基于近紅外成像技術(shù)的棉花異纖檢測

蔡曉霞 吳玲玲 梁海鋒 陳 靖

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710021）

棉花是重要的農(nóng)產(chǎn)品和紡織工業(yè)的主要原料，其質(zhì)量關(guān)系到國計民生。棉花中一旦混入各類異纖，必將嚴(yán)重影響棉紡織品的質(zhì)量，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。異纖是指混入棉花中的非棉纖維和非本色棉纖維，比如毛發(fā)、麻繩、塑料薄膜、編織袋絲等［3-4］。異纖在棉花加工過程中容易被打碎成無數(shù)細(xì)小的纖維，難以進(jìn)行分揀和清除，這使得紡紗時易造成棉紗斷頭，織布時增加了斷經(jīng)、吊經(jīng)、經(jīng)縮等疵點的出現(xiàn)，染色時因不同纖維著色性能不同而形成各種色疵，嚴(yán)重影響棉紡織品的質(zhì)量，降低了企業(yè)的效益［5］。所以，高效且全面地將異纖從棉花中挑揀出來是當(dāng)下亟待解決的問題，其對于提高棉紡織品的質(zhì)量具有重要意義。

目前，多數(shù)棉紡織企業(yè)普遍采用人工挑揀方式，費時費力，效率低下，且挑揀的效果也不夠理想，容易產(chǎn)生漏檢與誤檢［6］。而一些現(xiàn)有異纖檢測設(shè)備主要在可見光和紫外光下檢測有色異纖，但白色或透明異纖檢測效果不好［7-9］。此外有些設(shè)備還結(jié)合了超聲波技術(shù)，可以檢測到部分白色或透明異纖，但對細(xì)小的異纖檢測效果不好。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，在近紅外波段可以對部分白色或透明異纖實現(xiàn)較好的檢測效果［10-12］，此方法仍處在原理研究及驗證階段，需要繼續(xù)進(jìn)行深入探索。

本研究選擇棉花中常見的12種異纖樣本作為主要研究對象，基于近紅外成像、圖像處理與分析方法，選用實驗室現(xiàn)有處于近紅外波段的808 nm和905 nm的濾光片展開試驗驗證研究，在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長下對棉花中異纖的檢測進(jìn)行研究，并對比分析不同波長下異纖樣本的成像特點以及檢測結(jié)果。

1 棉花異纖圖像采集

1.1 成像系統(tǒng)

根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件和設(shè)備，按照如圖1所示的成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，在實驗室搭建如圖2所示的成像系統(tǒng)，進(jìn)行近紅外成像異纖檢測的驗證研究。整個系統(tǒng)主要由線陣CCD相機(jī)、鏡頭、光源、棉花移動平臺、計算機(jī)等組成。

圖1 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

相機(jī)選用高速線陣CCD相機(jī)，像元數(shù)為2 048 pixel，最高行頻為65 kHz，波長范圍為400 nm～1 000 nm；鏡頭選用焦距為50 mm尼康鏡頭，光源為LED燈。為了能夠采集到清晰的棉花和異纖圖像，在實驗室搭建的成像系統(tǒng)工作距離440 mm，幅寬180 mm。

1.2 圖像獲取

在實驗室采集圖像時，將充分開松的棉花鋪成厚度為5 mm左右的均勻棉層放置在棉花移動平臺上。12種棉花中常見的異纖樣本如圖3所示。將異纖樣本裁剪成條狀或絲狀（長度為20 mm左右，寬度不大于5 mm），隨機(jī)散落在棉層表面，以便采集混有異纖的棉花圖像。接著分別在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長下進(jìn)行圖像采集，做對比試驗，由于異纖與棉花的材質(zhì)不同，具有不同的光譜特性，在圖像上表現(xiàn)為不同的灰度差異。在試驗中，選擇濾光片型的分光技術(shù)，即在靠近線陣相機(jī)端分別安裝中心波長為808 nm、905 nm的窄帶濾光片，從而實現(xiàn)這兩個波長下的圖像采集。

圖3 12種常見異纖樣本

在成像系統(tǒng)中采用線陣相機(jī)獲取圖像，線陣相機(jī)每次只能采集一行圖像，因此在對混有異纖的棉花進(jìn)行圖像采集時，需要通過移動平臺讓異纖和棉花處于運動狀態(tài)，才能掃描得到一幅二維圖像。二維圖像是由多次掃描得到的每行圖像按時間順序組合而成的。所采集到的圖像如圖4所示。

圖4 采集到的異纖和棉花圖像

7種白色或透明異纖在圖像上的第1排，從左到右依次是白紙、白色縫紉線、地膜、棉布條、泡沫塑料、塑料繩、白色編織袋絲；5種有色異纖在圖像上的第2排，從左到右依次是紫色編織袋絲、藍(lán)色編織袋絲、紅色縫紉線、棕色縫紉線、頭發(fā)。

