1 引 言

  粘膠纖維良好的服用性能一直受到人們的青睞，高質(zhì)量粘膠長(cháng)絲的市場(chǎng)需求量不斷上升，尤其是加入WTO、紡織配額取消之后，國際對高檔粘膠長(cháng)絲的需求量猛增。由于我國的長(cháng)絲質(zhì)量達不到國際標準，出口受到限制，其中一個(gè)重要原因是由于粘膠長(cháng)絲單絲不足造成布料染色不均。粘膠長(cháng)絲數量不足是由于在長(cháng)絲成絲過(guò)程中，噴絲板中部分噴絲孔堵孔造成捻合單絲根數缺少?？焖僭诰€(xiàn)檢測噴絲板是否堵孔，實(shí)時(shí)監測單絲數目，可以較好地解決上述問(wèn)題。

  為實(shí)現實(shí)時(shí)監測單絲數目，本文利用機器視覺(jué)檢測技術(shù)，采用外置光源對粘膠長(cháng)絲照射，由光學(xué)系統成像至CCD上，實(shí)時(shí)采集酸浴內長(cháng)絲圖像，通過(guò)IPC工業(yè)計算機及圖像采集卡獲取圖像數據，實(shí)時(shí)顯示至監控屏幕上。同時(shí)，粘膠長(cháng)絲圖像經(jīng)過(guò)圖像增強及閾值分割后，長(cháng)絲的形態(tài)特征被突顯出來(lái)；用特定的算法識別粘膠長(cháng)絲并計算出其數目；根據計數結果，判別長(cháng)絲產(chǎn)品合格與否。

  2 粘膠長(cháng)絲浴內監測系統研究目標

  2.1 系統研發(fā)目標

  ⑴ 研究噴絲動(dòng)態(tài)成像系統和照明系統，實(shí)現噴絲過(guò)程的光學(xué)成像；

  ⑵ 將酸浴中的光學(xué)圖像轉換為方便于人們觀(guān)測的可視圖像；

  ⑶ 開(kāi)發(fā)圖像處理軟件系統，實(shí)現對粘膠長(cháng)絲的相關(guān)識別和判別計數；

  ⑷ 保證系統在酸浴中部分結構不受腐蝕影響。

2.2系統技術(shù)指標

⑴ 該系統需適應環(huán)境指標

  酸浴溫度：50℃
  酸浴深度：400mm
  酸浴透明度：400-500mm
  酸浴組成：硫酸：130±1g/l
  硫酸鋅：11±0.5g/l
  硫酸鈉：260～270g/l

⑵ 噴絲孔徑：φ0.06～φ0.08mm

⑶ 噴絲孔數：18～60

⑷ 單絲檢測精確度為97%

⑸ 功能實(shí)現：

  a獲取清晰的噴絲圖像，具有良好的可視性
  b實(shí)現計算機圖像處理，指示噴絲數量
  c噴絲板檢測實(shí)現計算機管理（編號、數據存儲等）
  d儀器小型化，便于巡回檢測

3 粘膠長(cháng)絲浴內監測系統的結構設計

3.1 監測系統的硬件結構

粘膠長(cháng)絲浴內監測硬件系統主要有以下部分構成：

  系統照明光源
  CCD攝像頭
  機械微調裝置
  控制柜
  電源控制板
  圖像采集卡
  工業(yè)計算機
  液晶顯示器

  CCD實(shí)時(shí)采集接收屏上的圖樣，輸出視頻信號。由計算機系統控制的視頻采集卡對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，顯示至監視器屏幕便于實(shí)時(shí)監控酸浴內噴絲板的工作情況，截取細絲圖像，向長(cháng)絲計數系統輸出用于圖像分析的圖片。工業(yè)計算機系統用于監測系統的整體控制，為測試軟件的運行提供硬件基礎。系統的硬件結構如圖1所示。

  根據系統技術(shù)指標，本系統的控制監視部分要在粘膠長(cháng)絲酸浴附近工作，其環(huán)境溫度高，空氣潮濕，周?chē)鷻C器振動(dòng)較大，且有高頻信號干擾，條件極為惡劣。為保證監控系統正常工作，工控計算機的選擇是極為重要的。本文采用的是研祥工控機，型號為IPC-6806W-E(A3)。其優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊、設計合理、便于擴展外接采集卡；具有較好的抗震、抗干擾、防塵耐高溫的特性，能夠克服酸浴附近的惡劣條件而穩定工作；滿(mǎn)足在線(xiàn)監控與長(cháng)絲計數算法的運算需求。另外，本系統的成像探頭部分要在酸液內工作，需要將系統光源及CCD攝像頭密封在耐酸塑料ABS制成的防腐外殼中；為方便粘膠長(cháng)絲的成像調節，在酸浴外加置了機械微調裝置；將采集卡、電壓控制板、工業(yè)計算機以及液晶顯屏封裝在控制柜中，實(shí)現儀器的小型化，便于循環(huán)檢測。系統的控制柜和浴內CCD攝像探頭與光源機構如圖2、圖3所示。

3.2 長(cháng)絲計數軟件系統結構與界面

  軟件系統是利用VC開(kāi)發(fā)出來(lái)的?；贒irectShow技術(shù)將采集卡采集的圖像數據顯示至屏幕上，以便實(shí)時(shí)觀(guān)測酸浴內噴絲板表面狀況；為測量細絲根數抓取屏幕圖像，進(jìn)行圖像預處理，將長(cháng)絲圖像增強，削弱背景噪聲影響，提高閾值精度；利用形態(tài)學(xué)理論分析二值化后圖像，去除非細絲結構的雜點(diǎn)(酸液中的漂浮物或氣泡)；利用二值圖像形狀分析方法確定計算區域，節省計算時(shí)間；根據長(cháng)絲計數算法計算圖像中細絲根數；將測試結果顯示至屏幕；并存儲測試數據。軟件系統的程序模塊如圖4所示。

軟件系統操作界面如圖5所示。該界面主要分為以下幾個(gè)區域：

⑴ 視頻顯示區

  實(shí)時(shí)顯示粘膠長(cháng)絲噴絲狀態(tài)；起到了實(shí)時(shí)監控酸浴內噴絲板的目的。

⑵ 信息輸入區

  輸入機器型號、編號相關(guān)信息，以及檢測人員的工號，便于測試結果查詢(xún)。

⑶ 指示區指示目前系統工作狀態(tài)，藍燈表示系統順利通過(guò)開(kāi)機自檢；綠燈表示系統順利完成計數工作，可進(jìn)行下次操作；紅燈表示系統正在進(jìn)行圖像處理工作。

⑷ 測控區

  主要對粘膠長(cháng)絲圖像進(jìn)行處理并分析出細絲根數。測試１為按序計算按鈕；測試2為重新測試按鈕；另外，還列出三種測試速度，以便按實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

⑸ 測試結果區

  顯示測試結果及噴絲板錠號。

4 粘膠長(cháng)絲圖像的分割與計數算法

  通過(guò)對粘膠長(cháng)絲圖像的理解，本文研究了如下適合于長(cháng)絲圖像的分割與計數方法。

4.1 分行消包絡(luò )分割法

  根據粘膠長(cháng)絲機視覺(jué)檢測實(shí)際應用的需要，設計一種結合粘膠長(cháng)絲圖像特征的分行處理消包絡(luò )分割方法。該方法屬于自適用閾值法的范疇，其計算簡(jiǎn)單，應用效果好。因為粘膠長(cháng)絲的浴內檢測圖像一般背景和目標的對比度較差，經(jīng)圖像增強處理后，圖像質(zhì)量有所改善，但細絲目標與背景照明較亮的部分都得到了增強，以圖6(a)為例，如果直接采用常用閾值分割法，會(huì )帶來(lái)大量噪聲白點(diǎn)，如圖6(b)。

