李鵬飛， 嚴(yán) 凱， 張緩緩， 景軍鋒

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710048)

紗線的質(zhì)量對紡織品后加工具有重要影響，其中毛羽是紗線質(zhì)量評價的重要指標(biāo)之一。在實際生產(chǎn)過程中，毛羽過長、數(shù)量過多會導(dǎo)致紡織品后期染色不均勻[1]，從而形成色差；紗線毛羽過多致使在加工過程中受摩擦起球[2]，從而降低紡織品的質(zhì)量：因此，對毛羽長度及數(shù)量的檢測有重要意義。

目前，企業(yè)檢測紗線毛羽主要采用是目測法和光電式毛羽檢測儀法，但這2種方法誤差較大且成本較高。隨著計算機(jī)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像處理技術(shù)被越來越多的研究人員應(yīng)用在紗線毛羽檢測方面。國內(nèi)外有很多學(xué)者利用基于紗線條干畫基準(zhǔn)線的方法檢測紗線毛羽長度[3]，雖然針對紗線毛羽檢測工作取得一些成績，但這種方法在統(tǒng)計彎曲毛羽長度時無法計算出實際長度，普適性不高。孫銀銀等[4]采用視頻顯微鏡與圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方法，選擇條干上下邊緣作為基準(zhǔn)線，并將圖像處理法的檢測結(jié)果分別與目測法和GY172 A型光電分級統(tǒng)計法相比較，得出基于圖像處理的毛羽檢測方法能夠獲得更準(zhǔn)確和可靠的檢測結(jié)果，但此方法利用視頻顯微鏡采集紗線圖像，在工業(yè)生產(chǎn)中不適用。Fabija等[5]利用圖像處理技術(shù)對毛羽圖像進(jìn)行處理實現(xiàn)毛羽的檢測，雖然在處理過程中圖像已經(jīng)過銳化，但是在分割過程中部分毛羽仍然會被分類為背景，從而造成毛羽大范圍斷開。

針對以往研究中存在的問題，本文提出一種基于最大熵與密度聚類算法融合的方法對紗線毛羽進(jìn)行檢測。該方法首先對輸入的圖像進(jìn)行雙邊濾波去除噪聲增強(qiáng)紗線毛羽特征，然后利用最大熵閾值法提取出紗線毛羽，并細(xì)化毛羽；最后利用密度聚類算法(DBSCAN)統(tǒng)計出毛羽根數(shù)及每根毛羽的長度，并將檢測結(jié)果與目測法、基準(zhǔn)線法進(jìn)行比較。

1 毛羽檢測圖像處理方法

用CCD相機(jī)采集紗線圖片時，由于毛羽在空間中分布位置的不同以及毛羽彎曲等因素影響，在采集過程中會造成部分毛羽亮度較暗以及在單根毛羽上亮度值出現(xiàn)差異，且在采集過程中難免會出現(xiàn)噪聲。為不受噪聲的影響并完整地提取出毛羽，需要對毛羽圖像進(jìn)行一系列的處理，處理流程框圖如圖1所示。

圖1 毛羽檢測方法框圖

Fig.1 Block diagram of hairiness detection method

1.1 雙邊濾波

由于紗線在采集過程中纖維較細(xì)毛羽與背景紋理之間相似度較高，如果直接進(jìn)行毛羽提取，很難獲取完整的毛羽。為提取出完整的毛羽信息，本文采用雙邊濾波法對采集的紗線圖像進(jìn)行處理。在利用雙邊濾波處理紗線毛羽圖像過程中，在非毛羽及邊緣部分，由于噪聲基本都是孤立的點，中心點的像素值由鄰域內(nèi)的像素值確定，如中心點鄰域內(nèi)像素值較小，而中心像素值較大，經(jīng)處理后中心像素值則會變小。當(dāng)雙邊濾波窗口掃描到紗線邊緣或者紗線毛羽時，在窗口內(nèi)大部分值與中心點的像素值相似，在這種情況下中心點的像素值基本維持不變；因此，紗線毛羽經(jīng)過雙邊濾波后不僅去除了圖像中的噪聲，而且相對增強(qiáng)了毛羽特征。

1.2 最大熵閾值分割

毛羽圖像經(jīng)過預(yù)處理后，需要分割紗線條干及毛羽，而部分毛羽像素值與背景比較接近，在分割時閾值選擇的不合適會導(dǎo)致毛羽容易被分割大范圍斷開，因此需要一種能夠獲取清晰準(zhǔn)確毛羽特征的分割算法。本文采用最大熵閾值[6-7]進(jìn)行分割。該方法根據(jù)每幅紗線圖像的灰度特性，計算出合適的閾值。

針對1幅灰度圖像，其灰度級是區(qū)間[0,255]上的隨機(jī)變量，則p(i)為灰度值等于i時概率密度函數(shù)，因此，根據(jù)熵的定義可以得到圖像的熵：

(1)

式中，b為常數(shù)。

輸入初始閾值T(0≤T≤255，用閾值T將圖像分為2個區(qū)域，灰度值小于閾值T的為背景區(qū)域，灰度值大于T的為目標(biāo)區(qū)域。背景區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域的像素累計概率分別為

(2)

(3)

且

P0(T)+P1(255-T)=1

(4)

將式(2)、(3)分別代入式(1)中可計算出該閾值下背景區(qū)域(H0)和目標(biāo)區(qū)域的熵值(H1)：

(5)

(6)

根據(jù)式(5)、(6)可計算出在該閾值下圖像的總熵：

H=H0+H1

(7)

利用式(1)～(7)可計算出所有分割閾值下的圖像總熵，找到最大的熵，此時最大熵對應(yīng)的分割閾值為最終的閾值，大于此閾值的為目標(biāo)，小于此閾值的為背景，進(jìn)而實現(xiàn)紗線的分割。

經(jīng)過多次實驗驗證，最大熵閾值能夠較為完整地提取出紗線毛羽；但在一些紗線圖像中會出現(xiàn)小部分毛羽像素值與背景極其接近，因此在閾值時也會造成毛羽斷開，但都屬于小范圍斷開。

1.3 毛羽提取

本文研究對象是紗線的毛羽，紗線條干是冗余的，需剔除掉。去除條干的方法是利用開運算(卷積核大小為5×5)處理經(jīng)過最大熵閾值處理后的紗線圖，從而提取出紗線條干。再對紗線條干進(jìn)行膨脹(卷積核大小為5×5)，膨脹的目的是去除紗線條干周圍無害細(xì)小毛羽對結(jié)果造成的影響，然后用閾值后的圖像減去膨脹后的紗線條干，得到紗線毛羽。

1.4 毛羽根數(shù)及毛羽長度

毛羽的長度計算是先計算出每根毛羽在圖像中所占的像素點的個數(shù)，根據(jù)得到的像素點個數(shù)以及每個像素點的大小從而獲得毛羽的近似長度，因此，獲得毛羽長度前需對毛羽進(jìn)行細(xì)化。使用的細(xì)化算法為Hilditch算法[8]，經(jīng)過細(xì)化處理可提取出紗線毛羽骨架，由于提取的紗線毛羽骨架寬度為單像素，因此可用于計算毛羽長度。

紗線毛羽經(jīng)細(xì)化后下一步就是計算毛羽根數(shù)及毛羽長度。本文通過分析毛羽的特征，采用密度聚類算法(DBSCAN)[9-10]對細(xì)化后的毛羽進(jìn)行處理，以此獲得毛羽根數(shù)及長度。利用DBSCAN聚類算法統(tǒng)計毛羽長度及根數(shù)的優(yōu)勢在于不受小范圍毛羽斷開的影響，且能夠同時統(tǒng)計出毛羽根數(shù)以及每根毛羽的長度。此外使用此算法統(tǒng)計毛羽長度可避免受到毛羽彎曲、殘留噪聲點的影響，但如果毛羽閾值后斷開范圍過大，則該算法不適用。

DBSCAN聚類算法的具體步驟如下。

輸入：樣本集N={x1,x2,,xm}；領(lǐng)域參數(shù)E為樣本xi的鄰域半徑；M為鄰域內(nèi)樣本最小點個數(shù)。

輸出：所劃分類個數(shù)以及每一類的大小。

1)從樣本集中選取一個未被處理的樣本xi。

2)檢查樣本xi的領(lǐng)域E，在其領(lǐng)域內(nèi)找到樣本集N(xi)。

3)如果樣本集內(nèi)樣本的個數(shù)滿足|N(xi|≥M，則創(chuàng)建一個樣本xi為核心對象的類，并將xi鄰域內(nèi)的點加入到該類中。如果|N(xi|≤M，則將xi標(biāo)記為噪聲。

