織物組織的數(shù)字化表達(dá)及信息織物設(shè)計(jì)

駱曉蕾，敖利民，王歡歡，呂小嬌，熊夢(mèng)依，汪宴梅

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江嘉興 314000)

機(jī)織物是由經(jīng)紗和緯紗2個(gè)系統(tǒng)的紗線(xiàn)交織形成的。經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)控制有2種形式:單根經(jīng)紗控制和經(jīng)紗綜框分組控制，單經(jīng)控制即每根經(jīng)紗的升降運(yùn)動(dòng)單獨(dú)控制，一般用于織造具有復(fù)雜交織規(guī)律的大提花織物;綜框分組控制即將經(jīng)紗分為若干組，每組經(jīng)紗由一片綜框控制其升降運(yùn)動(dòng)，用于織造交織規(guī)律比較簡(jiǎn)單的原組織、變化組織和小提花等織物，綜框片數(shù)越多，可織造的織物組織越復(fù)雜［1］。

綜框控制織造織物的交織規(guī)律，即織物組織可用織物組織圖來(lái)表示，也可用織物組織的規(guī)范命名，即符號(hào)加文字描述的方式來(lái)表示［2］。

現(xiàn)代織機(jī)采用電子提綜裝置控制綜框的升降，這就需要將織物交織規(guī)律轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息控制提綜順序。從這個(gè)角度來(lái)看，織物交織規(guī)律的組織圖表示方法雖可直觀表示織物的交織紋理效果，但不便于轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，需要較為復(fù)雜圖像識(shí)別軟件來(lái)實(shí)現(xiàn);而符號(hào)加文字描述的表示方法雖表達(dá)簡(jiǎn)潔，但在轉(zhuǎn)化為控制綜框運(yùn)動(dòng)的數(shù)字信息時(shí)，必須先將其轉(zhuǎn)化為圖形信息，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息［3］。

織物組織圖是機(jī)織物交織規(guī)律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但為簡(jiǎn)化織物組織圖轉(zhuǎn)化為電子提綜數(shù)字信息的算法難度，需要簡(jiǎn)化織物交織規(guī)律的表達(dá)方式。

本文在討論織物組織數(shù)字化表達(dá)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究利用織物組織數(shù)字化表達(dá)的逆過(guò)程，將數(shù)字串和字母串轉(zhuǎn)化為織物組織的方法，賦予織物組織表達(dá)隱含數(shù)字信息的可行性。

1 織物組織數(shù)字化表達(dá)與逆轉(zhuǎn)化

1.1 織物組織的二進(jìn)制數(shù)字化表達(dá)

以綜框分組控制經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)紗形成梭口時(shí)，綜框只有2種狀態(tài):在上或在下，這一特征可用二進(jìn)制1和0這2種狀態(tài)來(lái)表示［4］:1表示綜框在上，其控制的經(jīng)紗在布面上形成經(jīng)組織點(diǎn);0表示綜框在下，其所控制的經(jīng)紗在布面上形成緯組織點(diǎn)。這樣，在織入1根緯紗時(shí)所有的綜框狀態(tài)即可構(gòu)成一個(gè)二進(jìn)制數(shù):綜框的總片數(shù)決定了該二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，有多少片綜框，該二進(jìn)制數(shù)就有多少位，每片綜框與該二進(jìn)制數(shù)位形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系;每一數(shù)位的狀態(tài)，1或0，即表達(dá)該數(shù)位對(duì)應(yīng)的綜框的升降狀態(tài)，在上或在下。假設(shè)某織物采用5片綜織造，織入某根緯紗時(shí)5片綜框的狀態(tài)為自機(jī)前向機(jī)后第1片綜在上，第2、3片綜在下，第4片綜在上，第5片綜在下，則可用二進(jìn)制數(shù)10010表示，該二進(jìn)制數(shù)最左一位表示第1片綜，相應(yīng)地最右一位表示第5片綜。

按照這一表示方法，一個(gè)完整的織物組織圖即可用一組二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示:將織物組織圖的每一橫行(即織入1根緯紗時(shí)所有綜框狀態(tài))對(duì)應(yīng)為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，該二進(jìn)制數(shù)所具有的位數(shù)等于經(jīng)紗循環(huán)數(shù)，每一數(shù)位的值取決于其所對(duì)應(yīng)的組織點(diǎn)為經(jīng)組織點(diǎn)還是緯組織點(diǎn)，經(jīng)組織點(diǎn)記為1，緯組織點(diǎn)記為0。這樣可將織物組織圖自上而下轉(zhuǎn)化為一組二進(jìn)以圖1所示的經(jīng)山形斜紋組織圖為例，它有10行、18列，即由10×18個(gè)組織點(diǎn)組成，織造該組織織物需將經(jīng)紗分為18組穿在18片綜上，織入10根緯紗完成一個(gè)組織循環(huán)。將該組織圖轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)組進(jìn)行表達(dá)，需要10個(gè)二進(jìn)制數(shù)，組織圖自上而下第1橫行，即織入第10根緯紗時(shí)綜框狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為000101011111010100，同理織入第9根緯紗時(shí)綜框狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為001010111011101010，以此類(lèi)推，織入第1根緯紗時(shí)綜框狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為100010101110101000。這樣，該組織即可表達(dá)為由 10個(gè)二進(jìn)制數(shù)組成的數(shù)組(000101011111010100，001010111011101010，…，100010101110101000)。二進(jìn)制數(shù)與綜框狀態(tài)的對(duì)應(yīng)是唯一的，由二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)和個(gè)數(shù)可直觀反映組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)和緯紗數(shù)。該數(shù)組也可用矩陣方式進(jìn)行表達(dá)［6－7］。制數(shù)，二進(jìn)制數(shù)的數(shù)量與緯紗循環(huán)數(shù)相等［5］。

圖1 經(jīng)山形斜紋組織圖Fig.1 Weave pattern of warp reverse twill

1.2 織物組織的十進(jìn)制數(shù)字化表達(dá)

當(dāng)經(jīng)緯紗循環(huán)數(shù)都不大時(shí)，為簡(jiǎn)化表達(dá)方法，可進(jìn)一步將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)。由于十進(jìn)制數(shù)不能直觀反映二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)(需要轉(zhuǎn)換計(jì)算)，為直觀表達(dá)組織循環(huán)的特征，需要標(biāo)示出織造綜框片數(shù)。以圖2所示的5枚經(jīng)面緞紋組織為例，其二進(jìn)制表達(dá)方法為(11011，11110，10111，11101，01111)，進(jìn)一步用十進(jìn)制數(shù)表達(dá)方法可表示為5(27，30，23，29，15)［8］，十進(jìn)制數(shù)的個(gè)數(shù)表示緯紗循環(huán)數(shù)，而括號(hào)外的5則表示織造所用綜片數(shù)，即該織物組織采用5片綜織造。

圖2 5枚經(jīng)面緞紋組織圖Fig.2 Weave pattern of five－shaft warp stain

1.3 織物組織數(shù)字化表達(dá)的逆轉(zhuǎn)化還原

將數(shù)字表達(dá)的經(jīng)緯紗交織規(guī)律，無(wú)論是二進(jìn)制還是十進(jìn)制，還原為織物組織非常簡(jiǎn)單，經(jīng)緯紗循環(huán)數(shù)可由二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)(或十進(jìn)制表示法標(biāo)明的綜片數(shù))和數(shù)組所含二進(jìn)制數(shù)(或十進(jìn)制數(shù))的個(gè)數(shù)來(lái)確定，再將每個(gè)二進(jìn)制數(shù)(十進(jìn)制數(shù)先轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù))各數(shù)位按其數(shù)值1或0對(duì)應(yīng)為經(jīng)、緯組織點(diǎn)，自上而下依次排列即可。如按十進(jìn)制表達(dá)的織物交織規(guī)律4(7，14，13，11)，該織物組織經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為4(括號(hào)外標(biāo)明)，緯紗循環(huán)數(shù)為4(4個(gè)十進(jìn)制數(shù))，將4個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為4位二進(jìn)制數(shù)并自上而下排列，得到二進(jìn)制組織矩陣，如圖3(a)所示。將1和0分別對(duì)應(yīng)為經(jīng)緯組織點(diǎn)，即可得還原組織圖，如圖3(b)所示為3上1下右斜紋組織。

圖3 斜紋組織圖Fig.3 Weave of twill.(a)Binary weave matrix;(b)Weave pattern

由此可見(jiàn)，以二進(jìn)制數(shù)組表達(dá)織物經(jīng)緯交織規(guī)律，可涵蓋全部織物交織規(guī)律信息，簡(jiǎn)單且易于相互轉(zhuǎn)換，可簡(jiǎn)化織物經(jīng)緯交織規(guī)律信息的表達(dá)、傳送與轉(zhuǎn)換，對(duì)于電子提綜裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有一定工程意義。對(duì)于復(fù)雜組織，可參照建立相應(yīng)的表達(dá)規(guī)則進(jìn)行表達(dá)，雙層織物可用二維數(shù)組進(jìn)行表達(dá)。

