CN103940819A - 一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，包括试样台、照明系统、灯箱、支撑系统、数码摄像系统和计算机；所述的试样台是一个上下自由移动系统；所述的支撑系统是一个ISP图像处理器；所述的照明系统是一个环形LED灯照明系统，其位于光学显微镜头外侧；所述的数码摄像系统、ISP图像处理器和上下自由移动系统分别与所述的计算机相连；所述的数码摄像系统包括一个光学显微镜头和一个CCD传感器，数码摄像系统位于试样台的正上方。本发明的有益效果是：本发明所设计的系统实现了显微尺度下织物中纱线表面图像的自动采集，能在特定的光照环境下方便地获取纱线的表面成像图。

Description

一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置及方法

技术领域

本发明涉及图像采集装置和处理方法，更具体说，它涉及一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置及方法。

背景技术

在纺织和服装产业，织物表面的质检领域是织物在生产过程中质量控制的关键。目前我国纺织工业中产品质量的检测都还不同程度地存在着落后的人工手动检测。传统的检测方法依赖手工操作，存在主观性强、可靠性低、费时费力等缺点，已经无法满足我国纺织产业的可持续发展的需求。而利用计算机图像处理技术和计算机机器视觉技术则能获得快速、准确的检测结果。数字图像处理运用在检测技术领域，具体言之是将计算机图像处理技术应用于工业检测问题，这使传统的精密测量仪器获得了新的发展机遇，很多原来由人眼通过目镜观察后再做分析判断的精密测量仪器可借助摄像技术,通过计算机对图像信息处理的方式，达到更高的智能化程度和获取更精确可靠的处理结果。

国内外学者将织物表面结构的研究焦点集中在织物图像纹理识别、纱线分割以及颜色聚类等三方面。织物表面结构的相关检测问题一般要求精确到纱线尺度上。1999年，韩国的KangT.等发表研究论文，文中提出了利用织物的光透射照片进行织物纱线分割的方法。对织物的光透射照片进行灰度投影处理，纱线的间隙位置对应于投影值中灰度投影值较高的部分。随后，由于平板扫描仪的普及，研究者主要将研究对象集中在织物的反射光照片。在织物反射光照片中，纱线的间隙位置则对应于投影值中灰度投影值较低的部分。由于织物在显微尺度下的成像图片是一个三维结构的表面图片，所以织物图片中的纱线表面的阴影分布受光影照射角度的变化而变化。但是在平板扫描仪中或传统的摄像系统中，光照的角度是固定的，无法真实地反映织物中纱线表面的三维细节。另外，由于织物中纱线毛羽和纱线变形的存在，使得纱线表面的光影分布更加复杂，这给后续的纱线识别带来了极大的困难，明显地影响了分析结果的可靠性和准确性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种提高采集图像的质量，有效地减少纱线边缘的阴影成像区域，提供更多关于纱线表面的纤维细节，从而提高织物图像后续处理技术对纱线分析准确性的显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置及方法。

这种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，包括试样台、照明系统、灯箱、支撑系统、数码摄像系统和计算机；所述的试样台是一个上下自由移动系统；所述的支撑系统是一个ISP图像处理器；所述的照明系统是一个环形LED灯照明系统，其位于光学显微镜头外侧；所述的数码摄像系统、ISP图像处理器和上下自由移动系统分别与所述的计算机相连；所述的数码摄像系统包括一个光学显微镜头和一个CCD传感器，数码摄像系统位于试样台的正上方。

作为优选：所述数码摄像系统还包括USB数据输送线和光学显微镜头基座；所述的CCD传感器通过光学显微镜头基座上的卡口与光学显微镜头相连，CCD传感器通过USB数据输送线与所述的计算机相连；所述的光学显微镜头为高倍可变倍调节，调节范围为5-10倍。

作为优选：所述照明系统包括环形LED灯、装置固定架和反光杯；装置固定架用于将LED灯和反光杯固定在灯箱上；反光杯内侧表面采用喷涂技术使其表面覆盖有一层微细、均匀的白色颗粒，使LED灯照射出的光线达到反光杯内侧后，经漫反射照射到纱线表面，从而尽可能获得纱线边缘阴影部位极柔和纱线表面高光部位照明均匀的光照效果；环形LED灯通过PCB电路板控制其工作状态，PCB电路板嵌入在灯箱上外侧。

作为优选：所述环形LED灯中有16个LED灯，每4个构成一个工作组，通过PCB电路板控制每个工作组的工作状态，完成不同光照环境下的织物图像采集工作。

作为优选：所述上下自由移动系统包括Z向线性导轨和Z向步进电机；所述的Z向步进电机控制所述的试样台沿着Z向线性导轨移动；所述的Z向步进电机通过所述的计算机控制，以实现调节试样台与光学显微镜头之间的距离。

