CN108132020A - 基于线阵相机的编织纱线速度与长度的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于线阵相机的编织纱线速度与长度的测量系统及方法，属于纺织测量领域，本发明在现有的纺织卷绕机械上装配编织纱线速度与长度测量系统，通过LED光源照射待测量的编织纱线，通过线阵相机采集编织纱线运动图像，利用图像采集卡的FPGA单元进行图像处理分析，根据编织纱线的纹理具有周期性的特点，提取图像中纱线的纹理数目，并根据一幅时空图像中纱线纹理数目计算编织纱线的速度与长度。本发明利用线阵相机采集编织纱线运动的时空图像，纱线纹理特征与背景对比明显，图像简单，可通过改变每幅图像的大小来计算不同时间内纱线的卷绕速度，在线测量纱线速度与长度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于线阵相机的编织纱线速度与长度的测量系统及方法，属于纺织测量技术领域。
背景技术
在编织纱线卷绕过程中，编织纱线速度与长度在线测量是一项非常重要的指标。编织纱线的卷绕速度与长度影响编织纱线的张力，若速度慢，编织纱线张力大会造成断头；速度快，编织纱线松弛，造成缠绕，会对纺织工业带来较大的影响。编织纱线卷绕速度与长度在线测量是卷绕质量好坏的一个主要因素。
目前纺织行业使用的纱线速度与长度测量系统主要包括两种方法：第一种是接触式测量，即通过导纱槽轮与纱线相接触进行测量，然而这种接触式测量明显地存在着一些不足之处，关键是槽轮线速度与纱线卷绕速度不相一致，即滑溜问题，它受纱线包角、摩擦系数等的影响。第二种是光学相关法来测量纱线的速度，通过两个图像测量器采集纱线卷绕图像，并对比纱线边缘波形，通过提取相同边缘波形的时间来计算纱线的速度，但是这个装置结构非常复杂，而且需要两个图像测量器来测量观察到的波形，实现困难，且编织纱线为周期性纹理，此方法不适合测量编织纱线的卷绕速度与长度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有编织纱线卷绕速度与长度在线测量系统或方法存在的上述缺陷，提出了一种基于线阵相机的非接触编织纱线速度与长度在线测量方法，在现有的纺织机械上装配编织纱线速度与长度高速测量系统,通过LED光源照射编织纱线，利用线阵相机采集照射部位的编织纱线时空图像，并将采集到的时空图像输入到图像采集卡中，利用FPGA图像处理系统对采集的图像进行处理，统计时空图像中编织纱线的纹理数目，根据编织纱线周期性纹理以及线阵相机时空图像的特点计算卷绕速度与长度，可在不接触编织纱线的情况下测量编织纱线卷绕的速度与长度，实现了编织纱线速度与长度的非接触在线测量。
基于线阵相机的编织纱线速度与长度测量系统，包括线阵相机、LED光源及图像采集卡，所述的LED光源和线阵相机安装在垂直于待测量的编织纱线的卷绕方向，根据待测量的编织纱线振动范围设置LED光源与编织纱线的安装距离。
进一步地，所述的LED光源与线阵相机安装在编织纱线的同侧，所述LED光源与线阵相机采集位置的夹角小于15°，照射方向为线阵相机在编织纱线上的采集位置。
进一步地，设L是相机镜头与编织纱线之间的距离，v是编织纱线卷绕时轴向移动的速度。由于编织纱线的直径较小，考虑到线阵相机采集图像的质量以及编织纱线所占的像素数k＝fd/Lh，可通过减小相机与纱线的距离L，增大f调整纱线所占像素数。为使图像处理易于进行，本发明中纱线像素数应大于等于5个像素，其中f是线阵相机镜头的焦距，d是编织纱线的直径，h是线阵相机像元尺寸。为保证图像质量，本发明中纱线像素数应大于5个像素，其中f是线阵相机镜头的焦距，d是编织纱线的直径，h是线阵相机像元尺寸。本发明采用定焦镜头，因此f确定，5≤fd/Lh，相机与纱线的距离L≤fd/5h。
