張瑩瑩，韓潤(rùn)萍

(北京服裝學(xué)院信息工程學(xué)院，北京100029)

織物疵點(diǎn)檢測(cè)是紡織品生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到紡織品的品質(zhì)及最終質(zhì)量評(píng)定。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且易造成誤檢和漏檢，所以織物疵點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱門(mén)課題之一，且已取得大量理論與實(shí)踐成果。隨著理論和技術(shù)的發(fā)展，研究人員逐漸將研究方向集中于利用多尺度多方向的數(shù)學(xué)工具對(duì)圖像進(jìn)行分解，從而提取出疵點(diǎn)信息，如Gabor濾波器組［1-2］、小波變換［3-6］、Contourlet變換［7］等。但這些方法在檢測(cè)效果與算法復(fù)雜度之間往往不能兼顧，加上織物疵點(diǎn)種類(lèi)繁多、形態(tài)各異，在提高算法的適應(yīng)性方面也存在一定難度。因此，開(kāi)發(fā)出適應(yīng)范圍廣、實(shí)時(shí)性好、檢測(cè)精度高的檢測(cè)算法仍然是研究人員面臨的一大難題。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種利用非下采樣Contourlet變換(NSCT)對(duì)織物疵點(diǎn)圖像進(jìn)行分解，并對(duì)分解后的低頻子帶和各高頻子帶系數(shù)直接進(jìn)行處理從而將疵點(diǎn)與織物背景相分離的疵點(diǎn)檢測(cè)新方法。由于經(jīng)NSCT分解后低頻子帶系數(shù)分布較集中，疵點(diǎn)與織物背景對(duì)比度不明顯，故采用非線性增益函數(shù)對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)變換;對(duì)于高頻子帶，由于子帶所含疵點(diǎn)信息量不同，故可挑選出疵點(diǎn)區(qū)域響應(yīng)較強(qiáng)的子帶，然后利用均值與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)低頻子帶和選定的高頻子帶圖像分別進(jìn)行閾值化處理，最后將處理結(jié)果融合與分割，得到二值化的織物疵點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果圖像。

1 非下采樣Contourlet變換

Contourlet變換是在小波變換多尺度的基礎(chǔ)上，結(jié)合拉普拉斯分解和方向?yàn)V波器，實(shí)現(xiàn)的一種多分辨率、局域的、方向的影像表示方法［8］。該變換將多尺度分析和方向分析分開(kāi)進(jìn)行，因此對(duì)于細(xì)小的有方向的輪廓和線段的表達(dá)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［9］，在圖像處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于其缺乏平移不變性，在描述圖像細(xì)節(jié)時(shí)會(huì)造成一定程度的失真。針對(duì)這一缺陷，A.L.Cunha等［10］提出了非下采樣 Contourlet變換，該變換保留了Contourlet變換的頻率分割結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了平移不變性。

NSCT由非下采樣金字塔結(jié)構(gòu)(NSP)和非下采樣方向?yàn)V波器組(NSDFB)兩部分組成。NSP將圖像分解為低頻和高頻部分，且下一層次的濾波器可通過(guò)對(duì)上一層次的濾波器抽樣得到。NSDFB由兩通道的非下采樣濾波器組迭代構(gòu)成，可將NSP變換得到的高頻子帶進(jìn)行2的任意次冪的分解，且各尺度各方向上的高頻子帶與低頻子帶以及原始圖像都有相同尺寸，便于后續(xù)的融合與分割處理。NSCT兩級(jí)分解結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 NSCT兩級(jí)分解示意Fig.1 Two-level decomposition diagram of NSCT

2 非線性增益函數(shù)

通過(guò)改變Andrew F Laine提出的非線性增益函數(shù)表達(dá)式［11］得到新的增益函數(shù)對(duì)低頻子帶圖像進(jìn)行增強(qiáng)。該函數(shù)曲線仍滿足單調(diào)反對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)增加對(duì)稱(chēng)中心可移動(dòng)且可放大對(duì)稱(chēng)中心附近系數(shù)值的特性。因此，可更方便地通過(guò)參數(shù)調(diào)整以增強(qiáng)經(jīng)NSCT分解后得到的低頻子帶中疵點(diǎn)與織物背景的對(duì)比度，從而取得更佳的分離效果。

