基于線性陣列的紗線直徑與毛羽測量方法

袁汝旺，蔣秀明，周國慶，杜玉紅

(天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

紗線的外觀質(zhì)量直接影響紡織品的質(zhì)量，可利用視覺檢測技術(shù)測量紗線直徑、毛羽等工藝參數(shù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率［1－3］。Guha A、Ohta K、Cybulska M和Ozkaya Y A等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究紗線直徑、毛羽和捻度等特征的自動(dòng)識別、提取和參數(shù)估計(jì)方法［4－6］，分析不同實(shí)驗(yàn)條件和圖像處理方法對測量結(jié)果的影響［7］;Carvalho V H等采用光電二極管和相干光信號處理技術(shù)開發(fā)紗線毛羽和基于平均直徑的紗疵評價(jià)系統(tǒng)［8－10］，運(yùn)用快速傅里葉交換(FFT)和快速小波直方圖技術(shù)(FWHT)對數(shù)字信號進(jìn)行處理和頻譜分析，獲取紗線直徑、線密度和不規(guī)則參數(shù)［11－13］。隨著新型半導(dǎo)體集成光器件的發(fā)展，線性陣列測量技術(shù)可用于檢測紗線外觀直徑和毛羽等工藝參數(shù)［3，14］。本文依據(jù)線性陣列測徑原理，開發(fā)一種新的非接觸式紗線外觀質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，研究紗線直徑測量和毛羽估計(jì)的方法，提出了紗線直徑測量的提取算法，分析浮動(dòng)閾值變化對測量結(jié)果的影響，達(dá)到紗線直徑和毛羽評價(jià)目的，可為紗線生產(chǎn)過程監(jiān)測提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)參考，并有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 紗線直徑與毛羽測量原理

1.1 線性陣列測徑原理

線性陣列是指將多個(gè)具備敏感可讀區(qū)域(像素)光敏原件感測器排列在1條獨(dú)立的直線上，其光敏原件感測器主要包括電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(CMOS)2種形式。Koganeya K、Millman M P和Carvalho V H等利用線性陣列CCD/CMOS視覺檢測技術(shù)開發(fā)紗線外觀質(zhì)量檢測及評級系統(tǒng)，研究紗線直徑、毛羽、棉結(jié)等工藝參數(shù)的測量原理及方法，提出了紗線核直徑的概念和提取算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)自動(dòng)準(zhǔn)確測量;但是系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理計(jì)算工作量大，實(shí)時(shí)測量存在欠缺［14－16］。線性陣列測徑的工作原理如圖1所示。

圖1 線性陣列測量原理Fig.1 Measuring principle of linear array

通過光學(xué)系統(tǒng)將紗線直徑尺寸以一定的、準(zhǔn)確的倍率成像于線性陣列光敏面上，對線性陣列輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送往計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測量，式(1)給出了紗線直徑測量的基本模型［17］。

式中:d為紗線徑值，mm;h為線性陣列像素寬度，mm;△P為紗線直徑所遮擋的線陣像素個(gè)數(shù);β為光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)。

1.2 紗線毛羽估計(jì)

圖2示出紗線外觀結(jié)構(gòu)。沿紗線軸向任意位置做垂直線ab，線性陣列測量所獲得的紗線直徑主要由紗線核直徑(ab部分)和毛羽(ab外側(cè)突出部分)構(gòu)成，采用線性陣列測量紗線直徑時(shí)，紗線直徑的大小與線陣元件的輸出電壓成比例關(guān)系，毛羽影響線性陣列的電壓輸出信號，而紗線核直徑取決于ab之間的線陣像素個(gè)數(shù)，因此，紗線毛羽率的估計(jì)原理如式(2)所示。

圖2 紗線外觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of yarn appearance

式中:H為紗線核之外的毛羽投影和紗線投影的比值，即毛羽率，%;Vi為紗線直徑輸出電壓，V;Vid為紗線核直徑計(jì)算輸出電壓，V。

2 紗線核直徑提取算法

2.1 線輪廓特征信號遞歸平均濾波原理

圖3描述了紗線在直線ab位置線輪廓特征像素與密度的關(guān)系，紗線核直徑為線輪廓特征的最深輪廓線與浮動(dòng)閾值交叉點(diǎn)a、b之間的寬度，其中D表示接收光線的明暗程度。

