龔 雪, 袁 理,2, 劉軍平, 楊亞莉, 劉沐黎, 柯政濤, 鄢煜塵
(1. 武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200; 2. 武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn) 加工技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 湖北 武漢 430200; 3. 武漢紡織大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖北 武漢 430200; 4. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)
織物組織點(diǎn)的檢測與識(shí)別是紡織品生產(chǎn)與設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。近年來,通過2種或多種不同染色纖維混配而成的色紡織物,因其色彩層次豐富,具有獨(dú)特的混色效果而被市場追捧。對(duì)色紡織物的組織點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分析能夠?yàn)樯彯a(chǎn)品的快速開發(fā)與生產(chǎn)提供技術(shù)支撐,具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。
得益于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與模式識(shí)別理論的快速發(fā)展,基于圖像處理的織物組織點(diǎn)識(shí)別方法是目前研究的主流方向。其中,織物組織點(diǎn)特征參數(shù)的提取與識(shí)別是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。常利利等[2]利用灰度共生矩陣分析織物的組織結(jié)構(gòu)。通過提取能量、熵、逆差距、對(duì)比度和相關(guān)性這5種統(tǒng)計(jì)值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)織物紋理信息的分析與表達(dá),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能較好地提取織物的紋理特征。景軍鋒等[3]利用局部二值模式(LBP)提取織物的局部紋理特征,同時(shí)利用灰度共生矩陣提取織物的全局紋理特征,然后將其結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)對(duì)3種基本組織的分類,精度高達(dá)99.93%。但上述方法在織物特征參數(shù)的提取過程中,僅考慮了織物的紋理信息,對(duì)于色彩豐富的染色或印花織物具有局限性。針對(duì)此問題,商琳等[4]提出了一種基于顏色共生矩陣的紋理檢索算法,該算法不僅考慮到圖像的紋理特征,而且還建立了與人眼感知相對(duì)應(yīng)的顏色組成特征,該方法顯著優(yōu)于單一灰度共生矩陣的紋理檢索算法。孫佳理等[5]利用灰度共生矩陣(GLCM)在YUV顏色空間模型的Y通道上提取組織點(diǎn)的紋理特征,同時(shí)利用顏色矩提取織物組織點(diǎn)的顏色信息,最后通過特征融合的方法實(shí)現(xiàn)織物組織點(diǎn)的分類,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法具有較好的識(shí)別效果。
需要指出的是,不同的顏色空間具有不同的色彩刻畫能力,單一顏色空間對(duì)復(fù)雜顏色模式表達(dá)的過程中具有顯著的局限性[6]。因此,龐曉敏等[7]提出了基于HIS(Hue, Intensity, Saturation)和Lab顏色空間的彩色圖像分割算法,但該算法比采用單一的顏色空間具有更為理想的分割效果。劉瓊等[8]提出了基于YUV和Lab顏色空間的農(nóng)田圖像分割方法,該方法在2種顏色空間分別利用加權(quán)模糊熵和Otsu閾值方法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割,取得了不錯(cuò)的效果。王民等[9]提出了基于HSV(Hue, Saturation, Value)、HIS與YUV混合色彩空間分塊顏色特征提取與檢索算法,該算法相較于普通的單一色彩空間的特征提取方法,查準(zhǔn)率和查全率均得到明顯提高。代喬民等[10]以RGB(Red, Green, Blue)、Lab以及HSV 3顏色空間為基礎(chǔ),建立了結(jié)合全局顏色特征與局部紋理特征的色紡紗色度學(xué)指標(biāo)表征模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于色紡紗色度學(xué)指標(biāo)的細(xì)微改變,該模型均能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)行表征,具有理想的有效性與魯棒性。