2 棉花異纖圖像處理與分析

采用OpenCV圖像算法對采集的圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理與分析，最終實現(xiàn)異纖檢測。圖像處理與分析的流程如圖5所示。

將采集到的3幅圖像分別按照圖5所示的流程圖進(jìn)行處理，在每一步的處理中依次采用中值濾波［13］和底帽變換實現(xiàn)圖像預(yù)處理，采用最大類間方差法實現(xiàn)閾值分割［14-15］，采用Canny算子實現(xiàn)邊緣檢測，對得到的異纖邊緣進(jìn)行后續(xù)處理，從而獲得較為完整的異纖輪廓，接著確定異纖在圖像中的位置，并使用矩形框在原圖像上標(biāo)出。圖6～圖8分別是3幅圖像處理過程中的效果圖。

圖5 圖像處理與分析的流程圖

圖6 400 nm～1 000 nm波段下圖像處理過程中的效果圖

圖8 905 nm波長下圖像處理過程中的效果圖

圖7 808 nm波長下圖像處理過程中的效果圖

3 異纖檢測結(jié)果與灰度特性分析

3.1 檢測結(jié)果

從異纖目標(biāo)檢測的結(jié)果來看，可以分為已檢測、未檢測和錯誤檢測3種情況。其中已檢測是指能檢測到異纖長度的10%及以上，未檢測是指檢測到異纖長度的10%以下，錯誤檢測是指將不是異纖的部分錯認(rèn)為異纖。7種白色或透明異纖和5種有色異纖的檢測結(jié)果統(tǒng)計情況見表1。其中，√表示已檢測，○表示未檢測，×表示錯誤檢測。

表1 異纖檢測結(jié)果統(tǒng)計表

3.2 異纖在不同波長下的灰度特性分析

對在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長下采集的圖像進(jìn)行灰度特性分析。從采集的圖像來看，7種白色或透明異纖在圖像上的亮暗程度不一樣，它們中的大多數(shù)與背景的對比不明顯。而5種有色異纖在不同波長成像時，它們與背景相比均較暗，與背景有明顯的對比。

圖9是經(jīng)計算得出的7種白色或透明異纖在不同波長與背景的灰度差曲線。可以看出，波長對灰度差的影響不大，其中地膜在不同波長與背景均有較大差異，所以它在不同波長均可以被較為完整地檢測出來。而其他異纖與背景有的差異大，有的差異小，所以出現(xiàn)了較多的異纖不能被檢測到，甚至還出現(xiàn)錯誤檢測的情況。綜合觀察曲線可以得出，白紙、白色縫紉線、棉布條、塑料繩、白色編織袋絲均在400 nm～1 000 nm波段下與背景差值最大，地膜和泡沫塑料在808 nm波長下與背景差值最大。

圖9 7種白色或透明異纖在不同波長下的灰度差曲線圖

圖10是經(jīng)計算得出的5種有色異纖在不同波長與背景的灰度差曲線。可以看出，波長對灰度差是有影響的，5種有色異纖均在400 nm～1 000 nm波段下與背景差值最大。在單波長下，紫色編織袋絲、藍(lán)色編織袋絲、紅色縫紉線、棕色縫紉線均在905 nm波長下與背景差值最大，而頭發(fā)在808 nm波長下與背景差值最大。

圖10 5種有色異纖在不同波長下的灰度差曲線圖

4 結(jié)語

本研究利用高速線陣相機(jī)，在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長下對棉花和12種異纖樣本進(jìn)行了掃描成像，采用OpenCV圖像算法進(jìn)行了處理，并分析了有色異纖和白色或透明異纖的檢測結(jié)果以及灰度特性。有色異纖在各波長下與背景均有較為明顯的灰度差異，其中只有頭發(fā)在905 nm波長下出現(xiàn)了未檢測情況，而其他有色異纖都可以被檢測出來。白色或透明異纖在各波長下大多數(shù)與背景的灰度差異不明顯，出現(xiàn)了較多的未檢測情況，甚至還有錯誤檢測。7種白色或透明異纖樣本在400 nm～1 000 nm波段檢測出5種，未檢測1種，錯誤檢測1種；在808 nm波長下檢測出5種，未檢測2種，無錯誤檢測；在905 nm波長下檢測出2種，未檢測5種，無錯誤檢測。綜合來看，白色或透明異纖在808 nm波長下檢測效果是比較好的，能夠檢測出大部分異纖，并且沒有出現(xiàn)錯誤檢測，這表明在近紅外波段檢測白色或透明異纖是切實可行的，且具有較好的檢測效果，為進(jìn)一步檢測此類異纖提供了依據(jù)。