環錠數碼紡粗紗喂入位置對混色紗表面顯色的影響

郭明瑞， 楊瑞華， 周 建， 薛 元， 高衛東

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學), 江蘇 無錫 214122)

色紡紗是采用有色纖維混合紡制而成的紗線。目前，色紡紗大都采用多種有色纖維通過前紡混合紡制而成[1-2]。三通道環錠紡數碼紡紗技術[3]是一種采用有色粗紗在細紗工序混合紡制色紡紗的新技術。該技術采用并列組合式后羅拉和組合式后皮輥代替原有的后羅拉及后皮輥，實現了并列組合式后羅拉的3個通道獨立驅動，在1個細紗錠位輸入 3根不同顏色的粗紗，經過相同或不同倍率的牽伸然后橫向匯聚成紗，可生產出混紡比在一定范圍內變化的混紡紗，稱為混色紗?；焐喚哂歇毺氐耐庥^，給人一種幻彩、朦朧的藝術效果，可廣泛應用于各種針織、機織面料和服裝。

基于環錠紡成紗原理，對于Z捻或S捻紗線，纖維在加捻三角區的橫向位置對其在成紗中的內外分布有顯著影響[4-6]，這就導致混色紗表面各組分的分布面積比例與粗紗喂入比例并不等價。為準確紡制一定顏色比例的混色紗，研究粗紗喂入位置對混色紗表面各組分顯色比例的影響具有重要意義。計算機技術在大數據彩色圖像處理方面有不可比擬的優勢[7-8]，圖像處理技術已經初步應用到色紡紗領域[9]。

環錠紗纖維內外轉移的研究重點主要集中在紡制包芯紗的工藝，包括單粗紗喂入、雙粗紗喂入紡制包芯紗。研究發現前羅拉鉗口輸出須條的寬度對成紗纖維內外轉移有明顯影響。較窄的輸出須條不利于邊緣纖維包覆，扁平狀的輸出須條有利于邊緣纖維分布在紗線表面[10-12]。輸出位置對纖維在紗線內外轉移分布規律的研究較少。

本文提出了一種測量環錠數碼紡混色紗表面三組分纖維分布面積比的方法，研究了粗紗喂入比確定的條件下，粗紗喂入位置對混色紗表面各組分顯色比例的影響。為簡化問題，降低圖像多色彩處理的復雜程度，增加數據處理的準確性，采用同定量的黑、白兩色滌綸粗紗為原料，按等比例喂入1根白色粗紗、2根黑色粗紗紡制混色紗，改變白色粗紗的喂入位置，紡制白/黑/黑、黑/白/黑、黑/黑/白 3種混色紗，初步探討3根粗紗等比例喂入時粗紗喂入位置對成紗表面纖維顯色比的影響。

1 三色粗紗輸入混色紗紡紗原理

圖1示出三色混色紗，是由三通道環錠數碼紡紗技術紡制而成，在紡紗工藝對傳統環錠紡紗機的牽伸機構進行了改進設計。圖2示出三通道環錠數碼紡粗紗喂入位置示意圖。采用并列組合式后羅拉，構成3個相互獨立的后牽伸區，實現3根粗紗獨立牽伸，通過改變各后牽伸區的牽伸倍率，在一定范圍內調整各通道粗紗的喂入量，進而控制成紗中各粗紗的混紡比例。3根不同顏色的粗紗通過3眼喇叭口喂入對應通道的羅拉鉗口，再通過后牽伸區集合器改變兩側通道的粗紗行進方向，在中羅拉后鉗口將三色粗紗匯聚，經過前牽伸區同步牽伸紡制成紗。

圖1 三色混色紗Fig.1 Three-color melange yarn

圖2 三通道環錠數碼紡粗紗喂入位置示意圖Fig.2 Diagram of roving feeding location of three-channel digital ring spinning

圖3為三通道環錠數碼紡制混色紗加捻示意圖。加捻過程中由前羅拉鉗口輸出的纖維加捻成紗，將纖維以一定角度引向斜下方，這樣從前羅拉鉗口輸出的纖維在前羅拉表面有一段包圍弧，這時纖維與前羅拉表面有接觸，而與前皮輥無接觸，所以在加捻過程中，加捻三角區平面上方與下方受力不一致，導致加捻過程中三角區左、右位置纖維受力不平衡，進而影響加捻三角區形態，使其不能保持理想的等腰三角形。同時，加捻三角區不同位置纖維所走路徑也不一致，纖維會產生不同的幾何轉移。這些綜合因素導致加捻三角區不同位置的纖維分布于紗線表面的比例不一致。