與此同時(shí),如何針對(duì)織物組織點(diǎn)參數(shù)特征進(jìn)行有效識(shí)別也是目前該研究領(lǐng)域亟待解決的難點(diǎn)。常見的特征分類器可分為線性分類器和非線性分類器。其中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與支持向量機(jī)(SVM)在處理非線性、高維度樣本數(shù)據(jù)時(shí)具有顯著優(yōu)勢。包曉敏等[11]針對(duì)織物組織的多樣性及組織圖像易受到噪聲干擾的問題,提出了嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)織物組織的自動(dòng)識(shí)別,但該方法在實(shí)現(xiàn)過程中計(jì)算復(fù)雜度較高。孫輝等[12]提出了基于多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)的音樂流派分類方法,結(jié)果表明,與單核支持向量機(jī)相比,多核支持向量機(jī)分類的正確率提高了6.58%。鐘志鵬等[13]針對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法存在的問題,提出了一種基于多核學(xué)習(xí)的人臉表情識(shí)別方法,結(jié)果表明,該方法識(shí)別率為88%,比傳統(tǒng)方法提高了8%。
值得注意的是,不同于單一呈色物體,色紡織物是以染色纖維作為顏色的基本載體,在成紗或織造的過程中,染色纖維會(huì)在紗線或織物的表面表現(xiàn)為和捻度相關(guān)的螺旋形,并且纖維間會(huì)互相堆疊與聚集,使織物組織呈色形態(tài)具有隨機(jī)性與多樣性[14-16]。因此,本文以紡織品數(shù)碼成像技術(shù)為基礎(chǔ),針對(duì)色紡面料特有的呈色機(jī)制與過程,建立混合色彩空間與多核學(xué)習(xí)的組織點(diǎn)識(shí)別算法。該算法能夠以YUV、HSV和Lab 3種色彩空間為基礎(chǔ),構(gòu)建混合色彩空間;同時(shí),分別提取色紡織物組織點(diǎn)圖像的紋理統(tǒng)計(jì)特征與三階顏色矩特征作為織物組織點(diǎn)參數(shù)特征,并利用多核學(xué)習(xí)構(gòu)建SVM對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。本文的研究對(duì)于構(gòu)建穩(wěn)定、有效的色紡面料設(shè)計(jì)與生產(chǎn)系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義,并且能夠?yàn)樽罱K實(shí)現(xiàn)色紡面料的數(shù)字化與智能化開發(fā)提供參考。
顏色空間是由多個(gè)獨(dú)立通道構(gòu)成的一個(gè)坐標(biāo)空間,不同的顏色空間對(duì)色彩具有不同的表征能力[6]。本文以YUV、HSV以及Lab 3種色彩空間為基礎(chǔ),構(gòu)建混合色彩空間。分別從YUV顏色空間的Y通道、HSV顏色空間的V通道和Lab顏色空間的L通道中提取紋理和亮度信息,再將這3個(gè)通道的信息通過歸一化等處理加以融合。同時(shí),將這3個(gè)顏色空間中另外表示色彩分量的通道信息分別進(jìn)行融合。
色紡織物的組織點(diǎn)特征由顏色與紋理特征共同構(gòu)成。針對(duì)色紡織物呈色纖維分布的隨機(jī)性與多樣性,本文提出以混色色彩空間為基礎(chǔ),分別提取織物組織點(diǎn)圖像的局部二值模式(LBP)+灰度共生矩陣(GLCM)統(tǒng)計(jì)特征與三階矩顏色特征并進(jìn)行加權(quán)融合,從而構(gòu)成織物組織點(diǎn)參數(shù)特征。
首先,利用經(jīng)典的LBP算子提取色紡織物組織點(diǎn)的偽灰度圖像[17];然后,通過灰度共生矩陣從偽灰度圖像中選取方向θ=0°,45°,90°,135°且距離d=1的像素對(duì),從而得到灰度共生矩陣在4個(gè)方向的特征參數(shù),即能量(GASM)、逆差距(GIDM)、對(duì)比度(GContrast)、相關(guān)性(GCorrelation),并構(gòu)成一個(gè)16維度的紋理特征向量,具體定義如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
與此同時(shí),在混合色彩空間中提取織物組織點(diǎn)圖像的三階顏色矩特征,具體定義如下:
(9)
(10)
(11)
式中:u為一階顏色矩特征;σ為二階顏色矩特征;s為三階顏色矩特征;P(i,j)為位置(i,j)處像素的顏色信息;N為織物組織點(diǎn)圖像中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
最后,采用特征級(jí)融合策略對(duì)紋理與顏色特征進(jìn)行融合,并作為色紡織物組織點(diǎn)參數(shù)特征,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
C=w×Cmoment+(1-w)×CAICC
(12)
式中:Cmoment為圖像三階矩顏色歸一化特征;CAICC為圖像紋理統(tǒng)計(jì)歸一化特征,即CAICC=GASM+GIDM+GContrast+GCorrelation;w為各獨(dú)立特征的權(quán)值。
SVM是從線性可分發(fā)展而來的,當(dāng)引入核函數(shù)后具備非線性分類的能力。傳統(tǒng)的支持向量機(jī)多采用單核函數(shù),如線性核函數(shù)、高斯徑向基核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)等[13]。對(duì)于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的分類問題,其泛化能力迅速下降。為了提高支持向量機(jī)的特征可分性,基于多核函數(shù)的SVM得到了廣泛關(guān)注,其數(shù)學(xué)模型可表示為:
(13)
(14)
式中:αi>0為拉格朗日系數(shù);sign()為符號(hào)函數(shù);Km(xi,x)為核函數(shù),即:
(15)
能夠影響色紡織物組織點(diǎn)識(shí)別的因素很多,如織物組織、染色纖維的種類、質(zhì)量配比、捻系數(shù)差異以及織造工藝等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,制備了2批實(shí)驗(yàn)樣品。第1批30份樣品由白色、紅色和綠色3種染色滌綸纖維混配織造而成。其中,平紋織物采用92號(hào)筘,每筘齒穿入紗線的根數(shù)為4,上機(jī)緯密是230根/(10 cm),下機(jī)經(jīng)密是380根/(10 cm),下機(jī)緯密是226根/(10 cm),樣本編號(hào)規(guī)則為SSxxA(A代表平紋織物);斜紋織物采用110號(hào)筘,每筘齒穿入紗線的根數(shù)為4,上機(jī)緯密是300根/(10 cm),下機(jī)經(jīng)密是460根/(10 cm),下機(jī)緯密是300根/(10 cm),樣本編號(hào)規(guī)則為SSxxD(D代表斜紋織物);緞紋織物采用92號(hào)筘,每筘齒穿入紗線的根數(shù)為5,上機(jī)緯密是330根/(10 cm),下機(jī)經(jīng)密是488根/(10 cm),下機(jī)緯密是334根/(10 cm),樣本編號(hào)規(guī)則為SSxxF(F代表緞紋織物)。同時(shí),樣本間存在纖維質(zhì)量配比差異與捻系數(shù)差異,具體參數(shù)和部分樣本分別由如表1和圖1所示。
表1 第1批色紡織物實(shí)驗(yàn)樣本參數(shù)表Tab.1 Parameter table of the first batch of colored spun fabric samples
圖1 部分色紡織物實(shí)驗(yàn)樣本Fig.1 Experimental samples of some colored spun fabrics
第2批20份樣本由大紅、金黃以及黑色、藍(lán)色分別與白色棉纖維混配織造而成。樣本均為平紋組織,采用130號(hào)筘,每筘齒穿入紗線的根數(shù)為2,下機(jī)緯密是280根/(10 cm), 無特殊說明情況下,捻系數(shù)為350。樣本間的染色纖維配比存在較大范圍內(nèi)的隨機(jī)變化,且存在長絨棉與短絨棉對(duì)比樣本,具體參數(shù)和部分樣本分別由如表2和圖2所示。
表2 第2批色紡織物樣本參數(shù)表Tab.2 Parameter table of the second batch of colored spun fabric samples
圖2 部分色紡織物實(shí)驗(yàn)樣本Fig.2 Experimental samples of some colored spun fabrics
全部樣本在相對(duì)濕度為65%狀態(tài)下平衡后,通過DigiEye Digital Imaging System系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集,并在采集前通過白板和標(biāo)準(zhǔn)色卡對(duì)DigiEye系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)行白平衡和顏色校正。每份織物樣本采集不同區(qū)域的4張標(biāo)準(zhǔn)圖像;同時(shí),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行分割,從中獲得10張像素為600像素×600像素的樣本圖像,并從每張圖片中提取至少一個(gè)組織循環(huán)。其中,訓(xùn)練集由6張圖像構(gòu)成,其余圖像為測試集。因此,實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)集由500張織物圖像構(gòu)成。其中,訓(xùn)練樣本集為300張圖像,測試樣本集為200張織物圖像。
在圖像采集過程中,采集到的織物圖像可能會(huì)受到噪聲的干擾,影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率。因此,需要對(duì)織物圖像進(jìn)行預(yù)處理。首先,將采集到的RGB圖像的3個(gè)顏色通道分別進(jìn)行中值濾波,以降低噪聲的影響;然后,在混合色彩空間的亮度通道利用水平和垂直灰度投影法實(shí)現(xiàn)對(duì)織物組織點(diǎn)的定位;最后,在混合色彩空間下從色紡織物圖像中分割出組織點(diǎn)圖像。
本文算法中需要對(duì)多核學(xué)習(xí)SVM中的核函數(shù)類型與權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化;同時(shí),還需要對(duì)特征融合權(quán)值進(jìn)行分析。由于線性核函數(shù)與高斯徑向基核函數(shù)具有參數(shù)少,分類性能較為理想,將其作為SVM的核函數(shù),并通過實(shí)驗(yàn)分析確定核函數(shù)間的最優(yōu)權(quán)重系數(shù),具體過程如下:1)按照上述方法提取樣本圖像中所有組織點(diǎn)的參數(shù)融合特征,其中為了便于分析,根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]取經(jīng)驗(yàn)值,將融合參數(shù)設(shè)定為w=0.5;2)將樣本中所有組織點(diǎn)的融合特征參數(shù)輸入多核支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí),其中2類核函數(shù)的權(quán)值設(shè)定為0至1區(qū)間,每間隔0.1取值迭代循環(huán)計(jì)算第一批樣本中各類織物組織點(diǎn)的正確識(shí)別率,結(jié)果如表3所示。其中,權(quán)重為高斯徑向基核函數(shù):線性核函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)高斯徑向核函數(shù)與線性核函數(shù)的權(quán)重分別為0.9、0.1時(shí),算法整體平均識(shí)別率最高。
