织物三维悬垂形态测试指标与三维重建.pdf

第2 9 卷第9 期 2 0 0 8 年9 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 9 S e p 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 - 9 7 2 11 2 0 0 Z ) 0 9 - 0 0 5 t - 0 5 织物三维悬垂形态测试指标与三维重建 陈明，周华，杨兰君，李斌 ( 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室。浙江杭州 3 1 0 0 1 8 ) 摘要针对织物悬垂指标实际应用滞后于理论研究和指标的繁杂冗余问题，介绍了自行研制的织物悬垂三维形 态测试仪及其测试指标。在分析和优化前人研究成果基础上，提出可以较好反映织物悬垂性能的2 个综合指 标匀称度和美感指数，分别表征织物悬垂性能和悬垂形态。通过与现有的各主要测量指标进行对比分析，认 为美感指数与主观经验评判标准更具一致性。利用悬垂系数、波纹数、匀称度、三维系数指标。尝试重现三维悬垂 形态，获得了更直观的视觉效果。 关键词织物；悬垂系数；匀称度；美感指数；悬垂形态；三维系数 中国分类号：“ I S1 0 1 9 2 3 1文献标识码：A C o e f f i c i e n to f3 - Dd r a p i n gt e s to ff a b r i c sa n d3 一Dr e c o n s t r u c t i o n C H E NM i n g ，Z H O UH u a ，Y A N GI J a n j u n ，L IB i n ( 研L a b o r a t o r yo f A d v a n c e dT e x t i l eM a t e r i a l sa n d 讹啦咖T e c h n o l o g y ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， 历够昭S 西一T e c h 踟i 嗍如。H a n g z h o u 。Z h e j i z n g3 1 0 0 1 8 ，C h n a ) A b s t r a c t T a r g e t i n gt h ei s s u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ff a b r i cd r a p ec o e f f i c i e n tl a g g i n gb e h i n dt h e o r e t i c a l r e s e a r c h e sa n dc o m p l i c a t e da n d r e d u n d a n te x p r e s s i o no fd r a p ec o e f f i c i e n t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas e l f - m a d e 3 - Df a b r i c d r a p e m e t e ra n di t sd r a p ec o e f f i c i e n t B a s e d o na n a l y z i n ga n do p t i m i z i n gt h ep r e v i o u sr e s e a r c h f i n d i n g s ，t w oi n d e x e s ，i e ，e v e n n e s sa n da e s t h e t i cf e e l i n ge x p o n e n t ，a r ep r o p o s e dt ob e t t e re x p r e s st h ef a b r i c d r a p i n g ，t h ef o r m e rf o rd r a p ep r o p e r t ya n dt h el a t t e rf o rd r a p es h a p e T h r o u g hc o m p a r a t i v es t u d i e si ti st h o