Теоретические и практические аспекты автоматизированного анализа и проектирования льняных тканей

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 677.11.024.1

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЬНЯНЫХ ТКАНЕЙ

СОКОВА Галина Георгиевна

Кострома

2009



Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете (КГТУ)

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Землякова Ирина Владимировна.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: доктор технических наук, профессор, Юхин Сергей Семенович Московский государственный текстильный университет им А.Н. Косыгина,

доктор технических наук, профессор Карева Татьяна Юрьевна Ивановская государственная текстильная академия,

доктор технических наук, профессор Проталинский Сергей Евгеньевич Костромской государственный технологический университет.

ОАО «Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации легкой промышленности» (ЦНИИЛКА)

Защита диссертации состоится 27 июня 2009 г. в 10.00 часов в ауд. Б-106 на заседании диссертационного совета Д 212. 093. 01 в Костромском государственном технологическом университете по адресу:

156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор П.Н. Рудовский

льняной ткань проектирование производитель



Общая характеристика работы

Актуальность работы. Мировой экономический кризис и вступление России в ВТО кардинально изменили положение отечественных текстильных предприятий, развернулась серьезная конкурентная борьба за российские и зарубежные рынки сбыта. Стратегическое преимущество отечественными текстильными предприятиями в этом случае может быть получено за счет ускорения освоения новых видов продукции, расширения ассортимента, снижения себестоимости при неизменно высоком качестве продукции. Системы автоматизированного проектирования ткани, учитывающие требования заказчика и возможности предприятия, позволят оперативно решать задачи, связанные с созданием новых видов продукции и размещением заказов на предприятии. Автоматизация анализа ткани упростит и повысит оперативность проектирования ткани по образцу. На сегодняшний день недостаточно используются возможности современных информационных технологий для проведения неразрушающих исследований тканей и применения полученных знаний для процедур проектирования новых структур. Существенная доля бытовых льняных тканей вырабатывается с использованием цветных пряж и самыми разнообразными переплетениями, к которым не может быть применено большинство известных неразрушающих методов, направленных лишь на исследование монохромных тканей простых структур. Заметим также, что существующие компьютерные реализации современных САПР ткани не решают полностью задачу комплексного проектирования тканей и не позволяют учитывать при проектировании ткани возможности предприятия-производителя ткани. В связи с этим возникла необходимость в систематизации знаний, касающихся научно-практической области неразрушающего исследования тканей, для внешнего оформления которых используются цветные нити и различные переплетения. Также актуально развитие теории на стыке фундаментальных и прикладных наук, новой методологии синтеза льняных тканей, позволяющей реализовать проектирование ткани с учетом требований заказчика и возможностей производителя. Вышеизложенное обуславливает актуальность данной работы.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы - расширение ассортимента льняных тканей, повышение оперативности размещения заказов на предприятии и проектирование тканей с учетом требований заказчика и возможностей производителя за счет разработки и применения новой методологии неразрушающего анализа и синтеза льняных тканей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

-проведен анализ современного состояния проблемы исследования, проектирования и оценки параметров структуры и свойств ткани;

-предложена классификация неразрушающих методов исследования, описывающая способы исследования различных материалов, в том числе и текстильных;

-предложена концепция комплексного проектирования ткани, учитывающая требования заказчика и технологический потенциал предприятия;

-разработана теория автоматизированного проектирования ткани по заданным параметрам, основанная на теоретико-множественных представлениях;

-разработано методическое обеспечение автоматизированного проектирования ткани, позволяющее разрабатывать ткани с учетом требований заказчика и возможностей производителя;

-разработана методология получения и исследования полноцветного изображения ткани, позволяющая в отличие от известных методов анализировать пестроткани, выработанные главными и мелкоузорчатыми переплетениями;

-созданы математические модели распределения яркости на полноцветном изображении ткани в среде различных цветовых пространств, позволяющие прогнозировать высоту волны изгиба нитей по значениям яркости в опорных точках нитей на изображении ткани;

-разработано методическое обеспечение автоматизированного исследования ткани, позволяющее определять параметры ткани по ее компьютерному изображению;

-созданы алгоритмы неразрушающего исследования ткани и проектирования ткани по заданным параметрам;

-разработано программное обеспечение для реализации, созданных методов и алгоритмов автоматизированного исследования и проектирования тканей в САЕ-системе.

Объектами исследования являются ткани льняного ассортимента бытового назначения, выработанные главными и мелкоузорчатыми переплетениями с использованием цветных нитей, и их цифровые изображения.

Предметом исследования являются методы анализа и проектирования тканей по заданным параметрам.

Методы исследований. При разработке методологий анализа и проектирования ткани использовались современные методы дискретной математики и структурного анализа, методы цифровой обработки сигналов и изображений, вычислительные методы. Для создания теории проектирования ткани по заданным параметрам применена теория множеств. Методической и теоретической основой компьютерного исследования тканей явились научные труды по теории распознавания образов и компьютерной геометрии. Для определения параметров пряжи и ткани применены, как стандартизированные методики исследования, так и средства для обработки графических изображений Photoshop и программное обеспечение, разработанное автором. Обработка экспериментальных данных проводилась автоматизированным методом математической статистики с использованием специализированного программного обеспечения Stadia. Программная реализация методов и методик неразрушающего анализа и проектирования ткани выполнена в среде Borland Delphi 7.0.

