CN101719192B - 织物染色过程动态仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

织物染色过程动态仿真方法及系统，包括确定染色工艺参数，选取对应的基础数据，根据所建立的染料上染织物的动力学模型和染料平衡上染率模型，得到染料的实时上染率；通过上染率与反射率模型进一步求取相应的反射率，再结合色度系统三刺激值计算公式，得到织物表面颜色三刺激值XYZ，并通过XYZ系统向RGB空间的转换方程得到织物表面颜色的RGB值，最后动态显示染色过程中织物表面的不同时刻的颜色，实现对染色过程的动态颜色仿真。

Description

织物染色过程动态仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于对染色过程中织物表面颜色进行动态仿真的方法及系统。

现有技术

现有的各种颜色仿真方法都是在色度学基础上定量地描述一种颜色，但它只适用于颜色静态仿真。织物在染机中染色时，其表面颜色是动态变化，利用现有颜色仿真无法实现对染色过程的动态仿真，使得染色工艺设计人员无法了解工艺参数对染色质量的影响，不能实现对染色产品质量的精确控制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于对染色过程中织物表面颜色进行动态仿真的方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于对染色过程中织物表面颜色进行动态仿真的系统

本发明提供的织物染色过程动态仿真方法，其特征是：包括以下步骤

(1)建立包括各种染料的扩散系数D以及各种布类的纤维半径a的基础数据库；

(2)根据染色动力学模型、染料平衡上染率模型和基础数据库，得到织物染色过程某一时刻的实时上染率值；

(3)根据染料上染率与织物反射率的方程和得到的上染率值，得到织物反射率值；

(4)根据织物颜色三刺激值与织物反射率的方程和得到的反射率值，得到三刺激值；

(5)根据三刺激值向RGB值的转换方程和得到的三刺激值，得到RGB值；

(6)根据RGB值动态显示对应的颜色。

所述染色动力学模型的数学表达式为：

$M_{t,n}=M_{\∞,n}\exp \{b_5\×{\lg }^5\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_4\×{\lg }^4\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_3\×{\lg }^3\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)$

$-b_2\×{\lg }^2\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_1\×\lg \left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_0\}$

其中，M_t，n为t时刻第n种染料的上染率，M_∞，n为第n种染料的平衡上染率，D_n为第n种染料的扩散系数，(b₀ b₁ b₂ b₃ b₄ b₅)为拟合系数，t为染色时间，a为纤维半径。

染料平衡上染率模型为：

$M_{\∞,n}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_{4,n}{c_n}^4+{\mathrm{\μ}}_{3,n}{c_n}^3+{\mathrm{\μ}}_{2,n}{c_n}^2+{\mathrm{\μ}}_{1,n}{c}_n+{\mathrm{\μ}}_{0,n}& (c_n\≤0.5\%)\\ \frac{v_{1,n}}{c_n}+v_{0,n}& (c_n>0.5\%)\end{array}\right.$

式中，μ，v为回归系数。

上染率与反射率的方程为：

其中，ρ_λ(λ＝400～700nm)为反射率；α，β，γ为回归系数；c₁，c₂，c₃为三种染料浓度；A_t，B_t，C_t为三种染料的上染率。

织物颜色三刺激值与织物反射率方程为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=k_{10}\·\mathrm{\Δ\λ}\·T\·P\·R$

式中，

$R=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{400}\\ {\mathrm{\ρ}}_{420}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ρ}}_{700}\end{array}\right]$

Δλ为波长间距；x₁₀，y₁₀，z₁₀为CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值，其被测物体要求人眼观察的视角在(4°～10°)之间；p(λ)为CIE规定的标准照明体；k₁₀为归化系数；ρ_λ(λ＝400～700nm)为样品的光谱反射率。

织物颜色三刺激值XYZ向RGB值的转换方程为：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}5.9761& -5.5280& 3.0512\\ -0.8584& 0.3877& 3.6679\\ 0.8483& -3.6042& 5.8645\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

