許建梅 費(fèi)萬春 白倫

摘要： 生絲細(xì)度的動(dòng)態(tài)檢測是生絲電子檢測技術(shù)中的關(guān)鍵問題，也是個(gè)難點(diǎn)。文章運(yùn)用視頻圖像傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)檢測方法，對卷繞中的生絲細(xì)度序列進(jìn)行在線檢測試驗(yàn)，得到生絲細(xì)度序列的檢測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該檢測方法和系統(tǒng)的可行性。通過對檢測過程和結(jié)果進(jìn)行討論和分析，指出傳感器和檢測系統(tǒng)的不足之處，有利于檢測系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和提高。文章為繅絲過程中絲徑的在線測控，生絲清潔和凈度的電子檢測檢驗(yàn)等技術(shù)及裝置開發(fā)，提供了檢測的思路及其試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 生絲;細(xì)度序列;雙向檢測;動(dòng)態(tài)檢測;視頻圖像

中圖分類號(hào)： TS147

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2019）02-0008-05

引用頁碼： 021102

Abstract： Dynamic detection of raw silk fineness is a key ?and also a difficulty in electronic detection technology for raw silk. Online detection test was conducted on fineness sequence of winding raw silk with video image sensing technology and the method of computer dynamic detection in this study， test data on fineness sequence of raw silk was obtained， which verified the feasibility of the detection method and system. Based on discussion and analysis of the detection process and results， the deficiencies of the sensor detection system were identified， which made for further improvement of the detection system. This article provides ideas on detection and experimental results for on-line measurement and control of outer diameters of filaments in silk reeling process， and development of electronic detection technology and device for cleanness and neatness of raw silk.

Key words： raw silk; fineness sequence; bi-directional detection; dynamic detection; video image

生絲是由數(shù)根繭絲相互抱合并由絲膠粘合而成的。繭絲橫截面大致呈三角形，且繭絲成不規(guī)則的圓錐螺旋線排列，并以輕微的曲折狀態(tài)固著于生絲中，因此生絲的橫截面形狀可以看作近似橢圓形。有研究者對纖度為24.4dtex（22D）的生絲作400個(gè)以上切片，測量得到其截面長徑60～70μm，短徑40～50μm[1]。

生絲細(xì)度是描述生絲粗細(xì)程度的外形尺寸指標(biāo)，一般認(rèn)為，正確表示生絲的粗細(xì)應(yīng)該采用截面積（或者生絲外徑）。由于生絲的外徑很小，一般為50μm左右，而且生絲的截面形狀是不規(guī)則的，因此很難用傳統(tǒng)方法檢測其截面積，所以目前一般不采用直接指標(biāo)，而采用細(xì)度的間接指標(biāo)，比如纖度。所謂纖度，是指線密度，即以單位長度絲條的質(zhì)量克重來表示的絲條粗細(xì)指標(biāo)，常用單位有dtex和D兩種。在公定回潮率下，絲長10000m，絲質(zhì)量為1g時(shí)稱為1dtex，是法定計(jì)量單位。習(xí)慣上常用D，即絲長9000m，質(zhì)量為1g時(shí)稱為1D[2]。

如果設(shè)纖維或紗線密度為γ，截面積為S，則根據(jù)上述兩定義可知纖度與S·γ成正比?？梢?，如果密度不同的纖維或紗線具有相同的纖度，那么它們的截面積則是不同的。比如，同樣為30dtex的生絲和丙綸絲，其實(shí)際粗細(xì)（截面積）是不同的。由于繭絲受蠶品種、飼育季節(jié)及繭層部位的影響，其密度不盡相同，因而繅制出來的生絲密度也存在差異，導(dǎo)致相同纖度的生絲其截面積可能并不相同。還有，這種細(xì)度的間接指標(biāo)，難以進(jìn)行在線測量，難以及時(shí)指導(dǎo)生絲纖度的生產(chǎn)管理。

由于自動(dòng)繅絲機(jī)上常用的是定纖感知器，繅絲時(shí)按照一定絲條外徑進(jìn)行生絲粗細(xì)調(diào)控[3]，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用的是纖度指標(biāo)，故可能會(huì)使得自動(dòng)繅的生絲公量纖度難以控制，特別是在更換莊口時(shí)，這個(gè)問題會(huì)比較突出。

