聚集态网点结构提花织物的灰度仿真特性

张爱丹， 周 赳

(浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)， 浙江 杭州 310018)

自20世纪20年代缎纹影光组织被研发出来之后[1]，黑白像景与彩色像景织物都普遍采用影光组织进行色彩表现[2-3]，尤其是现代数码仿真提花织物，更是以影光组织库的设计和组合应用为其主要技术特点[4]。但影光组织结构对图像色彩的呈现，并非依据原始图像色的变化而变化，而是由其自身固定的呈色规律所决定[5]。对于明度对比较为强烈的无彩色图像，运用影光组织库设计产生的黑白提花织物，其仿真表现基本令人满意，然而对于有特定明度基调要求的黑白摄影或绘画作品，单纯采用影光组织并不能满足仿真设计的需求[6-7]。

本文通过借鉴印刷行业中的印前图像处理技术，将连续调图像离散为二色值网点图像，使原本用于承载油墨色的网点成为提花织物的组织点，以表现提花织物图像的明暗层次和色彩变化，为单层黑白提花织物对特定明度基调图像的色调仿真提供设计选择。

1 网点结构特征与图像表现

网点结构特征是指网点的形状、面积和分布等属性[8]。网点是印刷图像色彩的基本单位，组织形式主要有聚集态、分散态以及聚集和分散的混合态等[9]。聚集态网点是指图像像素点先组合成具有一定形状和面积的网点，再由网点面积大小的变化表现图像的阶调层次，而网点之间的中心距离保持不变，呈规则排列，也称为调幅网点。在白色背景上，随着黑色像素点聚合形面积增大，逐渐从浅色过渡到黑色，如图1所示。分散态网点图像，也称调频网点，其特点是通过像素点的密集程度来体现图像色阶的浓淡变化，而网点通常为一个像素点，无大小变化，并以随机形式分散排列。在白色背景上，随着黑色像素点数量的增加，逐渐从浅色过渡到黑色，如图2所示。

将上述2种网点结构形态类比于提花机织物的组织结构。从织物结构的交织平衡角度而言，聚集态网点较分散态网点更有优势。如图1所示的明暗变化，在10×10个记录栅格单位面积内，垂直和水平2个方面经纬交织变化0～1次；而图2所示的网点过渡，其2个方向经纬交织变化0～5次。在单层提花织物结构设计条件下，后者相对较难以满足织物结构交织平衡的设计要求。鉴于此，本文选择聚集态网点作为研究对象。

图1 不同黑色像素百分比的聚集态网点构成形态Fig.1 Composition form of clustered-dot halftone with different percent of black pixels

图2 不同黑色像素百分比的分散态网点构成形态Fig.2 Composition form of dispersed-dot halftone with different percent of black pixels

聚集态网点一般由4个参数进行表征，分别为网点面积率、网点形状、网线角度和加网线数[10]。其中网点面积率决定了二值图像色的深浅程度，表现为黑、白像素点的面积比。在一幅图像中，明度值低的图像部分，黑色网点面积率相对大；而明度值高的部分，则表现为白色背景面积率相对较大，如图3(b)中所示的不同明暗层次的花卉图像。

图3 连续调原图和不同输出分辨率的网点图像Fig.3 Continuous tone original image and halftone images with different output resolutions. (a) Original image; (b) 300 dpi halftone dot; (c) 600 dpi halftone dot

虽然网点形状、网线角度和加网线数的变化不影响黑、白网点的面积比率关系，但加网线数与图像的灰度等级密切相关。以印刷图像为例，其灰度等级=(输出设备的记录分辨率/加网线数)2+1[11]。在加网线数一定的情况下，输出设备的记录分辨率越高，则图像越细腻，呈现的细节越丰富，如图3所示。

然而，机织物的工艺特点决定了织物的经纬交织点无法达到墨点那样精细微小的程度，因此，用于设计提花织物的网点图像，其输出分辨率受到经纬密度的限制，可调节的只有加网线数。但在输出分辨率一定的情况下，若想获得较高的灰度等级，加网线数取值要尽可能小，但同时单位长度内网点数量减少，近距离观看时，图像细节将减少，这是一个需要平衡的问题。并且加网线数的取值，对于表现不同明度基调图像是否存在影响，也是本文将要考察的问题。

此外，对于经纬交织织物，还需要考虑交织平衡问题。在网点图像中，如黑色网点表示经组织点，那么网点的底色就表示纬组织点，反之亦然，这意味着黑色或白色区域将不发生经纬交织。对于这个问题的解决不仅影响着网点结构提花织物的色彩仿真效果，同时直接决定织物的品质。

