（纺织工程专业论文）织物悬垂三维形态测试仪的系统软件设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 织物悬垂三维形态测试仪的系统软件设计 摘要 织物悬垂性是指织物因自重而下垂的性能，反映织物的悬垂程度和悬垂形态，是织物 视觉风格和美学舒适性的一个重要方面。因此，对织物悬垂性进行研究具有十分重要的意 义，相关测试仪器的研究又是其中一个重要方面。 本文简要回顾了织物悬垂性研究的主要研究方向与研究现状，介绍了织物悬垂三维形 态测试仪的基本结构与测试原理，主要论述了织物悬垂三维形态测试仪的系统软件设计与 实现过程。在v c + 上平台下完成了软件开发，设计的软件系统主要包括图像采集与参数控 制、图像分析处理、三维图像重建与系统仿真及相关电气部件软件控制四大部分。 在图像采集与参数控制模块中，实现的主要功能有：识别出c c d 摄像头，并与之建 立连接；显示出摄像头采集到的图像；对动态图像截取、保存；c c d 三基色分量增益控制； c c d 传感器曝光时间控制；视频采集密口的尺寸和图像预览窗口尺寸设置。图像的亮度、 列比度、色调及饱和度调节。对图像进行预处理：包括图像增强、图像滤波和图像锐化等。 在图像分析处理模块中，实现的主要功能是：识别出图像中试样托盘的圆心：识别图 像中试样的边缘轮廓信息：识别出波纹数：计算悬垂系数、美感系统：一及波纹展开图；三 维光栅图像的光栅条纹识别；计算相应像素点的高度信，皂。从而得到三维坐标数据；还有 动态轮廓信息识别等。设训。出了水平竖直投影的圆心定位算法，实现织物悬垂性图像的试 样托盘中心定位。设计出了径向扫描算法，识别织物悬垂性图像的边缘轮廓，与传统的先 用梯度算子再用轮廓跟踪的算法进行了比较。设计出了轮廓点采样与傅里叶级数函数逼近 算法，识别织物悬垂性图像边缘轮廓的波纹数。 在三维图像重建与系统仿真模块中，实现的主要功能包括：三维图像重建的算法选择 与实现：三维图像系统仿真；特殊试样测试的解决方案；测试操作过程说明等。设计出了 光栅等高线条纹识别的半径线段与光栅求交算法，对光栅等高线进行定位，从而求得等高 线处试样的高度。介绍了可视化仿真技术及三维仿真的常用算法与三维仿真图形库。建立 了试样悬垂形态的贝塞尔曲面数学模型，应用贝塞尔曲面进行织物悬垂图像三维重建，得 到织物悬垂形态的仿真曲面。 在相关电气部件控制模块中，实现了以下功能：步进电机的正反转控制、调速控制、 肩停控制；外接闪光灯曝光触发信号控制；测试操作过程的流程控制；测试数据管理；打 印测试报告；透视误差修正等。对测试数据进行了简单有效地管理。允许用户在测试过程 浙江理工大学硕士学位论文 中进行交互。此外，设计了误差修正算法，对成像时的几何畸变误差和透视误差进行修正。 如果织物悬垂三维形态测试仪只有硬件设备没有配套的系统软件就无法完成测试。因 此，本课题的目的和意义及重要性是十分明显的。对本软件系统进行功能扩充，完善数据 库的管理，设计师要依据织物面料悬垂性选取布料时，在计算机屏幕前就可完成。 关键词悬垂性悬垂图像光栅条纹三维仿真 - 1 1 塑望翌三查堂堡主堂焦丝苎 一一 t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ef a b r i cd r a p a b i l i t y3 - d i m e n s i o n a lt e s t e r a b s t r a c t f a b r i cd r a p a b i l i t yi sak i n do fd r a p ep e r f o r m a n c ew i t ht h ee f f e c to fg r a v i t y , i ts h o w st h e f a b r i cd r a p ec a p a b i l i t ya n dd r a p es t a t u s ，i ti sa l s oae v a l u a t i o ni n d e xo f v i s u a ls t y l ea n da e s t h e t i c s c o z i n e s sa b i l i t y s o ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et or e s e a r c hf o rt h ed r a p a b i l i t yo ff a b r i c ，ai m p o r t a n t f i e l di st od e v e l o pe f f e c t i v et e s te q u i p m e n t t h i sp a p e rg i v e sb r i e fr e v i e wo f t h eo r i e n t a t i o na n d _ s t a t u sq u oo f f a b r i cd r a p a b i l i t yr e s e a r c h ， i n t r o d u c e st h ef a b r i cd r a p a b i l i t y3 - d i m e n s i o n a