一種手持式選繭試驗(yàn)裝置的研究

選繭試驗(yàn)是桑蠶繭質(zhì)量檢驗(yàn)的主要試驗(yàn)之一，同時(shí)還是開展切剖、解舒、公量、清潔潔凈等試驗(yàn)的必要條件。目前選繭試驗(yàn)均是由試驗(yàn)人員憑借對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的理解和經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行人工判定，由于人工判定存在受人員技術(shù)水平限制大、人員間水平差異大、人員狀態(tài)波動大等缺點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、一致性和穩(wěn)定性受到明顯影響。

機(jī)器視覺技術(shù)在諸多行業(yè)中已得到越來越多的應(yīng)用，將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到蠶繭質(zhì)量檢驗(yàn)中，可以克服人工判定的諸多弊端，并大大提高繭絲質(zhì)量檢驗(yàn)的智能化水平。近年來，國內(nèi)已有學(xué)者在將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于繭絲綢行業(yè)方面做了一些研究，比如在織物瑕疵檢測[1]、蠶繭自動計(jì)數(shù)[2]、生絲黑板檢測系統(tǒng)[3]、選繭輔助檢驗(yàn)[4]等方面。這些應(yīng)用的一個(gè)共同特點(diǎn)是將數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等作為圖像采集設(shè)備，不僅對應(yīng)用場所有較高要求，在可移動性和便攜性等方面限制也較大。為此，本文擬以智能手機(jī)為載體、以無線網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸媒介、以MATLAB為程序開發(fā)平臺，研究設(shè)計(jì)一套基于智能手機(jī)的手持式桑蠶繭選繭試驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 研究思路

利用當(dāng)前智能手機(jī)高度的普及率、優(yōu)良的便攜性、操作的簡便性和強(qiáng)大的功能性獲取桑蠶繭樣品的圖像信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將采集到的數(shù)字圖像便捷地傳輸至本地計(jì)算機(jī)或云端，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使用MATLAB軟件對接收到的圖像進(jìn)行適當(dāng)處理，提取樣品的諸多圖像特征后，依據(jù)GB/T 9111《桑蠶干繭試驗(yàn)方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求自動得出檢驗(yàn)結(jié)果。

1.2 硬件和軟件

硬件包括手機(jī)（華為，KNT-AL20，Android系統(tǒng)）、電腦（聯(lián)想啟天 M6500-D756，Windows 7 操作系統(tǒng)），背景板（白色A4紙，中間為邊長78.7mm的正方形區(qū)域）、標(biāo)定物（白色A4紙，中間為邊長78.7mm的正方形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)有半徑13.5mm圓形圖案）。軟件包括MATLAB（PC版和Android版）和DroidCamX （PC版和Android版）。

1.3 程序設(shè)計(jì)

1.3.1 圖像采集

在圖像包含的顏色特征、形狀特征、紋理特征中，根據(jù)GB/T 9111相關(guān)術(shù)語和定義，可將黃斑繭、油繭、異色繭、印頭繭、霉繭、爛繭、繭色等與污斑面積有關(guān)的特征歸為顏色特征，雙宮繭、癟繭、畸形繭、繭形、繭幅度等特征歸為形狀特征，柴印繭、綿繭、縮皺等特征可歸為紋理特征。為有效提取不同樣品的圖像特征，根據(jù)目前國內(nèi)桑蠶繭主要為白色繭的情況，確定在采集樣品顏色特征時(shí)使用主要工作區(qū)域?yàn)榘咨谋尘鞍澹诓杉螤钐卣骱图y理特征時(shí)使用主要工作區(qū)域?yàn)楹谏谋尘鞍濉?/p>

1.3.2 圖像處理

使用手機(jī)作為圖像采集設(shè)備在帶來極大便捷性和靈活性的同時(shí)，每次采集圖像時(shí)手機(jī)的方位角、仰俯角、翻滾角、物距等均為隨機(jī)參數(shù)，根據(jù)近大遠(yuǎn)小的透視原理，使用手機(jī)拍攝的同一樣品在不同參數(shù)下各特征會發(fā)生變化，如圖1所示。因此，為還原樣品的特征，首先需要將采集的圖像進(jìn)行透視變換以得到樣品的正視圖，本文中進(jìn)行透視變換的主要方法為：自動確定圖像中背景板中的正方形4個(gè)頂點(diǎn)1、2、3、4的坐標(biāo)，并規(guī)定與這4個(gè)頂點(diǎn)一一對應(yīng)的1’、2’、3’、4’4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)透視變換矩陣，將源圖像轉(zhuǎn)換為正視圖，透視變換示意圖見圖2。