圖3 混色紗加捻示意圖Fig.3 Diagram of twisting of melange yarn

2 圖像采集與處理

2.1 圖像采集

混色紗的直徑大都在百微米級，人眼對這個尺度范圍的紗線表面直接觀察，很難分辨出各色纖維的面積分布，必須借助顯微鏡放大幾十倍至數百倍觀察，但隨著放大倍數的增大，觀察到的視野范圍變小，同一視野內顯示的紗線面積不能有效涵蓋混色紗表面的混色周期，并且混色紗表面纖維的分布比較復雜，人工很難對其表面各色纖維分布面積進行統計。本文在具有水平方向圖像拼接功能的彩色數碼顯微鏡上加裝紗線卷繞裝置，每次卷繞固定長度，在一定放大倍率條件下，通過圖像拼接，采集一定卷繞長度的紗線圖像。同時，光照環境對標準圖像采集具有明顯影響，本系統放置于無窗封閉空間，以減弱外部光照的影響，維持采集環境光照穩定，提高圖像數據的穩定性。

圖像采集系統如圖4所示，包括電腦、顯微鏡、載物臺、張力裝置、繞紗輥、電動機、可編程邏輯控制器(PLC)。其中：載物臺為電動載物臺，能水平方向移動，實現圖像水平方向拼接；載物臺上固定有紗線張力裝置，繞紗輥由步進電動機驅動，PLC控制步進電動機運行，通過設置脈沖數量實現紗線定長卷繞，每次卷繞由人工點動。

圖4 圖像采集系統Fig.4 Image acquisition system

圖5為紗線采集區域示意圖。紗線采集區兩側的張力裝置可保證被采集的紗線張緊程度基本一致，呈平直狀態，將采集區左側邊緣設置為起始位置，在1個圖像采集拼接過程中，電動載物臺左移，直至拍攝到設定的采集區右側邊緣，然后載物臺自動返回起始位置，手動點擊紗線卷繞按鈕，卷繞裝置執行紗線卷繞動作，1次卷繞長度近似等于1次采集拼接圖像中紗線的長度。

圖5 紗線采集區域示意圖Fig.5 Diagram of yarn image capturing

各組分纖維在紗線內外的分布主要受粗紗喂入位置，即纖維在加捻三角區的橫向位置決定，與纖維顏色并無相關性，由于黑、白兩色在色彩空間中距離最遠，圖像數據區分度大，為簡化問題，增加數據處理的準確性，本文采用相同定量的黑、白兩色滌綸粗紗纖維(線密度為1.33 dtex、長度為38 mm)為原料，按比例喂入1根白色、2根黑色粗紗紡制混色紗。

以白色粗紗為示蹤對象，將黑白混色紗放置在黑色載物臺上采集紗線圖像，在一定光照條件、聚焦深度下，黑色纖維顏色與載物臺背景顏色接近，可以視為同一類顏色，而白色纖維在黑色背景下清晰呈現。圖6為黑白混色紗顯微鏡拼接圖像。

圖6 黑白混色紗顯微鏡拼接圖像Fig.6 Mosaic image of black/white mélange yarn

2.2 圖像處理

2.2.1RGB色彩數據

數碼圖像的單元是像素點，本文目的是將圖像中白色和黑色2類像素點進行分類，分割出白色、黑色像素點的數量，白色像素點的個數對應紗線表面白色纖維所占面積。數碼彩色圖像中每個像素點的色彩采用RGB色彩空間，色彩信息由紅色R、綠色G、藍色B3個通道組合而成。圖7為1張黑白混色紗顯微鏡拼接圖像各像素點在RGB顏色空間的分布圖。雖然選取了對比度較大的黑、白兩色，但是由于光的衍射現象，黑、白兩色的交界區域所表現的顏色會介于兩色之間。由圖可知，黑白混色紗圖像中所有像素點呈連續狀分布于RGB顏色空間，而RGB顏色空間是非均勻顏色空間，在非均勻顏色空間中，空間不同區域等距離的2點顏色相差并不相等，這種顏色的非線性變化不利于顏色的分類，同時，三維空間中2類數據分界面的確定問題比較復雜，因此，需要對RGB色彩進行進一步轉化處理，以保證計算結果的準確性。