Научная новизна работы

-предложена классификация неразрушающих методов исследования, позволяющая описать способы исследования различных материалов, в том числе и текстильных, учитывающая способы получения, обработки и содержание выходной информации;

-впервые предложена концептуальная модель комплексного проектирования ткани с использованием информационных технологий, позволяющая разрабатывать новую тканую структуру с учетом технического и технологического потенциала предприятия и требований заказчика;

- разработана теория автоматизированного проектирования ткани, основанная на теоретико-множественном представлении ее параметров и позволяющая принять оптимальное решение с учетом требований заказчика и возможностей производителя;

-разработан новый метод формализованного представления процесса проектирования ткани, основанный на теоретико-множественных представлениях параметров тканей, позволяющий оперативно размещать заказ на предприятии;

-предложен новый метод автоматизированного проектирования ткани, отличающийся комплексным подходом к проектированию ткани, как по заданным параметрам, так и по прототипу ткани, учитывающий требования заказчика и возможности предприятия;

-разработана новая методология получения и исследования полноцветного изображения ткани, позволяющая в отличие от известных методов анализировать пестроткани, выработанные главными и мелкоузорчатыми переплетениями.

Практическая значимость и реализация результатов работы

-разработаны схемы решения задач анализа и синтеза в виде процессных моделей IDEF0 и IDEF3, наглядно представляющие процедуры автоматизированного исследования и проектирования ткани;

-созданы математические модели распределения яркости на полноцветном изображении ткани в среде цветовых пространств RGB, XYZ, Lab, позволяющие прогнозировать высоту волны изгиба нитей по значениям яркости в опорных точках нитей на изображении ткани.

-для автоматизированного анализа ткани предложены новые методики: идентификации параметров переплетения ткани; расчета числа нитей в ткани; определения параметров внешнего оформления ткани; определения параметров структуры ткани; выбора фурнитуры для ткани с учетом параметров ее структуры и внешнего оформления;

-для проектирования ткани новой структуры предложена методика оценки рациональности структуры на начальной стадии разработки ткани;

-созданы алгоритмы неразрушающего исследования ткани и проектирования ткани по заданным параметрам, по параметрам прототипа;

-создано новое программное обеспечение САЕ-система «Проектирование льняных тканей», которое позволяет: проводить неразрушающий анализ ткани; проектировать ткани с учетом требований заказчика и возможностей производителя; создавать новое внешнее оформление тканей; осуществлять выбор швейной фурнитуры;

-сформированы базы данных «Сырье», «Строение ткани», «Отделка», для САЕ-системы «Проектирование льняных тканей».

Разработанные методы и методики реализованы в виде прикладных программ, объединенных в САЕ-систему «Проектирование льняных тканей», ориентированную на использование доступной вычислительной и периферийной техники. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для: расширения ассортимента льняных тканей - создания новых структур и различного внешнего оформления ткани с учетом возможностей текстильного предприятия; ускорения размещения заказа на предприятии - проектирование тканей с учетом требований заказчика; проведения неразрушающего контроля параметров выпускаемых тканей; выбора швейной фурнитуры в соответствии с параметрами внешнего оформления и структурой ткани. Созданное программное обеспечение предназначено для работы в операционной среде семейства WINDOWS и не требует высокой квалификации работников, успешно протестировано в ЗАО КНИИЛП, ООО «БКЛМ - Актив», ЗАО «Шуйские ситцы» и внедрено в ОАО «Аманн АС». Результаты исследований внедрены в учебный процесс КГТУ и используются в лекционных и лабораторных курсах дисциплин, связанных с информационными технологиями в текстильной промышленности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедр и профессорских семинарах КГТУ. Доклады по материалам работы были заслушаны: на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК- 2004, 2005), ИвГТА, Иваново, 2004, 2005; на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс- 2003), ИвГТА, Иваново, 2003; на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен-2006), КГТУ, Кострома, 2006; на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-19, 20), ЯГТУ, Ярославль, 2006, 2007.

Публикации. Положения диссертации отражены в 51 публикации, в том числе 1 монография, 10 статей в изданиях рекомендуемых ВАК РФ, 5 статей в других журналах, 8 статей в сборниках трудов, 2 патента, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 1- учебное пособие, 1- учебно-методическое пособие, остальные публикации в материалах научно-практических конференций и выставок.

На защиту выносятся:

На защиту выносятся теоретические положения и результаты практической реализации перспективного направления автоматизированного исследования и проектирования льняных тканей:

Концепция комплексного проектирования ткани, учитывающая требования заказчика и технологический потенциал предприятия.

Теория автоматизированного проектирования ткани по заданным параметрам, основанная на теоретико-множественных представлениях.

Метод формализованного представления процесса проектирования ткани, основанный на теоретико-множественных представлениях параметров тканей, позволяющий оперативно размещать заказ на предприятии.

Метод автоматизированного проектирования ткани, отличающийся комплексным подходом к проектированию ткани, как по заданным параметрам, так и по прототипу ткани, учитывающий требования заказчика и возможности предприятия.

Методическое обеспечение автоматизированного проектирования ткани, позволяющее разрабатывать ткани с учетом требований заказчика и возможностей производителя.

Методология получения и исследования полноцветного изображения ткани, позволяющая в отличие от известных методов анализировать пестроткани, выработанные главными и мелкоузорчатыми переплетениями.

Математические модели распределения яркости на полноцветном изображении ткани в среде различных цветовых пространств, позволяющие прогнозировать высоту волны изгиба нитей по значениям яркости в опорных точках нитей на изображении ткани.

Методическое обеспечение автоматизированного исследования ткани, позволяющее определять параметры ткани по ее компьютерному изображению.

Алгоритмы неразрушающего исследования ткани и проектирования ткани по заданным параметрам.

Разработанное программное обеспечение для реализации созданных методов и алгоритмов автоматизированного исследования и проектирования тканей в САЕ-системе.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка и приложений. Основное содержание изложено на 301 странице, содержит 53 рисунка, 42 таблицы. Библиографический список включает 133 источника.