對于生絲細(xì)度的動(dòng)態(tài)檢測，國內(nèi)外都有過探索研究。周穎[4]分析了國際生絲電子檢測的沿革和世界絲綢業(yè)具有代表性的生絲電子檢測技術(shù)路線，提出了以生絲電子檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的ISO生絲檢驗(yàn)方法;陳慶官等[5]用光電傳感技術(shù)和分叉光纖等技術(shù)，研制了SD-I型細(xì)度儀，對繅制中的生絲進(jìn)行了檢測探索;崔曉麗[6]用計(jì)算機(jī)對生絲細(xì)度動(dòng)態(tài)檢測進(jìn)行了探索;劉鳳嬌等[7]根據(jù)線陣CCD檢測生絲細(xì)度問題，對光學(xué)成像系統(tǒng)的光源和成像部分完成了設(shè)計(jì);陶婷婷[8]對生絲細(xì)度序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測后，對繅絲工藝中的細(xì)限點(diǎn)進(jìn)行分析和檢出;日本專家森川英明等[9]運(yùn)用光電傳感的測量系統(tǒng)，對生絲的外徑進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)。然而某些電子檢測方法，是通過生絲的遮光量來進(jìn)行檢測的[6，9]，生絲越粗遮光越多，從而通過光電傳感器感知生絲的粗細(xì)及其變化。雖然取得了某些進(jìn)展，由于受到蠶品種和產(chǎn)地等方面的影響，生絲的透明度可能并不一致，用光電傳感原理，通過檢測遮光量，得到的不同莊口蠶繭的生絲細(xì)度，有可能缺乏嚴(yán)格的對應(yīng)和比較關(guān)系。另外，目前生絲行業(yè)使用的生絲電子檢測儀雖然精密度較高，但是傳感器大多是國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，不是一般生絲生產(chǎn)企業(yè)所能承受的。

基于目前生絲電子檢測技術(shù)中存在的問題，為了獲得更準(zhǔn)確可行的檢測方法，本研究借助視頻和圖像處理技術(shù)方法進(jìn)行了探索。視頻技術(shù)一般是指對連續(xù)的圖像序列，即前后相互關(guān)聯(lián)的多幀圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理的技術(shù);而圖像技術(shù)更多指對靜態(tài)的，或是一幀圖片進(jìn)行處理的技術(shù)。采用視頻技術(shù)，通過調(diào)整每秒幀數(shù)、絲條運(yùn)動(dòng)速度，以及每幀圖像中絲條影像長度則可以達(dá)到連續(xù)測量的目的。本研究旨在運(yùn)用計(jì)算機(jī)視頻采集和處理技術(shù)，探索對卷繞中的生絲外徑進(jìn)行視頻檢測，進(jìn)而測算出生絲的截面積序列。

1?檢測方法

1.1?基本假設(shè)及其分析

假設(shè)生絲細(xì)度，在較短（<1cm）絲段范圍內(nèi)基本不變，相鄰絲段大致相同，其截面形狀近似為橢圓，在互相垂直的方向檢測其兩個(gè)外徑2a和2b，于是可以得到其截面積為πab。事實(shí)上，生絲截面形狀是不太規(guī)則的。

假設(shè)卷繞中的生絲視頻就是該段生絲的前后關(guān)聯(lián)的圖像。事實(shí)上，動(dòng)態(tài)視頻與靜態(tài)圖像（照片）之間會(huì)有一些差異，尤其是生絲卷繞速度較快的時(shí)候。

假設(shè)生絲粗細(xì)與成像大小，在一定的范圍內(nèi)近似為線性正比關(guān)系，即生絲越粗，其生絲的成像面積越大。由于（卷繞中的）22.2/24.4dtex（20/22D）規(guī)格的生絲絲徑（直徑）為40μm左右，其絲徑變化大約在30μm～50μm。在其動(dòng)態(tài)的成像面積過程中，細(xì)絲（截面形狀不規(guī)則）的光學(xué)衍射現(xiàn)象會(huì)影響其成像的邊緣，進(jìn)而輕微影響其成像面積的大小，從而造成生絲粗細(xì)與成像大小之間可能存在一定的非線性關(guān)系。