2.2.2RGB向CIEL*a*b*顏色空間的轉換

本文將圖像的RGB數據轉換至CIEL*a*b*均勻顏色空間，在CIEL*a*b*顏色空間中：L*表示明度；a*、b*表示色品。圖8為圖7中紗線圖像各像素點在CIEL*a*b*顏色空間中的分布圖。為便于計算機處理數據，圖中的L*、a*、b*值經過線性變換，均為正值。

圖7 黑白混色紗圖像像素點RGB顏色空間分布圖Fig.7 Distribution diagram of image of black/white melange yarn in RGB color space

圖8 黑白混色紗圖像像素點在CIE L*a*b*顏色空間分布圖Fig.8 Distribution diagram of image of black/white melange yarn in CIE L*a*b* color space

由圖8可知，像素點在CIE L*a*b*顏色空間中的分布主要分為2類：一類像素點的L*較小，沿a*-b*平面呈扁平狀分布；另一類像素點在較小范圍的a*、b*值區域內，沿L*成柱狀分布。所以L*值，即明度，可以作為區分2類數據的參數。

2.2.3分界點確定

本文選取像素點的L*值作為分類參數。由于黑白混色紗顯微鏡采集圖像中黑色區域面積大，白色區域面積小，并且數量相差較大，采用MatLab對圖像進行處理，選取L*值繪制像素點分布頻數直方圖，圖9為L*值(0～240)的像素點分布頻數直方圖?？芍S著L*值增大，像素點的數量總體有減少趨勢。

圖9 像素點L*值分布頻數直方圖(0≤L*≤240)Fig.9 Frequency histogram of L* of pixels (0≤L*≤240)

本文選取不同的閾值，對圖像進行處理，將黑、白2類數據分割，然后將分割后的圖像進行二值化，再將二值化圖像與原圖進行人工比對，確定較優的分界點，經過多次人工比對發現當L*=60時，圖像分割比較理想，所以此次采樣選定分界點L*的值為60。圖10示出黑白混色紗原圖以及L*分界點為60的二值圖。

圖10 黑白混色紗原圖及二值圖Fig.10 Image of black/white melange yarn (a) and binaried image in demarcation L*=60 (b)

2.2.4采樣數量確定方法

隨機變量的均值大小僅依賴于隨機變量的分布，當隨機變量的概率分布確定以后，這個隨機變量的均值就是確定的常數。本文研究的黑白混色紗，在粗紗牽伸過程中，纖維的變速點是隨機的，所以沿紗線長度方向纖維的分布可以認為是一個隨機變量[13-14]。沿紗線長度方向連續采集相同大小的圖像，每張圖像統計出的白色像素點個數可以看作一個隨機變量，所以這個隨機變量的均值應為常數。對紗線進行連續的圖像采集，采用MatLab對每張圖片中白色像素點的數量進行統計，然后計算隨著采樣數量增加白色像素點的平均值，隨著采樣數量的增加白色像素點的平均值趨于某一定值，則認為采樣數量可以代表整體情況。

2.2.5顯色比計算方法

將某一喂入位置的粗紗在成紗表面分布的纖維面積占紗線表面總面積的百分比稱為顯色比Ki。由于一定長度上紗線徑向纖維分布是等概率的，所以，通過從單側拍攝紗線的外觀圖片，用MatLab軟件提取圖片中白色纖維區域的像素點個數，分別提取 3個不同喂入位置成紗圖像中白色纖維像素點數量Pi，并以單側紗線的顯色比作為成紗的顯色比。顯色比Ki的計算式如下：

(1)

式中，n為粗紗喂入位置的數量。

3 實 驗

紡紗實驗在JWF1551型三通道環錠數碼紡紗機上進行，采用定量為460 g/(10 m)的黑、白兩色滌綸粗紗，白色粗紗分別按喂入質量比為33.33∶33.33∶33.33，從左、中、右喂入位置紡制19.6 tex的Z捻與S捻黑白混色紗，滌綸纖維線密度均為 1.33 dtex，長度均為38 mm。

紗線圖像采集在密閉無窗黑屋中進行，采樣用基恩士VHX-5000型顯微鏡，配備VHX-S550E型電動載物臺，光源采用環形光源，光源亮度級別為4級(可選0～255級)，放大倍率為100，單張拼接圖像采集紗線長度為25 mm，每個品種紗線采集圖像300張，選取分割點L*值范圍為55～65。

將紡制的紗線用16 G宏成HC21 K型緯編圓機織造緯平針織物，線圈長度為0.6 mm，橫向密度為98列/(10 cm)，縱向密度為160行/(10 cm)。

采用DataColor 650型分光測色儀對各紗線對應的織物測色，選取30 mm大孔徑，100%紫外線(濾鏡關閉)，D65光源，10°視場，每個樣品測試6個位置，取平均值。

