機器視覺在紡織中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

周 建 潘如如 高衛(wèi)東

(江南大學，江蘇無錫，214122)

1 背景

2018中國國際紡織機械展覽會暨ITMA亞洲展覽會(以下簡稱紡機展)上[1]，業(yè)界知名的機器視覺設備制造商悉數(shù)亮相，如：烏斯特技術(上海)貿(mào)易有限公司(以下簡稱烏斯特)、史陶比爾(杭州)精密機械電子有限公司(以下簡稱史陶比爾)、經(jīng)緯紡織機械股份有限公司(以下簡稱經(jīng)緯紡機)、陜西長嶺紡織機電有限公司(以下簡稱長嶺紡電)、北京大恒圖像視覺有限公司(以下簡稱大恒圖像)及普瑞美(江蘇)紡織電子儀器有限公司(以下簡稱普瑞美)等。

從外界獲取的信息中，有超過80%來自視覺系統(tǒng)。人類雖然對視覺信息內容具有極度智能的判斷和理解，但受生理上的主觀和客觀條件限制，在完成程序化、高速化和批量化的工作中表現(xiàn)欠佳。隨著計算機處理能力的不斷提升，產(chǎn)生了一門專門研究如何讓機器“看”的學科——“計算機視覺”，習慣上把在工業(yè)場合應用的視覺檢測系統(tǒng)稱為“機器視覺”。機器視覺指以計算機模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。隨著勞動力成本持續(xù)增加，技術工人流動速度不斷加快，紡織企業(yè)對設備自動化、智能化水平的要求越來越迫切。紡織行業(yè)的主要特點表現(xiàn)在加工流程長，機器臺數(shù)多，自動化程度低，依賴人工操作且涉及大量需人工視覺判斷的環(huán)節(jié)。為此，大力發(fā)展基于機器視覺的非接觸式檢測及控制技術，不僅能克服人工視覺及操作穩(wěn)定性差的缺點，減少用工成本，還能有效提升紡織生產(chǎn)裝備自動化和智能化水平，進而為穩(wěn)定生產(chǎn)高品質產(chǎn)品提供必要條件。本文結合紡機展參展情況對機器視覺在紡織關鍵加工流程中的應用現(xiàn)狀及技術特點進行總結評述。

2 原棉異纖自動清除

原棉中普遍都存在著異纖，如丙綸絲、有色和白色錦綸、毛發(fā)等(俗稱“三絲”)嚴重影響了紗線質量。當前，基于機器視覺的原棉異纖自動清除系統(tǒng)已廣泛應用于棉紡企業(yè)。其基本原理是通過高速線掃描攝像機采集棉流圖像，經(jīng)實時圖像處理判定是否存在異纖，進而控制高速氣流噴嘴完成異纖清除。

此屆展會中，烏斯特、經(jīng)緯紡機、大恒圖像、長嶺紡電及普瑞美(江蘇)皆攜帶其最新異纖清除設備亮相，其主要技術特點如下。

(1)烏斯特展出了USTER?JOSSI VISION SHIELD纖維清潔系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)采用包括紅外、紫外波段的多光譜技術，并配備具備有原棉特征自學習性能的檢測算法，對細小難于識別的白色聚丙烯碎片有較好的識別清除效果，同時在廢棉管理上對噴嘴進行了優(yōu)化，減少了正常纖維噴出量。

圖1 USTER? JOSSI VISION SHIELD纖維清潔系統(tǒng)

(2)經(jīng)緯紡機展出的精靈系列異纖機采用多光譜、多光源調制系統(tǒng)，配合CPU+GPU計算平臺，對難以檢測到的地膜、白絲等本色異纖具有更高清除率。

(3)大恒圖像展出的超越系統(tǒng)異纖機具有預開松功能，同樣采用了多光譜技術，通過一線兩機方案進一步提升了對“三絲”清除率。

(4)長嶺紡電展出的CS系列異纖機在檢測算法上對纖維進行顏色、形狀、熒光和偏振等多維度檢測，實現(xiàn)細小異纖的有效識別，硬件上采用了專業(yè)的高速圖像處理板卡，同時支持遠程升級和維護。

(5)普瑞美展出的iQUBE型異纖清除機，光源上采用了紅外、紫外波段的多光譜技術，可有效清除透明、白色PP及碎布等較小雜質。

從當前實際應用情況來看，國內異纖清除設備占據(jù)市場份額較大，且在性能上穩(wěn)中有進，不斷推陳出新，已經(jīng)能夠為紡紗流程中異纖清除工作提供成熟的解決方案。相關技術提升主要集中在多光譜成像技術的廣泛采用、數(shù)據(jù)處理平臺的性能提升及識別算法的更新優(yōu)化，其未來正在向適應異纖類型多樣化、廢棉最小化及維護智能化的方向發(fā)展。

3 整經(jīng)斷頭檢測

氨綸在經(jīng)編織物中被廣泛用于提升織物的回彈性能。氨綸整經(jīng)需要在一定張力下進行，但由于氨綸能夠承受的額外張力很小，必須采用非接觸式的方法檢測整經(jīng)過程中的斷頭。利用機器視覺技術可有效實現(xiàn)氨綸整經(jīng)時的斷頭自動檢測。檢測過程中，系統(tǒng)通過工業(yè)相機采集氨綸片紗圖像，進而識別采集圖像中氨綸的根數(shù)，以此判斷是否存在斷頭；當發(fā)現(xiàn)斷頭時，系統(tǒng)立刻發(fā)出停車信號。