lt e s t e r se s s e n t i a ls t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo f t e s t i n g ，m a i n l yd i s c u s s e st h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e f a b r i c d r a p a b i l i t y3 - d i m e n s i o n a lt e s t e r t h i ss y s t e ms o f t w a r ew a sd e v e l o p e do nv i s u a lc + + 6 0 v e r s i o n ，i ti n c l u d e sf o u rm o d u l e sa sf o l l o w s ：i m a g ec o l l e c t i o na n dp a r a m e t e ra d j u s t i n g i m a g e a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，3 - di m a g er e c o n s t r u c t i n ga n ds y s t e me m u l a t i o n ，e l e c t r o n i cd e v i c e s c o n t r 0 1 i nt h em o d u l eo fi m a g ec o l l e c t i o na n dp a r a m e t e ra d j u s t i n g ：t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sa r e c o m p l e t e d ：d e t e c t i n gt h ec c dc a m e r aa n dc o n n e c t i n gi t , d i s p l a y i n gt h ei m a g e ，c a p t u r i n ga n d s a v i n gi m a g e ，a d j u s t i n gc c dg a i n so fr o bc h a n n e la n de x p o s u r et i m eo fs e n s o r , a d a p t i n gt h e p r e v i e ww i n d o wa n dc a p t u r ew i n d o ws i z e ，m o d i f y i n gt h eb r i g h t n e s s ，c o n t r a s t ，h u ea n ds a t u r a t i o n ， p r e p r o c e s s i n gt h ei m a g es u c ha se n h a n c e m e n t ，f i l t e r i n g ，s h a r p e n i n g i nt h em o d u l eo fi m a g ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sa r er e a l i z e d ： i d e n t i l y i n gt h ec e n t e ro ft h es a m p l et r a y , d e t e c t i n gt h ee d g ea n dc o n t o u ri nt h ei m a g e ，c o u n t i n g t h ec o n t o u rr i p p l e s ，c o m p u t i n gd r a p ec o e f f i c i e n t ，a e s t h e t i cc o e f f i c i e n t ，a n du n f o l d e de d g ec u r v e ： l o c a t i n gt h er a s t e rs t r i p sf r o m3 - dr a s t e rs t r i p ei m a g e ，c a l c u l a t i n gp i x e l sh e i g h ti nt h es t r i p e s t h e n3 - dc o o r d i n a t e so fe a c hp i x e l si nr a s t e rs 拓i p e sa r ek n o w n ，a n da l s oi d e n t i f y i n gd y n a m i c i m a g ee d g ea n e wa l g o r i t h mw h i c hi sh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lb a c k p r o j e c t i o nw a sd e s i g n e df o r l o c