采用色纺纱图像的真实感色织物模拟

张 宁， 李忠健， 潘如如， 高卫东， 韩要宾(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

采用色纺纱图像的真实感色织物模拟

张 宁， 李忠健， 潘如如， 高卫东， 韩要宾
(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

为解决色织物产品设计周期长，试织打样耗时费力的问题，提出一种采用色纺纱图像的真实感色织物的模拟方法。首先采集彩色纱线图像，运用阈值分割、形态学处理得到纱线主体，获取纱线主体的上、下边界和中心线，进而得到原始纱线图像的主体部分；接着根据椭圆模型和正弦曲线模型对纱线主体图像进行处理，得到纱线在二维织物表面中的形态；最后根据色纱循环和织物组织变换模型来改变经纬纱的覆盖关系，实现了真实感条纹型和格子型色织物的模拟。模拟结果表明：本文算法能够模拟不同种类色织物的织造过程，真实地反映织物的外观效果，且能够调整织物组织和色纱循环参数，提高了现有模拟算法的真实性和适应性。

色纺纱图像； 图像处理； 数学模型； 色织物； 模拟

色织物的经纬纱线颜色、组织结构和色纱排列方式等参数直接决定了织物的整体效果。在织物设计过程中，需要不断调节这些参数，并通过试织来观察织物的布面效果是否符合设计人员和客户的要求。这种反复试织的工作不仅费时费力，还造成了原料的浪费。通过计算机技术来快速、形象、直观、真实地模拟出色织物的外观效果，可代替试织打样的一系列手工操作，从而缩短产品的开发周期。

目前，机织物的模拟方法主要有配色模纹法[1-2]、纱线设计法[3-5]和真实感图像法[6-8]3种。配色模纹法模拟色织物时，可根据织物组织、色纱排列和经、纬密度等因素来生成织物图像，但模拟出的织物图像平淡，没有质感。纱线设计法通过绘制纱线外观，填充颜色、随机生成纹理和毛羽信息，具有很好的质感效果，但并未采用真实的纱线信息，难以表现织物的真实外观。真实感图像法是通过构建纱线数学模型，提取原始纱线信息填充到织物中，实现织物的模拟。这种方法大大提高了模拟效果的真实性，但在这些研究中并未给出具体的纱线处理和织物模拟过程，构建的织物模型参数可调性差。此外，文献[9]提出了一种基于Photoshop软件的色织物仿真，扫描织物图像并分析面料特点，运用Photoshop软件的工具生成相应的织物图像。这种方法能实现色织物的视觉仿真设计，但是只能对已有的织物面料进行仿真，存在局限性。

本文提出了一种采用色纺纱图像的真实感色织物模拟算法。通过扫描系列纱线图像并进行预处理，得到纱线主体图像和边界并存储，在织物外观数学模型的基础上，根据纱线的中心线和边界填充纱线的信息，实现色织物的模拟。提出的模拟算法提高了配色模纹法和纱线设计法模拟效果的真实性和真实感图像法的适应性，能够适应不同种类的色织物，较好地反映织物的外观效果。

1 数学模型的建立

1.1 纱线的椭圆模型

纱线在自由状态时，其截面形态一般为圆形。但在织物的织造过程中，由于上机张力的存在，使得经纬纱在交织点处相互挤压，所以纱线在织物中的形态不可能为规则的圆形。文献[10]归纳了纱线在织物中的截面形态，主要包括圆形、椭圆形、跑道形、凸透镜形和正弦弧与圆弧衔接等形态。

本文选择椭圆模型来描述纱线在织物中的截面形态。通过扫描得到的纱线图像的宽度认为是纱线在圆形截面形态下的直径，根据纱线变形后周长不变的原理求得椭圆的长径，即为纱线在织物中挤压变形后的直径。为了不改变纱线的原有颜色信息，需要使用插值算法，采用最邻近插值算法对纱线进行处理。图1示出纱线的圆形和椭圆形2种截面形态示意图。

图1 2种纱线截面形态Fig.1 Two types of yarn cross section. (a) Circular cross section; (b) Elliptical cross section

如图1所示，设纱线任意一行的直径为d1，椭圆的压扁系数[11]为μ，a为椭圆的长半轴，b为椭圆的短半轴，由此得到

C=πd1

Z=2πb+4(a-b)