u g h t t h a tt h ea e s t h e t i cf e e l i n ge x p o n e n ti sm o r ea g r e e a b l ew i t ht h es u b j e c t i v eo re x p e r i e n t i a la s s e s s m e n tc r i t e r i a U t i l i z i n gt h ed r a p ec o e f f i c i e n t ，w a v ef a c t o r ，e v e n n e s s ，a n d3 一Dc o e f f i c i e n t ，r e p r o d u c i n go f3 一Dd r a p es h a p ei s t r i e da n dam o r ei n t u i t i o n a lv i s u a le f f e c tt oe x p r e s st h ed r a p ec o e f f i c i e n to ff a b r i ci sa c h i e v e d K e yw o r d sf a b r i c ；d r a p ec o e f f i c i e n t ；e v e n n e s s ；a e s t h e t i cf e e l i n ge x p o n e n t ；d r a p i n gs h a p e ；3 - Dc o e f f i c i e n t 织物悬垂性能主要从悬垂程度和悬垂形态2 个 方面来表达，反映了织物视觉风格和美学舒适性，关 系到织物实际使用时能否形成优美的曲面造型和良 好的贴身性。随着人们对服装美感标准日益增长的 要求，以及新型纤维面料的不断问世，对于织物悬垂 性的研究越来越重要。虽然目前国内外对织物的悬 垂性测量方法和指标都进行了大量的研究，表达织 物悬垂性能也已经有很多指标和不同的评价方法， 但有些标准繁杂冗余，且对织物的三维悬垂形态研 究还处在理论探索阶段，真正应用到测试织物悬垂 性仪器上的指标仅有悬垂系数、美感系数、波纹数、 硬挺度等少量几个指标，仍然没有一个比较完善的 评价体系。随着计算机图像技术的不断进步，新的 仪器可以获得更多的织物悬垂信息，有必要进一步 将前人的理论成果提炼应用到生产检验的实践中。 本文以自制织物悬垂三维形态测试仪获取的织物悬 垂信息对织物悬垂性的评价指标进行分析和提炼， 期望选择适当的指标从织物悬垂程度和悬垂形态2 个方面全面评价织物悬垂性的优劣，并提取织物试 样的三维特征指标，以便全面反映织物悬垂的三维 特性，尝试通过必要的测量指标进行三维重建，更直 观地反映出织物的视觉和美学风格。 收稿日期：2 0 0 7 0 8 0 3修回日期：2 0 0 7 1 2 2 1 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 1 3 9 ) ；浙江省自然科学基金资助项目( 0 1 3 8 8 G ) 作者简介：陈明( 1 9 8 2 一) ，男，硕士生。研究方向为计算机在纺织中的应用。周华，通讯作者。E m a i l ：K m h m t u e d u e n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark ·5 2 · 纺织学报第2 9 卷 1 测试仪器的基本原理与特点 本文所用的测试仪是基于结构光测量原理的三 维织物悬垂测试仪，其基本原理如图1 所示。把一 个近似点光源放在一个抛物面的焦点上，光源发出 的光线经过抛物面的反射就可以形成垂直向上的平 行光。在上下反光抛物面中间加了2 道光栅，用于 过滤非平行的光线部分。然后经过4 5 。反射锥面的 反射转换成水平的平行光投影在织物试样上，在试 样的表面形成明暗相间的等高光栅条纹，通过C C D 摄像头，获取织物曲面的二维投影曲线图。最后，通 过图像处理技术，分离出各条等高光栅线条纹形成 的曲线，即织物的等高轮廓线。由于光栅都有一定 的间距，通过一定的坐标变换，可以分别将各投影曲 线返回原有的立体空间位置从而得到织物的三维悬 垂形状。 