Как измерять драпируемость ткани в условиях, похожих на реальную одежду

Аннотация

В большинстве случаев шторы, юбки, костюмные брюки и другие изделия драпируются под собственной тяжестью так, что сила тяжести действует параллельно плоскости ткани. В традиционном тесте она направлена перпендикулярно этой плоскости. Поэтому испытание не вполне воспроизводит реальные условия, а его результаты недостаточно убедительны. Авторы предлагают новый метод, который имитирует фактическую механическую схему и направляет силу тяжести параллельно плоскости ткани. Недорогой сенсор Kinect фиксирует трехмерный профиль драпировки, после чего параметры степени драпируемости и эстетические показатели получают с помощью трехмерной реконструкции, обработки и анализа изображений. На разработанном авторами приборе испытали ткани разных переплетений и сравнили результаты с традиционным методом и субъективной оценкой. Регрессионный и корреляционный анализ показал значимую связь нового метода и с традиционным испытанием, и с оценкой наблюдателей. Так получен новый бесконтактный способ трехмерного измерения — метод однонаправленного испытания драпируемости. Он лучше соответствует реальным механическим условиям, в которых висит ткань, и согласуется с требованиями к ее зрительному и эстетическому характеру.

Введение

Драпируемость — важный эстетический показатель текстиля: это трехмерная деформация ткани под собственным весом [1,2], которая сильно влияет на внешний вид одежды [3,4]. Измерение и прогнозирование драпировки остается одной из важных задач компьютерного моделирования тканей, помогающего проектировать и производить одежду [5–8].

В проектировании и производстве текстиля и одежды драпируемость обычно оценивают субъективно [9], поэтому результат сильно зависит от конкретного человека и плохо воспроизводится. Чтобы описывать свойство эффективно, точно и надежно, исследователи много раз пытались перевести его в количественные показатели. В 1930 году Peirce первым предложил прибор и два параметра — длину изгиба и изгибную жесткость — вместо оценки грифа или ощущения ткани [10]. Это косвенный подход. Он применим, но двухмерной деформации и двух параметров недостаточно для сложной трехмерной ткани. В 1950 году Chu и соавторы предложили модифицированный метод [11,12]: стандартный драпметр F.R.L., который деформировал ткань в трех измерениях, и впервые ввели коэффициент драпируемости. Круглый образец зажимали между двумя круглыми пластинами; оптический прибор переносил контур складок на тонкую бумагу, затем контур вырезали и взвешивали. Этот принцип лег в основу большинства последующих приборов, но процедура требовала много времени и навыка [13]. Наиболее распространенный прибор — драпметр Cusick [14], также основанный на F.R.L. Он дал более точный коэффициент при менее трудоемкой и дорогой процедуре, однако не мог полностью описать драпировку одной двухмерной проекцией и одним параметром.

С развитием фотографии и вычислительной техники исследователи стали применять обработку изображений [13,15–17] вместе с драпметром Cusick. Камера и параллельный пучок света фиксировали проекцию ткани, а программа обрабатывала изображение. Анализ профиля дал подробные параметры формы и статистику: амплитуду и длину волн, число узлов [9]. Метод требует меньше времени, не зависит от оператора, лучше воспроизводится, дает больше показателей и позволяет исследовать изменение коэффициента драпируемости со временем [18].

И приборы с вырезанием и взвешиванием контура, и системы анализа изображений основаны на «зонтичной» проекции: круглый образец свешивается с круглой опоры, а оценка строится по его контуру. Двухмерная проекция используется для трехмерной деформации [19], причем разные образцы могут иметь одинаковый контур. Еще важнее, что сила тяжести направлена перпендикулярно плоскости образца. В реальности шторы, юбки и брюки обычно висят так, что тяжесть действует вдоль плоскости ткани. Поэтому традиционный метод недостаточно точен и уместен, и требуется другой подход.

Некоторые исследователи применяли трехмерную реконструкцию, но все равно использовали зонтичную модель [20,21]. Коммерческие 3D-сканеры способны получить объемную модель ткани, однако обычно слишком дороги для испытания драпируемости.

В этой работе мы предлагаем новый, недорогой и более физически обоснованный метод однонаправленного испытания драпируемости, который при анализе драпировки имитирует реальные механические условия свисания полотна. Мы разработали соответствующий прибор и построили систему оценки однонаправленной драпируемости по фактическому трёхмерному контуру свисающего материала. Чтобы проверить применимость нового метода, мы сопоставили точность его измерений с точностью традиционного метода. Кроме того, для дополнительной проверки применимости результаты сравнили с субъективной оценкой.