a t i n gt h ec e n t e ro ft h es a m p l et r a y a n o t h e ra l g o r i t h mc a l l e dr a d i a ls c a na l g o r i t h mi sa d o p t e d t oo b t a i nt h ei m a g ec o n t o u r c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lg r a d i e n to p e r a t o ra l g o r i t h m r a d i a ls c a n a l g o r i t h mi s a v a i l a b l ef o ra l lk i n d so ff a b r i cs a m p l e s w h e ni tc o m e st oc o u n t i n gt h ec o n t o u r r i p p l e s ，w es o l v e dt h ep r o b l e mb yc o n t o u rp o i n t ss a m p l i n gw i t hf o u r i e rp r o g r e s s i o nf u n c t i o n - u i * 浙江理工大学硕士学位论文 a p p r o a c ha l g o r i t h m i nt h em o d u l eo f3 - di m a g er e c o n s t r u c t i o na n ds y s t e me m u l a t i o n ，t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s a r er e a l i z e d ：t od e t e r m i n e3 - di m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n di m p l e m e n ti t ，t oa c c o m p l i s h 3 一di m a g ee m u l a t i o n ，t op r e s e n taw a yt od e a lw i t hs p e c i a ls a m p l e s ，t oe x p l a i nh o wt of u l f i l la t e s tp r o c e s s ，an e wa l g o r i t h mw a sd e s i g n e dt ol o c a t et h er a s t e rs t r i p e si nt h ei m a g e ：u s i n gl o g i c a n d p e nd r a w i n gr a d i u s ，w h i c hw i l li n t e r s e c tr a s t e rs t r i p ea tp o i n to fi n t e r s e c t i o n ，f o rt h e s e p o i n t s ，i ti sv e r ye a s yt od e t e r m i n e3 - dc o o r d i n a t e s ：xa n dya r ef r o mt h ep i x e lp o s i t i o ni nt h e i m a g e ，zi sc o m p u t e db yt h er a s t e rs t r i p eo r d e ra n dt h es p a c eo ft w or a s t e rs t r i p e s ab r i e f p r e s e n t a t i o no fv i s u a ls y s t e me m u l a t i o nt e c h n o l o g y , c o m l n o na l g o r i t h m sf o r3 - de m u l a t i o na n d 3 一de m u l a t i o ng r a p h i e sl i b r a r yw a sq u o t e d ab e z i e rc u r v e ds u r f a c em a t h m a t i c sm o d e lo f s a m p l ed r a p e s h a p ew a sb u i l t , u s i n gt h i sm o d e lr e c o n s t r u c t i n gf a b r i cd r a p a b i l i t yh o o df a c e ，a3 - d f a b r i cd r a p a b i l i t ye m u l a t i o ni m a g ec a nb ec o m p l e t e d i nt h em o d u l eo fe l e c t r o n i cd e v i c e sc o n t r o