环形光源E ； M V c l o 摄像头 c = = = = = = = = = = = = ， 图1织物悬垂三维形态测试仪基本原理图 F i g 1K e y s t o n eo ft h ef a b r i cd r a p a b i l i t y3 - Dt e s t e r 二维测试的过程相对简单，M V C l 0 0 0 摄像头工 作在一般模式，开启环形光源，将采集到的织物试样 图像输入计算机，交由测试软件处理。 三维测试的基本原理是将M V C l 0 0 0 摄像头工 作于触发模式，关闭环形光源，整个测试环境处于暗 箱中。触发摄像头，与之连接的位于抛物反光面焦 点处的闪光灯同时触发，产生的光经过抛物反光面 与反光锥2 次反射以及2 道疏光栅的过滤，最终形 成相互平行的环形结构光，投射在织物试样的表面 形成明暗相间的等高线条纹。带有等高线条纹的织 物试样图像经U S B 接口输入计算机，由悬垂测试软 件作进一步处理。 2 主要研究和测试内容 选取5 0 种不同厚度和不同材料的面料作为试 样，利用开发的织物悬垂三维形态测试仪，在尽量消 除初始条件误差的情况下对这些试样进行测 试¨。2 】，从而得到每种试样的全部指标。 2 1常用实验数据和相关性 实验数据见表1 。 裹1 实验数据 T a b 1 E x p e r i m e n t a ld a t a 试样昝号鬟嚣鬻飘麓 l5 6 2 769 8 3 83 3 6 26 3 9 6 4 2 1 5 2酯41 0 3 6 3 3 7 2 17 2 7 17 1 3 9 33 8 2 66 8 7 9 42 5 7 04 6 5 67 4 1 7 4 4 9 5 4 49 4 6 l3 0 5 45 7 鹋6 2 5 7 56 7 8 l61 0 4 5 13 8 1 37 4 1 93 6 5 7 67 9 4 451 1 0 3 74 0 4 98 3 9 54 8 6 5 75 2 4 769 6 2 73 2 0 46 0 4 54 4 2 6 84 0 3 168 9 1 92 6 6 9镐“6 0 9 7 96 2 5 651 0 1 7 73 6 1 36 9 6 2 6 4 3 6 l O3 7 2 35 s 7 3 02 5 0 74 5 5 05 8 6 4 “6 4 4 351 0 2 7 53 6 5 77 1 2 64 3 7 9 1 23 §1 97嘶0 32 4 2 44 3 3 95 6 8 3 1 35 7 6 459 9 1 23 3 4 96 5 加2 3 凹 1 47 8 3 341 0 9 8 24 1 6 18 3 0 44 8 7 7 1 56 9 8 851 0 5 5 83 8 9 07 5 9 77 4 2 0 1 62 8 0 168 1 4 02 0 3 23 5 6 65 1 7 4 1 74 9 8 259 4 7 73 0 6 75 7 9 5 4 3 8 7 1 85 2 4 769 6 2 73 2 1 9 6 0 4 57 I 1 2 1 9 7 1 8 l 7 1 0 6 5 63 9 8 07 7 6 l6 6 7 I 2 0 7 0 4 541 0 5 嬲3 7 4 3 7 6 的 2 3 跎 2 l3 8 嘶58 8 3 02 5 6 74 7 1 74 5 2 6 2 23 5 傩7龉2 4 1 04 3 2 76 4 5 2 2 32 24l l O 7 43 8 6 38 4 5 77 4 5 9 2 47 5 4 161 0 8 3 74 0 9 06 2 4 4 2 56 5 1 561 0 3 1 33 7 1 37 1 8 96 7 2 9 注：限于篇幅表中只列举部分数据。 表1 中悬垂系数的计算公式为 c 。= l c 。= 年瓮×1 0 0 ( 1 ) 式中：C 。为H a m b u r g e r 悬垂系数；A 。为支持圆台面 积；A 。为试样原面积；A 。为悬垂试样投影面积。 美感系数的计算公式”1 为 C h = C D ×( 6 R 。) “1 1 1 ( ，l 1 ) 2 ×l O O q b ( 2 ) 式中：C n 为美感系数；R 。为投影轮廓曲线的平均半 径；n 为波纹数；C 。为悬垂系数。 硬挺度系数的计算公式为 r ：堕i 净×l O O q b ( 3 ) n 0 式中：R 。为试样托盘的半径，一般为6c m 。 