黃揚(yáng)，徐少磊，蓋國(guó)平，高興宇＊

（1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.南寧海關(guān)技術(shù)中心 國(guó)家生絲及絲制品檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530029）

0 引言

生絲是絲綢織物的基礎(chǔ)，其通常是由幾根甚至數(shù)十根繭絲在機(jī)械外力作用下經(jīng)過(guò)一道道的工藝流程繅制而成的長(zhǎng)絲[1]。生絲抱合是指構(gòu)成生絲的繭絲經(jīng)摩擦后分裂的難度，其摩擦次數(shù)即為抱合[2]。生絲抱合性能檢測(cè)是生絲品質(zhì)檢驗(yàn)中重要的輔助檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，在生絲評(píng)級(jí)中占有相當(dāng)重要的地位[3]，抱合性能與織物的質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系[4]，抱合力較差的生絲在織造過(guò)程中會(huì)因?yàn)楦鞣N摩擦作用而出現(xiàn)表面疵點(diǎn)、開(kāi)裂和斷經(jīng)現(xiàn)象[5]，使得生絲抱合性能能夠直接影響生絲的后續(xù)生產(chǎn)加工過(guò)程以及生絲進(jìn)出口貿(mào)易。根據(jù)目前已有的相應(yīng)生絲抱合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1798—2008《生絲試驗(yàn)辦法》中所描述的抱合檢驗(yàn)過(guò)程，抱合檢驗(yàn)主要依靠人工對(duì)抱合機(jī)的自主操作來(lái)完成，該檢驗(yàn)方法主要是靠人眼感官識(shí)別[6]，抱合性能檢驗(yàn)結(jié)果受人為因素影響，不同人對(duì)同一批生絲檢測(cè)的結(jié)果可能不同，同一個(gè)人在不同時(shí)間對(duì)同一批生絲檢測(cè)的結(jié)果也可能不同[7]。中國(guó)作為生絲及絲制品的進(jìn)出口大國(guó)，同時(shí)其生絲及絲制品的進(jìn)出口量也日益增加，隨著國(guó)家大力推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展，提高生絲抱合性能檢測(cè)的科學(xué)性、高效性和準(zhǔn)確性具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)圍繞生絲檢測(cè)有一定研究。如，孫鴻文[8]等將生絲作為主動(dòng)件在刀具中進(jìn)行往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，結(jié)合SD-1型生絲細(xì)度儀測(cè)量生絲抱合摩擦前后直徑的差值實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲抱合的電子檢測(cè)，但SD-1型生絲細(xì)度儀對(duì)于生絲直徑變換較為敏感，因此在生絲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的抖動(dòng)會(huì)對(duì)生絲直徑的檢測(cè)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，最終影響生絲抱合性能檢測(cè)。龐家柳[9]等設(shè)計(jì)的生絲抱合自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)解決了杜波浪抱合機(jī)存在的摩擦不穩(wěn)定和人為檢驗(yàn)感官依賴性強(qiáng)的缺點(diǎn)，但由于其裂絲傳感器檢測(cè)主要是單根生絲，在多根生絲以及和現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性上存在一定程度的局限性。孫衛(wèi)紅[7]等結(jié)合生絲抱合機(jī)設(shè)計(jì)的生絲抱合性能檢測(cè)裝置能夠更加較為準(zhǔn)確地對(duì)生絲抱合性能進(jìn)行檢測(cè)，但是由于多根生絲圖像同時(shí)獲取相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和計(jì)算生絲直徑需要較高的時(shí)間和運(yùn)算成本，因此該方法在生絲抱合性能檢測(cè)的高效性上存在一定的局限性。朱賢全[10]等設(shè)計(jì)了多絲錠生絲抱合檢驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)20根生絲的抱合性能檢測(cè)，但是其在生絲上、下邊界標(biāo)定的計(jì)算成本較高，且對(duì)于生絲開(kāi)裂區(qū)域依然需要結(jié)合人工進(jìn)行查閱，因此，在生絲抱合檢測(cè)性能的客觀性上存在一定的局限。本研究針對(duì)存在的生絲抱合檢測(cè)存在的不足，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和圖像處理，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的生絲抱合電子檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺(jué)的生絲抱合電子檢測(cè)系統(tǒng)包括上位機(jī)、下位單片機(jī)控制器、計(jì)數(shù)模塊和圖像采集及處理模塊等。系統(tǒng)整體通過(guò)對(duì)已有的杜波浪式生絲抱合機(jī)改進(jìn)而成，使用工業(yè)面陣相機(jī)在漫反射傳感器和單片機(jī)的配合下完成對(duì)于特定摩擦圈數(shù)的生絲抱合摩擦圖像的采集，并通過(guò)GIGE接口（千兆以太網(wǎng)）與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)通過(guò)對(duì)生絲抱合摩擦圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦裂絲的面積百分比的計(jì)算，并且將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存和顯示，最終完成一次生絲抱合摩擦檢測(cè)流程。整體系統(tǒng)通過(guò)鋁制框架包裹在半封閉空間中，可以通過(guò)在框架周?chē)O(shè)置遮光板來(lái)減少外界環(huán)境光對(duì)于抱合檢測(cè)的負(fù)面影響[11]，從而保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；跈C(jī)器視覺(jué)的生絲抱合電子檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物如圖1所示。