根据提花织物的工艺特点，综合考虑上述所提出的影响因素，分析基于聚集态网点结构的提花织物对图像明度色调的仿真性能和特点。

2 织物样品的设计织造与制备

2.1 实验方案

本次实验的方案包括仿真的对象图像设计、织物样品制备、原图像与织物图像的像素灰度值的统计与比较等内容。在仿真的对象图像设计方面，将3幅由数码相机拍摄的风景照片，调节成在视觉上具有高、中、低3种明度基调特征的灰度图像，再将3幅图的明度对比度都调整成弱对比效果，如图4所示。在提花织物样品的设计与织造方面，除了采用聚集态网点结构进行提花织物设计之外，还采用影光组织进行织物样品的设计与织造，作为研究前者仿真特性的参照样品。

图4 原图Fig.4 Original images. (a) High lightness;(b) Middle lightness; (c) Low lightness

在研究方法上，除了直观地观察比较之外，将结合图像特征的客观分析，进行网点结构提花织物图像对原图像的仿真度考察。

2.2 图像处理与织物工艺规格

2.2.1 影光组织样品组

将3幅风景图像的长宽均设置为2 000像素，采用相同的影光组织库进行提花织物样品设计。

在影光组织的设计方面，以16枚5飞纬面缎纹为基础组织，组织点过渡方向为纬向，每次增加8个经组织点，最后产生有29个组织的影光组织库。

为了使图像的色阶与影光组织数量相等，需将3幅图像的灰度色阶各自归并为29级。

2.2.2 网点结构样品组

采用聚集态网点进行织物设计，不需要对原始图像的灰度级进行色阶归并以配合影光组织库的组织数量，但要先将连续调渐变色图像转化为网点渐变图像。

参照印刷行业中网点图像灰度等级的计算原理，结合提花织物的工艺规格，进行网点图像加网线数的设计。加网线数分别采用10、12、14、16、20和24线/cm 6种规格进行图像的网点化处理。上述6种加网线数所产生的网点图像灰度等级区间为22～122级。由于45°网点排列角在视觉上效果最佳[12]，网点结构织物样品的图像采用45°网点排列角，网点形状为圆形。

在织物组织配置方面分2种情况：1)间丝全点，即统一铺设1对16枚5飞的经面和纬面缎纹；2)局部间丝，即当经、纬2个方向浮长超过32个组织点时，采用32枚7飞缎纹进行局部自动点间丝。

所有织物样品均采用1组白经和1组黑纬交织而成，经、纬丝均为 23.3 dtex×2桑蚕丝，经、纬密均为1 100根/(10 cm)。

2.3 织物图像样品制备

3 结果与讨论

图5示出3幅采用影光组织的织物样品。采用网点结构的提花织物样品共21幅，其中间丝全点织物样品3幅，不同明度基调各有1幅，如图6所示；局部间丝织物样品18幅，不同明度基调各有6幅，分别对应6种加网线数规格。

图5 影光组织提花织物Fig.5 Jacquard fabrics using shaded weave database. (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

图6 网点结构提花织物(间丝全点)Fig.6 Clustered-dot structure jacquard fabrics (overall bindings). (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

3.1 间丝全点网点结构织物图像特征分析

从仿真效果来看，3幅采用影光组织的织物样品没有反映出原图像高、中、低3种明度基调的差别，尤其是高明度织物样品，整体较暗。而采用间丝全点的网点织物(加网线数为16线/cm)与原图像能基本对应。

为了能客观地证明织物图像对原图像的仿真效果，采取了图像的颜色特征统计分析方法。颜色特征属于图像的内部特征，广泛应用于图像识别。颜色特征的表示方法有颜色距、颜色直方图和颜色相关等[13]，文中采用颜色距方法中的一阶矩(均值)和二阶矩(方差)2种，其中均值用于反映每个颜色分量的平均强度，而方差用于表征图像颜色的不均匀性。以二者的统计结果为依据，对网点结构提花织物设计方法的仿真质量进行评价。

由于文中研究对象为灰度图像，颜色数据主要针对图像像素的灰度值，即0～255之间的灰度值(明度值)，0为黑色，255为白色，以及二者之间的不同灰色。其中一阶矩(均值)μi计算公式为

(1)

二阶矩(方差)σi计算公式为

(2)

式中：fij为图像中第j个像素的第i个灰度值分量；N为像素数量。

根据计算公式对原图像、间丝全点的网点结构提花织物图像和影光组织提花织物图像的灰度均值和方差进行数据统计，结果如表1、2所示。

注：网点织物为间丝全点，加网线数为16 线/cm。

表2 原图像与织物图像的二阶矩Tab.2 Second-order moment of original images and images of fabric samples