Экспериментальные сведения

Оборудование

Испытания проводили на разработанном авторами драпметре — компьютеризированном приборе с трехмерным сканированием. Он состоит из зажима, сенсора Kinect и компьютера; схема показана на рисунке 1. Один край образца закрепляют, второй свободно свисает, как на рисунке 2a: это и есть однонаправленная драпировка. Сенсор Kinect установлен на направляющих и шаговыми двигателями перемещается в стороны и по вертикали. Образец можно сдвигать вперед и назад, меняя расстояние сканирования. Для четкого изображения сенсор многократно сканирует ткань из разных точек. На рисунке 2b показана типичная трехмерная модель профиля. Ее сохраняют на компьютере и обрабатывают программой анализа изображений, которая рассчитывает параметры однонаправленной драпировки.

Kinect — это камера глубины Microsoft, позволяющая получать трехмерные изображения. KinectFusion [22,23], технология объединения облаков точек, совмещает несколько карт глубины в одной системе координат и формирует четкую трехмерную модель образца.

Точность и повторяемость прибора проверили на прямоугольном параллелепипеде размером 562 × 391 × 112 мм. В таблице 1 приведены десять измерений. Относительная ошибка составила около 0,3%, максимальное отклонение — менее 2 мм; устойчивость и воспроизводимость были высокими. Для данного испытания приемлема относительная ошибка до 1%, поэтому точность соответствует требованиям.

Материалы

Использовали 20 образцов тканого полотна из чистого полиэстера с разными переплетениями. Перед измерением их выдерживали 24 часа при относительной влажности 65 ± 2% и температуре 20 ± 2 °C, чтобы снять локальные напряжения после подготовки. Эти ткани распространены в одежде, доступны в продаже и сравнительно слабо зависят от температуры и влажности. Подробные физические свойства приведены в таблице 2.

Метод

Объектом оценки выбрали проекционную волновую кривую — красную линию на рисунке 2b, полученную пересечением трехмерной модели горизонтальной плоскостью у нижнего края ткани. Чем ближе плоскость к держателю, тем сильнее зажим влияет на образец: ткань уже не висит свободно, и результат становится неточным. Извлеченная кривая показана на рисунке 3. По ее вершинам и впадинам — синим и красным точкам — рассчитывают коэффициент однонаправленной драпируемости UDC, число волн, индекс изгиба, высоту и ширину пиков. UDC — новый показатель степени драпировки, заданный уравнением 1: чем он меньше, тем лучше ткань драпируется.

Здесь L₀ — длина образца, L₁ — ширина сложения, L₂ — ширина драпировки, как показано на рисунке 4.

Индекс изгиба — отношение длины кривой между двумя соседними впадинами, например точками 2 и 3 на рисунке 4, к расстоянию между ними по горизонтали; он описывает степень драпируемости. Число волн, высота и ширина пиков также относятся к параметрам степени драпировки и определяются так же, как в традиционном методе.

Высота образца

Форма ткани заметно меняется с высотой образца. При уменьшении высоты влияние зажима усиливается. Если же высота слишком велика, форма становится случайной, а нижняя складчатая кромка стремится выпрямиться. Чтобы выбрать подходящую высоту, авторы сравнили кривые всех 20 тканей при 30, 40, 50 и 60 см и выделили три образца, форма которых менялась особенно сильно, как показано на рисунке 5.

При уменьшении высоты проекционные кривые становятся похожими. На высоте 60 см число волн минимально, а их равномерность хуже всего. При 30 и 40 см формы трех тканей различаются слабо, поэтому хорошую драпировку трудно отличить от плохой. При 50 см различия выражены яснее всего; эту высоту и выбрали. Ширина ткани значительно слабее связана с однонаправленной драпировкой, поэтому с учетом размеров прибора ее установили равной 87 см.

Способ зажима

Способ зажима определяется глубиной и шириной закрепления, показанными на рисунке 6, и заметно влияет на однонаправленную драпировку. При слишком малой глубине амплитуда волн мала и кривая плохо формируется; слишком большая глубина уменьшает число волн и делает их регулярнее, поэтому различия между тканями становятся менее заметными. С увеличением ширины зажима волн становится меньше. Если зажим слишком узок, волновая кривая накладывается сама на себя и Kinect не может полностью зафиксировать контур ткани.