在对已有指标的分析过程中发现，悬垂系数、平 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期 陈明等：织物三维悬垂形态测试指标与三维重建 。5 3 · 均半径、硬挺度系数这3 个指标在表达悬垂性能上 都有相互重叠的一部分。针对这个问题，依据表l 所测到的实验数据，用统计软件S P s S1 0 0 对这3 个 指标做了相关性分析，结果见表2 。 表2 相关性分析 T a b 2C o r r e l a t i o na n a l y s i s 悬垂系数 平均半径硬挺度系数 注：* * 表示在显著水平为0 0 1F 所进行的双侧相关性检验。 表2 中结果表明：对悬垂系数、平均半径和硬挺 度系数做双侧相关性检验，在显著水平为0 0 1 的情 况下，均没有显著性差异。悬垂系数与平均半径和 硬挺度系数的相关系数均为0 9 9 8 ，这说明悬垂系 数、平均半径和硬挺度系数都高度相关。从表2 所 做的相关性分析可以看出，美感系数计算公式( 2 ) 存 在一定的缺陷H 。在美感系数计算公式中，悬垂系 数和平均半径高度线性相关，其表达的含义一致，就 是说美感系数公式中只有2 个参数在起作用。以悬 垂系数和波纹数2 个参数表达美感系数显然不能全 面反映织物悬垂性能和美观程度，因此推出了美感 指数经验公式来综合表达织物的悬垂性能和美观 风格。 同样，硬挺度系数与悬垂系数也具有高度线性 相关性，它们表达的含义是相同的，因此硬挺度系数 这个指标就不再有参考价值了。 2 2 织物悬垂形态指标 通过研究和实验发现，织物的悬垂形态与相邻 波峰的夹角、波峰高、波峰宽的测量值有重要关系， 可以由这几个参数来表示织物的悬垂形态。因此定 义匀称度是一种比较能直观反映织物悬垂形态的指 标，其表达由夹角不匀率系数、峰高不匀率系数、峰 宽不匀率系数3 个参数组成1 4 。 鉴于目前人们对波峰夹角、峰高和峰宽有许多 不同定义，不同的定义得出的数据肯定是不同的。 经过对不同定义方法的对比和分析讨论，为了便于 得到统一的综合性指标，给出如下定义方法。 波峰夹角：相邻2 个波峰之间的角度。波峰高 度：在做指标时发现如果峰高简单按照峰顶到支撑 台的距离表示，图2 中、2 个波峰高度基本相 同，但实际上它们到峰谷的距离是不一样的，在实际 测试中大多数峰顶到峰谷的高度是不一样的，因此 定义峰高为1 个峰顶到相邻2 个峰谷的平均高度间 图2 夹角、峰高、峰宽的表达 F i g 2E x p t 嘲s s i o no fn i p 雠g l e ，p e a kv a l u ea n dp e a kw i d t h 的距离。 同时在实际测量中存在一些峰谷大于平均半径 的情况，这样简单的以平均半径处的波峰宽度定义 峰宽就不够准确，因为其不能反映同一相对高度处 的波峰宽度，有些峰宽可能接近波峰顶，而另一些接 近波谷，比较其不匀率的误差就很大了，相应的峰宽 定义为1 2 峰高处的宽度，这样各峰宽都处于同一 相对高度，便于比较，可以真实反映每个波峰宽度的 不同。 由以上定义进而得出新的夹角不匀率、峰高不 匀率、峰宽不匀率¨13 项指标。根据人们对织物悬 垂形态的视觉审美要求可以构建较好地表达织物悬 垂形态的匀称度经验公式，其定义式为 S = ( 1 一A ) ( 1 一H ) ( 1 一肜)( 4 ) 式中：S 为匀称度；A 为夹角不匀率；H 为峰高不匀 率；形为峰宽不匀率。 通过计算得到的匀称度值，与人们对悬垂性按 照视觉审美要求的排序进行对比，发现二者之间具 有良好的一致性。夹角不匀率反映了悬垂波纹折曲 的对称程度，峰高不匀率反映了悬垂折曲的深浅，峰 宽不匀率反映了悬垂形态的纤细程度。匀称度越 小，说明织物悬垂形态越差；反之，匀称度越大，则说 明织物悬垂形态越美观。 2 3 织物二维悬垂性综合指标 对表2 中悬垂数据进行相关分析发现，目前织 物悬垂仪器上的测量指标还存在不成熟之处。现在 借助于计算机图像处理技术能够测量到可以更全面 反映织物悬垂性能的有关参数，利用这些必要的参 数可以推出一个从织物的悬垂程度和悬垂形态2 方 面更有效和全面地表达织物悬垂性的综合指标 美感指数。 根据测量数据得到的经验公式，主要综合了悬 垂系数、波纹数、匀称度3 个指标，引入美感指数这 一概念，用E 来表示，计算公式为 层= 【o 4 C 。