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，可以較好的解決上述問(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

　?、?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;

　?、?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;

　?、?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;

　?、?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

　?、?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

　?、?噴絲孔徑φ0.06-φ0.08mm

　?、?噴絲孔數18-60

　?、?單絲檢測精確度為97%

　?、?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：

　?、傧到y照明光源

　?、贑CD攝像頭

　?、蹤C械微調裝置

　?、芸刂乒?/P>

　?、蓦娫纯刂瓢?/P>

　?、迗D像采集卡

　?、吖I(yè)計算機

　?、嘁壕э@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3.1所示。

　　圖3.1 粘膠長(cháng)絲浴內監測系統硬件結構

　　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3.2、3.3所示。

　　圖3.2控制柜結構 圖3.3 浴內CCD探頭與光源機構

　　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)(由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3.4所示。

　　圖3.4 軟件系統程序模塊圖

　　軟件系統操作界面如圖3.5所示。該界面主要分為以下幾個(gè)區域：

　?、?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。

　?、?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)。

　?、?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。

　?、?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。

　?、?測試結果區

　　顯示測試結果及噴絲板錠號。

　　圖3.5 系統軟件界面

　　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的到了增強，以圖4.1(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4.1(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4.2(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4.3(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4.4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4.1(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4.5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。

　　圖4.5 細絲的交錯示例

　　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

　?、?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4.5為例將其按連通域分離為如圖4.6的四個(gè)子圖像。

　?、?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4.6(b)為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖4.7(a)所示。

　　如圖4.6(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4.7(b)所示。

　　4.2.2 實(shí)現步驟

　?、?對二值圖像進(jìn)行標記，劃分成不同連通區域;

　?、?根據不同的像素值，即不同的連通域，將圖像分離為各各子圖像;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。

　?、?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⑸步;否則執行第⑷步。

　?、?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⑴;

　?、?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。

　?、?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4.5的計算結果及處理后圖像如圖4.8所示。

　　5. 粘膠長(cháng)絲浴內監測系統的計數應用

　　圖5.1為浴內監測系統實(shí)際采集的粘膠長(cháng)絲圖像，利用連通域分離法計算細絲根數測得結果參見(jiàn)表5-1。