蔡曉霞 吳玲玲 梁海鋒 陳 靖

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710021）

棉花是重要的農(nóng)產(chǎn)品和紡織工業(yè)的主要原料，其質(zhì)量關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。棉花中一旦混入各類異纖，必將嚴(yán)重影響棉紡織品的質(zhì)量，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。異纖是指混入棉花中的非棉纖維和非本色棉纖維，比如毛發(fā)、麻繩、塑料薄膜、編織袋絲等［3-4］。異纖在棉花加工過程中容易被打碎成無數(shù)細(xì)小的纖維，難以進(jìn)行分揀和清除，這使得紡紗時(shí)易造成棉紗斷頭，織布時(shí)增加了斷經(jīng)、吊經(jīng)、經(jīng)縮等疵點(diǎn)的出現(xiàn)，染色時(shí)因不同纖維著色性能不同而形成各種色疵，嚴(yán)重影響棉紡織品的質(zhì)量，降低了企業(yè)的效益［5］。所以，高效且全面地將異纖從棉花中挑揀出來是當(dāng)下亟待解決的問題，其對(duì)于提高棉紡織品的質(zhì)量具有重要意義。

目前，多數(shù)棉紡織企業(yè)普遍采用人工挑揀方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，且挑揀的效果也不夠理想，容易產(chǎn)生漏檢與誤檢［6］。而一些現(xiàn)有異纖檢測(cè)設(shè)備主要在可見光和紫外光下檢測(cè)有色異纖，但白色或透明異纖檢測(cè)效果不好［7-9］。此外有些設(shè)備還結(jié)合了超聲波技術(shù)，可以檢測(cè)到部分白色或透明異纖，但對(duì)細(xì)小的異纖檢測(cè)效果不好。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，在近紅外波段可以對(duì)部分白色或透明異纖實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)效果［10-12］，此方法仍處在原理研究及驗(yàn)證階段，需要繼續(xù)進(jìn)行深入探索。

本研究選擇棉花中常見的12種異纖樣本作為主要研究對(duì)象，基于近紅外成像、圖像處理與分析方法，選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有處于近紅外波段的808 nm和905 nm的濾光片展開試驗(yàn)驗(yàn)證研究，在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長(zhǎng)下對(duì)棉花中異纖的檢測(cè)進(jìn)行研究，并對(duì)比分析不同波長(zhǎng)下異纖樣本的成像特點(diǎn)以及檢測(cè)結(jié)果。

1 棉花異纖圖像采集

1.1 成像系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和設(shè)備，按照如圖1所示的成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖2所示的成像系統(tǒng)，進(jìn)行近紅外成像異纖檢測(cè)的驗(yàn)證研究。整個(gè)系統(tǒng)主要由線陣CCD相機(jī)、鏡頭、光源、棉花移動(dòng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)等組成。

圖1 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

相機(jī)選用高速線陣CCD相機(jī)，像元數(shù)為2 048 pixel，最高行頻為65 kHz，波長(zhǎng)范圍為400 nm～1 000 nm；鏡頭選用焦距為50 mm尼康鏡頭，光源為L(zhǎng)ED燈。為了能夠采集到清晰的棉花和異纖圖像，在實(shí)驗(yàn)室搭建的成像系統(tǒng)工作距離440 mm，幅寬180 mm。

1.2 圖像獲取

在實(shí)驗(yàn)室采集圖像時(shí)，將充分開松的棉花鋪成厚度為5 mm左右的均勻棉層放置在棉花移動(dòng)平臺(tái)上。12種棉花中常見的異纖樣本如圖3所示。將異纖樣本裁剪成條狀或絲狀（長(zhǎng)度為20 mm左右，寬度不大于5 mm），隨機(jī)散落在棉層表面，以便采集混有異纖的棉花圖像。接著分別在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行圖像采集，做對(duì)比試驗(yàn)，由于異纖與棉花的材質(zhì)不同，具有不同的光譜特性，在圖像上表現(xiàn)為不同的灰度差異。在試驗(yàn)中，選擇濾光片型的分光技術(shù)，即在靠近線陣相機(jī)端分別安裝中心波長(zhǎng)為808 nm、905 nm的窄帶濾光片，從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)波長(zhǎng)下的圖像采集。

圖3 12種常見異纖樣本

在成像系統(tǒng)中采用線陣相機(jī)獲取圖像，線陣相機(jī)每次只能采集一行圖像，因此在對(duì)混有異纖的棉花進(jìn)行圖像采集時(shí)，需要通過移動(dòng)平臺(tái)讓異纖和棉花處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，才能掃描得到一幅二維圖像。二維圖像是由多次掃描得到的每行圖像按時(shí)間順序組合而成的。所采集到的圖像如圖4所示。

圖4 采集到的異纖和棉花圖像

7種白色或透明異纖在圖像上的第1排，從左到右依次是白紙、白色縫紉線、地膜、棉布條、泡沫塑料、塑料繩、白色編織袋絲；5種有色異纖在圖像上的第2排，從左到右依次是紫色編織袋絲、藍(lán)色編織袋絲、紅色縫紉線、棕色縫紉線、頭發(fā)。