2 數(shù)字信息織物設(shè)計(jì)

織物組織數(shù)字化表達(dá)的一個(gè)重要的啟發(fā)是，任何數(shù)字化信息均可轉(zhuǎn)化為織物組織，在拓展織物設(shè)計(jì)范圍的同時(shí)，賦予織物表達(dá)數(shù)字信息特征的能力。

織物組織可轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息進(jìn)行表達(dá)，而其還原過(guò)程則可將數(shù)字信息逆轉(zhuǎn)化為織物組織，這意味著單獨(dú)運(yùn)用逆轉(zhuǎn)化過(guò)程，可將任何數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為織物組織。由數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成的織物組織，具有不同于現(xiàn)有織物組織設(shè)計(jì)方法生成的任何織物組織的特征，同時(shí)，由具有特定涵義的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化而成的織物組織，可賦予織物承載隱含數(shù)字信息的功能。

數(shù)字信息包括直接由數(shù)字串表示的信息和可轉(zhuǎn)化為數(shù)字串表示的信息2種。直接由數(shù)字串表示的信息如各種身份證號(hào)、日期、條形碼等數(shù)字信息碼;可轉(zhuǎn)換為數(shù)字串的信息包括非數(shù)字的其他字符，如英文詞匯、漢語(yǔ)拼音等，這些字符可按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。本文只討論將直接數(shù)字信息和英文字母信息轉(zhuǎn)化為織物組織的方法。

2.1 數(shù)字串信息轉(zhuǎn)化為織物組織

數(shù)字串信息由數(shù)字0～9組成，要把數(shù)字串信息轉(zhuǎn)化為織物組織，可將數(shù)字串的每一位轉(zhuǎn)化而成的二進(jìn)制數(shù)，視為引入1根緯紗時(shí)的提綜狀態(tài)。數(shù)字串的長(zhǎng)度(位數(shù))即為織物組織的緯紗循環(huán)數(shù);由于單個(gè)數(shù)位最大的十進(jìn)制數(shù)為9，而其對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)為1001，位數(shù)為4，因此數(shù)字串轉(zhuǎn)化為織物組織的最大經(jīng)循環(huán)數(shù)(所用綜片數(shù))為4，故可用4片綜織數(shù)字串轉(zhuǎn)化成的織物組織。

如某產(chǎn)品的條形碼為9787506414937，欲將其轉(zhuǎn)化為織物組織，首先可確定其經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為4，緯紗循環(huán)數(shù)為13(該數(shù)字串有13位);然后將每位數(shù)字轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，并自上而下排列，如圖4(a)所示。再將數(shù)字1對(duì)應(yīng)為經(jīng)組織點(diǎn)，數(shù)字0對(duì)應(yīng)為緯組織點(diǎn)，即可得織物組織如圖4(b)所示。

圖4 條形碼對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制組織矩陣及織物組織圖Fig.4 Corresponding binary weave matrix(a)and weave pattern(b)of barcode

2.2 英文字母信息轉(zhuǎn)化為織物組織

構(gòu)成字母信息的英文字母共有26個(gè)，可先將A～Z共26字母按照一定的對(duì)應(yīng)規(guī)則對(duì)應(yīng)為26個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，由此可將字母串轉(zhuǎn)化為數(shù)字串，再將相應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，最終轉(zhuǎn)化為織物組織。

本文以A～Z 26個(gè)英文字母對(duì)應(yīng)為1～26十進(jìn)制數(shù)字為例，由于最大十進(jìn)制數(shù)26對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11010，為5位二進(jìn)制數(shù)，因此，用5片綜即可織造由英文字母構(gòu)成的字符串轉(zhuǎn)化成的織物組織，該組織的經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為5，緯紗循環(huán)數(shù)為字符串的長(zhǎng)度。當(dāng)將拼音信息轉(zhuǎn)化為織物組織時(shí)，由于拼音的構(gòu)成除了字符串之外還有聲調(diào)信息，在構(gòu)造織物組織時(shí)還要將聲調(diào)加入到織物組織中。如前所述，字符A～Z對(duì)應(yīng)的最大十進(jìn)制數(shù)是26，而5位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的最大二進(jìn)制數(shù)為11111，即十進(jìn)制的31，中文聲調(diào)只有“陰、陽(yáng)、上、去”4個(gè)，因此可用十進(jìn)制數(shù)27～30分別對(duì)應(yīng)聲調(diào)的第1聲到第4聲。在生成數(shù)字串時(shí)，以聲調(diào)作為字音的頭。

