基于線激光截面成像的棉花白色異性纖維檢測(cè)方法

蓋磊

昌吉州纖維檢驗(yàn)所 新疆昌吉 831100

棉花作為主要經(jīng)濟(jì)作物，用途廣泛。棉花中的白色異性纖維的存在會(huì)嚴(yán)重影響纖維的使用質(zhì)量，在之前技術(shù)比較落后的時(shí)候，通常使用工人來挑揀這些白色異性纖維的方法，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多人使用光譜成像的技術(shù)手段來檢測(cè)，但是這樣的機(jī)器設(shè)備普遍價(jià)格比較高，檢測(cè)成本高昂，不適合使用。目前，運(yùn)用線激光截面成像的設(shè)備手段檢測(cè)性能優(yōu)良[1]。

1 激光光學(xué)理論分析

隨著科技的發(fā)展，之前我們使用廣泛的利用紅外光檢測(cè)的手段檢測(cè)棉花中的白色異性纖維檢的過程中出現(xiàn)了很多缺點(diǎn)。經(jīng)過科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，紅外波段對(duì)于纖維中的面，羊毛，棉花光部分的檢測(cè)差別較大，我們?cè)谧钤缣岢龅睦眉t外光譜檢測(cè)主要是為區(qū)分存在白色異性纖維的羊毛和棉花。經(jīng)過科學(xué)家的不懈努力，實(shí)驗(yàn)探究出了棉花中具有的熒光色的異性纖維進(jìn)行了光譜分析，發(fā)現(xiàn)異形纖維可以檢測(cè)出熒光，并且科學(xué)家還利用可見紫外光譜成像[2]，對(duì)具有熒光特性的白色纖維使用機(jī)器進(jìn)行視覺檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，但是使用熒光手段檢測(cè)那些對(duì)于棉花顏色接近，且不激發(fā)熒光的白色雜質(zhì)不容易識(shí)別。

1.1 線激光光學(xué)特征

激光具有方向性較好，亮度較高，單色性強(qiáng)，并且抗干擾能力強(qiáng)，而且目前市場(chǎng)上的半導(dǎo)體激光器售賣價(jià)錢比較低，而且非常方便攜帶，實(shí)用性很高。除此之外，激光技術(shù)近年來在各種檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。相比起其他普通光源，特德優(yōu)點(diǎn)在于，其他光源一般都是全方位發(fā)光，但激光束的發(fā)散角度一般都是毫弧度，數(shù)量級(jí)比較，所以激光比起其他光源的方向性更好，而且亮度很高。所謂光亮度值，是指在單位面積的光源表面，法向單位立體角內(nèi)發(fā)散的光功率，發(fā)散角和頻帶寬度變化趨勢(shì)相反，因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角和頻帶寬度相比普通光源更小，所以激光的單色亮度高得多[3]。

1.2 激光檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)

光線的單色性一般是用光譜線的頻帶寬度來衡量的。而且它與光譜線的頻帶寬度成反比，因?yàn)橄啾绕胀ü庠吹墓庾V線，激光光譜線的線寬比較長(zhǎng)，所以激光單色性能明顯比較好，而線激光又是激光檢測(cè)中最具有代表性的?？梢赃\(yùn)用線激光，將其投射到物質(zhì)表面，使用相機(jī)采集所有經(jīng)過物體引起表面形態(tài)調(diào)整的結(jié)構(gòu)光條圖像，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，獲得物體表面的反光特性，形狀信息等，這種檢測(cè)技術(shù)具有不用接觸而且檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 激光檢測(cè)的手段

