韋 平， 張 林， 劉 翔， 王 冬， 蘇真?zhèn)?2

(1. 四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610065； 2. 廣東理工學(xué)院， 廣東 肇慶 526100)

籽棉中異性纖維的雙光源成像檢測方法

韋 平1， 張 林1， 劉 翔1， 王 冬1， 蘇真?zhèn)?,2

(1. 四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610065； 2. 廣東理工學(xué)院， 廣東 肇慶 526100)

針對現(xiàn)有的異纖清理機(jī)無法徹底清除異性纖維的問題，提出了一種在籽棉軋花前對異性纖維進(jìn)行檢測的方法。以清除了鈴殼、莖、葉等有機(jī)雜物的籽棉和常見的21種有色及白色異纖為檢測樣本，在白色LED和紅色線激光雙光源照明獲取圖像，在RGB顏色空間的R通道和HSI顏色空間的S通道利用改進(jìn)的索貝爾(Sobel)邊緣檢測算法檢測異纖。同時在S通道利用一維最大熵法以提高異纖檢測率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用的雙光源照明成像方法和圖像處理算法可減少陰影等干擾，白色異纖的檢出率可達(dá)到74.7%，有色異纖的檢出率可達(dá)到70.8%，為籽棉中異性纖維的檢測提供了參考和借鑒。

籽棉; 異性纖維； 雙光源成像； 顏色空間； 圖像處理

棉花經(jīng)過人工或機(jī)器清除污雜物(或稱異性纖維或異纖)之后，仍有少量地膜、塑料、包裝袋等異性纖維混入紗線中，最終殘留在面料上，使最終產(chǎn)品產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題，生產(chǎn)企業(yè)為此付出了高昂的代價。棉花中異性纖維的徹底、高效清除，多年來一直是國內(nèi)外紡織業(yè)亟待解決的問題[1-2]。

從總體看，棉花中異纖的機(jī)器分揀可分為2個階段[3]：第1階段在籽棉軋花前，一般采用清理機(jī)，通過機(jī)械梳理、纏繞、拋射和風(fēng)選等方法，去除棉花中的鈴殼、莖葉、木塊、石子和較大的異纖，但籽棉清理機(jī)對物理機(jī)械性能和棉花相近的異物，包括質(zhì)量較輕、尺寸較小的異性纖維，清除效果有限；清理的第2階段在籽棉變成皮棉后，在經(jīng)過開清工序時，成團(tuán)的籽棉已經(jīng)變成松軟、連片的皮棉，可攤薄、均勻地傳送到檢測系統(tǒng)，獲取的圖像陰影較少，易于處理、識別，但在這一階段，皮棉中的異性纖維已跟隨籽棉經(jīng)過去籽、軋花、開清等工序，一部分軋成了碎片或細(xì)絲，尺寸太小而難于檢測，還有一部分被裹入棉花纖維團(tuán)之中，無法被看到，很難識別并分揀出來[4-5]。這些細(xì)小、破碎、隱藏的異性纖維，每噸棉花中只有幾克，個數(shù)多而質(zhì)量小，隨機(jī)分布，形狀各異,有的顏色和棉花相近，不管采用人工方法還是機(jī)器視覺技術(shù)，很難進(jìn)一步清除干凈。

最近十年來，國內(nèi)外棉花中異性纖維的檢測技術(shù)發(fā)展基本可歸結(jié)為3個方面：一是采用高速、高精度的成像設(shè)備，用高速度的計(jì)算機(jī)加現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)，提高檢測的精度和速度[6]；二是設(shè)計(jì)簡單、高效的圖像處理算法，杜玉紅等[7]在RGB空間利用閾值聚類方法、師紅宇等[8]用小波差分法對異纖進(jìn)行檢測；三是采用X射線[9]、紫外光[10]、紅外光[11]、高光譜[12]等新光源成像技術(shù)，使原來在可見光成像條件下看不見的異性纖維顯現(xiàn)出來。但是迄今為止，受限于皮棉和皮棉階段部分異性纖維破碎、分散、隱藏的狀態(tài)，上述努力在取得進(jìn)展的同時，都不同程度地遭遇到技術(shù)瓶頸，短期內(nèi)很難取得突破。

