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        基于圖像灰度曲線特征值的機(jī)織物密度測(cè)量

        2022-03-07 07:21:54胡立文梁藝馨鄧中民
        毛紡科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        胡立文,柯 薇,梁藝馨,周 虎,鄧中民

        (武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430200)

        目前,大多數(shù)工廠在機(jī)織物的密度檢測(cè)上,主要還停留在人工檢測(cè)階段。大量繁雜的工作不僅容易讓人產(chǎn)生疲勞,同時(shí)也存在很大的主觀性。有部分學(xué)者利用圖像處理技術(shù)來識(shí)別計(jì)算織物密度并取得了一定的成果,但仍存在測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定的弊端。圖像處理檢測(cè)織物密度主要分為頻率域法和空間域法2種方法。頻率域法利用傅里葉變換[1-2]或小波變換[3-4],將織物轉(zhuǎn)換到頻域中,利用表示經(jīng)緯紗線排列的峰值點(diǎn)或沿經(jīng)緯紗線方向?qū)⒖椢飯D像分解并重構(gòu),提取紗線排列信息實(shí)現(xiàn)其密度的測(cè)量??臻g域法根據(jù)圖像亮度值可以反映織物表面紋理變化的原理,直接在空間域內(nèi)利用灰度共生矩陣[5]或自相關(guān)函數(shù)計(jì)算并提取灰度特征值,即求取曲線周期或統(tǒng)計(jì)灰度曲線波峰個(gè)數(shù)從而得到經(jīng)緯紗線根數(shù)[6-8]。

        空間域法中,由于雜質(zhì)信號(hào)的存在,會(huì)在波峰周圍出現(xiàn)許多較小的雜質(zhì)波峰,難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)波峰個(gè)數(shù)。對(duì)此,傳統(tǒng)上通常會(huì)利用濾波的方法對(duì)曲線平滑處理[9],但由于構(gòu)成曲線數(shù)據(jù)本身的龐大性和復(fù)雜性,很難找到一種可以針對(duì)不同數(shù)據(jù)平滑處理的方法。對(duì)此,本文提出一種以灰度曲線特征值為依據(jù),設(shè)定波峰統(tǒng)計(jì)限制條件的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)織物密度的測(cè)量。

        1 密度測(cè)量的原理

        對(duì)所采集織物圖像進(jìn)行灰度處理后,由于經(jīng)緯紗線的存在,圖像在經(jīng)緯紗線所在地方的灰度值會(huì)明顯高于間隙處,從而在以紗線為中心的一定寬度范圍內(nèi)形成1個(gè)亮度峰值。作出圖片灰度曲線后,曲線波峰對(duì)應(yīng)紗線所在位置,波谷對(duì)應(yīng)紗線間隙。但由于雜質(zhì)信號(hào)的干擾,曲線會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的雜質(zhì)小波峰。依據(jù)曲線峰值和位置2個(gè)特征值,設(shè)定波峰統(tǒng)計(jì)時(shí)的限制條件,就可以準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)出波峰個(gè)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)織物密度的測(cè)量,圖1為本文方法的測(cè)量流程圖。

        圖1 織物密度測(cè)量流程圖Fig.1 Flow chart of fabric density measurement

        2 圖像采集與傾斜校正

        為了獲得質(zhì)量較好的織物圖像,同時(shí)更好凸顯紗線的存在,本文采用平整且色差較大的黑色紙板為背景,并使用高清攝像頭采集圖像。在選擇織物時(shí),避免織物表面附有大面積的油污、毛羽等[9]。另外,為保證織物表面平整,無褶皺的情況,需要利用夾片對(duì)織物施加適當(dāng)?shù)膹埩?,?shí)驗(yàn)采集的部分圖像如圖2所示。

        圖2 部分實(shí)驗(yàn)織物圖像Fig.2 Images of some experimental fabrics. (a)Color fabric;(b) Solid color fabric 1; (c) Solid color fabric 2; (d) Solid color fabric 3

        在織物密度的實(shí)際測(cè)量中,織物灰度圖像的每一行或列應(yīng)只有紗線或者紗線間隙的灰度信息。當(dāng)圖片傾斜時(shí),會(huì)造成這2種信息在該行或者列中大量混合,從而產(chǎn)生較多的雜質(zhì)波峰,不利于波峰個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。因此在作出圖像灰度曲線前,要利用Radon變換對(duì)其做傾斜矯正處理,保證圖片的傾斜角度在5°以內(nèi)[10]。Radon變換原理如式(1)所示:

        (1)

        式中:D為圖像平面,f(x,y)為某一點(diǎn)的灰度值;x、y為該點(diǎn)的像素橫、縱坐標(biāo)值,px;ξ為狄克拉函數(shù),r為點(diǎn)(x,y)到原點(diǎn)的距離,px;α為過原點(diǎn)直線的垂線與橫坐標(biāo)軸的夾角,(°)。

        特征函數(shù)ξ可以保證積分過程沿特定方向上進(jìn)行,也可以理解為將圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn),對(duì)每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度垂直方向上所在列像素點(diǎn)的灰度值累加求和,當(dāng)求和值達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度就是圖像的傾斜角度。

        矯正前后織物灰度曲線圖如圖3所示。由圖3(a)可以看出,傾斜矯正處理后,灰度值曲線中大部分局部極值被過濾掉,雜質(zhì)波峰明顯減少,灰度曲線也變得相對(duì)平滑,但由圖3(b)的放大圖可知,曲線仍然留有少部分的雜質(zhì)波峰,這是下文中波峰個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)需要解決的重點(diǎn)。

        圖3 矯正前后織物灰度曲線圖Fig.3 Gray curve of fabric image before and after tilt correction. (a) before correction; (b) after correction

        3 波峰個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)

        在作織物圖像灰度曲線時(shí),為減少紗線自身存在的疵點(diǎn)、毛羽以及圖像錄入時(shí)產(chǎn)生的信息誤差等原因形成的干擾信號(hào),本文以圖像每一行或列灰度的平均值為縱坐標(biāo),其計(jì)算公式如式(2)所示:

        (2)

        式中:N為圖像行或列像素點(diǎn)個(gè)數(shù),f(x,y)為灰度值。

        提取織物灰度曲線后,可以得到曲線波峰的峰值(縱坐標(biāo))以及波峰位置(橫坐標(biāo))2個(gè)特征值。但在統(tǒng)計(jì)時(shí)必須過濾掉雜質(zhì)波峰,故本文分別從橫縱2個(gè)坐標(biāo)來設(shè)置波峰個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)的限制條件,實(shí)現(xiàn)對(duì)雜質(zhì)波峰的過濾,并探討更優(yōu)。

        3.1 峰值限制條件的設(shè)定

        通過提取100幅圖像的灰度曲線,對(duì)雜質(zhì)波峰存在位置及其頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表1為雜質(zhì)波峰分布的位置及其對(duì)應(yīng)頻率,依據(jù)雜質(zhì)波峰的峰值分布特點(diǎn),設(shè)定限制條件。如當(dāng)雜質(zhì)波峰出現(xiàn)在曲線中間與波谷附近時(shí),其峰值與主波峰峰值差值較大,故以所有波峰峰值平均值為界,只計(jì)算平均值之上的峰值個(gè)數(shù)就能準(zhǔn)確獲得波峰個(gè)數(shù)。但此方法是獲得曲線后的人為經(jīng)驗(yàn)判斷,在實(shí)際中無法運(yùn)用嚴(yán)格統(tǒng)一的鑒別標(biāo)準(zhǔn)。此外,該方法僅適用于簡單的平紋純色織物。某花色織物及其對(duì)應(yīng)的灰度曲線圖如圖4所示,圖4(b)中曲線波峰呈分段集中分布,這是由于不同顏色紗線的灰度值相差較大,且相同顏色紗線分布集中導(dǎo)致的,在這種情況僅憑峰值特點(diǎn)難以準(zhǔn)確區(qū)分出雜質(zhì)波峰,故該方法難以運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

        表1 雜質(zhì)波峰分布位置及頻率Tab.1 Impurity peak distribution location and frequency

        圖4 某花色織物Fig.4 A patterned fabric. (a)A patterned fabric picture; (b) Gray-scale curve diagram

        3.2 位置限制條件的設(shè)定

        雖然曲線波峰的峰值會(huì)由于機(jī)織物的結(jié)構(gòu)、花色以及數(shù)據(jù)本身的龐大而變得復(fù)雜多樣,難以用同一種標(biāo)準(zhǔn)或方式設(shè)定波峰統(tǒng)計(jì)時(shí)的限制條件。但如圖4所示,對(duì)波峰的位置(即橫坐標(biāo))沒有影響,相鄰波峰之間的寬度依然基本相等[11],這是由機(jī)織物紗線分布均勻穩(wěn)定的特性決定的。因此對(duì)于任意一個(gè)織物圖片曲線,相鄰波峰間的寬度只存在有限個(gè)可能。而在理論上,曲線在一定寬度(此寬度約為曲線周期)范圍內(nèi)只應(yīng)該存在1個(gè)波峰。統(tǒng)計(jì)各個(gè)間距值以及對(duì)應(yīng)的頻率,以此設(shè)置一個(gè)限制條件K,規(guī)定相鄰波峰之間的距離必須大于設(shè)定值K,否則在記數(shù)時(shí)將峰值較小者過濾,只統(tǒng)計(jì)峰值較高者,如此便可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)織物紗線根數(shù)。間隔值K的具體設(shè)定方法步驟如下:

        ①記錄灰度曲線所有波峰的信息,即每個(gè)波峰點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。

        ②利用逐差法計(jì)算所有相鄰2個(gè)波峰的間距,其計(jì)算公式如式(3)所示。然后統(tǒng)計(jì)各個(gè)間距值的頻率并按照降序排序,記間距值為Ki,對(duì)應(yīng)頻率為Pi,i=1,2,3,…。

        D=g(x(2∶i))-g(x(1∶i-1))

        (3)

        式中:g(x)為波峰的位置,i表示波峰次序,即第i個(gè)波峰。

        ③根據(jù)波峰間距的頻率分布情況確定間隔值:

        若P1>0.5,K=K1;若0.5>P1>0.3,K=(K1+K2)/2;若P1<0.3,且K1、K2、K3之間的極差小于等于4,K=(K1+K2+K3)/3。

        特別地,若波峰間距頻率分布情況不屬于以上3種,這極大可能是由于傾斜矯正不到位、圖片質(zhì)量模糊或紗線毛羽疵點(diǎn)過多造成的,可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接輸出為0,以提醒操作者對(duì)該圖片重新拍照檢測(cè)。

        在實(shí)際的密度測(cè)量中,K值與曲線周期接近,若直接取該值,會(huì)由于間隔值設(shè)置過大而過濾掉部分主波峰,降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率。為了過濾在谷底附近的雜質(zhì)波峰,該值必須大于K值的1/2。最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)取K值的2/3時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定且準(zhǔn)確率較高。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

        本文實(shí)驗(yàn)采用100多塊經(jīng)緯密度不同的機(jī)織物樣品進(jìn)行經(jīng)密和緯密的測(cè)量,為驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性,在采集織物圖片以及預(yù)處理時(shí),會(huì)保證紗線的傾斜度不超過5°;同時(shí)每塊布樣不同位置測(cè)3次,取平均值作為人工檢查的結(jié)果與圖像檢測(cè)所得結(jié)果對(duì)比,二者誤差計(jì)算公式見式(4),部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

        (4)

        式中:d1、d2分別為圖像檢測(cè)和人工檢測(cè)所得結(jié)果,根/(10 cm)。

        表2 圖像檢測(cè)與人工檢測(cè)結(jié)果對(duì)比 Tab.2 Comparison of image detection and manual experiment results

        由表2示出,在實(shí)際測(cè)量時(shí),平紋織物和斜紋織物由于其組織結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,實(shí)驗(yàn)最大誤差為1.92%。且經(jīng)計(jì)算,經(jīng)向密度、緯向密度的平均誤差分別為0.77%、0.86%,二者均小于1%,整體上在2%的誤差允許范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度較高。但對(duì)于緞紋織物,檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性存在較大波動(dòng),如緞紋2中,經(jīng)密最大誤差可達(dá)接近10%,但在緞紋織物的緯向密度測(cè)量中,誤差卻能保持在2%以內(nèi)。對(duì)此,在未來的實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)檢測(cè)方法作進(jìn)一步改進(jìn),提高對(duì)復(fù)雜織物檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,擴(kuò)大本方法的使用范圍。

        5 結(jié) 論

        實(shí)驗(yàn)表明,在設(shè)定灰度曲線波峰統(tǒng)計(jì)限制條件時(shí),波峰的位置分布比峰值分布更具有規(guī)律性,更利于該條件的設(shè)置;當(dāng)寬度間距K為原定值的2/3時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性達(dá)到最高。同時(shí),圖像檢測(cè)時(shí)間較人工檢測(cè)也有了極大的縮減,同時(shí)還能基本滿足花色織物密度實(shí)際檢測(cè)的需求。但對(duì)織物組織相對(duì)復(fù)雜的緞紋織物,其經(jīng)向密度的檢測(cè)結(jié)果有較大的波動(dòng),這是本文以后需要改進(jìn)的地方。

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