（纺织工程专业论文）基于电容式条干仪测试数据的电子黑板模拟系统的研究与开发.pdf

摘要 纱线条干是衡量纱条质量的主要指标之一，纱线条干的好坏不仅对纱线质量评 定有影响，还将影响整个企业的经济效益。多年来，国内外许多专家学者致力于纱 线条干的检测进行研究、不断改进检测的方法和仪器，以便能更好的检测纱线的条干 状况。 本课题针对电容式条干均匀度仪检测的纱条质量不匀率与纱线表面质量的相关 性不强，所测得的数据缺乏可视性等一系列问题，利用计算机数字图像生成技术结 合先进的面向对象程序设计方法，开发出一套基于电容式条干均匀度所测试数据的 纱线黑板条干图像模拟的应用软件，以提高纱线条干的检测水平。 本论文模拟的纱线电子黑板是基于电容式条干均匀度仪所测得的数据的线密度 值模拟的，所采用原理是：获取纱线的细度，结合具体模拟算法，在软件中模拟纱线 缠绕黑板，可以任意地和迅速地观察不同纱线段的黑板条干。论文的主要工作及结 论有：( 1 ) 分析黑板检验纱线条干的物理本质及形成纱线条干不匀视觉效果的影响 因素。( 2 ) 以真实纱线的黑板条干扫描图为参照物，对纱线细度不匀的直观图像表 征进行提取，并放大到像素级数，观察并分析纱线粗细变化时的像素变化规律，得 到模拟纱线电子黑板图像的借鉴之处。( 3 ) 对电容式条干均匀度仪检测的影响因素 进行分析。尤其是纱线的介电系数的影响，验证了纱线在电容式条干均匀度仪检验法 中测得的电压值与纱线的线密度之间的线性变化规律。( 4 ) 纱线黑板模拟部分，提出 作者的一些实现模拟的算法：如矩形块模拟、矩形的像素填充、纱线平滑过渡、多根 纱线的排列模拟等。在得到纱线黑板模拟图之后，采用了与常规图像处理相反的添加 椒盐噪声处理，加强模拟图的真实感，经与真实纱线黑板条干扫描图像对比，模拟图 达到逼真的效果。( 5 ) 在软件功能中，设计具有实效性的纱线黑板模拟的起点选择功 能。使得软件的实用性更强，与电容式条干均匀度仪检测形成很好的结合。 经过不懈的努力，开发的基于电容式条干仪所测数据的电子黑板模拟系统，可 以逼真的模拟纱线任一段的黑板条干图像，并且降低了用户的测试成本，对工厂大 批量测试来讲，正是工厂现在急需的应用软件。 关键词：电子黑板电容式条干均匀度检验像素变化规律模拟算法 t h er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fe l e c t r o nb l a c k b o a r d i m i t a t i n gs y s t e mb a s e d o nc a p a c i t a n c ee v e n n e s st e s t e r a b s t r a c t y a r ne v e r ! e s si so n eo f t h ek e yi n d i c a t o r st om e a s u r ey a r nq u a l i t y i td o e s n to n l yh a v e i n f l u e n c eo ny a r nq u l i a t ye v l n a t i o nb u ta l s oh a si n f l u e n c eo ne c o n o m i cb e n e f i t so ft h e w h o l ee n t e r p r i s e s o v e rt h ey e a r s ，m a n yd o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t sa n ds c h o l a r sh a v e d e v o t e dt h e m s e l v e st od e t e c t i o no fy a r ne ，c n n e sa n dc o n t i n u o u s l yi m p r o v i n gd e t e c t i o n m e t h o d sa n de q u i p m e n t si no r d e rt oo b t a i nb e t t e rd e t e c t i o no f y a r ne v c n n e s s i nv i e wo fw e a kc o r r e l a t i o nb e 伽e e ny a r ni r r e a u l a r i t ym e a s u r e db yc a p a c i t a n c e e v c n u e 豁t e s t e ra n dy a r ns u r f a c eq u a l i t y a n dm e a s u r e dd a t as h o wal a c ko fv i s i b i l i t y c o m b i n i n gw i t hd i 昏t a lg r a p h i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n da d v a n c e do b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g , a n a l o gp a t t e r ns o r w a r eo fb l a c k b o a r dr e g u l a r i t yi sd e v e l p o e dt oi m p r o v e t h ed e t e c t i o nl e v e lt e s t i n gb a s e do nt e s t i n gd a t ao fc a p a c i t a n c ee v c n n e 龉t a s t e ri nt h i s p a p e r a n a l o gp a t t e r ni sh a e do nl i n e a rd e n s i t yd e t e c t e db yc a p a c i t a n c ee v o i m e s st e s t e ri n t h i sp a p e r i t sp r i n c i p l ei s ：f i r s ty a ml i n e a rd e n s i t yi so b t a i n t h e ns p e c i f i cc o m b i n a t i o no f a n a l o ga l g o r i t h mi sa d o p t e da n db l a c k b o a r de v c i m o s so fd i f f e r e n ty a r nc a l lb ed e t e c t e d q u i c k l y a ta n yt i m eb yi m i t a t i n gy a r nw i n d i n gb l a c k b o a r d b ys e t r a r e m a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e r ：( 1 ) p h y s i c a ln a t u r eo fb l a c k b o a r d e g u l a f i t yd e t e c t i o na n di n f l u e n t i a lf a c t o r se f f e e t i n gv i s i o na r ea n a l i z e d ( 2 ) r e a ly a m s c a n n i n gm a po f b l a c k b o a r dr e g u l a r i t yi ss e l e c t e da sr e f e r e n c es u b s t a n c ea n di l l u s t r a t i v e d i a g r a mc h a r a c t e r i s t i c so fy a mu n e v e n n e s sa r ee x t r a c t e d a n di t sc h a r a c t e r i s t i e sa r e e n l a r g e dt op i x e l ss e r i e s p i x e l sc h a n g er u l e sw i t hd i f f e r e n ty a ml i n e a rd e n s i t ya r e a n a l y z e da n dr e f e r e n e so fi m i t a t i n gy a me l e c t r o n i cb l a c k b o a r di m a g e sa r eo b t a i n e d ( 3 ) i n f l u e n t i a lf a c t o r so nc a p a c i t a n c ee v e n e s st a s t e ra n de s p e c i a l l yi l i f l u c t l e eo fd i e l e c t r i c c o e f f i c i e n ta r ea n a l y z e d l i n e a rc h a n g e sb e 咐e e nv o l t a g ea n dy a ml i n e a rd e n s i t ya r e v e r i f i e di nd e t e c t i o no fc a p a c i t a n c ee v e n e s st e s t e r ( 4 ) s o m es i m u l a t i o na l g o r i t h m sa r e p u t f o r w a r di ns i m u l a t i o no fy a mb l a c k b o a r d t h e yi n c l u d er e c t a n g u l a rb l o c ks i m u l a t i o n , r e c t a n g u l a rp i x e l sp a d d i n g , y a ms m o o t ht r a n s i t i o na n da r r a n g e m e n ts i m u l a t i o no f m u l t i p l e y a m s n o i s ep r o c e s s i n gc o n t r a r yt oc o n v e n t i o n a li m a g ep r o c e s s i n gi sa d o p t e dt os t r e n g t h e n s e n s eo fr e a l i t ya f t e ry a r nb l a c k b o a r ds i m u l a t i o i lb e i n go b t a i n e d r e a l i s t i cs i m u l a t i o n r e s u l t sa r ea c h i e v e db yc o m p a r i n gw i t hs c a n n i n gm a po fy a r nb l a c k b o a r d ( 5 ) f u n c t i o no f s t a r t i n gp o i n ts e l e c t i o ni so fa c t u a le f f e c ta n di sd e s i g n e di ns o f e w a r e i tm a k e ss o f t w a r e m o r ep r a c t i c a la n dh a sag o o dc o m b i n a t i o nw i t hc a p a c i t a n c ee v e n t l e s st e s t e l e c t r o n i cs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nc a p a c i t a n c ee v 翻t l n o s st e s t i n gd a t ai s d e v e l o p e db yu n r e m i t t i n ge f f o r t s y a r nc a nb es i m u l a t e da ta n ys e c t i o nw i t hb l a c k b o a r d e v c n r t e s si m a g e s t h i ss o f t w a r ec a l lr e d u c et h ec o s to ft e s t i n ga n de s p e c i a l l ym e e tu r g e n t n e e d so f a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nm a s st e 毽t m go f e n t e r p r i s e s r a n b a o - h u a ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：z h a n g y i - x i n ( p r o f e s s o r ) k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cb l a c k b o a r d ，c a p a c i t a n c ee v 朗n e s st e s t , c h a n g er u l e so fp i x e l s ， s i m u l a t i o na l g o r i t h m s 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程科技学院有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程科技学院。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程科技学 院。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 驴 v 硌z 名 期 签师教导指 珏 西安工程大学学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究生工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本 人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日 期： 韩宝牵 加，7 力， 绪论 1 1 课题的提出 1 绪论 对于纺织行业来说，纱线的粗细均匀度测试是提高质量的主要内容之一。纱线均 匀度不仅在很大程度上决定纺织品的外观及内在质量，而且还对纺织生产过程的稳定 性有着重大影响。如在针织加工中，纱线中的细节往往会引起针织品的裂孔，而过量 的不匀或纱疵的存在则会使加工中的成圈过程遭受破坏，有时还会引起断针等现象。 所以，纱条的均匀度测试是纺织品生产过程中一个必不可少的环节。就广义而言， 纱条不匀具体包含以下几个内容【5 1 6 1 ： ( 1 ) 纱线沿长度方向上单位长度的质量不匀率，或称线密度不匀率。这是且前工 业生产中用仪器检测的最主要的内容。 ( 2 ) 纱线外观直径或纱条截面投影不匀率，其程度和视觉相一致，并和织物表面 所呈现的不匀率具有一定程度的相关性。目前，此种纱条不匀主要用人工观察黑板的 方法检测，无法大量抽取样本。 ( 3 ) 纱线的捻回不匀、强力及伸长不匀、色泽不匀等。 用目光检验法来评定纱线的条干不匀，是被列为国家标准的检验项目之一的检验 方法【l ”。这种评定方法是将纱线用仪器按一定密度绕在黑板上，然后将此黑板在一 定光照条件下与标准样板对比，根据黑板上纱线形成阴影的深浅，阴影面积的大小， 粗节的粗度和数量的多少，以及是否有严重疵点如粗节、细节、竹节和严重规律性条 干不匀等情况，综合评定纱线品级。目光检测法能比较全面的表达纱线条干的优劣， 它不仅能直观、方便的定性反映纱线短片段的不匀情况，而且可以细辨纱线条干不匀 的具体内容，如阴影、云斑等，还可具体分辨出纱线上的粗节、细节、竹节、毛羽及 棉结，分析造成不匀的原因，预测布面质量，提供面料设计依据，便于工艺上的改进， 在实际生产中得到了广泛的应用。但是，由于这种检验主要依赖检验人员的感官进行， 采用目光评比，此法受人为因素影响较大，检验人员对标准掌握的熟练程度、本身生 理条件的变化、不同的客观环境等因素，都将直接影响检验结果的正确性【1 6 1 。 自二十世纪四十年代以来，电容式条干仪在世界各国已取得了广泛的应用，电容 式均匀度仪测量法在纱线均匀度测试中居于主导地位。电容式条干均匀度仪主要是应 用电容原理对纱线质量不匀率进行检测 i o q 5 j 。当纱线试样以定的速度进入由两平行 金属极板组成的空气电容器时，会使电容器的电容量增大。当连续通过电容器极板间 的纱线线密度变化时，电容器的电容量也相应的变化。将电容量的变化转换成电量的 变化，即可得到纱条的线密度的不匀率，可用平均差系数u 或变异系数c v 表示。 1 绪论 电容式条干均匀度仪上显示的细节、粗节、棉结( 毛粒) 数是用仪器测试的，并能定 量的反映纱线疵点的程度，同时还能获得条干c v 值、“不匀曲线”、“长度变异曲 线”以及“波谱图”等质量信息，以适应不同要求的不匀分析。但是质量不匀率同外 观均匀度相比，与织物表面质量的相关性不强，而生产者关心的只是最终的纱线条干 和布面质量如何，从电容式条干仪得到的数据中无法直接与布面质量和内在质量相关 联，因此影响着其进一步发展。 正是由于上述原因及考虑，将电容式均匀度仪所测得的数据模拟出纱线电子黑 板。利用数字图像生成技术以提高纱线质量检测、分析、预测水平，就成为学术研究 的一个重要课题，将具有较高的理论与实践价值。 1 2 国外纱线外观测试仪 1 2 1 电荷藕合器件( g o d ) 电荷藕合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代初期最先由贝尔实验室 发明的。c c d 器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围受到世 人瞩目。3 0 年来，c c d 作为检测手段在各个科研与工业领域都得到了广泛的应用， 尤其是在纺织领域的动态检测方面1 2 2 - 2 7 ： 以2 0 4 8 位线阵c c d 摄像机对布面进行动态检测，当布面有疵点或漏洞时，能够 在布边上打印提供修布用的标志：当布检验到一定长度时，可以统计该长度内疵点和 漏洞的个数；布尽时可自动停车、停止检验，并统计布长、疵点、漏洞等参数。 人体澳0 量是服装设计和生产中十分重要的基础性工作【2 飘，采用c c d 与红外传感 技术相结合的三维人体尺寸自动测量系统，摒除了人体着装的影响，能够快速、准确 地进行入体裸尺寸的测量。 a c c d 的工作原理 用c c d 测量不透明圆柱体的直径，一般有三种方法：衍射法、放大成像法和平 行光成像法。从成本方面考虑，可以选用放大成像法。常用c c d 器件有线阵和面阵 两种。 对于被测物是近似圆柱体时，如图1 1 ，光源的照明使被测圆柱产生阴影轮廓， 由透镜放大或缩小后成像于c c d 阵列上，c c d 输出的信号经过二值化后，得至一宽 度与视场轮廓图像对应的脉冲串列，而被测纱线的尺寸与脉冲串宽度形成一定的对应 关系，由此可以得到被测量圆柱直径。 2 1 绪论 仪= d 阵列 图1 1c c d 光学系统 b c c d 直径测量系统的优点： ( 1 ) 采用了c c d 作为光电转换传感器来实现零件尺寸的光电非接触测量，它是 零件尺寸测量的一项先进技术。采用c c d 进行测量有独有的特点，首先它本身是光 电传感器件，它的光特性主要取决于材料的物理性质，因而具有较高的可靠性，其次 它本身又能扫描，非常适用于动态快速测量。它的输出信号是数字式的，通过视频处 理芯片可以直接与计算机相联，组成智能型的测量系统或质量检测系统，因而它有着 广泛的应用前景。 ( 2 ) c c d 直径测量系统测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强，是一种非接触 式的测量系统，属于无损伤测量，不影响加工系统的正常进行，非常适用于 自动化生产线上的零件尺寸测量。 ( 3 ) 与同类测量系统相比，该测量系统成本低。由于可以与计算机相联，可进行 测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中如出现质量7 问题进行报警和提示，便于实现控制和生产过程自动化。 1 2 2 电子检视板( e l 町 电子检视板( e r a ) 检测是目前一种比较新的纱线条干测试方法1 9 】1 2 1 】【3 5 1 ，它是由美 国劳森公司( l a w s o n h e m p h i u ) 利用c c d 技术开发出的，e i b 包括一个线形扫描摄像 头、一个照明系统、一个c t t 恒定张力纱线供送系统和一台微电脑。他的工作原理 是利用c c d 数字摄像技术对供纱系统输入的纱线进行扫描，再将得到的信息输入 电脑，通过数字光学分析和配套的软件进行数据处理。用户可获得纱线的外观图像 ( 包括粗节、细节、棉节等纱疵的尺寸和数量等) 、纱线的直径和直径变化曲线等。 与传统仪器法相比，具有以下优点：( 1 ) 由于分辨率高可检测很细微的变异。( 2 ) 不 受湿度、杂质和纱色的干扰。( 3 ) 能测捻度对纱线直径和所制织物外观的影响，能 模拟纱线卷绕与黑板的视觉效果，从而得到与肉眼目测法一致的纱线分级结果。( 4 ) 能模拟所制织物的外观，预测纱线的用途。 3 i 绪论 e m 纱线外观检测系统是采用c c d 光电式检测手段测试纱线外观均匀度、纱 疵、毛羽等的最新仪器，其特点是：分辨率高，能够检测出长度为o 5 m m 的纱疵， 测量直径可精确至0 0 0 3 r a m ：测试不受相对湿度、温度、颜色和纤维介电系数等 因素的影响；与传统黑板评级相比，消除了人为因素的误差，并能利用计算机模拟 技术来预测织物外观，帮助优化纱线的最终用途；可帮助设置清纱器参数，提高清 纱效率等。 镜头以固定频率每次扫描2 0 4 8 个像素( 一个像素为3 2 5 肿) 。当纱线在经过光 源和c c d 镜头组成的测量区时，纱线影像所占据的像素被存储下来，即检测系统 获得了纱线瞬时的直径d 纱线连续通过测量区，它的投影就被电脑记录下来，也为 进一步的数据分析和各种模拟操作提供了原始数据。 为了充分发挥c c d 镜头的优势，做到测量准确，e i b 系统总是先测量足够长 的一段纱线并求得平均直径，然后根据预设门限求算出纱疵的直径 4 6 1 ，最后将e i b 纱线检测系统检测到的数据同纱疵的直径比较。图1 2 以粗节为例，当首次出现大 于纱疵直径的数值时，计算机记下纱线的位置；当再次出现大于纱疵直径的数值时， 计算机再次记下纱线的位置，这两个位置的差就是纱疵长度。 l 一一0 l 一 图1 - 2e i b 系统计算粗节原理图 1 3 课题的意义及研究内容 设 隈 本系统所采用的纱线黑板模拟原理是：获取纱线的细度，然后再在软件中模拟纱 线缠绕“黑板”，可以迅速地观察任意段纱线的电子黑板。这种模拟的电子黑板不仅 与布面质量有较好的相关性，而且对织物内在质量的分布有很强的预测能力。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 对纱线黑板检验的实质进行分析。将黑板上的纱线细度差异与肉眼的视觉效 果联系在一起。 ( 2 ) 仔细观察扫描黑板图样，提取粗节等黑板的直观图像表征，分析其对纱线黑 板模拟的借鉴之处。 ( 3 ) 对电容式条干均匀度检测原理及影响因素进行系统分析，验证纯纺棉纱在电 容式条干均匀度测量中，纱线的线密度与电压之间的线性关系。 ( 4 ) 建立纱线黑板模拟过程的各部分算法，实现纱线黑板条干的模拟。 4 i 绪论 ( 5 ) 利用面向对象的可视化编程语吉d e l p h l 7 0 编制软件，实现纱线黑板模拟系 统的各项功能。 1 4 本章小结 本章主要介绍纱线条干不匀检验的黑板检验法和电容式均匀度检验法的优缺 点，在此基础上提出对纱线黑板模拟课题研究的意义。简单阐述了国外的纱线外观测 试技术，最后对课题的研究内容作了概述。 2 纱线黑板检验的实质 2 1 黑板检验法 2 纱线黑板检验的实质 纱线黑板检验是感官测定纱线条干水平的一种方法。用目光检验法来评定纱线的 短片段条干不匀率，是被列为国家标准的检验项目之一。这种方法是先将被检验的纱 线均匀地绕在黑板上，在一定的照度和距离下，和标准样照进行对比评定。我国采用 黑板检验法已有几十年的历史。 2 1 1 检验条件 ( 1 ) 条干均匀度的检验条件：暗室中进行，暗室四周涂以不反光的黑色。采用两 条并列的3 0 w f d 6 5 标准光源或青色3 0 w 日光灯。正常目力条件下，检验者距黑板 距离2 5 ：t ：0 3 m ，黑板和样照的中心高度与检验者的目光处于水平状态。 ( 2 ) 棉结杂质的检验条件：北向自然光源，有窗户，照度不低于4 0 0 i x ，保证室 内光线充足。检验面的安放角度与水平呈4 5 。：1 ：5 。检验距离以目视结杂清晰为准。 ( 3 ) 黑板尺寸为1 8 0 m m x 2 5 0 m m x 2 m m ，表面光滑，板面黑度均匀致，只有散 光而无镜面反射；反面贴有绒布条，上下端距短边约3 c m 。 2 1 2 检验方法 & 条千均匀度的检验方法【1 6 1 ( 1 ) 均匀度评级是根据l o 块黑板中优级、一级、二级、三级板所占的比例综合 考虑。 ( 2 ) 单块黑板的评级方式：以黑板对比标准样照作为条干均匀度评定品级的主要 依据。 ( 3 ) 与标准样照对比，好于或等于优级样照的评优级，好于或等于级样照的评 一级，差于一级样照或有严重疵点的评二级，严重规律不匀的评三级。 ( 4 ) 评级的项目是粗节、阴影、严重疵点和规律不匀。 b 棉结杂质检验方法 将浅蓝色底板插入试样与黑板阊，用黑色压板压在试样上，正反两面计数，算 出十块黑板棉结杂质总数，按公式折算成每克棉结杂质数。 6 2 纱线黑板检验的实质 2 1 3 对黑板条干均匀度检验的评价 黑板条干均匀度具有直观、简便、速度侠、效率高、能综合评定纱线外观质量、 容易将纱线与最终产品的外观质量联系起来等优点。在检验过程中能清楚地反映出纱 条不匀的具体内容和性质：如租节、细节、阴影、云斑、竹节及白点等，有助于寻找 造成不匀的原因，并改进工艺。其缺点在于容易受检验人员主观的影响，检验结果误 差较大：首先，检验人员对客观事物认识有差异：其次，检验人员的目测能力存在最 小辨别度问题，如果细纱条干之间的差异小于检验人员的辨别能力时就会出现辨别不 清或辨别错误的弊病：第三，用电容式条干均匀度仪器测定c v 值，可以反映连续 1 0 0 0 米甚至更长的细纱条不匀，而检验黑板一面所反映的不匀只代表断续2 0 米长的 细纱，难以检验较长片断的不匀。 正因为有许多因素可以影响操作人员的判断，所以需要定期核对和统一检验人员 的目光。 2 2 黑板检验的物理本质 2 2 1 细度差异形成的视觉效果 人眼视觉是一个光学系统【1 7 1 从纱线黑板反射的光线经折射入人的眼睛，在视 网膜上形成物象，并由视神经传递给大脑。人感知的黑板物象实际是受黑板自身的灰 度分布和周围环境影响的综合结果 a 黑板图像灰度分布的影响因素分析 ( 1 ) 照明度：视觉系统对不同照度下相同物体的感知效果是不同的。随着照明度的 提高，感知图像的总体灰度水平也提高。照明度与图像的平均灰度之间呈线性关系 翱。 ( 2 ) 黑板的颜色和质量：黑板的颜色、反光度、颜色均匀度都会直接影响黑板图 像的灰度和均匀度。 ( 3 ) 纱线的粗细和卷绕密度：相同号数的纱线，卷绕密度越大，则黑板面的平均 灰度越亮；卷绕密度相同的条件下，号数越小的纱，黑板面的平均灰度越暗。 ( 4 ) 纱线的外观均匀度：中长片段的纱线不匀会改变黑板面的整体灰度水平：而 短片段的纱线不匀会造成灰度在空间区域的分布不匀，细节处呈现出发暗的阴影，粗 节处为发白的云斑。粗节、细节处的反光特性有所不同，粗节处松散，细节处紧密， 棉结处纤维排列紊乱，均在人眼中形成一定的灰度差异。 ( 5 ) 纱线的反射等光特性：光线射到纱线表面，产生光的反射、折射、吸收及衍 射等复杂的情况。这些情况决定看到的纱线的光泽。 ( 6 ) 纱线疵点和颜色：不同品种的纱线，纱线的污渍及杂质对灰度也有影响。 7 2 纱线黑板检验的实质 综上所述，若在理想条件下照明度固定不变，黑板均匀，纱线污渍影响忽略不计， 则黑板的灰度不匀效果主要由纱支粗细，纱线卷绕密度和外观均匀度变化决定。 b 覆盖度：覆盖度表示纱线对黑板的覆盖程度，是一个直接影响肉眼观察到的均 匀变化程度的量。以d 表示直径，s 为绕纱问距( 即单纱之间的中心距) ，覆盖度表 示为： ，：1 0 0 s + d 若用绕纱密度n ( 根e r a ) 表示，还可表示为 行：竺旦1 0 0 。 1 0 表2 1 棉型纱线不同卷绕密度的覆盖度比较 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 从表2 一l 可看出，g b t 9 9 9 6 2 0 0 1 中不同号数对应于不同的卷绕密度，不同档号 的纱线覆盖度很接近，约1 8 。这表明不同号数棉纱有共同的比较标准，现行黑板检 验法正是在覆盖度一致的基础上进行的。无论什么号数的纱只要覆盖度接近，纱线面 积与未被覆盖的黑板面积( 黑白色素) 的比例也相同。则黑板的平均灰度也相同。当 然，同一号数档的纱，直径有一定的变化范围，覆盖度也略有波动。 c 细度不匀形成的视觉效果：由上述可知，黑板的均匀度变化主要受细度均匀度 变化影响，对于同一粗细规格的纱，绕纱密度n 一定，则有 k ：垒翌：竺f 2 r d 、7 此式表明，覆盖度的变化率与直径的变化率一致。纱线有粗细变化时，覆盖度变大， 纱线间距小，黑板上发白发亮；有细度变化时，覆盖度变小，纱线间距大，黑板上 显得黑，细节聚集处就形成局部发暗的阴影。由此纱线的粗细变化就通过排列有序 2 纱线黑板检验的实质 的纱线在黑板的映射下形成宽窄条斑效果。 2 2 2 视觉效果的物理本质 视觉光学系统是通过视网膜感知色光点的强弱，形成对物体的印象，人的视密度 指入眼分辨两个不同的发光点，也就是物体精细形状的能力，主要受到衍射斑纹的锐 利分辨极限和视觉神经细胞分辨能力的限制1 1 8 - 2 0 。如图2 1 所示，视敏度定义为人眼 能分辨的两点对人眼所张的视角2 a 。正常人的视敏度在一分左右( o 0 1 7 。) ，最好情 况下达半分左右( 0 0 0 8 。) 。 图2 - i 两物点在瞳孔上所张的视角 纱线黑板图像可看成由黑白两色像素组成。根据视觉光学原理，当相邻纱线间距 较小时，检验者已不能精确分辨出纱线的粗细或纱线与黑板的界限，检验者看到的纱 线实际上是含混不清的黑白混色一灰色的效果。当相邻纱线间距较大时，检验者可以 看清纯色的黑板色素，由此可见，纱线的条干均匀度检验的本质就是通过黑、白、黑 白混色的灰度差别来发现纱线均匀度差别。 2 3 均匀度差异识别机理的研究 2 3 1 黑板不匀的三个层次 黑板上的灰度不匀按照其发生的范围大小分为三个层次 3 6 ，( 1 ) 单根纱线的粗细 变化产生的纱线条干不匀，如粗细节、棉结等；( 2 ) 发生在局部小范围的相邻纱段组 合区域的不匀，如阴影、云斑等；( 3 ) 局部不匀综合形成的全局不匀( 整个板面的不 匀) 。第一种不匀是决定性和基础性的：第二种不匀是由第一种不匀决定，但又受黑 板宽度，纱线排列组合等多种因素影响：第三种不匀以第种和第二种不匀为基础， 近似其量化的总和。后两种不匀与所制织物呈现的不匀极其相似，对于准确预测纱线 的后序使用质量有重要的意义。通常电容式条干均匀度仪法测试的是第一种不匀一纱 段不匀，而对后两种不匀是根据第一种不匀结果间接推测的。本文模拟的电子黑板可 以提供了丰富的三层直观不匀信息，能够反映纱段组合区域的不匀和全局不匀。 9 2 纱线黑板检验的实质 2 3 2 不匀的识别过程 按照撇r r 理论【5 8 1 ，人们视觉识别物体分三个阶段：图像一要素图一2 5 维图一 三维图。因为黑板近似看成平面物体，我们的焦点放在获取要素图的第一阶段一又称 早期视觉阶段。这一阶段的主要目的是把原始二维图像中的重要信息表达出来，分为 三个阶段：( 1 ) 找出图像灰度剧变的地方，称之为边素；( 2 ) 将边素连接成边缘，围 线或纹理，并给出它们的几何分布和组织结构表示；( 3 ) 根据围线对图像中物体进行 分割和平滑。以上方法是基于边界的，也可以先对图像分割，形成对应于物体和背景 的不同区域，这些区域的边界为灰度剧变的地方。 纱线黑板的早期视觉识别中，完成了两次分割【4 l 埘l ，一是白色纱线从与灰度反 差很大的黑色背景中分离。按一定规贝i j 形成了粗细段的表达；二是相邻粗纱段组合区 云斑和相邻细纱段组合区域一阴影从整个板面的分割。事实上，人的眼睛对这些不 匀的感知几乎是同时的，一瞬间就完成的。因为人的视觉有很大的灵敏性，具有动态 追踪细节的能力，在形成全局印象的同时，实现由扩展游移到定位在感兴趣的点、线 或局部区域等细节上。 人在不同距离观察黑板的效果是不同的。近距离时，视野窄，人的视觉容易定 位在细节，可以在视敏度内对纱段不匀直接识别【孔- ：3 4 1 。随着距离的推远，人的视敏度 下降，看到纱段变得模糊，对纱段不匀不能直接识别，而主要通过感知覆盖度变化所 形成的灰度差异来识别；同时，随着远距离视野的变宽，人对区域灰度不匀的敏感程 度高于纱段不匀。黑板检验中，棉结等疵点的判别是在近距离进行的；而不匀的判别 是远距离进行，然后再近距离处观察粗细节的形态和大小及计数等。 人对纱段不匀和区域不匀的识别也是极其复杂的问题。他涉及到比较的参照物、 比较规则、人眼敏感闽值等生理和心理的因素。这些，将在下章中，结合纱线黑板图 像直观特征提取中加以阐述。 2 4 本章小结 本章中对黑板检验法进行简单的介绍，详细阐述了黑板检验的物理本质，对黑 板上的纱线细度不匀所引起的视觉效果，从现象到本质进行细致的分析。为本课题的 不匀纱线的电子黑板模拟作了理论铺垫。 l o 3 电子黑板模于虬的技术可行分析 3 电子黑板模拟的技术可行分析 3 1 纱线模拟技术概述 纱线黑板的模拟，先模拟出黑板的背景容器，将一根根纱线模拟出来排列在黑板 上。从概念角度来所说，属颜色二值化范畴。整个模拟过程中只涉及黑白两种颜色及 灰度的变化。显然，纱线的模拟是黑板模拟的基础。本节具体介绍纱线模拟的基本原 理和相关技术。 3 1 1 纱线的几何建模 对纱线进行建模的传统方法是用图形的方式对纱线进行参数化设计从而达到模 拟纱线的目的，设计思想是用一组循环排列的倾斜放置的矩形色块来表示纱线，每个 具有色彩的小矩形即代表纱线每个单元块的仿真模型，如图3 1 所示。这种方法简单 明了，在理论研究上很有意义，但在实际软件开发过程中，由于缺乏纱线模拟的真实 性和程序实现的方便性，所以在2 0 0 2 年，杭州电子工业学院的马云芳、王小华【5 9 1 在进 行纱线的计算机模拟时采用了擦去四个角的平行四边形来模拟纱线的方法，其纱线的 单元块模型如图3 2 所示，这种方法在考虑纱线捻度的基础上增强了纱线的凹凸感，。 为织物模拟奠定了良好的基础。 图3 - 1 纱线的矩形色块模型 3 1 2 纱线的图像和数字化描述 图3 - 2 纱线的平行四边形模型 纱线的图像描述法，是指对纱线可直接给出图像或交互式做出其图像，这样易于 形象地表示各种特殊纱线的效果，在显示器上取纱线图像中的某一节来显示。 纱线的数字化描述是用若干参数和公式把生成规律和模拟图像表示出来，把各种 纱线、纱结分类归纳，确定变化规律和范围以及有关的影响参数，没有规律的参数在 系统运行时取随机数。2 0 0 3 年华中科技大学的邓中明和武汉科技大学的吕红梅合作 采用上述两种方法的智能结合模拟纱线【删，对有规律的股线或段染纱用数字化描述， 而对于花式纱线中的装饰如线结、彩点、毛羽等用图像或随机规律表达，这样易于形 3 电子黑板模拟的技术可行分析 象逼真的表示各种特殊纱线的效果。计算机可以根据纱线的形状判断并转化成纱线参 数( 如号数、捻度、色泽、捻向等) ，且可以将设计完成的纱线存入纱线库，以备后 期织物模拟时调用。 3 1 3 通过纱线外观的统计特性模拟纱线 当光线照到纱线表面上时，纱线的颜色或明暗程度由于其形态( 弯曲、不光滑) 及光源的照射角度的不同呈不对称分布。浙江工程学院的施国生和梁道雷认为，如果 把纱线外形看成圆柱形，则纱线的颜色变化表现为具有统计规律的随机特性。并于 2 0 0 4 年提出了用随机过程的马氏链模型建立纱线模型的方案【6 1 l ，并在织物模拟时取 得了一定的效果。且在纱线的模拟技术上开辟了又一条新思路。 3 1 4 纱线的三维建模( 结合物理方法) 在绝大多数的机织物c a d 系统的织物外观模拟功能中，基本都提供了纱线的设 计功能，但基本上都是二维造型的，而且是单纱。2 0 0 2 年天津工业大学的郑天勇博 士致力于更加真实地反映纱线在织物中的空问状态的研究，运用数学和物理结合的方 法建立了纱线和股线的三维模型【硎。其研究理论是，利用m 瓜b s 曲线构造纱线的表 面，采用纹理映射的方法反映纱线表面的粗糙度和捻度，得到的织物模拟图像具有高 低起伏的凹凸感和阴影效果，并改变了过去模拟图像中纱线的单调和光滑的局面。这 些模型的建立使织物模拟技术更进了一步，并使织物模拟技术上升到了三维模拟的阶 段。 3 2 纱线黑板扫描图像上的直观图像表征 从细度不匀纱线黑板的扫描图像上，可观察到纱线的粗细节，阴影，云斑以及均 匀段纱线在图像上的直观表示。可通过扫描图像的像素图观察，了解这些疵点在形成 图像时的像素规律，有益于后期纱线黑板的模拟。 3 2 1 粗细节的直观图像表征 粗细节是指与标准样照对比，在纱线上出现某些较正常纱线租或细的片段。纱疵 仪上粗节可分+ 3 0 、”o 、+ 7 0 、+ 1 0 0 四档，细节可分一3 0 、一4 0 、 一5 0 、一6 0 四档。据u s t c r 手册说明【2 9 l “s - 4 9 1 ，粗节截面比纱线平均截面大3 5 以上，细节截面比纱的平均截面小3 0 0 o 以下时，肉眼才有反映。但是关于粗细节的定 义美国的a s t m 标准与国标存在分歧。a s t m 规定粗细节的比较参照物是邻接片段， 而国标认为参照物是黑板面上纱线平均直径。仔细观察扫描图像可发现这样的事实： 1 2 3 电子黑板模拟的技术可行分析 有些纱段与其邻接片段相比就能显出粗细：有些纱在长度方向上大致均匀，但与其左 右相邻纱段比较才表现出粗细；有些纱段在局部小区域内粗细差异不明显，但在整个 板面中就显得偏粗或偏细。由此可知，人们对粗细节的鉴别相当模糊，粗细节识别的 比较基准是不确定的。人们在鉴别粗细时，涉及到两种比较方法：一是相对比较，即 两两比较；另一种是绝对比较，即以全局标准为参照物对纱段进行统一的比较。这两 种方法往往是几乎同时进行的，人们对相对比较更加敏感，而绝对比较是在相对比较 的基础上形成的。绝对比较虽不如相对比较直观，但有统一的比较尺度唧- 5 3 1 。 对纱线黑板的部分扫描图，应用两种比较方法进行观察，截取粗节试样图像，如 图3 3 和3 - 4 所示。 图3 - 3 粗节图 图3 - 4 租节像素图 3 2 2 云斑和阴影的直观图像表征 阴影是由连续细节组合在一起，使得纱段的较阴暗的片段不匀，是纱线评级的具 体项目之一。虽然标准中没有提到云斑，但实际肉眼观察时对组合的发亮的区域要比 单纯的粗节段敏感，故提出了“云斑”作为另一个直观表征。阴影和云斑均属于区域 不匀，主要是通过区域的灰度来感知的。数字图像中，阴影可以定义为低于一定阈值 的像素标准格的集合，云斑为灰度高于一定像素标准格的集合。以云斑为例，截取云 斑的试样图像如图3 5 和3 6 所示： 3 电子黑板模拟的技术可行分析 3 5 云斑图 3 2 3 棉结的直观图像表征 3 _ 6 云斑像素图 棉结是指纤维紧密结合成圆形小结或粒状纤维结。棉结可分为原料棉结和加工棉 结两大类：原料棉结即棉纱中的原料棉结主要由原棉中的植物性杂质和未成熟纤维造 成的；而加工棉结指在轧棉过程中产生的，也在梳棉、粗纺及精纺梳毛过程中产生的， 其构成受针布类型、盖板隔距、工作罗拉隔距、剥棉罗拉隔距以及所用的生产速度的 影响。棉结会十分严重地影响机织物或针织物的外观，显然也是一个重要的直观表征。 棉结试样图像如图3 7 和3 培所示。 图3 7 棉结 1 4 图3 - 8 棉结像素图 3 电子黑板模拟的技术可行分析 3 2 4 扫描黑板的像素图表征 对粗细节、阴影、云斑、棉结的图像的提取是相对比较方法的应用，这些表征只 是模拟黑板的局部。而黑板的模拟需要对局部图像表征的整体把握，扫描黑板的像素 图可以更好的说明局部图像表征之间的关系。图3 - 9 是黑板条干的局部象素图。 图3 - 9 黑板条干的局部象素图 3 3 绕黑板的直观图像表征对模拟黑板的借鉴 由以上黑板的直观图像表征，我们可以了解到以下几点： ( 1 ) 纱线的粗细一般是体现在轮廓方面的变化。粗节截面处罗列较多的纤维，致 使纱线的横截面积变大，体现在外观的纱线直径的变大，也就是纱线的线密度的变大。 另外，粗节截面处较多的纤维导致较高的抗扭力矩，使得粗节处的捻度在多数情况平 均捻度低，使得粗节处的纤维较蓬松，相应的加大了轮廓的变化。 ( 2 ) 纱线的粗细还表现在像素