如拼音信息 TAXUEXUNMEI(踏雪尋梅)，由11個(gè)英文字母組成，由于由4個(gè)字構(gòu)成，每個(gè)字有1個(gè)聲調(diào)，4個(gè)字的聲調(diào)分別為四聲、三聲、二聲、二聲，以聲調(diào)信息為每個(gè)字音串的頭，可轉(zhuǎn)化成經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為5，緯紗循環(huán)數(shù)為15的織物組織，即(30，20，1，29，24，21，5，28，24，21，14，28，13，5，9)，其中 30、29、28、28就分別表示每個(gè)字的聲調(diào)。將每個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)并自上而下排列，如圖5(a)所示。再將數(shù)字1對(duì)應(yīng)為經(jīng)組織點(diǎn)，數(shù)字0對(duì)應(yīng)為緯組織點(diǎn)，即可得織物組織如圖5(b)所示。

圖5 拼音信息TAXUEXUNMEI對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制組織矩陣與織物組織圖Fig.5 Corresponding binary weave matrix(a)and weave pattern(b)of alphabetical information TAXUEXUNMEI

2.3 數(shù)字信息織物的可織性及其實(shí)現(xiàn)

任何數(shù)字串和字母串都可按上述方法轉(zhuǎn)化為織物組織，但任何織物組織都存在可織性問(wèn)題，并不是所有的織物組織都可上機(jī)織造。影響織物可織性的因素主要有2個(gè):1)是否存在有經(jīng)紗或緯紗不能織進(jìn)去的情況，即若在一個(gè)完整的織物組織中，存在行(緯向)或列(經(jīng)向)均為緯組織點(diǎn)或經(jīng)組織點(diǎn)，則其對(duì)應(yīng)的經(jīng)紗或緯紗未與緯紗或經(jīng)紗形成交織，則不可織;2)各片綜框上經(jīng)紗的交織次數(shù)是否存在較大差異，造成實(shí)際織造時(shí)各片綜經(jīng)紗張力產(chǎn)生較大差異，織造不能正常進(jìn)行。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一個(gè)組織循環(huán)內(nèi)各緯紗之間的最多經(jīng)組織點(diǎn)數(shù)與最少經(jīng)組織點(diǎn)數(shù)之比不超過(guò)2倍，才能基本做到織機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)［9－10］。

應(yīng)該說(shuō)，上述2種情況在數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成的織物組織中出現(xiàn)的概率都是比較大的。

如圖4所示的條形碼織物組織，由于數(shù)字0對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)為0000，對(duì)應(yīng)的織物組織中該緯所對(duì)應(yīng)的綜框狀態(tài)為4片綜全部在下，因此不能形成交織。對(duì)于數(shù)字串而言，只要出現(xiàn)數(shù)字0，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。

如圖5所示的拼音信息織物組織，自左至右第1片綜到第5片綜上的經(jīng)紗在一個(gè)組織循環(huán)中的經(jīng)緯交織次數(shù)(沿經(jīng)向經(jīng)緯組織點(diǎn)轉(zhuǎn)換次數(shù))分別為4、4、4、2、4，第 4 片綜上的經(jīng)紗與緯紗的交織次數(shù)明顯少于其他4片綜，且各緯之間的最多經(jīng)組織點(diǎn)數(shù)與最少經(jīng)組織點(diǎn)數(shù)之比為3。在織造時(shí)，該片綜會(huì)由于交織次數(shù)少而造成經(jīng)紗張力變小并逐漸累積［2］，導(dǎo)致織造不能正常進(jìn)行。

解決數(shù)字信息轉(zhuǎn)換而成的織物組織可織性問(wèn)題的方法，可依據(jù)不同的情況采用不同的措施。對(duì)于數(shù)字串信息，其中不可避免地會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)字0，造成緯紗不能織入，需要一個(gè)具有普遍意義的方法加以解決。實(shí)際上，由于單個(gè)數(shù)位最大的十進(jìn)制數(shù)為9，其對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)為1001，而4位二進(jìn)制數(shù)最大可表示的數(shù)為1111，還有5個(gè)數(shù)(1010～1110)沒(méi)有用到，這里不妨約定用1010表示數(shù)字0，即當(dāng)數(shù)字串信息中出現(xiàn)0時(shí)，用1010代替，而不用0000。這樣即可解決緯紗不能織入的問(wèn)題。如圖4所示條形碼織物組織，將數(shù)字0對(duì)應(yīng)的0000用1010替換，即可簡(jiǎn)單解決對(duì)應(yīng)數(shù)字為0的緯紗不能形成交織的問(wèn)題，如圖6所示。

