郭榮幸

( 廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 番禺 511440)

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基于纖維圖像的橫截面輪廓提取和識別技術

郭榮幸

( 廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 番禺 511440)

摘要：為了提高檢驗效率和準確性，嘗試研究和開發(fā)纖維橫截面智能化軟件，實現(xiàn)纖維多焦面融合、纖維邊緣輪廓自動提取、纖維特征識別。試驗得出：采用區(qū)域劃分的方法可更好的實現(xiàn)多焦面纖維圖像融合為單焦面圖像，利用光斑擴散模型的多點擴散法，可實現(xiàn)各種纖維形態(tài)的探測，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡可成功識別纖維種類。

關鍵詞：橫截面；多焦面融合；輪廓提??；自動識別

中國是紡織品進出口和使用大國，同時擁有豐富的各種天然紡織纖維。麻纖維強度高、吸濕透氣性好、具有防霉抗菌作用，但纖維剛度大，褶皺恢復能力差。棉纖維具有吸濕性性好、穿著舒適的特點，但纖維抗皺性能差。再生纖維素纖維

可紡性、懸垂性能好，但是粘纖濕強不高，莫代爾容易起絨，萊賽爾易出現(xiàn)勾絲起洞。這些纖維混紡制品可以使纖維獲得更好的性能，越來越受到消費者的青睞。同時混紡制品中各纖維的含量影響織物風格、性能以及價格，所以對混紡產(chǎn)品的定量分析十分重要。纖維成分含量檢測項目主要有兩種方法：化學溶解定量分析法、顯微鏡物理定量分析法。檢測方法依據(jù)FZ/T 01057.1-2007至FZ/T 01057.9-2007、GB/T 2910系列標準、FZ/T 01101-2008、GB/T 16988-2013、FZ/T 30003-2009、SN/T 0756-1999、AATCC 20A-2013等相關標準，化學溶解定量分析方法有較多的弊端，其一，受時間、溫度、試劑、環(huán)境等方面的影響導致測出的纖維百分比含量與實際含量有較大的差異。其二，需要大量的高濃度的鹽酸、硫酸、硝酸及DMF等有機試劑，這些試劑的成本很高，同時會產(chǎn)生高腐蝕性的化學廢液。其三，長期接觸腐蝕性、揮發(fā)性的化學試劑也會對檢查人員的身體健康造成不良影響。

顯微鏡物理定量分析法檢測是一種綠色環(huán)保的技術，但是目前，麻、棉、再生纖維素纖維混紡品使用顯微鏡物理法定量分析除進行根數(shù)測量外還需要橫截面積測量。在橫截面積測量的過程中，采用人眼觀察纖維在顯微鏡下的成像并判斷纖維種類，人工手繪出不同纖維的輪廓，掃面圖像后進行人工單個點取面積。檢驗人員的技術水平、經(jīng)驗知識等方面的差異會影響結果的準確性，所以此方法費時、費力、準確性不高[1]。近年來，計算機硬件和軟件技術的發(fā)展推動了紡織纖維檢測的自動化研究。為了提高檢驗效率和準確性，嘗試研究和開發(fā)纖維橫截面智能化軟件，實現(xiàn)纖維多焦面融合、纖維邊緣輪廓自動提取、纖維特征提取和目標識別分類。

1多焦面融合

在顯微鏡對纖維橫截面圖像采集的過程中，多焦面問題存在成為制約獲得清晰圖像的關鍵。目前解決多焦面的問題主要采用數(shù)字處理技術進行圖像合成[2]。

在纖維和紡織品實際檢測過程中，一般采用哈式切片法制作纖維橫截面切片[3]。由于刀片傾斜角不當、刀片鈍等原因的存在，經(jīng)常出現(xiàn)切片厚薄不均、切削平面不平整等問題，這直接導致多焦面問題的存在，如圖1和圖2所示。