l m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf m _ l c t i o n s ： c o n t r o l l i n gs t e pm o t o rf o rr u n n i n gd i r e c t i o n s ，s p i ns p e e da n ds t a r t s t o p ，s e n d i n gs i g n a l f o r e x t e r n a le x p o s u r ef l a s hl a m p ，r e c o m m e n d i n gag r o u po ft e s ts t e p s ，m a n a g i n gt e s tr e s u l td a t a ， p r i n t i n g t e s t r e p o r t ，c o r r e c t i n go p t i c a lp e r s p e c t i v ee r r o r p r o v i d i n gs i m p l eb u te f f e c t i v e m a n a g e m e n to fd a t a ，i n t e r a c t i v et e s tp r o c e s s i na d d i t i o n ，ao p t i c a lp e r s p e c t i v ee r r o rc o r r e c t i n g a l g o r i t h mw a sd e s i g n e dt om o d i f yg e o m e t r ya b e r r a t i o na n dp e r s p e c t i v ee r r o r i f t h ef a b r i cd r a p a b i l i t y3 - d i m e n s i o n a lt e s t e rh a so n l yh a r d w a r ew i t h o u tm a t c hs o f t w a r e ，i t c o u l dn o tb eu s e dt ot e s t s o ，t h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n d i m p o r t a n c eo ft h i st h e s i sa r eo b v i o u s t oe x p a n dt h ef u n c t i o n so ft h i s s o f t w a r e ，p e r f e c t i n gd a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，w h e n d e s i g n e r sw a n tt oc h o o s ef a b r i cb yd r a p a b i l i t y , a l lt h et a s kc a r lb ed o n eb ys i t t i n gi nf r o n to fa c o m p u t e rs c r e e n k e y w o r d sd r a p a b i l i t y d r a p ei m a g e r a s t e rs t r i p e3 - de m u l a t i o n i v 浙江理工大学学位论文原创性芦明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及 成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者簦每：激 日期刊年fe 膏g 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向匡【家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 本学位论文属于 不保密d 学位论文作者签名：j 压及 日期：矽叨；年1 月易日 日期：矽叨6 年月易日 在年解密后适用本版权书。 a 指导教臌名：嘶 日期：友睁6 年，月7 目 浙江理工大学硕士学位论文 第一章。绪论 本章简单介绍了织物悬垂性研究的目的及意义、织物悬垂性的研究现状与研究方向、 本课题研究所要进行的主要工作。 1 1 课题的目的及意义 织物悬垂性是指织物因自重雨下垂的性能，反映织物的悬垂程度和悬垂形态，是织物 视觉风格和美学舒适性的一个重要方面，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。 目前国外对于各种织物的悬垂性都有严格的测试。而国内，对于织物悬垂性的测定和 评价多数只测定织物的悬垂系数，用于评定织物的悬垂程度。而对于织物悬垂形态美感的 评价，在现有的标准中尚未规定明确的测定方法和指标】。但是悬垂形态作为一种视觉风 格和美学风格来浣，必须从织物悬垂的三维形态去考虑。