1.2?裝置和方法

自制視頻檢測裝置。裝置內(nèi)互相垂直的方向，即在待測生絲兩側(cè)固定好標(biāo)準(zhǔn)圓形細(xì)絲和粗絲，安裝兩個(gè)視頻攝像頭，用于拍攝相同的細(xì)絲、生絲和粗絲;兩個(gè)視頻攝像頭通過USB接口連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)程序控制攝像頭的視頻采樣等操作。

對細(xì)絲、被測生絲和粗絲，在兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行拍攝后，進(jìn)行圖像處理，獲得與生絲外徑大小對應(yīng)的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，影像為絲條圖像經(jīng)二值化處理后結(jié)果，其中出現(xiàn)縱向錯(cuò)位是為了提高檢測精度[10]。因?yàn)榧?xì)絲和粗絲是預(yù)先選好的已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)圓形絲，所以，根據(jù)各白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，通過插值公式可以推算出所測該段生絲的平均外徑2a和2b，于是可以得到其截面積為πab。

1.3?檢測系統(tǒng)簡介

卷繞機(jī)構(gòu)使被測生絲的卷繞速度約為8m/min。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須有兩個(gè)以上的USB接口，用于連接兩個(gè)攝像頭組件。采用MATLAB應(yīng)用環(huán)境及其編程語言。

攝像頭組件選用的是KS2A17，采用CMOS圖像傳感器。像素尺寸是3.0μm×3.0μm，由于需要用鏡頭對被測物進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)，所以，每個(gè)像素對應(yīng)的實(shí)際被測物尺寸大約是67μm。分辨率1280pixel×720pixel時(shí)，每秒最多可達(dá)60幀，本檢測系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，因?yàn)橐M(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像處理，所以實(shí)際檢測運(yùn)行時(shí)采樣頻率約為10幀/s。

每幀圖像對應(yīng)實(shí)物選取高度（對應(yīng)被測絲長）約為8mm，相鄰兩次被測絲段之間，約有4～5mm絲段跳空未被檢測。如果需要對所有絲段進(jìn)行不間斷連續(xù)檢測，可以通過加快采樣頻率或者增加每幀圖像選取高度來實(shí)現(xiàn)。

每次視頻采樣后，計(jì)算機(jī)對視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到與生絲外徑相應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)等信息。檢測結(jié)束，系統(tǒng)給出生絲細(xì)度及其移動(dòng)平均的序列圖，得到最大最小絲徑對應(yīng)的絲段圖像，以及平均值和標(biāo)準(zhǔn)差S。

2?試?驗(yàn)

2.1?檢測條件

每次檢測試驗(yàn)前，系統(tǒng)須預(yù)熱約1h，以減少攝像頭組件圖像傳感器件存在的漂移帶來的影響。生絲卷繞速度約為8m/min，一次試驗(yàn)檢測卷繞中的生絲30min，其檢測的絲長約為240m。

檢測試驗(yàn)用的樣絲是浸泡生絲，即經(jīng)過浸泡后烘干的生絲，規(guī)格是22.2/24.4dtex，等級(jí)是5A。

2.2?檢測結(jié)果及其分析

檢測試驗(yàn)的結(jié)果。上面兩個(gè)序列是相互垂直方向的兩個(gè)生絲外徑序列圖;下面是根據(jù)橢圓面積公式計(jì)算得到的截面積序列圖，藍(lán)色線表示實(shí)測值，紅色的表示相鄰若干檢測點(diǎn)的平均值，中間的黃線表示整體平均值，黃線上下的兩根黑色虛線表示±0.01，兩根黑色點(diǎn)劃線表示±S。

生絲外徑序列圖可以得出，所測生絲的平均絲外徑約為41μm，比許多以前資料上給出的不加張力的外徑（約55μm）[1]細(xì)一些。造成這一差異的原因，可能與生絲的含水率有一定的關(guān)系。另外，在顯微鏡下觀察生絲外徑時(shí)，生絲試樣在蓋玻片下受壓，觀察得到的生絲外徑常偏粗，以及卷繞中的生絲，由于受張力的牽引拉伸，所測得的生絲外徑自然會(huì)比未受張力牽引的生絲偏小。

根據(jù)截面積序列圖可以得出，采用截面積指標(biāo)，比單獨(dú)采用生絲單一外徑來分析生絲細(xì)度序列更加清晰。在檢測絲長20、70、120m和205m附近，各有一個(gè)添緒過程，其中120m附近的添緒，有可能是因?yàn)橹型韭渚w引起的。

