基于線陣CCD的紗線核直徑提取算法

周國慶，吳　錫，袁汝旺，蔣秀明（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）

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基于線陣CCD的紗線核直徑提取算法

周國慶，吳錫，袁汝旺，蔣秀明
（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）

摘要：針對紗線直徑測量過程中核直徑提取算法的不足，提出了基于線陣CCD測量系統的紗線核直徑提取的斜率閾值算法，分析了斜率閾值大小和擬合點數對算法準確性和快速性的影響，并且建立了適用于紗線在線測量斜率閾值算法中的最佳擬合模型.仿真及實驗結果表明：擬合點數n = 3、擬合組不同點數s = 3、斜率閾值KT= 45時得到的紗線平均直徑與理論直徑較為接近，得到的紗線變異系數與烏斯特公報基本吻合.該提取算法適用于紗線在線檢測，為以后紗線質量在線檢測提供了新的思路.

關鍵詞：紗線核直徑；線陣CCD；灰度值；斜率閾值

紗線質量的高低直接影響到紡織品的外觀、透氣性和強度，同時對織物對染料的吸附力產生影響.所以紗線質量指標準確、快速的測定對于紗線生產企業的工藝調控、質量控制有著重要的現實意義[1].其中紗線直徑是影響紗線外觀質量的一個重要因素，為準確提取紗線直徑，盛國俊等[2]提出了K階矩濾波和最小熵濾波法來提取紗線直徑信號，避免了紗線毛羽的影響，但特征信號在提取的過程中產生了一定的損失，影響測量的準確性；Ohta和Ozkaya等[3-4]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；Carvalho[5]開發了紗疵評價系統，獲取紗線直徑、線密度等參數，但該系統的設備較為昂貴，算法較復雜，周期較長.同時袁汝旺等[6]提出了紗線線輪廓信號的遞歸平均濾波法，避免了紗線毛羽的干擾；程立超等[7]提出了輪廓坐標跟蹤法，通過設定浮動閾值線范圍，可以準確測量紗線直徑.

隨著線性CCD技術的發展，線性陣列測量技術已逐步用于紗線外觀直徑的檢測[8].針對以前檢測系統周期長、算法難實現等問題，本文依據線性陣列的測量原理，提出了斜率閾值算法，分析了斜率閾值大小和擬合模型對算法準確性和快速性的影響，通過仿真和實驗，驗證了該提取算法在紗線在線檢測中的可行性，為以后紗線質量在線檢測提供了理論支撐.

1　紗線直徑測量原理

紗線結構成分包括纖維和纖維間的空氣間隙，紗線在受到外部摩擦時，其表層纖維就有可能伸出從而成為毛羽，通常所測的紗線直徑是在一定膨松條件下的直徑值[9-10].圖1為顯微鏡下紗線外觀結構，沿著紗線長度方向做垂直線ab，本文定義紗線ab部分為紗線核直徑，ab外側突出部分為紗線毛羽.

圖1　紗線外觀結構Fig.1 Appearance of yarn structure

圖2　線陣CCD測量原理Fig.2 Principle of linear CCD measuring

依據紗線核直徑和紗線毛羽透光度的不同，線陣CCD傳感器檢測紗線原理圖如圖2所示.

通過光學系統將紗線直徑尺寸以一定的、準確的倍率成像于線性陣列光敏面上[11-12]，對線性陣列輸出信號進行A/D轉換，送往計算機，實現相應的測量，式（1）給出了紗線直徑測量的基本模型[13].

式中：d為紗線直徑（mm）；h為單個線性陣列像素寬度（mm）；ΔP為紗線遮擋的線性陣列像素個數；β為光學系統的放大倍數.

2　紗線核直徑提取算法

2．1斜率閾值法原理

圖3描述了紗線直徑線輪廓特征像素與灰度值的關系，由紗線直徑測量的模型，核直徑提取的關鍵在于準確快速的獲取紗線遮擋線陣像素的個數ΔP.其中灰度值表示接收到光線的明暗程度；i為斜率閾值法得出最低點左側的第i個點；j為斜率閾值法得出最低點右側的第j個點.

基于紗線信號的邊緣特性，紗線信號陰影邊界呈現斜坡狀態[14]，本文提出斜率閾值法.斜率閾值法的核心是基于紗線直徑線輪廓特征，首先設定斜率閾值的范圍，其次從紗線線輪廓最低點沿線輪廓左右兩側進行尋點擬合，最終當擬合直線的斜率達到設定的范圍時，確定紗線遮擋線陣像素的個數△P.

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

設紗線線輪廓最低點對應的坐標為（Pmin，Dmin）；每組尋點擬合的點數為n；各擬合組之間不同點數為s （s＞0）；Ki、Kj分別為最低點左右兩側擬合直線的斜率，i，j取（0，s，2s，3s‥）.由最小二乘法得出Ki、Kj的表達式為：

2．2斜率閾值法算法實現

利用斜率閾值法提取紗線直徑的具體步驟如下：

（1）設定紗線斜率閾值KT；

（2）獲取紗線直徑線輪廓信號；

（3）找出線輪廓信號中灰度值最小點對應的坐標（Pmin，Dmin）；

（4）從（Pmin，Dmin）點沿紗線輪廓向左右兩側進行尋點擬合；

（5）當擬合直線斜率大于等于斜率閾值時，尋找停止；

（6）確定紗線遮擋線陣像元的個數△P，進而得出紗線直徑值.

