張愛丹， 周 赳

(浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)， 浙江 杭州 310018)

自20世紀(jì)20年代緞紋影光組織被研發(fā)出來(lái)之后[1]，黑白像景與彩色像景織物都普遍采用影光組織進(jìn)行色彩表現(xiàn)[2-3]，尤其是現(xiàn)代數(shù)碼仿真提花織物，更是以影光組織庫(kù)的設(shè)計(jì)和組合應(yīng)用為其主要技術(shù)特點(diǎn)[4]。但影光組織結(jié)構(gòu)對(duì)圖像色彩的呈現(xiàn)，并非依據(jù)原始圖像色的變化而變化，而是由其自身固定的呈色規(guī)律所決定[5]。對(duì)于明度對(duì)比較為強(qiáng)烈的無(wú)彩色圖像，運(yùn)用影光組織庫(kù)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的黑白提花織物，其仿真表現(xiàn)基本令人滿意，然而對(duì)于有特定明度基調(diào)要求的黑白攝影或繪畫作品，單純采用影光組織并不能滿足仿真設(shè)計(jì)的需求[6-7]。

本文通過(guò)借鑒印刷行業(yè)中的印前圖像處理技術(shù)，將連續(xù)調(diào)圖像離散為二色值網(wǎng)點(diǎn)圖像，使原本用于承載油墨色的網(wǎng)點(diǎn)成為提花織物的組織點(diǎn)，以表現(xiàn)提花織物圖像的明暗層次和色彩變化，為單層黑白提花織物對(duì)特定明度基調(diào)圖像的色調(diào)仿真提供設(shè)計(jì)選擇。

1 網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征與圖像表現(xiàn)

網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征是指網(wǎng)點(diǎn)的形狀、面積和分布等屬性[8]。網(wǎng)點(diǎn)是印刷圖像色彩的基本單位，組織形式主要有聚集態(tài)、分散態(tài)以及聚集和分散的混合態(tài)等[9]。聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)是指圖像像素點(diǎn)先組合成具有一定形狀和面積的網(wǎng)點(diǎn)，再由網(wǎng)點(diǎn)面積大小的變化表現(xiàn)圖像的階調(diào)層次，而網(wǎng)點(diǎn)之間的中心距離保持不變，呈規(guī)則排列，也稱為調(diào)幅網(wǎng)點(diǎn)。在白色背景上，隨著黑色像素點(diǎn)聚合形面積增大，逐漸從淺色過(guò)渡到黑色，如圖1所示。分散態(tài)網(wǎng)點(diǎn)圖像，也稱調(diào)頻網(wǎng)點(diǎn)，其特點(diǎn)是通過(guò)像素點(diǎn)的密集程度來(lái)體現(xiàn)圖像色階的濃淡變化，而網(wǎng)點(diǎn)通常為一個(gè)像素點(diǎn)，無(wú)大小變化，并以隨機(jī)形式分散排列。在白色背景上，隨著黑色像素點(diǎn)數(shù)量的增加，逐漸從淺色過(guò)渡到黑色，如圖2所示。

將上述2種網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形態(tài)類比于提花機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)。從織物結(jié)構(gòu)的交織平衡角度而言，聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)較分散態(tài)網(wǎng)點(diǎn)更有優(yōu)勢(shì)。如圖1所示的明暗變化，在10×10個(gè)記錄柵格單位面積內(nèi)，垂直和水平2個(gè)方面經(jīng)緯交織變化0～1次；而圖2所示的網(wǎng)點(diǎn)過(guò)渡，其2個(gè)方向經(jīng)緯交織變化0～5次。在單層提花織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，后者相對(duì)較難以滿足織物結(jié)構(gòu)交織平衡的設(shè)計(jì)要求。鑒于此，本文選擇聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)作為研究對(duì)象。

圖1 不同黑色像素百分比的聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)構(gòu)成形態(tài)Fig.1 Composition form of clustered-dot halftone with different percent of black pixels

圖2 不同黑色像素百分比的分散態(tài)網(wǎng)點(diǎn)構(gòu)成形態(tài)Fig.2 Composition form of dispersed-dot halftone with different percent of black pixels

聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)一般由4個(gè)參數(shù)進(jìn)行表征，分別為網(wǎng)點(diǎn)面積率、網(wǎng)點(diǎn)形狀、網(wǎng)線角度和加網(wǎng)線數(shù)[10]。其中網(wǎng)點(diǎn)面積率決定了二值圖像色的深淺程度，表現(xiàn)為黑、白像素點(diǎn)的面積比。在一幅圖像中，明度值低的圖像部分，黑色網(wǎng)點(diǎn)面積率相對(duì)大；而明度值高的部分，則表現(xiàn)為白色背景面積率相對(duì)較大，如圖3(b)中所示的不同明暗層次的花卉圖像。

圖3 連續(xù)調(diào)原圖和不同輸出分辨率的網(wǎng)點(diǎn)圖像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

雖然網(wǎng)點(diǎn)形狀、網(wǎng)線角度和加網(wǎng)線數(shù)的變化不影響黑、白網(wǎng)點(diǎn)的面積比率關(guān)系，但加網(wǎng)線數(shù)與圖像的灰度等級(jí)密切相關(guān)。以印刷圖像為例，其灰度等級(jí)=(輸出設(shè)備的記錄分辨率/加網(wǎng)線數(shù))2+1[11]。在加網(wǎng)線數(shù)一定的情況下，輸出設(shè)備的記錄分辨率越高，則圖像越細(xì)膩，呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)越豐富，如圖3所示。

然而，機(jī)織物的工藝特點(diǎn)決定了織物的經(jīng)緯交織點(diǎn)無(wú)法達(dá)到墨點(diǎn)那樣精細(xì)微小的程度，因此，用于設(shè)計(jì)提花織物的網(wǎng)點(diǎn)圖像，其輸出分辨率受到經(jīng)緯密度的限制，可調(diào)節(jié)的只有加網(wǎng)線數(shù)。但在輸出分辨率一定的情況下，若想獲得較高的灰度等級(jí)，加網(wǎng)線數(shù)取值要盡可能小，但同時(shí)單位長(zhǎng)度內(nèi)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量減少，近距離觀看時(shí)，圖像細(xì)節(jié)將減少，這是一個(gè)需要平衡的問(wèn)題。并且加網(wǎng)線數(shù)的取值，對(duì)于表現(xiàn)不同明度基調(diào)圖像是否存在影響，也是本文將要考察的問(wèn)題。

此外，對(duì)于經(jīng)緯交織織物，還需要考慮交織平衡問(wèn)題。在網(wǎng)點(diǎn)圖像中，如黑色網(wǎng)點(diǎn)表示經(jīng)組織點(diǎn)，那么網(wǎng)點(diǎn)的底色就表示緯組織點(diǎn)，反之亦然，這意味著黑色或白色區(qū)域?qū)⒉话l(fā)生經(jīng)緯交織。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決不僅影響著網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物的色彩仿真效果，同時(shí)直接決定織物的品質(zhì)。

根據(jù)提花織物的工藝特點(diǎn)，綜合考慮上述所提出的影響因素，分析基于聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的提花織物對(duì)圖像明度色調(diào)的仿真性能和特點(diǎn)。

2 織物樣品的設(shè)計(jì)織造與制備

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)的方案包括仿真的對(duì)象圖像設(shè)計(jì)、織物樣品制備、原圖像與織物圖像的像素灰度值的統(tǒng)計(jì)與比較等內(nèi)容。在仿真的對(duì)象圖像設(shè)計(jì)方面，將3幅由數(shù)碼相機(jī)拍攝的風(fēng)景照片，調(diào)節(jié)成在視覺上具有高、中、低3種明度基調(diào)特征的灰度圖像，再將3幅圖的明度對(duì)比度都調(diào)整成弱對(duì)比效果，如圖4所示。在提花織物樣品的設(shè)計(jì)與織造方面，除了采用聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提花織物設(shè)計(jì)之外，還采用影光組織進(jìn)行織物樣品的設(shè)計(jì)與織造，作為研究前者仿真特性的參照樣品。