1.2 電控系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的單片機(jī)控制器采用的STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元，包括終止檢測(cè)圈數(shù)的初始化設(shè)置、漫反射傳感器信號(hào)的接收、工業(yè)相機(jī)外觸發(fā)信號(hào)的輸出和相應(yīng)抱合摩擦圈數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。電控系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

終止檢測(cè)圈數(shù)的初始化設(shè)置主要是用來(lái)自主的增加和減少抱合摩擦的終止圈數(shù)，以免初始圈數(shù)過(guò)多而造成生絲斷裂影響檢測(cè)。漫反射傳感器主要是和原有抱合機(jī)的計(jì)數(shù)模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)同步計(jì)數(shù)和將計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理和動(dòng)態(tài)數(shù)碼管的圈數(shù)顯示。由于工業(yè)相機(jī)的外觸發(fā)信號(hào)需要+12 V以上的高電平才能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)外觸發(fā)，因此在抱合機(jī)達(dá)到特定圈數(shù)時(shí)，單片機(jī)先輸出信號(hào)給繼電器，繼電器再通過(guò)接通工業(yè)相機(jī)和外接電源正極來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的外觸發(fā)[12]。

1.3 硬件技術(shù)參數(shù)

與之前生絲抱合電子檢測(cè)的方法不同，此系統(tǒng)采用生絲抱合摩擦后產(chǎn)生的裂絲的面積作為生絲抱合檢測(cè)的參考依據(jù)。GB/T 1798—2008《生絲試驗(yàn)辦法》[6]中描述的生絲抱合檢測(cè)過(guò)程是在生絲抱合摩擦45圈基礎(chǔ)上通過(guò)人為松弛生絲觀察分裂情況基礎(chǔ)上完成的，而此次實(shí)驗(yàn)的20組生絲樣品在未松弛的情況下摩擦130圈才能較為明顯地顯示可參與評(píng)分的摩擦裂絲。同時(shí)統(tǒng)計(jì)20組生絲裂絲的平均值發(fā)現(xiàn)生絲抱合摩擦裂絲面積百分比在前115圈在0.05%以下，對(duì)于生絲抱合實(shí)際檢測(cè)影響較小，因此設(shè)定115圈為生絲檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)停止圈數(shù)。為了更加直觀和系統(tǒng)地展現(xiàn)生絲裂絲面積的變化，設(shè)計(jì)了從115圈開(kāi)始每遞增5圈設(shè)置一次中斷抱合并輸出工業(yè)相機(jī)外觸發(fā)信號(hào)獲取一幀圖像，圖像的大小為（w0，h0）=（2456，2058）dpi。統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)陣圖如圖3所示。經(jīng)過(guò)對(duì)20組生絲樣品進(jìn)行連續(xù)抱摩擦，發(fā)現(xiàn)斷裂的閾值位于500圈左右，為了保證生絲產(chǎn)生裂絲而不產(chǎn)生斷裂影響檢測(cè)，本論文設(shè)計(jì)的生絲抱合電子檢測(cè)系統(tǒng)將生絲抱合摩擦的最終圈數(shù)設(shè)置為450圈。

圖3 生絲裂絲百分比點(diǎn)陣圖

1.4 硬件圖像采集流程

硬件系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)的抱合圖像采集主要是獲取特定圈數(shù)的生絲抱合圖像，通過(guò)工業(yè)相機(jī)傳輸給上位機(jī)然后保存到指定文件夾，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)相關(guān)的圖像處理。