式中：C为圆的周长；Z为椭圆的周长。

假设压扁系数[8]μ=0.6，由以上公式计算得到椭圆长半轴长a，则纱线在椭圆形截面形态下的直径d2等于椭圆的长轴长2a。图像插值运算的倍数p1，即为直径d2与直径d1的比值，可用下式计算得到：

求得p1=1.17。

1.2 正弦曲线模型

在机织物中，经纬纱线上下交织产生相互挤压变形，使得纱线在交织点处呈现弯曲的状态。在不同组织结构的织物中，这种弯曲的状态由于经纬纱覆盖关系的不同而不同。在经纬纱交织处，可将纱线看作是正弦曲线的一部分，其余部分则看作直线状态[4]，因此，沿着纱线的轴向方向，可将经、纬纱抽象为正弦曲线与直线相结合的状态。该模型处理的纱线能在纱线粗细、织物密度改变的同时改变纱线的屈曲形态，符合纱线在织物中的实际弯曲形态。

以平纹、斜纹织物为例，假设沿经纱轴向将织物剖开，可得到如图2所示的纱线截面图和经纱正弦曲线模型。其中：t为纬纱之间的间距；b为纬纱在椭圆形态下的短半轴长；2b为经纱屈曲波高。

图2 不同织物纱线的截面图和经纱正弦曲线模型Fig.2 Cross section of yarn in different fabrics and sine curve model of warp. (a) Cross section of yarn in plain; (b) Sine curve model of warp for plain; (c) Cross section of yarn in twill; (d) Sine curve model of warp for twill

在该模型中，正弦曲线的1个周期覆盖了2个纱线间距t，即其周期T=2t，振幅A等于纱线在椭圆模型下的短半轴长b，即A=b，则该正弦曲线的方程为

设正弦曲线的弧长为S，根据弧长的微分公式，求得弧长为

在垂直于织物平面方向上观察，纱线在织物中的形态即为正弦曲线在x轴上的投影，弧长S的投影在x轴上即为周期2t，因此，插值运算缩小的倍数p2可由下式求得：

1.3 织物组织变化模型

在织物组织矩阵中，通常采用“0”代表纬组织点，“1”代表经组织点。记1个组织循环的布尔矩阵为B, 根据文献[12]可求得多个组织循环的布尔矩阵V(JN×WN)。利用上述组织模型，控制矩阵V(i，h)便可改变织物组织的沉浮规律，从而改变织物的组织类型。

2 色织物的模拟

2.1 色纺纱图像的采集与处理

本文所用的色纺棉纱是有色纤维经普通细纱机纺制的，用这种纱线织成的面料具有朦胧的立体效果，颜色自然、有层次。将纱线在黑板上排列整齐，使用MRS-4800M48U型Microtek扫描仪采集图像。在扫描纱线时，注意分辨率的选择。分辨率过小，纱线图像不清晰；分辨率过大，会导致纱线携带的信息量过大，影响处理的速度。在本文实验中选用分辨率为600 dpi。在纱线扫描完成后，为了方便后续的处理，将纱线图片截取为同一尺寸，本文中尺寸选择为50像素×2 500像素。图3示出扫描的部分纱线原图。

图3 部分纱线原图Fig.3 Part of original yarn image

在实际的色织物织造过程中，经纱是通过整经工序将所需的经纱按规定的长度和宽度卷绕在经轴上，并要求色纱排列符合工艺规定。在本文算法中，对于经纱，采用类似整经的方法，对扫描得到的不同色纺纱图片按照色纱循环排序，顺次处理并存储数据。对于纬纱，将采集的相连的纱线图片排序，拼接成连续的纬纱。

对于扫描得到的系列色纺纱图像，首先进行灰度处理得到灰度图像，然后使用Ostu阈值方法处理纱线灰度图像得到二值图像，为了达到最佳的去除噪点和边缘毛刺的效果，选择直径为2个像素的平坦型圆盘结构元素对二值图像进行形态学先开后闭滤波和平滑处理，得到纱线主体的二值图像，预处理流程如图4所示。

2.2 图像信息获取

2.2.1 纱线边界

为获取纱线在原始图像上的主体图像，并在模拟织物的过程中实现对整根纱线信息的调用，需要获取纱线的上下边界。在图4(c)纱线主体的二值图像上，根据白色区域像素点的值为1，黑色区域像素点的值为0，寻找0和1的交界处，即为纱线的边界。根据得到的纱线边界信息，可得到原始纱线图像的主体图像，如图5所示。

