熊巧玲,劉 貴,陸東東,杜趙群

(1.東華大學(xué),產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,上海 201620;2.福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點實驗室(福建省纖維檢驗中心),福建 福州350026;3.福建省運動鞋面料重點實驗室(福建華峰新材料有限公司),福建 莆田 351144)

在紡織服裝領(lǐng)域,織物綜合觸感風(fēng)格是織物固有的物理機械性能在人腦的綜合反映[1-2]?？椢锏挠|感對紡織服裝整體的舒適度有著重要影響。一般來說,當(dāng)皮膚表面與織物間發(fā)生接觸時,人們可以感知織物的觸感。但在日常生活中,當(dāng)用手觸摸感知評估材料屬性時,通常會伴隨著視覺信息的輸入,有時還會有聲音信息。在判斷物體的大小、形狀和位置時,視覺信息通常占主導(dǎo)地位,但在有些情況下觸覺信息也會很大程度上影響判斷的結(jié)果。大多數(shù)事件都可以同時傳遞多種線索,而大腦可以通過不同的感官通道接收相應(yīng)信息。有效地將不同感覺通道的線索信息合并為統(tǒng)一,連貫且強烈的感知的過程稱為多個感覺通道線索的知覺整合,也稱多感覺整合[3-4]。對于織物綜合觸感風(fēng)格客觀評價的研究,最具有代表的是川端季雄將織物的力學(xué)特征與感官評價相聯(lián)系及建立了KES-F織物風(fēng)格評價系統(tǒng)[5],并提出了綜合觸感風(fēng)格與基礎(chǔ)觸感風(fēng)格的概念。根據(jù)織物的基礎(chǔ)觸感風(fēng)格,例如光滑度、柔軟度、硬挺度等可以得到織物的綜合觸感。有許多的研究專門研究視覺和觸覺中的柔軟度和粗糙感的不同模態(tài)感知[6-9],但是對于織物綜合觸感的研究很少。國內(nèi)外已有研究表明,視覺和觸摸在許多粗糙度和柔軟度識別任務(wù)上都是有效的。但是,鮮有證據(jù)表明同時使用兩種感官可以提高辨別力。對于織物的粗糙度,多感覺模態(tài)是否能將粗糙度信息進行整合尚不明確。有學(xué)者認為視覺和觸覺可以從本質(zhì)上向感知系統(tǒng)提供相同的粗糙度信息。如果是這樣,則沒有必要進行集成,因為將注意力轉(zhuǎn)移到任何一種方式都可以使感知者提取所有相關(guān)數(shù)據(jù)[10]。目前幾乎沒有人嘗試對織物綜合觸感判別多模態(tài)感知進行建模。因此,本文重點研究以下兩個問題:(1)視、觸覺雙模態(tài)下的織物綜合觸感與單模態(tài)下織物綜合觸感的差異;(2)多模態(tài)織物綜合觸感整合模型。

1 實驗

1.1 試樣準備

挑選了15塊不同觸感風(fēng)格的機織面料,面料以滌綸和滌棉混紡為主,并且其觸感風(fēng)格具有一定的代表性和相對可比性。面料的基本參數(shù)如表1所示。將布樣熨燙平整并在標準大氣條件下平衡24h。在布樣的經(jīng)向、緯向和45°方向各裁剪三塊50cm×5cm的長條用于織物物理指標的測試。同時裁剪20cm×20cm的正方形用于主觀評價。

表1 面料基本規(guī)格參數(shù)