圖4 硬件系統(tǒng)程序流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 生絲抱合圖像處理

一般基于內(nèi)容的圖像處理過(guò)程包括數(shù)字圖像的讀取、數(shù)字圖像處理、特征提取、圖像特征的相關(guān)屬性計(jì)算和結(jié)果輸出[13]。上位機(jī)在對(duì)硬件系統(tǒng)采集的圖像進(jìn)行讀取之后，利用Python環(huán)境下的Scikit-image圖像處理庫(kù)來(lái)處理圖像。為了能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確地計(jì)算生絲抱合摩擦后的裂絲面積，圖像處理過(guò)程需要經(jīng)過(guò)圖像裁剪、圖像網(wǎng)格劃分、灰度閾值分割、邊緣膨脹和生絲信息減運(yùn)算，最后生成包裹住生絲信息的生絲二值化連通區(qū)域圖像。最后通過(guò)計(jì)算特定圈數(shù)圖像的連通區(qū)域面積與原始圖像連通區(qū)域面積的差值來(lái)代表生絲抱合裂絲的面積，再計(jì)算其與原始圖像連通區(qū)域面積的比值作為生絲抱合裂絲面積的百分比指數(shù)。

采集的圖像需要先進(jìn)行裁剪來(lái)保留圖像的生絲有效區(qū)域。相關(guān)的處理過(guò)程如圖5所示。圖5中image_origin圖像代表采集到的未經(jīng)抱合機(jī)摩擦前的生絲抱合圖像，選取其中未受到旁邊金屬結(jié)構(gòu)反光影響的區(qū)域進(jìn)行裁剪保存生成圖像image_clip，圖像image_clip作為后續(xù)圖像處理的輸入圖像。經(jīng)過(guò)裁剪后的圖像的大小為wc×hc=1655 dpi×1500 dpi。

圖5 生絲抱合圖像裁剪過(guò)程

經(jīng)過(guò)裁剪后的圖像如果直接進(jìn)行全局灰度閾值分割來(lái)提取生絲信息會(huì)出現(xiàn)生絲信息丟失和生絲信息提取不穩(wěn)定的現(xiàn)象。為此，采用網(wǎng)格劃分的方法，將大小為wc×hc的圖像按照13行10列，共計(jì)130個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣可以有效地將單根生絲包裹在一個(gè)網(wǎng)格圖像內(nèi)。劃分網(wǎng)格之后，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單獨(dú)進(jìn)行灰度閾值分割、邊緣膨脹和生絲信息減運(yùn)算地操作。單個(gè)網(wǎng)格圖像處理的效果如圖6所示。對(duì)于特定抱合摩擦圈數(shù)的圖像而言，處理的方法一致。

圖6 生絲抱合圖像處理過(guò)程

對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元圖像進(jìn)行圖像處理之后，則需要通過(guò)Scikt-image圖像處理庫(kù)中的相關(guān)函數(shù)獲取生絲信息減運(yùn)算之后的連通區(qū)域的面積，再通過(guò)各個(gè)網(wǎng)格單元累加的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生絲抱合圖像的處理。處理的結(jié)果如圖7所示。而對(duì)于特定抱合摩擦圈數(shù)的圖像，以330圈抱合摩擦圖像為例，330圈抱合摩擦圖像處理的結(jié)果如圖7中image_330laps_dilation圖像所示。特定圈數(shù)的圖像在生絲主干周?chē)牧呀z信息也被進(jìn)行了膨脹化，這樣就可以較為完整地展現(xiàn)生絲抱合裂絲地信息情況。雖然圖7中兩張圖像在肉眼觀測(cè)上，各根生絲的位置基本一致，但在實(shí)際放大觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)其位置發(fā)生了一定程度的上下浮動(dòng)，這樣就意味著沒(méi)有辦法直接利用裂絲圖像和原始圖像進(jìn)行減法運(yùn)算而直接生成只含有裂絲信息的圖像。但是通過(guò)計(jì)算連通區(qū)域的面積相減可以直接計(jì)算出裂絲面積的百分比指數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)與生絲抱合的輔助檢測(cè)。