圖1 透視現(xiàn)象示意圖

圖2 透視變換示意圖

1.3.3 特征提取

根據(jù)需要提取的桑蠶繭樣品不同圖像特征，經(jīng)透視變換后的圖像需首先經(jīng)過圖像轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、噪聲消除 、形態(tài)學(xué)處理、空間濾波、顏色空間轉(zhuǎn)換等圖像處理方式。

1.3.3.1 顏色特征

需要提取的污斑顏色通常與我國目前白色繭的整體顏色有差異。為有效提取樣品的顏色特征，將透視變換后的圖像轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間，并提取飽和度分量。在獲得圖像中污斑部分的像素?cái)?shù)與圖像總像素?cái)?shù)的比值、背景板正方形內(nèi)區(qū)域的物理尺寸后，將二者相乘可得污斑部分的物理尺寸。

1.3.3.2 形狀特征

雙宮繭、癟繭、畸形繭等與上車?yán)O在外部形狀上有明顯差別，通過計(jì)算圖像中蠶繭樣品的圓形度、曲率等指標(biāo)后，與正常上車?yán)O的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較并判定。繭幅度的測定為通過獲取圖像中每粒蠶繭的最小外接矩形，利用矩形的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得出矩形各邊的像素?cái)?shù)，再根據(jù)透視變換后圖像的像素?cái)?shù)和物理尺寸可得到蠶繭的繭幅度指標(biāo)。

1.3.3.3 紋理特征

由于熟蠶吐絲順序有前后，先結(jié)成的繭層在干燥后，其里面緊貼的繭層在干燥收縮時(shí)會導(dǎo)致已干的外層產(chǎn)生縮皺。蠶繭的縮皺一般以細(xì)、齊、淺為好[5]，其內(nèi)在質(zhì)量相對較好，而柴印繭的印痕處、綿繭的整體等均與上車?yán)O的縮皺有明顯不同。利用Tamura紋理特征提取方法分別提取粗糙度、對比度和方向度3個(gè)分量，通過分析這3個(gè)分量的大小進(jìn)行縮皺粗細(xì)程度的判定。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用上述研究方法，分別對油繭的顏色特征、雙宮繭和繭幅度的形狀特征、平板柴印繭的紋理特征進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)效果同時(shí)顯示在手機(jī)屏幕中。試驗(yàn)結(jié)果見圖3至圖6，試驗(yàn)效果見圖7至圖10。

圖3 油繭試驗(yàn)結(jié)果

圖4 雙宮繭試驗(yàn)結(jié)果

圖5 繭幅度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 柴印繭試驗(yàn)結(jié)果

圖7 油繭試驗(yàn)效果

圖8 雙宮繭試驗(yàn)效果

圖9 繭幅度試驗(yàn)效果

圖10 柴印繭試驗(yàn)效果

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過拍攝一組手機(jī)處于不同方位角、仰俯角、翻滾角等狀態(tài)下的標(biāo)定物的圖像，再經(jīng)過透視變換、圖像轉(zhuǎn)換與增強(qiáng)、噪聲消除、形態(tài)學(xué)處理、空間濾波和顏色空間轉(zhuǎn)換等方式處理后，根據(jù)對比標(biāo)定物圓形圖案與背景板正方形區(qū)域二者的實(shí)際物理尺寸關(guān)系、數(shù)字圖像中像素?cái)?shù)關(guān)系對本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。

本文中標(biāo)定物面積572.56mm2，背景板工作區(qū)域正方形面積6193.69mm2，標(biāo)定物與背景板工作區(qū)域面積之比為0.0924，方位角、仰俯角、翻滾角等數(shù)據(jù)來源于圖像采集時(shí)獲取的手機(jī)相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)。各驗(yàn)證圖像的相關(guān)參數(shù)和驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)語

3.1 本研究中圖像處理后的標(biāo)定物圓形圖案與背景板正方形區(qū)域二者像素?cái)?shù)平均比值為0.0917，與物理尺寸的比值相差為7×10-4，12幅圖像標(biāo)定物與背景板像素?cái)?shù)比值的方差為1.3×10-6。本研究的準(zhǔn)確度較高。

3.2 本研究的使用方法簡單，操作人員無需進(jìn)行專門培訓(xùn)即可輕松掌握。設(shè)備輕巧靈便，易于隨身攜帶。使用地點(diǎn)靈活，有效解除或降低常規(guī)儀器設(shè)備對使用地點(diǎn)的限制。

3.3 本研究是利用本地計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對采集的圖像進(jìn)行處理，運(yùn)行效率較高，如果采用連接到MathWorks Cloud的方式則運(yùn)行速度會受到影響，而且不論采用何種方式，都必須在有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)才可使用。