因此有必要提出t 一种可靠的织物 一 悬垂三维形态测试方法，设计一套测量织物悬垂三维形态的仪器，以便创造出能从悬垂程 度和悬垂形态两个方面去全面评价织物悬垂性优劣的可能性。在当今追求唯美的境界的时 代，它可以更好的反映织物的悬垂性能，更好的测定织物的悬垂形态，满足人们对视觉风 格和美学风格的要求，创造一个更加缤纷多彩的世界 2 j o 因此，本课题的目的就是探索与尝试在基于图像处理系统及c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 传感器技术的基础上，研制一种织物悬垂三维形态的铡试仪，能够对织物悬垂的三 维形态进行测试，提取织物试样三维特征指标，以便全面反映织物悬垂的三维特性，设计 出配套的系统软件，使测试仪器能正常工作。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 2 织物悬垂形态的研究现状及主要方向 纵览这几十年的研究成果。，对织物静态悬垂性的理论研究和测试方法的研究已经达到 一个很深的程度“，但是对于织物动态悬垂性能的研究却是刚刚开始。在日常的生活中， 实际带给人们的悬垂美感却是大都来自动态的情况：如舞台上婀娜多姿的裙装、微风下国 旗的飘扬等无不展示了织物在动态情况下的独特魅力。 那么利用已经具有的对织物静态悬垂的理解，能否推测出织物在动态情况下的悬垂呢? - 1 浙江理工太学硕士学位论文 答案是否定的。大量的研究表明：有相同静态悬垂特性的两种织物，完全可以具有不同的 动态悬垂特性。例如：一种面密度大且较硬挺的织物完全可能与一种轻而柔的织物有相同 的静态悬垂形态，但是在动态的情况下这两种织物却有着完全不同的悬垂行为，从而给人 们的视觉美学效果也是完全不同的，而这种动态反映出来的却是织物更本质的东西。随着 纺织工业的蓬勃发展，由超细纤维等高性能纤维材料开发的轻、薄、柔面料不断出现，这 些面料的很大优点就是它的动态悬垂美感，可是在织物动态悬垂的理论和测试方法领域的 研究基本上是一片空白。直到1 9 9 7 年，g k s t y l i o s 和r z h u 研究了织物的动态悬垂 的测试方法。在1 9 9 3 年徐军博士曾在这方面作过一些相关的探讨，研究了织物在不同旋 一 转速度下的悬垂行为，并在理论上做了初步的探讨，提出了一个特征矢量的指标来表示织 物动态悬垂的大小，但是仍存在很多的问题1 3 】。 1 2 1 织物悬垂的三维特性研究 对于织物的静态悬垂性，目前的测试方法中，用的最多的是伞式投影法。 对于当前的仪器，如国内使用最多的y g 8 1 1 型织物悬垂性测试仪，它只能给出悬垂系 数这一指标。一般情况下，悬垂系数越小，织物的悬垂效果越好。但是在某些情况下，该 结论与主观评定的结果是矛盾的。因为主观评定是同时考虑织物悬垂后的遮光面积、悬垂 后形成的波纹数和波纹的形状，而悬垂系数显然是不能完全反映织物悬垂性能的优劣；另 外该仪器的测试原理上存在着系统的缺陷：首先平行光的光强分布是不均匀的，在不同的 位置光强不一致；其次，织物的薄厚对测试结果有很大的影响，而且不同的三维悬垂形状 也常常能够具有相同的投影形状。所以，即使找到了合适的指标能够全面反映织物的投影 形状，也是不能客观反映织物悬垂的三维特性。目前研究的焦点就是如何来开发一个测试 系统全面反映织物悬垂的三维特性【4 】。对于悬垂的动态特性，主要的工作就是能够找到描 述动态悬垂的合适指标。力求使该指标反映的悬垂性能够尽量与人们的主观感觉和一般的 审美观点相接近，从而为悬垂的客观评定提供依据1 5 】。1 9 9 8 年y j j e o n g 和g p h i p h i p s 利用图像分析技术对织物的悬垂性进行了研究并提出了自己的指标，经过实验验证是比较 有效的【6 1 。 1 2 2 悬垂性测试的随机性 织物的悬垂具有依时特性：即在不同的时间测试，悬垂的形态是不同的。在过去的测 试仪器中对这一问题没能很好地解决，所以使测试的结果波动很大。另外，织物的悬垂受 2 一 浙江理工大学硕士学俺论文 答案是否定的。大量的研究表明：有相同静态悬垂特性的两种织物完全可以具有不同的 动态悬垂特性。例如：一种面密度大且较硬挺的织物完全可能与一种轻而柔的织物有相同 的静态悬垂形态，但是在动态的情况下这两种织物却有着完全不同的悬垂行为，从而给人 们的视觉美学效果也是完全不同的，而这种动态反映出来的却是织物更本质的东西。随着 纺织工业的蓬勃发展，由超细纤维等高性能纤维材料开发的轻、薄、柔面料不断出现，这 些面料的很大优点就是它的动悉悬垂美感，可是在织物动态悬垂的理论和测试方法领域的 研究基本上是一片空白。直到1 9 9 7 年，g k s t y l i o s 和r z h u 研究了织物的动态悬垂 的测试方法。在1 9 9 3 年徐军博士曾在这方而作过一些相关的探讨，研究了织物在不同旋 转速度下的悬垂行为，并在理论上做了初步的探讨，提出了一个特征矢量的指标来表示织 物动态悬垂的大小，但是仍存在很多的问题【”。 1 2 1 织物悬垂的三维特性研究 对于织物的静态悬垂性，目前的测试方法中，用的最多的是伞式投影法。 对于当前的仪器，如国内使用虽多的y g 8 l l 型织物悬垂性测试仪，它只能给出悬垂系 数这一指标。一般情况下- 悬垂系数越小，织物的悬垂效果越好。但是在某些情况r ，该 结论与主观评定的结果是矛盾的。