趙 帥，梁 科，畢雅萱

(鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

數(shù)控地毯樣品織機(jī)提花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及圖像處理的研究

趙 帥，梁 科，畢雅萱

(鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

文章主要是對面向阿克明斯特地毯的打樣織機(jī)進(jìn)行了數(shù)控提花選紗系統(tǒng)的研究，針對上位機(jī)采用VB6.0進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地毯圖案花型數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換；并借助Matlab工具實(shí)現(xiàn)地毯圖案的算法編程及圖像色彩增強(qiáng)。

數(shù)控樣品織機(jī)；提花系統(tǒng)；VB6.0；圖像色彩增強(qiáng)

中國地毯業(yè)起步較晚，但是以每年20%的速度持續(xù)增長[1]，阿克明斯特地毯圖案豐富、風(fēng)格多樣，市場需求量大，但是生產(chǎn)中使用紗線等長絡(luò)筒，并要求超額投料，成本高[2]；針對阿克明斯特地毯的生產(chǎn)工藝及市場需求，開發(fā)了一種新型數(shù)控樣品織機(jī)，其中提花選紗系統(tǒng)是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，性能的優(yōu)劣直接決定著地毯樣品織機(jī)的運(yùn)行和樣品的質(zhì)量；本文針對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 提花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 提花系統(tǒng)的原理

阿克明斯特地毯用織機(jī)是將絨紗先切割成指定長度后，以“u”字或“J”字形固結(jié)方法把紗線裁埋到地毯的經(jīng)紗層之間，再由緯紗加以固定成型。其特點(diǎn)是圖案花型豐富，顏色多樣，但機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)周期和制造成本較高，不適合在生產(chǎn)機(jī)器上放樣。本文所研制地毯樣品織機(jī)的結(jié)構(gòu)，簡化了阿克明斯特地毯織機(jī)的結(jié)構(gòu)。提花工藝路線如圖1所示。

圖1 地毯打樣工藝路線圖

根據(jù)工藝路線設(shè)計(jì)了提花選紗系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。圖2系所研制開發(fā)的樣機(jī)提花系統(tǒng)機(jī)械原理圖，包括了夾絨機(jī)構(gòu)，割絨機(jī)構(gòu)，針刺機(jī)構(gòu)。此外，線庫用于儲(chǔ)存紗線。

圖2 提花系統(tǒng)機(jī)械原理示意圖

當(dāng)選紗系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先上位機(jī)讀取地毯圖像(bmp格式)各像素點(diǎn)顏色RGB值，接著轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的花型數(shù)據(jù)，最后發(fā)送至下位機(jī)。在下位機(jī)工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過大帶輪驅(qū)動(dòng)紗筒按照花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置后停止；此時(shí)伺服電機(jī)通過小帶輪驅(qū)動(dòng)鳥嘴上升至預(yù)定位置時(shí)，氣缸收縮，鳥嘴閉合，夾緊紗線，紗線與鳥嘴共同向下運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置時(shí)，氣缸伸長，鳥嘴打開，這樣即可完成選紗工作。通過紗筒的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同紗線的選取。

1.2 提花選紗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)控地毯樣品織機(jī)的控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。上位機(jī)主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互以及提花準(zhǔn)備系統(tǒng)，包括花型設(shè)計(jì)與花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將花型數(shù)據(jù)以及各加工參數(shù)發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制卡中，下位機(jī)主要功能是由運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，使打樣機(jī)各個(gè)部分準(zhǔn)確按照時(shí)序運(yùn)動(dòng)。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Visual Basic (VB)是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)編程語言，源自于BASIC編程語言[3]。本系統(tǒng)在Windows環(huán)境中采用Visual Basic 6.0進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)研究分析，選紗系統(tǒng)軟件功能應(yīng)包括地毯圖像的載入、尺寸修改、RGB值讀取和花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等，因此軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

1.3 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為自動(dòng)獲取花型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件采用Visual Basic中圖片框Point方法[8]讀取地毯圖像各像素點(diǎn)的RGB值，并記：

ppoint(i,j)=picture1.point(i,j)

(i,j)代表像素點(diǎn)在圖像中的位置，但該值不能作為控制下位機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在讀取圖像每個(gè)像素點(diǎn)RGB值后，將RGB值存入ppoint數(shù)組中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。將顏色進(jìn)行分類編號并將圖像中每個(gè)位置像素點(diǎn)顏色對應(yīng)的編號標(biāo)定出來。具體花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法如圖5所示。

圖5 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

算法中color_amount(k)記錄顏色編號；color_kind記錄顏色種類；color_place(i,j)記錄圖像(i,j)位置像素點(diǎn)顏色編號?；ㄐ蛿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)行實(shí)例如圖6所示，顯示了地毯圖像第10號顏色編號信息，顏色編號即代表該種顏色紗線在紗筒中的位置。為方便工作人員穿引紗線，還需顯示出各編號顏色具體信息，運(yùn)行實(shí)例結(jié)果如圖7所示。

圖6 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)行實(shí)例

圖7 圖像顏色信息運(yùn)行實(shí)例

工作人員可按照圖7在紗筒1～20號紗孔中穿入相應(yīng)顏色紗線。例如可在1號孔穿入淺棕色紗線，在2號孔中穿入深褐色紗線等，沒有對應(yīng)顏色的顯示黑色。