圖4 原圖Fig.4 Original images. (a) High lightness;(b) Middle lightness; (c) Low lightness

在研究方法上，除了直觀地觀察比較之外，將結(jié)合圖像特征的客觀分析，進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物圖像對(duì)原圖像的仿真度考察。

2.2 圖像處理與織物工藝規(guī)格

2.2.1 影光組織樣品組

將3幅風(fēng)景圖像的長(zhǎng)寬均設(shè)置為2 000像素，采用相同的影光組織庫(kù)進(jìn)行提花織物樣品設(shè)計(jì)。

在影光組織的設(shè)計(jì)方面，以16枚5飛緯面緞紋為基礎(chǔ)組織，組織點(diǎn)過(guò)渡方向?yàn)榫曄?，每次增?個(gè)經(jīng)組織點(diǎn)，最后產(chǎn)生有29個(gè)組織的影光組織庫(kù)。

為了使圖像的色階與影光組織數(shù)量相等，需將3幅圖像的灰度色階各自歸并為29級(jí)。

2.2.2 網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)樣品組

采用聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行織物設(shè)計(jì)，不需要對(duì)原始圖像的灰度級(jí)進(jìn)行色階歸并以配合影光組織庫(kù)的組織數(shù)量，但要先將連續(xù)調(diào)漸變色圖像轉(zhuǎn)化為網(wǎng)點(diǎn)漸變圖像。

參照印刷行業(yè)中網(wǎng)點(diǎn)圖像灰度等級(jí)的計(jì)算原理，結(jié)合提花織物的工藝規(guī)格，進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)圖像加網(wǎng)線數(shù)的設(shè)計(jì)。加網(wǎng)線數(shù)分別采用10、12、14、16、20和24線/cm 6種規(guī)格進(jìn)行圖像的網(wǎng)點(diǎn)化處理。上述6種加網(wǎng)線數(shù)所產(chǎn)生的網(wǎng)點(diǎn)圖像灰度等級(jí)區(qū)間為22～122級(jí)。由于45°網(wǎng)點(diǎn)排列角在視覺上效果最佳[12]，網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)織物樣品的圖像采用45°網(wǎng)點(diǎn)排列角，網(wǎng)點(diǎn)形狀為圓形。

在織物組織配置方面分2種情況：1)間絲全點(diǎn)，即統(tǒng)一鋪設(shè)1對(duì)16枚5飛的經(jīng)面和緯面緞紋；2)局部間絲，即當(dāng)經(jīng)、緯2個(gè)方向浮長(zhǎng)超過(guò)32個(gè)組織點(diǎn)時(shí)，采用32枚7飛緞紋進(jìn)行局部自動(dòng)點(diǎn)間絲。

所有織物樣品均采用1組白經(jīng)和1組黑緯交織而成，經(jīng)、緯絲均為 23.3 dtex×2桑蠶絲，經(jīng)、緯密均為1 100根/(10 cm)。

2.3 織物圖像樣品制備

3 結(jié)果與討論

圖5示出3幅采用影光組織的織物樣品。采用網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的提花織物樣品共21幅，其中間絲全點(diǎn)織物樣品3幅，不同明度基調(diào)各有1幅，如圖6所示；局部間絲織物樣品18幅，不同明度基調(diào)各有6幅，分別對(duì)應(yīng)6種加網(wǎng)線數(shù)規(guī)格。

圖5 影光組織提花織物Fig.5 Jacquard fabrics using shaded weave database. (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

圖6 網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物(間絲全點(diǎn))Fig.6 Clustered-dot structure jacquard fabrics (overall bindings). (a) High lightness; (b) Middle lightness; (c) Low lightness

3.1 間絲全點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)織物圖像特征分析

從仿真效果來(lái)看，3幅采用影光組織的織物樣品沒有反映出原圖像高、中、低3種明度基調(diào)的差別，尤其是高明度織物樣品，整體較暗。而采用間絲全點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)織物(加網(wǎng)線數(shù)為16線/cm)與原圖像能基本對(duì)應(yīng)。