1.2 物理指標測試

為了定量描述織物的綜合觸感,本文章采用由東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)團隊和南通宏大實驗儀器有限公司共同研發(fā)的CHES-FY紡織材料手感風(fēng)格儀[11-12](以下簡稱CHES-FY風(fēng)格儀)測試織物的物理指標。該儀器基于三點梁彎曲原理,可通過單次測量獲得織物的壓縮、彎曲、摩擦、剪切性能。測試過程如圖1所示。在測厚階段,左壓輥在織物放置前后分別接觸基準板和織物一次,由此得到織物厚度,壓力輥繼續(xù)緩慢下降至設(shè)定的壓縮力值完成壓縮階段。彎曲階段,壓力輥上移同時運動壓板緩慢下降到設(shè)定彎曲位移。摩擦階段,左右壓力輥同時下移給予織物兩端一定壓力值,運動壓板繼續(xù)下移,使壓力輥與織物間產(chǎn)生摩擦阻力。拉伸階段,左右壓力輥壓力增大防止織物滑移,運動壓板繼續(xù)下降使織物被拉伸。從整個測試過程所得的位移-力值曲線可得到表2所示的物理指標。其中TSF表示織物抵抗壓縮變形的能力,可用于表征織物的豐滿程度。SST表示織物抵抗彎曲變形的能力,可表征織物的柔軟程度。FSM和SLT分別表示織物抵抗摩擦變形及拉伸變形的能力,可分別表征粗糙度和松緊度。

表2 CHES-FY物理指標的含義

圖1 CHES-FY測試過程示意圖

1.3 主觀評價

評價人員為35位東華大學(xué)紡織學(xué)院在讀學(xué)生,年齡在20～30歲之間。5位人員對所選15塊試樣進行觸感評分,評分范圍為0～10。另外30位進行不同模態(tài)的選擇實驗。在進行測試之前,對35名受試人員進行培訓(xùn),讓他們熟悉測試流程以及方法,告知受試人員從多維感知試樣的接觸舒適程度(忽略接觸冷暖感),綜合感受到的粗糙感、柔軟感等作出判斷。在進行評價前,受試人員事先用相同的肥皂洗凈手并擦拭干。試驗在溫度為20℃,相對濕度為65%的安靜且明亮的環(huán)境中進行。5位主觀觸感評估小組對15塊試樣進行評級,小組人員使用相同的手勢,如下頁圖2所示:(1)左手按住織物左側(cè),右手從左到右撫摸織物(2)用右手食指托起織物然后用拇指按壓;(3)用右手將織物抓起并捏壓幾次;(4)左手右手各持織物的兩邊拉扯幾次。將5人所評分數(shù)的平均值作為最終的主觀評價結(jié)果。

圖2 觸摸手勢

進行不同模態(tài)選擇實驗時,為了避免觸摸過程中織物摩擦發(fā)出聲音的影響,受試人員需帶上耳塞。評價依次由觸覺單模態(tài),視覺單模態(tài),視觸覺雙模態(tài)順序進行。觸覺單模態(tài)及視觸覺雙模態(tài)評價時,所有受試人員使用越圖2相同的手勢。試驗過程中同時向被試人員隨機呈現(xiàn)兩塊織物,其中一塊觸感適中的織物作為為參照織物,被試人員通過比較參照織物和待評試樣,判斷待評試樣的觸感是否更為舒適。若更舒適,對實驗者說1,若沒有參照試樣舒適,則說0。

進行觸覺單模態(tài)評價時,將織物放進如圖3所示的黑箱中,被試人員可將通過黑箱開口處觸摸織物。評價完成后將黑箱移除,被試人員視線垂直于織物平面,距離約為20cm,同時作者按照圖2的觸摸手勢觸摸織物,讓被試人員進行觀察,進行視覺單模態(tài)的評價。為了消除視覺記憶的影響,視觸覺雙模態(tài)評價在視覺單模態(tài)評價后一周再進行,試驗條件與視覺評價時相同。

圖3 不同模態(tài)下的評價方法

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合觸感指數(shù)與雙模態(tài)評價結(jié)果相關(guān)性

在溫度為20℃,相對濕度為65%的條件下,CHES-FY可測得所選15塊織物的壓縮性能、彎曲性能、摩擦性能及拉伸性能。TSF越高表示織物越豐滿度,SST越低表示織物越柔軟,Fsm越高表示織物越滑爽,SLT越高表示織物越緊實?？梢愿鶕?jù)公式(1)[13]算得織物的綜合觸感指數(shù)CH,CH越高表示織物的綜合觸感越好。

