组织循环大、花纹复杂的组织时，一般是通过鼠标逐点点击的方法构建组织图，或是由多种基础组织图进行联合设计[6-7]，这在一定程度上限制了组织的变化。本研究在Visual Basic 6.0的开发环境下，根据用户自选的图像进行图像处理，直接转换成组织图，通过计算机智能化设计方法的模型及算法生成上机图，使其适用于多臂机的织造。

1 多臂织物组织的智能化设计流程

采用Visual Basic 6.0程序语言来实现多臂织物组织的智能化设计。在可视化界面中，用户自行加载图片，并进行图像处理，根据用户自定义的经纬循环数自动生成组织图和上机图，若织造所需综片数超过多臂织机限定综片数 (本研究将多臂织物组织综片数设定为22片)，则用户输入指定综片数(0～22)，系统将根据建立的穿综模型及算法自动生成满足织造要求的上机图。此设计过程可以反复进行，直至用户满意。对保存的上机图进行一定的格式化处理后即可到多臂机上进行织造。系统流程见图1。

图1 多臂织物组织智能化设计系统流程Fig.1 Flow chart of intelligent designsystem of dobby fabric weave

2 图像处理

在多臂织物组织设计中，若采用传统的点画方式，不仅费时而且还不易达到理想的效果。因此，系统将根据用户的需求对图像进行处理，并进行组织铺设，以获得理想的组织设计效果。

2.1 图像二值化

图像的二值化处理是指将图像上的像素点的灰度值设置为0(纯黑)或255(纯白)[8]，也就是使整个图像呈现出单纯的黑白效果。一般分为两个步骤:彩色图像灰度化和灰度图像二值化。首先，将用户所需的图像转化为便于识别的灰度图像[9]，灰度图就是图像中每一点的红、绿、蓝颜色分量值都相等，采用公式(1)将彩色图像转化为灰度图像。

式中:Gray为求得像素点的灰度值，R、G、B分别为像素点原来的红色、绿色、蓝色的分量值。

将灰度图像二值化，转化为简单的黑白图像，采用如下方法:若黑白图像时的阈值为128(此值可在0～255任意选择)，即灰色亮度大于128的像素转为白色，小于128的像素转为黑色。为了尽量满足用户对于图像的需求，可以在软件中将阈值自行设置。二值化处理前后的图像比较如图2所示。

图2 二值化处理前后的图像比较Fig.2 Image comparison before and after the binarization

2.2 图像的分割

对二值化后的图像进行组织点的分割，首先要确定组织的经纬循环数，用户自定义经纬循环数(经纬数的比例最好与图像的长宽比相似，以免图像失真)。在二值化图像上进行网格划分，每一个网格对应组织图上的一个组织点，称为网格点。组织图像中的网格点分为黑色或白色两种。图像上网格点的大小与经纬循环数和图像大小有关，因此，通过在一个网格点内取不同位置的像素进行平均，若该网格内黑色区域大于白色区域，则该网格点用“1”表示，代表经组织点，反之则用“0”表示，代表纬组织点。这样，就得到一个二维的布尔矩阵[10]。其中，经纬循环数不同，织物组织图也有所不同，如图3所示。

图3 不同经纬循环的组织图Fig.3 Weave diagram with different number of warps and wefts

3 铺设组织

根据所选图像的不同，生成的组织图中经、纬浮长数也不同，为避免上机织造困难，可以对组织图中的黑色区域和白色区域进行组织的铺设。其中，在铺设组织时，可以通过软件界面操作在白色、黑色部分铺设基础组织，这不仅从根本上保持了图案的形状、自由选择不同部分的组织规律，而且还便于织造。

当不同组织在结构上差异太大，会产生织缩不一和紧度差异，增加织造难度，严重时会影响织物外观，因此，在铺设组织时应该选用合适的组织。在选择上要散点排列，力求布局均匀，尽量使经纬交织次数一致。如地组织(图3的白色区域)多为缎纹、平纹、斜纹，它们的经纬浮长比较短，织出来的布面比较细腻，与花部(图3的黑色区域)形成较大的对比，使花纹更加突出。铺设组织后的组织图效果如图4所示。

图4 铺设组织后的组织图Fig.4 Weave diagram with different weaves laying

4 上机图的显示

本研究所设计的多臂织物组织的综片数最多为22片，当综框变化规律超过22时，便需要对现有的组织图进行修改以符合多臂机的织造。若采用鼠标逐点修改，则不仅对操作人员的要求较高，而且修改的程序繁琐比较费时。因此，根据多臂织物组织的穿综图、纹板图及组织图之间的关系，归纳出多臂织物组织形成规律，并建立适用计算机智能化设计方法的模型及算法。

4.1 织物组织中各个部分的数学关系

将多臂织物的组织图设计转化为组织矩阵的运算与处理。根据组织图、穿综图与纹板图三者之间的关系计算出组织矩阵。三者之间的关系见式(2)[11]:

式中:L表示纹板矩阵;D表示穿综矩阵;W表示组织矩阵。

4.2 多臂织物智能化设计方法的模型

在多臂织物组织的穿综设计中采用如下2种方法:1)当织物组织变化小于22片综时，系统将自动采用传统的照图穿综法，最后生成的上机图符合多臂机织造。2)当织物组织变化超过22片综时，系统将自动采用模型中的穿综法，如图5所示。

图5 多臂织物组织的穿综模型Fig.5 Drafting model of dobby fabric weave

采用该模型及算法后，用户只需输入指定综片数(0～22)，就可以快速生成符合多臂机织造的上机图。以图4(a)为例，织造所需综片数为29片，超过多臂机限定综框数。若用户指定用22片综织造，经过计算机自动处理之后生成的上机图如图6所示。

图6 综片数优化处理后需22片综的上机图Fig.6 Looming draft with 22 heddles after optimization of heddle number

5 结论

这种适用于不同综片数、不同经纬循环数的计算机智能化设计方法基本上能满足多臂织物的图案选择，在一定的经纬循环数内，组织变化规律接近于综片数时，所生成的上机图能很好地展现图像的内容，这不仅满足了用户个性化的需求，而且使组织设计变得方便简单。当然，不同组织的铺设在一定程度上会影响织造所需的综框数和织物的花纹效果。

在织物组织设计中，由计算机代替设计者来设计相对繁琐的组织具有较大的发展前景。本研究基于多臂织物组织的形成原理及用户对图像的个性化需求，利用一种计算机智能化设计方法的模型及算法，优化综片数，初步实现了多臂织物组织的智能化设计。同时，若在进行组织铺设时选用变化规律较小的组织，也能相应地减少织造所需的综框数。但本系统只是对图像的组织智能化设计的初步实现，其CAD技术仍然需要进一步研究，如对于复杂的图像失真率如何达到最低等。

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