因为主观评定足r 时考虑织物悬垂后的遮光面积、悬垂 后形成的波纹数和被纹的形状，而悬垂系数显然尾不能完全反映织物悬垂性能的优劣；另 外该仪器的测试原理上存在着系统的缺陷：首先平行光的光强分布是不均匀的，在不同的 位置光强不一致：其次，织物的薄厚对测试结果有很大的影响，而且不同的三维悬垂形状 也常常能够具有相同的投影形状。所以，即使找到了合适的指标能够全面反映织物的投影 形状，也是不能客羽反映织物悬垂的三维特性。目前研究的焦点就是如何柬开发一个测试 系统全面反映织物悬垂的三维特l 生 4 。对于悬垂的动态特性，主要的工作就是能够找到描 述动态悬垂的合适指标。力求使该指标反映的悬垂性能够尽量与人们的主观感觉和一般的 审美观点相接近，从而为悬垂的客观评定提供依摒吼1 9 9 8 年y j j e o n g 和g p h i p h i p s 利用图像分析技术对织物的悬垂性进行了研究并提出了自己的指标，经过实验验证是比较 有效的| 6 】。 1 2 2 悬垂性测试的随机性 织物的悬垂具有依时特性：即在不同的时问测试，悬垂的形态是不同的。在过去的测 试仪器中对这一问题投能很好地解决，所以使测试的结果波动很大。另外，织物的悬垂受 试仪器中对这一问题投能很好地解决，所以使测试的结果波动很大。另外，织物的悬垂受 - 2 一 浙江理工大学硕士学位论文 初始条件的影响较大，主要原因是织物能量达到最低其构型并不唯一，为了使测试的结果 具有代表性，必须对依时特性和测试的初始条件问题予以很好的解决。 1 2 3 动态悬垂性的研究 在前人的研究当中，对静态悬垂的理论分析已经有很多，但是在动态情况下的悬垂特 性的理论分析，目前还很少。因为这是一个非常复杂的问题，为了使问题简化，是否能够 对悬垂的动态条件做一简化，例如：在过去的静态测试装置上使圆盘加一旋转，在离心力 的作用下可以研究它的动态悬垂性。虽然达与实际的动态条件有些差异，但是它对进一步 的研究却具有很好的指导意义。 1 3 织物悬垂性测试仪器的研究现状 目前，国内外也有很多的单位与企业在织物悬垂测试仪上进行了很多的研发，如英国 的锡莱发展有限公司、法国的纺织研究所、日本的东洋精机株式会社、日本大荣科学精仪 制作所；阁内的有浙江温州的纺织仪器厂、山东纺织科学研究院、苏州大学以及浙江理工 大学等，他们都开发了自己的产品。但是其原理都是基于二维的而且大部分只能进行织物 静态的悬垂性测试，得到的都是一些反映二维特征的指标，还不能全面表达织物的三维悬 垂形态。 1 4 织物悬垂三维形态测试仪的研制 前面简单地总结了国内外现有织物悬垂测试的现状和织物悬垂测试仪的研究现状，同 时归纳了当前研究存在的问题。本课题来源于国家自然科学基金织物悬垂形态的测试、 评价及建模研究，拟采用一种全毅的测量方法，即光栅条纹等高线法来研究织物悬垂的 三维形态。 其主要研究工作可以分为：织物悬垂测试仪器的硬件研制与系统软件设计两个阶段。 第一阶段：织物悬垂三维形态测试仪的研制 由于织物的柔性特性，目前对于这类物 体的测量，一般采用的都是非接触式测量的方法。非接触式测量有激光扫描法、立体幻影 法、结构光以及空间编码等多方面的方法，虽然测量的原理以及实施的方式各不相同，但 结果都是为了得到物体的三维形态数据。根据仪器的设计方案和工作原理，设计制造出相 应的光学部分、机械部分、电气控制部分等部件。 浙江理工大学硕士学位论文 第二阶段：织物悬垂三维形态测试仪的系统软件设计主要目的是根据系统软件的设 计需求，选择合适的算法，编写相应代码完成以下主要功能：获取测试时拍摄到的图像， 并进行分析处理，给出测试结论；控制c c d 摄像机和所用到的步进电机，使之能进行动 态测试；还要有与测试相关的文件与数据处理功能。 1 5 主要工作内容 本文主要讨论的是织物悬垂三维形态测试仪的系统软件设计。该软件主要包括图像采 集与参数控制、图像分析处理、三维图像重建与系统仿真和相关电气部件控制四大部分， 现将各软件模块要完成的主要功能进行简单介绍。 图像采集与参数控制：识别出c c d 摄像头，并与之建立连接：显示出摄像头采集到 的图像；对动态图像截取、保存；c c d 三基色分量增益控制；c c d 传感器曝光时间控制； 视频采集窗口的尺寸和图像预览窗口尺寸设置：图像的亮度、对比度、色调及饱和度调节。 图像分析处理：识别出图像中试样圆盘的圆心：识别图像中试样的边缘轮廓信息；识 别出波纹数：计算悬垂系数、美感系统、及波纹展开图：三维光栅图像的光栅条纹识别： 计算相应像素点的高度信息，从而得到三维坐标数据；还有动态轮廓信息识别等。 三维图像重建与系统仿真：三维图像重建的算法选择与实现：三维图像系统仿真；特 殊试样测试的解决方案；还有测试数据管理、打印测试报告等。 相关电气部件控制：试样托盘主轴上的步进电机正反转控制、调速控制、启停控制； 外接闪光灯曝光触发信号控制等。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章悬垂性测试仪器与织物悬垂三维形态测试仪 本章回顾了织物悬垂性研究的总体概况、几种常见的悬垂性测试仪器、织物悬垂三维 形态测试仪器的基本工作原理。 2 1 织物悬垂形态测试研究概述 对于织物的悬垂性，早在几个世纪以前就引起人们的注意。