（纺织材料与纺织品设计专业论文）毛纤维形态尺寸快速检测技术的研究.pdf

摘要 摘要 学位论文“毛纤维形态尺寸快速检测技术的研究”是在广泛查阅资料，分析国内 外研究现状的基础上确定的。本人针对目前我国的纺织检测技术比较落后，仍然使用 传统方法的缺点，在大量研究实验的基础上，利用计算机图像处理技术，采用姒t l a b 软件设计工具，完成在w i n d o w s 操作系统下能够对图像进行常规的操作、处理等功能 的软件设计工作。本课题研究的是利用数码光学显微镜对切取的毛纤维小段进行图像 信息采集，输入计算机，对原始图像进行一系列的数学运算，最终得到一幅失真最小， 目标信号和背景信号完全分离的图像，提取纤维有关的一些实用性很强的特征参数指 标，完成能实现图像处理和相应的快速检测功能的软件。结合前人的研究成果、算法 对图像进行预处理，二值化，边缘检测等，最后形成一个程序正确，算法稳定、高效、 良好的快速检测毛纤维细度指标软件系统。 在此软件的基础上，总结常规图像处理技术和手段，结合在本课题所使用的数码 显微镜下拍摄到的羊毛纤维图像的自身特点，综合利用了直方图分析、灰度差值、中 值滤波、图像增强、细化、边界搜索、数学建模等一系列的手段和方法。在软件中实 现了对羊毛纤维形态尺寸相关指标的测量以及细度分布的统计等。在软件中建立存放 测量数据及计算分析结果的数据库，并完成了m a t l a b 的部分图像处理类软件的编写， 为以后进一步的研究工作提供了方便。 此系统的核心内容包括两部分：图像处理和纤维测量。在图像处理部分，主要是 对图像进行几何变换、图像增强、边缘提取和边缘细化等处理：而在纤维测量中，运 用了两种方法对纤维进行测量：一种是手动式测量，另一种是自动式测量。特别在纤 维图像预处理上，本人在反复的实验和调试中，运用各种数字图像处理技术，得到目 标边缘和背景完全分离的边缘线，对后期的直径测量创造了很有利的条件。而且在后 期的测量上，本人还提出了两种新的毛纤维直径测量方法，即“两点法”和“三角形 法”。通过实际操作发现这两种算法在毛纤维的直径测量上，具有一定的稳定性和可 靠性。本人所开发的毛纤维形态尺寸快速检测软件，在纤维预处理和测量方法上提供 了新的思路，作出了有益的探讨，但在后期的测量上还有待今后继续研究完善。该软 件检测系统操作简单，运行速度快，测量准确度较高，但由于作者水平有限，存在不 足在所难免，望大家批评、指正。 关键词：毛纤维，图像处理，纤维测量，自动测量。 a b s t r a c t a b s t r a c t a c a d e m i cd i s s e r t a t i o n w o o lf i b r ef o r ms i z ef a s tr e s e a r c ho fd e t e c t i o n t e c h n i q u e c o n s u l t st h em a t e r i a l se x t e n s i v e l y ，a n dd e f i n i t e so na n a l y s i n g t h a ts t u d i e st h ef o u n d a t i o no ft h ec u r r e n ts i t u a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d id i r e c ta g a i n s tt e x t i l eo fo u rc o u n t r yd e t e c t i o nt e c h n i q u er e l a t i v e l y b a c k w a r da tp r e s e n t u s et r a d i t i o n a ls h o r t c o m i n go f m e t h o ds t i l l o nt h eb a s i s o ft h et h i n gt h a tal a r g en u m b e ro fs t u d i e st h ee x p e r i m e n t ，iu t i l i z ep i c t u r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r ，a d o p tm a t l a bs o f t w a r ed e s i g nt o o l ， f i n i s h i n gc a nc a r r yo nt h es o f t w a r ed e s i g nw o r ki nf u n c t i o n s ，s u c ha sr o u t i n e o p e r a t i o n ，t r e a t m e n t ，e t c t ot h ep i c t u r eu n d e rw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mw h a t s u b j e c tt h i ss t u d yt ou t i l i z ed i g i t a lo p t i c sm i c r o s c o p eg oo nt h ep i c t u r e m e s s a g eg a t h e rt ow o o l f i b r e1 i t t l es e c t i o nd r a w nt oc u t ，i n p u tt h ec o m p u t e r ， c a r r yo nas e r i e so fm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o nt ot h ep r i m i ti v ep i c t u r e i ti s d is t o r t e da n dm i n i m u mt og e to n ef i n a ll y ，t h ep i c t u r et h a tg o a ls i g n a la n d b a c k g r o u n ds i g n a lt o t a l l ys e p a r a t e d i td r a wf i b r ea b o u t s o m ev e r yu s e f u l c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri n d e x ，f i n i s hr e a l i z i n gt h es o f t w a r eo fp a t t e r n p r o c e s sa n dc o r r e s p o n d i n gf a s tm e a s u r i n gf u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h i ss o f t w a r e ，is u m m a r i z er o u t i n ep i c t u r et r e a t m e n t t e c h n o l o g ya n dm e a n s ，c o m b i n eu n d e rd i g i t a lm i c r o s c o p et h a ts u b j e c tu s et h i s s h o o t i n gw o o lf i b r eo n e so w nc h a r a c t e r i s t i c k i n go fp i c t u r et h a tg e t t i n g ，h a v e u t i l i z e da n a l y s i so fh i s t o g r a m ss y n t h e t i c a l l y ，g r e yl e v e ld i f f e r e n c e ，h i t v a l u es t r a i nw a v e ，p i c t u r es t r e n g t h e n ，t h i n n i n g ，b o r d e rs e a r c hf o r ， m a t h e m a t i c sm o d e l i n g e t c as e r i e so fm e a n sa n dm e t h o d ir e a l i z et ow o o l f i b r ef o r ms i z er e l e v a n tm e a s u r e m e n ta n dd e t a i l e dd e g r e e so fs t a t i s t i c st h a t d i s t r i b u t e ，e t c o fi n d e xa m o n gs o f t w a r e s e tu pt h ed a t a b a s ew h i c hp r e s e r v e s m e a s u r e m e n t sa n dc a l c u l a t i o na n a l y s i sr e s u l ti nt h es o f t w a r e if i n i s hs o m e p a t t e r np r o c e s so fm a t l a bs o f t w a r ew r i t e ，f u r t h e rr e s e a r c hw o r kp r o v i d e c o n v e n i e n c ef o ra f t e r w a r d s t h ep a p e rm a k e su pt h es o f t w a r et om e a s u r ew o o ld i a m e t e r w i t hm a t l a b p r o g r a ml a n g u a g e ，i ti st h ef i r s tt i m ei nt h ef i e l d t h es o f t w a r ei sm a d eu p w i t ht w oc o r ea s p e c t s ：o n ei st h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，t h eo t h e ri sf i b e r m e a s u r e i nt h ep a r to ft h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，t h em a i nb o d yi st o p r o c e s st h ei m a g ew i t hg e o m e t r yt r a n s f o r m ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，e d g ee x t r a c t a b s t r a c t a n db i n a r yi m a g e i nt h ep a r to ff i b e rm e a s u r e ，i ti sm a i n l ye m p l o y e dt w o m e t h o d st om e a s u r ef i b e r ：t h em a n u a lm e a s u r ea n dt h ea u t o m a t i cm e a s u r e a n do nb a c k e n dm e a s u r e m e n t ，ip u tf o r w a r dt w on e ww o o lf i b r ed i a m e t e r m e a s u r et h em e t h o da l s o 。n a m e l y 。t w ol a w s “a n d t r i a n g u l a rl a w w o o lf i b r e f o r ms i z eid e v e l o pm e a s u r es o f t w a r ef a s t ，p r e t r e a t m e n tm e a s u r em e t h o do f f e r t h en e wt r a i no ft h o u g h ti nf i b r e b u ti ts t i l lr e m a i nt oc o n t i n u es t u d y i n g p e r f e c t l yi nt h ef u t u r ei nb a c k e n dm e a s u r e m e n t t h i ss o f t w a r em e a s u r e ss y s t e m o p e r a t i o ns i m p l y ，o p e r a t i o ni sf a s ti ns p e e d i ti sr e l a t i v e l yh i g ht om e a s u r e a c c u r a c y i naw o r d ，t h i sp a p e rh a sm a n yc h a r a c t e r s ：c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，r u n n i n g f a s t ，a n da c c u r a t em e a s u r e b u tv i e w i n gt h ea u t h o r sa b i l i t i e s ，i ti s n e c e s s a r yt h a tt h e r ea r eaf e wo fs h o r t c o m i n g si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：w o o l ：i m a g ep r o c e s s i n g ：f i b e rm e a s u r e a u t o m a t i cm e a s u r e l 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着计算机技术的飞速发展，计算机运算速度的大大提高，1 g h z 以上的c p u 已 经被广泛应用，这些都推动着数字图像处理技术的飞速发展。所谓数字图像处理。就 是指利用数字计算机及其他有关数学技术，对图像施加某种运算和处理，从而达到某 种预期的目的。经过大半个世纪的发展，目前数字图像处理技术已广泛应用于科学研 究、工农业生产、医疗保健、航天航空、军事等各个领域，在国民经济中发挥着越来 越大的作用。 在我国成功加入世界贸易组织的今天，纺织业正面临一次巨大的机遇与挑战。但 是，目前我国的纺织检测技术比较落后，对纺织品的检测和测试多利用手感目测法等 传统方法，既费时，又费力，且其结果的准确度、精密度及信息量都不能适应当今科 学技术发展的要求。而采用数字图像处理技术可以减少主观因素的影响，客观评定纺 织品外观和内在质量。现在几乎从原料的检验、半制品、成品的检验，到机织物、针 织物的检验到非织布的检验以及模拟控制产品质量等，都可借助数字图像处理技术来 完成测试任务。近年来，随着科学技术的发展，各种高新技术不断涌入纺织工业，计 算机数字图像处理技术已越来越多的被应用于纺织工业的各个领域。利用数字图像处 理技术进行羊毛纤维的形态尺寸快速测量，其关键的技术是进行微米级长度的测量。 因此，利用计算机数字图像处理技术来对纺织纤维、纱线、织物进行研究，是很 有必要的，这也成为纺织科研人员竟相研究的课题。虽然计算机图像处理技术涉及到 许多测试领域，但研究和实际应用领域的许多问题还没解决。所以需要进一步的研究 和探索，这就要求我们在实践中总结前人的经验，以现有的理论和知识为基础，不断 的探索，发现问题，解决问题。 1 2 图像处理的应用范围 t - e l 广义地讲图像处理是一项系统工程，它包括：图像获取与量化、图像存储及图像 数据的压缩与还原、图像处理与生成、图像分析与识别、图像传送与输出。所涉及到 的技术内容包括：计算机图像处理集成技术、图像处理计算机体系结构和实现、各种 图像输入输出设备以及相应的各种图像处理支撑软件和算法等。经过2 0 世纪8 0 年代 与9 0 年代的迅速发展，图像处理的各项技术日趋完善，并取得一些重大的开拓性成 果。其中最典型的应用有： 1 2 1 纺织中的应用 1 2 2 遥感技术中的应用 遥感图像处理的用处已越来越大，并且其效率和分辨率也越来越商。它被广泛地 应用于土地测绘、资源调查、气象检测、环境污染监督、农作物估产和军事侦察等领 1 绪论 域。目前遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决其数据量庞大、处理速度慢的缺点。 1 2 3 医学应用 图像处理在医学上有着广泛的应用。其中最突出的临床应甩就是超声、核磁共振、 y 相机和c t 等技术。在医学领域利用图像处理技术可以实现对疾病的直观诊断和无 痛安全方便的诊断，受到了广大患者的欢迎。 1 2 ，4 安全领域 利用图像处理技术的模式识别等技术，可以应用在监控、指纹档案管理等安全领 域中。 1 2 5 工业生产 产品的无损检测也是图像处理技术的一项广泛的应用。 总之，图像处理技术的应用相当广泛，它在国家安全、经济发展、日常生活中充 当着越来越重要的角色，见如表卜l 所示。 表l l 图像处理应甩领域 纺织纺织纤维、纱线、织物中的应用 物理、化学结晶分析、谱分析等 生物、医学细胞分析、染色体分析、x 射线成像、c t 等 环境保护水质及大气污染调查等 地质资源勘探、地图绘制、g i s 等 农业、林业农作物估产、植被分布调查等 渔业鱼群分布调查等 气象卫星云图分析等 通信传真、电视、多媒体通信等 工业工业探伤、机器人、产品质量监测等 军事导弹导航、军事侦察等 法律指纹识别等 2 1 绪论 1 3 国内外数字图像处理技术在纺织中的应用现状。” 1 3 1 在纤维方面的研究与应用，主要集中在： a 毛纤维的检测 b 棉纤维的检验与质量控制 c 苎麻常压碱煮脱胶质量 d 化学纤维异型度的测量 1 3 2 在纱线方面的研究与应用，主要集中在： a 混纺纱的结构和性能的检测 b 纱线条干均匀度的检测 c 混纺纱线的混合不匀检验 1 3 3 织物方面的研究与应用，主要集中在： a 采用计算机辅助法进行织物密度的测定 b 图像分析织物动静态悬垂仪的研制 c 评估毛织物折皱性的新方法 1 3 4 研究应用的重点 在纺织材料和纺织品的各种检验检测中，绝大部分是与视觉有关的。因此必须利 用人的智力对客观事物进行主观的评价，如纤维、纱线的条干均匀度评定、织物平挺 度的评定、织物绉效应评定、织物疵点检验等。随着图像处理识别技术的出现，视觉 信息的全自动测试以及客观化、智能化分析便成为可能。 在国际上图像处理应用于纺织工业是近十多年的事。最初是用于分析地毯的磨损 情况，此后，在纺织材料的测试工作中的应用越来越广泛，从纤维的微结构分析，到 整块织物各种性能的测试。国内有较多的学者在纤维形态测试方面作过许多研究：通 过提取纤维截面的几何特征进行棉纤维成熟度的测定和兔毛粘胶腈纶混纺纱中各 种纤维的自动识别工作；异形纤维形态特征的图像处理测定方法；测量v 字形纤维和 三叶形纤维异形度的新方法；棉麻纤维的自动识别；羊毛细度的测定等。 此外在纱线结构以及织物结构研究也有一定的发展。 在织物结构研究中有四个方面：表面疵点检测；起毛起球评价；抗皱性能评价和 织物的纹理结构检测。 综合国内外的研究结果来看，图像处理技术在纺织上的研究重点是：纤维材料性 能检测；纱线质量检测；半制品棉网的质检；织物结构、性能检测等。此外图像处理 识别技术在织物的免烫性、悬垂性、褶皱性：非织造布的结构测试：纤维取向度：毛 绒织物起绒纤维分布等方面也有一定的研究和探索。 1 3 5 存在的问题 图像处理识别技术在纺织行业的研究、应用中也存在一些不足之处： 1 绪论 a 研究的广度不够。纤维不同形状的自动识别、化纤的微结构变化的动态观察、 织物疵点的动态检测、织物成品的检测、服装的外观效应的动态评价、服装尺寸的 自动测量等方面的工作都可以利用图像处理识别技术来完成。但目前这些方面的研 究做的还比较少。 b 崭新学科的新技术利用的不足。目前图像处理在纺织行业上的研究方法还局 限于玛偌( m a r r ) 的视觉理论，而图像处理技术本身也在不断的发展进步，它吸收 些先进的研究成果如：神经网络系统、协同认知、分形理论、混沌理论等。如何 把这些新的科研成果应用到纺织行业上来是一个迫切问题。 c 图像处理技术在纺织行业的实用性研究考虑的较少。主要侧重于理论和方法 的研究。图像处理技术还没有直接用来解决纺织上的实际问题，由于硬件的设备限 制，使得一些成熟的研究成果向实用发展受到了一定的制约。但随着算法和硬件的 不断改进，图像处理识别技术向实用化发展是很有前途的。 1 4 图像处理技术在纺织纤维方面的应用 2 7 3 计算机数字图像处理技术应用于纺织纤维材料的检测领域，实现了对纤维的自动 化、客观化、定量化的测试评判，从而克服了传统方法的诸多缺陷。在这方面国内外 研究人员已开展了大量的研究工作，主要研究内容有：纤维取向度、纤维直径、棉弼 均匀度测定、棉纤维成熟度测定、羊毛羊绒鳞片结构分析、高分子纤维截面分析、纤 维异形度测量以及纤维卷曲频数、波幅、伸长率等的检测。 测试的一般过程是：试样的准备一图像的获取一图像预处理图像特征参数的提 取及计算分析。 1 4 ，1 全自动光学纤维直径分析仪o f d a 在纤维的定量分析方面，国外比较先进且具有代表性的仪器是全自动光学纤维直 径分析仪o f d a ( o p t i c a l - b a s e df i b e rd i a m e t e ra n a l y s t e r ) ，该仪器采用自动平台 自动调节载玻片的位置，由计算机软件自动扫描每一幅图像，并测定其内每一根纤维 的直径。 o f d a 简要地归结为以下几个组成部分： ( 1 ) p c 机，包括显示器、键盘、鼠标以及v g a 图形显示卡。它完成用户接口、 显微镜载物台步进电机控制、测量纤维直径及进一步的数据处理工作。 ( 2 ) 显微镜。特制的平台和光源，该光源是垂直发光的光源，它可以在计算机的 控制下频闪，产生光束，使其通过载玻片及光学系统在摄象机的传感器上形成图像。 平台由在计算机控制下的两个步进电机驱动，可进行载玻片的x y 扫描。 ( 3 ) c c d 摄像头，这是一个被完全固定的摄像头，可将光信号精确地转化为视频 信号。 ( 4 ) 图像采集卡，捕捉来自摄像头的实时视频图像，并经采样、量化后将其转化 4 1 绪论 为数字图像，以点阵形式存入内存。 ( 5 ) 标准的打印机，可将测量的数据用不同的格式打印出来。 ( 6 ) 此外，还有自动布样器、合页式的载样片和样片盒、切断器等。 其特点是全自动方式，尽管测试效率高，但技术难度大，必将导致仪器开发成本 加大：另外功能比较单一，还需进一步开发。 1 4 2 国产半自动细度分析仪 国内中国纺织工业标准化研究所和专业图像系统制造商北京和众视野科技有限 公司借鉴了o f d a 纤维细度仪，共同开发了一种基于计算机图像处理技术的半自动的 检测产品c v 细度分析仪，其基本原理是：纤维样品经过显微镜的光学放大，其图像 直接投影在工业摄像机的光电转换器上，经转换成为数字化的图像传入计算机内存 中。再由计算机中的专业软件进行处理、测量和统计，从而得到最终结果。它适用 于羊毛、化纤等基本呈圆形的纤维直径的测量，测量范围为5 一1 5 0 微米：同时可输 出平均细度、标准差、变异系数、直方图等，目前这个软件在国内应该是针对纤维图 像处理较先进的软件，但功能较少，价格较高，尚未普遍使用此软件。 因此，设计一个功能齐全、成本较低的快速检测毛纤维形态尺寸的软件，显得 很有意义。 1 5 数字图像处理在纺织中的应用前景 目前图像处理技术主要朝两个方向发展，一个方向是快速计算和工厂实用，另一 个方向就是与智能技术的融合。数字图像处理技术在纺织中的应用前景主要体现在以 下三个方面： ( 1 ) 众所周知，图像处理的数据庞大，因此处理过程耗时比较多，在追求高效的 今天，开发一种快速算法显得至关重要。 ( 2 ) 图像处理技术在纺织领域中的应用，就是要将人们从费时，费力，冗繁的手 工劳动中解放出来，在今后若干图像处理年中，将技术尽快尽好地引入工厂实用，仍 将是国内外学者努力的方向。 ( 3 ) 在纺织品的人工分析过程中，许多特性( 如组织点) 都是由高度智能的人脑 自觉完成，因而要获得与人类思维类似的智能，引入人工智能，神经网络，遗传算法 等新方法很有必要的，从而使图像处理的过程更接近于人类视觉与思维的相互作用。 1 6 课题研究的主要目的和内容 1 6 1 主要目的 本课题研究的是利用数码光学显微镜对切取的毛纤维小段进行图像信息采集，输 入计算机，对原始图像进行一系列的数学运算，最终得到一幅失真最小，目标信号和 背景信号完全分离的图像，提取纤维有关的一些实用性很强的特征参数指标，完成能 实现图像处理和相应的快速检测功能的软件。传统的毛纤维形态尺寸的检测手段己跟 l 绪论 不上追求高效、快速、准确的时代步伐。比如细度作为评价羊毛品质好坏的核心指标， 其检测手段若仍采用显微镜投影测量法和气流仪测量法，则其结果的准确度、精密度 和信息量都不能适应科学技术的发展，且费时、费力。所以用计算机图像处理技术对 毛纤维形态尺寸进行定量分析，编制一个能快速检测毛纤维形态尺寸的软件，显得尤 为必要。 1 6 2 主要内容 计算机图像法快速检测毛纤维形态尺寸主要分两部分：一个是图像处理，另一个 是特征参数的提取。而图像处理指对毛纤维小段的原始图像进行图像增强、边缘提取、 边缘细化等一系列处理，最后得到一幅目标信号和背景信号完全分离的图像。对不同 的项目进行研究，在编写软件中，不相同的只是特征参数的提取，而对图像的预处理 都基本相同。从图像上所能提取的最原始、最直接的指标是区域的面积、周长，它们 分别反映了区域的大小和分布情况，选择特征参数应当充分利用这些最基本的指标， 同时还必须满足以下要求：有明确的物理意义：相互间相关性尽可能小；对不同的样 本总体，其各自的数据分布从统计意义和物理意义上讲都必须有明确的分布趋势；指 标的提取不能过于复杂。 本课题研究工作主要有以下内容： ( 1 ) 利用计算机图像处理技术，采用m a t l a b 软件设计工具，完成在w i n d o w s 操 作系统下能够对图像进行常规的操作、处理等功能的软件设计工作。结合前人的研究 成果、算法对图像进行预处理、二值化、边缘检测等图像处理，最后形成一个程序正 确、算法稳定、高效、良好的软件系统。 ( 2 ) 在此软件的基础上，总结常规图像处理技术和手段，结合在本课题所使用的 数码显微镜下拍摄到的羊毛纤维图像的自身特点综合利用了直方图分析、灰度差值、 中值滤波、图像增强、细化、边界搜索、数学建模等一系列的手段和方法。在软件中 实现了对羊毛纤维形态尺寸相关指标的测量以及细度分布的统计等。 ( 3 ) 在软件中建立存放测量数据及计算分析结果的数据库。 ( 4 ) 完成了m t l a b 的部分图像处理类软件的编写，为趴后进一步的研究工作提 供了方便。 6 2 图像处理技术及m a t l a b 语言简介 2 图像处理技术及m a t l a b 语言简介 2 1 计算机图像处理概述0 1 计算机图像处理是指用计算机对光学图像进行接收、信息提取、加工、模式识别 及存储显示的过程。图像处理第一次使用是在2 0 世纪6 0 年代美国航空和太空总署 ( n a s a ) 的喷气推进实验室使用计算机对太空船发回的大批月球图片进行处理。随着 计算机技术的发展，数字图像处理得到了广泛应用，形成了自己的技术特色和完善的 学科体系。数字图像处理的研究内容主要包括： ( 1 ) 图像变换：通过图像的变换，改变图像的表示域及表示数据，给后继工作 带来极大方便。例如，傅立叶变换可处理分析在频域中进行，使运算简单；而使用离 散余玄变换( d c t ) 则可压缩数据，从而便于图像传输和存储。 ( 2 ) 图像增强：图像在生产、传输过程中往往会失真，所得图像和原图像有某 种程度差别。人们可以估计出使图像降质的一些可能原因，针对这些原因采取简单 易行的方法，改善图像质量。 ( 3 ) 图像分析：为了有效地研究和分析图像，往往需要对给定的图像及已分割 的图像区域用更为简单明确的数值、符号或图形来表示。这些数值、符号或图形是按 一定的概念和公式从原图像中提取出来的，它们反映原图像的重要信息及原图像的主 要特性。 ( 4 ) 图像压缩：多媒体和互联网的发展，使得图像的传输越来越重要。为了减 少传输图像时所需花费的代价，最好采用合适的方法对图像进行压缩和编码，以便于 图像的传输和存储。 2 2 图像处理硬件系统的组成 要实现对图像进行处理识别就要首先实现对图像进行获取、存储、计算、输出等 功能，要组成一套完整的图像处理系统首先要满足以下四个方面： ( 1 ) 图像输入设备 图像输入的功能就是将各种模拟图像的灰度、彩色信息进行数字化，对于不同图 像质量要求可选择不同的输入设备，就目前来说主要有摄像机、扫描仪、数字照相机、 高档的如电子扫描显微镜等。 ( 2 ) 存储器 存储器是保存图像数据的媒质。这类设备有：摄影胶片、录象带、磁带、光盘、 计算机硬盘等。随着计算机硬件的飞速发展，计算机硬盘的容量越来越大，其价格也 越来越低。由于硬盘直接附属于计算机，它的输入、输出速度是非常快的，所以使用 硬盘来对图像进行存储是最佳的选择。但计算机硬盘的数据在有些时候是会丢失、损 坏的，如计算机病毒发作、硬盘受到冲击、计算机电源电压不稳烧毁硬盘等。所以对 2 图像处理技术及m a t l a b 语言简介 于重要的图像数据要使用其他的存储设备进行备份，如刻录光盘等。 ( 3 ) 运算器 作为微型计算机运算器( c p u ) 已发展到奔腾4 时代，如果使用主频1 7g 的奔腾4 ( c p u ) 那就不用担心处理的速度问题，即使使用主频5 0 0 m 以上的( c p u ) 对于小数据的处 理也是可以让人满意的。 ( 4 ) 图像输出设备 这是图像处理过程中将处理完成的图像进行输出的设备。这类设备可分为： 1 ) 在介质上记录的装置，如印刷机、打印机、胶片记录机。 2 ) 显示图像的设备，这需要显示适配器和监视器。对于图像处理工作来说，提 高处理速度不仅要求( c p u ) 的主频高，对显示适配器的要求也很高，所以尽量选择较 好的显示适配器( 显卡) 。 概括起来讲，常用的图像处理设备可以归结为以下三种： 】) 扫描仪+ 主杌+ 高分辨率显示器+ 普通打印机； 2 ) 显微镜+ 摄像机( 带变焦镜头) + 图像卡+ 主机+ 高分辨率显示器； 3 ) 摄像机( 带变焦镜头) + 图像卡+ 主机+ 高分辨率显示器+ 普通打印机。根据分 析内容的不同可采用不同的配置。 2 3 图像处理过程m ， 人们可以通过各种测试系统从被观测的场景取得图像，用各种光波段从场景取得 的图像可以是微观的、宏观的、表面的、内部的：也可以是静止的、运动的、局部的、 整体的；但它们多数是二维的图像或图像阵列。图像是对周围世界的映像，在数学上 可以用一个二维的连续函数“x ) 表示： “x ) = r c ( t 只 ) y ( a ) d a ，xl x x z ，y l y y z m ( 2 1 ) 其中 是波长，c ( 丑只a ) 是亮度分布函数v ( ) 是人眼的光谱响应函数，tj ， 为图像的两维坐标，要对一幅图像进行数字计算机的处理，首先要对连续图像进行间 隔取样，把提取出来的一组实数样本按灰度等级量化，得一实数阵列，阵列中每一元 素称为像素。由具有确定灰度值的像素构成的阵列所表示离散化的图像称为数字图 像，其阵列叫作数字图像阵列，通常由5 1 2 x 5 1 2 个像素组成，更高级的系统则是1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，灰度值通常分为2 5 6 个等级。 像素数目为n x n 的数字图像的矩阵形式如( 2 2 ) 所示： 2 图像处理技术及i a t l a b 语言简介 2 譬霎兰 ( 2 2 ) 从图像和图像阵列可以提取很多特征，这些特征是图像解释的基础。目前常用的 图像特征有以下几类： ( 1 ) 灰度：包括多光谱、彩色信息； ( 2 ) 边缘：它描述了灰度变化的程度和位置； ( 3 ) 纹理特征：它描述了在图像中反复出现的局部模式和它们的排列规则，反映 宏观意义上灰度变化的一些规律； ( 4 ) 形状特征：它描述了物体、区域和基元的外形，从微观上精细地反映景物及 其诸组成部分的形状； ( 5 ) 物体表面主方向，既三维物体表面的方向： ( 6 ) 传感器与物体表面各点的距离； ( 7 ) 物体运动信息。 图像处理系统将输入的图像和图像阵列作预处理灰度校正、噪声过滤和畸变 校正，根据场景的模型、知识，对场景作解释。从数学角度上简单地说，图像处理的 过程就是利用各种形式的算符q 对，伍处理使之变成另一幅图像口阮，既 6 伍= q f 伍。在处理过程中，图像中的像素可根据程序设计人员的意图来修改。 处理过程只受到程序员的想象力、耐心以及计算资源的限制。处理后的结果由个与 数字化相反的逆过程显示出来：用每个像素的灰度来决定对应点在显示屏上的亮度。 这样处理后的结果又转化成可视的和可供人们解释的图像了。 图像处理的一般过程可简单表示为：图像采集一计算机图像处理一图像输出。 图像处理的常用方法可归结如表2 3 所示。 表2 - 3 图像处理常用方法 粗分类中分类 像质改善锐化、平滑、复原、校正 边缘与线的检测、区域分割、形状特征测量、几何计算、 图像分析 纹理分析、匹配 图像重建投影图像重建、全息图的再生 2 图像处理技术及m a t l a b 语言简介 2 4m a t l a b 语言 m a t l a b 是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件，其语法结构 简单，并具有极强的数值计算、图形处理、数据分析、图形绘制及图像处理等功能， 因而备受数据处理与图形图像生成等非专业计算机编程人员的青睐。m a t l a b 语言是 由美国m a t h w o r k s 公司推出的计算机软件，经过多年的逐步发展与不断完善，现已成 为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一。 m a t l a b 之所以成为世界流行的科学计算与数学应用软件，是因为它有着下列强 大的功能：高质量、强大的数值计算功能；数据分析和科学计算可视化功能：强大的 符号计算功能；强大的非线性动态系统建模和仿真功能：灵活的程序接口功能；方便 的文字处理功能。 另外，m a t l a b 还具有支持科学计算标准的开放式可扩充结构和跨平台兼容的特 点，能够很好地解决科学和工程领域内的复杂问题。m a t l a b 的技术特点主要表现在 以下几个方面：界面友好、编程效率高、功能强大、可扩展性强：图形功能灵活方便； 在线帮助，有利于自学。 总之，m a t l a b 语言已经成为科学计算、系统仿真、信号与图像处理的主流软件。 本课题也正是采用了强大的m a t l a b 语言，在m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 6 1 版开发环 境下进行编程。 1 0 3 软件系统介绍 3 软件系统介绍 3 1 研究对象一毛纤维简介 研究对象是毛纤维。纺织用毛类纤维最大量的是绵羊毛，通称羊毛，绵羊毛一般 分为细、中、粗三种。绵羊毛的粗细不同，其表面形态也各异。绵羊毛在数码光学显 微镜下，从横截面看：接近圆形，纤维越细则越圆；从纵向看：具有天然卷曲，毛干 上覆盖有一层具有方向性的鳞片，羊毛纤维由外向内可由鳞片层、皮质层或髓质层组 成。鳞片在羊毛表面的分布随羊种和羊毛的粗细而变，一般细羊毛比粗羊毛的排列密 度大，可见高度小。皮质层中的正、扁皮质细胞在细羊毛中一般呈双侧分布，而在粗 羊毛中一般呈皮芯分布，它是羊毛的主体。髓质层只存在于较粗的羊毛中，位于羊毛 的中心。 3 2 硬件配置 3 2 1 计算机 c p u 为英特尔奔腾4 0 ，内存为1 2 8 m b ，主频为l6 g h z ，采用1 7 ”显示器，屏幕 区域大小为1 0 2 4 7 6 8 像素。 3 2 2 数码显微镜 课题当中所用的实验图像是由一台数码显微镜获得的，该数码显微镜是由麦克奥 迪( m o t i c ) 集团有限公司制造的d m b 5 型机。d m b 5 型数码显微镜是一种无限远光学系 统显微镜。它配置了1 3 0 万像素摄相装置，采用i e e e l 3 9 4 卡传输数据信号，供计算 机进行图像处理分析，是数码时代发展方向的显微工具。