Основное содержание работы

Во введении изложены основные положения диссертации, обоснована актуальность темы, определена цель исследований и решаемые задачи, дана характеристика научной новизны и практической значимости работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние и формулировка проблемы исследования, прогнозирования и проектирования параметров тканей льняного ассортимента. Проведенный анализ состояния вопроса проектирования тканей выявил основные тенденции его современного развития, направленные на создание автоматизированных систем, повышающих качество разрабатываемых тканей. Уделено внимание систематизации автоматизированных методов проектирования ткани. Отмечено, что инновационные методы и методики проектирования создаются на стыке фундаментальных и прикладных наук, большое значение отводится использованию современной техники и технологий на этапах проектирования, управления, производства, измерения и контроля качества тканей. Проведен анализ существующих методов прогнозирования и проектирования показателей и свойств текстильных материалов, рассмотрены общие принципы и технические средства их реализации. Значительное внимание уделено расчетным методам прогнозирования свойств готовых материалов, показано, что развитию расчетных методов проектирования в значительной степени способствовали труды ученых: F.T. Pierce, В.И. Смирнова, Н.Г. Новикова, J. W. S. Hearly, H. Hahn, G. A.V. Leaf, И.В. Ильина, Н.Е. Ереминой, Ц. З. Бачева, Ю.Ф. Ерохина, С.С. Юхина, Г.В. Степанова, В.Г. Степанова, О.С. Кутепова, А.В. Воробьева, К.И. Корицкого, А.В., Ш. Рашиди, С.А. Фавзи, А.А. Мартыновой, Н.Ф. Сурниной, Н.А. Федоренко, Н.В. Васильчиковой, А.К. Киселевой, С.Д. Николаева, В.Л. Маховера, А.В. Кондратьева, В.П. Склянникова, Г.И. Толубеевой, В.М. Милашюса, Н.В. Лустгартен, Н.А. Смирновой, А.В. Фирсова и др. Отмечено, что большая часть методов с достаточной точностью позволяет прогнозировать параметры лишь хлопчатобумажных или шерстяных тканей, и не может быть применена для проектирования тканей льняного ассортимента, за исключением методик Смирновой Н.А. и Ильина И.В. Существенная часть главы уделена вопросам исследования тканей и их параметров. Отмечено, что в современном понимании анализ ткани - это симбиоз инструментального и расчетного методов, который подразумевает инструментальное определение основных параметров строения ткани, а именно фактических геометрических размеров нитей, их извитость и расположение в ткани и др., и последующий расчет интересующих параметров показателей ткани. Современные способы неразрушающего исследования позволяют определять параметры материала, не нарушая его целостности при исследовании, при этом исходная информация для анализа и его результаты могут передаваться по цифровым каналам связи, в том числе через Интернет. Компьютерная обработка исходной информации существенно снижает трудоемкость неразрушающих методов исследования, а программно-математический аппарат позволяет повысить точность, достоверность анализа данных и обоснованность принятия решений. Очевидные преимущества неразрушающих методов и доступность информационных технологий способствовали развитию данного направления и использованию методов в различных отраслях народного хозяйства. В работе предложена классификация неразрушающих методов исследования различных физических объектов, в том числе и текстильных материалов, учитывающая способы получения, обработки и содержание выходной информации. Описаны и классифицированы признаки, по которым идентифицируется физический объект. Проведен анализ известных методов неразрушающего исследования ткани, предложенных российскими и зарубежными учеными: П.К. Власовым, В.Н. Федосеевым, С.Л. Костиным, П. Г. Шляхтенко, Г.П. Мещеряковой, А.Б. Казлаускене, В.М. Милашюсом, Т.Н. Верман, A.O. Mendes, P.T. Fiadeiro, R.A.L. Miguel, J.M. Lucas, А.Б. Комаровым, Н.А. Коробовым, А.С. Красновым и др. Отмечено, что рассмотренные методы в основном применялись для исследования монохромных тканей простых структур, для определения пороков внешнего вида, вычисления некоторых структурных параметров и ограниченного числа свойств ткани. Льняной ассортимент благодаря своим уникальным свойствам все больше привлекает к себе потребителя, однако удовлетворить его требования предприятиям, выпускающим льняной ассортимент, не просто. Причиной этого являются, как сложные для описания физико-механические, вязкоупругие и др. свойства льняного волокна, проявляющиеся в свойствах изделий, так и разнообразие требований самого потребителя. Анализ профилей требований, составленных специалистами фирмы «3М» к тканям бытового назначения, позволил заключить, что современные отечественные потребители выделяют художественное оформление, комфортность, легкий уход и свойства, характеризующие носкость ткани. Это позволило определить номенклатуру параметров ткани, которым должно быть уделено максимальное внимание при разработке нового ассортимента тканей: поверхностная плотность ткани, стойкость ткани к истиранию, разрывная нагрузка ткани, изменение линейных размеров ткани после мокрых обработок, поверхностное заполнение ткани, наполнение ткани волокнистым материалом, ширина готовой ткани. Предложена новая концепция проектирования ткани, в основе которой лежит автоматизированная система, позволяющая при создании прототипа ткани учитывать требования заказчика и возможности предприятия производителя. Концепция представлена в виде контекстной IDEF0 диаграммы 0-го уровня модели «как должно быть» при автоматизированном проектировании ткани (рис. 1).

Рис. 1. IDEF0 диаграмма модели 0-го уровня проектирования ткани «как должно быть»

В завершении главы сформулирована проблема автоматизированного проектирования тканей льняного ассортимента и поставлены задачи для ее решения.