為了能客觀地證明織物圖像對(duì)原圖像的仿真效果，采取了圖像的顏色特征統(tǒng)計(jì)分析方法。顏色特征屬于圖像的內(nèi)部特征，廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別。顏色特征的表示方法有顏色距、顏色直方圖和顏色相關(guān)等[13]，文中采用顏色距方法中的一階矩(均值)和二階矩(方差)2種，其中均值用于反映每個(gè)顏色分量的平均強(qiáng)度，而方差用于表征圖像顏色的不均勻性。以二者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計(jì)方法的仿真質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于文中研究對(duì)象為灰度圖像，顏色數(shù)據(jù)主要針對(duì)圖像像素的灰度值，即0～255之間的灰度值(明度值)，0為黑色，255為白色，以及二者之間的不同灰色。其中一階矩(均值)μi計(jì)算公式為

(1)

二階矩(方差)σi計(jì)算公式為

(2)

式中：fij為圖像中第j個(gè)像素的第i個(gè)灰度值分量；N為像素?cái)?shù)量。

根據(jù)計(jì)算公式對(duì)原圖像、間絲全點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物圖像和影光組織提花織物圖像的灰度均值和方差進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1、2所示。

注：網(wǎng)點(diǎn)織物為間絲全點(diǎn)，加網(wǎng)線數(shù)為16 線/cm。

表2 原圖像與織物圖像的二階矩Tab.2 Second-order moment of original images and images of fabric samples

注：網(wǎng)點(diǎn)織物為間絲全點(diǎn), 加網(wǎng)線數(shù)為16 線/cm。

一階矩越小則表示圖像越暗，反之則圖像越亮。二階矩越小則表明圖像明度反差越小，反之則圖像明度對(duì)比強(qiáng)烈，黑白越分明。根據(jù)表1、2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，網(wǎng)點(diǎn)織物圖像除了低明度織物樣品的方差值之外，其余數(shù)據(jù)較影光提花織物樣品更接近于原圖像?？傮w而言，間絲全點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計(jì)方法在對(duì)圖像的明度基調(diào)的仿真效果上，較優(yōu)于采用影光組織設(shè)計(jì)方法，尤其是對(duì)于高明度圖像的仿真表現(xiàn)最為理想。

3.2 局部間絲網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)織物圖像特征分析

在30 cm視距目測(cè)比較3種不同明度基調(diào)6種加網(wǎng)線數(shù)的織物樣品，它們的共同變化特征是：隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加，3組不同明度基調(diào)的織物樣品，其經(jīng)緯交織紋理逐漸細(xì)密，圖像廓輪變得清晰，如圖7所示，但同時(shí)織物手感變硬。

1.2.3 調(diào)查方法 采用問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括嬰幼兒出生基本情況調(diào)查、兒童嬰幼兒家長(zhǎng)的喂養(yǎng)和營(yíng)養(yǎng)知識(shí)調(diào)查等。

同樣采用式(1)、(2)對(duì)3種不同明度基調(diào)圖像的6種不同加網(wǎng)線數(shù)織物樣品進(jìn)行一階矩和二階矩計(jì)算，結(jié)果如表3、4所示。

3.2.1 一階矩(均值)比較分析

根據(jù)局部間絲織物圖像一階矩統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加網(wǎng)線數(shù)對(duì)中、低明度織物圖像的灰度均值的影響顯示出一定的規(guī)律性，即加網(wǎng)線數(shù)增加，中明度織物圖像灰度均值略有提高，而低明度織物圖像則略微降低。加網(wǎng)線數(shù)增加對(duì)高明度織物圖像的影響未有明顯規(guī)律性，如表3所示。

計(jì)算得高、中、低3種明度基調(diào)6種加網(wǎng)線數(shù)織物樣品圖像的一階矩平均值分別為119.65、47.81和24.66，將其與間絲全點(diǎn)織物進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，局部間絲的3種不同明度基調(diào)織物圖像平均明度值明顯降低。