4)檢測N(xi內(nèi)未被標(biāo)記的樣本，直到檢測到邊界點結(jié)束。

5)循環(huán)步驟2)、3)、4)，直到檢測完樣本。

DBSCAN聚類算法完成后，得到類的個數(shù)及每個類別像素點的個數(shù)。類的個數(shù)為圖像中毛羽的根數(shù)。計算每根毛羽長度部分與毛羽骨架跟蹤算法計算毛羽長度部分相同[11]，根據(jù)每類像素點個數(shù)(每類像素個數(shù)加5，消除條干膨脹帶來的誤差)乘以每個像素點對應(yīng)實際長度，可計算出毛羽的長度。

2 實驗結(jié)果與分析

實驗平臺：實驗中紗線毛羽采集系統(tǒng)所使用的攝像機(jī)是BASLER公司的acA1300-30gm面陣相機(jī)；采用LED光源；導(dǎo)紗裝置以及配備Intel Core i5-4460 3.2 GHz CPU，8 GB主內(nèi)存，NVIDIA GeForce GT 705顯卡和Windows 8.1操作系統(tǒng)的電腦。要獲取效果較好的紗線圖像，在采集前需要對曝光時間、圖像分辨率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在實驗中曝光設(shè)置時間為1/800 s，圖像分辨率為256像素×256像素。在完成相機(jī)參數(shù)調(diào)整后還需要進(jìn)行相機(jī)單位標(biāo)定。本文利用的標(biāo)定板是艾菲特光電技術(shù)有限公司的AFT-MCT-HC100的AFTvision機(jī)器視覺標(biāo)定板。經(jīng)標(biāo)定后圖中像素與實際距離對應(yīng)的關(guān)系為：1像素=0.024 mm。

參數(shù)分析：在毛羽統(tǒng)計中主要會受到2種情況的影響。首先是部分紗線毛羽在閾值時可能會被分割為背景，造成毛羽小范圍斷開，影響毛羽根數(shù)及長度統(tǒng)計(如圖2(a)所示)；另一種情況是2根毛羽相距比較近，在統(tǒng)計毛羽時可能會誤統(tǒng)計為1根(如圖2(b)所示)。在本文中利用了DBSCAN聚類算法來消除這種誤差，但需要設(shè)置合適的鄰域參數(shù){E,M}，實驗中先使M值保持不變，改變鄰域半徑E值。然后使E值保持不變，改變M值。以便于選擇出合適的參數(shù)值。結(jié)果如表1所示。

圖2 影響毛羽統(tǒng)計的情況

Fig.2 Affecting situation of hairy statistics. (a) Hairiness disconnection; (b) Adjacent hairiness

從表1可看出，當(dāng)領(lǐng)域參數(shù)設(shè)置過小時容易將斷開的毛羽分為多根毛羽，如表中鄰域半徑、鄰域內(nèi)樣本最小點個數(shù)分別為E=0～3.0，M=4～6和E=6，M=0～3.0時，將圖2(a)中斷開的毛羽分成了多根。當(dāng)鄰域參數(shù)設(shè)置過大時容易將距離接近的毛羽統(tǒng)計為1根毛羽。根據(jù)多次實驗，本文中選擇鄰域半徑E=6，鄰域內(nèi)樣本最小點個數(shù)M=6。經(jīng)過多次實驗證明，該參數(shù)能夠較精確統(tǒng)計出毛羽根數(shù)。

表1 DBSCAN聚類統(tǒng)計毛羽根數(shù)

Tab.1 DBSCAN clustering statistics number of hairs

圖序領(lǐng)域參數(shù)EM不同長度(mm)毛羽根數(shù)123456<1圖2(a)0.0～3.04～630000043.1～6.04～621000036.1～8.04～621000043.1～6.01～320000053.1～6.07～92100002圖2(b)0.0～3.04～610010033.1～6.04～600001036.1～8.04～610010033.1～6.01～310010033.1～6.07～91001002