Вторая глава посвящена разработке теоретических аспектов автоматизированного анализа и проектирования ткани. Информация, заключенная в плановых изображениях ткани, применена для определения параметров строения ткани. Для получения плановых изображений ткани выбран оптико-электронный метод, при котором тоновые изображения поверхности ткани получают сканированием образца ткани. На изображении изогнутые в ткани нити на различных участках поверхности ткани имеют различную яркость цветового тона. По значениям яркости предлагается распознавать размеры и местоположение элементов изображения ткани: нитей, просветов между ними и образованные нитями основы и утка перекрытий, настилов и мест пересечений систем нитей.

Определена последовательность процедур компьютерного распознавания изображения ткани, для чего применено опосредствованное исследование признаков распознавания на тоновых изображениях ткани. Предусматривается, что по прямым (видимым) признакам элементов ткани определяются косвенные (невидимые на плановом изображении ткани) признаки.

При исследовании сложных систем и процессов, к которым относится процесс проектирования ткани, необходимо представить их в виде, пригодном для принятия решений. Для этого нужна постепенная формализация представлений об исследуемом объекте. При создании теории проектирования ткани по заданным параметрам использованы дискретные методы формализованного представления, а именно, методы, основанные на теоретико-множественных представлениях. Из параметров, указанных, в том числе, в ГОСТ, для тканей льняного ассортимента бытового назначения выделены следующие параметры пряжи и ткани: вид и способ получения основной пряжи в ткани; вид и способ получения уточной пряжи в ткани; линейная плотность основной пряжи в ткани; линейная плотность уточной пряжи в ткани; число нитей основы на 10 см готовой ткани; число нитей утка на 10 см готовой ткани; вид переплетения; ширина готовой ткани; поверхностная плотность ткани; стойкость ткани к разрыву; разрывная прочность полоски ткани в направлении основы; разрывная прочность полоски ткани в направлении утка. Из всех возможных значений перечисленных параметров, примененных для проектирования льняных тканей, сформированы множества U1, U2, U3, …., U12. Исходя из технических и технологических возможностей предприятия, образованы множества Р1, Р2, Р3, …., Р12, каждое из которых состоит из допустимых для данного предприятия значений параметров. Прямое (декартово) произведение Р1хР2х Р3х ….х Р12 состоит из всех возможных векторов р=( р1, р2, р3,….р12), где рiРi. Число этих векторов равно произведению мощностей множеств Р1, Р2, Р3, …., Р12., то есть по формуле (1) определяется ассортимент тканей данного предприятия



| Р1хР2х Р3х ….х Рn| = |Р1|•|Р2|•|Р3|•….•|Рn|. (1)

Таким образом, каждая из тканей, которая может быть выпущена на данном предприятии, получает векторное представление, а множество Р={р(i)| р(i)=( р(i)1, …., р(i)12)} является векторным представлением всего ассортимента тканей, вырабатываемого данным предприятием. Исходя из требований заказчика, формируются множества Z1, Z2, Z3, …., Z12, каждое из которых состоит из требуемых заказчиком значений параметров, а множество Z={z(i)| z(i)=( z(i)1, …., z(i)12)} состоит из элементов, являющихся векторными представлениями тканей, удовлетворяющих требованиям данного заказчика. Если заказчика интересуют не все двенадцать параметров готовой ткани, а лишь некоторые из них, тогда определяется проекция множества Z на оси с номерами i1, i2,….,ik , то есть множество проекций всех векторов z Z на оси i1, i2,….,ik

прi,….,i Z = { прi,….,i z; z Z }.

Аналогичные операции проводятся над векторами рР и получается множество проекций всех векторов рР на оси с номерами i1, i2,….,ik :

прi,….,i Р = { прi,….,i р; р Р }.

Используя правило сравнения векторов по предпочтению, определяются наилучшие векторные оценки и соответствующие им образцы тканей, вырабатываемые на данном предприятии. Из множества Р выбираются такие вектора р, у которых р1= z1, формируется множество А1:

А1={ р | р1= z1}, А1 Р.



Аналогично из множества Р выбираются такие вектора р, у которых р2= z2, получается множество А2: А2={ р | р2= z2}, и так далее для всех компонент векторов А12= { р | р12= z12}. Если множество является не пустым множеством, то заказ может быть выполнен на данном предприятии, поскольку элементы данного множества являются векторными представлениями тканей, полностью удовлетворяющих требованиям заказчика. В случае если множество является пустым множеством, то переходим к созданию области компромиссов, состоящей из пересечений множеств Аi, где индекс i изменяется в зависимости от договоренности между заказчиком и производителем. Данная процедура может быть применена, как для векторов, так и для их проекций, в случае если заказчика интересуют не все двенадцать параметров.

Для автоматизированного проектирования сформированы базы данных из параметров, в том числе, параметров пряжи и ткани, не приведенных ГОСТ: вид и способ получения льняной, оческовой пряжи; вид хлопчатобумажной пряжи; линейная плотность льняной, оческовой пряжи; линейная плотность хлопчатобумажной пряжи; коэффициенты рода волокна; коэффициенты смятия нитей основы в ткани по горизонтали, вертикали; коэффициенты смятия нитей утка в ткани по горизонтали, вертикали; изгибная жесткость пряжи; коэффициенты, учитывающие изменение разрывной нагрузки пряжи после химической обработки; коэффициенты, учитывающие изменение стойкости пряжи к истиранию после химической обработки; вид переплетений, используемых для выработки тканей бытового назначения; коэффициенты использования нитей основы, утка в ткани, в зависимости от переплетения; коэффициенты участия систем нитей основы, утка в ткани, в зависимости от порядка фазы строения; вид отделки, используемой для тканей бытового назначения; коэффициенты, учитывающие изменение разрывной нагрузки ткани по основе, утку после отделки; коэффициенты, учитывающие изменение стойкости ткани к истиранию после отделки, которые представлены в виде множеств В1,……В16. Из указанных множеств выделяют три класса: параметры сырья Вi; вид переплетения ткани и параметры, зависящие от строения ткани Вi; вид отделки ткани и параметры, зависящие от нее Вi , из которых сформированы базы данных (БД) «Сырье», «Строение ткани», «Отделка». Разработаны модели автоматизированного неразрушающего анализа ткани в виде диаграммы 1-го уровня IDEF0, автоматизированного проектирования ткани в нотации IDEF3, проектирования ткани по заданным параметрам (параметрам прототипа) и проектирования новой ткани в нотации IDEF0, наглядно представляющие этапы работ и решаемые задачи.

