黑板条干自动评定的图象处理计算机系统
日期：2008-10-22 23:30:11 来源：中国自动化网
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纱线条干均匀度的检测方法目前主要有乌斯特均匀度仪检测法和目光检测法等。乌斯特(Uster)均匀度仪检测法是应用电容原理检测纱条不匀率。它对检测试样各段的湿度均匀程度以及试验环境条件要求较高，且不适宜对不同介电系数的纤维混纺试样检测；同时其检测结果反映的是纱线截面内纤维的多少，不能准确反映纱线的外观质量。黑板条干（目光检测法）通过眼观纱条在黑板上形成的阴影，记数棉结等指标来评定纱线外观质量；但目光检测法具有主观性强、需要精确与繁重工作的弱点。基于此，我们开发了纱线黑板条干自动评定法，它与目光检测法检测原理一致，通过把纱线黑板以图象的方式摄入计算机，然后计算机对输入的图象进行一系列处理，最后记数棉结和统计出表示纱线外观不匀的各种变异系数等指标来评定纱线的条干均匀度。它同样是检测纱线条干外观质量，但省除了评定时需要的精确与繁重工作弱点，克服了主观性强的毛病。其评定的准确性，关键是图象处理的影响，要求处理时既方便评定，又要保持图象的有效信息。
1 图象预处理
图象摄入时，需要对同一黑板对象连续采样3次，得到同一黑板的3贞图象。预处理时，各图象的灰度值均用各摄入图象象素点三原色中的最大值来表示，这是由于纱线的颜色始终区别于黑板的颜色，这样可以避免因纱线色差带来的与背景之间的模糊。然后把3贞灰度图象进行中值滤波，通过中值滤波滤掉部分采集过程中产生的随机噪声。得到一贞较为理想的输入图象。
2 图象二值化处理
由于黑板图象中纱线和背景黑板灰度值对比明显，因此二值化算法采用双峰法。在通常情况下，纱线和背景的灰度值都各自呈正态分布，他们的灰度值分布曲线在阀值点处出现交叉，即可能出现比阀值大一点的是背景，比阀值小一点的是纱条的情况。因此使用双峰法中唯一的阀值进行二值化来分离纱线和背景，将与实际的情况产生误差。所以在二值化时，灰度值在阀值附近一定范围内的点，既可能为白点，也可能为黑点，它与其周围的邻点灰度值有关，要进行特殊处理。笔者是结合纱线黑板条干的结构特点进行处理，其算法如图1：
2．1算法说明
在用双峰法求阀值时，使用预处理后的原图象灰度值信息，原图象更能准确反映出纱线和黑板原灰度值信息。通过多次实验得出，交叉范围的上偏幅度为背景灰度值空间范围的5%，下偏幅度为纱线灰度值范围的5%。二值化处理中，第一次判断处理点的灰度值是否在交叉范围内时，处理点的灰度值使用原图象均值滤波（见后述）后的图象对应点灰度值，这样可以直接去除交叉范围灰度值下限的毛羽。判断是否为边缘上的点，是根据边缘分割处理（见后述）得来的，若为边缘上的点，则为白点。它实际上就是判断了处理点与上下邻点的关系。第二次判断处理点的灰度值是否在交叉范围内时，处理点的灰度值使用预处理后原图象对应点灰度值，可去除部分因滤波使灰度值陡增的背景点（主要是纱条边缘附近的点）。判断它与左右邻点的关系，由于纱线是连续的，只要其左右邻点有一点为白点，那么它具有为白点的趋势，它为白点。
2．2均值滤波
均值滤波主要是用来滤除纱线毛羽。不使用通常的4×4或8×8的模板，采用□□■□□的模板，■点表示正处理的点，□表示其左右的四邻点。该模板对水平方向上连续的灰度值相近的象素影响很小，反之影响大。由于采样时纱条长度方向为水平方向，且纱条上的灰度值连续相近，所以滤波对纱条上的灰度值影响较小，相反会大大增加因噪声在纱条上形成的低灰度值点的灰度值，这样可减少二值化时噪声对纱条的影响，特别是纱条边缘处的噪声，在二值化后已无法清除。另一方面，由于毛羽呈单纤维状分布在背景中，与纱条长度方向不一致(见图2)，做均值滤波处理，是让毛羽象素的灰度值与黑板背景做平均，使其减小，在二值化时可以滤除纱线毛羽，欲滤除纱线毛羽，影响它的关键因素是采用的模板宽度，它决定对毛羽的灰度值的大小，由毛羽的粗度决定，即单纤维细度确定模板的宽度。如果模板宽度过窄，对毛羽的灰度值影响不大，不利去除；反之则可能去除棉结边缘，影响评定时对棉结的记数。
2．3 边缘分割
找出纱条在图象中的上下边缘。在原图象中比较处理点灰度值与其相邻上下点（用该点的灰度值分别去减其上下邻点的灰度值），得到其差值，保留两个差值中的最大值作为该点处理后的灰度值，如果其最大值为负数，说明该点的灰度值比其上下邻点的灰度值都小，那么该点肯定不为边缘，将该点的灰度值置为0。然后对处理后的图象信息进行二值化，同样，由于处理后的图象中各对象边缘的灰度值与非边缘的灰度值对比明显，采用双峰法二值化。注意计算阀值时从灰度值等于1开始计算，忽略灰度值为0的部分，但二值化处理仍然是整幅图象逐点处理。