在檢測系統(tǒng)的軟件運(yùn)行時(shí)，還對最粗最細(xì)絲的位置和圖像進(jìn)行了鑒別和保存，某最粗絲段的圖像，保存這類絲段的圖像，可能有利于分析和識(shí)別生絲的粗細(xì)節(jié)、糙疵等疵點(diǎn)。

3?討?論

3.1?生絲外徑視頻檢測相對誤差的估算

如果檢測試驗(yàn)滿足生絲縱向與縱軸有一定的微小角度，那么，窗高120個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)8mm，每個(gè)像素對應(yīng)的實(shí)際尺寸8000/120≈67μm;如果生絲粗細(xì)變化引起視頻圖像有一個(gè)像素點(diǎn)差異，則造成的絲徑差異δ=67/120≈0.56μm，假設(shè)生絲外徑D≈41μm，則相對誤差δ/D<1.4%[10]。以上是估算，實(shí)際運(yùn)行情況下，其相對誤差可能會(huì)有一些出入。

3.2?影響檢測精確度的因素

1）視頻探頭中的圖像傳感元件的漂移現(xiàn)象，為了減少漂移所帶來的影響，檢測試驗(yàn)前，不得不對系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間（1h）的預(yù)熱。因?yàn)槌上窈?，都是?shù)字信號(hào)的處理和分析過程，所以不會(huì)再產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。期待著能有（預(yù)熱時(shí)間短的）快速穩(wěn)定的攝像頭。2）視頻圖像的閃爍現(xiàn)象，仔細(xì)觀察視頻會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使所測生絲靜止不動(dòng)，所測生絲視頻的邊緣也存在微弱的閃爍現(xiàn)象。

3.3?檢測速度

檢測速度主要依賴于傳感器和計(jì)算機(jī)。本研究只是用視頻圖像方法進(jìn)行了生絲外徑動(dòng)態(tài)檢測的探索試驗(yàn)，并沒有選用性能指標(biāo)最好的攝像頭組件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也沒有采用所用攝像頭的最快采樣頻率;計(jì)算機(jī)也不是專用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用了解釋型編程語言MATLAB，處理速度也不夠快，因此還有較大提升空間。目前檢測生絲卷繞速度（8m/min）比較慢，離生絲檢驗(yàn)的要求（400m/min）差距較大。期待著能有更高速更穩(wěn)定清晰的視頻探頭問世并市場化。

3.4?應(yīng)用方向

1）生絲生產(chǎn)：經(jīng)過一定的改善措施，期待將來可以用于繅絲機(jī)各緒之間絲徑的在線檢測，獲得實(shí)時(shí)的各緒生絲外徑后，可以分析生絲的細(xì)限外徑（纖度）值，可以對定纖感知器及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少生絲纖度的緒間偏差。2）生絲檢驗(yàn)：需要等待攝像頭的采樣速度和圖像質(zhì)量等有了大幅度改善之后，希望能對生絲視頻圖像進(jìn)行粗細(xì)節(jié)、糙疵等疵點(diǎn)識(shí)別檢驗(yàn)。

4?結(jié)?語

運(yùn)用視頻圖像傳感、圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)檢測生絲外徑的方法，自制了檢測裝置，編制了計(jì)算機(jī)程序，并進(jìn)行了探索試驗(yàn)，得到了生絲細(xì)度序列的檢測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該檢測方法的可行性。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、檢測準(zhǔn)確、成本低廉，為中國生絲電子檢測設(shè)備自主化知識(shí)產(chǎn)權(quán)道路的探索提供了一種思路。如果對攝像頭組件及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能升級(jí)，該系統(tǒng)對于繅絲過程中各緒之間絲徑的在線測控，生絲疵點(diǎn)條干的電子檢測檢驗(yàn)等方面，都具有一定的技術(shù)可行性與應(yīng)用前景。

本研究中所采用的攝像頭圖像傳感器，還存在較嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象及圖像邊緣的閃爍現(xiàn)象，攝像的采樣頻率有待于提高，檢測系統(tǒng)的處理速度也需提高。此外，檢測裝置開始正常工作之前還需要較長的預(yù)熱時(shí)間。這些問題的存在，表明纖細(xì)軟材料的實(shí)用動(dòng)態(tài)檢測目前依然是一項(xiàng)高難度的工作。

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