基于圖像處理的織物彎曲性能測試方法

劉成霞，韓永華，張才前

(1.浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，浙江杭州 310018;3.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江杭州 310018;4.紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江紹興 312000)

織物的彎曲性能是體現(xiàn)織物柔軟變形能力的重 要力學(xué)指標(biāo)，它直接關(guān)系到織物的懸垂性、抗起皺性、抗拱性、成型性等外觀性能，因此織物彎曲性的研究一直受到紡織專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注［1-3］，如王府梅等［4］通過研究得到了單層毛型織物彎曲性能的預(yù)測公式，石風(fēng)俊等［5］用線性黏彈理論對織物在小彎曲變形情況下的彎曲性能作了分析，何琦輝等［6］提出了一種利用織物在自重作用下的實(shí)際彎曲形態(tài)間接測試織物彎曲性能的測試方法。倪紅等［7］提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的織物斜向彎曲性能的預(yù)測方法。Kadir Bilisik［8］研究了多層、多方向縫合后的機(jī)織物的彎曲性能?？椢飶澢阅艿难芯看蠖嗉性诶碚摲治龌驍?shù)學(xué)建模上［9-10］，關(guān)于測試及評價方法的研究較少，且目前的織物彎曲性能測試方法每次只能測1塊試樣或1個角度的彎曲性能，要測不同方向或多塊試樣時，需要進(jìn)行多次測試。針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種簡便的、基于圖像處理的織物彎曲性能測試方法：水滴法，應(yīng)用此方法可以同時測多個方向或多塊試樣的彎曲性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣的選取

選取彎曲性能差異較大的棉、滌及混紡織物共20種，分別編號1#～20#，織物規(guī)格見表1。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Fabric specification parameters

1.2 斜面法測試的織物彎曲性能

根據(jù)GB/T 18318—2001《紡織品織物彎曲長度的測定》和ZB W04003—1987《織物硬挺度試驗(yàn)方法斜面懸臂梁法》，用YG(B)022D型全自動織物硬挺儀，在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中測試20塊試樣的經(jīng)、緯向、45°角3個方向的抗彎長度C和抗彎剛度B，且每塊試樣分為正面和反面分別進(jìn)行測試。所測數(shù)值取平均值作為此織物的最終彎曲長度和彎曲剛度，測試結(jié)果見表2。

1.3 水滴法測試的織物彎曲性能

1.3.1 原理介紹

水滴法測試織物彎曲性能的原理是將長方形的織物試條彎曲并將兩端對攏固定，試樣由于受到自身重力的作用而呈現(xiàn)上端類似銳角結(jié)構(gòu)，下端類似半橢圓形的水滴狀，故將這一方法命名為水滴法。不同變形能力的織物所形成的水滴形態(tài)有所不同，因此具體的水滴形態(tài)可以體現(xiàn)織物彎曲性能的差異。

1.3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)試驗(yàn)工具：數(shù)碼相機(jī)，試驗(yàn)臺，大頭針若干，固定用的紙盒或其他。

2)試驗(yàn)條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境，光照均勻且光線充足的室內(nèi)。

3)試驗(yàn)試樣：上述20種織物，分別按照經(jīng)向、與經(jīng)紗成45°角、緯向3種絲縷方向剪成2.5cm×20cm大小，并分正面和反面，且以上每種情況剪3塊試樣，因此每種織物共有18塊試樣。

表2 織物彎曲性能測試結(jié)果Tab.2 Results of fabrics bending performance

1.3.3 試驗(yàn)流程

1)將裁剪好的織物試樣在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下放置24 h，并在距離試樣長度方向的2個邊緣1cm處與邊緣平行畫記號線。

2)將1#織物的經(jīng)向、正面試樣的2條2.5cm長的邊緣對齊并攏，并在做好的記號線位置垂直地穿入3枚大頭針使之固定。這時試樣在重力的作用下形成水滴狀，并同時準(zhǔn)備2塊完全相同的水滴狀試樣。

3)按2)中方式準(zhǔn)備好2塊1#織物的緯向、正面水滴狀試樣。

4)將準(zhǔn)備好的4塊穿入大頭針的水滴狀試樣分別置于試驗(yàn)臺4條邊緣的中間位置(試驗(yàn)臺的上下端面為正方形)，并將固定用的紙盒或其他有一定質(zhì)量的物品壓于大頭針之上，注意不要碰到試樣，以免影響水滴形態(tài)。