+ o 3 ( 1 一击) ×8 ，7 + o 3 S 】×1 0 0 ( 5 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark ·5 4 · 纺织学报第2 9 卷 为了检验美感指数对织物悬垂性的实际表达效序，然后将结果与人工排序进行相关性分析。 果，在有多年经验的老师指导下，对5 0 个织物试样对表3 中4 种排序用统计软件S P S S1 0 0 做相 中的1 6 个试样实图进行由好到坏的人工排序，同时关性分析，结果见表4 。 按照悬垂系数、美感系数、美感指数分别进行优劣排表4 结果表明：对人工排序、悬垂系数排序、美 表3 排序对比分析 T a b 3 C o n U m 或a 眦I y s i so ft a x i s 羞霉鑫舌 茎垂蓁差蓁差龛言 薹霉鑫舌 蓁霉蓁薹蓁攀龛蠢 ，' ，t- 。- 。t 0 1 09ll1 4 ，。，。 - 9 - ， t t 2 224 4 _ 3 乙? 细，·： ·： 2 o t s- -，- ， O 1 64226f 3 51 2- ，·， o _ 。 t ：s sss ·s一，t st st s O 一-s，4 D ·st 4t s，s- s O ，- ，· ， ， ，譬 2 61 52 02 91 0 U ·z t s扮 - ： a 889 9 8 一o 裹4 相关性分析 T a b 4C o r r e C t i o na I l m y 凼 注：* * 表示在显著水平为0 0 1F 所进行的双侧相关性检验。 感系数排序和美感指数排序4 种排序结果做双侧相 关性检验，在显著水平为0 0 1 的情况下，均没有显 著性差异。人工排序与美感指数排序的相关系数是 0 9 9 2 ，相比悬垂系数排序和美感系数排序，它们之 间具有较密切的线性相关性。这说明所做的美感指 数指标更符合现实中人们对织物悬垂美感的评价 要求。 2 4 织物三维悬垂形态指标 虽然对织物二维悬垂性指标已经有了较深入的 研究，但是从视觉和美学风格来说，必须要考虑织物 的三维形态，而这方面的研究还处于探索阶段，由于 三维特征指标无论是对于静态悬垂还是动态悬垂都 有着非常重要的意义¨1 。本文使用的测量仪利用光 栅获得平行结构光在织物表面形成明暗相间的等高 线条纹，由等高线计算出织物体积，从而获得一个可 以反映织物三维形态的指标三维系数，其表示 公式为 C = V 。，V o ( 6 ) 式中：c 为三维系数；V 。为织物试样的悬垂体积；v 0 为以试样各峰顶到支撑台中心的平均值为底面半径 的圆台体积。 式( 6 ) 表明，三维系数越小，织物的三维悬垂形 态越纤瘦；反之，织物的三维悬垂形态则越丰满。 2 5 利用悬垂指标进行三维重建 利用得到的悬垂系数、波纹数、匀称度、三维系 数、平均峰高、平均峰宽这几个悬垂指标进行重现三 维悬垂形态的尝试，其步骤如下。 1 ) 利用悬垂系数求出投影面积； 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期 陈明等：织物三维悬垂形态测试指标与三维重建 ·5 5 · 2 ) 结合波纹数、匀称度、平均峰高、平均峰宽求 出等价的二维投影形态，并根据投影面积进行修正； 3 ) 根据二维投影形态计算出等高线条纹； 4 ) 建立试样悬垂形态的贝塞尔曲面数学模 型“引，应用贝塞尔曲面进行悬垂图像三维重建，得 到的仿真曲面效果逼真，可以多角度、全方位地表现 出实际织物试样的悬垂形态。 三维重建模拟显示过程效果如图3 所示。 ( I ) 原始圈( b ) 模拟等高线圈( c ) 模拟三维网格圈( d ) 三维蒙面图 图32 种织物试样悬垂曲面三维重建近似模拟效果 F L S 33 - Dr e c o n s t r u c t i o na p p r o x i m a t es i m u l a t i o ne f f e c to ft w ok i n d so ff a b r i cs a m p l ed r a p i n gt h ec u r v e d 池e ( a ) O r i g i I l a lm a p ；( b ) S i m u l a t i o nc o n t o u rm a p ；( c ) S i m u l a t e d3 - Dg r i dm a p ；( d ) M a s k e d3 - Dm a p 3 结束语 本文采用自制的织物悬垂三维形态测试仪，系 统地对织物悬垂性测试指标进行了分析，发现目前 关于评价织物悬垂形态的综合指标很少，评价织物 综合悬垂性能的指标仍然存在着不足。