基于貝葉斯閾值的紗線毛羽檢測方法研究

馬 珂 嚴(yán) 凱 張緩緩 景軍鋒 李鵬飛

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

毛羽是影響紗線質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［1］，其長度、根數(shù)、面積指數(shù)等指標(biāo)直接影響后續(xù)終端產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率［2］。毛羽過多過長會(huì)影響紗線上漿效果；毛羽分布不均勻會(huì)造成織物產(chǎn)生橫檔，也會(huì)導(dǎo)致染色不均勻，形成色差，進(jìn)而影響后期織物質(zhì)量。目前針對(duì)紗線毛羽指標(biāo)的檢測方法主要包括光電法、靜電法和圖像法。光電法可以測量毛羽根數(shù)或毛羽H值，但是不能直觀反映紗線毛羽分布情況，重復(fù)性較差，且檢測結(jié)果不能重現(xiàn)［3-4］；靜電法是毛羽在靜電作用下伸展，用投影計(jì)數(shù)法達(dá)到計(jì)算長度的目的，可以解決毛羽彎曲問題，但破壞了毛羽最初的形態(tài)［5］；圖像法是在采集到紗線圖像的條件下，利用圖像處理技術(shù)提取出清晰的毛羽圖像并進(jìn)行毛羽統(tǒng)計(jì)，能更全面準(zhǔn)確地檢測毛羽，反映毛羽分布情況，且可重現(xiàn)［6-7］。

近年來，隨著圖像處理技術(shù)及機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，基于圖像法的毛羽檢測研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。LI P F等［8］和蘇澤斌等［9］提出了一種基于MRMRF算法對(duì)紗線毛羽自動(dòng)檢測方法，該方法以紗線條干為基準(zhǔn)線檢測紗線毛羽的長度，但對(duì)于彎曲的毛羽無法計(jì)算實(shí)際長度。孫銀銀等［10］提出了一種基于MOTIC視頻顯微鏡捕獲紗線靜態(tài)圖像的方法，以紗線上下條干為基準(zhǔn)線，得到每根毛羽長度，但是該方法在毛羽卷曲及中斷條件下，計(jì)算結(jié)果存在很大誤差。王文帝等［11］提出自適應(yīng)灰度增強(qiáng)算法，該方法可以獲取毛羽與背景對(duì)比度比較高的圖像，但毛羽長度在1 mm范圍內(nèi)，該算法在檢測圈毛羽和粗節(jié)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差偏大。WANG R W等［12］用多聚焦圖像融合成像算法，得到的紗線毛羽圖像具有清晰的纖維邊緣，但是該方法需要在顯微鏡下進(jìn)行觀察獲得一部分聚焦的紗線毛羽圖像，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。RAMESH C N等［13］利用靜電解決毛羽彎曲問題的檢測，該方法首先將紗線放置在靜電場中，利用靜電使毛羽伸直，然后用相機(jī)采集圖像并將圖像進(jìn)行處理，但在靜電場中仍有部分毛羽存在彎曲，檢測結(jié)果有誤差。

為了解決以上問題，本研究提出一種基于貝葉斯閾值的紗線毛羽檢測方法。該方法首先利用自適應(yīng)閾值對(duì)紗線圖像進(jìn)行增強(qiáng)；其次利用保邊遞歸濾波及貝葉斯閾值去除條干，獲得紗線毛羽；然后利用細(xì)化算法對(duì)獲得的毛羽進(jìn)行細(xì)化；最后利用像素法［14］對(duì)細(xì)化后的毛羽圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算毛羽長度、毛羽根數(shù)、毛羽面積指數(shù)及毛羽長度指數(shù)等指標(biāo)。

1 紗線毛羽檢測方法

在采集紗線圖像過程中，由于空間及人為等各種不確定因素，導(dǎo)致采集的圖像中存在大量噪聲，進(jìn)而影響毛羽指標(biāo)檢測，因此首先需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