圖1　萊賽爾、莫代爾橫截面切片　圖2　棉、粘纖橫截面切片

由于多焦面的存在，顯微鏡在聚焦搜索過程中無法找到唯一一個聚焦平面。將多焦面圖片的清晰區(qū)域重構到一幅圖像上，是獲取完整信息的前提。在多焦面融合成單焦面研究的主要方法有小波變換的圖像采集法、反向濾波器的融合方法和區(qū)域劃分的多焦面融合法[4]。雖然采用小波變換的方法得到的融合圖像清晰，但是圖像的質(zhì)量下降。采用反向濾波器的融合方法雖然圖像質(zhì)量高，但是方法復雜，不能滿足顯微鏡及時性的要求。為了滿足顯微圖像獲取的速度和質(zhì)量，采用區(qū)域劃分的方法。該方法基于化整體為局部、合局部成整體的思想，將切片整體的聚焦分解為子區(qū)域的聚焦。圖3和圖4所示為采用區(qū)域劃分法多焦面融合前后的圖像。由圖3和圖4可知，采用區(qū)域劃分法能較好的實現(xiàn)多焦面圖像向單焦面圖像的融合。

圖3　不同焦面的圖像　　圖4　合并成完整清晰的圖片

2纖維邊緣輪廓自動提取

不同纖維的橫截面形態(tài)不同，纖維邊緣自動提取的傳統(tǒng)方法是輪廓跟蹤算法，該方法簡便、直觀，易于實現(xiàn)，但它無法分離相互溶結的目標個體，輪廓跟蹤存在無法獲得準確的圖像邊界的問題。人眼在多目標的環(huán)境中首先看到的是目標最亮的部分，而不是目標的邊緣[5]。人眼首先通過發(fā)光體定位目標，再根據(jù)發(fā)光體周圍光線的衰減情況判斷目標輪廓。基于這一人眼視覺原理，建立光斑擴散模型對纖維橫截面圖像的個體纖維輪廓探測，基本步驟為：(1)搜索光斑：探測到圖像中的纖維個體位置；(2)確定光斑擴散的初始點：找出纖維截面內(nèi)部光斑矩形框的中心點即光斑射線的發(fā)散點；(3)光斑擴散：使射線從中心點呈放射性向邊緣延伸，探測到纖維截面輪廓邊緣時終止；(4)記憶纖維個體輪廓，以集合的形式存儲數(shù)據(jù)，為特征參數(shù)的提取提供依據(jù)[6]。利用光斑擴散模型對光斑進行一次性探測的過程中，每個光斑只有一個擴散中心，纖維截面中高曲部分會出現(xiàn)探測不到的現(xiàn)象。研究后發(fā)現(xiàn)一個光斑使用多個擴散點可以探測到全部纖維的輪廓。由圖5和圖6所示，采用多點擴散的方法，不僅可以探測低屈曲的纖維截面，而且高屈曲纖維截面也可完全探測出來，更接近纖維的真實輪廓。

圖5　纖維橫截面圖　　　圖6　纖維橫截面輪廓提取圖

3纖維橫截面特征識別

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是模擬人腦結構和激勵行為的并行非線性系統(tǒng)，在人臉識別、手寫體識別等問題上的大量實際應用和仿真實驗表明它具有較好的學習能力和泛化性能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡在很多領域有重要的應用，包括模式識別與圖像處理、控制與優(yōu)化、金融預測與管理、通訊等[7-9]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡在紡織領域也有重要的應用。天然纖維、再生纖維素纖維的截面形態(tài)特征千差萬別，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習、自組織和自適應的特征可對這些纖維特征進行識別[10]。在對纖維截面特征提取的過程中，特征參數(shù)的選擇應該具備4個條件：(1)可區(qū)分性，特征值應具有明顯的差異；(2)可靠性，對同類對象的特征值應比較接近。(3)獨立性，所有的特征彼此之間不相關；(4)數(shù)量少，用于統(tǒng)計和測試的樣本數(shù)量隨特征維數(shù)呈指數(shù)關系增長[11]。纖維特征的選取一般包括：面積，周長，離散度，波動率，周長，異形系數(shù)，延展度，圓整度，充滿度，中腔面積，矩形度等。圖7為纖維輪廓自動提取圖，圖8為建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡后成功對纖維輪廓特征提取后對纖維種類識別圖。

圖7　纖維截面輪廓自動提取圖　　圖8　纖維截面輪廓自動識別圖

4結語

(1)采用區(qū)域劃分的方法對多焦面纖維圖像融合為單焦面圖像，滿足顯微圖像獲取的速度和質(zhì)量的要求。

(2)采用光斑擴散模型的多點擴散法探測纖維截面輪廓，不僅高屈曲纖維截面可完全探測出來，而且更接近纖維的真實輪廓。

(3)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡可成功識別纖維種類。

參考文獻：

[1]王朝莉. 基于橫截面圖像分析的纖維異形度的指標特征和異形纖維種類的自動識別[D]. 上海：東華大學, 2006.