將采用相同加網(wǎng)線數(shù)的間絲全點(diǎn)和局部間絲的1組織物圖像的一階矩值進(jìn)行比較，其結(jié)果為高、中、低3種明度織物圖像分別相差33.01、54.48和60.67，表明隨著黑色網(wǎng)點(diǎn)面積的增加，間絲點(diǎn)對(duì)黑緯顯色效果造成的影響隨之更加顯著。

圖7 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物(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

由此可見，相對(duì)于原圖像，低明度圖像適合采用局部間絲，而高明度圖像則相對(duì)更適合采用間絲全點(diǎn)，這對(duì)提高織物圖像整體明度有一定的作用，但同時(shí)會(huì)降低織物圖像的明度對(duì)比度。

表3 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)織物圖像的一階矩Tab.3 First-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

表4 不同加網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)織物圖像的二階矩Tab.4 Second-order moment of clustered-dot structure fabric samples′ images with different screen frequency

3.2.2 二階矩(方差)比較分析

通過(guò)比較局部間絲織物圖像與原圖像的二階矩統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高、中、低3種明度圖像分別采用24、14、10線/cm加網(wǎng)線數(shù)時(shí)，織物圖像明暗對(duì)比效果與原圖像最為接近，同時(shí)較間絲全點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)織物和影光組織織物效果理想，如表2、4所示。

由于在織物組織點(diǎn)總體數(shù)量為一個(gè)固定數(shù)值時(shí)，隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加，網(wǎng)點(diǎn)圖像的灰度等級(jí)減小，而經(jīng)緯交織狀態(tài)的變化次數(shù)增加。對(duì)于高明度圖像而言，因其黑色網(wǎng)點(diǎn)面積率較小，經(jīng)緯交織狀態(tài)變化的影響相對(duì)也小，因此可以選擇較高的加網(wǎng)線數(shù)；而低明度弱對(duì)比圖像，由于全黑部分受加網(wǎng)線數(shù)的影響并不明顯，唯一可以解釋的是圖像中的中間明度網(wǎng)點(diǎn)區(qū)域受到經(jīng)緯交織狀態(tài)頻繁交替的影響，而降低了該部分的總體灰度值，從而在整體上縮小了織物圖像的明度對(duì)比度。這也為中明度基調(diào)圖像選擇14線/cm 加網(wǎng)線數(shù)最合適做出了解釋。根據(jù)上述分析可見，在局部間絲情況下，加網(wǎng)線數(shù)對(duì)中間明度網(wǎng)點(diǎn)色的影響最為顯著，所以在設(shè)計(jì)加網(wǎng)線數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮圖像明度基調(diào)的具體情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物設(shè)計(jì)方法，由于采取使連續(xù)調(diào)圖像離散為黑白二色值圖像，在原理上類似于將原始圖像直接轉(zhuǎn)化為織物組織圖，因此在最大程度上降低了織物組織本身對(duì)圖像色所造成的偏離。在網(wǎng)點(diǎn)圖像的加網(wǎng)線數(shù)方面，高明度圖像適合采用較高加網(wǎng)線數(shù)，在不明顯影響呈色效果的情況下，使織物交織紋理細(xì)膩；低明度圖像適合采用加網(wǎng)線數(shù)相對(duì)較低的設(shè)計(jì)，以確保明度對(duì)比仿真效果；中明度圖像則可采用間于二者之間的加網(wǎng)線數(shù)，可兼顧織物仿色和織紋細(xì)致的要求。將原圖轉(zhuǎn)化為網(wǎng)點(diǎn)圖(織物組織圖)時(shí)，由于存在圖像暗部只有網(wǎng)點(diǎn)色，而亮部只有底色等情況，需要間絲處理。而相對(duì)于全局間絲，局部間絲可以降低對(duì)網(wǎng)點(diǎn)呈現(xiàn)效果的干擾，仿色效果更好。

總之，從對(duì)圖像色明度信息的真實(shí)傳遞方面，相較于影光組織設(shè)計(jì)方法所產(chǎn)生的織物圖像，聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提花織物圖像在整體上更接近于原圖像，可以更好地滿足有特定明度基調(diào)需求的圖像仿真設(shè)計(jì)。