織物製造及び設計における画像処理の役割について
五 十 嵐 哲 也†

豊 浦 正 広††（正会員） 茅 暁 陽††（正会員）†山梨県産業技術センター，††山梨大学

Role of Image Processing for Textile Production and Design
Tetsuya IGARASHI†, Masahiro TOYOURA†† (Member), Xiaoyang MAO†† (Member)†Yamanashi Industrial Technology Center, ††University of Yamanashi

1.

緒言

2.

糸から形成される平面状の構造物には大別して編物，織物，不織布（フェルト）があり，それぞれ有史

2.1

織物製造及び設計について紋データによる織物製造と設計画像処理による織物設計以前からの歴史を持つ．なかでも織物は世界の多くの文化で受け継がれる主要な技術であり，日本でも縄文織物製造に必要な情報を記録するうえで紋紙（日本1) ．織 物 製 造

での織物用パンチカードの呼称）という媒体が有効なに関する科学はその発展過程において，染色化学，生のは，織物構造が経糸と緯（よこ）糸の交差における物学，農学，工学など様々な学術分野にまたがり，織上下関係という，二値情報を最小基本単位としている物は人類の科学技術とともに発展してきたといえる．

ことに由来する．経糸を上下だけでなく左右にも動か時代には織物が製造されていたとされる

情報科学と織物との関わりについては，経（たて）す紗織りのような特殊な例を除けば，織物の構造は二糸を複雑に操作して柄を現出するジャカード織機の誕値情報で表すことが可能である．図 1 に示すように，生に遡る．いまあるジャカード織物のルーツは，紀元

織物組織図では経糸が上の交差は「■」で，紋紙上で前後の中国で生まれた花機または提花機（日本では空は穴をあけることで示され，緯糸が上の交差は「□」

引 機 ） 2) が 存 在 し て い た が ， 数 百 本 以 上 の 経 糸 一 本 ず
つを同時に制御する本格的なジャカード織機はフランス の J.M.ジ ャ カ ー ル に よ っ て 1801 年 に 実 用 化 さ れ た ．
ジャカールはそれまで人の手で行っていた経糸の制御を ，パ ン チ カ ー ド の 読 み 取 り 機 構 に よ っ て 自 動 化 し た ．
いわゆるジャカード織機の誕生は，媒体に記録された情報を読み取って機械を制御した人類初の事例と考えられる．このパンチカードによる情報処理を応用して
C.バ ベ ッ ジ は プ ロ グ ラ ム 可 能 な 計 算 機 を 世 界 で 初 め て考 案 し た ．1887 年 に は H.ホ レ リ ス が パ ン チ カ ー ド シ ス
テムを実用化し，それ以降，コンピュータ以前での情報処理の主流となった．
現在のジャカード機構は，電子制御により 1 万本以上の経糸を操作し，コンピュータ以前には不可能だった巨大な意匠を実現することができる．しかし現在で
図 1もいまだパンチカード式の織機を使用している工場は少なくない.

Fig.1

織物組織図と三原組織

Weave diagrams of the three basic weave patterns

13.

で，紋紙上では穴を開けないことで示される．なお，実際には紋紙上には経糸の上下を制御する組織図だけでなく，織機の緯糸選択機構に用いる杼（ひ）替え情報，生地の巻き取りを停止させる信号など織機を制御する他の情報も記録される．
2.2

織物組織と制約画像処理による織物設計

3.1

織物によるグラデーション表現

増点法

ジャカード織物は，前節で述べたように異なる組織を領域毎にタイリングして形作られるため，各領域の内部については平坦で一様なパターンとなっている．
一方，伝統的なジャカード織物技法の中には，図 2 に経糸と緯糸の上下関係を示す織物組織図における示すように段階的に階調が変化したグラデーションを「■・□」の配置パターンの違いにより，織物組織は表現する増点法と呼ばれる手法がある．増点法は織物

平 織・綾 織（ 斜 文 織 ）・繻 子 織（ 朱 子 織 ）と い う 三 原 組

制約を守りつつ，経糸・緯糸の交差における上下関係織に大別される．これらは経糸及び緯糸の本数に対応の比率が段階的に変化する織物組織を並置することにして概ね数～十数マス四方程度のマトリクスで表されより，連続的な階調を実現する．しかし従来の増点法る「完全組織」を最小単位とし，それらを経・緯方向