5)在4塊水滴狀試樣的正前方分別等距離地放置4架數(shù)碼相機(jī)，調(diào)好焦距并固定位置和焦距。

6)水滴狀試樣形態(tài)穩(wěn)定1 min后，用調(diào)好參數(shù)的數(shù)碼相機(jī)對其進(jìn)行拍照。

7)更換試樣，直至1#織物3個角度(經(jīng)向、與經(jīng)紗成45°角、緯向)、正反兩面，每種情況的3塊試樣全部測好后換2#織物，依此類推?？椢镄纬傻乃涡螒B(tài)見圖1。

圖1 水滴狀試樣Fig.1 Water-drop like fabric

1.3.4 水滴法織物彎曲性能指標(biāo)

將以上所拍照片導(dǎo)入AutoCAD圖像處理軟件，利用此軟件的查詢不規(guī)則圖形距離和面積的功能進(jìn)行彎曲特征的提取。不同彎曲性能的織物形成的水滴形態(tài)有所不同，因此引入水滴寬度、水滴長度、水滴面積和抗彎系數(shù)作為評價織物彎曲性能的指標(biāo)。

1)水滴寬度D，即水滴底部形態(tài)最豐滿處的試樣兩端之間的水平距離。

2)水滴長度L，即水滴最頂端尖點(diǎn)與底部最突出點(diǎn)之間的距離。

3)水滴面積A，即試樣彎曲所形成外邊緣封閉曲線的面積。

4)織物抗彎系數(shù)I，即水滴寬度與水滴長度之比，D越大，說明織物越不容易彎曲，引入此指標(biāo)是為了避免照相機(jī)放置的遠(yuǎn)近距離對測試結(jié)果的影響。

水滴法測得的織物彎曲性指標(biāo)平均值見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 2種測試方法的各指標(biāo)相關(guān)性

表2 中的斜面懸臂梁法與水滴法所測各項彎曲性能指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 織物各項彎曲性指標(biāo)之間的相關(guān)性Tab.3 Correlation analysis of bending performance

從表3可看出：1)水滴法中的水滴寬度、水滴長度、水滴面積以及抗彎系數(shù)，與斜面懸臂梁法中的抗彎長度及抗彎剛度兩兩之間都呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。

2)水滴法中的4項指標(biāo)與抗彎長度的相關(guān)性大于這4項指標(biāo)與抗彎剛度的相關(guān)性。

3)與斜面懸臂梁法中的抗彎長度與抗彎剛度相關(guān)性從大到小排序依次是水滴面積、抗彎系數(shù)、水滴寬度和水滴長度。

4)除水滴長度與抗彎長度和抗彎剛度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系外，水滴法的其余3個指標(biāo)與抗彎長度和抗彎剛度均呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2 水滴法中彎曲指標(biāo)與抗彎長度的關(guān)系

水滴法中的水滴面積、水滴寬度與抗彎長度之間的關(guān)系如圖2、3所示。

圖2 水滴面積與抗彎長度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between drop area and bending length

圖3 水滴寬度與抗彎長度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between drop width and bending length

圖中顯示：水滴面積和水滴寬度與抗彎長度呈顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，即抗彎長度越大的織物，也就越硬挺，是越不容易彎曲的織物，在水滴法中呈現(xiàn)的水滴寬度和面積越大。對應(yīng)的回歸方程分別是：

Y=0.000 7X1-19.029，其中 X1是水滴面積(像素)，Y是抗彎長度(mm)，判定系數(shù) R2為0.902 9;

Y=0.164 3X2-9.579 8，其中 X2是水滴寬度(像素)，Y是抗彎長度(mm)，判定系數(shù) R2為0.832 7。

這2個關(guān)系式都可以用來估算及預(yù)測織物的抗彎長度，其中利用水滴面積來預(yù)測抗彎長度的精確度更高。圖4示出斜面法測試的抗彎長度與水滴法測試的抗彎系數(shù)間的關(guān)系。

圖4 抗彎系數(shù)與抗彎長度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between bending index and bending length

由圖可知，斜面法中抗彎長度隨水滴法中的抗彎系數(shù)的增大而呈增大的趨勢。二者的具體關(guān)系式為：Y=317.25X2-106.51X+20.703，其中 X 是抗彎系數(shù)，Y是抗彎長度(mm)，判定系數(shù)R2為0.857 2。柔軟、易變形的織物，即抗彎長度小的織物，容易因重力的影響，使水滴縱向拉伸變長，水滴寬度變小，水滴長度增大，從而使二者的比值，即抗彎系數(shù)變小，呈現(xiàn)出細(xì)長的水滴狀。