圖3 紗線直徑線輪廓特征曲線Fig.3 Characteristic curve of line profile on yarn diameter

從圖3中可知浮動(dòng)閾值變化影響紗線直徑的測量結(jié)果，因此，本文提出一種遞歸平均濾波的方法對線輪廓特征信號進(jìn)行平滑處理，其基本思想是判斷測量范圍內(nèi)任意像素所對應(yīng)的線輪廓特征信號瞬時(shí)密度值與平均密度值的大小，確定其保持不變或用飽和閾值替代，式(3)、(4)給出了基本原理。

式中:Di為瞬時(shí)密度值;為平均密度測值;DS為飽和閾值，n為采樣個(gè)數(shù)。

2.2 紗線核直徑像素坐標(biāo)提取

假定線輪廓特征曲線的最深輪廓線與浮動(dòng)閾值交叉點(diǎn)a和b，且所對應(yīng)的像素坐標(biāo)分別為PL和PR。因?yàn)樽钌钶喞€兩側(cè)均具有單調(diào)性，且像素坐標(biāo)PL(或PR)∈［Pi，Pi+1］，i=0，1，…，N－ 1，所以當(dāng)(DF－Di)(DF－Di+1)≤0時(shí)，采用線性插值自動(dòng)獲取像素坐標(biāo)PL和PR，式(5)給出了像素坐標(biāo)的提取算法。

式中:DF為浮動(dòng)閾值;Pi為像素坐標(biāo)。

首先是用典修辭格的使用?！八驏|流”是李煜“問君能有幾多愁，恰似一江春水向東流”典故的使用，表現(xiàn)了主任公內(nèi)心無限的愁苦。

2.3 算法的實(shí)現(xiàn)

利用遞歸平均濾波和線性插值像素坐標(biāo)提取實(shí)現(xiàn)紗線直徑測量的具體步驟如下:

1)設(shè)定飽和閾值DS、浮動(dòng)閾值DF和線陣最大像素值n;

2)獲取沒有紗線通過時(shí)的噪聲干擾信號Dc和紗線直徑測量信號Di，并計(jì)算Di=Di－Dc

3)利用式(3)、(4)對直徑信號進(jìn)行濾波處理，計(jì)算紗線直徑測量信號的平均值，將瞬時(shí)密度值大于平均密度的信號用飽和閾值DS代替;

4)利用步驟3的結(jié)果，重復(fù)步驟3的流程，對非飽和閾值信號處理;

5)判斷所在像素區(qū)間，確定最深輪廓線和飽和閾值交叉點(diǎn)的像素坐標(biāo)，利用式(5)計(jì)算所對應(yīng)的像素值PL、PR;

6)利用步驟5的結(jié)果，確定最深輪廓線和飽和閾值交叉點(diǎn)之間的像素個(gè)數(shù)△P=PR－PL，并根據(jù)式(1)計(jì)算紗線直徑d。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

紗線直徑測量系統(tǒng)主要由智能激光傳感器(激光光源、光學(xué)系統(tǒng)、線陣接收單元)、測量流程控制與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、樣本喂入速度控制系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)組成，表1給出了測量系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)研究的樣本選用36.9 tex棉紗線，光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)β=1系統(tǒng)硬件的對測量信號的采樣周期為1 ms，采樣時(shí)間間隔為10 ms，張力T=50 mN，喂入速度v=12 m/min。

為了驗(yàn)證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量結(jié)果再現(xiàn)性選，用直徑為2、1、0.5、0.1 mm 4種不同規(guī)格的銅絲對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，確定紗線直徑信號與輸出電壓的物理關(guān)系，圖4示出測量系統(tǒng)的線性關(guān)系。校準(zhǔn)結(jié)果表明，測量系統(tǒng)具有良好的線性關(guān)系［18］。

表1 線陣激光傳感器參數(shù)Tab.1 Param eters of linear array laser sensor

圖4 測量系統(tǒng)的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship ofmeasuring system

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 遞歸平均濾波算法仿真與分析

設(shè)定信號處理的飽和閾值為1 024，浮動(dòng)閾值為768。圖5示出紗線直徑線輪廓特征信號遞歸平均濾波過程。圖5(a)示出線輪廓特征的原始測量信號，其非飽和閾值信號平均密度值=901.53，最深輪廓線說明了紗線核直徑的輪廓邊界，在最深輪廓線兩側(cè)主要為紗線毛羽，浮動(dòng)閾值與線輪廓特征信號曲線的交點(diǎn)為C、D、E、F，其中紗線核直徑為交叉點(diǎn)C、D之間的寬度，交叉點(diǎn)E、F之間的寬度為毛羽信號;圖5(b)給出第1次遞歸平均濾波后的結(jié)果，其非飽和閾值信號平均密度值=484.06，部分噪聲信號和毛羽信號被濾除，浮動(dòng)閾值與信號曲線的交點(diǎn)不變，影響核直徑的毛羽信號仍然存在;圖5(c)給出第2次遞歸平均濾波后的結(jié)果，其非飽和閾值信號平均密度值=166.49，噪聲和毛羽信號被全部濾除，交叉點(diǎn)C、D之間的寬度為有效的紗線核直徑。結(jié)果表明經(jīng)過2次遞歸平均濾波處理后，影響紗線直徑測量的毛羽和噪聲信號被全部濾除，能夠有效測量紗線直徑。