では用いられる段階数が少なく，緩やかなグラデーシにタイリングして織ることで，織物組織は糸の立体構ョンを表現しようとする場合には，熟練した手作業で造に変換される．の補正を要するという課題がある．

織物組織をもとに形成される生地の堅ろう性や美的な外観を保持するために，織物組織には次のような条件が求められる．
(1) 交 差 が 起 こ ら な い 個 所 が 経 糸 ・ 緯 糸 方 向 と も に一定の長さ以上続かないこと．
(2) 交 差 の 間 隔 の 長 短 の 差 が 経 糸 ・ 緯 糸 方 向 と も に一定の範囲内であること．

3.2

従来技術とその課題

この課題を解決し発展させる手法として写真織と呼ばれる技術が増点法をもとに提案されてきた．例えば Ng ら 3 , 4 ) は 増 点 法 の 段 階 数 を 大 き く 増 や し ， デ ー
タベース化した組織のバリエーションを用い，さらに緯糸に複数の色糸を使用することで，カラー写真のよこ れ ら の 中 で (1) が 守 ら れ な い 場 合 に は 糸 の 浮 き がうに連続的に変化する階調と色彩を実現する手法を示

長すぎることから，糸が外力によって損傷したり引っした．しかしながら，筆者らはそれらの手法では緩や張 り 出 さ れ た り な ど の 弊 害 が 起 こ り ，(2)で は ノ イ ズ 状

かな階調のグラデーションにおいて意図しない繰り返の外観をもたらすことになる．ここでは，これらを織しパターン（アーティファクト）の発生を防げないこ物制約と呼ぶ．
2.3

画像処理による織物設計

ジャカード織物では，表現しようとする図案を領域と，また組織サイズ未満の微細構造が再現できないことなどの課題を見出した．

4.

画像をより忠実に再現する織物ディザ法

分割し，領域毎に異なる織物組織をタイリングするこ

筆者らは前節で述べた課題を解決するために，新たとで織物上に柄を現出する．ジャカード織物の設計にに織物組織生成に特化したディザマスクであるステッ

おいては図案中の領域数，使用する糸の素材，番手，ピングディザマスクを用いた画像処理技術として，組密度など製織条件を勘案しながら，織物制約のもとで織 的 デ ィ ザ 法 を 開 発 し た 5～ 7)． 図 3 に ス テ ッ ピ ン グ デ

適切な織物組織を選択することが求められるため，設ィザマスクによる二値化処理の概要を示す．ここで図計者には，複雑な作業と高度な技術が要求される．こ3(a)は 入 力 画 像 の 画 素 値 ， 図 3(b)は ス テ ッ ピ ン グ デ ィの 設 計 プ ロ セ ス に お い て ，図 案 と 織 物 組 織 を 関 連 付 け ，

ザ マ ス ク の 閾 値 と そ の 配 置 を 示 し ， 図 3(c)は ス テ ッ ピ

二値データに変換する作業を紋処理と呼ぶ．ここで行われる画像処理は，大別するとまずデザイン画などの画像を減色して領域分割することと，織物組織のタイリングを意匠図と呼ばれる表記法を用いて編集することの二つからなる．前段の処理は汎用グラフィックアプリケーションが用いられることも多いが，後段の紋処理は専用のデザインシステムを用いて行われている．
紋処理はコンピュータ技術により大幅に省力化されて
図 2

は い る が ， 基 本 的 に は 200 年 前 か ら 行 わ れ て い た 手 作
業がデジタル化されたものといって良い．

Fig.2

増点法

Example of shaded satin2

ン グ デ ィ ザ マ ス ク を 用 い た 二 値 化 結 果 を 示 す ． 図 3(e)…o n n -1 }を 定 義 し た ．そ し て オ ー ダ ー ユ ニ ッ ト を 変 化 さのように出力結果が連続階調を持つ織物組織となるよ

せたときのステッピングディザマスク内の閾値の偏り

うステッピングディザマスクを用いて行う二値化手法

を数値化したコスト関数が最小となるオーダーユニットを求め，これをステッピングディザマスクに適用す全般を，織物ディザ法と呼ぶ．
ステッピングディザマスクは増点法の段階数を最ることで，アーティファクトの発生を防止する手法を大化した場合と同等の二値画像を出力するよう設計さ

開 発 し た 8 ) ．こ の 二 値 化 技 術 を ，こ こ で は OSD (Orderedれたディザマスクである．ステッピングディザマスクStepping Dithering) 法 と 呼 称 す る ．ま た OSD 法 で は オ

は織物制約を満たす二値化結果を得るために，各行・ーダーユニットは各スロットで同一のものを用いるが，列 に 一 度 の 交 差 が 起 こ る よ う 0 と 255 の 閾 値 を 各 行 ・その数列の開始順序にランダム処理を加えることによ

列に一つずつ含み，またその中間の閾値についてはそり，同一のディザマスクのタイリングがもたらす外観の 名 が 示 す よ う に 階 段 状 に 配 置 さ れ る ．n×n の デ ィ ザの 規 則 性 の 強 さ を 緩 和 さ せ る 手 法 と し て ， RSSD

マスク内にある閾値は，図 4 に示すように互いにオー(Random Shift Stepping Dithering) 法 を 提 案 す る ． 図 6バーラップしないレンジを持つ V

0 …V n-1 の グ ル ー プ にに 示 す の は ， RSSD 法 を 用 い た 試 織 結 果 で あ る ．

分けられ，それらはマスクの各行における同じ段に相当 す る ス テ ッ プ を 示 す グ ル ー プ ， ス ロ ッ ト S 0 …S n -1 に割 り 当 て ら れ る ． 例 え ば ス ロ ッ ト S 1 ={s 1 0 , s 1 1 ,s 1 2 ,…s 1 n -1 }は 図 4（ b）で 示 す よ う に S 0 の 右 隣 に 位 置 し ，
そ こ に 閾 値 の グ ル ー プ V 1 ={v 1 0 , v 1 1 , v 1 2 ,…v 1 n-1 }が 割 り当てられることになる．
4.1

緩やかなグラデーションへの最適化

筆者らは，ステッピングディザマスク内の閾値がディザマスク内に均等に分散していないと，緩やかなグラデーションなど低周波領域において織物生地上に好図 4

ましくない外観を与える繰り返しパターン，アーティステッピングディザマスクとスロット
Fig.4

Slots in a stepping dither mask

ファクトが発生してしまうことを見出した．そこで，スロットと閾値の対応を評価しステッピングディザマ
スクを最適化することでアーティファクトの発生を妨
げ る こ と を 目 的 と し ，図 5 に 示 す よ う に n 個 の 自 然 数
か ら な る 数 列 ， オ ー ダ ー ユ ニ ッ ト O n ={o n 0 , o n 1 , o n 2 ,

図 3

図 5

オーダーユニットによるマッピング

Fig.5

Mapping of threshold values and slots

ステッピングディザマスクと二値化結果Fig.3

Example of Stepping dithering

図 6
Fig.6

RSSD 法 に よ る 製 織 結 果

Resulting woven fabric via RSSD method

3

4.2

微細構造の再現手法

値 n はディザマスクサイズにあたる．対象画素は，図OSD 法 な ど の 組 織 的 デ ィ ザ 法 は ，一 つ の デ ィ ザ マ ス
クのブロック全体として，その領域の輝度を確率的に再現するが，マスクサイズよりも小さな視覚的構造はディザパターンの構造に埋没し，そのため入力画像の高周波成分が再現されにくいという課題があった．そこで，ステッピングディザマスクを使った組織的ディザ法のプロセスに，織物制約を尊重しながらローカルな明暗情報を優先する二値化プロセスを組み込み，微細構造をよりよく再現する手法を開発した．具体的には，ある限定された領域において，画素単位で閾値を定めた通常の組織的ディザ法の代わりに，マスクサイズ全体として輝度を保存するよう配慮しながら入力画素 の 輝 度 の 明 暗 に 応 じ て 出 力 画 素 を 0 と 255 へ 振 り 分ける二値化を行う．その領域を定義するために，まず
図 7(a)に 示 す よ う な ， 境 界 ス ロ ッ ト と い う 概 念 を 用 いる．
図 7(a)で C を 閾 値 と し て 同 図 B で 示 す 入 力 画 像 を 二値 化 す る と ，同 図 D に 示 す よ う に 白 と 黒 が 周 期 的 に 繰り 返 さ れ る 出 力 画 像 と な る ．同 図 A に 示 す 各 ス ロ ッ トの う ち ，同 図 F の よ う に 白 と 黒 の 両 方 の 出 力 結 果 を もたらすスロットを，ここでは境界スロットとする．そして境界スロットにおける各スロットのうち，次の式7(b)に 示 す よ う に 各 ス ロ ッ ト の 閾 値 レ ン ジ の 中 央 値 から上下に d の幅の範囲に画素値を持つ画素とする．この手法では，ディザマスクによる閾値処理を基本的に用いることで織物制約を尊重しつつ，境界スロットにおいて d で定義されたレンジの範囲にある画素に対しては入力画像の輝度の大小に従い二値化することで，微細構造をよりよく反映した出力画像を得ることができる．この手法を，閾値のレンジに応じて異なる処理を 選 択 的 に 適 用 す る 二 値 化 手 法 で あ る こ と か ら TVR(Threshold Value Range) 法 と 呼 称 す る ．
4.3

スムースな階調と微細構造の両立

より広いレンジの空間周波数に対応した織物ディザを行うことを目的とし，前節までに述べた２つの手法を併用する手法を開発した．併用にあたって，ある画素において入力画像の変化の度合いを基準として画素 単 位 で の 閾 値 処 理 を 行 う こ と で OSD 法 と TVR 法 のどちらの結果を採用するかを決定する．入力画像の変化 の 度 合 い は 数 式 (2)の A p を 用 い ，閾 値 を T p と し て A p≧ T p と な っ た と き TVR 法 が 用 い ら れ る ．こ こ で ，p(x,y) は 座 標 (x, y)の 画 素 値 と し ， T p は 実 験 結 果 を も と に
T p =6 と し て 試 織 を 行 っ た ．

で定められた範囲内にある画素値を持つ画素を，画素の明暗に応じた二値化処理を行う対象画素とする．
d  Rt  S /(n  2)

(1)

数 式 (1)に お い て R t は ， こ の 処 理 に よ っ て 生 じ 得 る
階調差の強調度合をユーザが制御可能とするための係数である．S は入力画像のディザマスクサイズ内にある画素の標準偏差を表し，入力画像に含まれる微細構造の複雑さに応じて対象画素を増やす作用をもたらす．

A p ( x, y) 1 2 2  p( x, y)  p( x  i, y  j )24 i 2 j 2(2)本 手 法 に よ る 試 織 結 果 を 図 8 に 示 す ． 図 8(a)に は オーダーユニットによる最適化を行っていないステッピ
ン グ デ ィ ザ マ ス ク に よ る 結 果 を ，図 8(b)，(c)に は OSD
法 と TVR 法 を 併 用 し ， 係 数 R t に よ る 枝 の 細 部 の 再 現性の違いを示すとともに，低周波領域でのアーティフ
ァ ク ト 除 去 の 効 果 も 示 し て い る ． 図 8(d)～ (f)は い ず れも OSD 法 と TVR 法 を 併 用 し ，係 数 R t に よ る 山 腹 の 雪渓の細部の再現性の違いを示したもので，コントラス
トの低い入力画像にも微細構造の再現に効果があること を 示 し た ． 図 8(h)～ (j)は 異 な る n に よ る 違 い を 示 している．これらの結果にあるように，織物上で入力画像を再現するうえで低および高周波領域での課題を解決し，より広いレンジの空間周波数に対応した織物表現が可能となった．

5.

結言

ジャカード織物は，互いに直交する経糸・緯糸の色と互いの交差構造により視覚効果を布上に表現する．
図 7
Fig.7

境界スロットBoundary slot and limited range of threshold

ここで述べたような，織物制約を考慮しながら視覚情報の再現を高度化するための研究は，画像処理をとおして視覚情報だけでなく媒体である織物構造の設計を

4

図 8
Fig.8

製織結果

Resulting woven fabric

謝辞

同時に行い最適化しようとする試みであるといえる．
媒体そのものの構造が視覚的な情報を表現する役目も担うという意味で，紙やモニタスクリーンを媒体として表現される印刷やデジタル画像などと大きく異なっ

本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費 JP16H05867 の 助 成 を 受けたものである．

参考文献ている．ジャカード織物の誕生時に画像処理という言葉はなかったが，織物構造を考慮しつつ手描きの図案を方眼紙上の二値情報に変換する作業は，人の手によるデジタルな画像処理のさきがけであったといえるのではないか．本稿でジャカード織物の歴史とともに概観 し ， ま た 近 年 の 織 物 デ ィ ザ 法 か ら OSD 法 ， TVR 法1)2)3)の研究例で示したように，織物における画像処理の役割は，今後も新たな視点からの探求により様々な可能性を持つものと思われる．

4)

福 井 貞 子 ：“ も の と 人 間 の 文 化 史 123・ 染 織 ” , 法
政 大 学 出 版 局 , pp. 1-3(2004)
阿 久 津 光 子 ：“ ジ ャ カ ー ド と い う 表 現 ” , 総 合 文 化
研 究 所 年 報 ， 第 20 号 ， pp. 35-58 (2012).
F. Ng, J. Zhou: “Innovative Jacquard Textile DesignUsing Digital Technologies”, Cambridge: Woodhead
Publishing Limited, pp. 27-48 (2013).
F. Ng, J. Zhou: “Digital Jacquard Textile Design in aColorless Mode”, Res. J. Text. Apparel Research, 10,pp. 36-42 (2006).

55)

6)

7)

8)

B. E. Bayer: “An Optimum Method for Two-Level
Rendition of Continuous-Tone Pictures”, Proc. ofIEEE ICC’73, pp. 11-15 (1973).
豊 浦 正 広 ，五 十 嵐 哲 也 ，庄 司 麻 由 ，茅 暁 陽：“ ジ ャ
カ ー ド 織 物 作 製 の た め の 制 約 付 き 画 像 二 値 化 ”，芸術 科 学 会 論 文 誌 ，Vol.13，No.3，pp. 124-133 (2014).
豊 浦 正 広 ，五 十 嵐 哲 也 ，庄 司 麻 由 ，茅 暁 陽：“ ジ ャ
カード織物作製のための領域内パターン生成と領域 間 パ タ ー ン 最 適 化 ”， Visual Computing/グ ラ フ ィク ス と CAD 合 同 シ ン ポ ジ ウ ム 2014，No.11 (2014).
T. Igarashi, M. Toyoura, X. Mao: “Optimizing DitherMask for Rendering Smooth Tone on Fabric”, Proc. ofNICOGRAPH International 2016, pp.75-82 (2016).

五 十 嵐哲 也

1992 年 千 葉 大 学 工 学 部 工 業 意 匠 学科 卒 ．現 在 山 梨 県 産 業 技 術 セ ン タ ー
富士技術支援センターに勤務．コン
ピュータ活用による織物産地のデザイン支援のほか，産地企業のブランド力向上のための各種支援事業に従事．

（正会員）
豊 浦 正 広2008 年 京 都 大 学 大 学 院 情 報 学 研 究科 博 士 後 期 課 程 修 了 ．2009 年 山 梨 大学大学院医学工学総合研究部 助教．
現 在 山 梨 大 学 大 学 院 総 合 研 究 部 /大学 教 育 セ ン タ ー 准 教 授 ．デ ィ ジ タ ル
ファブリケーション，コンピュータグラフィックス，画像・映像処理，教育工学に関する研究に従事．
（正会員）
茅 暁 陽
1987 年 東 京 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科
博士課程修了．現在 山梨大学 大学
院医学工学総合研究部教授．画像処理，コンピュータグラフィックス，可視化の研究に従事．

6