3 結(jié)論

本文以 20塊試樣為研究對象，用YG(B)022D型全自動織物硬挺儀分別測試織物彎曲長度和彎曲剛度，再用自行設(shè)計的水滴法進(jìn)行測試，并用圖像處理軟件求取水滴寬度、水滴長度和水滴面積，經(jīng)過研究得出以下結(jié)論。

1)水滴法中的4項指標(biāo)與斜面懸臂梁法中的抗彎長度及抗彎剛度都具有高度線性相關(guān)關(guān)系。這說明本文作為嘗試和探索提出的利用水滴法測試織物彎曲性能是可行的。

2)與斜面懸臂梁法中的抗彎長度與抗彎剛度相關(guān)性從大到小排序依次是：水滴面積、抗彎系數(shù)、水滴寬度和水滴長度。水滴面積和水滴寬度與抗彎長度呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系，水滴長度與抗彎長度呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。

3)水滴面積與抗彎長度的回歸方程是：Y=0.000 7X-19.029，相關(guān)系數(shù)R2為0.902 9，可以利用此關(guān)系式來預(yù)測織物的抗彎長度。

本文提出了一種簡便的測試織物彎曲性的方法，應(yīng)用此方法可同時測多塊織物或同一織物多個方向的彎曲性能。接下來的研究可以在下述幾個方面展開：1)應(yīng)用更完善的圖像處理技術(shù)，建立水滴法更全面的彎曲性評價體系;2)根據(jù)圖像中水滴法的彎曲性指標(biāo)，確立織物實(shí)際的水滴形態(tài)數(shù)據(jù)，并建立其與抗彎長度及剛度更精確的定量關(guān)系;3)通過數(shù)值分析對水滴法進(jìn)行更深入的理論研究。

［1］楊萍.紗線與織物的彎曲剛度研究［D］.上海：東華大學(xué)，2002：23-47.YANF Ping.Research on bending behavior of yarn and fabric［D］.Shanghai：Donghua University，2002：23-47.

［2］KANG Taejin，JOO Kiho.Analyzing fabric bucking based on nonlinear bending properties［J］.Textile Research Journal，2004，74：172-177.

［3］石風(fēng)俊，胡金蓮，余同希.織物折皺彎曲性能的研究［J］.紡織學(xué)報，2000，21(1)：11-13.SHI Fengjun，HU Jinlian，YU Tongxi.Research on wrinkle and bending performances of fabric［J］.Journal of Textile Research，2000，21(1)：11-13.

［4］王府梅，徐廣標(biāo).精紡毛型織物彎曲性能預(yù)測途徑探討［J］.紡織學(xué)報，2004，25(2)：76-78.WANF Fumei，XU Guangbiao.Study on predicting of bending performance of worsted wool fabric［J］.Journal of Textile Research，2004，25(2)：76-78.

［5］石風(fēng)俊，胡金蓮.織物的彎曲性能［J］.紡織學(xué)報，2005，26(3)：15-18.SHI Fengjun，HU Jinlian.Bending behavior of fabric［J］.Journal of Textile Research，2005，26(3)：15-18.

［6］何琦輝，王正偉，利用織物實(shí)際彎曲形態(tài)測試其彎曲性質(zhì)的算法［J］.紡織學(xué)報，2006，27(12)：52-58.HE Qihui，WANG Zhengwei.Arithmetic of bending property of the fabric based on its actual bending shape［J］.Journal of Textile Research，2006，27(12)：52-58.

［7］倪紅，潘永惠.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的織物斜向彎曲性能的預(yù)測［J］.紡織學(xué)報，2009，30(2)：48-51.NI Hong，PAN Yonghui.Prediction of fabric diagonal bending rigidity by BP neural network［J］.Journal of Textile Research，2009，30(2)：48-51.

［8］BILISIK Kadir.Bending behavior of multilayered and multi-directional stitched aramid woven fabric structures［J］.Textile Research Journal，2011，81(6)：1748-1761.

［9］杜趙群，于偉東.紗線與織物風(fēng)格的綜合評價系統(tǒng)與表征方法研究：彎曲模型及彎曲剛度的確定［J］.東華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006(8)：58-63.DU Zhaoqun，YU Weidong.Research on evaluation and characterizing method ofyarn and fabricshandle：bending model and determination of bending rigidity［J］.Journal of Donghua University：Natural Science Edition，2006(8)：58-63.

［10］KIM Kyoung，INUI Shigeru，TAKATERA Masayuki.Verification of prediction for bending rigidity of woven fabric laminated with interlining by adhesive bonding［J］.Textile Research Journal，2011，81(6)：598-607.