2 地毯圖像的數(shù)字處理

2.1 圖像增強(qiáng)原理

本論文設(shè)計(jì)的數(shù)控地毯樣品織機(jī)可加載pat、bmp等多種格式彩色地毯圖片，并且地毯彩色圖像的顏色數(shù)最多達(dá)20種，但是加載的地毯圖像需要經(jīng)過一定的設(shè)計(jì)處理。常常在數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等設(shè)備拍攝的數(shù)字圖像的基礎(chǔ)上，經(jīng)過圖像裁剪——輪廓描繪——色彩識(shí)別——色彩填充等步驟完成一幅標(biāo)準(zhǔn)地毯圖像設(shè)計(jì)。該過程要花費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力；特別是遇到原始地毯圖像不清晰、顏色種類數(shù)較多時(shí)，會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度。本文針對原始圖像模糊，顏色種類數(shù)較多兩種情況設(shè)計(jì)了相應(yīng)圖像處理算法。

圖像增強(qiáng)方法主要有空域法和頻域法兩類，具體圖像增強(qiáng)方法[4-6]有：直方圖修改、平滑濾波器、銳化濾波器、低通濾波器、高通濾波器、同態(tài)濾波器等。但上述方法適用于灰度圖像，若運(yùn)用此類方法直接對RGB圖像進(jìn)行增強(qiáng)，往往會(huì)造成原有圖像色彩失衡，甚至退化失真，無法達(dá)到預(yù)期處理效果。針對本文研究的模糊地毯RGB彩色圖像，提出了在HSI色彩空間下，對飽和度和亮度分量使用對比度增強(qiáng)濾波最后變換回RGB色彩空間來增強(qiáng)彩色圖像的方法。

先將彩色圖像由RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到HSI色彩空間。在HSI色彩空間中，圖像的色彩信息主要包含在H(色調(diào))中，為保證圖像增強(qiáng)處理后保持原有的彩色信息，只要保證HSI色彩空間中的H(色調(diào))不變，只對S(色度)和I(強(qiáng)度)使用對比度增強(qiáng)濾波增強(qiáng)處理，最后再轉(zhuǎn)換回RGB色彩空間。這樣既可以使圖像變得清晰，又不會(huì)破壞原有圖像中的色彩信息，達(dá)到圖像增強(qiáng)目的。本文的圖像增強(qiáng)算法流程如圖8所示。

圖8 算法流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對兩幅模糊地毯RGB圖像分別運(yùn)用直接對比度濾波增強(qiáng)方法和本文圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：①運(yùn)用直接對比度增強(qiáng)濾波后的圖像相比原始圖像亮度增加、顏色對比度增強(qiáng)，但是顏色失真現(xiàn)象嚴(yán)重，地毯圖案輪廓增強(qiáng)效果不明顯，依舊模糊不清，難以識(shí)別；②運(yùn)用本文方法增強(qiáng)后的圖像比原始圖像對比度增強(qiáng)，地毯圖案輪廓清晰可見，同時(shí)增強(qiáng)后的彩色圖像沒有出現(xiàn)顏色失真現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期增強(qiáng)效果。

為客觀評價(jià)增強(qiáng)圖像質(zhì)量，本文采用MSE(均方根誤差)、PSNR(峰值信噪比)和EBS[7](基于人眼視覺特性的彩色圖像質(zhì)量評價(jià))方法進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，評價(jià)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 原始圖像1評價(jià)結(jié)果

表2 原始圖像2評價(jià)結(jié)果

表1、表2中的數(shù)據(jù)表明，本文方法得到的增強(qiáng)圖像均方根誤差較小，峰值信噪比值高，失真度小，說明本文的圖像增強(qiáng)方法具有良好的增強(qiáng)效果。本文提出了一種簡單、高效的RGB彩色圖像增強(qiáng)方法，該方法對文中的兩幅模糊地毯RGB彩色圖像增強(qiáng)效果顯著，但并不意味著該方法適用于所有RGB彩色圖像增強(qiáng)。從本質(zhì)上說，圖像增強(qiáng)沒有通用的方法和標(biāo)準(zhǔn)，特別是對于RGB彩色圖像還缺乏非常理想的增強(qiáng)方法。對于彩色圖像質(zhì)量評價(jià)不能完全依賴MSE、PSNR等評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還要結(jié)合使用者的主觀判定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控地毯樣品織機(jī)的選紗系統(tǒng)針對阿克明斯特地毯生產(chǎn)工藝，結(jié)合數(shù)控機(jī)床技術(shù)、傳感技術(shù)等，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制方面進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和研究。結(jié)果證明，本選紗系統(tǒng)準(zhǔn)確高效，故障率低，滿足了數(shù)控化設(shè)備的性能要求以及生產(chǎn)需求。此外，確定了基于HSI色彩空間模糊地毯RGB彩色圖像增強(qiáng)的方法。

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Research on Yarn Selection System of NC Carpet Sample Machine and Image Processing

ZhaoShuai,LiangKe,BiYaxuan

(Hebi Automotive Engineering Professional College, Hebi 458030，China)

A new kind of yarn selection system for NC carpet sampling machine was presented in the paper. PC system software was developed based on Visual Basic 6.0 to read and convert carpet pattern data. The programming algorithm and image color enhancement were achieved with the help of Matlab tools.

NC carpet sampling machine; yarn selection system; VB 6.0; image color enhancement

2015-03-18

趙 帥(1987—)，男，河南鶴壁人，助教。

TP271.4

A

1009-3028(2015)04-0024-04