CN104849275A - 一种纱线外观的高速数字化成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纱线外观的高速数字化成像装置，包括纱线高速传输模块、纱线图像采集模块、纱线图像分析模块；纱线图像采集模块包括图像采集室，图像采集室内一对面上分别设置脉冲光源和CCD/CMOS相机；脉冲光源采用近红外脉冲激光光源，脉冲激光的频率与CCD/CMOS相机的帧数一致；CCD/CMOS相机的光学镜头由具有放大倍数的变焦或定焦光学镜片组构成，镜头的前端安装红外滤光片，将照射纱线后的光信号进行光带通过滤，去除周围环境光线对后续光信号采集的影响；图像采集室内左右两侧开设通孔，纱线由一侧通孔穿入，进入图像采集室，再由另一侧通孔穿出，两侧通孔的中心线的连线，与CCD/CMOS相机镜头垂直。

Description

一种纱线外观的高速数字化成像装置与方法

技术领域

本发明涉及一种纱线外观的高速数字化成像装置与方法，属于纺织纱线质量检测方法。

背景技术

在纺织生产和质量检测领域内，涉及纱线的外观质量参数主要包括纱线细度，条干均匀度，毛羽长度，毛羽量等指标。由于纱线的外观信息对评价纱线质量，指导织造工艺，预测织物外观效果具有非常着重要意义，并且纱线的质量决定着织物和服装的外观性能及物理性能，因此，控制纱线的质量是纺织生产中重要环节之一。

因此，对纱线质量的检测日益成为纺织产品质量检测的核心部分。围绕着纱线的质量，国内外纺织行业研究人员开发了大量纱线质量检测仪器。纱线条干均匀度检测方法主要有黑板检测和纱线条干均匀度测试仪。黑板检测的原理是利用摇黑板将纱线均匀缠绕在黑板机上通过目测来检测纱线条干均匀度以及棉结等信息，这种方法有个明显的缺点是易受到人为因素的影响，费事费力。纱线条干均匀度仪的测量方法有两种：电容式测量和光电式测量。电容式测量的原理是让纱线以一定速度从平行板电容器极板间通过，由于纱线不同位置线密度的变化而引起电容的介质变化，进而引起电容量的变化，电容量的变化即反映出纱线的条干不匀程度；光电式测量的原理是将纱线以一定的速度从两路正交的光电检测器内通过，光电传感器将纱线直径信号转化为电信号，电信号的变化即反映出纱线的条干不匀程度。然而，不管是电容式还是光电式条干均匀度仪，都只能得到反映纱线粗细的电容信号或者光电信号等间接量，是不能对纱线中棉结和杂质分别进行定量分析，也不能够直接获得纱线的表面外观或者颜色纹理等更直观的信息。

纱线的毛羽检测主要有目测法、重量法和静电法等方法。目测法有两种，一种是直接对管纱目测对比或将纱线绕在黑板上，拍成照片进行对比；另一种目测法是将毛羽进行定量分级，做好各级毛羽的标准黑板，再将试样与标准黑板对比定级。目测法的特点是直观方便，但存在取样少，效率低的缺点。重量法的原理是取一定长度的纱线，对其烧毛前后的重量进行对比，以确定其毛羽值。这种方法简单，但由于难以控制烧毛条件，所以不能准确的反映纱线毛羽的多少。静电法原理是使纱线匀速通过高压电场，在电场的作用下，毛羽竖起，再利用光电法计数。这种方法虽然效率高，但破坏了毛羽的形态，而且实验仪器构造较复杂，设备昂贵。

随着计算机和图像处理技术的发展，纺织专业邻域内也越来越多地应用计算机技术，采用计算机图像分析和处理技术进行纱线的质量检测。研究人员开始利用光学系统和CCD/CMOS相机来分析纱线的外观，计算出纱线直径和不匀率、毛羽及颜色等外观信息。在文献号为CN100337109C的专利文件“纱线外观质量数字图像分析的方法”中，作者采用摄像机获取纱线外观帧图像，以数字形式输入图像数据分析系统，进行图像模式识别并计算出各项物理指标，从而得到纱线外观质量的动态或静态分析结果。计算机视觉分析系统的主要原理是利用镜头将纱线图像聚焦在CCD相机的感光元件上，发生光电效应，将光学信号我转为模拟信号，并通过图像采集卡采集信号和内置的A/D转换器转换成数字信号被输入计算机，通过计算机中的图像处理软件可以对图像进行去噪、阈值分割等处理，可以提取纱线的毛羽、直径、不匀率、纱疵等信息。运用计算机图像分析和处理技术进行纱线的质量检测，关键在于如何获取清晰可见的纱线外观图像和建立行之有效的数字化图像处理方法。在文献号为CN104297250A的中国专利文献“一种纱线毛羽检测装置”中，作者提出当纱线进行图像捕捉时，在面阵相机前设置放大镜头，并将相机和频闪面光源相对设置在纱线图像采集室的两侧，通过此种方法来提高纱线图像的埃及效率和毛羽检测的效率。

在采集纱线图像的过程中，如果采集的是低速运动的纱线图像，通常选用的都是低速的CCD/CMOS相机，但是这种方法在短时间内无法采集到大量的纱线图像样本，存在取样少的缺点，在后续的纱线质量分析中不能给出准确的质量参数，而要想获得足够多的实验样本，就要付出一定的时间和人力。如果采集的是高速运动的纱线图像，由于低速CCD/CMOS相机快门速度不够快，导致在图像采集时会采集到模糊的图像，即出现所谓的拖尾现象，因此就必须采用高速相机。然而在选用高速CCD/CMOS相机时，首先需要一个特殊的光源来支撑，以确保在相机的快门打开期间，有足够的光进入，顺利实现光电转换。其次在采样过程中，数据的传输速度要足够快，才能做到对高速运动的纱线进行拍摄。所以，要想采集到高速运动的纱线图像，需要花费昂贵的费用。

目前，在纱线外观质量检测领域，要想采集到高速运动状态下纱线的图像，必须使用价格昂贵的高速相机，性价比颇低。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用普通CCD/CMOS相机情况下可以对高速运动的纱线进行图像采集和分析的装置和方法。

本发明在使用普通CCD/CMOS相机情况下，用相应脉宽和频率的近红外脉冲激光做光源，采集到高速运动状态下纱线的图像，进行后续的纱线外观质量检测评估和科学研究。

本发明具体采取以下技术方案：

一种纱线外观的高速数字化成像装置，包括纱线高速传输模块、纱线图像采集模块、纱线图像分析模块；所述纱线图像采集模块包括图像采集室(8)，所述图像采集室(8)内一对面上分别设置脉冲光源和CCD/CMOS相机(10)；所述脉冲光源采用近红外脉冲激光光源，由近红外脉冲激光发生器(121)和近红外脉冲激光控制器(122)组成，脉冲激光的频率与CCD/CMOS相机(10)的帧数一致，脉宽根据纱线的传输速度设定；所述CCD/CMOS相机(10)的光学镜头由具有放大倍数的变焦或定焦光学镜片组构成，镜头的前端安装红外滤光片(11)，将照射纱线后的光信号进行光带通过滤，去除周围环境光线对后续光信号采集的影响；所述图像采集室内左右两侧开设通孔，纱线由一侧通孔(91)穿入，进入图像采集室，再由另一侧通孔(92)穿出，所述两侧通孔的中心线的连线，与CCD/CMOS相机(10)镜头垂直；所述CCD/CMOS相机与纱线图像分析模块数据连接。

进一步的，所述纱线高速传输模块包括导纱钩(2)、张力控制装置(3)、引纱罗拉(5)、卷绕罗拉(6)和驱动电机(7)，纱线依次穿过导纱钩(2)、张力控制装置(3)、引纱罗拉(5)、纱线图像采集模块、卷绕罗拉(6)，在驱动电机(7)的牵引下，实现高速传输。

进一步的，所述纱线图像分析模块包括图像储存单元和图像处理单元，所述图像采集单元包括图像采集卡(13)，所述图像处理单元包括数据处理计算机(14)，对采集到纱线图像进行特征参数提取，得到纱线的外观质量参数。

一种纱线外观的高速数字化成像装置的成像方法，包括以下步骤：

(1)纱线在高速卷绕装置牵引作用下，由筒子卷装送出，经过导纱钩、张力装置、引纱罗拉、图像采集室和卷绕罗拉，在驱动电机的牵引下以一定的高速向前运动，调节张力装置预加在纱线上的张力，使纱线在高速运动状态下不产生明显跳动，避免影响后续图像采集；

(2)在图像采集室的前壁设置一台CCD相机，相机镜头与纱线运动方向垂直，图像采集室的后壁设置近红外脉冲激光背光光源，脉冲激光的频闪频率与相机的帧数一致，并根据纱线的运动速度，在CCD相机采集到的纱线图像不出现“拖尾”的前提下，合理设置脉冲激光的脉宽；

(3)将步骤(2)所述的图像采集室内部处于完全黑暗的条件下，仅采用所述近红外脉冲激光做背光光源，用CCD相机对高速运动的纱线连续拍摄图像；在CCD相机拍摄过程中，纱线以一定的高速向前运动，在相机的快门打开后，所述近红外脉冲激光光源发射出一次脉冲激光，照射在高速运动的纱线上，纱线的光信号到达CCD相机的靶面，形成图像，并在相机快门关闭之前，在极短的时间内结束脉冲激光，然后相机快门关闭，完成一次拍摄。

(4)将步骤(3)采集到的纱线图像通过图像采集卡传递给数据处理计算机，并在计算机上进行数字图像处理与数据测量分析。

本发明基本思路是控制光的发射时间，来控制运动物体的光信号到达相机靶面的时间片段。相机快门打开后，在运动物体还未发生较大距离的移动时，即在极短的时间内完成光的照射，这时光线对靶面有直接影响，形成图像。而后，虽然快门尚未关闭，但光源已经切断，没有后续的光对纱线进行照射，就不会产生图像重叠的问题。本发明运用CCD/CMOS相机的光学成像原理，结合近红外脉冲激光装置的性能特点，提出一种新型纱线外观的高速数字化成像装置与方法，解决了现阶段无法用普通性能的相机采集到清晰的高速运动状态下纱线图像的问题。

附图说明

图1是本发明纱线外观的高速数字化成像装置的结构示意图。

图2是本发明应用装置的纱线图像采集模块透视图。

图3是本发明应用装置的纱线图像采集模块俯视图。

图4是本发明的工作流程示意图。

其中：1—筒子固定架，2--导纱钩，3--张力控制装置，41、42--导纱轮，5--引纱罗拉，6--卷绕罗拉，7--驱动电机，8--图像采集室，91、92--通孔，10--CCD/CMOS相机，11--红外滤光片，121--近红外脉冲激光发生器，122--近红外脉冲激光控制器，13--图像采集卡，14--数据处理计算机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参照附图1为应用本发明的纱线外观的高速数字化成像装置，包括：筒子固定架1；导纱钩2；张力控制装置3；导纱轮41、42；引纱罗拉5；纱线图像采集模块；卷绕罗拉6；驱动电机7；纱线图像分析模块。其中，纱线图像采集模块由图像采集室8、CCD/CMOS相机10、近红外脉冲激光发生器121和近红外脉冲激光控制器122组成，所述图像采集室8两侧开设通孔91、92，所述CCD/CMOS相机的镜头前端安装红外滤光片11。纱线图像分析模块由图像采集卡13和数据处理计算机14组成。

附图2为本发明纱线图像采集模块透视图，图像采集室内前后两侧设置近红外脉冲激光发生器121和CCD/CMOS相机10。所述近红外脉冲激光发生器121由近红外脉冲激光控制器122控制发射脉冲激光，脉冲激光的频率与CCD/CMOS相机的帧数一致，脉宽根据纱线的传输速度设定。所述CCD/CMOS相机10与纱线图像分析模块数据连接，相机的光学镜头由具有放大倍数的变焦或定焦光学镜片组构成，镜头的前端安装红外滤光片11，将照射纱线后的光信号进行光带通过滤，去除周围环境光线对后续光信号采集的影响。所述图像采集室内左右两侧开设通孔91、92，纱线经过所述引纱罗拉5后由一侧通孔91穿入，进入图像采集室，再由另一侧通孔92穿出，经过卷绕罗拉6，在驱动电机7的牵引下，实现高速传输。所述两侧通孔91、92的中心线的连线，与CCD/CMOS相机10镜头垂直。

纱线在高速卷绕装置牵引作用下，由筒子卷装送出，经过导纱钩2、张力装置3、导纱轮41，引纱罗拉5、图像采集室和卷绕罗拉6，导纱轮42，在驱动电机的牵引下，以一定的高速向前运动。

为了保证光照环境的稳定，将图像采集室内部处于完全黑暗的条件下，仅采用所述近红外脉冲激光做背光光源，用CCD相机对高速运动的纱线连续拍摄图像。在CCD相机拍摄过程中，纱线以一定的高速向前运动，在相机的快门打开后，所述近红外脉冲激光光源发射出一次脉冲激光，照射在高速运动的纱线上，纱线的光信号到达CCD相机的靶面，形成图像，并在相机快门关闭之前，在极短的时间内结束脉冲激光，然后相机快门关闭，完成一次拍摄。将拍摄完成的纱线图像通过图像采集卡13储存在数据处理计算机14内，用于纱线外观质量参数测量分析。

下面结合具体实验情形进一步阐述纱线图像采集模块的工作过程。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

假设纱线的运动传输速度为400米/分钟，约为6.67米/秒，实验所用的CCD相机帧数为60帧，棉纤维的直径为20微米，即纱线毛羽直径为20微米。如果在一个快门的时间内，毛羽的移动距离，最大不能超过多少毛羽本身的尺寸的25％，即纱线在快门开启的时间内，移动距离不能够超过的最大距离为：20*0.25＝5微米。这就要求所用的相机快门速度至少为5/6.67＝0.75微秒，拍摄的纱线图像才不会出现明显的重影现象，而实验用帧数为60帧的CCD相机远远达不到该要求。

但是，可以人为控制脉冲激光的发射的时间，来控制高速运动纱线的光信号到达CCD相机靶面的时间片段。也就是说，在纱线还未发生较大距离移动时，脉冲激光的照射已经在极端时间内完成，即只用大概0.74微秒的时间来完成光的照射。这时光线对靶面有直接的影响，并形成了图像，而后，虽然快门尚未关闭，但光源已经切断，没有后续的光对纱线进行照射，也就不会造成图像重叠，产生重影现象。

基于以上原理，可以设定近红外脉冲激光的脉宽在0.74微秒以下，频率与CCD相机的帧数一致，为60赫兹，保证CCD相机快门每开关一次，都可以拍摄一张纱线图像。如此，即便用普通基本性能的CCD相机，也能拍摄到高速运动的纱线图像。

本发明的工作流程，如附图4所示：在装置上卷绕好纱线，通过张力控制器给纱线施加预加张力，相机初始化，调节脉冲激光，启动驱动电机，采集纱线图像，对采集到的图像进行灰度转化和二值化处理，最后对图像进行特征参数提取，输出计算结果。

Claims (4)

1.一种纱线外观的高速数字化成像装置，其特征在于：

包括纱线高速传输模块、纱线图像采集模块、纱线图像分析模块；

所述纱线图像采集模块包括图像采集室(8)，所述图像采集室(8)内一对面上分别设置脉冲光源和CCD/CMOS相机(10)；所述脉冲光源采用近红外脉冲激光光源，由近红外脉冲激光发生器(121)和近红外脉冲激光控制器(122)组成，脉冲激光的频率与CCD/CMOS相机(10)的帧数一致，脉宽根据纱线的传输速度设定；所述CCD/CMOS相机(10)的光学镜头由具有放大倍数的变焦或定焦光学镜片组构成，镜头的前端安装红外滤光片(11)，将照射纱线后的光信号进行光带通过滤，去除周围环境光线对后续光信号采集的影响；所述图像采集室内左右两侧开设通孔，纱线由一侧通孔(91)穿入，进入图像采集室，再由另一侧通孔(92)穿出，所述两侧通孔的中心线的连线，与CCD/CMOS相机(10)镜头垂直；所述CCD/CMOS相机与纱线图像分析模块数据连接。

2.如权利要求1所述的纱线外观的高速数字化成像装置，其特征在于：所述纱线高速传输模块包括导纱钩(2)、张力控制装置(3)、引纱罗拉(5)、卷绕罗拉(6)和驱动电机(7)，纱线依次穿过导纱钩(2)、张力控制装置(3)、引纱罗拉(5)、纱线图像采集模块、卷绕罗拉(6)，在驱动电机(7)的牵引下，实现高速传输。

3.如权利要求1所述的纱线外观的高速数字化成像装置，其特征在于：所述纱线图像分析模块包括图像储存单元和图像处理单元，所述图像采集单元包括图像采集卡(13)，所述图像处理单元包括数据处理计算机(14)，对采集到纱线图像进行特征参数提取，得到纱线的外观质量参数。

4.一种权利要求1所述的纱线外观的高速数字化成像装置的成像方法，其特征包括以下步骤：

(1)纱线在高速卷绕装置牵引作用下，由筒子卷装送出，经过导纱钩、张力装置、引纱罗拉、图像采集室和卷绕罗拉，在驱动电机的牵引下以一定的高速向前运动，调节张力装置预加在纱线上的张力，使纱线在高速运动状态下不产生明显跳动，避免影响后续图像采集；

(2)在图像采集室的前壁设置一台CCD相机，相机镜头与纱线运动方向垂直，图像采集室的后壁设置近红外脉冲激光背光光源，脉冲激光的频闪频率与相机的帧数一致，并根据纱线的运动速度，在CCD相机采集到的纱线图像不出现“拖尾”的前提下，合理设置脉冲激光的脉宽；

(3)将步骤(2)所述的图像采集室内部处于完全黑暗的条件下，仅采用所述近红外脉冲激光做背光光源，用CCD相机对高速运动的纱线连续拍摄图像；在CCD相机拍摄过程中，纱线以一定的高速向前运动，在相机的快门打开后，所述近红外脉冲激光光源发射出一次脉冲激光，照射在高速运动的纱线上，纱线的光信号到达CCD相机的靶面，形成图像，并在相机快门关闭之前，在极短的时间内结束脉冲激光，然后相机快门关闭，完成一次拍摄。

(4)将步骤(3)采集到的纱线图像通过图像采集卡传递给数据处理计算机，并在计算机上进行数字图像处理与数据测量分析。