这一点可以从罗马雕塑流 畅的宽袍和文艺复兴时期人物绘画中复杂褶曲的服饰上得到很好的印证，但是对于织物悬 垂内在规律的研究却是本世纪的事。因为织物的悬垂具有独特的双向弯曲特性，在这一点 上，它既不同于一般的弹性体，也不同于流体，与一般的柔性材料( 如纸张、塑料、金属箔 片等1 也截然不同f 】。所以，利用一般的弹性力学理论和流体力学理论对织物的悬垂进行研 究和分析都是不适合的。通常对织物悬垂研究的方法是理论与实验相结合，主观评定和客 观评定相结合。为了分析问题的简化，一般的理论模型往往要建立许多假设，所以分析的 结果只能对实验的实际结果作定性的解释，而不能给出完美的描述1 8j 。所以早在3 0 年代， 各国学者就已开始对织物悬垂形态进行了很多的研究j 概括起来主要有三个方向： 2 1 1 测定方法及仪器的研究 织物悬垂性的分析理论上是一个滞后弯曲变形的问题，这类性质的问题在应用力学领 域中得到了广泛的研究。最初的研究是从p e r i c e 开始的，他提出了“织物的手感可以进行测 量”这一思想。在他之后，包括c r o s b e r g ，l i n d b e r g ，o l o f f s o n ，b e b r e ，d o b l b e r g ，s k e l t o n 等许多学者在内，均对织物的弯曲和剪切性能进行了研究9 1 。这些研究主要着眼于织物的 应力与应变性能，尤其是非线性应力与应变性能。c r o s b e r g 对机织物的拉伸性能进行了研 究，得到了弯曲模量与弹性性能变化的关系。s k e l t o n 也指出机织物的剪切回复性与弯曲回 复性，剪切刚度与弯曲刚度间有密切的联系。l i n d b e r g 研究了数种织物的剪切及平板和薄 壳的弯曲。 早期的研究都局限于织物在经纬方向的平面内及平面外变形，直到c h u 等人开发了基 于光电投影原理的f r l 织物悬垂仪，才为研究织物置于某一物体上所形成的特殊悬 垂形态提供了基础。c u s i c k 延续了c h u 的工作，并指出弯酋长度与悬垂系数有高度的相关 性。随着k a w a b a t a 等人开发出k f s f 测试系统，测定了织物的1 6 个力学指针量，又将 浙江理工大学硕士学位论文 织物悬垂性的研究推向了一个高潮。m o r o o k a 等人借助i c e s f 系统测得的力学量，研究了 悬垂系数与力学性能的关系，他们的结果表明，在1 6 种力学指标中，弯曲刚度和重量是 影响悬垂系数的决定性因素。 9 0 年代初，人们将研究的焦点转向了织物的悬垂形态。出现了多种模拟织物悬垂的 方法。a m i r b a y a t 和h e a r l e 综述了织物悬垂模拟的几种研究方法，指出织物的悬垂形态曲 线为双曲线。并强调了织物膜片式应力的重要性。e i s c h e n 和k i m 报道了各向同性和各向 异性两类织物的悬垂模拟结果。b r e e n 建立了一种粒子模型，将织物看成是由一组质点组 成的，这些质点就是经纬纱线的交织点。c o l l i e r 等人以平板原理模拟了织物的悬垂状态， 并将所得结果与现有悬垂仪上测得晌结果进行了比较。c h e n 和c o r i n d a r a j 则应用弹性层理 论预测了织物的悬垂性 。 对于织物悬垂性的研究，经历了从力学到图形学的转变。而测定仪器的研究也取得了 一定的成果。除以上提到的国外学者开发的测试仪以外，我国学者自主开发的织物悬垂测 试仪主要采用以下两种测试方法： ( 1 ) 光电转换法如y g 8 1 1 型织物悬垂性测试仪，该测试仪比传统的剪纸称重法和描 图求积法有较多的优点。但是不能测定动态悬垂性，指标也比较单一，只能测出汉伯格悬 垂系数，而且该仪器在测试结构和原理上还存在一些缺陷。 ( 2 ) 计算机图像处理技术如z y f m 型织物悬垂性测试仪5 ”l ，该仪器使用线型c c d 传感器及计算机图像处理技术，对织物试样悬垂的曲面轮廓逐点扫描，提高了测量的精度 及自动化水平。而且仪器还可以进行织物动态的悬垂模拟，测定织物的动态悬垂系数和活 泼系数等指数。 ( 3 ) 计算机图像处理技术与数码成像技术结合如l f y 一2 0 6 型织物悬垂性测试仪，该 仪器使用数码相机及计算机图像处理技术，可以测定各种织物的动、静态悬垂性能指标： 悬垂系数、活泼率、曲面波纹数和美感系数 1 3 l 。 2 1 2 悬垂性评价方法的研究 织物悬垂风格的评价方法有纯主观评价法、纯客观评价法和主一客观相关评价法三 种。纯主观评定法方便易行，但存在着无法定量描述和不能排除个人主观因素的缺点，实 际上已不单独使用。纯客观法应建立在稳定的客观评定标准的基础上，用仪器测定织物的 性能指标来评价织物的风格。该方法的关键在于如何建立稳定的客观标准，而它又有赖于 人的生理、心理及其它科学的发展，在当前对人脑是如何工作的尚知之甚少的状况下，建 - 6 浙江理工大学硕士学位论文 立科学的标准是十分困难的。因此有学者认为用客观评价方法完全取代主观评价方法的时 代尚未到来。主一客观相关评价法是当前采用的评价织物风格的适当方法。织物的悬垂性 作为织物的一种视觉风格，它的评价同样应包含织物的客观物理机械性能和复杂的生理、 心理因素。 