Третья глава посвящена исследованию полноцветных цифровых изображений ткани. В ранних работах Соковой Г.Г., а также работах Коробова Н.А., отмечалось, что яркость пикселей на полутоновом изображении ткани зависит от пространственного расположения нитей и принимает ограниченный диапазон значений. Анализ гистограмм яркости полутоновых изображений ткани выявил периодичность распределения максимальных и минимальных значений, которые связаны с повторением структуры переплетения ткани. В работах Н.А. Коробова и Б.А. Комарова предложены модели для идентификации элементов ткани на ее полутоновых изображениях. В настоящей работе исследовались полноцветные изображения ткани. Определены параметры получения полноцветного изображения ткани способом сканирования: разрешение - 150 dpi, глубина цвета - 24 bit, масштаб - 600%. Выполнен анализ распределения яркости цветового тона на полноцветном изображении тканей различных переплетений. Показатели цвета, включающие в себя: цветовой тон, яркость и насыщенность, изменяются случайным образом вдоль нити, заработанной в ткань. Для нити определенного цветового тона яркость - случайная функция, зависящая от координат точки на изображении нити. Экспериментальные исследования показали, что измерение яркости в опорных точках, обладающих максимальной и минимальной яркостью тона на полноцветных изображениях ткани, позволяет найти пространственный параметр ткани - высоту изгиба нити. Предложен алгоритм, позволяющий определять координаты точек Hk и Sk, обладающих максимальной и минимальной яркостью тона на полноцветных изображениях нитей, заработанных в ткань. Разработана соответствующая методика экспериментальных исследований образцов ткани и ее полноцветных изображений. Методика предусматривала компьютерное определение значений яркости в опорных точках на нитях, образующих перекрытия, настилы и пересечки. Отмечено, что наиболее высокие значения яркости имеют точки на участках нити, образующих перекрытия или настилы, низкие значения яркости присущи местам пересечений систем нитей - участкам пересечек. Для каждой области, содержащей наибольшие или наименьшие значения яркости, вычислялась координата центра области, где ставилась метка. Метка Hk размещалась в центре области с наибольшими значениями яркости, метка Sk - в центре с наименьшими значениями. По значениям яркости в точках Hk и Sk, рассчитывается разностный порог: из значений яркости цветового тона РS в точке Sk вычитались значения яркости РS, в точке Hk:

Pk= РS - PH

Согласно методике, выполнялся анализ образца ткани - срез ткани исследовался методом цифровой микроскопии и определялись значения высот волн изгиба нити. Полученные значения разностного порога и значения высот волн изгиба нити проходят автоматизированную статистическую обработку по следующему плану: исключаются резко выделяющиеся значения; проводится проверка на нормальность; выполняется корреляционный и регрессионный анализ. Получены статистические модели распределения яркости цвета на нитях различного волокнистого состава при исследовании изображений ткани в среде цветовых моделей RGB, XYZ, Lab. Для прогнозирования высоты волны изгиба нити, при исследовании изображения ткани в среде цветовых моделей RGB, XYZ, получены трехфакторные корреляционные модели H=f(R,G,B), H=g(X,Y,Z), а для исследования в модели Lab однофакторные корреляционные модели H=q(L). Обобщены полученные и известные сведения о цветовых моделях на основании чего сделан вывод о том, что для исследования полноцветных изображений ткани, следует использовать несколько цветовых моделей, которые образовывают графическую систему. В систему предлагается включить аппаратно-зависимые модели RGB - для получения изображения ткани и CMYK - для вывода на печать, и аппаратно-независимые модели XYZ, Lab - для анализа изображений. Коэффициенты цветности модели XYZ позволяют идентифицировать цвет нитей в ткани и определять области перекрытий и настилов нитей, которым соответствуют наибольшие значения коэффициентов цветности и мест пересечений систем нитей с наименьшими значениями. Особенности цветовой модели Lab, а именно, разделение показателей, характеризующих яркость и цвет, позволяют исследовать яркость в точках изображения, игнорируя цвет нитей в ткани, что дает возможность анализировать изображения тканей темных тонов. Для приведения идентифицированного на изображении ткани цвета нити в соответствие с международной палитрой Textile Pantone предлагается ввести данную палитру в графическую систему для исследования изображений ткани.

На основе анализа распределения яркости на полноцветном изображении предложена модель поиска элементов ткани, характеризующих ее переплетение, основанная на одном из правил комбинаторики - формуле включений и исключений. На изображении ткани имеется N элементов, каждый из которых может обладать признаками распознавания а1, а2, а3. Признак а1 - соответствует элементу изображения ткани с близкой к минимальной яркости цвета; а2 - соответствует элементу с близкой к максимальной яркости; а3 - соответствует элементу, имеющему промежуточный уровень яркости. Обозначим через N(а1, а2, а3) количество элементов ткани, обладающих признаками распознавания а1, а2, а3 (хотя могут обладать еще и некоторыми другими признаками). Если элемент не обладает некоторым признаком, этот признак пишем с чертой сверху. Количество перекрытий как элементов ткани обозначим N (1, а2, 3), количество просветов - N(а1, 2, 3), количество пересечений систем нитей - N(1, 2, а3). Поиск данных элементов изображения ткани выполняется, согласно, закону включений и исключений:

N(1, 2, 3) = N - N(а1) - N(а2) - N(а3) + N(а1, а2) + N(а2, а3) +

+ N(а1, а3) - N(а1, а2, а3).