表3 核函數(shù)權(quán)重參數(shù)優(yōu)化Tab.3 Weight parameter optimization of kernel function
能夠影響色紡織物呈色的因素很多,即包括染色纖維的混配比、種類以及成紗過程中的捻系數(shù)等。其中,染色纖維混配比的改變對(duì)織物組織點(diǎn)參數(shù)的影響最為顯著,為了驗(yàn)證本文方法的有效性與穩(wěn)定性,對(duì)第1批15份具有不同質(zhì)量配比與組織的色紡織物組織點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別(實(shí)驗(yàn)一),結(jié)果見表4。其中,樣本間的染色纖維混配質(zhì)量比差異在0.5%至4.0%之間變化,且成紗過程中的捻系數(shù)保持一致。
表4 捻系數(shù)為低的識(shí)別結(jié)果(實(shí)驗(yàn)一) Tab.4 Recognition results with low twist factor(experiment one)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)捻系數(shù)為低時(shí),平紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率為95.2%;斜紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率為96.8%;緞紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率略低為83.4%。與此同時(shí),大量研究結(jié)果表明染色纖維成紗過程的捻系數(shù)也是導(dǎo)致織物呈色變化的顯著因素之一,因此,本文以實(shí)驗(yàn)一為對(duì)照組,對(duì)另外15份具有不同捻系數(shù)的織物的組織點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別(實(shí)驗(yàn)二),結(jié)果如表5所示。其中,樣本間的染色纖維混配質(zhì)量比差異在0.5%至4.0%之間變化,與對(duì)照組保持一致,但捻系數(shù)為高。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)捻系數(shù)為高時(shí),平紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率為93.8%;斜紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率為94.0%;緞紋織物組織點(diǎn)的平均識(shí)別率為84.0%。對(duì)比2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出本文所建立的色紡織物組織點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別算法對(duì)于染色纖維的混配比以及成紗過程中的捻系數(shù)變化均具有理想的魯棒性和有效性,能夠?qū)?種典型織物組織點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,部分織物樣本及組織結(jié)構(gòu)意匠圖如圖3所示。
染色纖維的種類以及染色纖維的色度學(xué)指標(biāo)都是其織物組織點(diǎn)識(shí)別過程中關(guān)鍵因素。為了驗(yàn)證本文方法的有效性與普適性,對(duì)第2批共20份棉纖維色紡織物樣本的組織點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別分析,結(jié)果見表6。
表5 捻系數(shù)為高的識(shí)別結(jié)果(實(shí)驗(yàn)二)Tab.5 Recognition results with high twist factor(experiment two)
注:①為柱本;②為組織點(diǎn)分割圖;③為組織結(jié)構(gòu)意匠圖。圖3 部分樣本、組織點(diǎn)分割圖及組織結(jié)構(gòu)意匠圖Fig.3 Partial samples, segmentation image of interlacing point and pattern grid. (a) Plain weave; (b) Twill weave; (c) Satin weave
表6 第2批色紡織物組織點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果Tab.6 Recognition results of the second batch of colored spun fabric interlacing points