注：网点织物为间丝全点, 加网线数为16 线/cm。

一阶矩越小则表示图像越暗，反之则图像越亮。二阶矩越小则表明图像明度反差越小，反之则图像明度对比强烈，黑白越分明。根据表1、2的统计结果，网点织物图像除了低明度织物样品的方差值之外，其余数据较影光提花织物样品更接近于原图像。总体而言，间丝全点的网点结构提花织物设计方法在对图像的明度基调的仿真效果上，较优于采用影光组织设计方法，尤其是对于高明度图像的仿真表现最为理想。

3.2 局部间丝网点结构织物图像特征分析

在30 cm视距目测比较3种不同明度基调6种加网线数的织物样品，它们的共同变化特征是：随着加网线数的增加，3组不同明度基调的织物样品，其经纬交织纹理逐渐细密，图像廓轮变得清晰，如图7所示，但同时织物手感变硬。

1.2.3 调查方法 采用问卷调查，调查内容包括婴幼儿出生基本情况调查、儿童婴幼儿家长的喂养和营养知识调查等。

同样采用式(1)、(2)对3种不同明度基调图像的6种不同加网线数织物样品进行一阶矩和二阶矩计算，结果如表3、4所示。

3.2.1 一阶矩(均值)比较分析

根据局部间丝织物图像一阶矩统计结果，发现加网线数对中、低明度织物图像的灰度均值的影响显示出一定的规律性，即加网线数增加，中明度织物图像灰度均值略有提高，而低明度织物图像则略微降低。加网线数增加对高明度织物图像的影响未有明显规律性，如表3所示。

计算得高、中、低3种明度基调6种加网线数织物样品图像的一阶矩平均值分别为119.65、47.81和24.66，将其与间丝全点织物进行比较发现，局部间丝的3种不同明度基调织物图像平均明度值明显降低。

将采用相同加网线数的间丝全点和局部间丝的1组织物图像的一阶矩值进行比较，其结果为高、中、低3种明度织物图像分别相差33.01、54.48和60.67，表明随着黑色网点面积的增加，间丝点对黑纬显色效果造成的影响随之更加显著。

图7 不同加网线数网点结构提花织物(局部)Fig.7 Clustered-dot structure jacquard fabrics with different screen frequency (part). (a) 10 line screen/cm; (b) 12 line screen/cm; (c) 14 line screen/cm; (d) 16 line screen/cm; (e) 20 line screen/cm; (f) 24 line screen/cm

由此可见，相对于原图像，低明度图像适合采用局部间丝，而高明度图像则相对更适合采用间丝全点，这对提高织物图像整体明度有一定的作用，但同时会降低织物图像的明度对比度。

表3 不同加网线数网点结构织物图像的一阶矩Tab.3 First-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

表4 不同加网线数网点结构织物图像的二阶矩Tab.4 Second-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

3.2.2 二阶矩(方差)比较分析

通过比较局部间丝织物图像与原图像的二阶矩统计数据发现，高、中、低3种明度图像分别采用24、14、10线/cm加网线数时，织物图像明暗对比效果与原图像最为接近，同时较间丝全点网点织物和影光组织织物效果理想，如表2、4所示。

由于在织物组织点总体数量为一个固定数值时，随着加网线数的增加，网点图像的灰度等级减小，而经纬交织状态的变化次数增加。对于高明度图像而言，因其黑色网点面积率较小，经纬交织状态变化的影响相对也小，因此可以选择较高的加网线数；而低明度弱对比图像，由于全黑部分受加网线数的影响并不明显，唯一可以解释的是图像中的中间明度网点区域受到经纬交织状态频繁交替的影响，而降低了该部分的总体灰度值，从而在整体上缩小了织物图像的明度对比度。这也为中明度基调图像选择14线/cm 加网线数最合适做出了解释。根据上述分析可见，在局部间丝情况下，加网线数对中间明度网点色的影响最为显著，所以在设计加网线数时，应考虑图像明度基调的具体情况。

4 结束语

聚集态网点结构提花织物设计方法，由于采取使连续调图像离散为黑白二色值图像，在原理上类似于将原始图像直接转化为织物组织图，因此在最大程度上降低了织物组织本身对图像色所造成的偏离。在网点图像的加网线数方面，高明度图像适合采用较高加网线数，在不明显影响呈色效果的情况下，使织物交织纹理细腻；低明度图像适合采用加网线数相对较低的设计，以确保明度对比仿真效果；中明度图像则可采用间于二者之间的加网线数，可兼顾织物仿色和织纹细致的要求。将原图转化为网点图(织物组织图)时，由于存在图像暗部只有网点色，而亮部只有底色等情况，需要间丝处理。而相对于全局间丝，局部间丝可以降低对网点呈现效果的干扰，仿色效果更好。

总之，从对图像色明度信息的真实传递方面，相较于影光组织设计方法所产生的织物图像，聚集态网点结构提花织物图像在整体上更接近于原图像，可以更好地满足有特定明度基调需求的图像仿真设计。