这种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理方法，包括以下步骤：

首先，利用光学显微镜头和CCD传感器获取平放于试样台上的织物的微观尺度图片，图片中包含了纱线相互交叉或绕结的结构以及纱线间隙信息；

然后，保持织物样品位置不动，通过PCB电路板控制和改变LED环形灯的工作状态，从而改变成像光照环境，进而得到不同的纱线图片；

再次，将采集的图片输入到ISP图像处理器中完成图像的处理；

最后，将处理结果输出到显示器上进行显示。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所设计的系统实现了显微尺度下织物中纱线表面图像的自动采集，能在特定的光照环境下方便地获取纱线的表面成像图；

(2)特殊的光照角度能在纱线表面形成不同的反射光图片，可以针对同一试样设置不同的光照条件，这是目前专门针对织物纱线微观结构的复杂特征设计的照明装置；

(3)仪器能够通过一个精密的自由移动系统控制试样与光学显微镜头的间距，同时能够自由调节光学显微镜头的放大倍数，使得该仪器能针对不同粗细的纱线结构获取更加清晰的试样图像，操作方便，避免了在采集过程中由于更换样品而不断调焦的过程，仪器的采集速度得到极大提高；

(4)仪器中采用涂有一层漫反射材料的反光杯，使照射到纱线表面的光线更加柔和、充分和均匀，有效地抑制了纱线边缘的阴影区域占整个纱线表面积的比例，从而获得更多纱线表面的有效区域信息；

(5)与目前基于扫描技术的装置相比，在本仪器中试样可以直接摆放在试样台，无需夹持和固定，操作过程更加简便；

(6)通过采用ISP图像处理器，对采集的图片进行进一步处理，使采集图片的质量进一步得到提高，通过图像融合技术，本仪器能输出更高质量的显微尺度下织物中纱线表面图像；

(7)从本仪器获取的织物纱线图像，无论在光照、放大倍率和清晰度等方面，都具有很高的质量，能真实地反映纱线中更多的纤维细节。

附图说明

图1为显微尺度下织物中纱线表面的图像采集、处理以及显示的步骤框图；

图2为显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置示意图；

图3为显微尺度下LED环形灯工作状态控制实例；

图4为显微尺度下一组织物图片实例；

图5为显微尺度下一组织物图片融合结果实例。

附图标记说明：CCD传感器1、光学显微镜头2、环形LED灯3、灯箱4、数据输送线5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

本发明的实施方式涉及一种用于获取显微尺度下织物中纱线表面图像的装置。通过高精密自由移动平台和光学放大倍率的自由调节，能够针对织物中不同粗细的纱线结构进行聚焦，可控制的LED组合照明系统实现了改变照射到纱线微观结构的光线角度，通过光学显微镜头2和CCD传感器1的结合可以实现织物在显微尺度下纱线表面的图像采集功能。利用特殊的反光装置和漫反射涂层材料，使照射到纱线表面的光线更加柔和、充分。通过由PCB电路板控制的环形灯可以方便地控制光照条件。使用USB数据传输线可以将得到的织物图片输入到ISP图像处理器中，在图像处理器中利用图像融合处理技术对多张图片进行融合处理，保留纱线表面光照较亮且较均匀的部分，同时抑制纱线边缘的阴影部分信号。最后使用显示器将融合前和融合后的织物图片输出到显示器上进行显示。

本发明采用的技术方案包括如下特征：

(1)基于光学显微镜头2和CCD传感器1的结合，完成织物在显微尺度上的图像采集工作，采集到的织物图像中包含纱线边缘的阴影信息；

(2)试样台和照明系统位于一个无缝的灯箱4内，保证光照环境不受外部光源干扰；

(2)采用步进电机驱动，实现升降位移自动调整，自动控制织物样品与光学显微镜头2的间距；

(3)采用一个由PCB电路板控制的环形灯，该环形灯中有16个LED灯，每4个构成一个工作组。通过PCB电路板控制每个工作组的工作状态，完成不同光照环境下的织物图像采集工作；

(4)在LED环形灯背后置有一个反光杯，该反光杯内侧表面涂有一层漫反射材料，使反射到纱线表面的光线更加充分和均匀；

(5)灯箱4内侧表面涂有一层与反光杯表面相同的漫反射涂层材料，使灯箱4内的整个光照环境更加柔和、均匀；

(6)通过数据输送线5，将得到的一组织物微观尺度图片输入到ISP图像处理器中完成图像的自动曝光控制以及图片融合处理；

(7)通过数据输送线5，将(3)中的处理结果显示到特定的显示器上。

图2、图3是本发明涉及到的一种具体实例。在一个灯箱4上面固定好光学显微镜头2和CCD传感器1，并将二者连接方式采取EF卡口和内三爪卡口环结合，对放在试样台上的织物进行拍摄便可采集到织物在显微尺度下的纱线交织或绕结图像。通过PCB电路板控制LED灯的工作状态可以获得不同的光照照射条件。图3中每4个LED灯为一组，灰色表示灯亮，白色表示灯不亮。图3中列举了一共有9种不同的工作状态的组合情况。每一种LED灯工作组合状态情况下，拍摄获得一张织物图片。通过USB数据输送线5将织物图片从CCD传感器1输入到ISP图像处理器中。图像处理器中采用图像融合技术完成对输入图片的处理。最后将处理结果用彩色LED液晶显示器进行显示。

本实施例中的装置包括一个灯箱4、自由移动试样平台、照明系统、数码摄像系统、ISP图像处理器和计算机。其中，数码摄像系统和照明系统位于自由移动试样平台正上方，数码摄像系统、照明系统和自由移动试样平台位于灯箱4内的中心位置。灯箱4前侧壁面开有一个可滑动的门，用于取放试样。可滑动的门沿着灯箱4外侧表面的导轨按照水平方向左右自由移动。可滑动的门要求内侧表面使用漫反射材料进行喷涂。所使用喷涂材料要求与照明系统中的反光杯内侧表面所喷涂的材料一致。喷涂材料要求颗粒大小均匀一致、分布均匀，呈白色。本实施例中采用纳米二氧化钛颗粒对灯箱4内侧、可滑动门内侧以及反光杯内侧进行均匀喷涂，使照明系统的光经漫反射后能均匀达到纱线表面。数码摄像系统包括CCD传感器1和光学显微放大镜头。照明系统是一个环形LED灯3，其工作状态和控制方式如图3所示。要求LED灯位于光学显微放大镜头外侧，LED灯的环形平面的中心与光学显微放大镜头的物镜焦平面的中心重合。LED灯的环形平面与试样台平面相互平行。

所述的自由移动试样平台采用步进电机驱动，实现升降位移自动调整，自动控制。电机水平放置，运行平稳，采用高精度滚珠丝杆传动，楔形升降机构和精密交叉滚柱导轨。在本实施例中，升降行程5mm，台面尺寸64×50mm，导程0.5mm，重复定位精度<0.003mm，垂直方向最大速度6.25mm/s，最大静转矩40Ncm。步进电机与计算机相连，自动控制平台升降位移。

所述的用于采集织物在显微尺度下的纱线表面图像的数码摄像系统通过所述的USB数据传输线与所述的计算机连接；所述的数码摄像系统的光学显微放大镜头采用长焦距、大焦深、高分辨率、可变倍调节的光学镜头。在本实施例中，光学镜头最大光圈F2.8，最小光圈F16，最近对焦距离0.24m，焦距范围65mm，光学最大放大倍率5倍。CCD传感器1的最大有效像数为3876×2584像素。

本实施例中的实施方式涉及一种用于显微尺度下织物中纱线表面的图像采集和融合处理技术，其原理是通过改变环形LED灯3上的光照控制条件(如图3所示)，利用图2所示的图像采集装置获得一组图片。图像采集时，试样台上的织物样品保持不动，从而获得同一织物样品在不同光照角度下的显微结构图片。所需的纱线结构表面微观图片通过大焦深、高分辨率的可变倍物镜获取，并设计专门的自由移动试样平台配合拍摄不同粗细或密度的纱线结构。在本实施例中，利用该技术获取的一组图片通过软件编程技术进行处理，处理平台使用ISP图像处理器和计算机相结合，处理速度快，可及时获得高质量的纱线结构微观图像。实施方式涉及的具体步骤如下：

(1)推开位于灯箱4上的移动门，将试样平整地放在位于采集区范围的试样台上(如图2所示)，关闭移动门，如果试样中纱线的粗细与上一次试样的纱线粗细明显不同，则需要根据采集需求升高或降低试样台高度；

(2)打开数码摄像系统和照明系统，初始状态的照明系统使环形灯中的每一组LED灯处于全开状态(图3中4组LED灯全亮)，采集界面上出现试样图像，根据需要选择光学显微镜头2放大倍率，微调试样台高度保证获得最佳的成像清晰度；

(3)保持试样不动，根据预先确定的LED环形灯工作状态组合，通过PCB电路控制板不断改变光照工作条件(如图3所示)，每一种条件下采集一张织物图片(如图4所示，预先确定4种LED工作组合状态，在每一种工作状态下拍摄一张织物图片)；

(4)利用ISP图像处理器和计算机将采集的图像进行分析和处理，将多张图像进行融合，如图5所示，该图片为图4中的4张织物图片融合后的结果，融合方法采用叠加法，融合过程中每一张图片的融合系数设置均为0.25，然后将融合前或融合后的图像输出到显示器上显示(分别如图4和图5所示)；

(5)更换试样，并重复步骤(1)-(4)，直至完成所有的试样采集、处理和显示。

计算机将采集的图像进行融合处理，可以采用各种不同的融合算法。在本实施例中，从图5可以看出，即使采用非常简单的叠加法，便可获得了很高的纱线清晰度。更重要的是，当纱线中的纤维表面存在直接强烈的反射光时(如图4中的高亮部分)，本发明技术能很好地将多光照角度的高亮光线融合到一张图片中，从而呈现出一张亮度均匀、光线柔和的织物图片。由纤维染料中微小粒子的系统的光学行为的理论，即Kubelka-Munk理论可知，由于光在纤维间的多重散射，即反射被观察到之前，已在系统内纤维染料中由一个粒子到另一个粒子进行了多次反射，所以在图4中纤维密度高且纱线表面突出的部分亮度信号较强烈，而在纱线边缘及纱线间隙的部分亮度信号则弱。在融合后的图片(图5)中可以观察到，纱线边缘的阴影区域与融合前的图片相比明显减少，且纱线表面光照效果更加充分，这将十分有利于后续的分析和处理，极大地提高待分析图片的输入质量，从而提高计算机对织物中纱线智能识别的精度和效率，比如在纱线分割或编织点识别的应用等方面。

需要说明的是，本实施例中涉及的在不同光照下获取的织物图片可以直接作为观测和分析用。本实施例中所采集的一组织物图像(如图4所示)，可以应用到织物外观评定和分析领域。例如，由于织物在微观尺度下的图像与随光照角度的不同而不同，利用这一特性本发明还可以应用在织物表面的三维结构评估。

综上，本发明通过数字化控制和图像处理技术实现了显微尺度下织物中纱线表面的图像采集、处理和显示，适用于针织物和机织物等纺织品品种。本发明操作简单、快捷，获取的纱线表面图片清晰度高、光照均匀，可以作为涉及纺织品微观特征的研究仪器，而且还能满足纺织品微观结构的分析和评定等各种需求，通过提高输入图像的质量，为计算机图像处理技术在织物分析中能获得准确、客观的结果提供了新的思路。

Claims (6)

1.一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，其特征在于：包括试样台、照明系统、灯箱(4)、支撑系统、数码摄像系统和计算机；所述的试样台是一个上下自由移动系统；所述的支撑系统是一个ISP图像处理器；所述的照明系统是一个环形LED灯照明系统，其位于光学显微镜头(2)外侧；所述的数码摄像系统、ISP图像处理器和上下自由移动系统分别与所述的计算机相连；所述的数码摄像系统包括一个光学显微镜头(2)和一个CCD传感器(1)，数码摄像系统位于试样台的正上方。

2.根据权利要求1所述的显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，其特征在于：所述数码摄像系统还包括USB数据输送线(5)和光学显微镜头基座；所述的CCD传感器(1)通过光学显微镜头基座上的卡口与光学显微镜头(2)相连，CCD传感器(1)通过USB数据输送线(5)与所述的计算机相连；所述的光学显微镜头(2)为高倍可变倍调节，调节范围为5-10倍。

3.根据权利要求1所述的显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，其特征在于：所述照明系统包括环形LED灯(3)、装置固定架和反光杯；装置固定架用于将LED灯和反光杯固定在灯箱(4)上；反光杯内侧表面采用喷涂技术使其表面覆盖有一层微细、均匀的白色颗粒，使LED灯照射出的光线达到反光杯内侧后，经漫反射照射到纱线表面，从而尽可能获得纱线边缘阴影部位极柔和纱线表面高光部位照明均匀的光照效果；环形LED灯(3)通过PCB电路板控制其工作状态，PCB电路板嵌入在灯箱(4)上外侧。

4.根据权利要求3所述的显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，其特征在于：所述环形LED灯(3)中有16个LED灯，每4个构成一个工作组，通过PCB电路板控制每个工作组的工作状态，完成不同光照环境下的织物图像采集工作。

5.根据权利要求1所述的显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理装置，其特征在于：所述上下自由移动系统包括Z向线性导轨和Z向步进电机；所述的Z向步进电机控制所述的试样台沿着Z向线性导轨移动；所述的Z向步进电机通过所述的计算机控制，以实现调节试样台与光学显微镜头2之间的距离。

6.一种显微尺度下织物中纱线表面的图像采集处理方法，其特征在于：包括以下步骤：首先，利用光学显微镜头(2)和CCD传感器(1)获取平放于试样台上的织物的微观尺度图片，图片中包含了纱线相互交叉或绕结的结构以及纱线间隙信息；然后，保持织物样品位置不动，通过PCB电路板控制和改变LED环形灯的工作状态，从而改变成像光照环境，进而得到不同的纱线图片；再次，将采集的图片输入到ISP图像处理器中完成图像的处理；最后，将处理结果输出到显示器上进行显示。