进一步的，在步骤(2)中得到上染率动态曲线。

本发明提供的织物染色过程动态仿真系统，其特征是：包括至少具有处理单元、存储单元和彩色显示器的计算机系统，该计算机系统包括

响应用户输入的染料种类和初始浓度值，根据染色动力学模型得到织物染色过程某一时刻的实时上染率值的装置；

根据染料上染率与织物反射率的方程和上染率值得到反射率值的装置；

根据织物颜色三刺激值与织物反射率的方程和反射率值得到三刺激值的装置；

根据三刺激值向RGB值的转换方程和三刺激值得到RGB值的装置；

根据RGB值产生颜色显示信号的装置；以及

至少一图形用户界面，该界面至少包括

染料配方选择/输入窗口，用于选择/输入染料种类和初始浓度值；

染色时间显示窗口，用于显示染色时间；

织物仿真颜色显示窗口，用于显示织物仿真颜色。

进一步的，所述图形用户界面还包括三刺激值显示窗口，用于显示织物颜色三刺激值。

所述图形用户界面还包括上染率仿真按钮，用于输入激活上染率动态曲线显示界面的操作。

织物染色过程动态仿真系统还包括上染率动态曲线显示界面，当上染率仿真按钮被操作时，该界面动态显示织物上染率动态曲线。

本发明的有益效果是：利用本发明提供的方法和系统，可在彩色显示器上实时显示染色过程中织物表面的色泽，实现对该染色过程的动态颜色仿真。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是用于实现织物染色过程动态仿真方法的计算机程序流程图。

图2是织物染色过程动态仿真系统的构成图。

图3是织物染色过程动态仿真系统的主界面的示意图。

图4是织物染色过程动态仿真系统的上染率动态曲线显示界面的示意图。

具体实施方式

织物染色过程动态仿真方法，其基本原理是：首先，确定染色工艺参数，选取对应的基础数据，根据所建立的染料上染织物的动力学模型和染料平衡上染率模型，得到染料的实时上染率。其次，通过上染率与反射率模型进一步求取相应的反射率，再结合色度系统三刺激值计算公式，得到织物表面颜色三刺激值XYZ，并通过XYZ系统向RGB空间的转换方程得到织物表面颜色的RGB值，最后动态显示染色过程中织物表面的不同时刻的颜色，实现对染色过程的动态颜色仿真。

以下对织物染色过程动态仿真方法应用的模型、方程进行说明：

一、染料上染织物的动力学模型

公知的，扩散动力学模型用于描述染色过程中染料向纤维扩散的特性。经典的染色动力学均建立在菲克第二定律基础上，假设的初始条件和边界条件不同，得到的方程不同。其中，希尔(Hill)公式较为常见。但由于希尔公式所得结果为无穷级数，计算也比较困难。如果仅取希尔公式的前几项之和而略去其余各项，计算结果与原来的结果会存在偏差。因此，为了构造较为准确和易于计算的数学模型，本发明在希尔公式原有的函数关系的基础上，结合威克斯达夫(T.Vickerstaff)通过大量的由无限染浴向有限体积圆筒中的扩散实验得到的实验数据，即M_t/M_∞与Dt/a²关系，对M_t/M_∞与Dt/a²进行曲线拟合，构建了一种的染色动力学模型，其数学表达式为：

$M_{t,n}=M_{\∞,n}\exp \{b_5\×{\lg }^5\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_4\×{\lg }^4\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_3\×{\lg }^3\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)$

$-b_2\×{\lg }^2\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_1\×\lg \left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_0\}$

其中，M_t，n为t时刻第n种染料的上染率，M_∞，n为第n种染料的平衡上染率，D_n为第n种染料的扩散系数，(b₀ b₁ b₂ b₃ b₄ b₅)为拟合系数，t为染色时间，a为纤维半径。

式中，平衡上染率M_∞、扩散系数D、纤维半径a可通过实验获得，均为常数。不同染料的扩散系数D不同，不同布类的纤维半径a也不同。因此，在染色过程中，通过测定染色时间t便可直接推算出t时刻对应的上染率。

二、染料的平衡上染率模型

若要预测染料的上染率，除了在特定的染色工艺参数下，还需要知道染料的扩散系数和平衡上染率。染色理论认为，在特定的染色环境下每一种染料上染某种纤维的扩散系数是固定不变的，但是不同浓度的染料上染某种纤维的平衡上染率是不同。因此，要完成染色过程染料上染率的预测，还需要染料染色过程平衡上染率模型。

染料平衡上染率模型为：

$M_{\∞,n}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_{4,n}{c_n}^4+{\mathrm{\μ}}_{3,n}{c_n}^3+{\mathrm{\μ}}_{2,n}{c_n}^2+{\mathrm{\μ}}_{1,n}{c}_n+{\mathrm{\μ}}_{0,n}& (c_n\≤0.5\%)\\ \frac{v_{1,n}}{c_n}+v_{0,n}& (c_n>0.5\%)\end{array}\right.$