图4 纱线图像预处理流程Fig.4 Pre-processing flow of yarn image. (a) Grayscale image of yarn; (b) Binary image of yarn; (c) Binary image of yarn main body

图5 原始纱线图像的主体图像Fig.5 Main body image of original yarn image

2.2.2 纱线中心线

纱线的中心线包括纱线条干的中心线和纱线左端、右端的中心位置。纱线条干的中心线用于调节织物的经、纬密度，纱线左端、右端的中心位置用于控制纱线在织物中的结合位置。

在获取纱线条干的中心线时，在图4(c)纱线主体的二值图像上，对每行上的像素点求和Mai，找到Mai的最大值所在的行Aj(j=1,2,3,…),并求Aj的平均值Mv(如果Mv是小数，取其最近的整数)，则Mv的值即为纱线条干中心线所在的位置。在获取纱线左端、右端的中心位置时，分别计算第1列和最后1列所在行的平均值Pcs和Pce，则Pcs和Pce的值即为纱线左端和右端的中心位置。

2.3 纱线调整

2.3.1 径向和轴向的调整

根据建立的纱线的椭圆模型和正弦曲线模型，对预处理后的纱线进行调整。在纱线直径方向上，根据p1对整根纱线采用最邻近差值算法进行放大。在纱线轴向方向上，对于不同的组织，在组织点弯曲的部分，根据p2对弯曲的纱线片段进行缩小处理。经过径向和轴向的调整，得到纱线在二维平面上的形态。图6示出对不同织物组织的部分纱线调整结果。

图6 不同织物组织的部分纱线调整结果Fig.6 Adjustment of part of yarn in different fabric structures. (a) Yarn image before adjusting; (b) Yarn image adjusted for plain; (c) Yarn image adjusted for twill

从图6可看出，调整过的纱线在直径方向上宽度变大，轴向方向上纱线的长度有相应的缩短，对于不同的组织，其缩短的位置和缩短的程度不同。

2.3.2 纱线的拼接

由于扫描得到的纱线是平行排列的，纱线的长度是一定的，为了使纱线的长度满足幅宽的要求，需要将处理得到的纱线拼接起来。在进行纱线拼接时，纱线出现条干不匀、粗细节等问题，会导致纱线拼接错位，所以需要使用纱线的中心线和中心位置来确定相邻的2根纱线在拼接时的偏移量。在拼接纱线时，2根纱线先以条干的中心线为基准靠在一起，根据前1根纱线右端的中心位置和下1根纱线左端的中心位置与各自纱线条干中心线偏移量的大小，将下1根纱线移动相应偏移量的值，使前1根纱线右端的中心线和下1根纱线左端的中心线在一条直线上，完成纱线的拼接。

根据上述原理，将处理好的纱线主体的二值图像和主体图像依次拼接起来，得到所需长度的连续纱线。图7示出在拼接时是否加偏移量的2种拼接方法的比较。从拼接效果上来看，加偏移量可避免出现纱线拼接错位的问题。

图7 2种拼接方法的比较Fig.7 Comparation of two kinds of mosaic method.(a) Before adding offset; (b) After adding offset

2.4 色织物模拟

在模拟织物时，当多个组织循环的布尔矩阵V(JN×WN)、纬组织点长度Lw、经组织点长度Lj、新的图像矩阵M、第1根经纱位置Tj、第1根纬纱位置Tw确定之后，设原来的图像矩阵为F，根据所获取的各种纱线信息，采用纱线信息填充的方法模拟织物，具体算法如下。

1)提取经、纬纱原始纱线主体图像的R、G、B3个通道，分别执行2)～4)相应的操作。

2)经纱的模拟：在织物的每个纵行上，每个组织点处的经纱片段Lji为

Lji=Lj×(i-1)+1∶Lj×i

式中：i表示第i个经纱片段，i=1,2,…,WN；“∶”表示冒号前后的坐标之间的信息。

对于得到的经纱片段Lji，根据获取的纱线上、下边界的行数Cl1、Cr1和列数Rl1、Rr1，利用上下式依次将每根经纱主体图像上相应片段的信息填充到图像矩阵M中。

M(Cl1{g}∶Cr1{g},Tj-Rl1{g}∶Tj+Rr1{g}+Lw×(i-1))=F(Cl1{g}∶Cr1{g},Rl1{g}∶Rr1{g})