圖5 遞歸平均濾波處理算法Fig.5 Algorithm of filtering process on recursive averaging.(a)Initial signal of line profile characteristic;(b)Results of first filtering processing;(c)Results of second filtering processing

為分析在遞歸平均濾波處理過程中閾值變化對測量結(jié)果的影響，選取3種不同的浮動(dòng)閾值分別為512、768和1 000，表2示出濾波處理過程中浮動(dòng)閾值與最深輪廓線交叉點(diǎn)C、D所對應(yīng)的像素坐標(biāo)和直徑像素變化情況。從表中可看出，在遞歸平均濾波處理過程中，浮動(dòng)閾值變化對原始信號確定的紗線直徑影響最大，直徑像素誤差為53，而對第2次濾波處理后確定的紗線直徑影響最小，直徑像素誤差為2。在信號處理過程中，當(dāng)選取浮動(dòng)閾值為512，直徑像素變化最小，誤差為2;當(dāng)選取浮動(dòng)閾值為1 000，直徑像素變化最大，誤差為53。結(jié)果表明當(dāng)浮動(dòng)閾值接近于飽和閾值時(shí)，受噪聲、毛羽等高頻信號的影響，直徑測量結(jié)果誤差大;當(dāng)浮動(dòng)閾值為飽和閾值的50%時(shí)，測量結(jié)果變化小。

表2 不同閾值的直徑像素Tab.2 Pixels of diameter w ith different thresholds

3.2.2 紗線直徑測量和毛羽率估計(jì)結(jié)果與討論

測量系統(tǒng)輸出結(jié)果不失真的條件是紗線樣本不規(guī)則的最小波長為線陣接收單元寬度的10倍［18］，因此，利用測量系統(tǒng)獲取100個(gè)采樣點(diǎn)作為樣本片段，其中每10個(gè)采樣點(diǎn)為1個(gè)子片段，共10個(gè)子片段。圖6示出采樣過程中直徑像素變化情況。樣本片段的直徑像素平均值為 53.2，變異系數(shù)為12.8%。

圖6 紗線直徑測量信號Fig.6 Measured signal of yarn diameter

表3示出利用遞歸平均算法濾波處理后獲得的樣本子片段紗線直徑測量與毛羽率估計(jì)的結(jié)果。紗線樣本的平均直徑為0.213 mm，毛羽率估計(jì)平均值為6.50%。

圖7示出子片段直徑與毛羽率變化情況，從中可看出子片段紗線直徑和毛羽率估計(jì)值的變化情況。紗線平均直徑變化范圍是［－4.23%，5.16%］，標(biāo)準(zhǔn)差為3.40%。紗線樣本子片段直徑條干均勻，對片段不規(guī)則影響小。紗線平均毛羽率變化范圍是［－33.38%，30.25%］，標(biāo)準(zhǔn)差為23.56%。紗線樣本子片段毛羽率變化大，加劇片段不規(guī)則。

表3 樣本子片段直徑測量與毛羽率估計(jì)結(jié)果Tab.3 Results on measurement of diameter and estimation of hairiness rate for sam p le sub-segment

圖7 子片段直徑與毛羽變化Fig.7 Variation on diameter and hairiness of subsegment

4 結(jié)論

1)基于線性陣列測量技術(shù)，利用線陣CCD激光傳感器開發(fā)的非接觸式測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測量紗線直徑和毛羽，且測量系統(tǒng)精度和靈敏度高，數(shù)據(jù)結(jié)果可靠。

2)針對高頻噪聲和毛羽信號，對紗線直徑線輪廓特征信號進(jìn)行2次遞歸平均濾波處理后，可獲得精確地紗線直徑像素，準(zhǔn)確測量紗線直徑和估計(jì)紗線毛羽率。

3)利用線性插值方法自動(dòng)獲得浮動(dòng)閾值與線輪廓特征信號交叉點(diǎn)的像素坐標(biāo)，且不同浮動(dòng)閾值影響遞歸平均濾波處理過程中的直徑像素，浮動(dòng)閾值越接近飽和閾值，對直徑像素影響越大，測量結(jié)果準(zhǔn)確性就越差。characterizati on system:design of a prototype［J］.Sensors Journal，IEEE，2009，9(8):987－993.

