基于摩擦振動信號的織物觸感分類研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對紡織品的要求已經(jīng)不僅僅局限于遮蔽、保暖等基本功能，開始追求穿著舒適性。而織物的舒適性很大程度上取決于織物的觸感，即人用手觸摸纖維和織物的感覺反應(yīng)?，F(xiàn)實(shí)生活中人們通過觸摸來挑選感覺舒適的服裝，實(shí)際上就是對織物觸感的一種分類。現(xiàn)有的織物觸感分類方法主要包括KES織物風(fēng)格儀法、FAST織物風(fēng)格儀法和PhabrOmeter織物手感評價(jià)系統(tǒng)。從本質(zhì)上來說，以上三種方法都是以基本物理機(jī)械性質(zhì)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)

2、學(xué)方法，得出其與織物觸感感官分類之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系評價(jià)，從而能夠?qū)㈩愃瓶椢锓诸悺?br>　　但是，目前的方法與人體真正的觸感存在差距，主要原因可能是忽略了觸感產(chǎn)生的生理過程和本質(zhì)含義，即織物與手指間的接觸摩擦作用觸發(fā)了人體感受器而產(chǎn)生感覺。物體表面不同的紋理造成手指在滑動過程中產(chǎn)生振動，這種多頻振動是刺激人體觸覺感受器的關(guān)鍵因素。已有的研究表明，在人體觸覺質(zhì)感的形成過程中存在兩種編碼機(jī)制，即時(shí)間編碼機(jī)制和空間編碼機(jī)制，分別編碼不同頻率和相

3、位的振動刺激信號。
　　關(guān)于物體與手指間的摩擦振動的研究主要關(guān)注硬質(zhì)物體，分析摩擦振動信號與物體表面性質(zhì)間的關(guān)系，并進(jìn)行辨別和分類。就柔性紡織品而言，已有的工作主要集中在基于摩擦振動信號估算表面性質(zhì)參數(shù)，較少涉及織物與手指間的摩擦振動信號與織物觸感間的關(guān)系。
　　而織物作為一種柔性集合體，由毛羽、紗線、織物組織等組成特征豐富的表面紋理。在織物與手指的接觸摩擦過程中，具有不同屬性的織物與皮膚相互作用產(chǎn)生不同的振動信號。該振動信

4、號不僅包含了織物表面的紋理信息及材料特性，還體現(xiàn)了手指與織物接觸摩擦過程中的相互作用，若以此為織物觸感的分類依據(jù)，則更貼近人體真實(shí)感覺。
　　因此，本課題以織物觸感的生理刺激量為基礎(chǔ)，尋求一種織物觸感的客觀分類方法，具體開展了以下研究內(nèi)容：
　?。?）采集織物與手指接觸過程中產(chǎn)生的摩擦振動信號，基于人體觸覺感受器對振動刺激的響應(yīng)特征，運(yùn)用頻譜分析技術(shù)對其進(jìn)行分析，提取特征空間。研究發(fā)現(xiàn)，該特征空間能夠有效表征手指所受的生理刺

5、激。
　　設(shè)計(jì)一組分別以緯密、緯紗支數(shù)、緯紗材質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)為變量的機(jī)織物作為織物觸感分類樣品，測量手指恒速滑過織物表面時(shí)產(chǎn)生的摩擦振動信號。對信號進(jìn)行去噪處理后，運(yùn)用快速傅里葉變換（FFT）將其轉(zhuǎn)換成頻域功率譜。由于不同的人體觸覺感受器具有不同的振動刺激敏感頻率，且只有當(dāng)刺激達(dá)到一定程度時(shí)才能觸發(fā)，即存在刺激閾值。本課題將手指的刺激響應(yīng)頻率范圍0-500Hz細(xì)分為16個(gè)頻段，計(jì)算每個(gè)頻段內(nèi)功率譜高于閾值曲線部分的面積，定義其為振動

6、強(qiáng)度值。同時(shí)，為了避免信息重復(fù)，提高表征效率，運(yùn)用主成分分析方法將振動強(qiáng)度值降維，得到表征振動刺激的5維特征空間。最終得到的5維特征空間即為表征手指所受生理刺激的指標(biāo)。
　　（2）以提取得到的振動強(qiáng)度特征空間為自變量，運(yùn)用不同監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對織物觸感進(jìn)行分類。研究表明，基于振動強(qiáng)度特征空間能夠有效對織物觸感給予分類。并且，運(yùn)用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類結(jié)果最準(zhǔn)確。
　　分別采用聚類分析、K-NN、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，

7、以提取得到的5維特征空間為輸入量，對織物粗糙感和柔軟感進(jìn)行分類。同時(shí)進(jìn)行感官評價(jià)實(shí)驗(yàn)，通過客觀分類方法與感官評價(jià)結(jié)果的一致性判斷分類準(zhǔn)確性。對不同分類計(jì)算方法的分類準(zhǔn)確性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，聚類分析的分類由于數(shù)據(jù)處理較簡單，分類結(jié)果最不準(zhǔn)確。而徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其模擬人類思維的計(jì)算原理，得到最貼近人體真實(shí)感受的觸感分類結(jié)果。
　?。?）為了驗(yàn)證基于摩擦振動信號的織物觸感分類方法的可行性和可靠性，選擇另一組織物試樣，對比分析感官分類結(jié)果和本

8、課題建立的客觀方法的分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)粗糙感分類結(jié)果具有普適性，而柔軟感分類方法有待改進(jìn)。
　　隨機(jī)選取一組表面性質(zhì)差異較大的織物，邀請10名受試者進(jìn)行摩擦振動信號采集和感官評價(jià)實(shí)驗(yàn)。在對分類結(jié)果的分析中發(fā)現(xiàn)，針對同一受試者而言，無論是粗糙感還是柔軟感，該方法的分類結(jié)果均接近感官評價(jià)結(jié)果；對于不同受試者而言，運(yùn)用該方法得到的粗糙感分類結(jié)果較為一致，但柔軟感分類結(jié)果間存在較大差異。這主要是由于柔軟感的感知方式不能夠充分提取信息，導(dǎo)致分類