进一步地，本发明是利用编织纱线反射LED光源的光线采集图像，编织纱线行进过程中可能引起振动，因此景深需选取较大值，以保证成像清晰。景深的计算公式为ΔL＝2f2.FδL2/(f4-F2δ2L2)，其中δ是容许的弥散圆直径，F为光圈值。为保证清晰成像，景深最小值为ΔLmin，则
本发明是采用以下的技术方案实现的：包括如下步骤
步骤一：在现有的纱线卷绕装置上装配编织纱线速度与长度在线测量系统，所述测量系统包括线阵相机、LED光源及图像采集卡；
步骤二：调整线阵相机参数，将LED光源照射待测量的编织纱线，通过线阵相机采集光线照射位置编织纱线图像，并将采集到的原始编织纱线图像输入到图像采集卡中；
步骤三：根据编织纱线纹理具有周期性的特点，图像采集卡利用图像处理技术对编织纱线的原始时空图像进行处理，提取编织纱线的纹理特征，确定单幅图像中的纹理数目n；
步骤四：图像采集卡根据提取的编织纱线纹理数目以及线阵相机采集图像为时空图像的特点，计算编织纱线的卷绕速度以及长度。
进一步地，LED光源采用强亮度光源。
进一步地，线阵相机内部只包含一行传感器单元，以行扫描方式进行工作，相机连续不断的对采集对象进行行扫描，一次扫描形成一行图像像素，然后将所形成的行像素从上到下进行罗列，这样即可得到所需要的图像，且所得图像为时空图像，进而得到编织纱线的卷绕速度。另外由于编织纱线表面颜色单一，彩色的图像不仅不会增加缺陷的识别能力，而且会加大图像处理负担，浪费更多的算法处理时间，因此在本发明中，选择黑白线阵相机。
进一步地，FPGA图像处理系统中对线阵相机采集到的原始编织纱线图像进行滤波、二值化、形态学处理，得到最终图像，从图像中分割出编织纱线的纹理，并测量编织纱线纹理数目n。
进一步地，从处理后的图像中测量编织纱线纹理数目n采用连通域法，即：从图像中每个编织纱线的纹理都是一个连通域，可通过计算连通域的个数来计算编织纱线的纹理数目n。
进一步地，确定步骤三中统计的纹理数目n，纹理之间的距离λ，以及每幅图像代表的时间，根据公式v＝ΔL/Δt＝nλ/Δt计算编织纱线的卷绕速度；
进一步地，编织纱线的纹理粘连会造成连通分量数目与实际纹理数目不同，从而导致得到的速度存在较大偏差。因此需对编织纱线二值图像中存在的粘连区域进行分离。粘连区域都是由于光照过强而产生的过亮区域，且连接处较细。首先提取二值编织纱线图像连通分量的面积特征，并计算连通分量的平均面积。经过训练集，当单个连通分量的面积大于1.8倍的平均面积ma时，就认为这个连通分量为一个疑似粘连区域，然后对此连通分量进行形态学处理操作。
进一步地，每幅图像两端处的连通分量需要单独进行处理。计算采集图像首尾两列的像素值，若为0，则第一和最后一个连通分量数目都记为1；若不为0，则计算两端的连通分量的面积mo，并除以平均面积ma。若mo/ma小于1，则连通分量的个数记为mo/ma；若mo/ma大于1，则连通分量的数目记为1。但是，当两端连通分量处于图像的边缘时，则代表该时间内没有通过编织纱线的一个完整的纹理，因此若mo/ma大于1，则计算速度时，连通分量的数目需乘以一个加权系数κ作为补偿，本发明经过采集纱线卷绕图像，进行处理，通过训练，选取补偿系数κ＝0.89。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在现有的编织纱线卷绕机上装配非接触编织纱线速度与长度在线测量系统，实现了在不接触编织纱线的情况下测量纱线的卷绕速度与长度；
(2)本发明利用线阵相机采集图像，编织纱线纹理之间对比明显，图像简单，可选择图像的大小来提高测量速度，以及精度。
(3)本发明针对纹理黏连处及纹理处于图像两端的情况提出了优化方法，使得最终测量到的纱线速度和长度值更加精确。
附图说明
图1是本发明所述在线测量系统的结构示意图。
图2是本发明所述在线测量方法的流程图。
图3是本发明线阵相机采集的编织纱线卷绕过程中的原始图像。
图4是本发明图像处理后编织纱线二值化图像。
图5是本发明进行连通域标记的图像。