一種新的思路是在籽棉階段利用機(jī)器視覺清除異性纖維。籽棉在機(jī)械清理之后、軋花去籽之前，鈴殼、莖、葉等有機(jī)污雜物已經(jīng)清除，而存留的地膜、化纖等異性纖維尚未破碎成小片，攪混入棉團(tuán)之中的也較少，這是異纖檢測的有利時機(jī)。困難在于籽棉成團(tuán)，分布不均和高低起伏，圖像背景從高亮度的棉團(tuán)到深淺不一的陰影，灰度分布廣而且復(fù)雜多變，現(xiàn)有的成像方法和圖像處理算法很難自動從籽棉背景中識別出異性纖維。

迄今為止的文獻(xiàn)表明，國內(nèi)外基于機(jī)器視覺技術(shù)檢測籽棉的研究報告很少。Pelletier曾用多光譜相機(jī)來檢測軋花機(jī)前棉花的雜質(zhì)含量[13]，但其主要針對植物性雜質(zhì)，對異性纖維檢測效果有限，且無法有效檢測陰影較多的棉花。季宏斌等[14]試圖在LED照明下區(qū)分籽棉中的地膜，魏新華等[15]利用高光譜成像系統(tǒng)識別籽棉中的5種異性纖維，但這2項(xiàng)研究都僅針對特定種類的少數(shù)異纖，沒有在成像技術(shù)和圖像處理方面獲得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

初步的成像實(shí)驗(yàn)表明，以籽棉為檢測背景的圖像總體上可分為3類：第1類籽棉纏繞結(jié)團(tuán)較少，均勻、連續(xù)分布，圖像處理難度較低；第2類籽棉纏繞較少，但分布不均勻、不連續(xù)，存在間隙和孔洞，背景處理起來有較大的難度；第3類籽棉纏繞嚴(yán)重，成團(tuán)大，分布不連續(xù)，背景很難處理。考慮到實(shí)際生產(chǎn)時可通過耙平、碾平等機(jī)械預(yù)處理方式，使籽棉接近或達(dá)到第1類狀態(tài)，本文為簡化問題，選取第1類籽棉展開異性纖維的檢測研究。

針對籽棉中異纖檢測的難題，本文提出了一種籽棉中異纖的檢測方法。采用去除了鈴殼、莖葉等雜物、尚未軋花的籽棉和21種典型的異性纖維作檢測樣本，采用紅色線激光和白色LED構(gòu)成雙光源照明系統(tǒng)；線掃描相機(jī)采集得到的圖像經(jīng)過顏色空間變換和改進(jìn)的索貝爾(Sobel)算子以及一維最大熵閾值法處理后，籽棉中異性纖維的識別率達(dá)到了70%以上。

1 成像技術(shù)與圖像處理算法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣本

采用新疆機(jī)采籽棉，清除鈴殼、莖、葉等有機(jī)污雜物后，平鋪在傳送帶上，形成寬為600 mm、厚為25 mm、均勻連續(xù)的棉層，如圖1所示。 21種典型的異纖來自四川大英天驕棉紡廠，包含11種白色異纖和10種有色異纖，其中片狀異纖面積不小于1 cm2,條狀異纖長度不短于10 mm，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時，異纖隨機(jī)地分布在籽棉表面，二者隨傳送帶運(yùn)動成像。

圖1 籽棉圖像Fig.1 Image of seed cotton

注：1—白色棉繩；2—白色棉布；3—白色尼龍塊；4—白色包裝帶；5—白色編織袋；6—白色羽毛；7—白色包裝發(fā)泡紙；8—黑色棉線；9—淡藍(lán)色聚乙烯(PE)薄膜；10—淡綠色PE薄膜；11—地膜；12—衛(wèi)生紙；13—泡沫塊；14—白色亞麻布；15—綠色PE塑料片；16—黃色聚丙烯(PP)塑料；17—紅色棉布；18—紅色PE薄膜；19—黃色棉布；20—粉色塑料 片；21—藍(lán)色紙片。圖2 21種典型異纖樣本Fig.2 21 kinds of typical foreign fibers

1.2 成像裝置

成像裝置如圖3所示，線掃描相機(jī)Basler L301kc和658 nm紅色線激光器垂直安裝于皮帶運(yùn)動方向，二者底端距離籽棉層上表面27 cm。線掃描相機(jī)的行頻為4 kHz，分辨率為2 098 像素，光圈 為2.8 C，鏡頭選用SMICAR/PENTAX公司的YF3528。激光照射線寬約為1 mm，線激光投射面與相機(jī)成像掃描平面重合。Philips公司的若干根BN058C型白色LED燈管對稱架設(shè)在相機(jī)和激光器兩側(cè)，光色為6 500 K。傳送帶以0.3 m/s 的速度勻速運(yùn)行。相機(jī)獲取圖像后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

注：1—LED燈管； 2—線掃描相機(jī)； 3—紅色線激光器；4—傳送皮帶； 5—成像區(qū)域。圖3 實(shí)驗(yàn)用成像裝置圖Fig.3 Experimental apparatus

此外，選用北京物科光電技術(shù)有限公司 LP-3A 型熱釋電激光功率計(jì)測量激光輸出功率密度，臺灣泰仕TES-1332A數(shù)字式照度計(jì)測量棉花表面平均照度。

1.3 成像實(shí)驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，實(shí)驗(yàn)采用3種光源組合照明成像法，照明成像參數(shù)分別為：LED單獨(dú)照明時，照度為12 500 lx，相機(jī)曝光時間為246 μs；激光單獨(dú)照明時，激光功率密度為0.85 μW/mm2，曝光時間為106 μs；LED和激光雙光源照明時,激光功率密度為0.71 μW/mm2,LED照度為4 600 lx，相機(jī)曝光時間為106 μs。3種光源條件下獲得的圖像如圖4所示。圖中序號對應(yīng)圖2中異纖的編號。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：白色異纖和棉花顏色相近，單獨(dú)LED照明很難識別白色或淺色異纖；深色異纖對激光的反光性能差，單獨(dú)激光很難識別深色異纖；LED+激光雙光源照明條件下，白色和有色異纖都較明顯。雙光源成像優(yōu)于單光源成像。

1.4 圖像顏色空間與處理算法

為減少陰影的干擾，進(jìn)行了RGB顏色空間到HSI空間的變換。不同顏色空間的各通道圖像如圖5所示，各通道圖像中的序號為能夠辨識的異性纖維編號。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在RGB顏色空間的R通道，白色和淺色異纖對激光的反光較強(qiáng)，它們和籽棉背景的區(qū)別較為明顯；在HSI顏色空間的S通道，籽棉背景變成均勻的灰色，陰影減弱，異性纖維則變成明亮的白色，與籽棉背景的區(qū)別較明顯。

基于這2個顏色通道的圖像處理算法如圖6所示。

圖6 圖像處理算法流程Fig.6 Flow chart of processing algorithm

輸入圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)到HSI顏色空間，在RGB顏色空間的R通道和HSI空間的S通道分別采用Sobel算法檢測邊緣,并在S通道采用一維最大熵法分割圖像。最后經(jīng)過面積濾波后對分割后的二值圖像進(jìn)行“或”融合。其中：籽棉大都為云狀或橢球團(tuán)狀，邊緣圓角平滑過渡，灰度值無突變；而異形纖維的邊緣有明顯突變。二者的灰度值存在較大的梯度差。 Sobel算法的一階微分算子可根據(jù)灰度的梯度差將二者區(qū)分開。傳統(tǒng)的Sobel算子只計(jì)算水平和垂直2個方向的梯度，為提高檢測率，本文采用了水平、垂直、45°、135° 4個模板，從4個方向分割圖像。改進(jìn)后的Sobel邊緣檢測結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 R通道Sobel 邊緣檢測圖像Fig.7 Result image of Sobel edge detection in Red channel

圖8 S通道Sobel邊緣檢測圖像Fig.8 Result image of Sobel edge detection in S channel

融合后的異纖邊緣不連續(xù)。本文的連接邊緣方法為：查找3×3鄰域，若中心點(diǎn)為“1”且其8鄰域只有1個像素點(diǎn)為“1”，則判定為端點(diǎn)。然后再查找每個端點(diǎn)外層4×4鄰域，若有灰度值為“1”的前景點(diǎn)，則將該端點(diǎn)和前景點(diǎn)之間的像素點(diǎn)置“1”。連接邊緣的圖像如圖9所示。根據(jù)信息論，熵定義[18]為

式中p(x)表示事件x發(fā)生的概率。

圖9 融合并連接邊緣后的圖像Fig.9 Image after fusion and edge-link algorithm

對于數(shù)字圖像，目標(biāo)區(qū)域(HO)和背景區(qū)域(HB)的熵分別為

(i=t+1,t+2，…，L-1)

式中:

總的熵為

式中：

當(dāng)熵函數(shù)取得最大值時，閾值t*就是最佳閾值：

若籽棉背景中含有異纖，則在異纖與籽棉背景可分割的交界處信息量(熵) 最大，異纖分割效果最好，如圖10所示。

圖10 S通道一維最大熵法分割后的圖像Fig.10 Image after one-dimension maximum entropy thresholding method in Saturation channel