1.1 紗線圖像預(yù)處理

本研究采用自適應(yīng)閾值對(duì)紗線圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)［15］。圖像增強(qiáng)是為了提高圖像中毛羽和背景對(duì)比度，強(qiáng)調(diào)毛羽信息，同時(shí)抑制背景噪聲，進(jìn)而改善圖像質(zhì)量。圖像增強(qiáng)原理見式（1）。

式中：c(x，y)為圖像增強(qiáng)后的結(jié)果；f(x，y)為輸入圖像的坐標(biāo)(x，y)對(duì)應(yīng)的灰度值；fmax(x，y)，fmin(x，y)分別為圖像上的灰度最大值和最小值；δ是為了防止式（1）中分母為零而引入的一個(gè)極小正數(shù)。

采集的紗線毛羽圖像如圖1（a）所示，基于自適應(yīng)閾值的圖像增強(qiáng)后效果如圖1（b）所示?？梢钥闯觯?jīng)過圖像增強(qiáng)后的紗線毛羽特征更加顯著，但背景噪聲也被進(jìn)一步增強(qiáng)，為此采用遞歸濾波方法減少圖像增強(qiáng)后的背景噪聲［16-17］。

圖1 原始圖像與增強(qiáng)圖像

對(duì)于每個(gè)輸入信號(hào)I[m]，邊緣保護(hù)的濾波結(jié)果可以在變換域中用遞歸濾波器表示，原理見式（2）。

式中：J[m]為m個(gè)像素的濾波結(jié)果；a是以e為底的對(duì)數(shù)，取值大小在0～1之間，代表反饋系數(shù)；b是變換域中相鄰像素點(diǎn)之間的距離。

經(jīng)過遞歸濾波后的紗線毛羽圖像如圖2所示。與圖1（b）對(duì)比，背景噪聲明顯減少。

圖2 遞歸濾波結(jié)果

1.2 紗線圖像閾值分割

經(jīng)過遞歸濾波后，需對(duì)紗線圖像進(jìn)行閾值分割，不恰當(dāng)?shù)拈撝狄讓?dǎo)致毛羽出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，為了最大限度保證毛羽特征完整性，利用貝葉斯閾值方法對(duì)紗線毛羽圖像進(jìn)行分割［18-19］。

貝葉斯閾值分割具體操作如下。針對(duì)灰度值在［0，255］間的圖像，首先計(jì)算圖像中最大灰度值Zd，最小灰度值Zx，以及兩者之間的均值T。其次，將圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的閾值與T比較，若大于T，則將所有閾值數(shù)累加賦值給S0，否則累加賦值給S1，并記錄每次累加的個(gè)數(shù)，依次迭代計(jì)算。最后，將大于均值T的元素閾值總值與個(gè)數(shù)的商記作T0，小于的記作T1；若滿足迭代公式（3），則迭代結(jié)束，否則一直進(jìn)行迭代；迭代結(jié)束后給T加15（經(jīng)驗(yàn)值）作為閾值等級(jí)，對(duì)紗線圖像進(jìn)行二值化，經(jīng)過閾值處理后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 圖像閾值分割結(jié)果

1.3 毛羽特征提取

在研究紗線毛羽指標(biāo)的過程中，條干會(huì)對(duì)毛羽處理造成影響，因此需要去除條干。

具體操作：首先生成1×256的全零陣，然后用原圖像的每一級(jí)灰度像素個(gè)數(shù)與圖像大小的比表示圖像歸一化頻率，記為fi。去除條干的公式見式（4）。

方差處理后的圖像像素最大值的點(diǎn)用index表示，原始圖像像素用img表示，以index、0為一點(diǎn)，index、img圖像灰度像素的最大值為另一點(diǎn)，畫出一條直線，將直線中滿足img＞index的點(diǎn)輸出，則輸出膨脹后的條干圖像，如圖4（a）所示。獲取膨脹后的條干圖像之后，將貝葉斯閾值處理后的圖像與膨脹后的條干圖像作差，可得到毛羽圖像。去除條干后的毛羽圖像如圖4（b）所示。