С учетом ширины ткани глубину и ширину зажима поочередно задавали равными 3, 4 и 5 см. Для трех ранее выбранных тканей получили кривые при каждом значении; результаты приведены на рисунках 7 и 8. Чем больше глубина и ширина, тем регулярнее форма и меньше различия между тканями. При глубине и ширине 3 см у тканей 8 и 2 число волн минимально, а их форма выражена слабо. Между 4 и 5 см последнее значение хуже различает ткани. Поэтому для однонаправленного измерения рекомендованы глубина и ширина зажима 4 см.

Результаты и анализ

В качестве традиционного метода применили китайский национальный стандарт CNS GB/T 23329-2009 «Текстиль. Определение драпируемости тканей» и сравнили его с новым подходом. В таблицах 3 и 4 показаны параметры 20 тканей. На основании предыдущих работ авторы оставили основные показатели степени и эстетики драпировки, в наибольшей мере определяющие результат.

Здесь неравномерность углов — коэффициент вариации угла между двумя соседними пиками; он рассчитывается по следующей формуле.

Здесь θ̂ — неравномерность углов, θ̄ — среднее значение угла пика, θᵢ — угол между соседними вершинами складок, как на рисунке 9.

Напрямую сравнить методы нельзя: их принципы различаются. Поэтому нужен сводный показатель драпировки. В SPSS 17 методом главных факторов рассчитали веса отдельных параметров и получили комплексный эстетический коэффициент, заданный уравнениями 3 и 4.

Здесь B₁ — эстетический коэффициент традиционного метода; f — коэффициент драпируемости; θ̂ — неравномерность углов; ĥ — неравномерность высоты пиков; d̂ — неравномерность ширины пиков.

Здесь B₂ — эстетический коэффициент однонаправленного метода; fᵤ — коэффициент однонаправленной драпируемости; θ — коэффициент вариации изгиба; h — коэффициент вариации высоты пиков.

Связь B₁ и B₂ оценили линейной регрессией; результат показан на рисунке 10. Коэффициент корреляции на уровне значимости 1% составил 0,964, то есть между показателями есть сильная линейная связь. Иными словами, однонаправленный и традиционный методы хорошо согласуются по своим параметрам; новый метод приемлем и эквивалентен традиционному при описании драпируемости.

Драпируемость субъективна, поэтому приборные результаты должны согласовываться с оценкой людей [14]. Авторы пригласили 10 специалистов и 10 неспециалистов. Драпировку разделили на пять градаций от плохой к хорошей; оценки шли от 1 до 20, где 20 — лучший результат. Участники визуально оценивали степень и эстетическое впечатление формы складок. Итог рассчитывали как (оценки специалистов × 60% + оценки неспециалистов × 40%) / 10. Итоговые баллы и рассчитанный B₂ ранжировали; результаты приведены в таблице 5. Линейная регрессия рангов на рисунке 11 дала коэффициент корреляции 0,967 при уровне значимости 1%. Однонаправленный метод сильно связан с субъективной оценкой; значимого различия между ними в описании драпировки не обнаружено.

Заключение

Предложен новый метод испытания драпируемости и создан соответствующий драпметр с автоматическим измерением. Это недорогой бесконтактный способ сканирования и трехмерного измерения.

Для описания степени драпировки введен коэффициент UDC. По трехмерному контуру ткани также получают высоту и ширину пиков, индекс изгиба и число волн.

Чтобы проверить применимость метода, его результаты отдельно сравнили с традиционным испытанием и субъективной оценкой. Однонаправленный метод хорошо согласовался с обоими. Следовательно, его можно применять для быстрого автоматического и полного описания профиля драпировки.

У однонаправленного метода есть несколько преимуществ. Во-первых, он имитирует реальные механические условия, где сила тяжести направлена параллельно, а не перпендикулярно плоскости ткани, поэтому результат ближе к фактической драпировке. Во-вторых, трехмерное измерение полнее описывает поведение ткани. В-третьих, результат не зависит от светопропускания ткани. Но в исследовании использовались только тканые материалы из полиэстера. Авторы намерены испытать другие материалы и структуры, чтобы дополнительно подтвердить применимость нового метода. Из-за ограниченного времени они также не разбирали, какие факторы и каким образом влияют на однонаправленную драпировку; дальнейшая работа должна установить эти связи.

Авторы благодарят Ключевую лабораторию современных текстильных материалов и производственных технологий Министерства образования при Чжэцзянском научно-техническом университете.