其中,樣本間不僅具備顯著的色相差異,而且樣本間染色纖維混配質(zhì)量比變化范圍更大,從0.25%至8.0%;同時(shí),樣本間也包含纖維性狀差異以及捻系數(shù)變化,且樣本組織均為平紋。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于具有不同色度學(xué)指標(biāo)的色紡織物樣本,本文所建立的混合色彩空間擁有理想的色彩表征能力;同時(shí),結(jié)合組織點(diǎn)參數(shù)特征提取算法與多核學(xué)習(xí)SVM分類器,使得識(shí)別算法對(duì)較大范圍內(nèi)纖維混配與捻系數(shù)變化具有理想的魯棒性,組織點(diǎn)平均識(shí)別率均保持在93%以上。部分樣本、組織點(diǎn)分割圖及組織結(jié)構(gòu)意匠圖如圖4所示。
注:①為樣本;②為組織分割圖;③為組織結(jié)構(gòu)意匠圖。圖4 部分樣本、組織點(diǎn)分割圖及組織結(jié)構(gòu)意匠圖Fig.4 Partial samples, segmentation image of interlacing point and pattern grid
相對(duì)于單一顏色空間,混合色彩空間能夠綜合運(yùn)用多顏色空間對(duì)色彩的表征與刻畫能力,具有較強(qiáng)的顏色表征能力;同時(shí),基于多核學(xué)習(xí)的SVM能夠?qū)μ卣鏖g的復(fù)雜分布模式進(jìn)行有效表征。為綜合對(duì)比分析本文方法的創(chuàng)新性與必要性,以上述2批實(shí)驗(yàn)樣本為對(duì)象,采用在HSV顏色空間提取色紡織物組織點(diǎn)的顏色與紋理特征,并分別采用單核SVM與線性分類器對(duì)組織點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,2種方法分別記為方法1與方法2;同時(shí),在混合顏色空間提取色紡織物組織點(diǎn)的特征參數(shù),采用單核SVM對(duì)組織點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,記為方法3。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7~8所示。
表7 第1批實(shí)驗(yàn)樣本采用不同方法的識(shí)別結(jié)果Tab.7 Recognition results of the first batch of experimental samples using different methods
表8 第2批實(shí)驗(yàn)樣本采用不同方法的識(shí)別結(jié)果Tab.8 Recognition results of the second batch of experimental samples using different methods
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于單一顏色空間,本文所建立的混合色彩空間能夠?qū)Σ煌葘W(xué)指標(biāo)的色紡織物的顏色進(jìn)行準(zhǔn)確表征,所建立的色紡織物組織點(diǎn)參數(shù)特征提取算法對(duì)于纖維種類、質(zhì)量配比以及織造參數(shù)的變化具有理想的穩(wěn)定性;同時(shí),由于引入了多核學(xué)習(xí)機(jī)制,使得SVM的非線性分類能力得到進(jìn)一步強(qiáng)化,在兩組實(shí)驗(yàn)中組織點(diǎn)平均正確識(shí)別率均顯著高于對(duì)照組,從而證明了本文方法的有效性與先進(jìn)性。
本文以紡織品數(shù)碼成像技術(shù)為基礎(chǔ),建立了混合色彩空間與多核學(xué)習(xí)的組織結(jié)構(gòu)識(shí)別算法。該算法以YUV、HSV和Lab 3種色彩空間為基礎(chǔ),通過相同屬性顏色通道構(gòu)建混合色彩空間;同時(shí),分別提取色紡織物圖像的LBP+GLCM統(tǒng)計(jì)特征與三階顏色矩特征作為織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)特征,并利用多核學(xué)習(xí)構(gòu)建SVM對(duì)其進(jìn)行分類識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所建立的色紡織物組織結(jié)構(gòu)識(shí)別算法,對(duì)具有不同捻系數(shù)以及配比系數(shù)的滌綸機(jī)織物,其三元組織結(jié)構(gòu)的識(shí)別率分別為94.5%、95.4%和83.7%。同時(shí),對(duì)于具有不同配色方案以及配比系數(shù)的棉型平紋織物,其組織結(jié)構(gòu)的識(shí)別率為94.65%,具備理想的魯棒性與普適性。本文的研究對(duì)于構(gòu)建穩(wěn)定、有效的色紡面料數(shù)字化檢索與客觀評(píng)價(jià)體系具有重要指導(dǎo)意義,并且能夠?yàn)樽罱K實(shí)現(xiàn)色紡面料的數(shù)字化與智能化系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。如何進(jìn)一步降低特征維度,提高識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行效率是未來研究的主要內(nèi)容之一。