圖4 去除條干前后的毛羽圖像

1.4 毛羽指標(biāo)計(jì)算

獲得毛羽后，需對(duì)紗線毛羽進(jìn)行細(xì)化處理。采用Hilditch細(xì)化算法對(duì)毛羽進(jìn)行細(xì)化［20］，該細(xì)化算法在很大程度上保留毛羽的紋路走向，高效去除冗余像素點(diǎn)。經(jīng)過細(xì)化的毛羽骨架為單像素，可直接被用于計(jì)算毛羽長度［21］。

1.4.1 毛羽根數(shù)及毛羽長度計(jì)算

設(shè)輸入樣本xi，毛羽鄰域半徑為C，毛羽長度為M，輸出結(jié)果為Y。

具體計(jì)算毛羽長度和毛羽根數(shù)操作如下。步驟1：輸入樣本xi。步驟2：設(shè)置鄰域半徑C，檢索樣本的鄰域半徑C，判斷樣本的毛羽長度M。步驟3：同一長度檢索結(jié)束后，用像素法計(jì)算毛羽的真實(shí)長度及根數(shù)，其中像素法統(tǒng)計(jì)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以實(shí)際像素點(diǎn)長度即可得到毛羽真實(shí)長度。步驟4：檢查樣本中未被標(biāo)記毛羽長度的毛羽，直至檢測為邊界結(jié)束。步驟5：循環(huán)步驟1～步驟4，直至樣本集被檢測完，輸出結(jié)果Y。計(jì)數(shù)完成后，獲得毛羽根數(shù)以及每根毛羽的長度。應(yīng)用像素計(jì)數(shù)法對(duì)毛羽進(jìn)行處理，可以避免毛羽彎曲的影響，且同時(shí)可以進(jìn)行毛羽長度、毛羽根數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

鑒于每根紗線長度基本不可能在一張圖像完全顯示，所以在毛羽根數(shù)檢測中需要進(jìn)一步設(shè)置，如果通過該根毛羽不能檢測到條干邊緣，則該根毛羽不計(jì)數(shù)。在處理數(shù)據(jù)集時(shí)如果連續(xù)兩張圖像的兩根毛羽可以拼接為一根長毛羽且其中一根可以檢測到條干邊緣，則根數(shù)計(jì)數(shù)加1。

毛羽根數(shù)及長度只能反映紗線中毛羽的數(shù)量和毛羽長度，不能體現(xiàn)毛羽在紗線中的占比，因此需要引入毛羽面積指數(shù)和毛羽長度指數(shù)指標(biāo)對(duì)紗線毛羽進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4.2 毛羽面積指數(shù)和毛羽長度指數(shù)計(jì)算

毛羽面積指數(shù)是指在一段紗線條干上毛羽總面積與該段條干總面積之比。毛羽面積指數(shù)HA反映的是紗線圖像中毛羽的占比大小，是一個(gè)無量綱的毛羽分布參數(shù)，具體計(jì)算見式（5）。

式中：SA2為紗線條干所占區(qū)域的像素?cái)?shù)目；SA為紗線毛羽總的像素點(diǎn)數(shù)目。

毛羽長度指數(shù)是在一定長度紗線條干上的所有毛羽長度總和與該段紗線條干長度之比。與毛羽面積指數(shù)相同，毛羽長度指數(shù)HL反映的是該段紗線中毛羽的存在量，即可以得出一段紗線中毛羽量的多少。毛羽長度指數(shù)計(jì)算見式（6）。

式中：L為紗線條干長度；SL為圖像中所有毛羽長度累加之和。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 毛羽長度與毛羽根數(shù)

為了驗(yàn)證本研究方法的有效性，選取JC 18 tex（樣本1）、JC 14.5 tex（樣本2）、JC 12 tex（樣本3）、C 28 tex（樣本4）、C 18 tex（樣本5）、C 14.5 tex（樣本6）共6種紗線樣本進(jìn)行測試，紗線圖片大小為256像素×256像素。每個(gè)像素點(diǎn)代表實(shí)際長度0.03 mm，圖片紗線總長度為1 m，紗線毛羽根數(shù)及毛羽長度的樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 毛羽長度分類統(tǒng)計(jì)

