CN102853775B - 须丛曲线的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种须丛曲线的获取方法，其包括：制取须丛，扫描获取须丛透光的数字灰度图像，计算每一列像素点所对应的纤维层厚度信息；计算与纤维轴垂直的须丛每一横断面上纤维层的累积厚度参数，以任一横断面距离须丛起始线的实际距离为横坐标、以该横断面的纤维层累积厚度参数为纵坐标初步绘制实测须丛曲线；同时，还包括有修正实测须丛曲线方法得到修正须丛曲线的步骤。本发明的方法能够获得更为精确的须丛曲线，从而为计算准确的纤维长度值打下基础。

Description

须丛曲线的获取方法

技术领域

本发明涉及纤维尺寸的光学测量技术领域，具体来说，本发明涉及用于计算纤维长度的须丛曲线的高精度获取方法。

背景技术

长度是纺织纤维的一项重要品质指标，它直接影响纱线强度、毛羽以及织物风格，也是选用纺纱设备、确定工艺、产品设计的重要依据。测试纤维长度的最经典方法是分组称重法，但这种方法需要操作者具备专业技能，费时费力，并且对于棉纤维、羊绒等长度比较短的纤维，分组难度很大。

2004年，朱尤栋(专利申请号为：200410061608.1)提出利用普通扫描仪得到纤维图像，统计像素点的亮度值得到曲线图(见图1)，将此曲线当作须丛曲线(俗称照影仪曲线)。分析图1可以发现该曲线与理论须丛曲线明显不同，图1中曲线在初始阶段(高峰处)为上凸形，那么它的二次微分为负值，而理论分析须丛曲线的二次微分应为正值，说明这种方法得到的曲线存在较大误差。原因是普通扫描仪只得到纤维丛的表面信息，当纤维丛厚度大于一定数值以后，图像亮度值不再随纤维丛厚度线性增大，造成纤维丛曲线失真。

2008年，严漂利用摄像头拍摄透射光照射的纤维束，获得数字图像，根据图像中像素的亮度值与透光强度成正比做出自称的照影仪曲线(东华大学，硕士论文：棉纤维色度和长度测量方法的研究与设计)。同年，张志杰等人(专利号：ZL200820157317.6)也提出用摄像头获取一端平齐纤维束的数字图像后经信息转换系统将其转换成计算长度所需的数据。上述两种自己搭建的简易装置虽价格低廉，但是由于视野比较大，无论是透射光还是反射光很难保证入射光源的均匀度，无法避免光源不匀对纤维层厚度信号的直接叠加，其次存在摄像头边缘像素点的畸变等问题，测试的精确度与稳定性很难得到保证，因此，得到的须丛曲线并不准确。

发明专利“一种纤维长度快速低成本测量方法”(专利号：201210106711.8)重点公布了三方面技术：(1)取样制样方法；(2)采用透射式扫描仪获取纤维层透光信息，并对透光信息叠加获取须丛曲线(须丛任一横截面上的纤维量与横截面位置的关系曲线)；(3)由须丛曲线计算纤维各种长度指标的详细方法。其中第(1)和(3)方面技术都有理论支撑，实践证明精确度无可置疑，但是，大量实验和理论研究表明第(2)方面技术存在明显缺陷，影响到整个测试方法的精确度，因此，提供一种能够通过纤维层透光信息计算出精确的须丛曲线，并最终获得高精度纤维长度的测量方法是非常迫切的。

发明内容

为此，本发明的目的是提供一种高精度的须丛曲线获取方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

步骤1)制取须丛，扫描须丛形貌并计算须丛的厚度分布信息

利用透射式扫描仪对待测须丛进行扫描从而生成数字灰度图像，该数字灰度图像为m行n列的灰度值矩阵，各列均垂直于纤维轴，则第i行第j列的像素点上纤维层厚度x_ij与该像素点的透光强度I_ij的关系为：

其中，k为纤维的吸光系数，A为数字灰度图像的最大灰度值，透光强度I_ij即为第i行第j列的像素点的灰度值；

步骤2)初步计算得到实测须丛曲线

计算须丛的数字灰度图像中每一列像素点所对应的纤维层累积厚度，即须丛任一横截面上的纤维量，以每一列像素点的纤维层累积厚度为纵坐标，以其距离须丛起始线的距离为横坐标绘制实测须丛曲线，该实测须丛曲线中横坐标即为须丛长度，在初步计算的实测须丛曲线中，第j列像素点的纤维层真实累积厚度x_j用该列像素点的纤维层累积厚度参数t_j表示，t_j的计算式为：与第j列像素点的纤维层真实累积厚度只相差一个常数k，t_j＝kx_j可以表征该列像素点的纤维层真实累积厚度x_j，其中，须丛起始线为制作须丛时所形成的夹持线。

优选地，在所述步骤2)之后还包括对步骤2)得到的实测须丛曲线进行修正从而得到修正须丛曲线的步骤，该修正步骤包括：确定修正区间、根据理论须丛曲线建立的修正方程对实测须丛曲线进行修正，其中，步骤2)得到实测须丛曲线后是否修正要进行判断，判断条件为：累积厚度参数t_j＜620的实测须丛曲线不做修正；累积厚度参数t_j≥620的实测须丛曲线需要修正。

优选地，对步骤2)得到实测须丛曲线的修正方法如下：将累积厚度参数t_j≥620且横坐标大于3mm的实测须丛曲线划分为数个区间，利用修正方程对各区间内实测须丛曲线的纵坐标进行修正，得到各区间的修正须丛曲线；对横坐标位于0mm-3mm段的实测须丛曲线修正采用以下方法：求出修正须丛曲线中横坐标位于3mm-5mm段的须丛长度与纤维层累积厚度参数的线性回归方程，延长该线性回归方程获得横坐标位于0mm-3mm段的须丛长度所对应的纤维层累积厚度参数，得到完整的修正须丛曲线。

优选地，所述修正方程的获取方法如下：分别采用多种纤维的测试数据求得各区间上实测须丛曲线与理论须丛曲线纵坐标的线性回归方程，发现同一区间内不同纤维的理论与实测须丛曲线纵坐标的线性回归方程类同，对各区间内多种纤维的回归方程进行平均，以平均回归方程作为修正方程。

优选地，所述纤维为短纤维。

优选地，所述短纤维为棉、木棉、羊绒、羊毛、苎麻、或大麻。

优选地，所述理论须丛曲线的获取步骤为：取某种纤维至少800根，利用单根纤维测量法得到每根纤维的真实长度，从而获得纤维的长度根数分布，将长度根数分布转换成纤维长度重量分布得到纤维重量频率密度函数p_w(l)，其中，l为纤维长度，再根据经两次积分获得关系式求得理论须丛曲线F(L)，其中，l_m为最长纤维长度。

优选地，将修正须丛曲线中各横坐标对应的纤维层累积厚度参数除以须丛长度等于零时的最大累积厚度参数，从而获得归一化须丛曲线，对归一化须丛曲线进行滤波。

通过本发明提供的方法获得的须丛曲线更加精确，从而为计算准确的纤维长度值打下基础。

附图说明

图1为现有技术的须丛曲线获取方法所得到的须丛曲线图；

图2为扫描得到的须丛透光图像；

图3为聚酯薄膜排列图；

图4为薄膜透光扫描图；

图5为薄膜厚度与相对灰度值及计算的相对厚度的关系；

图6为实测须丛曲线；

图7为归一化的理论须丛曲线；

图8为实测须丛曲线与理论须丛曲线比较图；

图9为单纤维在空气介质中的透光行为示意图；

图10为一种木棉纤维的归一化修正须丛曲线与理论曲线；

图11为一种棉纤维的归一化修正须丛曲线与理论曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种须丛曲线获取方法，其步骤为：

第一步、制取须丛，扫描须丛形貌并计算须丛的厚度分布信息

须丛的制作采用申请号为201210106711.8的专利所公开的方法。为获取纤维层的透光信息，利用透射式扫描单元，而不是传统的反射扫描仪对须丛进行扫描，从而生成如图2所示的数字灰度图像。数字灰度图像只包含亮度信息而没有色彩信息，其中，图像的灰度值表达了亮度信息。该数字灰度图像可以看作m行n列的灰度值矩阵，各列均垂直于纤维轴，则第i行第j列的像素点的纤维层厚度x_ij与该像素点的透光强度I_ij的关系为：

其中，k为纤维的吸光系数，A为数字灰度图像的最大灰度值，在本实施例中，数字灰度图像是256级灰度图，则A＝255，透光强度I_ij即为第i行第j列的像素点的灰度值。

以下对上述关系式的准确性进行论证：

根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer定律)，当一束入射光强为I₀的平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，材料的吸光系数k(常数)、材料厚度x与透过材料的光强I间存在如下理论关系：

I＝I₀e^-kx               (1)

转换式(1)可得：

$x=\frac{1}{k}\ln (I_0/I)---\left(2\right)$

由于本实施例采用的数字灰度图像是256级灰度图，不放纤维时I₀最高，此时对于任一个像素点而言I₀＝255，I为须丛灰度图上任一像素点的灰度值。因此，须丛上任一点的材料厚度x与透光强度I的关系式为：

$x=\frac{1}{k}\ln (255/I)---\left(3\right);$

利用式(3)对检测量-透射扫描图的灰度值作对数变换后，即可获得均质材料层的厚度分布信息。

为验证式(3)对高分子材料的适用性，选用均匀的聚酯薄膜(大分子与涤纶纤维相同)做试验。将16层薄膜的一端以等间距缩进依次铺开，这样从左到右薄膜的厚度依次可表示为16层、15层…1层，材料厚度呈阶梯状降低，参见图3。为消除薄膜上下边缘不平齐的影响，只分析中间段即图3中两条黑线间的区域。通过扫描获得厚度阶梯状分布的聚酯薄膜的透光图像，见图4。

首先分析薄膜透光扫描图的像素信息与厚度的关系。图4中最左端为16层，以此类推最右端的为1层，层数越多透过的光强越低即灰度值越小，因此16层的灰度值最小，1层的灰度值最大。由于薄膜为均质材料，因此各层上任一点的厚度即可代表该层的厚度。为便于分析图像信息与材料厚度的关系，用255减去各层单个像素点的灰度值，得到各层反相后的灰度值，这样薄膜层数与各层的反相灰度值呈正相关。i层重叠膜的扫描图像素点反相灰度值除以16层重叠膜的反相灰度值得到该层的相对灰度值，则16层重叠膜的反相灰度值为1，薄膜层数(厚度)与相对灰度值的关系见图5中的原始曲线。显然材料厚度与灰度值是明显的非线性关系，说明扫描图像的灰度值不能直接表征高分子材料层的厚度。

利用式(3)对图4中的各层灰度值进行对数变换后获得各层的厚度，而后除以最大厚度(16层重叠膜厚度)获得图5的取对数后曲线。显然取对数后的曲线为近似直线，说明该近似直线可以更好地反映高分子材料层的厚度。至于图5中取对数后曲线仍然呈微弱上凸的原因，我们认为是各层薄膜上下表面对光线的反射，即多层重叠薄膜透光性质与一层均质膜的差异。

薄膜实验说明对于质量均匀分布的高分子材料，经式(3)对其数字灰度图像的灰度值取对数变换后，变换量与材料厚度间呈线性关系，透射扫描仪与上述信号处理方法(由灰度值计算均质材料的厚度)相结合可以获得一个很好的厚度或面密度测量传感器。

第二步、初步计算实测须丛曲线：

计算数字灰度图像中第j列像素点的纤维层累积厚度参数t_j，以累积厚度参数为纵坐标，以第j列像素点距须丛起始线(制作时的夹持线，即为图2中的位于中部的黑色竖线)的距离为横坐标绘制得到如图6所示的实测须丛曲线，该实测须丛曲线中横坐标即为须丛长度。其中，纤维层累积厚度参数t_j的计算式为依据式(3)材料透光理论，累积厚度参数t_j＝kx_j，与纤维层的真实累积厚度只相差一个常数k，所以图6中的实测须丛曲线可代表须丛的线密度曲线。

第三步、对由所述第二步得到的实测须丛曲线进行修正：

通过实测纤维长度分布和理论计算须丛曲线的方法进一步考查图6曲线的正确性。首先利用单根纤维测量法(用镊子夹取单根纤维在黑绒板上拖滑，使得纤维在绒毛摩擦力的作用下伸直，用直尺量取纤维长度，估读一位小数)测量纤维的真实长度，每一纤维品种测量1000根左右，从而获得纤维试样的长度根数分布。假设纤维粗细均匀，将长度根数分布转换成纤维长度重量分布。得到纤维重量频率密度函数p_w(l)，其中，l为纤维长度，再根据专利201210106711.8公布的式，经两次积分获得关系式求得到理论须丛曲线F(L)，如图7所示。

图7中的理论须丛曲线与图6中的实测须丛曲线形态相似，但是其纵坐标是相对纤维量，而图6中实测须丛曲线未经归一化处理，它的纵坐标为累积厚度参数，因此两个曲线不能直接进行比较。为比较二曲线，将理论须丛曲线的纵坐标都放大经试算确定的一定倍数，使得二曲线可以在同一图上进行比较，见图8。显然在横坐标数值比较大的部位或纤维量较少的须丛横截面上，理论须丛曲线与实测须丛曲线非常接近，即须丛长度大于13mm后理论须丛曲线与实测须丛曲线几乎重合，但是，累积厚度参数t_j在620以上时两曲线的差异比较大，并且在纤维量越大的须丛截面上两曲线的差异越大，下面分析其原因。

分析纤维对光线的反射和折射行为，参见图9，在纤维与空气的界面光线会发生折射，结果使均匀的入射光线透过纤维后会变为向纤维轴集中的非均匀透射光，这种透射光场的畸变理论上只发生在纤维横截面或直径方向，若须丛中纤维完全伸直在纤维轴向应该是不存在的。并且纤维层越厚上述影响程度越大。另一方面，须丛厚度方向叠加的众多根纤维表面对入射光线的多次反射，使得须丛的实际透射光强低于理论透射光强度并且纤维层越厚降低程度越大。这就造成图8中累积厚度参数t_j＝620以上的实测须丛曲线与理论须丛曲线的差异。

上述由纤维表面反光、折光引起的测试误差很难定量计算，本发明采用折线段逼近理论曲线的方法对实测曲线的纵坐标进行逐段修正，重点解决纤维层较厚时的测试误差。

首先对横坐标3mm以上的纤维量进行修正，修正方法如下：将纵坐标的累积厚度参数值划分为数个区间：620-750、750-870…、＞1170，设各区间内任一须丛长度上理论须丛曲线的纵坐标为x1、实测须丛曲线的纵坐标为x，分别采用3批棉纤维、2批木棉纤维、2批羊绒纤维、羊毛和苎麻各一种的总计9种纤维的测试数据求得各区间上实测须丛曲线的纵坐标x与理论须丛曲线的纵坐标x1的线性回归方程，发现不同纤维在各区间上的线性回归方程类同，因此，确定采用9种不同纤维的平均回归方程为修正方程，见表1。

表1

实测累积灰度值x	修正方程
		620-750	1.1275x-71.707
750-870	1.2678x-174.41

870-970	1.4012x-295.8
		970-1070	1.5383x-432.64
1070-1170	1.1553x-20.374
		＞1170	1.4867x-399.55

从图8可看到，横坐标的原点附近(0-3mm)实测曲线基本为水平线，这是由于试样制作时这段纤维未经梳理，纤维量随横坐标增长不衰减，加之受到过梳夹夹持作用使得纤维变形，进而导致曲线变形。该段采用以下修正方法：利用表1中的方程对实测曲线进行修正后，求出横坐标位于3mm-5mm段的须丛长度与累积灰度的线性回归方程，延长此回归直线获得0-3mm处的累积厚度参数，便完成了0-3mm处的修正。

完成上述修正后，用各列累积厚度参数值除以须丛长度等于零时的最大累积厚度参数值即可获得归一化须丛曲线的纵坐标。由于实测曲线会有噪音，修正后需要用均值滤波方法进行滤波。

以下结合具体数据来进一步说明本发明。

实施例1

(1)利用发明专利(201210106711.8)的方法对木棉纤维进行取样并制作须丛。然后利用透射式扫描仪采集木棉须丛的256级数字灰度图像。

(2)第i行j列像素点纤维层的透光强度为I_ij，计算各列纤维层累积厚度参数从而得到初步的实测须丛曲线——累积厚度参数t_j与各列位置的关系曲线。

(3)利用表1中的修正方程对实测曲线横坐标3mm以上、累积厚度参数t_j＝620以上的t_j进行修正，然后再对0-3mm处进行修正。

(4)用各列累积厚度参数t_j除以须丛长度等于零时的最大累积厚度参数得到归一化须丛曲线，并用均值滤波方法对其进行4次滤波得到最终的修正须丛曲线，见图10，图中的理论须丛曲线由单根纤维测量法测量并计算获得。

实施例2

(1)利用发明专利(201210106711.8)的方法对棉纤维进行取样并制作须丛。然后利用透射式扫描仪采集该棉纤维须丛的256级数字灰度图像。

(2)第i行j列像素点纤维层的透光强度I_ij计算各列纤维层的累积厚度参数从而得到初步的实测须丛曲线——累积厚度参数t_j与各列位置的关系曲线。

(3)利用表1中的修正方程对实测曲线横坐标3mm以上、累积厚度参数t_j＝620以上的t_j进行修正，然后再对0-3mm处进行修正。

(4)用各列累积厚度参数t_j除以须丛长度等于零时的最大累积厚度参数得到归一化须丛曲线，并用均值滤波方法对其进行4次滤波得到最终的修正须丛曲线，见图11，图中的理论须丛曲线由单根纤维测量法测量并计算获得。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术的原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应该在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种须丛曲线的获取方法，其特征在于，步骤为：

步骤1）制取须丛，扫描须丛形貌并计算须丛的厚度分布信息

利用透射式扫描仪对待测须丛进行扫描从而生成数字灰度图像，该数字灰度图像为                                               行列的灰度值矩阵，各列均垂直于纤维轴，则第行第列的像素点上纤维层厚度与该像素点的透光强度的关系为：

，其中，为纤维的吸光系数，为数字灰度图像的最大灰度值，透光强度即为第行第列的像素点的灰度值；

步骤2）初步计算得到实测须丛曲线

计算须丛的数字灰度图像中每一列像素点所对应的纤维层累积厚度，即须丛任一横截面上的纤维量，以每一列像素点的纤维层累积厚度为纵坐标，以其距离须丛起始线的距离为横坐标绘制实测须丛曲线，该实测须丛曲线中横坐标即为须丛长度，在初步计算的实测须丛曲线中，第列像素点的纤维层真实累积厚度用该列像素点的纤维层累积厚度参数表示，的计算式为：=，与第列像素点的纤维层真实累积厚度=只相差一个常数，可以表征该列像素点的纤维层真实累积厚度，其中，须丛起始线为制作须丛时所形成的夹持线。

2.如权利要求1所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：在所述步骤2）之后还包括对步骤2）得到的实测须丛曲线进行修正从而得到修正须丛曲线的步骤，该修正步骤包括：确定修正区间、根据理论须丛曲线建立的修正方程对实测须丛曲线进行修正，其中，步骤2）得到实测须丛曲线后是否修正要进行判断，判断条件为：累积厚度参数<620的实测须丛曲线不做修正；累积厚度参数≧620的实测须丛曲线需要修正。

3.如权利要求2所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：对步骤2）得到实测须丛曲线的修正方法如下：将累积厚度参数≧620且横坐标大于3mm的实测须丛曲线划分为数个区间，利用修正方程对各区间内实测须丛曲线的纵坐标进行修正，得到各区间的修正须丛曲线；对横坐标位于0mm-3mm段的实测须丛曲线修正采用以下方法：求出修正须丛曲线中横坐标位于3mm-5mm段的须丛长度与纤维层累积厚度参数的线性回归方程，延长该线性回归方程获得横坐标位于0mm-3mm段的须丛长度所对应的纤维层累积厚度参数，得到完整的修正须丛曲线。

4.如权利要求3所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：所述修正方程的获取方法如下：分别采用多种纤维的测试数据求得各区间上实测须丛曲线与理论须丛曲线纵坐标的线性回归方程，发现同一区间内不同纤维的理论与实测须丛曲线纵坐标的线性回归方程类同，对各区间内多种纤维的回归方程进行平均，以平均回归方程作为修正方程。

5.如权利要求4所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：所述纤维为短纤维。

6.如权利要求5所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：所述短纤维为棉、木棉、羊绒、羊毛、苎麻、或大麻。

7.如权利要求2所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：所述理论须丛曲线的获取步骤为：取某种纤维至少800根，利用单根纤维测量法得到每根纤维的真实长度，从而获得纤维的长度根数分布，将长度根数分布转换成纤维长度重量分布得到纤维重量频率密度函数，其中，为纤维长度，再根据，经两次积分获得关系式求得理论须丛曲线，其中，为最长纤维长度。

8.如权利要求2所述的一种须丛曲线的获取方法，其特征在于：将修正须丛曲线中各横坐标对应的纤维层累积厚度参数除以须丛长度等于零时的最大累积厚度参数，从而获得归一化须丛曲线，对归一化须丛曲线进行滤波。