[2]A.Kubota and K.Aizawa, Inverse filters for reconstruction of arbitrarily focused images from two differently focused images

[C].∥IEEE Int. Conf. on Image Processing(Ⅰ)Vancouver, Canada，2000：101-104.

[3]趙書經(jīng). 紡織材料實驗教程[M]. 北京：中國紡織出版社，1989:6-11.

[4]丁喻洋. 紡織纖維顯微圖像的自動聚焦及多焦面問題的研究[D].上海：東華大學, 2006.

[5]章海軍. 視覺及其應用技術[M]. 杭州：浙江大學出版社,2004:62-69.

[6]楊寶娣. 混紡紗截面圖像的輪廓探測模型與纖維識別分類方法[D]. 蘇州：蘇州大學,2009.

[7]王旭，王宏，王文輝. 人工神經(jīng)網(wǎng)元絡原理與應用[M]. 沈陽：東北大學出版社,2000.

[8]邵軍力，張景，魏長華. 人工智能基礎[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[9]戴葵. 神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)技術[M]. 長沙：國防科技大學出版社,1998.

[10]宗亞寧. 棉麻纖維圖像分析及自動檢測技術的研究[D]. 上海：東華大學, 2006.

[11]趙麗紅. 人臉檢測和識別算法的研究與實現(xiàn)[D]. 上海：東華大學, 2006.

專利名稱：一種用于文物保護的絲織物的制備方法

專利申請?zhí)枺篊N201210118790.4

公開號：CN102634995A

申請日：2012.04.20

公開日：2012.08.15

申請人：浙江理工大學

本發(fā)明公開了一種用于文物保護的絲織物的制備方法，包括如下步驟：A)配制Na2CO3溶液，將市售普通絲織物放入其中，浸泡攪動；B)將含色素天然植物洗凈，和水放入容器中，加熱至水煮沸后萃取，將萃取液過濾后取出，重復操作，將萃取液混合備用；C)將經(jīng)過步驟A)處理后的絲織物放入步驟B)取得的混合液中，浸染后取出，晾干；D)取干辣椒、花椒、細辛、丁香、靈香草、水，保溫浸泡過濾，得到濾液；E)將經(jīng)過步驟C)處理后的絲織物放入步驟D)得到的濾液中浸泡后取出，晾干。本發(fā)明所制作的絲織品安全、無毒，與古代絲綢文物風格接近，是一種很好的絲綢文物的加固襯托材料。

專利名稱：一種用于文物保護的蠶絲絲網(wǎng)的制備方法

專利申請?zhí)枺篊N201210119389.2

公開號：CN102634996A

申請日：2012.04.20

公開日：2012.08.15

申請人：浙江理工大學

本發(fā)明公開了一種用于文物保護的蠶絲絲網(wǎng)的制備方法，包括如下步驟：A)用中秋誘導3眠蠶繭繅制細纖生絲，將其制成細纖蠶絲絲網(wǎng)；B)配制Na2CO3溶液，將步驟A中的蠶絲絲網(wǎng)放入其中，浸泡攪動；C)將含色素天然植物洗凈，和水放入容器中，加熱至水煮沸后萃取天然植物色素，將萃取液過濾后取出；重復操作3次，每次的萃取液混合在一起，備用；D)將經(jīng)過步驟B)處理后的蠶絲絲網(wǎng)放入步驟C)取得的混合液中，浸染后取出，晾干。本發(fā)明在對蠶絲絲網(wǎng)進行脫膠、老化處理的基礎上，用古代絲織品常用的植物染料對其進行染色，所制作的蠶絲絲網(wǎng)安全、無毒，與古代絲綢文物風格接近，是一種很好的絲綢文物的修復加固材料。

收稿日期：2015-11-24