同時(shí)將本研究方法與文獻(xiàn)［1］中的等距線法（0.5 mm）進(jìn)行對(duì)比。樣本1采用本研究方法測量長度為4.301 0 mm、0.342 4 mm、0.489 4 mm、4.140 4 mm、0.536 9 mm、0.234 8 mm、0.060 0 mm、0.060 0 mm，共8根；采用等距線法測量長度為3.5 mm、1.0 mm、1.0 mm、4.0 mm、0.5 mm、0.5 mm，共6根。樣本2采用本研究方法測量長度為1.561 2 mm、1.658 5 mm、0.252 4 mm、0.669 4 mm、0.812 1 mm、1.027 2 mm、1.294 2 mm，共7根；采用等距線法測量長度為1.0 mm、1.5 mm、0.5 mm、0.5 mm、0.5 mm、0.5 mm、2.5 mm，共7根。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，等距線法對(duì)于毛羽測量，存在一定誤差。一方面，等距線法由于初始圖像對(duì)比度不強(qiáng)，有少數(shù)毛羽不能進(jìn)行計(jì)數(shù)，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確；另一方面，等距線法對(duì)于彎曲毛羽無法準(zhǔn)確測量，而本研究方法可以解決上述方法存在的問題。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究方法的準(zhǔn)確性，使用YG172A型紗線毛羽測試儀分別對(duì)6種紗線毛羽進(jìn)行測量，每種紗線分別進(jìn)行10次試驗(yàn)，最終取其平均值作為檢測結(jié)果。YG172A型紗線毛羽測試儀檢測結(jié)果見表2。從表1和表2對(duì)比可以看出，本研究方法的樣本檢測結(jié)果與YG172A型紗線毛羽測試儀測試數(shù)據(jù)誤差比較小。因此本研究算法對(duì)毛羽長度的測量結(jié)果是較為準(zhǔn)確、有效的。

表2 YG172A型紗線毛羽測試儀測試毛羽結(jié)果

2.2 毛羽長度指數(shù)與毛羽面積指數(shù)

為了更全面對(duì)紗線毛羽進(jìn)行分析，本研究計(jì)算了紗線的毛羽長度指數(shù)和毛羽面積指數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 毛羽長度指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 毛羽面積指數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，樣本3、樣本4、樣本5、樣本6的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，但樣本6的CV值較大，說明樣本3、樣本4、樣本5毛羽長度指數(shù)分布較為集中，毛羽分布相對(duì)均勻，而樣本6紗線毛羽長度指數(shù)比較分散，毛羽分布不均勻。樣本1、樣本2的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較大，但CV值相對(duì)較小，說明樣本1、樣本2的毛羽長度指數(shù)分布較為分散，但毛羽分布相對(duì)均勻。

由表4可以看出，樣本3、樣本4、樣本5、樣本6平均值及標(biāo)準(zhǔn)差較小，結(jié)合CV值來看，說明樣本4、樣本5、樣本6毛羽面積指數(shù)分布較為集中，毛羽分布相對(duì)均勻，而樣本3紗線毛羽面積指數(shù)比較分散，毛羽分布不均勻。而樣本1、樣本2的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差較大，但CV值較小，說明樣本1、樣本2的毛羽面積指數(shù)分布較為分散，但毛羽分布相對(duì)均勻。

綜合表3、表4來看，JC 18 tex、JC 14.5 tex、C 28 tex、C 18 tex的毛羽分布均勻，JC 12 tex、C 14.5 tex的毛羽分布不均勻。

3 結(jié)論

本研究提出一種基于貝葉斯閾值的紗線毛羽檢測方法。該方法能有效對(duì)紗線的毛羽進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲取紗線毛羽長度、毛羽根數(shù)、毛羽面積指數(shù)及毛羽長度指數(shù)等指標(biāo)。結(jié)果表明，與等距線法及YG172A型紗線毛羽測試儀檢測結(jié)果相比，本研究提出的方法能夠精確統(tǒng)計(jì)出紗線毛羽的多項(xiàng)指標(biāo)，為紗線質(zhì)量分析提供技術(shù)支撐。