纖維的光學(xué)性能是指在光照射下纖維反射光線的能力，它主要由以下3個(gè)部分構(gòu)成：正反射光面上的表面散射光，來自內(nèi)部的散射光和透射光，纖維的光學(xué)性能強(qiáng)弱與光線照入的入射角，待測(cè)物質(zhì)的纖維直徑，纖維密度，表面形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都息息相關(guān)。光線照入布料時(shí)，入射光中的大部分被纖維表面所反射，部分光線被折射，還有部分光線透過纖維被吸收，還有一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維的內(nèi)能，剩余的一小部分以散射光的形式向外發(fā)散。棉花纖維的特點(diǎn)是形狀細(xì)小，長(zhǎng)度位于23-45毫米，直徑大約為26mm，形貌呈云霧狀，結(jié)構(gòu)松散，具有輕微彈力。在纖維內(nèi)部和纖維之間存在很多孔隙，表面也非常不平整，當(dāng)平行入射光傾斜照入纖維內(nèi)部時(shí)，反射出漫反射光。棉花纖維由于其本身的光學(xué)特性，它的反射率小，光學(xué)性能差，而棉纖維中常見的異性纖維形狀粗大，多為長(zhǎng)線條形，而且其表面致密平整，屬于光密物質(zhì)。當(dāng)線激光入射存在異形纖維的棉纖維時(shí)，產(chǎn)生鏡面反射，平行光反射率比較大，光學(xué)性能優(yōu)，兩者產(chǎn)生光學(xué)性能差異，以此區(qū)分棉花中存在的白色異性纖維。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和過程

2.1 成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)的主要成分為：線掃描相機(jī)，線激光光源和速度可調(diào)節(jié)的裝置線，實(shí)驗(yàn)中將激光以90度垂直照射在待測(cè)樣品表面，激光頭道皮棉表面距離控制在195毫米，相機(jī)鏡頭到待測(cè)樣品的距離控制為205毫米，實(shí)驗(yàn)過程中為了保證成像效果，控制棉花表面的線激光頭的寬度在2毫米，實(shí)驗(yàn)中成像曝光時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍區(qū)間很寬。為了提高采集到的圖像的清晰度，將傳送帶速度控制在一個(gè)合適的范圍，使其勻速運(yùn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中選用的主要材料為皮棉，處理后形成寬度和厚度固定的不間斷均勻粘層，并且選用其他材料來作對(duì)比，選用白色塑料繩，白紙，白色化纖布條，白色棉布條，白色透明塑料薄膜?？刂葡嗤瑮l件進(jìn)行試驗(yàn)，在激光照明條件下獲取棉花及其表面的白色異性纖維圖像。最終，經(jīng)過我們的研究發(fā)現(xiàn)，皮棉表面的白色異性纖維和棉纖維特征相近，不易區(qū)分。通過我們對(duì)比其他材料研究發(fā)現(xiàn)，白紙，白色塑料繩，白色化纖布條，白色棉布條和白色塑料袋中異性纖維的檢出率比較高，透明塑料薄膜的檢出率則比較低。

2.3 圖像識(shí)別算法

在激光圖像中異性纖維和密度較大的棉花團(tuán)，呈現(xiàn)亮斑狀。散亂的棉花絨毛在激光照射下呈現(xiàn)透射高亮度狀態(tài)，形狀位散點(diǎn)狀，一些異形纖維的灰度明顯高于棉纖維的背景，可以通過算法二值化輕松分割出來，圖像二值化后，貼標(biāo)簽計(jì)算出每一個(gè)連通區(qū)域的像素?cái)?shù)，設(shè)計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，算出需要識(shí)別去除的一項(xiàng)纖維最小面積和最多像素點(diǎn)數(shù)。把所有數(shù)據(jù)中大于像素聯(lián)通區(qū)最小面積作為可疑亮斑。實(shí)驗(yàn)中為了更好的觀察異性纖維和棉花的差異，將亮斑向水平方向移動(dòng)。如果系統(tǒng)檢測(cè)亮斑投影區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)散點(diǎn)及可判定量，確定為為一項(xiàng)纖維。如果出現(xiàn)三點(diǎn)，則要進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，當(dāng)亮斑投影區(qū)內(nèi)相鄰散點(diǎn)的水平間距大于l上時(shí)判定為異性纖維，其余認(rèn)為是棉纖維。

3 結(jié)語

我們了解了激光的發(fā)射原理和工作原理，并且根據(jù)由于棉纖維和棉花纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)差異造成的光學(xué)性質(zhì)的差異，設(shè)計(jì)線激光的實(shí)驗(yàn)方法和運(yùn)行算法。最終得出了實(shí)用的線激光檢測(cè)棉纖維中異性纖維的方法。