数码纺纱生产的彩色纱及其针织物花型模拟

文/薛元 张继东 管幼平 李增润 剌志勇

本文简介了JWF1551细纱机进行数码混配色及其彩色纺纱原理，以其纺制的二次混色纱线为例，通过对真实混色纱纹理信息映射的二维纬编织物模拟方法，在考虑混色纱纹理信息包括捻向、直径、颜色和光照等因素的基础上，利用Pierce经典线圈模型和处理后纱线图像，完美地将混色纱体现在针织物上。

引言

基于环锭数码纺纱系统可以将三原色粗纱按照设定的比例直接混配纺纱，同步完成纱线成型与纱线混配色双功能，实现全色谱的彩色纺纱。由江南大学与经纬榆次联合研制的JWF1551型环锭细纱机是面向柔性智能纺纱开发的新一代智能型细纱机，通过创新研发了三通道异步牵伸机构和全数控细纱机，对喂入的三基色粗纱进行异步牵伸、组合变色、梯度配比、混合加捻等机理，实现了对成纱线密度、混纺比可在线调控的柔性加工技术，可加工任意混纺比的混色纱、渐变色纱、段彩纱、竹节纱、彩节纱等各类彩色纱线和花式纱线。

1 彩色纺纱机的工作原理

图1所示为三通道彩色纺纱机（图中1—后胶辊，2—后胶辊，3—后胶辊，4—粗纱， 5—粗纱， 6—粗纱，7—后罗拉，8—后罗拉，9—后罗拉，10—中胶辊，11—中罗拉， 12—前胶辊，13—前罗拉，14—细纱，15—纱管）。设3个后罗拉和中罗拉、前罗拉的线速度分别为：Vq、Vz和Va、Vb、Vc。系统中3个后罗拉轴分别与中罗拉、前罗拉组合成平行并联的3组牵伸机构，每根粗纱由对应的后罗拉喂入并以前罗拉为共同输出端，则前罗拉与各后罗拉的速度之比ea=Vq/Va、eb=Vq/Vb、ec=Vq/Vc，即构成了每根粗纱的牵伸比。系统中锭子的回转速度nh与前罗拉输出线速度配合形成了纱线上所加的捻度Tw=Vq/nh。

图1 三通道彩色纺纱机

2 彩色纱的纺制

2.1 原料、仪器和纱线规格

原料：红色、黄色、蓝色精梳长绒棉粗纱，定重分别为：红色5g/10m，黄色5g/10m， 蓝色5g/10m。

仪器：经纬榆次JWF1551环锭细纱机。

纺制纱线规格：纱线支数 21S纱线捻度76捻/10cm。

2.2 纺制工艺

在环锭纺细纱机上，三通道数码纺纱是将后罗拉的机械结构加以嵌套设计，使得原有的后罗拉控制纤维喂入由单一钳口变为3个钳口，3个后罗拉借助于各自程序控制的伺服电动机驱动，从而实现多根粗纱以不同速度喂入。上机时根据3根色粗纱的摆放位置，确定各自的喂入通道，根据纱线设计要求，编制控制系统软件，使控制系统驱动左、中、右3个伺服电动机按照一定的时序完成速度指令，输入不等量的纤维须条，在线变化3根粗纱纤维的配比，纺制出特定的彩色纱品种。

2.3 由三基色进行二次混色纺制的混色纱

图2～图4展示的是21S、捻度为72.1捻/10cm、依次按照红黄混纺比1:9到9:1，红蓝混纺比1:9到9:1，黄蓝混纺比1:9到9:1，混纺比按照10%梯度递增经数码纺纱得到的彩色纱线。

图2 红黄混色纱

图3 红蓝混色纱

图4 黄蓝混色纱

3 混色段彩纱图像信息的采集

目前进行织物外观模拟的研究中，所采用的纱线是仿真纱线和真实纱线，但是仿真纱线的逼真效果与实际纱线有一定的差别，如模拟出的纱线直径、毛羽和光照等特征信息不能完全接近真实纱线。而真实纱线具有丰富的细节特征，种类繁多。所以，本文采用高质量的真实纱线图像。不仅能获得纱线丰富的特征信息，而且能得到满足纱线表面的所有反射光。这决定了织物的外观模拟效果和图案风格的好坏。

图5所示为自主研发的纱线图像采集装置，其中：1—为成像盒；2—为区域扫描CCD相机传感器；3—为纱线；4—为光源；5—为导纱装置；6—为相机镜头；7—为纱线张力控制面板；8—为触摸屏；9—为伺服电机输出辊。该装置能从移动的纱线上捕捉测量纱线的直径、色彩沿长度方向的分布，并得到完整的纱线信息。

图5 纱线序列图像获取装置

4 纬编针织物的模拟

4.1 线圈的模拟

纬编针织物的基本结构单元是线圈，所以建立合适的几何线圈模型，对于纬编针织物模拟是至关重要的。本文以Pierce线圈模型为原型，对其进行改进而建立的模型，如图6。该模型分别由为弧AB、线段BC、弧CDE、线段EF、弧FG组成，即分别代表了线圈的针编弧、圈柱和沉降弧。

图6 Pierce线圈模型

图7 线圈模拟图

通过采集的纱线纹理信息，其中包括颜色、条干和毛羽。运用图像处理技术对其进行处理，得到去除毛羽的纱线信息；读取其横向与纵向的像素点信息，可获得纱线的颜色信息与条干信息。将处理后的纱线纹理一一映射到线圈上对应的位置。如图7所示为模拟后的线圈图。