出現(xiàn)經(jīng)紗織不進(jìn)的概率很低，如果出現(xiàn)這種情況只能用其他組織與信息組織聯(lián)合，沿經(jīng)向?qū)⑿畔⒔M織分割開(kāi)來(lái)，以解決不可織問(wèn)題。

圖6 改進(jìn)后條形碼信息組織Fig.6 Modified weave pattern barcode information weave

解決各片綜由于交織次數(shù)差異而引起的張力差異導(dǎo)致的可織性問(wèn)題，可采取雙軸織造的方法，將交織次數(shù)相差較大的綜片的經(jīng)紗分別進(jìn)行張力控制。也可采用解決經(jīng)紗織不進(jìn)時(shí)的組織聯(lián)合方法，即組織上下聯(lián)合的方法。如圖5所示的拼音信息組織，在該組織上下添加各4根緯紗的平紋組織(如圖7所示)，則各片綜的交織次數(shù)差異會(huì)顯著減少，5片綜的交織次數(shù)依次為 7、8、7、6、8，因而能較好解決經(jīng)紗張力差異造成的可織性問(wèn)題。

圖7 平紋與拼音信息聯(lián)合組織Fig.7 Combined weave pattern of plain weave and alphabetical information weave

2.4 信息組織的標(biāo)示與分割

信息織物的信息必須具有可識(shí)別性。為便于信息的識(shí)別，在經(jīng)緯紗線(xiàn)的選擇上要予以注意。對(duì)于沒(méi)有聯(lián)合其他組織的信息組織織物，每織造一個(gè)完整的組織循環(huán)，都要用不同特征，最好是不同顏色的經(jīng)、緯紗，這樣就會(huì)在織物表面上形成完整、獨(dú)立而易于區(qū)分的信息塊。如果信息組織與其他組織聯(lián)合，信息有可能因?yàn)槁?lián)合組織的引入而混亂。這時(shí)，可在信息組織與聯(lián)合組織交界部分采用色紗或其他特殊紗線(xiàn)加以分割，將信息部分明確標(biāo)示出來(lái)。

圖8(a)所示為“方正為人，勤慎治學(xué)”生成的織物組織圖，8(b)所示為織出的織物實(shí)物圖，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)組為(27，6，1，14，7，30，26，8，5，14，28，23，5，9，28，18，5，14，28，17，9，14，30，19，8，5，30，14，26，8，9，28，24，21，5)，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)為(11011，00110，00001，01110，00111，11110，11010，01000，00101，01100，11100，10111，00101，01001，11100，10010，00101，01110，11100，10001，01001，01110，11110，10010，01000，0101，11110，01110，11010，01000，01001，11100，11000，10111，00101)。為便于信息的區(qū)隔識(shí)別，每個(gè)組織循環(huán)經(jīng)紗、緯紗采用了黑、白雙色紗線(xiàn)進(jìn)行織造，織物的每一條塊均為1個(gè)完整的組織循環(huán)，已是一個(gè)獨(dú)立的信息區(qū)塊。

圖8 組織圖與織成的織物Fig.8 Weave pattern and fabric sample.(a)Weave pattern;(b)Fabric sample

3 結(jié)論

1)機(jī)織物經(jīng)緯交織規(guī)律可進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，這種表達(dá)方法不僅可涵蓋織物組織信息，而且簡(jiǎn)化織物經(jīng)緯交織規(guī)律信息的表達(dá)、傳送與轉(zhuǎn)換，對(duì)于電子提綜裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定工程意義。

2)任何數(shù)字信息均可轉(zhuǎn)化為織物組織，由具有特定涵義的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化而成的織物組織，可賦予織物負(fù)載數(shù)字信息的功能。

3)由數(shù)字串或字母串轉(zhuǎn)化而成的織物組織，可能存在可織性問(wèn)題，可采用雙軸織造、組織聯(lián)合等方法改變組織的可織性。

4)含有數(shù)字信息的織物組織，需要合理利用經(jīng)緯紗色紗排列或特殊紗線(xiàn)將信息區(qū)域明確分割開(kāi)來(lái)，以便于信息的識(shí)別與解讀。

此外，數(shù)字信息織物組織具有與現(xiàn)有規(guī)律性織物組織不同的交織規(guī)律，會(huì)表現(xiàn)出不同的外觀特征及性能特征，是對(duì)現(xiàn)有織物設(shè)計(jì)的有效拓展。

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