主觀評價結(jié)果L與CHES-FY測試結(jié)果如表3所示。

表3 主觀評價及CHES-FY測試結(jié)果

為了驗證由CHES-FY所測試結(jié)果與主觀感知的相關(guān)性,將綜合觸感指數(shù)與主觀評級值進行皮爾遜相關(guān)性分析。相關(guān)系數(shù)為0.879,顯著性P值為0,說明綜合觸感指數(shù)與主觀評級之間具有極其顯著的統(tǒng)計效果且高度正相關(guān)。

2.2 心理測量函數(shù)

心理物理學(xué)研究的是心理量與物理量之間的關(guān)系,定量描述這種關(guān)系的函數(shù)被稱為心理測量函數(shù)[14-15]。以物理刺激量為橫坐標,以能正確識別物理刺激的百分數(shù)為縱坐標的心理測量函數(shù)一般情況為下S型曲線[16-17],心理測量函數(shù)中最常研究的是斜率和閾限。閾限分為兩種,一種是絕對閾限,指剛好能引起心理知覺的刺激值,通常把有50%的次數(shù)被察覺道的刺激值定義為絕對閾限;另一種是差別閾限,指在已有知覺的基礎(chǔ)上增加或減少刺激量時能被察覺到的最小差異量,即50%的次數(shù)能辨別出差別感覺的兩個刺激強度之差,又別稱為最小可覺差(JND)。本文以綜合觸感指數(shù)差值ΔCH為自變量,識別正確率P為因變量建立心理測量函數(shù),并采用Boltzmann函數(shù)擬合,擬合關(guān)系式為公式(2)

由表3可知編號為2的試樣在所選15塊試樣中的綜合觸感是適中的,所以在進行選擇實驗時,將試樣2作為參照試樣,將待評試樣的綜合觸感指數(shù)與參照試樣的綜合觸感指數(shù)之間的差值記為ΔCH。表4是各試樣的ΔCH以及在不同模態(tài)下感知織物綜合觸感的正確識別率。PH、PV、PVH分別代表觸覺單模態(tài)、視覺單模態(tài)、視觸覺雙模態(tài)下的正確識別率。

表4 試樣的綜合觸感指數(shù)及不同模態(tài)下的識別率

由表4可以看到試樣14和7的ΔCH分別0.386和0.827,但是在視覺單模態(tài)下正確識別率卻能達到0.95和1.00。這可能是由于僅僅靠視覺單模態(tài)進行選擇實驗時,試樣的紋理圖案比較受被試者關(guān)注。14的經(jīng)緯紗線比較粗,同時經(jīng)緯密較小,視覺上給人非常粗糙的感覺,但實際感覺是松軟的。7有絲綢光澤,視覺上也非常舒適。在進行擬合時,剔除這兩個相對異常的數(shù)據(jù)點。圖4為不同模態(tài)下的心理測量函數(shù)的擬合曲線。

圖4 不同模態(tài)下的心理測量函數(shù)

(a)為觸覺單模態(tài)的心理測量函數(shù),參數(shù)a1=0.126,a2=0.965,a=0.74521,k=0.21118且擬合優(yōu)度為0.880,F檢驗表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到觸覺單模態(tài)下的差別閾限0.474。(b)為視覺單模態(tài)的心理測量函數(shù),參數(shù)a1=-4.044,a2=1.014,a=-0.383,k=0.393且擬合優(yōu)度為0.858,F檢驗表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到視覺單模態(tài)下的差別閾限0.697。(c)為視觸覺雙模態(tài)的心理測量函數(shù),參數(shù)a1=-2021.495,a2=0.993,a=-3.123,k=0.428且擬合優(yōu)度為0.825,F檢驗表明擬合方程在0.05水平顯著。根據(jù)擬合所得方程將y=0.5代入,得到視覺單模態(tài)下的差別閾限0.434。擬合結(jié)果表明,視觸覺雙模態(tài)下的差別閾值最小,同時觸覺單模態(tài)下的差別閾值小于視覺單模態(tài)下的差別閾值。視覺單模態(tài)可以在一定程度上判斷織物的綜合觸感,但是使用觸覺單模態(tài)的感知結(jié)果與實際結(jié)果更接近,視覺對綜合觸感的感知有增強效果。