式中，g表示第g根经纱，g=1,2,…,JN。数量上与纬纱片段数h相等。

3)纬纱的调用：与经纱不同的是，纬纱使用的是拼接后的连续纬纱。设每个组织点处纬纱的片段Lwi，纱线上、下边界的行数为Cl2、Cr2和列数为Rl2、Rr2，同样采用纱线信息填充的方法，根据下式完成纬纱的调用：

Lwi=JN×Lw×(i-1)+Lw×(h-1)+1∶JN×

Lw×(i-1)+Lw×h

M(Tw-Cl2∶Tw+Cr2+Lj×(i-1),Cl2∶Cr2-JN×

Lw×(i-1))=F(Cl2∶Cr2,Rl2∶Rr2)

其中：i表示第i个经纱片段，i=1,2,…，WN；h表示第h个纬纱片段，h=1,2,…,JN。

4)判断V(i,h)是否等于1；若是，执行第2)步，重新调用经组织点处的经纱，完成在经组织点处对纬纱的覆盖；若否，则不予处理。

5)将构建的图像矩阵M的R、G、B3个通道合成，算法结束。

3 结果与讨论

通过模拟不同种类的色织物，对提出的色织物模拟方法进行效果检验。选用了条纹类和格子类2类色织物[9]。根据每种色织物的特征排列色纱，颜色选择红、黄、蓝3种，分别用a、b、c表示，参数设置为：Lw=12，Lj=15，JN=64，WN=80。通过调整经纱的排列和控制纬纱的打纬顺序，实现了不同种类色织物的模拟。

3.1 条纹型色织物的模拟

设定色经、色纬循环分别为4a4b、1b。根据组织点数目、每幅图片的大小和像素点数可知，经纱需要采集80张图片，其中红纱40根，黄纱40根。纬纱需要采集黄纱图片25张。变换织物组织模型完成织物的模拟，效果如图8所示。

图8 条纹类色织物模拟效果图Fig.8 Simulation images of yarn-dyed fabric of stripe type.(a) Plain weave; (b) Twill weave

3.2 格子类色织物的模拟

设定色经、色纬循环均为6a6b2c6a。根据组织点数目、每幅图片的大小和像素点数可知，经纱需要采集80张图片，其中红纱48根，蓝纱8根，黄纱24根。对于纬纱，红、蓝、黄3种纱线分别需要16、3、7根。通过调用不同纬纱的循环来实现织物的模拟，效果如图9所示。

图9 格子类色织物模拟效果图Fig.9 Simulation images of yarn-dyed fabric of lattice type.(a) Plain weave; (b) Basket weave

由上述模拟效果图可知：相对于现有纺织CAD系统中的织物模拟方法，采用本文方法模拟的织物保留了真实纱线的颜色、纹理、毛羽等信息，能够反映纱线在织物中的形态，真实地预测织物的布面效果。与采用图像方法获得纱线外观进行织物模拟的方法相比，本文算法实现了色织物模拟，能够真实地反映织物中纱线的条干和颜色，并且织物的工艺参数可调，具有较好的适应性。

4 结 语

在纱线图像的基础上，通过纱线图像的预处理，获取纱线的主体图像，根据建立的数学模型对纱线进行处理，并提取纱线的边界和中心线数据，采用纱线信息填充的方式实现织物的模拟，可模拟织物真实的织造过程，适用于不同种类的色织物，并且可以变换组织和相关参数。本文提出的织物模拟方法，能够保留纱线的原有信息，并在织物中体现出来，可用于新产品开发时的辅助，为更为真实的织物模拟奠定了基础。

FZXB

[1] 眭建华, 周洋, 俞海峰, 等. 织物配色模纹的计算机设计[J].棉纺织技术, 2005, 33(11): 661-664. SUI Jianhua, ZHOU Yang, YU Haifeng, et al. Computer design on fabric color effect [J]. Cotton Textile Technology, 2005, 33(11): 661-664.

[2] 施国生, 梁道雷. 纱线和织物外观模拟图形的统计特性研究[J]. 纺织学报, 2004, 25(2): 39-40. SHI Guosheng, LIANG Daolei. A research of statistical characteristics of yarns and fabric external appearance imitative figures [J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(2): 39-40.

[3] 马崇启. 机织物计算机模拟方法[J].纺织学报, 2007, 28(2): 36-37. MA Chongqi. Computer simulation of woven fabric [J]. Journal of Textile Research, 2007, 28(2): 36-37.