Данная модель применена в методике автоматизированного определения параметров переплетения ткани.

При сканировании ткань накладывается на контрастную подложку, как правило, черную. На пробе - цифровом изображении ткани необходимо вычленить области Q, являющиеся проекциями нити на сканированном изображении ткани. Для определения геометрических размеров и местоположения нитей на изображении ткани вводится характеристическая функция

b(x,y) = , (2)

где x, y - координаты точек на изображении ткани.

Функция b(x,y) принимает значение «0» в точках с минимальной яркостью, то есть в местах межниточных просветов, и «1» в других точках. По результатам поиска определяются внешние границы нитей их расположение, на основе чего строится первичная геометрическая модель ткани в процедуре анализа ткани в программе «Дистанционный анализ и проектирование льняных тканей с заданными показателями».

В четвертой главе рассмотрено методическое обеспечение автоматизированного анализа ткани. Для практической реализации автоматизированного неразрушающего анализа ткани разработаны методы и методики идентификации параметров ткани, базирующиеся на сведениях, полученных в третьей главе. Предложена методика построения модели переплетения ткани и определения параметров переплетения, сущность которой сводится к получению матрицы переплетения, построение которой основано на идентификации признаков распознавания элементов ткани, характеризующих местоположение одиночных перекрытий, настилов, мест пересечений систем нитей и просветов по распределению яркости на изображении ткани. По полученной матрице определяются параметры переплетения ткани. Раппорт переплетения рассматривается как минимальное число нитей одной системы, после которого рисунок переплетения повторяется по столбцам (Xn) или строкам (Yn)

R=X-1; Ry=Y-1.

Средняя длина настила определяется как

t= R - n; t= R - n,

где n - номер строки в матрице, n - столбца.

Сдвиг рассматривается как разница координат между двумя ближайшими одинаковыми, то есть одноименными перекрытиями в соседних столбцах или строках

S= X- X; S= Y- Y. 

На основе данной методики разработан алгоритм генерирования внешнего оформления ткани, позволяющий расширить ассортимент вырабатываемых тканей.

Для определения плановых параметров нити использован метод вычисления координат объекта на плоскости. Методика определения геометрических параметров нити, предложенная в настоящей работе, позволяет определять размеры поперечников нитей и межниточных просветов на изображениях однослойных тканей, выработанных с использованием цветных нитей различными переплетениями. Для этого, используя характеристическую функцию (2), определяются координаты границ нитей на изображении ткани, которые отображаются на геометрической модели ткани. По координатам границ нитей вычисляются размеры поперечников нитей

d=| K[1]- K[2]|,

где K[1] начальная, а K[2]- конечная координаты внешних границ основной или уточной нити.

Координаты внешних границ нити основы обозначаются как: начальная (osn [1]) и конечная (osn [2]); нити утка соответственно координатами (Ut [1]), (Ut [2]). Полученные координаты применяются для определения фактических размеров горизонтальных поперечников основной и уточной нитей:

d =|osn[1].X- osn[2].X | • М,

d =|Ut[1].Y- Ut[2].Y|• М,

где k - масштабный коэффициент.

Вычисляется линейная плотность основной и уточной пряжи (То) (Ту) в текс,

То=[((dог+dов)/2)/(0,03162•Со)]2,

Ту=[((dуг+dув)/2)/(0,03162•Су)]2,

где dов, dув - размеры поперечников нитей основы, утка по вертикали, которые рассчитываются с учетом коэффициентов смятия нитей в ткани.

Для определения числа нитей в ткани в работе предложен способ, основанный на том, что количество нитей в ткани всегда на единицу больше, чем число межниточных просветов. Методика определения числа нитей в ткани предусматривает определение числа просветов, как числа элементов изображения, имеющих минимальную яркость (N(а1, 2, 3)). Число межниточных просветов на исследуемой пробе равно числу нитей в ткани в направлении одной из систем нитей. Тогда число нитей на 10 см в направлении одной из систем нитей определяется с учетом размеров исследуемого образца по горизонтали и вертикали (mо и mу , см), и масштаба изображения (М). Число нитей основы на 10см ткани рассчитывается как

Ро=(10vо/(mо M))+ 1,

а число нитей утка на 10см ткани как

Ру=(10vу/(mуM))+1,

где vо, vу - число просветов между нитями в направлении основы, утка.

Предложена методика построения цветной компьютерной модели пестроткани путем совмещения геометрической модели ткани и матрицы цвета изображения, в результате чего определяются цвета нитей в ткани, вычисляются манер сновки и манер прокидки. На цветной модели ткани отображаются нити и их цвет, для этого применяется метод однотонной закраски, при котором для каждой нити на геометрической модели вычисляют среднее значение цветового тона. Цветная модель ткани рассматривается, как числовой массив, применение к которому поисковой системы, оснащенной «счетчиком», позволяет вычислить количество нитей, имеющих одинаковый цветовой тон, как в направлении утка, так и в направлении основы, и определить манер сновки и прокидки цветных нитей.

Предложена методика выбора швейной фурнитуры для ткани в соответствии с ее внешними и структурными параметрами. Методика применена для выбора фурнитуры к коллекции ткани, спроектированной в модуле программы «Автоматизированный структурный анализ пестроткани».