2 棉花異纖圖像處理與分析

采用OpenCV圖像算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理與分析，最終實(shí)現(xiàn)異纖檢測(cè)。圖像處理與分析的流程如圖5所示。

將采集到的3幅圖像分別按照?qǐng)D5所示的流程圖進(jìn)行處理，在每一步的處理中依次采用中值濾波［13］和底帽變換實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理，采用最大類間方差法實(shí)現(xiàn)閾值分割［14-15］，采用Canny算子實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)，對(duì)得到的異纖邊緣進(jìn)行后續(xù)處理，從而獲得較為完整的異纖輪廓，接著確定異纖在圖像中的位置，并使用矩形框在原圖像上標(biāo)出。圖6～圖8分別是3幅圖像處理過程中的效果圖。

圖5 圖像處理與分析的流程圖

圖6 400 nm～1 000 nm波段下圖像處理過程中的效果圖

圖8 905 nm波長(zhǎng)下圖像處理過程中的效果圖

圖7 808 nm波長(zhǎng)下圖像處理過程中的效果圖

3 異纖檢測(cè)結(jié)果與灰度特性分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

從異纖目標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果來看，可以分為已檢測(cè)、未檢測(cè)和錯(cuò)誤檢測(cè)3種情況。其中已檢測(cè)是指能檢測(cè)到異纖長(zhǎng)度的10%及以上，未檢測(cè)是指檢測(cè)到異纖長(zhǎng)度的10%以下，錯(cuò)誤檢測(cè)是指將不是異纖的部分錯(cuò)認(rèn)為異纖。7種白色或透明異纖和5種有色異纖的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況見表1。其中，√表示已檢測(cè)，○表示未檢測(cè)，×表示錯(cuò)誤檢測(cè)。

表1 異纖檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 異纖在不同波長(zhǎng)下的灰度特性分析

對(duì)在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長(zhǎng)下采集的圖像進(jìn)行灰度特性分析。從采集的圖像來看，7種白色或透明異纖在圖像上的亮暗程度不一樣，它們中的大多數(shù)與背景的對(duì)比不明顯。而5種有色異纖在不同波長(zhǎng)成像時(shí)，它們與背景相比均較暗，與背景有明顯的對(duì)比。

圖9是經(jīng)計(jì)算得出的7種白色或透明異纖在不同波長(zhǎng)與背景的灰度差曲線。可以看出，波長(zhǎng)對(duì)灰度差的影響不大，其中地膜在不同波長(zhǎng)與背景均有較大差異，所以它在不同波長(zhǎng)均可以被較為完整地檢測(cè)出來。而其他異纖與背景有的差異大，有的差異小，所以出現(xiàn)了較多的異纖不能被檢測(cè)到，甚至還出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)的情況。綜合觀察曲線可以得出，白紙、白色縫紉線、棉布條、塑料繩、白色編織袋絲均在400 nm～1 000 nm波段下與背景差值最大，地膜和泡沫塑料在808 nm波長(zhǎng)下與背景差值最大。

圖9 7種白色或透明異纖在不同波長(zhǎng)下的灰度差曲線圖

圖10是經(jīng)計(jì)算得出的5種有色異纖在不同波長(zhǎng)與背景的灰度差曲線。可以看出，波長(zhǎng)對(duì)灰度差是有影響的，5種有色異纖均在400 nm～1 000 nm波段下與背景差值最大。在單波長(zhǎng)下，紫色編織袋絲、藍(lán)色編織袋絲、紅色縫紉線、棕色縫紉線均在905 nm波長(zhǎng)下與背景差值最大，而頭發(fā)在808 nm波長(zhǎng)下與背景差值最大。

圖10 5種有色異纖在不同波長(zhǎng)下的灰度差曲線圖

4 結(jié)語

本研究利用高速線陣相機(jī)，在400 nm～1 000 nm、808 nm、905 nm波長(zhǎng)下對(duì)棉花和12種異纖樣本進(jìn)行了掃描成像，采用OpenCV圖像算法進(jìn)行了處理，并分析了有色異纖和白色或透明異纖的檢測(cè)結(jié)果以及灰度特性。有色異纖在各波長(zhǎng)下與背景均有較為明顯的灰度差異，其中只有頭發(fā)在905 nm波長(zhǎng)下出現(xiàn)了未檢測(cè)情況，而其他有色異纖都可以被檢測(cè)出來。白色或透明異纖在各波長(zhǎng)下大多數(shù)與背景的灰度差異不明顯，出現(xiàn)了較多的未檢測(cè)情況，甚至還有錯(cuò)誤檢測(cè)。7種白色或透明異纖樣本在400 nm～1 000 nm波段檢測(cè)出5種，未檢測(cè)1種，錯(cuò)誤檢測(cè)1種；在808 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)出5種，未檢測(cè)2種，無錯(cuò)誤檢測(cè)；在905 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)出2種，未檢測(cè)5種，無錯(cuò)誤檢測(cè)。綜合來看，白色或透明異纖在808 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)效果是比較好的，能夠檢測(cè)出大部分異纖，并且沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)，這表明在近紅外波段檢測(cè)白色或透明異纖是切實(shí)可行的，且具有較好的檢測(cè)效果，為進(jìn)一步檢測(cè)此類異纖提供了依據(jù)。