［1］ CARVALHO Vitor H， BELSLEY Michael S，VASCONCELOS Rosa M，et al.Automatic yarn

［2］ CARVALHO V，CARDOSO P，BELSLEY M，et al.Development of a yarn evenness measurement and hairiness analysis system［C］//CAPOLINO Gerard Andre. 32nd Annual Conference on Industrial Electronics.Paris:Industrial Electronics Society of IEEE，2006:3621 －3626.

［3］ TRESANCHEZM，PALLEJà T，TEIXIDó M，et al.Measuring yarn diameter using inexpensive optical sensors［J］.Procedia Engineering，2010，5:236 －239.

［4］ GUHA Anirban，AMARNATH C，PATERIA S，et al.Measurement of yarn hairiness by digital image processing［J］.Journal of the Textile Institute，2009，101(3):214－222.

［5］ OHTA Ken'ichi，HATA Yutaka，OHTA Chikako，etal.Measuring the appearance diameter of yarns using visual information［J］.Sen'i Gakkaishi，2000，56(11):518－523.

［6］ OZKAYA Y A，ACAR M，JACKSON M R.Yarn twist measurement using digital imaging［J］.Journal of the Textile Institute，2008，101(2):91－100.

［7］ CYBULSKA Maria.Assessing yarn structure with image analysismethods1［J］.Textile Research Journal，1999，69(5):369－373.

［8］ CARVALHO Vítor H， CARDOSO Paulo J，VASCONCELOSRosa M，et al.Optical Yarn hairiness measurement system ［C］//DIETRICH Dietmar，HANCKE Gerhard.5th International Conference on Industrial Informatics.Vienna:Industrial Electronics Society of IEEE，2007:359－364.

［9］ CARVALHO Vítor H，CARDOSO Paulo J，BELSLEY Michael S，et al.Yarn hairiness characterization using two orthogonal directions ［J］.Instrumentation and Measurement，2009，58(3):594 －601.

［10］ CARVALHO Vítor H，CARDOSO Paulo J，BELSLEY Michael S，et al.Yarn diameter measurements using coherent optical signal processing［J］.Sensors Journal，IEEE，2008，8(11):1785－1793.

［11］ CARVALHO Vítor， MONTEIRO Joāo L， SOARES Filomena O，et al. Yarn evenness parameters evaluation:a new approach［J］.Textile Research Journal，2008，78(2):119 －127.

［12］ CARVALHO V，SOARES F，BELSLEY M，et al.Automatic yarn characterization system ［C］//BONFIGLIO Silvio，BEKIARIS Angelos ROLLER Dagmar.IEEE Sensors 2008.Lecce，IEEE Sensors，2008:780－783.

［13］ TàPIASMontserrat，RALLó Miquel，ESCOFET Jaume.Automatic measurements of partial cover factors and yarn diameters in fabrics using image processing［J］.Textile Research Journal，2011，81(2):173 －186.

［14］ CARVALHO Vítor， BELSLEY Michael，VASCONCELOS Rosa M，et al.Yarn hairiness and diameter characterization using a CMOS line array［J］.Measurement，2008，41(10):1077 －1092.

［15］ MILLMAN M P，ACAR M，JACKSON M R.Computer vision for textured yarn interlace(nip)measurements at high speeds［J］.Mechatronics，2001，11(8):1025 －1038.

［16］ KOGANEYA Keizo，YUKISHITA Youichi，F(xiàn)UJISAKI Hirotaka，et al. Instrument for measuring the appearance width of running double ply staple yarn using lightness threshold for yarn image［J］.Sen－IGakkaishi，2012，68(4):98－105.

［17］ 蘇波，王紀(jì)龍，王云才.CCD高精度測徑系統(tǒng)的研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33(5):506－509.SU Bo，WANG Jilong，WANG Yuncai.Research on high accuracy diametermeasur ement system with CCD［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2002，33(5):506－509.

［18］ 袁汝旺，蔣秀明，楊公源.纖維束條干外觀不勻的激光測量方法［J］.中國激光，2012，39(7):176－180.YUAN Ruwang，JIANG Xiuming，YANG Gongyuan.Measuring method for appearance unevenness of fiber bundles［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39(7):176－180.