下面以從最低點沿線輪廓左側為例進行說明斜率閾值法的流程：

設Pmin左側的像素坐標依次為Pmin-1，…，Pmin-i，Pmin-i-1對應的灰度值為Dmin-1，…，Dmin-i，Dmin-i-1.從Pmin點向左沿輪廓曲線尋點，第一組選取Pmin，Pmin-1，Pmin-2，…點，得出第一組擬合斜率K1，然后選取Pmin-n+1，Pmin-n，Pmin-n-1，…點得出其擬合斜率為K2，依次類推第1組斜率Kl，當Kl≥KT時尋點停止.此時按照邊界提取原理，其第l組擬合點數為（Pmin-i+1，Pmin-i，…）取左側邊界PL=Pmin-i.同理，沿Pmin向右尋點時設Pmin右側的像素坐標依次為Pmin+1，…，Pmin+j，Pmin+j+1，找到第r組斜率Kr≥KT時尋找停止.取PR= Pmin+j，則△P = PR- PL，然后由式（1）得紗線直徑：

3　實驗研究

3.1實驗條件

紗線直徑測量系統主要有歐姆龍ZX-GT型智能激光傳感器、樣本喂入速度張力控制系統、數據分析系統等組成.

選用的實驗研究樣本為31.1 tex的環錠紡紗線，光學放大倍數β= 1，采樣時間間隔為10 ms，張力T = 50 mN，紗線的喂入速度v = 30 m/min.

由線密度Tt和紗線理論直徑D0的關系式[15]：

式中：δ為紗線體積質量（g/cm3）.計算出31.1 tex的環錠紡紗線理論直徑D0= 0.234 mm.

3.2實驗討論

在從線輪廓最低點沿紗線線輪廓左右兩側進行尋點擬合的過程中，由式（2）得出，每組擬合點數n和各擬合組之間不同點數s的大小都會對紗線直徑的準確性和算法的快速性產生影響.

其中圖4描述的是s = 0和s = 3時直線擬合的示意圖，圖5描述了n = 5時進行直線擬合的示意圖.

當n取值較大時，其達到設定閾值斜率的速度較快，但在選取遮擋邊界時產生的誤差也較大.當s取值較小時其提取的精度很高，但同時其達到斜率閾值的速度較慢.

表1和表2分別為n和s取不同值時所對應的紗線直徑.

圖4　s=0和s=3擬合方式示意圖Fig.4 Fitting method of s=0 and s=3

圖5　五點擬合方式示意圖Fig.5 Fitting method of using five points

表1　不同擬合點數n對應的直徑值Tab.1 Corresponding value of n of different fitting points

表2　擬合組不同點s對應的直徑值Tab.2 Value of s in different points of fitting group

為了滿足紗線在線檢測的要求，通過與理論直徑之間的對比，最終選擇n = 3、s = 3以保證算法精度和運算速度.

為了研究斜率閾值的合理范圍，選用n = s = 3，得出不同斜率閾值對應的紗線直徑如表3所示.

由表3中可以看出，隨著閾值斜率KT的增加，紗線直徑在逐漸增大，當設定閾值KT＞60時，其直徑會發生較大變化，通過多組數據對比，結合31.1 tex環錠紡紗線的理論直徑，最終取KT= 45.

表3　不同斜率閾值KT對應的直徑值Tab.3 Diameters at different slope threshold

3.3實驗驗證

為了驗證選用的擬合模型和斜率閾值的設定范圍是否符合紗線在線檢測的要求，基于系統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].按照10個樣本點為1個樣本子片段，10個子片段組成1個大樣本，圖6表示的是整個采樣過程中紗線直徑像素的變化情況，表4為子片段直徑測量情況.

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

表4　樣本子片段直徑測量結果Tab.4 Measuring result on diameter of sample sub-segment

通過計算得出，斜率閾值法測得紗線平均直徑為0.241 mm，變異系數為15.38%.通過查烏斯特公報2012數據，所提出的斜率閾值法在滿足紗線在線檢測速度的同時，符合紗線檢測精度的要求.

4　結論

（1）通過實驗和仿真分析，選取擬合點數n = 3，擬合組不同點數s = 3，斜率閾值KT= 45的擬合方式得到子片段直徑的變化比較規則，滿足紗線在線檢測快速性、準確性的要求.

（2）通過仿真和實驗結果表明斜率閾值算法測得的紗線平均核直徑為0.241 mm和紗線變異系數為15.38%，與烏斯特公報數據基本吻合.

（3）基于線陣CCD測量系統的斜率閾值算法算法較為簡單，運算周期較短，提高了檢測的效率，為以后紗線質量在線檢測提供了新的思路.

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Algorithm of yarn core diameter extraction based on linear array CCD

ZHOU Guo-qing，WU Xi，YUAN Ru-wang，JIANG Xiu-ming
（Key Laboratoryof Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin300387，China）

Abstract：Aiming at the shortage of yarn diameter extraction algorithm in the measurement process，a slope threshold algorithm based on linear array CCD measuring system is put forward to extract core diameter，and the influence of slope threshold degree and fitting points on accuracy and rapidity of the algorithm is analyzed，The best fitting model of the slope threshold algorithm for yarn online measuring is established. The simulation and experimental results show that the average diameter is closer to the theoretical diameter when the fitting points n is 3，fitting group with different number s is 3 and the slope threshold KTis 45，and the coefficient of variation is consistent with the USTER communique. The algorithm is suitable for on-line detection，which provides a new method for the online detection of yarn quality.

Key words：yarn core diameter；linear array CCD；grey level；slope threshold

通信作者：周國慶（1958—），男，教授，主要研究方向為新型紡織機械設計研究. E-mail：zhouguoqing@tjpu.edu.cn

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

收稿日期：2015-12-07

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.007

中圖分類號：TS 103.6；TS101.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）02－0035－05