4 結果與分析

4.1 混色紗顯色比例結果

表1示出不同分割閾值(55≤L*≤65)條件下圖像法獲得的各混色紗的顯色比結果。圖11示出19.6 tex等比例Z捻與S捻黑白混色紗在L*=60時，白色粗紗在不同喂入位置的單張圖像紗線表面，白色纖維所占像素點數量的平均值隨取樣數量增加的變化趨勢。

表1 顯色比結果Tab.1 Results of color proportion

圖11 紗線白色纖維像素點數量平均值(L*=60)Fig.11 Average pixels of white fiber (L*=60)(a) Z twist yarn; (b) S twist yarn

4.2 混色紗織物顏色測量結果

本文采用Datacolor 650型分光測色儀對黑白混色紗織物進行測色，以驗證圖像法獲得混色紗的可靠性。表2示出3種黑白混色紗織物的L*測量值。

表2 黑白混色紗織物L*測量值Tab.2 Test results L* values of black/white yarn fabrics

4.3 結果分析

由表1可知，由于在55≤L*≤65的閾值范圍內，閾值變化對不同圖像中白色像素點的數量變化影響比例一致，對最終顯色比結果影響不明顯。說明采用圖像法獲取的顯色比結果在一定范圍內受分割閾值的影響不明顯，結果穩定性好。

為了了解參保人員的基本情況，筆者隨機走訪了幾個村進行實地調研，發放調查問卷120份，調查對象為男性70人，女性50人，年齡段主要集中在31-59歲，占調查總人數的91.7%；60歲以上的10人。受教育情況為，小學及以下、初中和高中的人數分別為61人、47人和12人。經濟來源情況：純務農的63人，這部分人員月均收入均在1000元以下；手工藝者27人，月均收入約在2000—4000元，經商者12人，依靠子女供養的18人。

經過人工比對，本文選取L*=60為最優分割閾值，由圖11可知，在300張采樣數量的條件下，對圖像進行處理所得出的白色像素點平均值已經趨于穩定，因此，采用此數據計算出的顯色比結果可以代表總體水平。

表1結果顯示：閾值L*=60時，對于紡制Z捻紗線，粗紗從左、中、右喂入，其分布于細紗表面的顯色比分別為36.84%、30.95%、32.21%，左側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低，右側通道略高于中間通道；對于紡制S捻紗線，粗紗從左、中、右喂入，其分布于細紗表面的顯色比分別為32.09%、31.00%、36.91%，右側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低，左側通道略高于中間通道。結果表明：纖維在加捻三角區的橫向位置對其分布在紗線表面的比例有明顯影響，并與捻向有關。

白色纖維占紗線表面比例越高對應的紗線明度也越高，反之，紗線明度越低。由表2可知：Z捻混色紗織物，白色粗紗從左側喂入，對應織物的L*值最大，為28.03，從中間喂入，對應織物的L*值最小，為26.48；S捻混色紗織物，白色粗紗從右側喂入，對應織物的L*值最大，為27.40，從中間喂入，對應織物的L*值最小，為26.26。

由以上結果可知：本文利用圖像法獲取的紗線表面顯色比與分光測試儀的測試結果是一致的。對于三通道環錠紡技術紡制等比例Z捻混色紗，左側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低；紡制S捻混色紗，右側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低。

5 結 論

采用三通道環錠數碼紡技術紡制白、黑、黑3股粗紗等比例的19.6 tex Z捻滌綸混色紗，通過圖像法研究白色粗紗分別在左、中、右喂入位置時白色纖維在混色紗的表面顯色比，結果為 36.84%、30.95%、32.21%，可知：對于Z捻混色紗，左側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低; S捻滌綸混色紗表面顯色比為32.09%、31.00%、36.91%，可知右側通道顯色比最高，中間通道顯色比最低。該結論與紗線外觀所反映的顏色效果一致。

本文提出的圖像法給出了環錠數碼紡成紗過程中粗紗喂入位置對混色紗外觀顯色比例的量化影響關系，同時也為準確測量此類混色紗各組分纖維在紗線表面分布面積提供了有效手段，為實際生產中所需特定色彩的混紡比工藝設計提供了參考依據。彌補了此類混色紗評價僅依靠人主觀評價，或利用測色儀對其色彩進行宏觀評價的不足。

FZXB

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