（纺织化学与染整工程专业论文）毛绒类纤维识别模式及组合的分析与评价.pdf

毛绒类纤维识别模式及组合的分析与评价 摘要 本论文的研究是山羊绒及羊毛、绵羊绒等毛绒类纤维已采集的图像，从纤维鳞片厚 度角度出发对识别模式进行分析研究，以更好的提取毛绒类纤维的识别特征。 在试验过程中主要研究了如下几个问题： ( 1 ) 从毛绒类纤维鳞片厚度角度对三种不同识别模式即纤维鳞片投影宽度、鳞片 直角厚度和鳞片直径差的研究 ( 2 ) 统计分析不同识别模式下纤维鳞片厚度的分布情况及其规律 ( 3 ) 单一识别模式判别和组合判别对毛绒类纤维判别的研究分析 试验结果表明： ( 1 ) 毛绒类纤维鳞片厚度的分布属于正态分布。 ( 2 ) 纤维鳞片投影宽度、鳞片直角厚度和鳞片直径差三种识别模式对羊绒和羊毛分 布的覆盖区间估算完整率分别为o 、9 3 7 和6 2 9 ，从分布上来讲，说明从鳞片 厚度角度建立的识别模式中纤维鳞片直角厚度是最有效的。 ( 3 ) 在识别参数的组合判别中，纤维鳞片直角厚度与径高比、径轴参数三者两两组 合对羊绒和羊毛进行识别，羊绒和羊毛总误判率维持在2 以下；三者共同组合， 羊绒和羊毛总误判率均低于1 ；对于拉伸羊毛和绵羊绒的总误判率均低于5 。 关键词：山羊绒；计量学；图像识别技术；鳞片厚度；特征提取；正态分布 a n a l y s i sa n d e v a l u a t i o no nt h ei d e n t i f i c a t i o n m o d ea n dc o m b i n a t i o no ft h ea n i m a lf i b e r s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，r e s u l t so fa ni n v e s t i g a t i o no nt h ei m a g eo ft h ea n i m a lf i b e r si n c l u d i n g c a s h m e r ew o o l ，g e n e r a lw o o la n dt r u ew 0 0 1 s t u d y e da n da n a l y z e dt h ei d e n t i f i c a t i o nm o d ea t t h ep o i n to fs c a l et h i c k n e s s ，i no r d e rt or e s e a r c ht h ei d e n t i f i c a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fa n i m a l f i b e r sb e t t e r t h e w o r kb e e nd o n ec a nb el i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) s t u d yo nt h et h r e ed i f f e r e n ti d e n t i f i c a t i o nm o d e sa st h ef i b e rs c a l ep r o j e c t i o nw i d t h ， t h es c a l er i g h ta n g l ea n dt h ed i a m e t e rs u b t r a c t i o nf r o mt h ep o i n to ff i b e rs c a l et h i c k n e s s ( 2 ) a n a l y z i n gs c a l et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o n a lr e g u l a r i t yo ft h et h r e ed i f f e r e n t i d e n t i f i c a t i o nm o d e s ( 3 ) t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so na n i m a lf i b e r sd i s c r i m i n a n t i o no fs i n g l ei d e n t i f i c a t i o n m o d ea n di t sc o m b i n a t i o n a n dh e r ea r et h ec o n c l u s i o n s ( 1 ) t h e1 5 r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no ft h ea n i m a lf i b e r ss c a l et h i c k n e s sb e l o n g st ot h en o r m a l d i s t r i b u t i o n ( 2 ) c o m p a r e dw i t ht h et h r e ed i f f e r e n ti d e n t i f i