采用的非線性增益函數(shù)表達(dá)式如公式(1)所示:

非線性增益函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 非線性增益函數(shù)曲線Fig.2 The curve of nonlinear gain function

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 NSCT 分解

大量織物疵點(diǎn)圖像的分解實(shí)驗(yàn)表明，疵點(diǎn)信息在低頻子帶與第一級(jí)分解后的高頻子帶分布較集中，所以，首先可對(duì)織物疵點(diǎn)圖像進(jìn)行2級(jí)NSP分解，然后將分解得到的第一級(jí)和第二級(jí)高頻子帶分別進(jìn)行8方向和4方向的NSDFB分解，最終得到尺寸相同的1幅低頻子帶圖像和12幅高頻子帶圖像。

3.2 低頻子帶圖像增強(qiáng)

由于經(jīng)濾波處理后低頻子帶圖像對(duì)比度低，故采用2節(jié)中所述非線性增益函數(shù)對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)處理，以提高疵點(diǎn)與織物背景的對(duì)比度。增益函數(shù)中b的取值由低頻子帶系數(shù)的平均值(記作md)決定，如公式(2)所示:

式中:“±”符號(hào)可根據(jù)相同織物紋理背景的無(wú)疵點(diǎn)圖像與疵點(diǎn)圖像的灰度平均值確定(分別記作ma、mb)。如果ma≥mb，證明疵點(diǎn)區(qū)域較織物背景更暗，灰度值降低，則公式(2)中符號(hào)取“-”;反之，如果ma＜mb，則說(shuō)明疵點(diǎn)區(qū)域較織物背景更明亮，灰度值有所增加，則公式(2)中符號(hào)取“+”。t為調(diào)整參數(shù)，取值范圍0.0～0.3，由ma與mb差值的絕對(duì)值決定其大小，差值絕對(duì)值越大其取值越大(絕對(duì)值超過(guò)0.3，t取值為0.2 ～0.3;差值絕對(duì)值接近0 時(shí)，t取值為0.0)。

3.3 對(duì)增強(qiáng)后的低頻子帶圖像進(jìn)行閾值化處理

首先求取低頻子帶圖像的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，分別記作 md、stdd，如公式(3)、(4)所示:

式中:M、N分別為低頻子帶圖像的行列尺寸，y1(x，y)代表低頻子帶圖像中的系數(shù)值。

然后利用公式(5)求取偏差圖像:

最后，對(duì)偏差圖像進(jìn)行閾值化處理，得到結(jié)果圖像 s1(x，y):

仿真實(shí)驗(yàn)證明td取值為3.0時(shí)針對(duì)大量織物疵點(diǎn)均可取得良好的檢測(cè)效果，如果3.2節(jié)中ma與mb的差值的絕對(duì)值超過(guò)0.5，則td值可調(diào)整為1.0。

圖3顯示了一織物疵點(diǎn)圖像經(jīng)2級(jí)NSCT分解后得到的低頻子帶圖像、增強(qiáng)處理后效果及閾值化后的圖像(b=md-0.1，c=40，td=3.0)。

圖3 低頻子帶圖像增強(qiáng)及閾值化后結(jié)果Fig.3 The enhanced and thresholded low frequency sub-band image

由圖3結(jié)果可知，通過(guò)非線性增益函數(shù)增強(qiáng)后，低頻子帶圖像中疵點(diǎn)與織物背景的對(duì)比度明顯提高，且去掉了織物背景中較多的弱邊緣信息，為圖像分割提供了有利條件。