[4] 杨允出, 李基拓, 陆国栋. 机织物组织图的数学描述与3维几何建模[J].中国图像图形学报, 2014, 19(10): 1524-1531. YANG Yunchu, LI Jituo, CHEN Guodong. Mathematical expression and 3-D geometrical modeling of weave diagram[J]. Journal of Image and Graphics, 2014, 19(10): 1524-1531.

[5] 黄天勇, 黄故. 机织物外观分析及计算机三维模拟[J].纺织学报, 2001, 22(2): 40-42. HUANG Tianyong, HUANG Gu. Appearance analysis and computer 3-D simulation of woven fabric [J]. Journal of Textile Research, 2001, 22(2): 40-42.

[6] 张瑞云, 李汝勤. 花式纱线嵌于织物中效果的计算机模拟[J]. 纺织学报, 2000, 21(5): 34-36. ZHANG Ruiyun, LI Ruqin. Computer simulation of effect of fancy yarns embedded in fabric [J]. Journal of Textile Research, 2000, 21(5): 34-36.

[7] ÖZDEMIR H, BASER G. Computer simulation of plain woven fabric appearance from yarn photographs [J]. The Journal of the Textile Institute, 2009, 100(3):282-292.

[8] ÖZDEMIR H, BASER G. Computer simulation of woven fabric appearances based on digital video camera recordings of moving yarns [J]. Textile Research Journal, 2008, 78(2): 152-153.

[9] 王旭, 毕松梅. 基于Photoshop软件的色织物视觉仿真建模技术[J]. 安徽工程大学学报, 2013, 28(1): 38-40. WANG Xu, BI Songmei. Visual simulation design technique on yarn dyed fabric by Photoshop software [J]. Journal of Anhui Polytechnic University, 2013, 28(1): 38-40.

[10] 刘让同, 李亮, 任继江, 等. 机织物中纱线截面形态与几何形态模型研究[J]. 棉纺织技术, 2012, 40(1): 23-24. LIU Rangtong, LI Liang, REN Jijiang, et al. Yarn cross-section shape and collective morphological model research on woven fabric [J]. Cotton Textile Technology, 2012, 40(1): 23-24.

[11] 崔世忠, 郑天勇, 王东峰, 等. 用变截面纱线模型模拟平纹织物的研究[J].棉纺织技术, 2007, 35(4): 212-213. CUI Shizhong, ZHENG Tianyong, WANG Dongfeng, et al. Research of simulating plain weave fabric by fancy cross section yarn model [J]. Cotton Textile Technology, 2007, 35(4): 212-213.

[12] 李忠健, 潘如如, 高卫东. 应用纱线序列图像的电子织物构建[J].纺织学报, 2016, 37(3): 37-42. LI Zhongjian, PAN Ruru, GAO Weidong. Electronic fabric construction using sequence yarn images [J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(3): 37-42.

Simulation of realistic yarn-dyed fabric using colored spun yarn images

ZHANG Ning, LI Zhongjian, PAN Ruru, GAO Weidong, HAN Yaobin
(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to solve the problem of long product design cycle and proofing time-consuming in yarn-dyed fabric, a new method was proposed for simulation of realistic yarn-dyed fabric using colored spun yarn images. Firstly, colored yarn images were captured and processed by threshold segmentation and morphological processing to obtain the yarn body. After that, the upper and lower boundaries and the center line of the yarn body were found, and then the main part of the original yarn image was obtained; Secondly, in order to obtain the shape of yarn on the surface of two dimensional fabric, the ellipse model and the sine curve model was applied to process images of the yarn main body. Finally, the cover relation of warp and weft yarns according to loops of dyed yarn and transformational model of fabric texture was changed, realizing simulation of realistic striped and checked yarn-dyed fabric. Simulation results show that the proposed algorithm can simulate weaving process of different kinds of yarn-dyed fabric, and truly reflect the appearance of fabric. Parameters of loops of dyed yarn and fabric texture can be adjusted, improving the authenticity and adaptability of the present simulation algorithm.

colored spun yarn image； image processing； mathematical model； yarn-dyed fabric; simulation

2016-04-28

2016-12-08

教育部博士点基金项目(20120093130001)；国家博士后基金项目(2013M541602)；江苏省博士后基金项目(1301075C)； 2014江苏省研究生创新计划(KYLX_1132)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发[2014]37号)

张宁(1992—)，男，硕士生。研究方向为基于图像处理的机织物模拟。高卫东，通信作者，E-mail: gaowd3@163.com。

10.13475/j.fzxb.20160408306

TS 101.9

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