c a t i o nm o d e sl i k et h ef i b e rs c a l ep r o j e c t i o n w i d t h ，t h es c a l ef i g h ta n g l et h i c k n e s sa n dt h ed i a m e t e rs u b t r a c t i o n ，t h ee s t i m a t i o no ft h e d i s t r i b u t i o nc o v e r e dr a n g et oc a s h m e r ew o o la n dw o o la r e0 、9 3 7 a n d6 2 9 ，f o rt h i s r e a s o n ，t h es c a l er i g h ta n g l et h i c k n e s si st h em o s te f f e c t i v e ( 3 ) i nt h ed i s c r i m i n a t i o no ft h ei d e n t i f i c a t i o np a r a m e t e r s c o m b i n a t i o na st h es c a l er i g h t a n g l et h i c k n e s s ，d i a m e t e r - h e i g h tr a t i oa n dl e n g t h w a y s r a d i a lp a r a m e t e r , u s i n go n eo ft h e m c o m b i n ew i t ht h eo t h e rt w or e s p e c t i v e l yt oi d e n t i f yc a s h m e r ew o o la n dg e n e r a lw o o l ，t h e g e n e r a ld i s c r i m i n a n te r r o rr a t eo ft h ec a s h m e r ew o o la n dg e n e r a lw o o li sb e l o w2 u s i n gt h e c o m b i n a t i o no ft h et h r e ep a r a m e t e r st oi d e n t i f yc a s h m e r ew o o la n dg e n e r a lw o o l ，t h eg e n e r a l d i s c r i m i n a n te r r o rr a t eo ft h ec a s h m e r ew o o la n dg e n e r a lw o o li sb e l o w1 ，w h i l et h a to ft h e 2 s t r e t c hw o o la n dt r u ew o o li sb e l o w5 k e yw o r d s ：c a s h m e r ew o o l ；m e t r o l o g y ；i m a g er e c o g n i z i n gt e c h n i q u e s ：s c a l et h i c k n e s s ； f e a t u r ee x t r a c t i o n ：n o r m a ld i s t r i b u t i o n 3 原创性声明 本文郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蔼l j 艇l j 殷 日期：2 嬲年2 月f 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可 以将学位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：蔼川覆印j 记 日期：力哆年j 2 月jj 日 导师签名： 王相华日期：硎年f 2 月f 日 北京服装学院硕士学位论文 1 l - 一 日f j 吾 山羊绒素有“软黄金之称，被誉为“纤维之王”，其羊绒制品具有的极高品质和舒 适服用性能受到人们的喜爱，价值远远高于其它的毛绒类纤维。基于羊绒纤维自身的优 点和产量稀少、价格昂贵，生产者为了降低成本，从而导致了掺杂使假的现象。因此， 基于羊绒自身的特点及在鉴别检测过程中的不确定性，有效评价和准确鉴别羊绒已成为当 务之急。 由于山羊绒和其它毛绒类纤维同属于蛋白质动物纤维，化学性质差异不大，迄今为 止未发现有效的化学或物理学的检测方法。目前迅速发展的计算机图像分析法是采用计 算机对显微镜下的纤维图像进行分析识别的方法，它利用计算机的识别技术，对纤维表 面固有形态结构特征进行分析提取，从而达到对纤维进行鉴别的目的。计算机图像法能 全面反映毛绒类纤维的鳞片结构特征，并能加以客观判断，是一种较为理想的检测方法。 但在提高速度、精准性上有许多基础工作要做，因而合理准确地分析研究羊绒具有的独特 性，来提高鉴别就显得十分重要。 本课题的最终目标是建立一套毛绒类纤维的自动分析识别系统，摆脱现行纤维检测 中人工识别的主观干扰，实现纤维的快速、高效、准确地识别。目前还处于研究阶段， 也是我们的研究方向，研究主要是以动物纤维生物遗传特性在其形态结构上的不同为根 据对羊绒与其他特种动物纤维进行鉴别。我校的往届研究生通过研究得到毛绒类纤维形 态特征上的识别参数，主要有纤维的直径、径高比、径轴参数、鳞片可见高度，对参数 统计分析得出不同种类纤维的形态结构之间的差异，用统计学方法建立符合要求的识别 指标。 本论文研究的内容是在前述工作基础上，从纤维鳞片厚度的角度，运用三种不同识 别模式，即鳞片投影宽度、鳞片直角厚度和鳞片直径差，进行大量的测量，获取数据， 提取纤维鳞片厚度特征值，验证其分布规律，并对三种模式下所得的结果进行统计比较， 判别分析，检验所选用模式的有效性，对三种模式所得纤维鳞片厚度和其它指标的判别 率进行比较并作分析评价。数据证实，鳞片直角厚度单一模式对羊绒和羊毛识别的误判 率均小于5 。 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 纺织材料学对毛绒类纤维的研究 1 1 1 纺织材料学概述 纺织工业在现代化建设中发挥着重要作用，是国民经济的重要部门之一，它是人民 生活必需品的生产部门，还为工业和其他行业的生产提供重要原材料。纺织工业所用的 纤维原料及其加工制造的半成品、制品统称为纺织纤维材料，简称纺织材料。“纺织材料 学 是研究纺织纤维、纱线、织物及其半成品的结构、性能，结构与性能的关系，及其与纺 织加工工艺的关系等方面知识、规律和技能的- - i - 科学【1 1 。包括了天然纺织纤维分类及 其特征，各类纤维的结构及其间的鉴别。纤维的形态参数、物理机械性质、化学性质及其 表达指标、测试原理和方法，纤维结构与性能之间的关系与影响规律，各种性能在纺织工 艺加工中的表现及对生活、工业、国防应用的影响与规律等。纺织材料学就是纤维及其 纤维集合体的结构、性能及其间相互关系的学问，其包括认知、表征和发展。“形”是物质 或对象的直接表达，包括形状和行为。表达还可以借助专门手段来实现，称为测量，是实际 的、直接的表达。纺织材料的表征就是表达纤维及纤维集合体的结构、性质及结构与性 质的相互关系的特征【刁。它是认识和知识发展的基础，解决知识的发现、表达、验证、 确认和升华，以及对应的方法和技术。纺织材料学对纺织材料的结构、性能及其间相互 关系作出如实、正确的解释，以此为发现与制造可持续、环境友好、能满足人类需求的纺 织材料提供改进、提高和设计的基本依据。 1 1 2 毛绒类纤维的形态结构和品质特征 1 1 2 1 毛绒类纤维的形态结构 毛绒类纤维是细而长的物体，从截面分布划分为二或三个层次，即外表面的鳞片层， 内部的皮质层和中心的髓质层【3 1 。鳞片、皮质和毛髓，是由不同种类的细胞形成的，羊毛 和羊绒的基本组成为角蛋白质，都是由许多细胞聚积而成的。细的毛绒类纤维一般只有鳞 片层和皮质层，没有髓质层( 个别品种如羊驼毛很细，但也有髓质层) 。粗的毛绒纤维一 般三层均具备。羊绒绒毛纤维由鳞片层和皮质层组成，没有毛髓，绒毛表面主要是环形 鳞片，每个鳞片的上缘包围着下一个鳞片的下缘，鳞片呈近似方形，鳞片上缘紧贴于毛 干，翘角较小，边缘棱脊较薄，鳞片表面平而光滑，辉纹不明显，鳞片暴露部分大，鳞 片密度小。皮质层是纤维的主体，它是由细而长的纺锤体角质细胞顺着绒毛纤维纵轴紧 密排列而成，纤维的各种性能主要取决于皮质层。山羊绒是由很薄的鳞片层和发达的皮 2 北京服装学院硕士学位论文 质层构成，由于羊绒的皮质细胞大多呈双侧分布，正、偏皮质细胞各居细胞的一侧，因 而羊绒有卷曲，但又没有细羊毛的卷曲那样多，那样规则【4 1 。现以羊毛为例作简要说明， 形态结构如下图： 图1 羊毛的形态结构 鳞片层由片状角质细胞组成，是羊毛纤维的外壳。鳞片如鱼鳞或瓦状相互重叠覆盖， 在毛干的最外围形成的圆筒形薄膜，其厚度约为o 3 2 o t m ，其根部附着于毛干，而梢 部则伸出毛干表面，并指向毛尖。鳞片本身分三层，最外一层称表角质层，中间层称中 角质层，靠近皮质层称内角质层。 皮质层在鳞片层里面，是羊毛的主体，也是决定羊毛物理、机械和化学性能的主要 部分。皮质层细胞是枣核形厚壁细胞，由角质蛋白构成，在毛干内部呈细长而伸直的纺 锤形，每个纺锤形细胞间，以细胞间质相互紧密结合在一起，沿着毛干的中心纵轴并围 绕着髓质层紧密排列而成。皮质层又分为正、副皮质层。正皮质层是由巨原纤堆砌而成， 副皮质层细胞是直接由微原纤堆砌而成【l l o 正、副皮质细胞的含量( 占截面积的大小) 和分 布，随动物的品种真毛、绒毛的不同而异。 髓质层是动物真毛纤维的中心部分，是由不规则形薄壁空心细胞所组成。细胞内有 很多气孔，气孔壁是由疏密不等的角质细胞所构成，从横截面看髓质层呈网状。髓质层 占横截面积的多少，依据动物品种和个体所决定。由于髓质层中保留有较多的不流动空 气，因此该层厚度越大的动物真毛纤维保暖性越强。 1 1 2 2 毛绒纤维的品质特征 国内外在羊绒与其他毛绒类纤维理化性能研究方面已做了不少工作，汇总结果如下： 1 毛绒纤维的细度 毛绒纤维的截面基本上接近于圆形或椭圆形，所以一般表达细度常用直径作为基本 3 第1 章文献综述 指标。纤维细度是决定纤维品质和使用价值最重要的物理性质指标之一，尤其是羊毛纤维 的细度，在各种物理特性中占首要地位。在相同长度情况下，纤维愈细而均匀，纺纱性 能越好，制品有滑糯、柔软、细腻的手感。在我国山羊绒主要指直径在2 5 , u r n 以下的细 绒毛，平均细度为1 3 - - 1 7 o , u m ，变异系数为1 8 - - 2 0 ，超过2 5 比m 的不属羊绒。山羊 绒、牦牛绒、驼绒和兔毛细度见表1 。 表1 几种动物毛纤维的细度嘲 2 毛绒纤维的长度 毛绒纤维一般自然脱毛及人工剪毛后呈毛丛形态，毛丛中纤维具有自然卷曲，其长 度比伸直后的长度短。纤维伸直后测量的长度称之为伸直长度，也即一般所指的纤维长 度。各种纤维在自然伸展状态有不同程度的弯曲或卷缩，投影长度为自然长度。纤维长 度对纺纱性能的影响仅次于细度，是评价等级和决定纺纱系统的重要依据【2 】。 3 毛绒纤维的卷曲度 毛绒纤维单位长度上的卷曲数称为卷曲度，各种纤维有很大差别。细绵羊毛的卷曲 度与纤维细度有密切关系，纤维越细，卷曲度越大，即卷曲越密。纤维的卷曲对纺织工 艺、成纱质量以及织物的服用性能也有较大影响。绒类纤维的多数由于卷曲数、卷曲率、 卷曲弹性回复率和卷曲回复率均较大，宜于加工为手感丰满、柔软、弹性好的粗纺织物和 针织品。细羊毛多呈正常卷曲，卷曲波的形态接近半圆形，卷曲数一般为4 6 + c m 。羊绒 的卷曲形态不甚规则，卷曲数( 毛绒纤维单位长度的卷曲数称为卷曲度) 比细羊毛少，在较细 的绒毛上，被1 2 个环形鳞片所围绕。山羊绒与牦牛绒、驼绒的卷曲相近，兔毛卷曲最 少，细羊毛卷曲最多。这几种动物毛纤维的卷曲度，如表2 。 表2 几种动物毛纤维的卷曲度嘲 4 北京服装学院硕士学位论文 1 1 3 毛绒类纤维纺织材料学检验测试方法 在纺织检验中，纤维长度、细度、卷曲等都是纤维的常规检验项目，同时纤维热收缩 和力学、光学、电学、热学性质测试也是科学研究的主要内容。 1 1 3 1 纤维长度测量 纤维长度的检验方法有手扯目测和仪器检验两种。手扯目测法检验速度快，测量简单， 而仪器检验测量结果客观，指标较齐全。纤维长度指标分集中性指标和离散性指标。集中性 指标表示纤维长度的平均性质，离散性指标表示纤维不匀情况。纤维长度测量有单根纤维长 度测量、梳片式长度测量、光电式长度测量、电容式长度测量等。加工后的羊毛的长度一般 在6 0 - - 1 2 0 m m ，半细毛在7 0 1 8 0 m m 。羊绒纤维的长度比羊毛短得多，一般在3 0 - - 4 0 m m ( f * 直 长度) 。 1 1 3 2 纤维细度测试 毛绒纤维的截面基本上接近于圆形或椭圆形，所以，一般表达细度常用直径作为基 本指标。纤维细度的测试方法通常分为直接法和间接法两种，直接法有显微投影测量法、 激光细度测试法、微机图像自动测量法等。间接法有中段切断称重法、气流仪法、振动 法等。其中，毛绒类纤维直径投影测量的方法有显微测量法和楔尺测量法。纤维的不同 的直径测量方法测得的直径数据之间存在一定的差别，所各直径测量方法测得的直径数 据没有直接可比性，在对纤维的直径进行比较时，应该用同一种方法来测量纤维的直径， 或者根据试验数据制定出换算系数表。传统的测量纤维直径的方法是利用光学显微镜进 行手工测量，目前国内采用g b t 1 0 6 8 5 1 9 8 9 羊毛纤维直径试验方法一投影显微镜法 规定的检验方法。自从8 0 年代开始将图象处理技术应用于羊毛直径的测量以来，获得了 较大的成功，随着信息技术与图像处理技术的发展，新的图像测试系统不断的涌现，图 像法具有快速、直观、灵活性大、精度高、可再现性好的优点，它必将成为羊毛直径测 量方法的发展方向。 1 1 3 3 纤维卷曲性能测试 毛绒纤维具有的自然卷曲是由于内部结构中的正、偏皮质细胞呈双边结构或偏皮芯 结构或不均匀的混杂结构所致，卷曲形态差异较大，规律性不明显。纤维的卷曲有多种 测量方法及对应的表达指标【6 1 。纤维卷曲通常可用两类指标表示，即反映卷曲程度的卷 曲数、卷曲率以及反映卷曲牢度的卷曲弹性回复率和卷曲回复率。纤维卷曲的检验方法 有：放大镜法，这是检验卷曲弹性最简单的一种方法，是用放大镜直接观测纤维在不 同的负荷下长度变化的情况；投影法，通过光电和透镜的放大系统，将纤维的影像投 5 第1 章文献综述 影在屏幕上，能更清楚地观察纤维卷曲的情况，更精确地测量纤维受负荷后的尺寸变化； 卷曲弹性仪1 7 1 。 羊绒与毛绒类纤维的理化性能存在着各种差别，这些异同对于我们了解认识这些纤维 有着重要意义，但直接用于这些纤维的鉴别尚有很大的距离。 1 2 计算机图像学对毛绒类纤维识别的研究 1 2 1 计算机图像学概述 计算机图像处理技术是一门新兴学科，随着世界科学技术特别是计算机技术的发展， 计算机图像处理技术已广泛应用于信息处理、工程技术和测量技术等领域l l j 。它自2 0 世 纪6 0 年代初形成，经历了萌芽期( 2 0 世纪6 0 年代) 、发展期( 2 0 世纪7 0 年代) 、普及期( 2 0 世纪8 0 年代) 、提高增强期( 2 0 世纪9 0 年代以后) ，已发展成为_ l , - j 以图形硬件设备、图 形专用算法、图形软件系统为研究内容的综合学科。近几十年来，随着计算机技术的发 展，图形图像技术取得了长足的进步。硬件设备、专用算法、软件系统的发展使得计算 机图形图像技术的研究内容逐渐深入，研究方法也呈现出多样化。与此同时，计算机图 形学软件与硬件的发展是相互促进、相辅相成的，而且它与其他学科之间的联系也日益 广泛，作为一种有效的帮助手段，计算机图形图像技术己逐步渗入到其他学科的研究工 作中，应用领域越来越广泛，已经渗透到工业、医疗保健、航空航天、军事等各个领域， 在国民经济中发挥越来越大的作用1 8 母】。 图像技术近年来受到人们广泛的关注，它包括图像的采集获取，图像编码存储和传 输，图像的产生、显示与变换，图像的分割，图像的特征提取与测量，图像数据库的建 立、索引和抽取，图像的分类、表示和识别，图像的模型匹配，图像的质量评价，图像 的解释与理解等。对于图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用 需求的行为。图像处理的手段分为光学方法和数字方法，前者已有很长的发展历史，从 简单的光学滤波到现在的激光全息技术，光学处理理沦已经日趋完善，而且处理速度快， 信息容量大，分辨率高，又比较经济。但是光学处理图像精度不够高，稳定性差，操作 不便。随着计算机技术的发展和图形显示技术领域的扩大和深入，随着各相关学科的交 叉促进，将不断给计算机图形学提出新的课题，推动图形学的进一步发展。计算机图像 学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图像的学科，计算机图像处理就是将图像信号 转换成数字格式，并利用计算机对其进行处理的过程，其内容十分丰富，包括数字图像变形 技术、图像的傅立叶分析技术、图像分割、边缘提取、形状描述、形态学分析、图像压 缩编码、彩色图像处理等【l o l 。 6 北京服装学院硕士学位论文 计算机图像处理技术自2 0 世纪8 0 年代后期进入纺织测试领域以来，一直在扩展其应 用领域，从原料、半制品到成品的检验，从机织物、针织物到非织造布的检验，以及模拟控 制产品质量，均可借助图像处理技术来完成f 9 】。国际上图像处理最初应用于纺织工业是分 析地毯的磨损情况，此后在纺织材料的测试工作中的应用越来越广泛【1 1 1 。在纤维检测应用 的中，纤维材料的计算机图像处理是指通过一系列的算法实现对纤维结构和性能的检测。 检测的一般过程为试样准备一图像获取一图像预处理一分析识别。目前计算机图像分析 法目前仍以扫描电镜照片为基础，但它综合采用了多个反映鳞片特征的参数，克服了扫 描电镜法仅以单一的参数作鉴别标准的缺点，随着计算机技术的发展及研究的进一步深 入，此法有望成为客观、准确、快速的鉴别方法【1 2 】。 1 2 2 从指纹识别到模式识别研究 指纹识别技术是最早和最广泛的被应用于实践的生物识别技术，随着计算机与信息 技术的不断发展，指纹识别技术的研究受到了广泛的关注和探讨，同时因其较高的识别 精度使得指纹识别技术成为当今各种生物特征识别技术中最具代表性的一种。自动指纹 识别技术是集传感器技术、生物技术、数字图像处理、模式匹配、电子技术于一体的高 新技术，识别系统由指纹采集、特征提取、指纹比对和指纹分类等几个主要部分组成， 指纹的唯一性最终要靠细节特征的比对来实现。随着计算机技术和嵌入式系统技术的发 展，指纹识别技术取得了很快的发展，指纹图像处理技术是指纹识别系统的关键技术之 一，主要对指纹图像的方向图、脊线的频率和二值化算法进行了研究、比较和实现，方 向图中的每一点反映了指纹图像中局部纹线的方向，是指纹图像中最本质的特征之一， 计算频率时一般要进行插值计算，而预处理后的二值化正是基于指纹图像的方向和频率 来实现的【1 3 】。 生物特征识别是一种根据生物体自身所固有的生理特征和行为特征来识别身份的技 术。即通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合， 利用生物体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份的鉴定。对于模式识别主要利用 统计学、计算机科学、生物学、概率论以及算法的设计等工具从可感知的数据中进行推 理的- ；7 学科。它对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析，以对事物或现象 进行描述、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组成部分。它的中心 任务就是找出某“类”事物的本质属性，即在一定的度量和观测的基础上把待识别的模式划 分到各自模式类中。它与人工智能、图像处理的研究有交叉关系。如模式识别中的预处 理和特征抽取环节应用图像处理的技术；图像处理中的图像分析也应用模式识别的技术。 7 第1 章文献综述 图像目标识别是模式识别领域最为直观也是最普遍采用的识别方法。目前，大多数研究 侧重于多种识别模式的组合，以改善识别的效果。模式识别的基本目标就是进行分类，在 模式识别的各种模型中，基于统计的方法已经被广泛的研究并应用于实耐1 4 1 。伴随着人工 智能技术的发展，越来越多的智能识别算法在模式识别领域被提出来。 1 2 3 毛绒类纤维的特征识别 对摄取的图像首先进行中值滤波消除噪声，然后计算图像的灰度直方图，选择灰度直 方图分布中的峰谷值作为二值化的阈值，从而获得毛绒类纤维图像的二值图像。然后进行 轮廓跟踪、纤维的特征抽取和识别以及卷曲频数、波幅、伸长率等有关参数的计算和分 析【引。 由纤维品质特征引出的表征参数： a 纤维直径 指纤维粗细的程度，单位为a m ，直径是纺织纤维的主要品质指标，也是毛绒类纤 维品质分等和计价的重要依据，直接关系到成品的性能和风格【1 5 j 。从直径的分布范围来 看，羊毛的直径分布范围最广，山羊绒的直径分布范围最窄，有不同程度的覆盖。 b 纤维鳞片密度 鳞片密度是指沿纤维轴向单位长度中鳞片的个数，单位为：个m m 。羊毛的鳞片密 度大，山羊绒的鳞片密度小，这两种纤维的鳞片形状有较明显的差异。绒和毛之间的鳞片 形状有差异，而绒和绒，毛和毛之间有一定的相似性。在形态方面表现羊绒的鳞片类似环 状包覆于毛干，覆盖间距比细羊毛大，鳞片密度6 0 7 0 个m m 。细羊毛每毫米约有6 5 8 0 层鳞片，粗毛只有4 5 - - 6 0 层。从鳞片密度来看，羊毛鳞片密度较大，羊绒鳞片间距比细羊 毛大，鳞片密度小。 c 纤维鳞片可见高度 纤维鳞片可见高度是指沿纤维轴向鳞片可见部分的长度，单位为：, m 。纤维的鳞片 可见高度与鳞片密度成反比。 1 2 4 计算机图像学的采集工具 1 光学显微镜 光学显微镜有多种分类方法：按应用范围可分为生物显微镜、金相显微镜、工业显 微镜等；按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜；按图像是否有立体感可分为立体 视觉和非立体视觉显微镜；按光学原理可分为偏光，相衬和微差干涉对比显微镜等；按 光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等；按接收器类型可分为目视、摄 8 北京服装学院硕士学位论文 影和电视显微镜等。常用的显微镜有体视显微镜、金相显微镜、偏光干涉显微镜、微分 干涉显微镜等【1 6 1 。 2 扫描电子显微镜 利用被聚焦的、具有一定能量的电子束在样品表面扫描，激发产生各种物理信息( 如 二次电子、背散射电子、吸收电子和x 射线等) ，利用这些信息对样品的表面形貌、结构 和化学成份进行检测和分析的一种电子光学仪器。 扫描电镜的常规模式需将样品放在1 0 4 p a ( 或者1 0 6 t o l l r ) 的高真空环境里用电子束 扫描，它要求样品能导电以防止电荷积累放电，对含水生物样品需经固定、脱水、干燥、 镀膜等程序后方可进入电镜观察，生物样品经过这些制样程序后，均或多或少改变了原 来的形态结构而产生赝俐1 7 1 。要求电子枪内是高真空，电子束在此由高压产生并被加速； 同样希望柱形导管内各处也是高真空，因为气体分子会散射电子，降低电子束性能。要 求样品放在高真空环境中，且样品应具有耐真空力、真空亲和力、导电性【1 8 】。制备样品 费时、费力、费钱，尤为突出的是样品发生变形和微细结构被掩盖而不能反映样品的真 实形貌。 环境扫描电镜有两点关键技术使其区别于常规扫描电镜【1 9 】。一是首先必须将s e m 的 柱形电子导管的真空环境于样品室环境分开。从理论上说，该模式可对所有的样品进行 高分辨率观察。而且样品无需制备，可直接进行观察。因为样品室内有一定的气体流动， 再加上样品未经喷镀，环境方式下的图像为柔和的s e 像【捌。环境方式下的图像更能反 映样品生活状态时的形貌。适合于观察表面有角质层覆盖和含水量很低的样品。环境方 式下对样品的观察和对图像的记录等操作应尽快完成，这样可减少样品内水分的蒸发而 使样品的变形降至最低。同时需要一个在样品室非真空环境下仍然能起作用的二次电子 探头。使用环境二次电子探头及气体二次电子探头，它可以更好地将寄生电子信号区分 开，极大地改善了成像性能。 1 2 5 毛绒类纤维检测方法 随着技术的不断进步，各种动物纤维的识别已从最初的人工识别发展到目前的各种 各样的基于不同原理，不同检测手段交替综合运用的识别方法。作为形态观测学，形态鉴 别是羊绒检测的基本手段，形态和特征上的鉴别方法，主要以显微观察方式鉴别纤维，基 本手段为光学显微镜【2 1 l 和扫描电子显微镜【2 2 j 。毛绒类纤维的识别方法随着其他领域的技 术进步而不断发展，其误判率也有望进一步降低。 9 第1 章文献综述 1 2 5 1 光学投影显微镜法 光学投影显微镜主要观察纤维形态上的差异，如鳞片形态，是否含有髓腔等，其次 是观察纤维的天然色泽等。利用该方法检测形态结构差异较大的纤维是非常有效的，但 在检测与羊毛形态结构相近的纤维时，使用该方法就会有一定的难度，但采用光学投影 显微镜法观察、鉴别纺织纤维是一种最为直观的方法，可以根据纤维的纵向形态和横截 面形态特征综合鉴别纤维。光学投影显微镜对检测形态差异较大的纤维是非常有效的， 设备简单，成本低廉，适用范围广等特点【2 3 1 ，但它在纤维的监测中主要依靠测试人员丰 富的经验，人为因素造成误差很大。事实表明，对于同一种毛样，各检测单位得出的结 果有时相距甚远。 1 2 5 2 扫描电子显微镜法 扫描电子显微镜主要是采用电子探针技术来观测纤维鳞片厚度差异、鳞片形态和密 度。由于电子束波长短，使获得的图像具有立体感强、景深大、分辨率高的特点，可对 纤维的细节( 如羊毛鳞片厚度) 进行更精确的观察、测量和判断，并且立体感很强，是 形象化说明纤维的得力工具，为检验人员提供了清晰的纤维鳞片外观，使他们能有效的 把握纤维特征，减少识别误差。最早开始扫描电子显微镜研究的是西德，早在1 9 8 6 年他 们就利用扫描电子显微镜测试了羊毛和马海毛的特性，主要侧重于测试纤维鳞片边缘的 高度。扫描电子显微镜也存在着一些缺陷，它仪器设备庞大，造价很高，制样繁琐，而 且如果应用的喷镀技术稍有不当就会遮盖了纤维真实的鳞片性质；还有它的样品台小， 放大倍数高，使其一次性检验的纤维根数很少，检验效率不高；另外，扫描电子显微镜 无法依靠髓质层及天然色素来进行纤维检测。 1 2 5 3 图像分析识别法 图像分析和识别法是借助计算机，对毛纤维结构特性，通过一系列算法来实现特种 动物纤维的识别。一般的过程是：试样制各、图像采集、图像处理和数据处理。即可观 察特种动物毛纤维鳞片表面特征，也可以观察毛纤维横截面的特性。目前多采用光学显 微镜各种背景强度下的透射影像及扫描电镜来观察每一根毛纤维并拍摄照片，然后用 c c d 扫描仪把图像输入计算机；或是直接把电镜内的图像信号输入计算机【2 4 1 。然后用各 种视频捕捉卡获得图像文件。图像的处理一般包括灰度直方图的计算、滤波去噪声、二 值化等操作。接下来根据观测图像的不同，提取不同的特征量，如计算鳞片的长、宽、 厚以及变异情况，或是分析鳞片形状特征，如鳞片的复杂度，圆形度、椭圆度的计算等， 或是判定皮质和髓质的分布状况，或是观察毛纤维的卷曲特性，或是分析毛纤维表面的 1 0 北京服装学院硕士学位论文 光泽等等。最后依据模式识别原理来划分毛纤维的种类。 根据羊绒及骆驼绒制造商协会( c c m i ) 的数据【2 5 1 1 9 9 5 年，最初使用扫描电子显微镜的 实验室取得了骄人成绩，而光学显微镜使用效果明显要差。但到了后来，使用光学显微镜 的实验室测试水平开始保持稳定，而使用扫描电子显微镜的实验室出于观测量少、操作人 员经验不足和一些尚不清楚的原因，测试的准确率逐渐下降。作为形态观测学，在计算机图 像处理和分析技术引入后，人工目测的落后观察形式被替代。1 9 8 9 年，苏格兰s c o t t i s h 纺织 学院的r o b s o n t 2 6 】等人首先提出采用计算机图像分析技术，分析细羊毛与羊绒纤维的表面 鳞片特征，国内外许多学者探讨研究此方法，主要使用扫描电子显微镜观测以及对其照片 分析。杨建忠【2 7 】等人研究了基于扫描电子显微镜拍摄的羊绒与羊毛图像，利用计算机的快 速、高效等特点来代替人眼对羊绒与羊毛纤维进行计算机图像处理与识别。计算机图像 识别技术体现出快速、准确、高可靠性和稳定性等优势，在纺织行业的应用会越来越广泛， 特别是在线检测方面得到应用和发展【2 8 1 。 利用图像处理技术可以减少主观因素影响，客观评定纺织品的外观和内在质量，是提 高劳动生产率、保证产品质量的重要手段。图像处理和识别方法关键的问题是用以区分 不同动物毛纤维特征指标集的建立。目前的关键问题也是如此。由于特种动物毛纤维的 许多相似之处而增加了这一工作的难度。所以找寻更多新的独特的指标来降低误差率就 成了迫在眉睫的工作。突破这一关，仍需借助图象处理和识别的方法来完成。利用其快 速高效等特点建立计算机自动图像识别系统。此法有可能成为更加客观、准确、快速的 鉴别方法，将会解决传统鉴别方法受主观因素影响较大的问题，其投入实践应用更会成为 纺织测试领域迈向现代化的一次质的飞跃f 2 9 1 。 1 3 计量学对毛绒类纤维识别的研究 1 3 1 计量学概述 1 3 1 1 计量学概念 根据j j f l 0 0 1 1 9 9 8 通用计量术语及定义，计量的定义是：实现单位统一，量值准 确可靠的活动。计量学就是关于测量的科学。计量科学发展的理论基础是物理学和数学， 测量手段和测量方法的准确性、可靠性和测量结果的一致性是测量的基本条件。计量学 就是研究测量、保证量值统一和准确的科学f 3 0 1 。 1 3 1 2 计量分类 国际上趋向把计量分为科学计量、工业( - 1 - _ 程) 计量和法制计量三类。 第1 章文献综述 1 科学计量 科学计量主要指的是基础性、探索性、先行性的计量科学研究。科学计量本身属于 精确计量，研究到物理常数的测定、精密测量技术的研究、误差理论测量不确定度的研 究。 2 工程计量 工程计量亦称工业计量，系指各种工程、工业企业中的实用计量。工程计量测试能 力，实际上是一个国家工业竞争力的重要组成部分，在以高技术为基础的经济框架中显 得尤为重要。工程计量涉及面广，随着产品技术含量提高和复杂性的增大，它已成为生 产过程控制不可缺少的环节。 3 法制计量 法制计量的目的是用法规或合同方式来规定并保证与贸易结算、资源检测、控制等 有关的测量工作的公正性和可靠性。 1 3 1 3 计量的特点和意义 1 计量的特点： 准确性：准确性是计量的基本特点。它表征的是计量结果与被测量的真值的接近 程度。 一致性：计量单位的统一是量值一致的重要前提。只有符合有关计量的要求，计 量结果就应在给定的不确定度( 或误差范围) 内一致。 此外还有：溯源性和法制性1 3 1 】。 2 研究计量的作用和意义 人们在广泛的社会活动中，每天进行着各种不同的测量。计量工作就是实现准确测 量的基本保障，没有准确可靠的计量，社会化、专业化的大生产就无法正常进行。计量 又是科学研究和技术创新的基础之一，通过建立计量基标准、实现单位统一和量值溯源， 来保障国家和公众的利益，促进高新技术的发展，保证贸易结算的公平合理以及环境、 资源、安全防护中的测量准确可靠。 测量一般是指用于进行量度的一系列操作活动或过程。i s 0 9 3 和国标j j f l 0 0 1 1 9 9 8 介绍了计量学的基本概念和原理，定义了1 2 0 个与测量有关的术语，共分为6 大类【3 2 】， 它们之间的关系模型如图2 所示： 北京服装学院硕士学位论文 输 剿羹妫甓 图2 计量学概念关系模型 没有测量就没有信息，没有信息就没有知识，没有知识就没有管理和决策，因而也 无法达到有效控制或化解它带来的问题。课题尝试从计量科学角度，结合在信息技术及 软件测量方面已取得的成果，提出模式识别测量模型，探讨进行纤维检测所涉及的各个 方面，最主要的有测量信息模型和测量过程模型。 1 3 2 计量学研究和已有课题的集合关系 现代计量工作是国民经济、社会发展和国防建设的重要技术基础。随着经济全球化 和信息化的迅速发展，计量在工业、农业、高新技术产业、社会服务、对外贸易和可持 续发展战略中的应用越来越广泛，并在各个领域发挥着越来越重要的作用。计量科学技 术水平能集中体现一个国家科技发展的水平。计量科技水平越高，工业产品的质量就越 好；计量测试精度越高，产品的性能就越高，其产品的竞争力就越强。这里有个标准水 平问题。 计量学研究的内容包括：( 1 ) 计量单位及其基准、标准的建立、复制、保存和使用； ( 2 ) 量值传递、计量原理、计量方法、测量不确定度以及计量器具的计量特性；( 3 ) 计量法 制和管理；( 4 ) 有关计量的一切理论和实际问题。此外计量学也研究标准物质、材料特性 的准确测定。 计量与工业生产：计量是实现集约化生产的重要技术基础；计量是实现物料核 算，降低成本的基本保证；计量检测是提高产品质量的重要手段( 计量检测是基础手 段。从工业发达国家质量管理发展的实践来看，无论是早期的质量检验阶段，中期的统 计管理阶段，还是现代的全面质量管理阶段，都是以完备的计量检测手段作为其技术基 础保证产品质量的。) 计量是科学利用能源的基本条件；计量是安全生产和环境检测 的必要保障【刈。 对组织形态计量学的研究，用形态学观察组织结构变化和影响，用定性、定量的计量 方法求得表面指标，从而获取了形态学结构的信息1 3 3 删。研究药物对组织的影响，通过制 备光镜和透射电镜样品观察并进行了形态计量学分析，旨在从多方位、多层次阐明形态计 1 3 第1 章文献综述 量学的研纠3 5 1 。还有基于计量学的线边缘粗糙度定义，对目前线边缘粗糙度的研究进行 了分类，区分线宽变化率、线的边缘粗糙度和侧墙( 边缘) 粗糙度的物理本质。对目前计算 参数进行了分类，区分了线宽变化率、线的边缘粗糙度和线边缘半r 糙度的物理本质1 3 剐。 应用图像分析仪对妊娠期糖尿病胎盘绒毛的形态计量学研究，应用图像分析仪研究胎盘 微绒毛结构，在扫描电镜下采用图像分析仪对妊娠期糖尿病胎盘绒毛进行组织形态计量 学测定。本研究采用先进的扫描电镜水平、计算机图像分析技术对胎盘微绒毛进行形态 定量分析，提供客观的数据资料，利用图像学分析仪对妊娠期糖尿病胎盘微绒毛进行多参 数形态学研究，更直接、完整、清晰地观察到胎盘绒毛、微绒毛的形态变化旧。 1 3 3 纤维检验领域与计量学的联系 本课题的研究主要是利用动物纤维生物遗传特性在其形态结构上的不同为根据对羊 绒与其他特种动物纤维进行鉴别。包括数据的预处理，特征的选择、提取，选择识别参 数的合理表示和分类。课题中毛绒类纤维形态特征上的识别参数，主要是通过测量得来。 测量问题是计量测试的基本问题，测量是为确定量值而进行的全部操作，一般不具备， 也不必具备计量的4 个特点。所以，计量属于测量而又严于一般的测量，在这个意义上 可狭义的认为，计量是与测量结果置信度有关的，与不确定度联系在一起的规范化测量。 以毛绒类纤维的直径为例，现有测量直径的方法就有很多，目前国内采用 g b t 1 0 6 8 5 1 9 8 9 羊毛纤维直径试验方法一投影显微镜法规定的检验方法。计算机图 像识别上的自动测量直径技术的测试系统由显微镜、图像采集系统和计算机组成，其中 显微镜可分为光学显微镜( l m ) 、传统扫描电镜( c s e m ) 和环境扫描电镜( e s e m ) 3 种类型 【3 引。在计量纤维直径时，所采用的测量方法不同，测得的直径数据也是不同的，而在市场 上不同测量方法所得的直径数据混合使用，从而造成原料市场的混乱。采用e s e m 、 c s e m 、l m3 种显微镜分别与计算机配合来对羊毛和羊绒的直径进行测量，测得的直径 数据与投影显微镜法的直径数据可进行对比分析。 对于投影显微镜法，在进行计量时，把纤维片段的影像放大5 0 0 倍投影到屏幕上，通 过用屏幕圆心的毫米刻度尺量出与纤维正交处的宽度或用楔尺测量屏幕圆内纤维直径， 逐次记录计量测试结果，并计算出纤维直径平均值。计算机自动测量直径法是把显微镜、 图像采集系统和计算机配合起来组成直径测量系统，采用l m 法、c s e m 法、e s e m 法 来测量毛绒类纤维的直径。利用计算机自动测量纤维直径方法的操作过程为样品制备， 采集显微镜下的图像，测量直径数据。 就纤维图像来说，c