圖7 生絲抱合圖像處理網(wǎng)格累加

2.2 生絲抱合檢測(cè)系統(tǒng)圖像顯示界面

為了更加系統(tǒng)地展現(xiàn)生絲抱合檢測(cè)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的程序界面來(lái)顯示各個(gè)特定圈數(shù)生絲抱合摩擦圖像。相關(guān)界面的效果如圖8所示。在圖8中，Initial_img窗口用來(lái)顯示采集的每一張圖像的原始圖像，Adaptive_Roi_img窗口用來(lái)顯示對(duì)應(yīng)圖像經(jīng)過(guò)3.2部分所描述的圖像處理過(guò)程之后的圖像，同時(shí)將計(jì)算得出的生絲抱合裂絲百分比和對(duì)應(yīng)的圈數(shù)顯示在左上角的文本框中。經(jīng)過(guò)對(duì)每張圖片裂絲面積百分比的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果保存到云數(shù)據(jù)庫(kù)中，再利用程序繪制圖像裂絲面積百分比的柱狀圖，即可直觀地展現(xiàn)生絲的抱合性能，從開(kāi)始的原始圖像到終止圈數(shù)的圖像裂絲面積的變化和生絲抱合摩擦的情況。檢測(cè)結(jié)果顯示界面如圖8所示。

圖8 生絲抱合檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)界面

通過(guò)圖8可以看出，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，生絲抱合摩擦之后的裂絲面積百分比是整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而柱狀圖中間出現(xiàn)跳變，主要是因?yàn)樵诜磸?fù)摩擦的過(guò)程中，已產(chǎn)生斷裂的生絲會(huì)被刀具重新壓合進(jìn)生絲，從而產(chǎn)生裂絲面積比跳變的現(xiàn)象。當(dāng)終止圈數(shù)圖像完成圖像處理之后，生成完整的裂絲面積百分比柱狀圖。再通過(guò)最小二乘法擬合的方法，生成相對(duì)最佳逼近各個(gè)裂絲面積百分比數(shù)據(jù)點(diǎn)的函數(shù)曲線，并且獲取終止圈數(shù)時(shí)函數(shù)值作為一組生絲抱合檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)同一絲錠的生絲進(jìn)行多組檢測(cè)，獲取多組檢測(cè)結(jié)果的終止圈數(shù)擬合曲線函數(shù)值求取平均值作為該生絲的裂絲面積百分比最終檢測(cè)結(jié)果。該檢測(cè)結(jié)果可以作為生絲抱合檢測(cè)的輔助檢測(cè)依據(jù)。

2.3 生絲抱合檢測(cè)過(guò)程與系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的抱合圖像自動(dòng)化檢測(cè)方法，使用放大倍率為20倍的顯微放大鏡測(cè)量結(jié)果對(duì)圖像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)所采集的抱合280圈時(shí)的圖像（圖9a），視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)提取檢測(cè)的感興趣區(qū)域ROI（Region Of Interest），如圖9（b）所示；此時(shí)生絲中已出現(xiàn)了一部分的裂絲，在全局圖像中不易觀測(cè)出來(lái)；通過(guò)移動(dòng)顯微鏡，分別對(duì)兩個(gè)局部區(qū)域（區(qū)域A和區(qū)域B）進(jìn)行觀測(cè)，放大倍率為20倍，顯微觀測(cè)結(jié)果如圖9（c-d）所示；通過(guò)上述的圖像檢測(cè)方法，可對(duì)當(dāng)前的生絲抱合狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖9（e），對(duì)二值化的圖像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行放大后，發(fā)現(xiàn)圖像檢測(cè)結(jié)果可較好反映和捕捉生絲抱合的缺陷信息，與顯微觀測(cè)結(jié)果相近，證明了檢測(cè)方法的有效性。

圖9 圖像檢測(cè)方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3 結(jié)論

探討基于機(jī)器視覺(jué)的生絲抱合電子檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)標(biāo)式抱合機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲抱合圖像的自動(dòng)采集以及特定圈數(shù)下的連續(xù)采集。使用網(wǎng)格劃分對(duì)生絲抱合圖像劃分之后按照網(wǎng)格單元采用灰度閾值分割、邊緣膨脹和減運(yùn)算，設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)顯示界面和相應(yīng)的裂絲面積百分比的計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化顯示功能。

構(gòu)建了機(jī)器視覺(jué)的生絲抱合檢測(cè)系統(tǒng)的整體方案及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)從開(kāi)始到最終裂絲終止時(shí)的抱合過(guò)程數(shù)字化圖像獲取，便于生絲檢測(cè)的遠(yuǎn)程溯源；實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的生絲抱合檢測(cè)及控制，降低了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率；實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)的生絲抱合性能電子檢測(cè)綜合分析系統(tǒng)，提高檢測(cè)客觀性、公正性，為生絲抱合質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)定奠定了基礎(chǔ)。