  細絲噴絲方向多為縱向，細絲的像多為豎直，因此可以對圖像進(jìn)行分行二值化處理，避免圖像的上下照明不均帶來(lái)的噪聲。

  圖7(b)是左圖中第120行(亮線(xiàn)標致行)的灰度分布，橫坐標為該行像素序列號，縱坐標為各對應像素的灰度值。

  由于背景照度不均勻，使得該行的背景灰度數據不均，為去除背景的干擾，可對灰度分布數據提取包絡(luò )，如圖8(a)所示?？梢哉J為，灰度數據的包絡(luò )即細絲圖像的背景灰度分布形態(tài)，將原灰度分布數據與包絡(luò )數據相比照，去除背景信息，保留細絲目標數據。這樣就避免了圖像左右照度不均的影像。依照此方法對各行數據進(jìn)行處理。得到去背景后的細絲圖像，然后將其二值化(非0即1)，獲得較好的細絲二值化圖像，如圖9所示。

4.2 連通域分離法

  粘膠長(cháng)絲在生產(chǎn)過(guò)程中總體趨勢為縱向噴絲，其圖像多為豎直結構，如圖6(a)示。因此可將圖像按行掃描計算，統計各行計數結果，這種算法簡(jiǎn)單便于理解，但其精度難以保證，穩定性不高。其主要原因是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各長(cháng)絲之間并非完全平行，前后細絲之間存在著(zhù)交錯重疊，尤其對圖10所示的結構，這種逐行掃描的算法將遺漏細絲。造成測試結果普遍偏低。

下面介紹一種連通域分離辦法來(lái)解決細絲交錯時(shí)的計數問(wèn)題。

4.2.1 連通域分離的基本思想

⑴ 分離

  基于二值圖像的形狀分析，對各連通域進(jìn)行標識，提取出各連通域的特征屬性，如區域面積、長(cháng)度、圓形度，平均寬度等，以辨別該連通域是否為長(cháng)絲二值像。針對被標識的長(cháng)絲連通域，按標識將各連通域分離成各各子圖像。以圖10為例將
其按連通域分離為如圖11的四個(gè)子圖像。

⑵ 分岔位置與分割

  對每個(gè)子圖像進(jìn)行逐行掃描，計算細絲根數，當數目發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明細絲在此處分岔，即為分岔位置；該位置所在的行為分界行；分界行將圖像分為上下兩部分，能使圖像連通域個(gè)數增加的那部分稱(chēng)為保留區，另一部分稱(chēng)割舍區；可以在分岔位置做標記，以便刪除割舍區內對應的重合細絲段。下面以圖11(b)為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖12(a)所示。

如圖11(d)所示，子圖像存在著(zhù)多個(gè)分岔位置，應根據如下規則進(jìn)行選取并分割：

  a盡量使保留區域高度最大；

  b被保留區域的逐行掃描根數不小于割舍區的掃描根數；

  c保留區域內的連通域個(gè)數必須大于1。

具體分割見(jiàn)圖12(b)所示。

4.2.2 實(shí)現步驟

  （1）對二值圖像進(jìn)行標記，劃分成不同連通區域。

  （2）根據不同的像素值，即不同的連通域，將圖像分離為各個(gè)子圖像；子圖像的數目即為父圖像中連通域的個(gè)數。即子圖像中連通域個(gè)數為一。并將子圖像進(jìn)行二值化，非0即為1。

  （3）對各子圖像進(jìn)行逐行掃描，計算細絲根數，如果為1，執行第(5)步；否則執行第⑷步。

  （4）從上下兩端向中間查找子圖像的分岔位置，按照能將子圖像分割成兩個(gè)以上的連通域為原則，保留區最大為基準，選取最佳分岔位置的上下部分進(jìn)行取舍。將分離后的圖像最為新的父圖像執行步驟（1）

  （5）累加子圖像細絲根數1；計算子圖像平均寬度；改變子圖像灰度值，并將該子圖像復制到原圖相應位置。

  （6）彈出對話(huà)框，輸出各被計算的子圖像的平均寬度，及計數結果。用偽彩色編碼將圖像顯示到屏幕上，以便觀(guān)察分析。

  圖10的計算結果及處理后圖像如圖13所示。