В работе предложена методика построения виртуальной модели ткани, которая формируется путем определения цвета и яркости точек при заданной модели цвета. В каждой точке изображения строится линия визирования, определяется точка ее пересечения с моделями геометрии ткани, для найденной точки определяется цвет и яркость. Для построения реалистических изображений ткани, в процедуре тонирования геометрической модели ткани используется метод закраски Гуро, основанный на интерполяции значений интенсивности цвета. При этом максимальное значение яркости цвета присваивается элементам нитей, образующим на геометрической модели ткани одиночные перекрытия и настилы с центром в точке Hk, минимальное - местам пересечения систем нитей (т. Sk). Используя виртуальную модель ткани, вычисляются: высоты волн изгиба нити; порядок фазы строения; максимальные плотности ткани по основе, утку; коэффициенты наполнения ткани по основе, утку; фактические геометрические плотности ткани; уработка нитей основы, утка в ткани; линейное и поверхностное заполнение ткани по основе, утку; поверхностная плотность ткани.

На основе, разработанных методик, создано новое программное обеспечение «Автоматизированный структурный анализ пестроткани» и «Дистанционный анализ и проектирование льняных тканей с заданными показателями», работоспособность которого подтверждена экспериментально. Разработанная методология и созданное на ее основе программное обеспечение позволяют дессинатору оперативно, с достаточной точностью, определять параметры ткани и применять их, как для создания новых тканых структур с различным внешним оформлением, так и для контроля качества ткани на различных этапах формирования.

В пятой главе приведены результаты анализа взаимосвязей между параметрами ткани на различных этапах формирования. Результаты автоматизированного анализа, поведенного в четвертой главе, применены как исходные данные для проектирования ткани по параметрам прототипа. Метод проектирования ткани, предложенный в данной работе, предусматривает определение параметров свойств тканей, более всего интересующих потребителя (приведено в первой главе). Для этого в работе предложены методики, позволяющие определять параметры потребительских свойств тканей и прогнозировать изменения параметров строения ткани на различных этапах формирования: «на ткацком станке», «после отлежки», «после отделки», «после влажно-тепловой обработки», практически реализованные в программе «Дистанционный анализ и проектирование льняных тканей с заданными показателями». На основе экспериментальных данных созданы представления о закономерностях изменений, происходящих в структуре ткани на различных этапах формирования.

В ходе проведенного эксперимента исследованы и испытаны 34 артикула ткани бытового назначения, выработанные из льняных и хлопчатобумажных пряж, выборка составила более 70 образцов и порядка 3000 проб. Проводился анализ структуры ткани, как известным инструментальным методом (цифровая микроскопия), так и новым, предложенным в работе, неразрушающим способом. Сравнительный анализ результатов исследований не выявил принципиальных различий и подтвердил возможность использования разработанного программного обеспечения для проведения экспресс анализа ткани. Выполнены испытания физико-механических свойств ткани и пряжи в суровом виде и после химической обработки. В результате проведенного эксперимента получены новые сведения об изменении параметров ткани и пряжи на различных этапах формирования, которые использовали для наполнения баз данных для автоматизированного проектирования тканей льняного ассортимента.

Безусловно, параметры заправки ткацкого станка влияют на структуру суровой ткани, что и подтвердил проведенный эксперимент. Однако ранее не было установлено, какие из параметров заправки ткацкого станка и каким образом влияют на структуру ткани. Исследовались суровые ткани, выработанные на ткацких станках СТБ2-180 при варьировании заправочного натяжения, плотности ткани по утку, линейной плотности уточной пряжи. Установлено, что: варьирование линейной плотности уточной пряжи с 28 до 56 текс не привело к значительному изменению структуры ткани, при этом отмечается несущественный рост уработки нитей основы (на 1,2%) и порядка фазы строения (на 3%); изменения в структуре ткани, обусловленные увеличением плотности ткани по утку, более существенны. Увеличение числа уточных нитей на 10 см с 90 до180 привело: к повышению значений горизонтальных размеров поперечников нитей в среднем на 7%, высоты волны основы на 22,8%, заметному (42%) снижению высоты волны утка, и к переходу структуры ткани в другую фазу строения; рост заправочного натяжения основы способствовал закономерному снижению высоты волны изгиба основных нитей на 23,5% и увеличению hy на 35%, следствием чего явилось снижение значения порядка фазы строения на 17% и уменьшение уработки основы с 8,4 до 4,8%.

Анализ параметров ткани после 48-часовой отлежки показал, что структура ткани за данный временной период стабилизировалась. Установлено, что колебания заправочного натяжения на 10-20% в период отлежки ткани нивелируются и в конечном итоге не сказываются на качестве и структуре ткани, в частности на порядке фазы строения. Полученные сведения важны для понимания вопроса об изменении структуры ткани и пряжи после снятия со станка и период отлежки. Результаты экспериментальных исследований нитей основы и утка в ткани, а именно пары значений коэффициентов смятия нитей по горизонтали и вертикали, соответствующие смятию основных нитей в ткани, применены для формирования БД «Сырье» в программе «Дистанционный анализ и проектирование льняных тканей с заданными показателями». Изменения в структуре ткани в период отлежки вызваны вязкоупругими свойствами пряжи и ткани, которые при резком снижении нагрузки, обеспечиваемой натяжением нитей на ткацком станке, способствуют установлению равновесия в ткани и частичному восстановлению исходного состояния нитей и волокон в структуре ткани. Экспериментально установлено, что наиболее активно структура ткани изменяется непосредственно после снятия ее с ткацкого станка и первые 48 часов, затем процессы релаксации в ткани затухают, в частности значения уработки основных нитей в ткани после 48 часов варьируются в пределах 0,5%, что не оказывает существенного влияния на структуру ткани. Отмечено, что за 48 часов отлежки хлопчатобумажные ткани дали существенную усадку по ширине, в то время как льняные ткани, напротив, увеличили свои линейные размеры в направлении утка. Прирост ширины у тканей, содержащих льняную пряжу в утке, объясняется высокой жесткостью льняных нитей при изгибе. Полученная информация об изменениях ширины хлопчатобумажных, полульняных и льняных тканей систематизирована в соответствии с содержанием в них льняного и хлопкового волокна. Получены закономерности, связывающие параметры ткани на этапах «после отлежки» и «на ткацком станке», которые, в свою очередь, применены в алгоритмах проектирования ткани для определения параметров суровой ткани «на ткацком станке», позволяющих технологу ткацкого производства корректно определить параметры наладки ткацкого оборудования.