我们通过它自带的m o t i c i m a g e s a d v a n c e3 0 软件可以进行动、静态图像的捕捉，同时拍摄下所需的图像， 操作简洁、快速。 d m b 5 型数码显微镜的主要技术指标如下： 类型：1 3 0 万像素摄像系统； 分辨率： 1 2 8 0 x1 0 2 4 活动像素： 扫描速度：3 0 帧秒( 6 4 0 4 8 0 ) l q 帧秒( 1 2 8 0 x1 0 2 4 ) 像密度： 7 5 用7 5 一脚 颜色获取：红、蓝、绿独立控制 操作系统：w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 3 3 软件环境 3 3 1 操作系统 在m i c r o s o f tw i n d o w s 9 8 操作系统下运行。 3 3 2 开发语言选择 3 软件系统介绍 程序语言采用m a t l a b 语言。采用m a t l a b 语言是因为它具有极强的数值计算、数 据分析、图像处理等功能，而且编程简单，操作简便，特别适合对纺织纤维进行研究。 开发环境是采用m a t l a b 6 1 工具。m a t l a b 6 1 版是m a t h 霄o r k s 公司于2 0 0 1 年5 月推出的最新版本，其速度块、功能完善、界面友好，并且提供了i n t e r n e t 搜索引 擎，可协助用户寻求在线帮助。 3 4 开发思路 平滑、增强、边缘检测、去除噪声、二值化等方法都是计算机图像处理中的常用 方法。多数空域预处理算法涉及到领域处理，对考察点的处理结果与其领域象素值有 关。这种领域处理往往由一个模板规定，典型的算法有中值滤波、均值滤波等。近年 来数学形态学在数字图像处理领域里有了广泛的应用，各种形态结构和算法不断的涌 现，其应用范围涉及各种图像处理过程。数学形态学以集合运算为基础，其基本思想 是用具有一定的形态的结构元去度量图像中的形态以解决问题。其基本的算法是扩 张、腐蚀、开启和闭合。最近，小波技术的兴起也为计算机图像处理技术得以更广阔 的应用注入了新的活力。 计算机数字图像处理技术在纤维检测方面的研究一般有如下几个步骤： ( 1 ) 图像获取，二维图像的获取包括c c d 成像等途径。 ( 2 ) 图像预处理，其目的是对图像进行驱除噪声，突出目标。 ( 3 ) 图像分割和目标提取，主要目的是从图像中获得感兴趣的区域。 特征提取，是要获得对目标的有效特征表达和描述。 本系统的开发思路基于以下两点考虑： ( 1 ) 采用m a t l a b 6 1 软件设计工具，实现在w i n 3 2 平台下能够对图像进行常规的 操作和管理。 ( 2 ) 总结常规图像处理技术和手段，结合由数码摄像机获得的羊毛纤维图像的自 身特点，综合利用数字图像处理的一系列手段和方法，希望在软件中实现对数码摄像 机拍摄的羊毛纤维图像的些处理分析功能：图像后台预处理( 图像增强、边缘提取、 边缘细化) 、纤维特征指标的提取、数据指标的定量计算、数据结果分析等并使软件 向实用的角度发展。 4 系统模块介绍 4 系统模块介绍 4 1 编程的基本思想 在实际测量中我们采用w i n d o w s 9 8 ，平台采用m a t l a b 6 1 ，w i n d o w s 9 8 的突出特 点之一是具有设备无关性或称设备独立性，w i n d o w s 9 8 提供了诸如图形设备接口 ( g d i ) 之类的各种抽象接口。在编程时，我们可以通过调用标准函数与硬件交互。而 且我们也可以利用信息驱动的特点，应用其原有的信息并自定义所需的新的信息，驱 动应用程序以实现各种功能，这样无论是读取图像、图像预处理、测量及数据存储都 可以通过响应相应的信息而完成，实现良好的人机交互功能。 在资源管理方厩，将各主要进行步骤添入顶层菜单项中，其它各相关功能以下拉 菜单选项形式表现出来。 在定标测量时采用对话框形式，以方便输入实际数据。并按照需要增加视类，实 现功能分类管理，使程序可读性增强。 总之，利用m a t l a b 6 1 在生成整个程序框架的基础上，以简洁、实用、形象、直 观的原则设计好用户界面，首先我们可以利用主窗口上的菜单栏、工具栏和组件板在 窗体上进行必要的操作，同时可以通过对象监视器来设置组件的属性和建立事件，在 代码编辑器里输入我们想要的信息，以实现所需的目的，逐步进行应用程序的建立、 调试、修改以及测试。 4 2 软件的总体结构 主程序窗口如图4 1 所示，显示一个标题条、一个菜单条、窗口的最大、最小化 键、边框、系统菜单及其它诸如工具条、状态条等的用户接口。 图4 - i 程序主窗口 1 3 4 系统模块介绍 图4 一l 程序窗中各下拉菜单负责读、写和存放程序数据，实现和完成图像的加载、 几何变化、二值化、图像增强、边缘提取、边缘细化、数据的计算及计算分析等。 窗口类作为处理用户的输入和管理用于显示程序数据的观察窗口，根据需要我们 又建立了两个子窗口，用以显示相关指标的计算结果以及数据的存储。软件的功能框 图如图4 2 所示。 加载图像 一j r 图像处理 i一 r l 手动测量ll 自动测量 l + 测量计算 上 计算分析 图4 - 2 软件的功能框图 4 3 模块介绍 4 3 1 图像获取模块 a m a t l a b 中图像类型转换 m a t l a b 中的数字图