基于線陣電荷耦合元件的紗線直徑測量方法

程立超，蔣秀明，袁汝旺，杜玉紅，周國慶

(天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

基于線陣電荷耦合元件的紗線直徑測量方法

程立超，蔣秀明，袁汝旺，杜玉紅，周國慶

(天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

針對紗線直徑測量中存在的特征信號損失、實時檢測難以實現和算法復雜等問題，采用線陣CCD技術研究紗線直徑的測量，提出了輪廓坐標跟蹤法，避免毛羽干擾而直接獲取紗線直徑信號。根據提出的算法設計了非接觸式在線測量系統，并制訂了實驗方案。通過紗線直徑測量實驗，實現了紗線直徑的快速準確測量，證實了輪廓坐標跟蹤算法的可行性。通過分析不同閾值對直徑像素提取的影響，確定了浮動閾值線合理的設定范圍。分析紗線樣本及其子片段直徑的變化，證實了測量系統的穩定性和測量結果的準確性，也為紗線質量的在線檢測提供理論參考。

線陣CCD;紗線直徑;輪廓坐標;在線測量

在紗線生產質量控制過程中紗線外觀質量的檢測和評定至關重要，而紗線的直徑是許多織物參數和性能的重要決定因素［1-2］。Koganeya等利用線性陣列電荷耦合元件(CCD/COMS)視覺檢測技術開發紗線外觀質量檢測系統，研究紗線直徑等工藝參數的自動準確測量［3］，但是該系統復雜，數據計算量很大，難以實現實時測量。Vitor等在激光測量系統中對紗線信號特征的低通、高通和空間濾波技術進行研究，提取紗線直徑和毛羽信號［4-5］，盛國俊等提出了K階矩濾波法提取紗線特征信號，取得良好的效果［6-7］，但是特征信號在提取過程中會有一定的損失，從而影響測量的準確性。近些年，利用圖像處理等檢測技術測量紗線直徑等工藝參數，提高生產效率的方法也十分普遍［8］。Ozkaya等［9］利用數字圖像處理技術分析不同實驗條件對測量效果的影響;周絢麗等利用計算機圖像處理技術對采集的紗線黑板圖像進行數字化處理，可較為準確地反映紗線的外觀特征［10］，但算法復雜，周期長，而且測量設備昂貴，難以直接用于生產實踐。

針對上述研究方法存在的問題，本文基于線陣CCD測量技術提出一種新的非接觸式紗線直徑測量方法，既可直接從原始信號中提取紗線直徑信號，又能避免毛羽等干擾信號的影響，并利用實驗對測量效果進行評價，為以后紗線生產在線監控的研究提供一定的理論參考和實驗基礎。

1 紗線直徑的測量原理

1.1 紗線外觀結構特征

圖1示出電子顯微鏡下紗線結構的照片［11］。紗線主要是由紗線主體部分和游離于紗線主體外的毛羽組成。沿著紗線長度方向作垂直線ab，其中ab之間的部分就是紗線直徑。本文的目的主要是排除毛羽的干擾，準確測量ab之間的距離，即紗線直徑。

圖1 顯微鏡下的紗線外觀結構Fig.1 Appearance of yarn structure under microscope

1.2 線陣電荷耦合元件測徑原理

線陣CCD的輸出信號包含了CCD各個像元所接收光強度的分布和像元位置信息，使它在物體尺寸和位置檢測中顯示出十分重要的應用價值。線陣CCD測量物體外形尺寸原理如圖2所示。

光源發出光線經過透鏡形成平行光，平行光照射在被測物體上時通過成像系統將被測物以一定的倍率成像于線陣CCD上，通過CCD及其驅動器輸出含有被測物尺寸信息的電壓信號，再經計算機輸出測量數據。計算公式［12-13］為:

圖2 線陣CDD的測徑原理Fig.2 Principle of linear CDD diameter measuring

式中:d為被測物件尺寸，mm;A為 CCD光敏單元尺寸，μm;P為被測件經光學系統成像后在光敏區所遮擋的光敏元的數目;β為成像系統放大倍數。

2 紗線直徑信號提取算法

2.1 紗線的線輪廓特征

圖3示出了紗線的線輪廓特征與浮動閾值線的關系。紗線直徑為線輪廓特征最深輪廓線與浮動閾值線交點M、N之間的寬度。從圖中可看出，浮動閾值線除與紗線輪廓信號有交點以外，還和輪廓信號兩側的毛羽有交點，因此，如何排除毛羽干擾準確快速提取直徑信號成為本文研究的關鍵。

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

2.2 輪廓坐標跟蹤法

輪廓坐標跟蹤法的基本思想是:首先確定輪廓信號的最低點的像素坐標，然后從輪廓信號最低點兩側坐標進行跟蹤，當輪廓坐標滿足約束條件時跟蹤停止。具體步驟如下。

1)確定信號密度的最大值DH，信號密度最小值DL和對應坐標PL。

2)設浮動閾值為DT，直徑信號的右側的像素坐標PN，左側的像素坐標為PM，直徑像素為P。從PL左右兩側的像素坐標分別進行跟蹤，直到跟蹤到滿足條件的坐標為止。本文以右側輪廓跟蹤的過程為例進行說明。

設PL右側的像素坐標依次為 PL+1，…，PL+i，PL+i+1)，對應的光密度值為 DL+1，…，DL+i，DL+i+1。從PL向右開始跟蹤，如果像素坐標PL+i和PL+i+1對應的光密度值滿足條件:

則跟蹤停止，令

同理，沿左側循跡時設PL左側的像素坐標依次為PL-1，…，PL-j，PL-j-1，對應的光密度值為 DL-1，…，DL-j，DL-j-1。根據邊界提取誤差修正的原理［14］，為了減少測量誤差，提取左側像素坐標時，取:

3)設直徑像素為P，則

為使運算過程更加直觀，給出輪廓坐標跟蹤法的流程圖，如圖4所示。求出P后，就可根據式(1)求出紗線直徑d。

圖4 輪廓坐標跟蹤流程圖Fig.4 Flow chart for contour coordinates tracking

3 實驗結果與分析

3.1 實驗準備

實驗樣本選用31.1 tex的環錠紡紗線，實驗裝置為線陣CCD測量儀。該測量儀采用半導體激光光源，CCD單元數目為512，相鄰像元中心距離為4μm。

實驗之前，為驗證系統的穩定性和準確性，首先要對測量系統進行校準。測量儀的放大倍率β=1，選用4種直徑不同的標準針分別進行測量，表1示出測量系統的校準結果。校準結果表明，測量系統的準確性能滿足實驗要求。

表1 測量系統校準結果Tab.1 Measurement system calibration results

3.2 實驗過程

通過上述算法可獲取紗線信號密度的最大值DH=256，先設定浮動閾值為信號密度最大值的75%，即 DT=192。

圖5示出利用線陣CCD測量數據繪制的紗線直徑輪廓信號曲線。圖中 M、N、E、F為閾值線與紗線輪廓信號交點，L為信號密度最小值點。

圖5 線陣CCD獲取的輪廓信號曲線Fig.5 Contour signal curve obtained by line array CCD

在圖5中紗線直徑為M、N之間的寬度，根據算法中的步驟1)可確定信號密度最小值DL=22.35，對應的像素坐標為PL=198。

根據步驟2)計算出滿足條件像素坐標:

根據步驟3)可求出直徑像素，即:

為分析不同閾值對測量結果的影響，另選取浮動閾值為信號密度最大值的95%、50%和25%作為對比，測量結果如表2所示。

表2 不同閾值的直徑像素Tab.2 Pixels of diameter with various threshold

從表2可看出:浮動閾值越接近最深輪廓信號，測量結果越接近紗線真實直徑［15］;但隨著浮動閾值的變大毛羽等干擾信號逐漸加強，當浮動閾值為最大閾值的95%時直徑像素發生了突變，這主要是當閾值線超過紗線主體部分時候毛羽影響加劇造成。通過表2可看出，當浮動閾值為信號密度最大值的75%時既可最大限度排除毛羽等信號干擾又能準確獲取紗線直徑。

3.3 實驗結果討論

由于測量系統輸出結果不失真的條件是紗線樣本不規則的最小波長為線陣接收單元寬度的10倍［16］，因此，利用測量系統獲取100個采樣點作為樣本，其中每10個采樣點為一個樣本子片段，共10個子片段。

圖6示出整個采樣過程中紗線直徑像素的變化情況。根據圖求出紗線平均直徑為0.251mm，變異系數為12.72%。表3示出子片段直徑測量情況。從實驗結果看，紗線樣本直徑條干均勻，子片段比較規則。

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

表3 樣本子片段直徑測量結果Tab.3 Measuring result on diameter of sample sub-segment

4 結論

1)基于線陣CCD技術的非接觸式測量系統可實現紗線直徑的測量，且測量速度快，測量結果準確度高，測量結果可靠。

2)本文提出的輪廓坐標跟蹤法提取紗線直徑像素坐標簡單快速，既可以在直徑信號提取過程中保留原始特征信號，又能避免毛羽長度、毛羽分布和其他干擾信號對直徑信號提取造成的影響。

3)浮動閾值越接近紗線主體邊緣，毛羽等干擾信號越強，通過分析不同浮動閾值對直徑像素提取的影響，確定了浮動閾值線的設定范圍，既可準確測量紗線的直徑，又能使毛羽等干擾信號影響最小。

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Measuring method of yarn diameter based on line array charge-coupled device

CHENG Lichao，JIANG Xiuming，YUAN Ruwang，DU Yuhong，ZHOU Guoqing
(Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Aiming at the problems of characteristic signal loss，hard realization of real-time detection and algorithm complexity in the yarn diameter measurement，this paper adopts the line array CCD technology to study the measurement of the yarn diameter，proposes the contour coordinates tracking method to avoid hairiness interference and directly obtain a yarn diameter signal.According to the proposed algorithm，a non-contact on-line measurement system is designed，and an experimental scheme is developed.By the experiments of measuring the yarn diameter，the fast and accurate measurement of the yarn diameter is realized，and the feasibility of contour tracking algorithm is confirmed;through the analysis of the impact of different thresholds on the diameter of pixel extraction，reasonable range of floating threshold line is determined;and analysis of changes in different sub fragment diameter confirms the accuracy and stability of measurement system and measurement results，also provides a certain theory basis for the online detection of the yarn quality.

linear CCD;yarn diameter;contour coordinates;online measurement

TS 103.6

A

10.13475/j.fzxb.20140500805

2014-05-08

2014-10-17

國家重點基礎研究發展973計劃項目(2010CB334711);國家自然科學基金項目(51205288);天津市科技計劃項目(13JCYBJC15900)

程立超(1987—)，男，碩士生。主要研究方向為紗線生產過程中的質量監控。蔣秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。