Проанализировано влияние структуры на свойства ткани, в частности на ее прочностные характеристики - разрывную нагрузку полоски ткани в направлении основы, утка и стойкость ткани к истиранию. Опираясь на теорию о фазовом строении ткани Н.Г. Новикова и полученные экспериментальные данные, выдвинуты теоретические суждения об устойчивости ткани к внешним воздействиям и степени участия нитей основы и утка в формировании опорной поверхности ткани. Определены значения коэффициента участия систем нитей основы и утка в сопротивлении ткани направленным внешним воздействиям. Полученные сведения важны при разработке нового ассортимента ткани - это позволяет проектировать ткань рациональной структуры, когда параметры ее строения выбираются с учетом прочностных характеристик пряжи. Значения коэффициентов участия систем нитей в ткани (Ко, Ку,) использованы в настоящей работе, в методиках для прогнозирования прочностных характеристик ткани и являются элементами БД «Строение ткани».

Исследованы параметры тканей, прошедших различные виды отделки: беление, крашение, печатание, а также аппретирование, химическое, химико-механическое умягчение. Полученные значения изменения разрывной нагрузки ткани и стойкости к истиранию после отделки согласуются со справочными данными и дополняют их новыми сведениями о влиянии различных видов умягчения ткани. Полученные сведения для тканей льняного ассортимента важны для процедур, связанных с выбором вида отделки и прогнозирования единичных показателей ткани по назначению при проектировании, как новой ткани, так и по заданным параметрам. Значения об изменении прочностных характеристик ткани в период отделки применены для вычисления коэффициентов (R), учитывающих изменение разрывной нагрузки ткани и стойкости ткани к истиранию в процессе отделки:



R=1-n/100,

где n - эмпирический параметр, характеризующий изменение свойств ткани после отделки, %.

Пары значений коэффициентов, учитывающих изменение разрывной нагрузки ткани по основе и утку, и значения коэффициентов, учитывающих изменение стойкости ткани к истиранию после отделки, включены в БД «Отделка» программы для автоматизированного проектирования ткани «Дистанционный анализ и проектирование льняных тканей с заданными показателями».

Для выработки тканей бытового назначения традиционно применяют беленые, вареные и крашеные льняные и хлопчатобумажные пряжи, имеющие широкий диапазон линейных плотностей (от 25 до 86 текс). Анализ данных о влиянии химической обработки, а именно крашения пряжи, на физико-механические свойства пряжи в справочной и научной литературе не приводится. Проведен эксперимент, в результате которого определены значения коэффициентов потери разрывной нагрузки и стойкости к истиранию пряжи после химической обработки. Полученные новые сведения для пряж, используемых для выработки тканей льняного ассортимента, применены в методиках для прогнозирования параметров ткани, характеризующих прочностные свойства тканей, а значения коэффициентов потери разрывной нагрузки и стойкости к истиранию пряжи после химической обработки введены в БД «Сырье».

Оценивалось влияние структурных параметров ткани, в том числе уработки нитей в ткани после отлежки (ао'), параметров отделки ткани (усадки ткани по ширине (ас) и притяжки (П)) на изменение линейных размеров ткани после влажно-тепловой обработки (Уо, Уу). Получены двухфакторные корреляционные модели Уо=j(ао', П) и Уу=k(ао', ас), позволяющие прогнозировать изменение линейных размеров ткани после влажно-тепловой обработки при проектировании ткани.

Проанализированы известные методики прогнозирования разрывной нагрузки полоски ткани и стойкости ткани к истиранию. Установлено, что данные свойства ткани прогнозируются с их помощью недостаточно точно. Предложено внести изменения в методику, предложенную С.А. Дынником, для расчета разрывной нагрузки ткани и заменить коэффициент, указывающий на равное участие нитей основы и утка в ткани, на коэффициенты Ко(у)- характеризующие участие систем нитей основы и утка в ткани, в зависимости от порядка фазы ее строения. Внесенные в известную методику прогнозирования разрывной нагрузки полоски ткани уточнения позволили повысить ее точность и снизить процент отклонения расчетных значений от экспериментальных до 3-7%. На основании учета тесноты связи между прочностными и структурными параметрами ткани предложена методика расчета стойкости ткани к истиранию. Сравнение значений, полученных при помощи новой методики и результатов эксперимента, показало ее удовлетворительную точность, отклонение между значениями составло в среднем 5%.

При предварительном выборе параметров структуры вновь проектируемой ткани необходимо иметь критерии, позволяющие рационально осуществлять данный выбор. Анализ результатов исследований, показал, что в качестве параметров оптимизации при проектировании новой тканой структуры могут выступать показатели, характеризующие извитость нитей в ткани, например, порядок фазы строения, который, как известно, описывает структуру ткани и оказывает влияние на свойства ткани. Проектирование ткани с заданным порядком фазы строения позволит дессинатору прогнозировать, какая из систем нитей будет формировать опорную поверхность ткани, определять ее внешний вид и потребительские свойства, то есть позволит отчасти управлять показателями ткани на стадии ее проектирования. Ранее в работах Н.А. Федоренко выведен формальный коэффициент равновесности структуры ткани: