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(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院,a.化學(xué)紡織工程系；b.計(jì)算機(jī)科學(xué)系，江蘇江陰　214405)

從羊毛本身看，其最重要的性狀特征就是粗細(xì)，羊毛的細(xì)度直接決定它的性能、加工及價(jià)格。因此，羊毛細(xì)度檢測(cè)方法顯得尤為重要。目前，檢測(cè)方法主要分為兩類(lèi)——直接檢測(cè)和間接檢測(cè)，比較常見(jiàn)的有OFDA(光學(xué)纖維直徑分析儀)、Laserscan(激光細(xì)度儀)、顯微鏡投影儀等，這些方法能夠比較快速、準(zhǔn)確地獲得羊毛直徑指標(biāo)[1]。

目前大多數(shù)廠家及檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用軟件技術(shù)檢測(cè)羊毛纖維的細(xì)度。但是也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，如圖1和圖2所示，雖然都是羊毛纖維，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上卻有著較大的差異，圖2中的羊毛纖維含有髓質(zhì)層，這種結(jié)構(gòu)形成羊毛的弱節(jié)，使羊毛脆而易斷，不易染色[2-3]。但目前使用的軟件所提交的指標(biāo)中，沒(méi)有包含有髓質(zhì)層羊毛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，軟件獲得的指標(biāo)參數(shù)不能涵蓋羊毛的所有性狀特征，為此從實(shí)際需求出發(fā)，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合教學(xué)及檢測(cè)使用的、指標(biāo)比較完備的測(cè)試軟件。

圖1　羊毛纖維

圖2　含髓質(zhì)層的毛纖維

1　軟件總體設(shè)計(jì)

1.1　軟件的功能設(shè)計(jì)

按照軟件的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，設(shè)計(jì)軟件功能如圖3所示，包括圖像采擷、圖像處理和結(jié)果報(bào)表3部分。

圖3　軟件的功能設(shè)計(jì)

1.2　軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計(jì)流程

1.3　軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

1.3.1分時(shí)處理與并發(fā)處理的協(xié)調(diào)

軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于采用了圖像采擷卡，在圖像采擷與圖像處理之間需要協(xié)調(diào)。因?yàn)椴蓴X圖像和處理圖像都需要由CPU處理，涉及到共享資源訪問(wèn)，既要讓兩者并發(fā)工作，以提高效率；又不能讓兩者無(wú)限制地并發(fā)而影響效果，因此要進(jìn)行分時(shí)處理，也就是要讓分時(shí)處理機(jī)制和并發(fā)處理機(jī)制協(xié)調(diào)好，保證工作有條不穩(wěn)的正確運(yùn)行，既能使采集工作有效，又能使分析工作受到的干擾盡可能的小。

1.3.2圖像處理

軟件設(shè)計(jì)中建立特征向量和濾波降噪的處理方式。

a)以羊毛直徑邊界亮度(v1)，邊界平行度(p)，邊界之間區(qū)域亮度(v2)為特征值建立羊毛直徑特征向量[4]，如式(1)所示：

V=[W1×EX(v1Δ·max(p(v1))),W2×
EX(p),W3×EX(v2Δ·max(p(v2)))]

(1)

式中：(Δ·max(p(v))表示max(p(v))的Δ鄰域；EX(v(Δ·max(p(v)))表示該鄰域內(nèi)v的均值；EX(p)表示羊毛直徑邊界平行度的均值；Wn(n=1,2,3)表示該特征值的權(quán)重。

以羊毛髓質(zhì)層的亮度(v)、長(zhǎng)度(l)、寬度(w)、邊界偏移量(off)作為特征值建立髓質(zhì)層特征向量，如式(2)所示：

V=[W1×EX(vΔ·max(p(v))),W2×EX(l),
W3×EX(w),W4×EX(off)]

(2)

式中：(Δ·max(p(v))表示max(p(v))的Δ鄰域；EX(v(Δ·max(p(v)))表示該鄰域內(nèi)v的均值；EX(l)、EX(w)、EX(off)分別表示髓質(zhì)層長(zhǎng)度、寬度、邊界偏移量的均值；Wn(n=1,2,3,4)表示該特征值的權(quán)重。

軟件必須首先勾勒出視野內(nèi)羊毛和髓質(zhì)層的輪廓。因此，首先將羊毛的邊界亮度和平行度作為特征向量；同時(shí)，為了防止將平行的兩根羊毛誤判為一根羊毛的邊界，加入邊界之間的區(qū)域亮度作為特征值，這樣可以勾勒出羊毛直徑。對(duì)于髓質(zhì)層，主要考慮它在羊毛直徑的位置，即邊界偏移量。通過(guò)這個(gè)特征向量，既可以勾畫(huà)出髓質(zhì)層的位置，又可以剔除滿足其他條件、但偏移量“失真”的污點(diǎn)信息。

測(cè)量時(shí)，采用攝像頭、采擷卡捕獲圖像信息，通過(guò)VC6.0中嵌入的OpenCV讀取采擷卡緩存的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，最終在顯示器上獲取圖像。為了標(biāo)定獲取的圖像的尺寸，需要首先借助標(biāo)準(zhǔn)尺(圖5)占據(jù)的像素點(diǎn)數(shù)計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)代表的長(zhǎng)度，而后獲得羊毛纖維直徑及髓質(zhì)層長(zhǎng)度和寬度指標(biāo)。

圖5　20 μm標(biāo)準(zhǔn)尺

通過(guò)式(1)和式(2)，獲得羊毛直徑及髓質(zhì)層的特征向量；對(duì)每一根羊毛纖維，直徑特征向量必備，但髓質(zhì)層特征向量則視每一根羊毛而不同。在此基礎(chǔ)上，采用SVM[5]方法對(duì)有限樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到劃分目標(biāo)的支持向量，根據(jù)支持向量對(duì)樣本集之外的特征進(jìn)行類(lèi)別確認(rèn)[6]。

b)由于纖維試樣容易被灰塵、污點(diǎn)干擾，影響圖像的效果，致使圖像出現(xiàn)噪聲干擾、清晰度下降等問(wèn)題。為了能有效地處理這類(lèi)圖像，在提取特征值之前首先采用高斯濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，高斯濾波有利于圖像平滑，消除隨機(jī)噪聲的影響，對(duì)圖像細(xì)節(jié)也具有較好的保護(hù)作用。為了避免在降噪過(guò)程中造成信息損失，將圖像按式(3)進(jìn)行量化處理：

(3)

式中：f(x,y)表示坐標(biāo)為x,y處的圖像像素值；t是每個(gè)量化級(jí)的期望值，按照將像素值劃分為32個(gè)等級(jí)的設(shè)定，取

將t值代入式(3)中，可以得出，當(dāng)像素值為0～7時(shí)，f(x,y)為0；當(dāng)像素值為8～15時(shí)，f(x,y)為t，即為8；……；當(dāng)像素值為248～255時(shí)，f(x,y)為31t，即為248。通過(guò)式(3)，將像素值劃分為[0,8,16,24,…240,248]32個(gè)等級(jí)，可以更加有效地提取主要信息，實(shí)現(xiàn)降噪的目的。

圖6是采擷到的羊毛纖維圖像，圖7是經(jīng)處理在后臺(tái)得到的結(jié)果。可以看出，經(jīng)過(guò)處理的羊毛纖維，周?chē)奈埸c(diǎn)、雜質(zhì)等已被有效濾除，只保留纖維直徑輪廓和髓質(zhì)層輪廓。

圖6　采擷到的羊毛纖維

圖7　分析得出的完整圖像

1.3.3不同種類(lèi)羊毛結(jié)構(gòu)參數(shù)的納入

不同種類(lèi)的羊毛，品質(zhì)不同，其細(xì)度指標(biāo)不同；將這些結(jié)構(gòu)參數(shù)納入軟件系統(tǒng)，以便針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象給出相應(yīng)的結(jié)果。表1是國(guó)毛和澳毛的細(xì)度分類(lèi)。

2　軟件運(yùn)行結(jié)果

圖8、圖9以及圖10分別是軟件主界面和數(shù)據(jù)結(jié)果。圖9為軟件測(cè)試得到的羊毛細(xì)度指標(biāo)，圖10是針對(duì)本次測(cè)試對(duì)象——國(guó)毛，按照其細(xì)度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，髓質(zhì)層毛指標(biāo)包含在“兩型毛含量”中。

表1　國(guó)毛和澳毛的細(xì)度分類(lèi)

圖8　軟件主界面

圖9　軟件測(cè)試得到的細(xì)度指標(biāo)

圖10　國(guó)毛試樣細(xì)度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖10的結(jié)果包含“細(xì)羊毛”、“兩型毛”、“其他”三項(xiàng)數(shù)據(jù)；“粗毛”、“腔毛”兩種含量沒(méi)檢出，用“----”表示。各指標(biāo)均遵照表1的規(guī)定，“其他”是除去已測(cè)出的各類(lèi)型羊毛含量，余下部分的羊毛含量。

3　結(jié)論與討論

以羊毛纖維的邊界線亮度、邊界線平行度、邊界之間區(qū)域亮度為特征值建立羊毛縱向輪廓特征向量，以髓質(zhì)層的亮度、長(zhǎng)度、寬度、邊界偏移量為特征值建立髓質(zhì)層特征向量，運(yùn)用SVM方法對(duì)羊毛輪廓及其髓質(zhì)層進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行濾波降噪；同時(shí)納入不同品種羊毛細(xì)度指標(biāo)，通過(guò)VC6.0中嵌入的OpenCV讀取采擷卡緩存的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理，開(kāi)發(fā)羊毛縱向形態(tài)參數(shù)測(cè)試軟件，可以獲得比較準(zhǔn)確詳細(xì)的纖維細(xì)度及其他縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，為生產(chǎn)及貿(mào)易提供可靠的依據(jù)。結(jié)合軟件的使用效果，尚有需要完善的工作：

a) 結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，目前國(guó)內(nèi)使用的羊毛除了澳毛、國(guó)毛，還有數(shù)量較多的新西蘭毛、烏拉圭毛等，它們?cè)谄焚|(zhì)上又區(qū)別于澳毛和國(guó)毛，因此，有必要針對(duì)不同品種的羊毛，納入不同的羊毛細(xì)度指標(biāo)體系，進(jìn)一步完善軟件系統(tǒng)。

b) 軟件是與顯微鏡配合使用的，使用時(shí)，為了獲得載玻片上多根羊毛的縱向形態(tài)參數(shù)信息，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)旋鈕，造成羊毛纖維被重復(fù)測(cè)試的可能性。目前主要依靠人為主觀的方式按一定方式轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，盡量避免重復(fù)測(cè)試，這是下一步軟件需要努力改進(jìn)的方向。

c) 進(jìn)一步提高濾波降噪的精準(zhǔn)性，避免在髓質(zhì)層分析中，對(duì)髓質(zhì)層附近的試樣污點(diǎn)產(chǎn)生誤判和漏判，影響最終結(jié)果。