本文构建了 一个新的织物悬垂测试指标评价体系，从织物的悬 垂程度和悬垂形态2 个方面进行综合评价。同时尝 试利用悬垂指标重建三维悬垂模型，获得了等价的 织物三维悬垂视觉效果。本文提出的织物悬垂测试 指标和三维重建方法，为今后的织物悬垂性能综合 评价提供了良好的基础。黼 参考文献： I 黄新林，李汝勤织物静态悬垂系数实验时间的确 2 】 3 4 】 5 【6 】 【7 】 定 J 】纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 0 ) ：1 4 1 7 郭永平，潘箐，李汝勤图像分析织物动静态悬垂测试 仪测试结果分析 J 河北科技大学学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ： 1 7 2 0 陈黎曦，曾秀茹，赵文贤关于织物悬垂性评价方法及 其指标的研究 J 西北纺织工学院学报，1 9 9 1 ， 1 7 ( 1 ) ：2 5 2 8 余序芬。刘建。费玉忠应用微机图像处理技术测试织 物悬垂性研究：悬垂性评价指标的分析与优化 J 纺 织学报，1 9 9 9 ，2 0 ( 2 ) ：2 8 3 3 郭宇鹏，余序芬，吴兆平用计算机图像处理方法研究 织物悬垂性能 J 上海纺织科技，2 0 0 1 ，2 9 ( 2 ) ：5 1 5 2 沈毅，刘玄木，王寿兵织物悬垂三维形态的测试与重 建 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 6 ) ：1 2 1 6 乌秀春，郭东明，王晓明由灰度图像重构曲面三维形 状算法研究与实现 J 大连理工大学学报，2 0 0 2 ， 4 2 ( 6 ) ：7 0 1 7 0 5 ( 上接第4 6 页) 隐节点数的算法 J 浙江师范大学学报，2 0 0 2 ，2 5 ( 2 ) ： 2 6 8 2 7 1 7 H n g a nMT ，M e n h a jMB T r a i n i n gf e e df o r w a r dn e t w o r k s w i t ht h eM a r q u a r d ta l g o r i t h m J I E E ET r a n so nN e u r a l N e t w o r k s 。1 9 9 4 。5 ( 6 ) ：9 8 9 9 9 3 【8 】F l e t c h e rR P r a c t i c a lM e t h o d so fO p 蝴o - 【M 】N e w Y o r k ：W i l e y 1 9 9 1 ：1 9 2 4 9 B a t t i t iR F i r s t - a n ds e c o n d - o l d e rm e t h o d sf o rl e m t i n g b e t w e _ 圯r ls t e e p e s td e s c e n ta n dn e w t o u 8m 醴h o d J 】N e u r a l C o m p u t a t i o n ，1 9 9 2 ( 4 ) ：1 4 1 1 6 6 1 0 M a c k a yDJ I n f o r m a t i o n b a s e do b j e c t i v ef u n c t i o nf o ra c t i v e d a t as e l e c t i o n J N e u r a lC o m p u t a t i o n ，1 9 9 2 ，4 ( 3 ) ：4 1 5 4 4 7 1 1 M o i l e rMF A s e a l e dc o n j u g a t eg r a d i e n t 也o r i t h mf o rf a s t s u p e r v i s e dl 曲r I l i 唱 J N e u r a lN e t w o r k s ，1 9 9 3 ( 6 ) ：5 2 5 5 3 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark