CN107622487B - 一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，包括：1)对采集到的纤维图像进行短时傅里叶变换，具体为将纤维图像分割成相互重叠的子块并依次对每个子块增强对比度，再对子块图像进行傅里叶变换得到子图像频谱图；2)选取频谱图中的感兴趣区域；3)统计频谱图中感兴趣区域沿不同方向角的能量并找出每个子块中纤维的主方向；4)统计所有子块的主方向得到纤维取向度分布。本发明可以广泛地用于测量纺织材料纤维的取向度。
Description
技术领域
本发明属于纺织品图像处理技术领域，涉及一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，可用于纺织材料纤维取向度的测量。
背景技术
纺织材料是纤维材料直接构成的纤维集合体，纤维的取向分布会影响纺织材料的物理机械性能。为了观察纤维的取向，常借助高倍放大的扫描电子显微镜。基于扫描电镜图像，人们提出了相关的取向度测量方法，目前主要有直接追踪法、流场分析法和傅里叶变换法。文献[1]中通过傅里叶变换测量纳米纤维的取向。借助Image-J软件中oval profile工具按固定半径对频谱图中0～360°范围内不同方向角的灰度值进行统计，根据统计结果确定纤维取向度。但是该方法需要借助软件人机交互完成测量。文献[2-6]中提出用施泰纳紧凑法和二阶矩的方法来统计主方向。以上方法都是直接对图像进行傅里叶变换，变换后频谱图的边界效应比较明显，并且容易忽略细节信息，严重影响主方向角的统计结果。
本发明提出了一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，把纤维图像看作总体非平稳、局部平稳的信号，采用中间平坦、四周边界衰减的窗函数对局部平稳区域进行短时傅里叶变换，通过频谱分析测量纤维的取向度。本方法既可以改善频谱图的边界效应，也可以避免对全局图像直接处理而忽略细节的问题。
参考文献：
[1]金春奎，仲岑然.傅里叶变换在纳米纤维取向测量中的应用[J].纺织学报，2013，34(11)：34-38.
[2]Tunák M，Linka A.Analysis of planar anisotropy of fibre systems byusing 2D Fourier transform[J].Fibres&Textiles in Eastern Europe，2007，15(5-6)：64-65.
[3]Tunák M，Antoch J，Kula J，et al.Estimation of fiber systemorientation for nonwoven and nanofibrous layers：local approach based on imageanalysis[J].Textile Research Journal，2014，84(9)：989-1006.
[4]Chikkerur S，Cartwright A N，Govindaraju V.Fingerprint enhancementusing STFT analysis[J].Pattern Recognition，2007，40(1)：198-211.
[5]Rataj J，Saxl I.Analysis of planar anisotropy by means of theSteiner compact[J].Journal of Applied Probability，1989，26(03)：490-502.
[6]Rataj J，Saxl I.Analysis of planar anisotropy by means of theSteiner compact：a simple graphical method.Acta Stereologica，1988，7：107-112.
[7]彭章平，彭小奇，伍更新.基于非平稳信号频谱分析的指纹图像增强算法[J].数据采集与处理，2008，23(1)：35-39.
[8]郭永平，徐增波.傅立叶变换技术在织物和无纺布结构参数测试中的应用[J].中国纺织大学学报，1998，24(6)：18-22.
[9]迟华山，王红星，郭奇，等.短时傅里叶变换在线性调频信号时频滤波中的应用[J].电讯技术，2012，52(2)：155-159.
[10]Chikkerur S，Cartwright A N，Govindaraju V.Fingerprint enhancementusing STFT analysis[J].Pattern Recognition，2007，40(1)：198-2.
发明内容
本发明提供了一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法。把纤维图像看作总体非平稳、局部平稳的信号，采用中间平坦、四周边界衰减的窗函数对局部平稳区域进行短时傅里叶变换，通过频谱分析测量纤维的取向度。本方法既可以改善频谱图的边界效应，也可以避免对全局图像直接处理而忽略细节的问题，从而提高测量的准确性。在模拟图像和扫描电镜拍摄的实际纤维图像上进行测试，实验结果表明该方法能有效测量纤维的取向度。实现本发明目的技术方案，包括下列步骤：
步骤1：对采集的纤维图像I(x，y)进行短时傅里叶变换，通过在时域加窗函数，并通过一个平移参数使窗口平移覆盖整个时域，将I(x，y)这一非平稳信号转化为短时平稳信号做傅里叶变换，包括以下步骤：
步骤1-1：把纤维图像I(x，y)分成大小为M×M、重叠量为N的子块S(x，y)，对S(x，y)进行对比度增强；
步骤1-2：对每个子块S(x，y)乘以窗函数W(x，y)，并对加窗的子块进行傅里叶变换得频谱图F(u，v)；
步骤2：将频谱图中最大能量值的0.7倍设置为阈值，以该阈值对频谱图F(u，v)进行二值化来选取感兴趣区域，得到新的频谱图FS(u，v)；
步骤3：计算FS(u，v)中沿不同方向角的总能量，并找出子块S(x，y)中纤维的主方向；
步骤4：对所有子块的主方向进行统计得到纤维的取向度分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明把纤维图像看作总体非平稳、局部平稳的信号，采用中间平坦、四周边界衰减的窗函数对局部平稳区域加窗进行短时傅里叶变换，通过频谱分析测量纤维的取向度。
2.本发明既可以改善频谱图的边界效应，也可以避免对全局图像直接处理而忽略细节的问题，从而提高测量的准确性。在模拟图像和扫描电镜拍摄的实际纤维图像上进行测试，实验结果表明该发明方法能有效测量纤维的取向度。
附图说明
图1(a)为纤维图局部区域，图1(b)为局部区域增强结果；
图2为纤维图局部区域的频谱图；
图3为中间平坦、四周边界衰减的窗函数；
图4为加入窗函数后局纤维图部区域的频谱图；
图5(a)为相同周期模拟图；
图5(b)为不同周期模拟图；
图6(a1)为M＝80时纤维图，图6(b1)为图6(a1)对应的频谱图；
图6(a2)为M＝120时纤维图，图6(b2)为图6(a2)对应的频谱图；
图6(a3)为M＝160时纤维图，图6(b3)为图6(a3)对应的频谱图；
图7为频谱图感兴趣区域；
图8(a1)为采集到的纤维图，图8(b1)为图8(a1)纤维图对应的纤维取向分布图；
图8(a2)为采集到的纤维图，图8(b2)为图8(a2)纤维图对应的纤维取向分布图；
图9为整体流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
纺织材料是纤维材料直接构成的纤维集合体，纤维的取向分布会影响纺织材料的物理机械性能。为了观察纤维的取向，常借助高倍放大的扫描电子显微镜。基于扫描电镜图像，人们提出了相关的取向度测量方法，目前主要有直接追踪法、流场分析法和傅里叶变换法。直接对图像进行傅里叶变换，变换后频谱图的边界效应比较明显，并且容易忽略细节信息，严重影响主方向角的统计结果。
本发明提出了一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，把纤维图像看作总体非平稳、局部平稳的信号，采用中间平坦、四周边界衰减的窗函数对局部平稳区域进行短时傅里叶变换，通过频谱分析测量纤维的取向度。本方法既可以改善频谱图的边界效应，也可以避免对全局图像直接处理而忽略细节的问题。本发明通过以下步骤实现了一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，以聚丙烯腈纤维图像为例，具体步骤如下：
步骤1：对采集到的聚丙烯腈纤维图像进行短时傅里叶变换，通过在时域加窗函数，并通过一个平移参数使窗口平移覆盖整个时域，将这一非平稳信号转化为短时平稳信号做傅里叶变换，包括以下步骤：
步骤1-1：把聚丙烯腈纤维图像I(x，y)分成大小为M×M、重叠量为N的子块S(x，y)，对S(x，y)进行对比度增强；
步骤1-2：对每个子块S(x，y)乘以窗函数，并对加窗的子块进行傅里叶变换得频谱图；
步骤2：将频谱图中最大能量值的0.7倍设置为阈值，以该阈值对频谱图进行二值化来选取感兴趣区域，得到新的频谱图FS(u，v)；
步骤3：计算FS(u，v)中沿不同方向角的总能量，并找出子块S(x，y)中纤维的主方向；
步骤4：对所有子块的主方向进行统计得到纤维的取向度分布。现结合附图对整个过程做详细介绍：
图1(a)为聚丙烯腈纤维图局部区域，图1(b)为局部区域增强结果，可以看出，处理之后聚丙烯腈纤维与背景之间的对比度明显增强。图2为聚丙烯腈纤维图局部区域的频谱图，频谱图中较亮的部分体现了时域图像中纤维所在频率和方向。但是频谱图中在水平和竖直方向上，还有一些不规则的光痕，这就是边界效应。造成边界效应的原因是由于傅里叶变换总是试图把图像分割成水平、竖直方向周期变化的两组单位图像的线性组合。由于纤维图像并非严格平稳的，不能很好地满足周期性，这样在频谱图像中就会因为边界的不连续而含有一些错误的频谱成分。图3为窗函数，该函数的中心为平坦区域，四周快速衰减。由于仅在边界上有衰减，窗函数能完整保留图像内部的大部分区域。图4显示了加入窗函数后对局部区域进行傅里叶变换后的频谱图。与图2相比，经过窗函数预处理的图像，变换后边界效应得到了明显改善。
图5展示了部分模拟图像。图5(a)为相同周期模拟图，图5(b)为不同周期模拟图。图6(a1)、(a2)、(a3)分别为M取80、120、160时的纤维局部区域图，图6(b1)、(b2)、(b3)分别为与(a1)、(a2)、(a3)对应的频谱图。观察图6可以发现，子块中背景占据面积比较多时，子块的频谱图中边界效应非常较明显，这将严重影响最后的统计结果。图7中白色区域为图4频谱图所对应的感兴趣区域。
图8为使用扫描电镜采集到的放大倍数为20000的聚丙烯腈纤维图及其取向分布图。图8(b1)为图8(a1)纤维图对应的取向分布图，图8(b2)为图8(a2)纤维图对应的取向分布图。表1展示了利用模拟图进行实验后的结果。
图9为整体流程图。
通过观察可以发现，统计结果与实际情况相符，本发明方法得到的纤维取向分布图能直观有效地说明纤维的取向。
表1 模拟图的纤维取向分布
Tab.1 Orientation distribution of the simulated fiber images
Claims (3)
1.一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，包括下列步骤：
步骤1：对采集的纤维图像I(x，y)进行短时傅里叶变换，通过在时域加窗函数，并通过一个平移参数使窗口平移覆盖整个时域，将I(x，y)这一非平稳信号转化为短时平稳信号做傅里叶变换，包括以下步骤：
步骤1-1：把纤维图像I(x，y)分成大小为M×M、重叠量为N的子块S(x，y)，对S(x，y)进行对比度增强；
步骤1-2：对每个子块S(x，y)乘以中间平坦、四周边界衰减的窗函数W(x，y)，
并对加窗的子块进行傅里叶变换得频谱图F(u，v)；
步骤2：将频谱图中最大能量值的0.7倍设置为阈值，以该阈值对频谱图F(u，v)进行二值化来选取感兴趣区域，得到新的频谱图FS(u，v)；
步骤3：计算FS(u，v)中沿不同方向角的总能量，并找出子块S(x，y)中纤维的主方向；
步骤4：对所有子块的主方向进行统计得到纤维的取向度分布。
2.根据权利要求1所述一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，其特征在于，步骤1中，短时傅里叶变换的具体做法是：
对图像中的各个子块建立独立的坐标系，可得：
3.根据权利要求1所述一种基于短时傅里叶变换的纺织材料纤维取向度测量方法，其特征在于，步骤3中，寻找子块中纤维主方向的具体做法是：把子块的频谱由直角坐标系下的形式FS(u，v)表示成极坐标F(r，Θ)的形式，其中
分别表示频谱图中点(u，v)在极坐标系下的极径和极角，然后将频谱图F(r，Θ)感兴趣区域中同一极角下的能量相累加，能量最大的极角为子块频谱图的主方向。
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Citations (2)
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| CN102901731A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-01-30 | 江南大学 | 一种非织造布纤维取向分布测量方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 傅立叶变换技术在织物和无纺布结构参数测试中的应用;郭永平 等;《中国纺织大学学报》;19981215;第24卷(第6期);第18-22页 * |
| 傅里叶变换在纳米纤维取向测量中的应用;金春奎 等;《纺织学报》;20131115;第34卷(第11期);第34-38页 * |
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