（控制理论与控制工程专业论文）计算机辅助织物组织识别系统.pdf

计算机辅助织物组织识别 摘要 摘要 y 3 0 6 0 3 3 本文介绍了织物仿样c a d 技术的现状及发展的意义， 对“计算机辅助织物组织识别系统”的组成、功能、特点加 以说明，特剐详细地解释了图象处理中的细线化、图象增强 等各个模块的原理及实现方法，并附以图象。论文结尾给出 多种织物存该系统中测试的吻合率，分析产牛误差的原因， 提h 了进步完善该系统的思路。 关键词： 图象处理 机织物组织分析 c a d 计算机辅助织物组织识别 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a b o na n ds i g n i f i c a n c e o ff a b r i c i m i t a t i n gs a m p l ec a d ，e x p l m n s t h e c o m p o n e n t s ， f u n c t i o n sa n df e a t u r eo f c o m p u t e ra i d e df a b r i cw e a v i n g r e c o g n i t i o ns y s t e m ”，e s p e c i a l l yt h ep r i n c i p j ea n d r e a l i z a t i o no f r e f i n e m e n ta n di m a g ee n h a n c e m e n ta m o n gi m a g ep r o c e s s i n g m o d e l si nd e t a i l ，a n da t t a c h e sd r a w i n g i nt h ee n d ，i tg i v e st h e t e s t i n gc o i n c i d e n c eo f s o m ef a b r i c si nt h i ss y s t e m ，a n a l y z e st h e r e a s o no f t h ee r r o r s ，a n dp u t sf o r w a r dac o n s u m m a t et h o u g h t k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g w o v e df a b r i ci n t e r l a c i n go f t e x t i l ec a d i i 计算机辅助织物组织分析系统 第一章绪论 第一章绪论 近年来，计算机在科研、管理、通讯等各个领域的应用 越来越广泛，其中发展最快的应用领域之一是计算机辅助设 计( c o m p u t e ra i d e dd e s 逸n _ c a d ) 。各种各样的c a d 系 统层出不穷，这些c a d 对加速传统产业的技术改造乃至产 业的结构改革都具有重要的经济意义和战略意义i ”。 第一节c a d 在纺织业中的应用 c a d 是进行产品设计和工程设计的一种新技术，它以 计算机作为主要技术工具迸行与产品或工程有关的工艺设 计。信息处理，计算分析的一门应用科学。在纺织工业生产 中，c a d 技术的应用晟早可追溯到6 0 年代。当时m 公 司首先成功地研制了纹制工艺自动化系统，使提花织物生产 过程中的花型设计，从原先的手工方式设计小样，画意匠图， 再人工冲制纹板变成用交互方式的屏幕作图和自动冲制纹 板，实现了工艺自动化。从此以后，我国及英国，法国，b 本等国家先后开展了这项研究。 近期来，国内外先后开发了许多c a d 系统，如美国l e n s i n gi n t 公司的p g m 系统，法国力克公司的l e c t r a s y s t e m 和b o n u s 等都已取得了广泛的应用。而国内开发的 c a d 系统也具有很高的水平，如中国纺织科学研究院开发 的织物c a d 系统在国内的市场占有率已达8 0 以上。 但是，虽然随着计算机性能的提高和硬件设备的大幅度 减价使c a d 系统的普及和推广变成可能，可由于我国纺织 业长期处于手工的落后状况以及其他种种原因，致使c a d 计算机辅助织物组织分析系统第一章绪论 在纺织行业中推广应用的广度和深度还很不够，据统计，c a d 系统在我国的使用率不到1 0 蚶”。江泽民主席指出：“计算 机辅助设计，推动了几乎一切领域的设计革命”，这是非常 科学的概括岱i ，事实证明，c a d 可以提高生产率，减少开发 时间，降低成本，减少产品试制费用，增加花样品种，缩短 开发周期，提高工作质量，增强企业的活力和竞争能力，并 为设计人员进入更高层次的创造性劳动提供良好的工作环 境，使产品的开发对于社会需求的快速响应变为现实。目蘸 c a d 技术的发展和应用已成为衡量一个国家工业水平的重 要标志，被认为是改造传统生产体系的必由之路。 第二节研究方向及意义 c a d 在纺织应用领域中可分成机织物c a d ，针织物 c a d ，印染c a d ，服装c a d 和刺绣c a d 等，而机织物c a d 又可分成小提花c a d 和大提花c a d 。现有的机织物c a d 可以完成诸如组织设计和图案编辑，组织图、穿综图和纹板 图的自动生成，对织物外观的模拟( 包括起毛，起绒等效果) 等一系列强大的功能，可以代替手工织造小样繁琐的工作， 可任意选择纱线的颜色，纱线号数，织物组织，密度等参数， 直至得到满意的织物外观为止。有的c a d 系统模拟出的织 物效果图与实际生产的织物外观几乎没有区别，有的系统甚 至可以模拟二重组织和双层组织。这标志着这项c a d 技术 在纺织行业已经走向成熟。 以上所述的c a d 系统常常用于产品的创新设计，即新 产品的开发；在织布厂中，除了创新设计之外，还有仿样设 计和改样设计。这是因为在工厂的订货中有很大部分是“来 样订货”，它是按照客户提供的布样进行仿造，生产出同样 或稍加改变生产出类似的产品。这就要求生产者首先识别来 样，分析出样品的经、纬纱线的密度、组织、材料等相关的 计算机辅助织物组织分析系统 第一章绪论 参数，然后按照这些参数生产出用户要求的产品。但是目前 国内外还没有这样商品化的c a d 系统问世，因此要仿样设 计，获得相关的参数就只能进行手工操作，特别是对于纱线 的密度，组织的分析来说，唯一的工具就是一根针和一个五 倍的放大镜。将织物放在放大镜下，靠熟练工高度的视觉和 触觉，在意匠纸上标出每个组织点是经组织点还是纬组织 点，对于一个复杂的组织就可能会花费很多的时间和精力， 长时间从事这种劳动势必造成误差并使工作效率下降。因 此，c a d 织物仿样设计系统就急待研制与开发。 c i m ( 计算机集成生产) 是c a d 技术的发展方向，因此 中国纺织科学研究院c a d 中心在已先后开发了8 个版本的用 于创新设计的织物c a d 系统后，为了满足市场需求，他们于 去年开始对织物仿样设计系统进行研究，对织物的密度分析 进行了初步的探索。本课题是其研究工作的第二个阶段 织物组织的识别和分析。 这项研究工作难度很大，不仅国内外尚未有商品化的c a d 织物仿样设计系统问世，就是对组织的计算机分析方法的研 究也处于初步阶段，有关报道的论文和材料很少，这项研究 属于计算机图象识别技术领域，是图象识别技术在纺织上的 应用，具有相当的难度。 第三节实施方案 一个图象识别系统可分为三个主要部分，其框图如图1 一l 所示。第一部分是图象信息的获取，它相当于对被研究 对象的调查和了解，从中得到数据和材料。对图象识别系统 来说就是把实物、图片、文字图形等用光电扫描设备变换为 电信号以各后续处理。第二部分是信息的加工与处理，它的 作用在于把调查了解到的数据材料进行加工、整理、分析、 归纳，以去粗取精，去伪存真，抽出能反映事物本质的特征。 计算机辅助织物组织分析系统 第一章绪论 当然，抽取什么特征，保留多少特征与采用何种判决有很大 关系。第三部分是判决或分类。这相当于人们从感性认识上 升到理性认识面作出结论的过程。第三部分与抽取特征的方 式密切相关。它的复杂程度依赖于特征的抽取方式。 分析机织物的组织结构也就是分析织物的经、纬纱线在 每个组织点处的交织情况综台在一起加以分析，辨别，最终 得到织物的组织结构。因此，本课题的关键是识别织物的组 织点，分析该组织点是经浮点还是纬浮点。 传统的手工分析方法是用一根针拨出织物小样最外面的 一根经( 纬) 纱线，从上到下地依次分析出其与所有的纬( 经) 纱的交织情况，填入意匠图中的第一列( 行) ，然后再拨出 第二根，依此类推，直到整块织物分析完，样本也就变成一 根一根的纱线了。如果分析有错误，也就无从考证了。 近二十年来，计算机图象处理与识别技术发展迅速，而 光电检测技术也突飞猛进，本课题就是将这两者结合起来， 用c c d 摄像头采集图象并送入计算机。利用图象处理与识 计算机辅助织物组织分析系统第一章绪论 别技术对织物图象进行处理与分析。 该课题就是严格按照图象识别的三步进行的。首先摄取 织物的图象，将织物放在采样台上，采集织物的透射图象和 反射图象，并以b m p 文件的形式存于计算机中。然后对信 息进行加工和处理，即对织物的透射图象进行处理，便可得 到织物结构的信息，对反射图象进行分析可确定织物的表面 纹理和色泽偏差，最后是将由透射图象得到的信息和由反射 图象得出的信息综合，比较，即可判断出每一个组织点是经 浮点还是纬浮点，最终得到织物的组织图。如果采集效果不 满意或要对分析结果进行检验，只须在不同的照明条件( 背 面光源和前方光源的强弱) 下对同一织物进行多次采样，再 次分析织物组织结构即可。即使采样多次也不会影响织物的 表面纹理。 由于影响织物外观的因素很多，如纱线本身的毛羽，疵 点，纱线粗细不匀，而组织结构带来的纱线之问的相互挤压， 排列不均匀等也会带来诸多影响，这些都会给分析工作造成 困难。 目前本系统只能分析一些常见的组织，如平纹，斜纹及 其变化组织，对于某些特殊复杂的织物，如多层组织和多重 组织或由花式纱线( 如圈纱) 织造的织物的组织还无法分析； 但对于量大面广的一般组织的织物具有较强的识别能力，系 统识别的经、纬组织点和实际织物的经纬组织点的吻合率可 达到很高。 计算机辅助织物组织分析系统 第二章图象采集系统简介 第二章图象采集系统简介 图象采集系统是本系统的一个重要组成部分，它是图象 处理的来源。本章将简要介绍图象采集部分的组成及其性 能。 圈2 一l 系统示意图 第一节采集系统组成 本系统的采集部分由c c d 摄像头c a c p e l o o o 图 象采集卡及计算机显示器组成，采集的图象可实时地在屏幕 计算机辅助织耪组织分析系统 第二章图象采集系统简介 一c c d 摄像头 c c d ( 电荷耦合器件 是1 9 7 0 年十美国贝尔实验室发 明的一种新型半导体器件。c c d 器件是一种m o s 集成电路， 从原理上讲，它就足一个移位寄存器。c c d 从象素排列的 结构上来看可分成两种类型：一是线阵摄像器件，一是面阵 摄像器件。 c c d 摄像头是由光学镜头和面阵c c d 像传感器组成。 光学镜头的作用就是将入射光聚焦于面阵c c d 像传感器的 成像区上。面阵c c d 像传感器由成像区、暂存区，水平移 位区和输出电路组成。c c d 摄像头性能的优劣可直接影响 到图象采集的质量，最终影响分析结果，因而本系统采用 p a n a s o n i cw v c p 4 1 0 系列，它由彩色c c t v 摄像机透过 使用一个l 3 英寸的行间变换c c d ，导进了一个新型的降 低成本的彩色摄像机。由于使用单基片徽镜头和非球面高速 镜头，使之在f 0 5 时，能够达到0 0 9 尺烛光的最小照明， 商且还能使用亮度控制器( e l c ) 功能，用固定光圈镜头摄 取室内的景物。 p a n a s o n i cw v c p 4 1 0 系列具有以下特点： 大量采用数字信号处理方式。 采用具有微型镜头和低噪电路设计的高灵敏度图象传 感器。 采用数字处理大规模集成电路及4 8 0 水平象素c c d 图 象传感器，实现7 5 2 行水平清晰度币i 商质量图象。 高清晰度 总象索：4 4 0 。0 0 0 计算机辅助织物组织分析系统 第二章图象采集系统简介 水平清晰度：4 8 0 行 高质量图象 ( 1 ) 2 h 式垂直数字增强器提高图象锐度 ( 2 ) 采用数字处理电路以获得高质量图象和采用新开发 的白色平衡自动跟踪装置( a t w ) ( 3 ) 消除精细物体上的折叠嗓音 利用电子亮度控制( e l c ) 功能，可用固定光圈镜头 拍摄室内景物 在不平凡的照明条件下进彳亍背面光补偿 信噪比可达5 0 分贝 c c d 摄像镜头是1 6 m m 焦距，光圈为f 1 6 的广角镜头。 该c c d 性能优良，为采集图象中消除噪音，提高精确度 打下了基础。同时在采集过程中，只是将织物放在采集台， 并不接触或挤压织物，因此不会影响织物的外观并使织物的 纱线变形。在屏幕上可以实时地得到织物的放大图象以便于 调整；而由扫描仪或照相机得到的图象一是无法预知采集效 果，二是图象被放大后会有严重的马赛克和模糊现象而影响 分析结果。因此，用c c d 摄像头采集织物可以保证织物以最 佳的状态采集进来。 二 c c p e 一1 0 0 0 图象采集卡 c a 屯p e 1 0 0 0 图象采集卡是基于p c i 总线的彩色图象 采集卡。它采用先进的数字解码方式，将标准输入的p a l 制、 n t s c 制式、s e c a m 制的复合彩色视频信号或s v i d e o 信号 水数字化，将视频模拟信号滤波后，经 o 转换成3 2b i t s 真彩色数字信号，通过p c i 总线实时传送到p c 系统内存( 或 视频显示缓冲区) 。 计算机辅助织物组织分析系统 第二章圈象采集系统简介 c a c p e 一1 0 0 0 图象采集卡采用以采集卡为主的总线控 制技术，图象传输速度高达6 0 m a s ，可实现摄像机图象到 计算机内存的可靠实时传送，连续相邻帧的图象精确到场。 由于采用了高精度g e n l o c k 技术和线性箝位技术，采集的图 形点阵位置精度高，a d 转换后的数字视频信号误差小，适 用与各种高精度工业和科学图象处理领域，及多媒体的压 缩、处理等研究开发领域。c a c p e 一1 0 0 0 采集卡插在p c i 槽 中，属于“即插即用”型设备，采用主机分配给该p c i 插 槽的中断号，并以中断及d m a 方式传输数据。它通过v g a 显示卡同时显示活动图象和采集环境菜单，显示速度取决于 v g a 卡的数据传输速度。 c a p e j o o o 图象采集卡推荐使用以下硬件环境配 置： 主机板：带p c i 插槽，支持新的p c i 规范 c p u ：5 8 6 ，推荐使用华硕主板 内存：在d o s 环境下使用内存为4 m 以上； 计算机辅助织物组织分析系统第二章图象采集系统简介 在w i n d o w s3 x 环境下使用内存为8 m 以上 在w i n 9 5 环境下使用内存为1 6 m 以上 显示卡：显示卡的速度主要影响了实时显示的性能，建 议使用s 3 系列的v 6 显示卡，最好为s 36 4 v + ， 它能够较好地与c 卜_ c p e 一1 0 0 0 图象采集卡配 合。由于采集卡的输出信号是3 2b i t s 的真彩 色信号，若显示卡只能接受2 4b i t s 的真彩色 信号则不能进行实时显示。 显示卡帧存：至少为2 m 。 第二节图象采集环境 图象的采集是在w i n d o w s3 2 下进行的，该环境具有 系统的采集、回放、比例缩放及文件管理等功能。其集成环 境如图2 2 所示。 图2 3 图象采集集成环境 计算机辅助织物组织分析系统第二章图象采集系统简介 该环境的主要功官介绍如下： 文件管理( i l e ) 菜单中包括读写单帧图象文件， 读写序列图象文件，写b m p 格式文件，单帧图象格式的文 件转换为b m p 格式文件及退出集成环境。 织物经过c c d 摄像头、采集卡最终显示在计算机屏幕上 时，是实时显示。在此期间w i n d o w s 无法进行其他任何活动， 也就是程序独占w i n d o w s ，屏蔽鼠标消息，并隐藏鼠标显示。 如果要保存某一时刻的图象，只须按下键盘键或鼠标键，这 幅图象就固定于内存中，并可以按照r a w 或b m p 格式存 储于文件中。由于图象采集卡将信号直接送入p c 内存中， 所以存储文件时只是将当前帧的内容保存起来。该采集环境 还可以采集一系列图象并将其存于序列文件中。在保存序列 图象文件时，写入磁盘的是当前采集并存于内存中的全部图 象帧，可总共采集帧数受内存的大小及采集窗口的大小限 制。如若读取序列文件，则依次将序列文件的每帧图象放入 内存并显示出来。本系统中只用到其中的“b m p 格式存储 图象”的功能。 采集( g r a b ) 功能包括采集单帧图象和采集序列图 象到扩展内存；实时显示动态图象等功能。 回放( _ p l a y ) 功能包括回放，向前进一帧、向后退 一帧及帧场转换显示。回放功能是将当前存放在内存中的 各帧图象逐个显示。向前进一帧是显示当前帧的前一帧。向 后退一帧是显示当前帧的下一帧。帧场转换显示是指图象 显示可以按帧方式显示也可以按场方式显示。一帧完整的图 象是由两场组成，按帧方式显示是将这完整的两场显示出 来，按场方式显示是将一场的图象扩展为一帧。这样可以消 除两场之间的时间差造成的错位。这些功能主要是对序列文 件而言的。 选择项( o p t i o n s ) 功能包括设置输入信号源，改变亮 计算机辅助织物组织分析系统第二章图象采集系统简介 度，改变对比度，改变饱和度和色调。输入信号可以从六路 信号源中任选一路，若选择的输入源有信号输入，则可采集 到图象信号，否则采集到的是全黑信号。缺省使用的信号源 是黄色信号线。亮度及对比度调节分别设置了高、中、低三 档，饱和度和色调也是有三档可调。采集图象时，可以调节 这四项以达到不同的效果并采用一种最适合图象处理和分析 的选项。 按比例缩放( _ s c a l e ) 功能是设置采集图象大小的比例， 从l o ，2 0 ，3 0 到1 0 0 。该功能可根据菜单的不同选 项设置图象采集时的缩小比例，选择1 0 0 情况下表示按原 大小采集，其他情况下采集的图象皆是缩小的图象。在缩小 采集情况下，采集视野不变，只是在采集过程中根据硬件自 动缩小比例抽取图象信息，使得到的图象按比例缩小并且不 失真。 信息显示( i n f o ) 功能汇集了有关c a c p e 1 0 0 0 的当 前参数，并显示出来。内容包括：c a c p e 1 0 0 0 占用的中 断号，共有多少k b 的内存分配给了c a c p e l o o o ，当前 采集窗口的大小，目前最多能存放多少帧图象，多少帧中已 有图象，当前显示的是第几帧图象等信息。本系统中c a c p e 一1 0 0 0 图象采集卡占用的中断号为1 0 号；分配给图象采集 卡的内存有4 m b ；按“确定”键后返回主菜单。 第三节图象的采集方法 如图2 1 所示，将要采集的样本( 织物) 放在采样台 上，调节c c d 摄像头的焦距及光圈的大小，使在屏幕上获得 一个清晰且明暗适当的织物图象，按下任意键，采集环境就 由实时状态转换成单帧采集状态，然后选择菜单中“文件” 计算机辅助织物组织分析系统 第二章躅象采集系统简介 的“写入b m p 文件”项，并输入文件名( 记住文件名， 以便以后读取) 。该幅图象就被存储于文件中了。 为了便于分析和处理采集的织物图象，在采集过程中， 应遵循以下事项： 1 虽然选择不同的采集缩放比并不影响所采集的视野范 围，但将图象缩小显示必然会丢失一些信息；同时图象 越大也就越有利于分析和处理，因此应选择缩放比为 1 0 0 。 2 调整样本的位置。首先应将要分析的部分放置在视野中 央，这是因为c c d 摄像头采集图象时在周边会产生一些 模糊现象，最后要除去边界。同时由于织物具有柔软性、 可调节性，因此要调整织物的状态，即让大多数的经纱 处于垂直状态，而纬纱处于水平状态，经、纬纱线是垂 直交织，否则就会影响图象的处理和分析结果，甚至会 得到错误结果。 3 由于本系统算法的需要及精度的要求，所以要采集织物 的两幅图象，即一幅织物的透射图象( 图2 4 ，光从织 物的下面照射) 和一幅反射图象( 图2 5 ，光从织物的 上面照射或在自然光下采集) 。算法中将这两幅图象分 别处理后的信息综合在一起，从而得到织物组织结构的 信息。因此在摄取两幅图象的过程中要保持织物的位景 相对稳定。方法是采集时先将照明光源放入采样台中， 打开光源开关采集第一幅图象透射图象，然后关闭 光源( 如有必要，可在采样台上方设置平行光源) ， 再摄取织物的反射图象，这样就可使两幅图象很好地保 持一致。 计算机辅助织物组织分斩系统 第二章图象采集系统简介 图2 4 织物的透射图象 图2 5织物的反射图象 计算机辅助织物组织分析系统 第二章图象采集系统简介 4 如果织物是由同色纱线织成，则应在摄取反射图象时在织 物上方设置一个平行光源，使其从经向或纬向照射过来， 这样经纱和纬纱在屏幕上显现的颜色就会不同嘲。 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 第三章功能模块的实现 第一节计算机配置 由于图象处理时数据量很大，对处理速度要求也很高， 因而对计算机硬件的配置要求较高，本系统中计算机的配置 如下： 主机 c p u ：p e n t i u m _ l 阅x5 8 6 主频：1 6 6 m j q z r a m ：1 6 m e d o hd：43g 显示器：n e c m u l t i s y n c5 d2 0 ”彩色显示器 显示卡：s 36 4v + 真彩色显示卡 键盘：a s t 鼠标：三键鼠标 打印机：e p s o ns t y l u sp h o t o7 0 0 彩色喷墨打印机 第二节开发语言及特点 一系统环境及开发语言 近年来，由于微型计算机功能的不断增强，运用范围的 不断拓宽，越来越多的系统由微机构成，而微机上占统治地 位的操作系统就是由微软公司开发的w i n d o w s 操作系统。它 具有标准化的图形用户界面，多任务的事件驱动机制，与设 备的无关性等优点，使得w i n d o w s 成为目前国内外蹑流行的 操作系统之一。 v i s u a lc + + 是微软推出的针对w i n d o w s 操作系统的编程 计算枫辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 语言之一，它从v c + + 1 0 ( 针对w i n d o w s 3 2 ) 开始到现在， 已发展到v c 牛+ 5 0 版本( 针对在w i n d o w s9 5 和w i n d o w sn t 环境下的3 2 住编程语言) 。 二v c + + 的特点 v i s u a lc 十+ ，顾名思义是可视化的( h ，因此是以c + + 这个面向对象程序设计语言为根基。c + + 语言所具备的继承 性，数据封装性及数据抽象等特点。v c + + 同样具备。而且v c 十十 操作简单，功能强大，适用面广，与操作系统紧密配合，不 存在着兼容性等问题，借助于其生成代码的w i z a r d s ，能在 数秒钟内自动生成可运行的w i n d o w s 应用程序的外壳。 v i s u a lc 十+ 带有的类库，即m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s 类( 吒) 已成为许多c h 编译器进行w i n d o w s 软件开发的 工业标准。 图： 一l组织分析集成环境 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 本系统是在v i s u a lc + + 2 0 的开发环境卜开发的单文 档应用程序，在w i n d o w s9 5 环境中运行。该程序具有和 w i m o w s9 5 中许多其它的应用程序一样的界面和操作方法， 这给用户带束许多便捷。 如图3 1 所示的系统集成环境中，工具栏的各个图标所 代表的功能分别是“打开文件”，“平滑化”，“灰度化”，“闺 值处理”，“细线化”，“图象增强”，“选择经纱”，“选择纬 纱”，“结果”，“帮助”。用户只需按卜这些按钮，就可完成 所需的功能。卜面分别介绍这些模块的原理及实现。 第三节b 押文件的读取 织物图象在图象采集环境中是以3 2 位真彩色的b m p 格式1 竽于文件中。凼此，本系统的第一步就是将图象从b i v i p 文什中读取出来并显示于屏幕上，以便进一步的处理和分 析。该模块就是完成这个功能。 b m p 图象格式的分析 b m p 文件是w i n d o w s 系统中使用得最多的一种图象格 式。 存计算机中，对于真彩色图象，每个象素的颜色是由一 组红( r ) ，绿( g ) ，蓝( b ) 三种颜色的亮度组合而成，而 每个组成部分都是用一个字节( 8b i t ) 来表示，因而每种颜 色就包括r2 8 = 2 5 6 ( 0 - 2 5 5 ) 个级别。这样一幅真彩色图象 就可有一千六百多万种( 2 5 6 2 5 6 2 5 6 = 1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 ) 不l 亩】 的r g b 值的组台颜色。 几乎在所有的w i n d o w s图象文件中 ( p c x 、b m p 、g i f 、t i f f 等) 都包括以下信息； 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 图象的尺寸宽和高 每个象素的位数 图象的类型象素的值是作为真彩色图象的r g 8 值还是 作为调色板的下标 调色板( 如果图象中用到的话) 图象数据，即点阵 h e a d e r c o l o rp a l e n e ( i f a n y ) i m a g e d a t a ( p i x e la r r a y ) 圈3 2 圈蒙文件的典型格式 几乎所有的图象文件都包含上述信息，但每一种图象文 件的格式又都是按照不同方式组织信息的。图3 2 给出了 典型的图象文件的布局：文件由简短的文件头开始。文件头 通常为几个到1 2 8 个字节，其中包含除图象数据和调色板以 外的所有信息；紧接着就是图象的调色板( 如果需要的话) ： 其后是图象数据点阵，点阵通常是按行存储的，它决定 了该文件的大小，图象大，存储的数据就多，因而文件就大。 在显示图象时将内存中的内容( 有调色板则为调色板上的内 容，如果没有，则按照r ，g ，b 的顺序) 依次显示在屏幕 上。以上是图象文件共有的，但每一种图象文件的格式是按 不同方式组织信息的。 w i n d o w s 的b m p 格式将图象存储为与设备无关的位 图，即一种在m i c r o s o f t - w i n d o w s3 0 中推出的d i b ( d e v i c e 计算机辅助织物组织分析系统 第三章功能模块的实现 i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 格式。d i b 格式包括调色板，并以标准 方式存储图象数据，从而使图象文件与设备无关。 + 旺麴四 图3 3内存中d i b 的布局 d i b 起始处的是b m a p 王n f o 髓a d e r 结构( 在 w i n d o w s h 中定义) ，其中包括了所有解释图象点阵时需要的 相关信息，如图象尺寸，每个象索包括的位数。后面是调色 板( c o l o rp a l e r e ) ，如果是3 2 位的真彩色图象，就不存在调 色板。随后的象素点阵就是存储图象的每个象素的信息。 b m p 文件的内存表示方式和d i b 的相似，不过需在d 1 b 上增加文件头前缀，文件头由b 1 m a p f l l e ! a 承结构 表示，该结构在 中按如下方式定义： t y p e d e f s t r u c t t a g b i t m a p f i l e h e a d e r u i n t b t t y i m ； f i l et y p e s h o u l db e “b m ” d w o r d b f s i z e ： s i z eo ff i l ei nb y t e s 甲 计算机辅助织物组织分析系统 第三章功能模块的实现 u i n tb f r e s c r v e d l ：0 u i n t b f r e s e r v e d 2 ；1 1 0 d w o r d b f o f f b i t s ； o f f s e tt ot h es l a r to f i m a g e d a t a ) b i t m a p f i l e h e a d e r ； b 1 t m a p i n f o 哑a d e r 结构跟在文件头后面，接着是 调色板和图象点阵。由文件头即可判断出该文件是否为b m p 文件( b f r y p c 域是否包括字符串“b m ”) 以及图象点阵相对 于文件头的偏移量( b f o f i b i t s 域，高字段是偏移量的段地址， 低字段是相对偏移量) ，这样就可以读取象素信息了。在3 2 位真彩色b m p 文件中，每个象素是由四字节组成 ( d w o r d ) ，最低字节是红，其次是绿，然后是蓝，最高 字节是一个随机数。图象点阵的存储顺序是从图象的左下角 的第一个象素开始，从左到右，从下到上的存储，直至图象 右上角的最后一个象素。因此图象点阵存储的第一个字节是 图象左下角象素的红色颜色值。 二读取b m p 图象 了解了b m p 文件的格式后，便可以按照文件头的信息 将图象读取并显示出来了。 ( 1 ) 将文件头读入b m p h d r 中( b m p h d r 是定义的 b m 黔l a p f i l e h e a d e r 结构变量) ： b 1 1 飞屯a p f i l e h e a d e r b m p h d r ； m y f i l e r e a d ( & b m p h d r , s i z e o f ( b i t m a p f i l e h e a d e r ) ) ：l m y f i l e 是要读取的文件名 ( 2 ) 检查文件头的b f r y p e 域是否包含字符串“b m ”，如 果不是b m p 文件，则显示消息框并退出。 i f ( b m p h d r b f r y p e ! = ( m 7 1 i舷麒它 式中的t 是规定的非负的阈值。这个表达式的物理概 念是：当某一点和它邻域内点的灰度值的平均值的差不超过 规定的阂值t 值时，就依然保留其原灰度值不变：如果大于 阈值t 时，就用邻域里的平均值来代替该点的灰度值。这样 就可以大大地减少模糊的程度。 本系统采集的图象如图2 4 ，2 5 巾的毛羽就是图象 处理中的噪声。在课题中，发现对彩色图象进行平滑化后再 计算机辅助织物组织分折系统第三章功能模块的实现 灰度化要比对灰度图象进行平滑化的效果好，因为彩色图象 灰度化时就会丢失一些数据，再平滑化后会将许多的边缘信 息丢失，为了减少图象中数据的损失，因而采用直接对彩色 图象平滑化。该算法不仅可以对彩色图象平滑化，同样也适 合于灰度图象的平滑化。 人眼只能识别3 0 - - 6 0 个灰度级，因此黑白图象增强的有 效范围就很容易受到限制。另一方面，人眼可以识别出上千 种色调和颜色的轮廓。这是因为彩色图象包含的信息要比灰 度图象丰富许多。在灰度图象中每个象索用2 5 6 个灰度级来 表示，而彩色图象中每个象素都包含r ，g ，b 三个值，如 果把图象所有象素存于数组中，则数组的每个值都应有三个 域，在图象处理时就要进行复数计算。为了简化算法，仍采 用实数计算，即在图象取点后，运用v c + + 中的宏函数 g e 氓v u t i e ( ) ，g e t g v a l u e ( ) 及g e t b v a l l i e ( ) ，将该点的 r 、g 、b 三值分别计算出来，再与该点的4 邻域内所有象 素的r 、g 、b 分别求平均。 织物的透射图象经平滑处理后的图象如图3 5 所示， 与图卜2 相比较可以看出，纱线的毛羽等大量的噪声已经 去除掉。 计算机辅助织物组织分析系统 第三章功瞻模块的实现 图3 5平滑化后的透射图象 二灰度化 由采集卡与c c d 摄像头采集的图象是真彩色图象，其 中包含的颜色可达到一千六百多万种，对如此之多的颜色进 一步处理分析是个艰巨的工作。同时对透射图象处理来说， 只是要从中得到组织点的位置，而与图象的颜色并没有关 系。因此，本模块将透射图象灰度化以简化处理过程。将透 射图象转换成只含有2 5 6 个灰度级的图象，这样便容易进行 分析和处理。 其实2 5 6 个灰度级就是2 5 6 种颜色。那么如何将2 5 6 x 2 5 6 2 5 6 种颜色转换成只有2 5 6 种颜色呢? 所谓的灰度级 就是深浅不一的灰色的个数，灰度级越多，从白到黑之问分 成的等级越多。在计算机中显示灰色就是将红，绿，蓝都赋 予同样的值而形成，因此将彩色图象的每个象素的r ，g ， 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 b 域赋予某一特定的值就可以把它转换成灰度图象了。 这里我们介绍一个经验公式： 灰度值= 0 3 红色分量+ o 5 9 绿色分量+ o 1 l 蓝色分量 实际运用中采用以下变换形式的公式： 灰度值气3 0 红色分量+ 5 9x 绿色分量 + 1 1 蓝色分量) 1 0 0 用得到的灰度值分别赋予红，绿，蓝三要素，这样就可 以获得一幅灰度图象了。 兰阈值处理 对灰度图象进行阈值处理可以取出浓淡图象的各种几何 特征。阈值处理后图象的象素只存在着两个值，0 或l ，因 此图象就是黑白图象。 如力= 侄麓碧三； 当图象中菜个象素的灰度值小于或等于一个阈值t 时， 就将它作为背景( 黑色) ，否则将它作为物体，也就是前景 ( 白色) 。 而怎样选择阈值t 的确是一个比较困难的问题。因为 在数字化的图象数据中，无用的背景数据和对象物体的数据 常常混在一起，除此之外，在图象中还含有各种噪声，所以 必须根据图象的统计性质，即从概率的角度来选择合适的阈 值t 。下面介绍两种阈值的选择方法，最小闺值方法和双峰 阈值法。 在最小误差闽值方法中，首先求出整个图象的灰度分 布，然后用数学统计方法决定最佳阈值。 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 假如一幅图象，设对象物的灰度分布具有平均值u ，标 准差为p 的正态分布概率密度函数p ( z ) ，背景的灰度分布 具有平均值为v ，标准差为t 的正态分布概率密度函数 q ( z ) 。 设对象物占整体图象的比例为t ，此时整体图象的灰度 概率密度由下式决定 印( z ) + ( 1 一t ) q c z ) 现在用阈值e 分开 i z 口时，对象物 iz 0 时，背景 此时，把背景误认为对象物的概率为 o ( o ) = f g ( z ) 沈 把对象物误认为背景的概率为 i p ( 口) 2j p ( z ) a z 那么错误区分的概率由下式给出 出一p ( 圆l + ( 1 一f ) q ( 求上式为最小值时的0 ，便是阈值t 。对上式进行微分 并使之为零 刍碰l 一粥】+ ( i z = 0 一畎回+ o - t ) q ( a ) = o ( 1 一t ) q ( o ) = t p ( o ) 式( 3 一1 ) 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 从假定可知p ( 0 ) 和q ( 0 ) 为 朋) = 去e 坤 掣2 ) 柙，= 去e 冲t 等， 将上两式代入式( 3 1 ) 中，两边取对数，即得 l n 盯+ l n ( 1 - t ) 一坠娑：l n r + l n f 一蝉 2 r 2 仃 上式是0 的二次方程式，所以当u ，o ，v ，t 是己知 时，就可求解阈值t 。但此种方法在实际操作中要求出对象 物及背景的平均值、标准差、密度函数等，较为麻烦。所以 在本系统中，我们选择了双峰阈值法( 2 一m o d e ) 。 一般说来，直方图是图象统计特征的直观表示，是图象 的重要统计参数，一幅图象具有唯一确定的直方图。在灰度 图象的直方图中具有两个峰( 见图3 6 ) ：一个背景，另一 个为对象物，分割两个区域的阈值0 由两个峰值之间的谷所 对应的灰度值z 。所决定。通常把这种阈值的选择方法叫做 双峰( 2 一m o d e ) 方法。 具体作法是：首先作出图象的灰度直方图，找到图象直 方图局部灰度的最大值z 。和z 2 ，然后求出z 。和乏之间直方 图中值的最小位置z l i i 。设灰度直方图为h ( z ) ，其灰度范围 为o z n ，在直方图上取任意灰度z ，z 0 ，l ，n l ， 在比z 小的灰度范围n l 中，h ( z ) _ h ( z ) ( z 、e n l ) 的最 大值为l ；在比z 大的灰度范围n h 内，h ( z 、) h ( z ) ( z 、 g n h ) 的最大值为h ，这样l 和h 的积为最大时的灰 度z ，该值即为所求的阈值。 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 当灰度直方图的双峰性很明显时，此方法简单实用。可 是在很多情况下，直方图是离散不规则的。所以若采用上述 方法，必须消除直方图极端突出的部分，以彻底改变直方图 的形状。一种稳定地发现波谷的方法，即用两个正态分布概 率密度函数n ( i j 。，o ，) 和n ( u2 ，02 ) 的合成曲线来近 似。直方图近似曲线公式如下： p ( x ) = t n ( pl ，o1 ) 十( 1 一t ) n ( 1 l2 ，o2 ) 式中t 是两个正态分布合成的比例，然后根据前面介绍的最 小误差闽值决定的理论，求出使p ( x ) 为最小值的点便是 阈值。 图3 6双蜂性直方图 由于本系统采集的图象经平滑化去噪声，灰度化处理 后，图象上已明显分出纱线和背景的轮廓，所以其灰度直方 图的双峰性很明显，用此方法是很简单而且实用的。 根据此方法对透射图象的灰度直方图处理后，确定该图 象灰度的最佳阈值为9 7 。 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 为了使分析，处理的应用范围更加广泛，因此采集图象 时特地采集有自色的纱线存在的织物，其透射图象经过阈值 处理后在图3 7 所示的箭头处的白色纱线就归于背景中。 但经过仔细分析后，发现这种情况也是有一定的规律可循 的。这些就要在细线化中加以处理。由于是透射图象，有光 透过的地方亮度高，没有光透过的地方为黑色，因此在这幅 图象中背景白色，而对象物是黑色。 四细线化 口口 图3 7 阈值为9 7 处理后的图象 图象中的线条一般都有一定的宽度，直接处理这样的图 象会带来一些麻烦。而对于纱线来说，毛羽的存在，纱线的 粗细都会给分析带来困难。如何从中抽取出最有代表性的线 条来就是图象的细线化。因此对图象的细线化处理是本课题 计算机辅助织物组织分析系统第三章功能模块的实现 的关键。 细线化的方法有很多，其基本方法是针对图象边缘上的 点，首先观察其相邻近点的状况，在不破坏图象连接性的情 况下，逐渐消去位子边缘的这些点。许多细线化方法都要准 备多种细化模板，操作较麻烦。本功能模块采用一种特殊的 细线化方法【3 l ，如图3 8 所示。尽管在采集时要求纱线要尽 量放平整，但每根纱线并不一定是垂直( 水平) 的，所以将 纱线在x ( y ) 轴上的投影浓度最大值的那一点作为纱线的 中心点来细线化。具体的实现方法如下：由于透射图象经闽 值处理后，纱线上点的象素值为0 ，纱线之间缝隙处象素值 为2 5 5 ，所以象素的纵向和横向累积和最小的点必然是图中 所示的尖峰处，也就可以作为纱线的芯线所在处。 图3 8纱线的中心点的推定 在纱线的经向和纬向上分别投影，根据计算机辅助织物 计算机辅助织物组织分析系统 篇三章功能模块的实现 识别系统的第一部分一“计算机辅助织物密度识别系统嘲” 求出的密度数，得到相应的浓度值最大的位置，进行细线化， 经纱、纬纱细线的交点就是组织点所在的位置。 至此，透射图象处理完毕。将织物的各个组织点的位置 ( x 坐标及y 坐标) 存储于一数组中。 第五节反射图象的处理 反射图象是提供织物表面信息的主要依据。在本算法 中。反射图象主要是用来判别织物表面颜色的。本模块的程 序流程图如图3 9 所示。其中，图象的平滑化己在上一节 中作了详细地介绍，本节将介绍反射图象处理过程中的其它 模块的功能和实现。 | ；臻! 鬻屡射鞠畚；i 避“ i i平滑亿 l i 获取经组织点的色彩 获取纬组织点的色彩 图3 9反射图象处理的流程图 计算机辅助织物组织分折系统第三章功能模块的实现 一经、纬组织点颜色的获取 在本系统中，将颜色作为判断组织点是经组织点还是纬 组织点的主要依据。如何将某种颜色与一经组织点或纬组织 点相结合起来，是本模块所要完成的功能。 在系统菜单中点击“选择”下拉菜单里的“经纱”这一 项，将鼠标移至一个经浮点上，轻击鼠标右键，这样系统就 将这种纱线的颜色记录下来，存储在经组织点的数组中。然 后再移至另一种颜色的经浮点上，轻击右键，便将这种纱线 的颜色存储起来，直至将所有的经纱颜色全部获取完。再点 击菜单中的“纬纱”这一项，开始进行选取纬纱颜色的工作， 并将纬纱的所有颜色存于纬组织点的数组里。 计算机辅助织物组织分拆系统第三章功能模块的实现 二图象增强 织物的反射图象反映织物表面颜色和纹理，包含了许多 重要的信息，因此就不能象透射图象那样进行灰度化，将一 千六百多万种的颜色归于2 5 6 种灰色上，势必会丢失大量的 数据而无法判断。要简化处理程序还要尽量少的丢失信息， 就要用到图象增强功能。 图象增强是数字图象处理的基本内容，