2.3 視覺、觸覺貢獻度計算

當(dāng)一個人用手探索一個物體時,視覺和觸覺都為估計物體的屬性提供了信息。視覺經(jīng)常支配著綜合的視覺-觸覺感知,例如在判斷大小、形狀或位置時。但在某些情況下,感知又明顯受到觸覺的影響。為了確定在判斷織物綜合觸感時視覺或觸覺占主導(dǎo)地位的程度,在本文中采用極大似然估計模型(MLE)[18-20]計算視覺和觸覺對于織物綜合觸感感知強度的貢獻度。

感官系統(tǒng)對環(huán)境屬性的估計可以表示為其中S是被估計的物理性質(zhì),f是神經(jīng)系統(tǒng)進行估計的操作。下標指的是模態(tài)。每一種感官模態(tài)都夾雜著噪音,假設(shè)每種模態(tài)下噪音獨立且符合高斯分布,同時先驗概率是均勻的,那么MLE模型可表示為

式(4)中wi表示多模態(tài)整合時某種模態(tài)所占權(quán)重,σi2是感知方差,權(quán)重系數(shù)為歸一化后方差的倒數(shù)。采用該模型來表示視觸整合,那么視觸感知的方差可以表示為

同時權(quán)重系數(shù)、方差以及由心理測量函數(shù)所得的差別閾值T有以下關(guān)系,并且wV+wH=1

根據(jù)式(5)和(6),最終視覺模態(tài)和觸覺模態(tài)的預(yù)測權(quán)重系數(shù)為

將2.2中心理測量函數(shù)所得差別閾值TH=0.474,TV=0.697代入式(7)計算得到wH=0.68,wV=0.32。

當(dāng)我們同時用視覺和觸覺進行織物綜合觸感的感知時,輸入大腦的視覺和觸覺信息會按照類似最大似然的方法進行整合,而根據(jù)MLE所計算出的權(quán)重,可以定量地表示視覺和觸覺在感知過程中各自的貢獻度。從計算結(jié)果可以看出,觸覺在感知中占主導(dǎo)地位,這與我們的經(jīng)驗也是相符合的,但是實際上視覺也是在一定程度上增加了感知強度。

3 結(jié)語

基于CHES-FY系統(tǒng)所得的織物綜合觸感指數(shù),研究了被試人員在觸覺單模態(tài)、視覺單模態(tài)以及視觸覺雙模態(tài)下對織物綜合觸感評估的心理測量函數(shù),并計算了在視觸覺雙模態(tài)下感知織物綜合觸感時,各模態(tài)所占主導(dǎo)地位的程度。結(jié)果表明,根據(jù)CHES-FY系統(tǒng)所得綜合觸感指數(shù)與主觀評價結(jié)果具有很強的相關(guān)性,使用綜合觸感指數(shù)可以很好地表征織物綜合觸感?？椢锞C合觸感的心理測量函數(shù)服從Boltzmann模型,并且在視觸覺雙模態(tài)下的差別閾值最小,在視覺模態(tài)下的差別閾值最大。在視觸覺雙模態(tài)下的感知強度中,視覺模態(tài)和觸覺模態(tài)分別占0.68和0.32?？梢钥闯鲆曈X和觸覺在織物綜合識別任務(wù)上都是有效的,但是,觸覺模態(tài)更有主導(dǎo)性,并且同時使用兩種感官可以提高辨別力。幾乎沒有人嘗試對織物綜合觸感判別的多感官感知進行建模,然而探究人類對織物綜合觸感的多感官感知的機制可以促進虛擬織物的開發(fā),對于人機交互也有極大的意義,多模態(tài)的人機交互可以更準確、更快速地完成任務(wù)。