3.4 利用代價(jià)函數(shù)選擇最優(yōu)高頻子帶圖像

由于織物疵點(diǎn)的形狀一般具有方向性，織物疵點(diǎn)圖像經(jīng)NSCT分解后只在某些方向上有較強(qiáng)響應(yīng)，而在另一些方向子帶中所含疵點(diǎn)信息量很少。因此，為了進(jìn)一步減少算法的計(jì)算量，只需挑選出疵點(diǎn)區(qū)域響應(yīng)較強(qiáng)的子帶(最優(yōu)高頻子帶)進(jìn)行處理即可。本文通過(guò)代價(jià)函數(shù)法［12］挑選最優(yōu)高頻子帶。代價(jià)函數(shù)的表達(dá)式如公式(7)所示:

首先將2級(jí)NSCT分解后得到的12個(gè)高頻子帶分別分割成大小相同的方形區(qū)域，本文所選方形區(qū)域大小為4×4;然后計(jì)算各子帶中每個(gè)方形區(qū)域的方差，公式(7)中分別表示第i個(gè)子帶中所有方形區(qū)域的方差的最大值和最小值，1≤i≤12;最后，為了盡可能少地遺漏疵點(diǎn)的方向信息，分別從第2、3級(jí)分解的8個(gè)、4個(gè)高頻子帶中選出代價(jià)函數(shù)值最大的4個(gè)、1個(gè)高頻子帶，這樣后續(xù)的處理只需對(duì)5個(gè)最優(yōu)高頻子帶進(jìn)行。

3.5 最優(yōu)高頻子帶圖像的閾值化處理

對(duì)于3.4節(jié)中得到的5個(gè)最優(yōu)高頻子帶圖像利用3.3節(jié)中公式(3)、(4)所述方法分別求其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，分別記作mhj、stdhj，并求取偏差圖像:

式中:yhj(x，y)為5個(gè)最優(yōu)高頻子帶系數(shù)，1≤j≤5。

然后對(duì)偏差圖像進(jìn)行閾值化處理:

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，th取值為3.7時(shí)可以盡可能多地保留高頻子帶中的疵點(diǎn)信息，減少噪聲及織物紋理對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，效果較佳。

3.6 高低頻子帶圖像融合與分割

子帶融合:按照公式(9)將低頻子帶閾值化結(jié)果圖像與5個(gè)方向的最優(yōu)高頻子帶閾值化結(jié)果圖像進(jìn)行融合得到圖像k( x，y):

圖像分割:同樣用3.3節(jié)中公式(3)、(4)所述方法求得k(x，y)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(分別記為mz、stdz)，并得到偏差圖像:

然后利用公式(12)對(duì)圖像進(jìn)行閾值化分割處理，得到最終檢測(cè)結(jié)果的二值圖像g(x，y):

大多數(shù)疵點(diǎn)圖像在tz取值等于td時(shí)可獲得良好檢測(cè)效果。

算法流程圖如圖4所示。

圖4 織物疵點(diǎn)檢測(cè)算法流程Fig.4 The algorithm flow of fabric defects detection

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)紡織生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的多種疵點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)［13］中給出的Gabor濾波器組方法相比較，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.5 Experimental comparison results

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖5的檢測(cè)結(jié)果看出，本文算法較Gabor濾波器組方法在疵點(diǎn)的描述及檢出等方面取得了更佳的檢測(cè)效果。由于Gabor濾波器組方法采用1個(gè)頻域中心位于原點(diǎn)的低通濾波器與在頻域振幅的半峰處兩兩相切的8個(gè)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻域的方向劃分，卻未能覆蓋整個(gè)頻譜范圍;而本文方法則是在整個(gè)頻率域?qū)D像進(jìn)行多尺度多方向分解，因此減少了疵點(diǎn)信息的遺漏。同時(shí)，由于只選用了疵點(diǎn)響應(yīng)較強(qiáng)的高頻子帶，減少了噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，加上NSCT變換在圖像邊緣描述方面的優(yōu)良特性，故可將不同種類(lèi)的疵點(diǎn)形狀較好地保持并表現(xiàn)。另外，對(duì)大量疵點(diǎn)圖像的檢測(cè)結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)后得出，本文所述方法的檢出率為97%。該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較高的疵點(diǎn)檢出率及良好的適應(yīng)性。

5 結(jié)論

根據(jù)織物疵點(diǎn)種類(lèi)繁多、形狀各異的特點(diǎn)，本文提出了一種基于NSCT的織物疵點(diǎn)檢測(cè)算法。由于算法可直接對(duì)低頻和疵點(diǎn)響應(yīng)較強(qiáng)的高頻子帶進(jìn)行處理，故而降低了算法復(fù)雜度，提高了實(shí)時(shí)性。此外，針對(duì)各種不同紋理、不同疵點(diǎn)類(lèi)型的織物圖像，本文所述方法中所設(shè)參數(shù)均在小范圍內(nèi)變動(dòng)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在與Gabor濾波器組檢測(cè)方法對(duì)比的實(shí)驗(yàn)中，得到了噪聲點(diǎn)少且更加逼近疵點(diǎn)原狀的檢測(cè)結(jié)果，證明了本研究算法的有效性。

［1］KUMAR A，PANG G K H.Defect detection in textured materials using Gabor filters［J］.Industry Applications，IEEE Transactions on，2002，38(2):425-440.

［2］BODNAROVA A，BENNAMOUN M，LATHAM S.Optimal Gaborfilters for textile flaw detection［J］. Pattern Recognition，2002，35(12):2973-2991.

［3］YANG X Z，PANG G K H，Yung N H C.Discriminative fabric defect detection using adaptive wavelets［J］.Optical Engineering，2002，41(12):3116-3126.

［4］HU M C，TSAI I S.Fabric inspection based on best wavelet packet bases［J］.Textile Research Journal，2000，70(8):662-670.

［5］MALLAT S G. A theory for multiresolution signal decomposition:the waveletrepresentation［J］. Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，1989，11(7):674-693.

［6］魏煒.基于自適應(yīng)雙正交小波的織物疵點(diǎn)邊緣檢測(cè)［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27(3):369-374.WEI Wei.Edge detection of fabric defect based on an adaptive bi-orthogonalwavelet［J］. JournalofXi'an Polytechnic University，2013，27(3):369-374.

［7］崔玲玲，盧朝陽(yáng)，李靜，等.一種新的布匹瑕疵圖像自動(dòng)檢測(cè)算法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，38(5):65-71.CUI Lingling，LU Zhaoyang，LI Jing，et al.Novel algorithm for automated detection of fabric defect images［J］.Journal of Xidian University:Natural Science，2011，38(5):65-71.

［8］林立宇，張友焱，孫濤，等.Contourlet變換:影像處理應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.LIN Liyu，ZHANG Youyan，SUN Tao，et al.Contourlet transform:Image Manipulation Applications［M］.Beijing:Science Press，2008.

［9］DO M N，VETTERLI M.Contourlet:a directional multiresolution image representation［C］.IEEE International Conference on Image Processing，2002:357-360.

［10］DA CUNHA A L，ZHOU J，DO M N.The nonsubsampled contourlet transform:theory，design，and applications［J］.Image Processing，IEEE Transactions on，2006，15(10):3089-3101.

［11］LAINE A F， ZONG X.Multiscale suboctave wavelet transform for denoising and enhancement［C］.International Society for Optics and Photonics，1996:238-249.

［12］崔玲玲，盧朝陽(yáng)，李靜，等.基于非下采樣Contourlet域高斯混合模型的布匹瑕疵識(shí)別算法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2013，43(3):734-739.CUI Lingling，LU Zhaoyang，LI Jing，et al.Fabric defect recognition algorithm based on Gaussian mixture model in nonsubsampled Contourlet domain［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2013，43(3):734-739.

［13］韓潤(rùn)萍，孫蘇榕，姜玲.基于Gabor濾波器組的織物疵點(diǎn)檢測(cè)方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43(7):211-214.HAN Runping，SUN Surong，JIANG Ling.Scheme for fabric defect detection based on Gabor filters［J］.Computer Engineering and Applications，2007，43(7):211-214.