R通道主要檢測強(qiáng)反光的白色、淺色異纖，S通道主要檢測不反光的有色異纖， 二者進(jìn)行“或”，可檢測出各種顏色的異纖。一維最大熵法主要檢測反光性較強(qiáng)的片狀異纖，邊緣檢測法可檢測出線狀異纖和對激光反光性較差的異纖。分割結(jié)果分別如圖11～13所示。

圖11 邊緣檢測和面積濾波后的圖像Fig.11 Image after edge detection and area filtering

圖12 S通道-維最大熵法和面積濾波后的圖像Fig.12 Image after one-dimension marimum entropy thresholding method and area filtering in S channel

圖13 結(jié)果圖像Fig.13 Result image

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在白色LED+紅色線激光雙光源照明條件下，以1.3小節(jié)圖4(c)中的成像方法獲取了籽棉與21種異纖的1 050幅圖像，其中，含白色異纖的圖像550幅，含有色異纖的圖像500幅。每種異纖有5個大小不同、形狀各異的樣本。實(shí)驗(yàn)時籽棉隨傳送帶運(yùn)動，樣本隨機(jī)地投放到籽棉上，每幅圖像的背景和異纖形態(tài)都有變化。

采用本文設(shè)計(jì)的算法，圖像檢測結(jié)果如表1所示。

表1 檢測結(jié)果Tab.1 Detection results %

計(jì)算公式為

式中：Sr為正確識別率；Lr為漏檢率；Fr為虛警率；Si為成功檢測出的異纖圖像數(shù)；Ti分別為含白色或有色異纖的圖像總數(shù)；Li為含異纖而漏檢的圖像數(shù)；Fi為無異纖而錯誤檢測出的圖像數(shù)。

LED和紅色激光混合照明條件下，白色和有色異纖正確檢測率分別為74.7% 和70.8%，綜合檢測率達(dá)到72.8%。其中：淡藍(lán)色、淡綠色、透明地膜的顏色與籽棉陰影極為相似，表面不反光，難以檢測；綠色PE塑料片、白色包裝帶、編織袋等異纖處于暗場時顏色和亮度與籽棉背景相似，檢測率不到50%；其他種類異纖檢測率均達(dá)70%以上。

3 結(jié) 論

針對籽棉中異纖識別困難的問題，本文采用了白色LED+紅色線激光雙光源照明，獲取了籽棉與21種異性纖維的圖像。然后選取RGB顏色空間的R通道和HSI顏色空間的S通道，分別在R和S通道采用改進(jìn)的Sobel邊緣檢測算法，在S通道采用一維最大熵閾值法識別圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，白色異纖的檢測率達(dá)到了74.7%，有色異纖的檢測率達(dá)到了70.8%。

下一步的研究將針對不同狀態(tài)的籽棉，改進(jìn)成像方法，設(shè)計(jì)更加先進(jìn)的圖像處理算法去除陰影干擾，進(jìn)一步提高識別率和檢測速度。

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Detecting method of foreign fibers in seed cotton using double illumination imaging

WEI Ping1, ZHANG Lin1, LIU Xiang1, WANG Dong1, SU Zhenwei1,2

(1. School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu， Sichuan 610065， China; 2. Guangdong Polytechnic College, Zhaoqing, Guangdong 526100, China )

Aiming to improve the efficiency of detecting the foreign fibers, a new approach of detecting foreign fibers in cleaned seed cotton before the ginning stage was proposed. In the experiment, cleaned seed cotton, in which organic impurities such as boll shells, stems and leaves were removed, and 21 kinds of common white or color foreign fibers were used as detection samples. Images were acquired under the double illumination of white LED and red line-laser. Then, an improved Sobel edge detection algorithm was used in the Red channel of RGB color space and the Saturation channel in HSI color space separately. And a one-dimension maximum entropy thresholding method was also implemented in the Saturation channel for increasing the successful detecting rate. Experiment results indicate that the double illumination imaging method and the image processing algorithm reduce interference such as shadows. The successful detecting rates of white and color foreign fibers are up to 74.7% and 70.8%, respectively. This paper provides a reference for detecting foreign fibers in seed cotton.

seed cotton; foreign fiber; double illumination imaging; color space; image processing

10.13475/j.fzxb.20160405207

2016-04-18

2016-08-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31371536)

韋平(1988—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺及無損檢測。蘇真?zhèn)?，通信作者，E-mail：1986702517@qq.com。

TS 112.7

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