4.1.1 线圈长度

基本单元的线圈长度不仅是决定针织物本身性能的重要物理指标，而且对彩色纱线构造的纬编针织物花型有较大的影响。因为数码彩色纱的色彩是由不同比例长度的颜色组成，所以无论是计算机模拟上，还是在电脑横机上让其构成已知规律的花型效果，必须要确定线圈长度大小、数码纱线每种颜色长度、织物幅宽之间的代数关系，如图8所示。根据所构建的模型、映射关系和纱像素长度，可确定一定纱线长度所对应的线圈个数，如图9所示。算法中根据纱线像素长度，即可获得所对应的真实纱线长度。因此，就可以跟真实线圈长度进行对接，即真实线圈长度所对应的模拟线圈长度，从而能够将线圈上颜色的分布与真实纱线对应起来，则能精准地控制所形成的织物花型。

表1 三通道彩色纺纱机成纱工艺参数设计

图8 纱线原始图像

图9 同等纱线长度对应的线圈图

4.1.2 线圈亮度

织物表面在一定的光照下，不同位置将会呈现出不同的明暗效果，即其明暗效果直接反映到线圈上。对平面的线圈几何形态，加上一定的亮度变化，使线圈显现出其前后的消隐关系，使线圈之间的覆盖关系接近真实状态。本文选用的是HSV颜色空间，它能把色调、饱和度和明度的变化情形表现得很清楚。它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。所以使用过程中将线圈圈弧和圈柱的像素点RGB颜色空间模型分量（R，G，B）转换成HSV颜色空间模型分量（H，S，V），提取亮度分量V值，依照光照明暗变换的曲线方程，计算出不同位置的V值，再将HSV颜色空间转换到RGB颜色空间，不同亮度变化的线圈，如图10所示。之后根据线圈不同串套关系，由不同位置的亮度变化，可以得出不同组织的线圈亮度变化，如图11所示。

4.2 不同组织的模拟

纬编针织物具有不同的组织，其中包括基本组织、变化组织和花色组织。针对本文研究的混色段彩数码纱，它与常规下普通纱线有着相当大的区别，其有着丰富的色彩纹理信息，它的颜色变化多种多样，将这种纱线与简单组织结合，能够更加突出纱线颜色纹理的特点来构造花型，而花色组织多采用简单单色纱线，来突出结构花型。所以，本文将其应用在基本组织纬编针织物上，通过变换不同的基本组织、改变纱线总长度以及纱线各颜色比例的色段长度，从而可以形成不同图案花型织物。

4.2.1 纬平针组织的模拟

纬平针组织又称为平针组织，由连续的单元线圈向一个方向串套而成的。其具有两面不同的外观，即存在正反面，从而导致了平针组织两面具有不同的串套关系。正面线圈效果在织物的纵向方向呈现“V”形，即正面线圈的圈柱覆盖在圈弧上面，反面线圈的圈弧覆盖在圈柱上面。如图12所示。

4.2.2 罗纹组织的模拟

罗纹组织是由正面线圈纵行和反面线圈纵行以一定的组合而相间配置而成的。本文以最小循环单元中的正反面线圈纵行进行模拟，如图13所示。

图10 光照对比图

图11 线圈不同覆盖关系图

4.2.3 双反面组织的模拟

双反面组织是在横列方向上，正面线圈与反面线圈交替进行配置所形成的，由于自身结构，其线圈的圈弧向外凸出，圈柱向里凹陷，使织物两面都呈现出反面的效果。如图14所示。

图12 平针组织

图13 1+1罗纹组织

图14 双反面组织

4.3 花型的模拟

4.3.1 混色纱织物花型模拟

混色纱在同一截面内由多种彩色组成，其是按指定的比例将3根粗纱包含的色纤维进行混合加捻而成。其颜色变化有一定的随机性，织物不易织造成较规律的花型图案。如图15可知，混色纱所形成的织物图案风格，是由不同色彩碎点组合而成，颜色的比例由纱线颜色组分多少所控制。

图15 不同颜色比例混色纱织物模拟图

4.3.2 段彩纱织物花型模拟

段彩纱的特点为单元周期纱线片段是由不同长度颜色片段或者不同颜色组分组合而成的。就其特点，只要找出纱线各段所占的比例长度、织物幅宽、纱线总长度以及织物线圈长度之间的关系，就可以设计出自己想要的花型，实现可控图案效果的功能。这在一定程度上大大减少了小样试制次数，提高了生产效率，降低了成本。如图16所示。

图16 不同色段长度织物模拟图

4.3.3 渐变纱织物花型模拟

渐变纱是不同颜色之间以一定梯度逐渐过渡颜色的纱线。其所形成的纱线花式变化绚丽多姿，层出不穷。渐变纱织物花型的模拟与段彩纱类似，其与纱线的长度等有很大的关系，当这些关系处于一个契合点时，就可以使纱线彩段循环和织物用纱循环重合，得到所设计的花型。如图17所示，段彩纱毛衫花型如图18所示。

图17 渐变纱织物模拟图

图18 段彩纱毛衫花型模拟图

5 结语

本文简介了JWF1551细纱机进行数码混配色及其彩色纺纱原理，以其纺制的二次混色纱线为例，通过对真实混色纱纹理信息映射的二维纬编织物模拟方法，在考虑混色纱纹理信息包括捻向、直径、颜色和光照等因素的基础上，利用Pierce经典线圈模型和处理后纱线图像，完美地将混色纱体现在针织物上，并直观地模拟了彩色纱线所形成的不同织物组织的色彩图案，以及线圈圈柱和线圈圈弧一定的覆盖效果，形成了较好的三维外观形态。