式中，μ，v为回归系数。

三、染料上染率与织物反射率的方程

首先，根据库贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)单常数理论，有

${\left(\frac{K}{S}\right)}_s={\left(\frac{K}{S}\right)}_t+c_1{\left(\frac{k}{s}\right)}_1+c_2{\left(\frac{k}{s}\right)}_2+\·\·\·+c_n{\left(\frac{k}{s}\right)}_n---\left(1\right)$

式(1)中，K和S分别为膜层总的吸收和散射系数；(K/S)_s为标准色的K/S值；(K/S)_t为基底的K/S值；(k/s)₁、(k/s)₂、…、(k/s)_n为n种染料对应的单位浓度K/S值；c₁、c₂、…、c_n为组成膜层的n种染料的浓度。其通式可表示如下：

${\left(\frac{K}{S}\right)}_s={\left(\frac{K}{S}\right)}_t+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{\left(\frac{k}{s}\right)}_i---\left(2\right)$

对K/S值与染料浓度c采用多项式拟合，可得

${\left(\frac{K}{S}\right)}_s={\left(\frac{K}{S}\right)}_t+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{1,i}{c}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{2,i}{c}_i^2---\left(3\right)$

式(3)中，b_1，i，b_2，i均为系数。

其次，应用库贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)方程：

$\frac{K}{S}=\frac{{(1-\mathrm{\ρ})}^2}{2\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

式(4)中，K和5为膜层总的吸收和散射系数；ρ为样品某波长λ处的光谱反射率。

再次，根据染色理论可知，染色过程染料染料浓度与上染率存在线性关系，即

C＝k·c₀·M_t                        (5)

式(5)中，k指比例系数；C₀指染料的初始浓度；M_t指染色过程染料上染率。

由式(3)、式(4)和式(5)，可得反射率ρ与上染率M_t及初始浓度C₀之间的关系为

结合实验数据和回归建模可确定方程中的α，β，γ系数矩阵。实验数据可通过以下实验获得：(1)选取染料配制成一定浓度的染液，分成若干份分别对选定的织物进行染色，在染色过程的不同时间段，依次将织物从染液中取出，同时测定残液的吸光度，计算在染色过程中不同时间的上染率。同时，将取出织物烘干并测量其表面反射率。(2)将选定的染料按浓度梯度配制成若干份染液，按步骤(1)分别对选定的织物进行染色，测定各自的吸光度，计算对应的上染率。同时，将取出织物烘干并测量其表面反射率。

四、织物颜色三刺激值与织物反射率

根据织物颜色三刺激值XYZ与染色纺织物表面反射率r关系。

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=k_{10}\·\mathrm{\Δ\λ}\·T\·P\·R---\left(7\right)$

式(7)中，

$R=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{400}\\ {\mathrm{\ρ}}_{420}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ρ}}_{700}\end{array}\right]$

Δλ为波长间距；x₁₀，y₁₀，z₁₀为CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值，其被测物体要求人眼观察的视角在(4°～10°)之间；p(λ)为CIE规定的标准照明体；k₁₀为归化系数；ρ_λ(λ＝400～700nm)为样品的光谱反射率。

五、织物颜色三刺激值XYZ向RGB值的转换方程：

根据Grassman定律，利用线性回归方法，可得到CIE-XYZ色度系统向RGB三原色系统的转换方程。

由XYZ系统向RGB空间的转换方程为

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}5.9761& -5.5280& 3.0512\\ -0.8584& 0.3877& 3.6679\\ 0.8483& -3.6042& 5.8645\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(8\right)$

为了利用计算机系统实现上述的仿真方法，首先建立包括各种染料的扩散系数D以及各种布类的纤维半径a的基础数据库，并根据上述模型、方程编制相应的Visual Basic应用程序。主程序流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)输入三种染料的初始浓度，判断输入数据是否全部为0，不是全为0可以继续，否则重新输入初始浓度值；