3 纱线的修复与除噪
二值化后的图象中，纱条上可能存在小部分毛羽，纱条个别处可能有断裂的现象，需要进行修复；同时在背景和纱条中还存在海岛噪声，需要去除。
3．1 去除纱线内部黑点
由于噪声和杂质的影响，可能使得二值化图象后的纱条内部出现黑点（海岛噪声），不进行处理将影响后面参数的计算。考虑到纱条内部黑点是孤立的，与背景没连通；根据连通原理用灰度值等于1来填充背景，然后再将图象中其余灰度值等于0的点置为白点，即将纱条内部黑点的灰度值改写为与纱条灰度值255一致，最后背景的灰度值恢复为0。这样就去除了纱线内部黑点。
3．2 腐蚀和膨胀
二值化后的图象还存在小部分毛羽，由于毛羽只有其根部与纱线连接，并且其分布方向与纱条长度方向几乎垂直，通过□■□水平摸板腐蚀，■点表示顺序检索到的黑点，□表示其左右的二邻点，只腐蚀其左右邻点，不作上下腐蚀，能够去除毛羽。但可能腐蚀了纱条上的有效点（特别是棉结上的点），需要再做同等次数的膨胀运算恢复，采用同样的摸板，只膨胀其左右邻点，不作上下膨胀。这样既去除了毛羽，又几乎对纱条的有效点无影响。
3．3 纱条的连接、分割和除噪
由于纱线的细节、杂质和噪声的影响，纱条的内部可能出现断裂现象；同时可能由于棉结太大出现两根纱条粘连的现象，都需要处理。
根据连通性原理，采用跟踪法，把同一（白点）对象的所有象素改用另一个值（相当于灰度值，但灰度值只能小于等于255，对象的个数可能超过255，该值可超过255）标注出来，不同的对象其象素用不同的值（从1开始）标注，然后计算出它们各自的面积。从面积最大的对象开始跟踪对象的起点和终点坐标，直至找出面积最大的80个对象（由于一个黑板只有80根纱线）。若两根（或多根）纱条粘连，其包含了纱条间的空白，这样它们的终点和起点纵坐标的差值将比正常情况大几倍（见图2），同时一般情况下，它们的面积将比正常纱条近似大一倍，这样很容易找到粘连纱条，跟踪它们的粘连处，然后进行分割，注意修改一部分的标注值，并重新计算他们各自的面积，修改它们各自的起点和终点坐标。另一方面，正常情况下纱线的终点和起点横坐标的差值是固定，通过起点和终点坐标判断纱线是否断裂，如果断裂，这个差值相对较小。然后就在断裂处沿着水平方向（断裂方向）查找断裂的另一部分，找到后修改断裂的另一部分的标注值，使两部分的标注值一致，表示为一个对象；修改起点或终点指标，并把这两部分对应的面积值相加，把它们的和作为该对象的面积，相应地，对已修改了标注值对象所对应的面积值清零。这样将80根纱线的恢复完整，最后表现为它们的起点和终点的横坐标几乎相等。连接和分割处理完毕后，剩余的对象均为海岛噪声，将它们标注值置为0，并清空它们存储的面积值。
3．4 纱条的修复
由于纱线杂质和噪声的影响，纱条的边缘可能出现裂纹（未断裂），通过跟踪边界修补。根据纺纱的牵伸原理，纱线的细节有一定的延续，也就是说图象中纱条的细节有一定的长度，在水平方向上将延续多个象素点。裂纹一定出现在边界的邻点，判断某点（黑点）是否是裂纹，通过判断该黑点右邻点是否为白点，如果右边第一个或第二个点为白点，则为裂纹，修改它的灰度值为255。
4 结语
通过处理后的图象能够得到与评定黑板条干相关的各个参数。计算出棉结的大小、长度、个数等指标，并可按大小、长度进一步细化棉结的分布情况。统计出纱线不匀的各种变异系数，包括各种长度的片段不匀以及在图象中横向各长度的不匀（类似于检测云斑）等。通过对本课题的研究，其方法可应用到对纱线结构研究，纱线毛羽测定等领域。
参 考 文 献
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1 图象预处理
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图象摄入时，需要对同一黑板对象连续采样3次，得到同一黑板的3贞图象。预处理时，各图象的灰度值均用各摄入图象象素点三原色中的最大值来表示，这是由于纱线的颜色始终区别于黑板的颜色，这样可以避免因纱线色差带来的与背景之间的模糊。然后把3贞灰度图象进行中值滤波，通过中值滤波滤掉部分采集过程中产生的随机噪声。得到一贞较为理想的输入图象。
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2 图象二值化处理
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由于黑板图象中纱线和背景黑板灰度值对比明显，因此二值化算法采用双峰法。在通常情况下，纱线和背景的灰度值都各自呈正态分布，他们的灰度值分布曲线在阀值点处出现交叉，即可能出现比阀值大一点的是背景，比阀值小一点的是纱条的情况。因此使用双峰法中唯一的阀值进行二值化来分离纱线和背景，将与实际的情况产生误差。所以在二值化时，灰度值在阀值附近一定范围内的点，既可能为白点，也可能为黑点，它与其周围的邻点灰度值有关，要进行特殊处理。笔者是结合纱线黑板条干的结构特点进行处理，其算法如图1：
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2．1算法说明
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在用双峰法求阀值时，使用预处理后的原图象灰度值信息，原图象更能准确反映出纱线和黑板原灰度值信息。通过多次实验得出，交叉范围的上偏幅度为背景灰度值空间范围的5%，下偏幅度为纱线灰度值范围的5%。二值化处理中，第一次判断处理点的灰度值是否在交叉范围内时，处理点的灰度值使用原图象均值滤波（见后述）后的图象对应点灰度值，这样可以直接去除交叉范围灰度值下限的毛羽。判断是否为边缘上的点，是根据边缘分割处理（见后述）得来的，若为边缘上的点，则为白点。它实际上就是判断了处理点与上下邻点的关系。第二次判断处理点的灰度值是否在交叉范围内时，处理点的灰度值使用预处理后原图象对应点灰度值，可去除部分因滤波使灰度值陡增的背景点（主要是纱条边缘附近的点）。判断它与左右邻点的关系，由于纱线是连续的，只要其左右邻点有一点为白点，那么它具有为白点的趋势，它为白点。
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2．2均值滤波
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均值滤波主要是用来滤除纱线毛羽。不使用通常的4×4或8×8的模板，采用□□■□□的模板，■点表示正处理的点，□表示其左右的四邻点。该模板对水平方向上连续的灰度值相近的象素影响很小，反之影响大。由于采样时纱条长度方向为水平方向，且纱条上的灰度值连续相近，所以滤波对纱条上的灰度值影响较小，相反会大大增加因噪声在纱条上形成的低灰度值点的灰度值，这样可减少二值化时噪声对纱条的影响，特别是纱条边缘处的噪声，在二值化后已无法清除。另一方面，由于毛羽呈单纤维状分布在背景中，与纱条长度方向不一致(见图2)，做均值滤波处理，是让毛羽象素的灰度值与黑板背景做平均，使其减小，在二值化时可以滤除纱线毛羽，欲滤除纱线毛羽，影响它的关键因素是采用的模板宽度，它决定对毛羽的灰度值的大小，由毛羽的粗度决定，即单纤维细度确定模板的宽度。如果模板宽度过窄，对毛羽的灰度值影响不大，不利去除；反之则可能去除棉结边缘，影响评定时对棉结的记数。
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2．3 边缘分割
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找出纱条在图象中的上下边缘。在原图象中比较处理点灰度值与其相邻上下点（用该点的灰度值分别去减其上下邻点的灰度值），得到其差值，保留两个差值中的最大值作为该点处理后的灰度值，如果其最大值为负数，说明该点的灰度值比其上下邻点的灰度值都小，那么该点肯定不为边缘，将该点的灰度值置为0。然后对处理后的图象信息进行二值化，同样，由于处理后的图象中各对象边缘的灰度值与非边缘的灰度值对比明显，采用双峰法二值化。注意计算阀值时从灰度值等于1开始计算，忽略灰度值为0的部分，但二值化处理仍然是整幅图象逐点处理。
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3 纱线的修复与除噪
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二值化后的图象中，纱条上可能存在小部分毛羽，纱条个别处可能有断裂的现象，需要进行修复；同时在背景和纱条中还存在海岛噪声，需要去除。
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3．1 去除纱线内部黑点
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由于噪声和杂质的影响，可能使得二值化图象后的纱条内部出现黑点（海岛噪声），不进行处理将影响后面参数的计算。考虑到纱条内部黑点是孤立的，与背景没连通；根据连通原理用灰度值等于1来填充背景，然后再将图象中其余灰度值等于0的点置为白点，即将纱条内部黑点的灰度值改写为与纱条灰度值255一致，最后背景的灰度值恢复为0。这样就去除了纱线内部黑点。
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3．2 腐蚀和膨胀
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二值化后的图象还存在小部分毛羽，由于毛羽只有其根部与纱线连接，并且其分布方向与纱条长度方向几乎垂直，通过□■□水平摸板腐蚀，■点表示顺序检索到的黑点，□表示其左右的二邻点，只腐蚀其左右邻点，不作上下腐蚀，能够去除毛羽。但可能腐蚀了纱条上的有效点（特别是棉结上的点），需要再做同等次数的膨胀运算恢复，采用同样的摸板，只膨胀其左右邻点，不作上下膨胀。这样既去除了毛羽，又几乎对纱条的有效点无影响。
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3．3 纱条的连接、分割和除噪
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由于纱线的细节、杂质和噪声的影响，纱条的内部可能出现断裂现象；同时可能由于棉结太大出现两根纱条粘连的现象，都需要处理。
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根据连通性原理，采用跟踪法，把同一（白点）对象的所有象素改用另一个值（相当于灰度值，但灰度值只能小于等于255，对象的个数可能超过255，该值可超过255）标注出来，不同的对象其象素用不同的值（从1开始）标注，然后计算出它们各自的面积。从面积最大的对象开始跟踪对象的起点和终点坐标，直至找出面积最大的80个对象（由于一个黑板只有80根纱线）。若两根（或多根）纱条粘连，其包含了纱条间的空白，这样它们的终点和起点纵坐标的差值将比正常情况大几倍（见图2），同时一般情况下，它们的面积将比正常纱条近似大一倍，这样很容易找到粘连纱条，跟踪它们的粘连处，然后进行分割，注意修改一部分的标注值，并重新计算他们各自的面积，修改它们各自的起点和终点坐标。另一方面，正常情况下纱线的终点和起点横坐标的差值是固定，通过起点和终点坐标判断纱线是否断裂，如果断裂，这个差值相对较小。然后就在断裂处沿着水平方向（断裂方向）查找断裂的另一部分，找到后修改断裂的另一部分的标注值，使两部分的标注值一致，表示为一个对象；修改起点或终点指标，并把这两部分对应的面积值相加，把它们的和作为该对象的面积，相应地，对已修改了标注值对象所对应的面积值清零。这样将80根纱线的恢复完整，最后表现为它们的起点和终点的横坐标几乎相等。连接和分割处理完毕后，剩余的对象均为海岛噪声，将它们标注值置为0，并清空它们存储的面积值。
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3．4 纱条的修复
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由于纱线杂质和噪声的影响，纱条的边缘可能出现裂纹（未断裂），通过跟踪边界修补。根据纺纱的牵伸原理，纱线的细节有一定的延续，也就是说图象中纱条的细节有一定的长度，在水平方向上将延续多个象素点。裂纹一定出现在边界的邻点，判断某点（黑点）是否是裂纹，通过判断该黑点右邻点是否为白点，如果右边第一个或第二个点为白点，则为裂纹，修改它的灰度值为255。
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4 结语
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通过处理后的图象能够得到与评定黑板条干相关的各个参数。计算出棉结的大小、长度、个数等指标，并可按大小、长度进一步细化棉结的分布情况。统计出纱线不匀的各种变异系数，包括各种长度的片段不匀以及在图象中横向各长度的不匀（类似于检测云斑）等。通过对本课题的研究，其方法可应用到对纱线结构研究，纱线毛羽测定等领域。
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