2 1 3 织物的悬垂性与织物力学性能关系及仿真的研究 目前对于织物悬垂性力学性能的研究主要集中于织物悬垂三维形态的模拟仿真。有学 者用连续介质模型进行可行性研究：在连续介质模型中，f i s c h e r 和f e y n m a n 等采用能量法 建模，认为纺织品的厚度与它的长和宽相比要小的多，所以其受力情况可以简化为壳模型， 总能量e 表示为e = f ( a ，n ，r ，h ) 。这里a 是皱折形成波形的幅度大小，皱折数是n ，r 是 表示织物下摆的边界的直径；h 是悬垂时上摆至下摆的高度。根据能量最小原理当织物处 于平衡时，e 取值最小。通过解上述非线性方程，得到织物的悬垂仿真结果。但是材料本 身的特性参数仅考虑织物重量及弯曲刚度，而对剪切刚度等不予考虑。另外，皱折的幅度 及形状也被认为是相同的，与实际效果有一定距离。f e y n m a n 应用弹性板理论，考虑拉伸 和弯曲变形及重力作用建立能量函数。c a n 考虑织物大位移、小应变的特点，采用几何非 线性有限元法分析织物变形，用壳单元建模”。也有学者采用一种没有弯曲阻力的薄膜单 元对织物建立模型，把织物的经纬向模量和泊松比等参数引入了计算模型。b r e e n 建立了 考虑粒子间的弯曲、剪切和拉伸等因素的能量方程，并用k a w a b a t e 弯曲曲线和剪切曲线调 整能量方程，将织物的弯曲刚度、剪切刚度等力学性能与能量方程结合起来，采用非连续 介质的方法进行模拟仿真i i 5 】。 织物悬垂时测向的形态特征对织物的悬垂性能来说也是非常重要的，这涉及到悬垂的 三维形态，但是研究织物测向悬垂形态的工作目前做的还比较少的。 2 2 常见织物悬垂性测试仪器概述 对织物悬垂性测试仪器的研发，在国内外都取得了定的成就。但这些仪器通常只能 测试织物的静态悬垂性能，且测试指标有限，不能从多方面反映织物的风格，因而在我国 的应用范围不是很广泛。 目前国内外不同厂家生产有多种织物悬垂测试仪，其应用原理与方法、测试的评价标 准以及适用的纺织品也各不相同【1 7 】。 下面介绍一下国内外研制生产的几种典型织物悬垂性能测试仪器。目前国内运用较多 - 7 - 浙江理工大学硕士学位论文 的有浙江温州的y g 8 1 1 型织物悬垂仪和山东纺织科学研究院的l f y - 2 0 6 型电脑织物动态 悬垂仪等。 2 2 1 y g 8 1 1 型织物悬垂度测定仪 y g 8 1 i 型织物悬垂度测定仪比传统的剪纸称重法和描图求积法有较多的优点，但该仪 器仅能测定织物的静态悬垂性，不能测动态悬垂性，指标也比较单一，只能解出悬垂系数， 而且仪器在结构和测试原理上还存在缺点： ( 1 ) 由抛物面反光镜形成的平行光，涪圆形试样不同半径和不同方位上，存在着光强 分布不均，给测定结果带来一定误差，而且这种误差随织物悬垂形状的不同而不同。 ( 2 ) 仪器设计时，是将织物当作既不透光，又不反射的黑体对待，而实际上对于稀薄 织物，既透光又反射，这也造成一定的误差。 ( 3 ) 仪器的四波纹成形机构对某些织物( 如对较柔软的织物) ，并不能保证形成四波纹形 态，由于形态的不同，加大了光强分布不均匀所引起的测量误差。 2 2 2z y f 1 型织物悬垂测试仪 z y f l 型织物悬垂测试仪由浙江理工大学研制生产。该仪器将c c d 图像传感器放在 平行光正下方，试样自然悬垂在光源和图像传感器之间，当旋转平台带动试样平稳转动时， 图像传感器不断采集试样的投影图像，位于旋转平台下方的光电位置传感器检测出试样旋 转一周的信号。试样旋转一周的灰度投影图像，经计算机图像分割处理，判出投影边界， 得到试样转动一周的半径r 变化曲线。 z y f l 型织物悬垂仪具有以下特点： ( 1 ) 利用新型图像传感器代替传统的光电传感器，直接获取试样的投影轮廓，利用计 算机进行处理，有效地解决了因光源光强分布不均匀、光强变化、电路零点漂移、试样透 光率不同等因素造成的测量误差，保证了仪器的测量精度和稳定性。 ( 2 ) 提出一种适合本仪器特点的数据采集和图像分割算法。解决了一般图像分割算法 对图像类型敏感和受噪声影响大，要求大量内存和处理时间长等缺点，满足了仪器对精度 和实时性的要求。 ( 3 ) 除了提供精度达1 的静态悬垂系数指标外，还提供了大量有关形状特征和动态悬 垂性能的指标。为客观评价织物悬垂性提供了可靠的参考依据，使全面描述织物悬垂性成 为可能。 r 浙江理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 全中文用户操作界面，所有的测量操作均在计算机控制下进行。易学易用测量 自动化程度高，受人为因素影响小f 1 2 】。 2 2 3l f y 2 0 6 型电脑织物风格测试仪 l f y - - 2 0 6 型电脑织物风格测试仪是由山东省纺织科研院研制生产的( 参见下图2 1 ) 。 一 该仪器是一台单机多功能测定织物静态和动态悬垂性能的自动化测试仪器。直径为2 4 c m 的试样放置在直径为1 2 c m 的回转台上，并使其自然下垂a 正上方安放有台数码相机用 于悬垂图像采集。试样台可以从静止到8 0 转分钟( r m i n ) 无级调速，分别反映织物的静态 悬垂与动态活络风格。 图2 1l f y 一2 0 6 型电脑织物风格测试仪图2 2c u s i c k 织物悬垂测试仪