(2)根据平衡上染率模型计算三种染料的平衡上染率，并根据染色动力学模型、基础数据库和给定的染料初始浓度值，得到织物染色过程某一时刻的实时上染率值；

(3)根据染料上染率与织物反射率的方程和得到的上染率值，得到反射率值；

(4)根据织物颜色三刺激值与织物反射率的方程和得到的反射率值，得到三刺激值；

(5)根据三刺激值向RGB值的转换方程和得到的三刺激值，得到RGB值；

(6)根据RGB值产生颜色显示信号，驱动显示器动态显示对应的颜色；

(7)判断是否退出仿真系统，是则退出，否则重新染料初始浓度，继续仿真。

参照图2，是本发明提供的织物染色过程动态仿真系统的一个实施例，用于对染色过程中染样的色泽进行计算机动态测量和仿真。该系统为计算机系统，具有处理单元、存储单元和彩色显示器，运行Visual Basic应用程序。在彩色显示器上可显示主界面、上染率动态曲线显示界面等图形用户界面。参照图3，包括染料配方选择/输入窗口、染色时间显示窗口、织物仿真颜色显示窗口、三刺激值显示窗口、上染率仿真按钮、停止染色按钮等，用于显示织物仿真颜色。通过在染料配方选择/输入窗口输入染料种类和初始浓度值，经过计算机处理，在织物仿真颜色显示窗口实时显示该时刻的织物颜色，同时在三刺激值显示窗口显示织物颜色三刺激值。通过操作上染率仿真按钮，可激活图4所示的上染率动态曲线显示界面，实时显示该时刻的织物上染率动态曲线。通过操作停止染色按钮，可在诸如发现染色异常和偏差时，产生停止染色的信号，该信号可以通过传输装置传输给染机，实现停机操作。

工业实用性

在工业应用上，可将织物染色过程动态仿真系统与染机相结合，实现对织物染色过程的流程监测和质量控制。

上述实施例仅用来进一步说明本发明提出的方法和系统，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.织物染色过程动态仿真方法，其特征是：包括以下步骤

(1)建立包括各种染料的扩散系数D以及各种布类的纤维半径a的基础数据库；

(2)根据染色动力学模型、染料平衡上染率模型和基础数据库，得到织物染色过程某一时刻的实时上染率值，所述染色动力学模型的数学表达式为：

$M_{t,n}=M_{\∞,n}\exp \{b_5\×{\lg }^5\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_4\×{\lg }^4\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_3\×{\lg }^3\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)$

$-b_2\×{\lg }^2\left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_1\×\lg \left(\frac{D_{n}t}{a^2}\right)-b_0\}$

其中，M_t，n为t时刻第n种染料的上染率，M_∞，n为第n种染料的平衡上染率，D_n为第n种染料的扩散系数，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅为拟合系数，t为染色时间，a为纤维半径；

所述染料平衡上染率模型为：

$M_{\∞,n}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_{4,n}{c_n}^4+{\mathrm{\μ}}_{3,n}{c_n}^3+{\mathrm{\μ}}_{2,n}{c_n}^2+{\mathrm{\μ}}_{1,n}{c}_n+{\mathrm{\μ}}_{0,n}& (c_n\≤0.5\%)\\ \frac{v_{1,n}}{c_n}+v_{0,n}& (c_n>0.5\%)\end{array}\right.$

式中，μ，ν为回归系数；

(3)根据染料上染率与织物反射率的方程和得到的上染率值，得到织物反射率值，上染率与反射率的方程为：

其中，ρ_λ为反射率，λ＝400-700nm；α，β，γ为回归系数；c₁，c₂，c₃为三种染料浓度；A_t，B_t，C_t为三种染料的上染率；

(4)根据织物颜色三刺激值与织物反射率的方程和得到的反射率值，得到三刺激值，织物颜色三刺激值与织物反射率方程为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=k_{10}\·\mathrm{\Δ\λ}\·T\·P\·R$

式中，

$R=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{400}\\ {\mathrm{\ρ}}_{420}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ρ}}_{700}\end{array}\right]$

Δλ为波长间距；

为CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值，其被测物体要求人眼观察的视角在4°～10°之间；p(λ)为CIE规定的标准照明体；k₁₀为归化系数；ρ_λ为样品的反射率，λ＝400-700nm；

(5)根据三刺激值向RGB值的转换方程和得到的三刺激值，得到RGB值；

(6)根据RGB值动态显示对应的颜色。

2.根据权利要求1所述的织物染色过程动态仿真方法，其特征是：织物颜色三刺激值XYZ向RGB值的转换方程为：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}5.9761& -5.5280& 3.0512\\ -0.8584& 0.3877& 3.6679\\ 0.8483& -3.6042& 5.8645\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right].$

3.根据权利要求1所述的织物染色过程动态仿真方法，其特征是：在步骤(2)中得到上染率动态曲线。

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