紡機展上，江陰市通源紡機有限公司展出的GA568型智能氨綸整經(jīng)機，配備了高精度攝像斷紗自停裝置，可以快速準確地對整經(jīng)時經(jīng)紗斷頭做出反應，檢測單元如圖2所示。其優(yōu)勢在于以片紗為檢測對象，工作穩(wěn)定，檢測單元成本低；采用無接觸式檢測，對經(jīng)紗無磨損，保證了后道織機效率及產(chǎn)品質量。

圖2 攝像斷紗自停檢測單元

4 漿紗排花機

在色織織物生產(chǎn)中，若通過合并不同顏色的整經(jīng)軸來生產(chǎn)織軸，即采用分批整經(jīng)，經(jīng)紗的顏色循環(huán)排列操作則直接在漿紗機上進行。將紗線正確地按色紗循環(huán)順序準確并均勻一致地排列，是實現(xiàn)高織造質量的先決條件。目前色織漿紗排花完全依賴人工操作，是一項嚴重依賴人工視覺判斷的繁瑣工序，通常需要2人～4人耗時若干小時才能完成。隨著色織面料花形的多樣化和復雜化，漿紗排花工人效率和準確度面臨新的挑戰(zhàn)。漿紗自動排花主要是應用機器視覺對紗線顏色進行精確識別，配合精密的單紗抓取裝置實現(xiàn)色紗循環(huán)的準確排列，在節(jié)省人工的同時大幅提升漿紗效率。

紡機展中，史陶比爾首次亮相了BEAMPRO型自動排花機。該機能夠將棉紗、棉或短纖維混紡紗精確地按照經(jīng)紗的顏色循環(huán)讀入分紗梳中。其主要優(yōu)勢有：經(jīng)紗讀入速度可達500根/min；大大減少漿紗機在品種變化期間的閑置時間；經(jīng)紗排列準確、無交叉，織機效率高；僅需要一名操作工人。顯然，隨著自動漿紗排花機的成熟應用，配合后續(xù)的自動穿經(jīng)系統(tǒng)，無疑是從根本上改變了傳統(tǒng)人工密集性的織造前經(jīng)紗準備，為織造連續(xù)化生產(chǎn)架起了一座關鍵橋梁。

5 織物疵點在線檢測

織物外觀疵點是織物外在質量評級的主要依據(jù)。由于織物紋理繁多加之疵點種類變化莫測，且檢測過程需要較為復雜的視覺信息處理和判斷，到目前為止，該任務仍由人工完成?；跈C器視覺的織物疵點自動檢測系統(tǒng)一直是紡織檢測和計算機視覺領域的研究熱點，其基本原理是采用多個高速智能相機獲取織物圖像，經(jīng)過圖像實時分析處理對有疵點的區(qū)域進行標記、記錄及最終質量評級。

紡機展中烏斯特首次展出與EVS自動檢測系統(tǒng)整合后的USTER?EVS Q-BAR(織物質量監(jiān)控系統(tǒng))和USTER?EVS FABRIQ VISION(織物質量保證系統(tǒng))。其中，USTER?EVS Q-BAR用于織造過程中布面疵點監(jiān)測，避免了連續(xù)和重復疵點；USTER?EVS FABRIQ VISION用于成品織物疵點檢測及質量評定。其相關技術特點包括兩款檢測系統(tǒng)皆采用光譜成像技術獲取圖像并實時處理；對純色織物疵點的檢測較為準確；在非織造產(chǎn)業(yè)用紡織品生產(chǎn)領域的應用較為成功。

此外，比利時BMSvision公司展出了其最新的織機在線監(jiān)控系統(tǒng)CYCLOPS，用于織機織造過程中疵點監(jiān)測，同時增加了與其織造MES系統(tǒng)集成功能，提升了織造過程的物聯(lián)網(wǎng)化[2]。長嶺紡電展出的FS220型自動驗布機，能夠自動識別最小3 mm的疵點，配備疵點標記系統(tǒng)，方便修補，支持在線修布和標記后離線修布兩種模式。

綜上所述，基于機器視覺的織物疵點檢測已逐漸向其成熟化的方向發(fā)展，未來主要的發(fā)展方向：適應更多織物品種，例如色織提花織物；更符合人工視覺評判結果的疵點識別算法；統(tǒng)一的客觀評級標準；低成本化。

6 結語

隨著機器視覺檢測系統(tǒng)的廣泛應用，不僅可以較好地解決勞動力成本增高和勞動強度高等問題，還能在提高生產(chǎn)效率的同時保證產(chǎn)品品質。根據(jù)國家《紡織工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》精神，紡織行業(yè)必須緊密圍繞豐富產(chǎn)品種類，改善產(chǎn)品品質，提高產(chǎn)品附加值來進一步推動行業(yè)和市場的快速發(fā)展。其中產(chǎn)品品質的提高與檢測技術密不可分，沒有先進的檢測技術自然也無法加工出高品質的產(chǎn)品。未來隨著人口紅利的逐漸消失以及紡織品生產(chǎn)連續(xù)化、智能化的發(fā)展需要，采用基于機器視覺技術的檢測方案必將逐步替代傳統(tǒng)的依賴人工視覺判定的操作過程。