注：E為樣本鄰域半徑，M為鄰域內(nèi)樣本最小點個數(shù)。過小的毛羽未統(tǒng)計。

樣本選擇：實驗在樣品中選取7段紗線，每段紗線連續(xù)采集相片100張，所對應(yīng)的每張圖片的實際長度為6.144 mm×6.144 mm。100張圖片對應(yīng)的長度為61.44 cm，可以近似認(rèn)為是61 cm。對樣本檢測結(jié)果如表2所示。

表2 毛羽長度分類統(tǒng)計

Tab.2 Classification of hairiness length

樣本序號不同長度(mm)毛羽根數(shù)1234561#123351512312#8345209423#158603010514#140502018535#143281911746#15147116427#13140251052平均值132.743.62010.94.72.1

為驗證本文算法的優(yōu)勢以及算法計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取了3個紗線毛羽圖像樣本(見圖3，檢測目標(biāo)為白色箭頭標(biāo)記的毛羽)作為檢測樣本，分別利用本文所提的算法(見圖4)及基準(zhǔn)線法(見圖5)進(jìn)行檢測，并將這2種算法的檢測結(jié)果與目測法的檢測結(jié)果進(jìn)行比較。目測法是通過目測、投影放大和顯微放大攝影獲取紗線毛羽形態(tài)，然后測量紗線毛羽長度、根數(shù)等指標(biāo)[13]。比較結(jié)果如表3所示。

圖3 紗線原圖

Fig.3 Original image of yarn. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

圖4 本文中算法提取的毛羽

Fig.4 Hairiness extracted by proposed algorithm. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

圖5 基準(zhǔn)線法(每格0.5 mm)

Fig.5 Baseline method (0.5 mm per grid). (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

表3 本文算法與基準(zhǔn)線法和目測法比較Tab.3 Comparison of algorithm and baseline method，visual method

樣本本文算法計算的毛羽長度/mm基準(zhǔn)線法目測法測量長度/mm相對差/%測量長度/mm相對差/%1.8241.082.41.81.33樣本11.5121.051.21.50.801.0800.5116.01.11.820.6000.520.00.714.291.9201.528.02.04.00樣本21.8481.523.21.92.741.2001.020.01.20.001.1520.5130.41.24.003.3362.066.83.41.88樣本32.5442.027.22.62.152.0881.0108.82.10.571.0560.5111.21.05.60

注：相對差=|E-B|/B×100%。其中E為采用本文算法所測結(jié)果，B為采用基準(zhǔn)線法或目測法所測結(jié)果。

從表3與圖4、5可以看出，基于基準(zhǔn)線法統(tǒng)計毛羽長度的方法存在一個明顯的缺陷，對于毛羽彎曲的情況，該方法不能精確地計算出毛羽的長度，而本文方法通過統(tǒng)計每根毛羽在圖像中所占的像素數(shù)目獲取毛羽長度，可解決毛羽彎曲時其長度計算不準(zhǔn)確的問題。從實驗結(jié)果可以看出，與基于基準(zhǔn)線的算法相比，本文的算法相對增長較大，特別針對彎曲幅度較大的毛羽，最大達(dá)到130.4%。與目測法相比，表3中除1根毛羽誤差較大外，其余普遍較小，結(jié)果與目測法接近。因此可看出本文算法能夠更精確、真實地計算出毛羽的長度。特別是針對彎曲幅度較大的毛羽，有很好的適用性。

3 結(jié)束語

本文提出一種基于最大熵與DBSCAN相融合的毛羽檢測方法。首先利用圖像處理技術(shù)，對紗線圖像進(jìn)行濾波、閾值、細(xì)化提取出毛羽，最后利用DBSCAN聚類算法計算出毛羽根數(shù)及毛羽長度。對得到的結(jié)果與目測法和基準(zhǔn)線法進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，本文算法能夠較為準(zhǔn)確地計算出毛羽的根數(shù)以及毛羽的長度，誤差較小。同時也計算出了毛羽H值，并與USTER公報應(yīng)用手冊進(jìn)行比較，計算所得的毛羽指標(biāo)相對穩(wěn)定。實驗結(jié)果證明本文算法可以有效地獲取毛羽長度及根數(shù)。