图中：1、线阵相机；2、LED光源；3、编织纱线；4、图像采集卡；5、导向机构；6、卷绕轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的基于线阵相机的非接触编织纱线速度与长度测量方法进行进一步说明。
本发明所述的基于线阵相机1的非接触编织纱线3速度与长度测量系统，包括线阵相机1、LED光源2及图像采集卡4，还包括导向机构5为卷绕编织纱线3导向，卷绕轴6用于编织纱线3卷绕，所述的LED光源2和线阵相机1安装在垂直于待测量的编织纱线3的卷绕方向，根据待测量的编织纱线3振动范围设置LED光源2与编织纱线3的安装距离。
根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的LED光源2与线阵相机1安装在编织纱线3的同侧，所述LED光源2与线阵相机1采集位置的夹角小于15°，照射方向为线阵相机1在编织纱线3上的采集位置。
设相机镜头与编织纱线3之间的距离为L，编织纱线3卷绕时轴向移动的速度为v，本线阵相机1与编织纱线3的距离应满足L≤fd/kh，其中f是线阵相机1镜头的焦距，d是编织纱线3的直径，h是线阵相机1像元尺寸，k是纱线像素数。
本发明是利用编织纱线3反射LED光源2的光线采集图像，编织纱线3行进过程中可能引起振动，因此景深需选取较大值，以保证成像清晰。景深的计算公式为ΔL＝2f2.FδL2/(f4-F2δ2L2)，其中δ是容许的弥散圆直径，F为光圈值。为保证清晰成像，景深最小值为ΔLmin，则
本发明所述的基于线阵相机1的非接触编织纱线3速度与长度的测量方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：在现有的编织纱线3卷绕机上装配非接触编织纱线3速度与长度在线测量系统，用于编织纱线3卷绕过程中速度与长度的在线自动测量，其中，线阵相机1与图像采集卡4连接，LED光源2采用高亮光源；处于卷绕过程中的编织纱线3轴向运动，在待测量的编织纱线3的近处安装LED光源2以及在垂直于编织纱线3卷绕方向的位置安装线阵相机1，根据待测量的编织纱线3所占的像素数线确定阵相机安装距离L，以完成编织纱线3图像的采集。
如图2所示，设v是编织纱线3卷绕移动的线速度，图中箭头方向是编织纱线3卷绕的方向，L是线阵相机1镜头到待测量纱线平面的距离，由于编织纱线3的直径较小，考虑到线阵相机1采集图像的质量以及编织纱线3所占的像素数k＝fd/Lh，为使纱线所占像素数满足要求，应减小相机与纱线的距离L，增大f。其中f是线阵相机1镜头的焦距，d是编织纱线3的直径，h是线阵相机1像元尺寸。
步骤二：将LED光源2照射待测量的编织纱线3，通过线阵相机1采集照射位置的编织纱线3纹理图像，并将采集到的原始编织纱线3图像通过数据接口输入到图像采集卡4中；
根据相机的工作方式的区别，可将工业相机分为线阵相机1和面阵相机两大类，面阵相机拍摄频率较低，采集的图像为空间图像，且需要考虑图像拼接问题；线阵相机1内部只包含一行传感器单元，线阵相机1连续不断的对采集对象进行扫描，一次扫描形成一行图像，然后形成的图像从上向下排列，构成一幅图像，每行像素代表的时间不同，图像是一幅时空图像，线阵相机1的行频代表每秒拍摄的图像数。而面阵相机内部是矩阵形状的传感器，以一幅面对采集对象进行扫描，得到一幅空间图像，横纵坐标都代表空间。在线测量即要求测量的速度高，一般要求小于50ms，编织纱线3速度是非常重要的参数，若测量不及时，导致卷绕时速度过慢，造成纱线缠绕；速度过快，张力变大，造成纱线断头，造成严重后果。本发明中，选择具有代表性的图像，根据待测量的编织纱线3卷绕速度设置相机的行频以及行分辨率，线阵相机1的分辨率为512，设置行频为10klps，则采集的原始纱线图像中每行像素代表0.1ms，存储时选择每幅图像的大小为512×150，则每幅图像代表15ms，在该测量方法中，测量出编织纱线3速度的时间大约为15ms,由于存储图像小，图像处理速度快，则编织纱线3速度测量的时间可控制在30ms之内，测量频率可达30Hz，实现了在线测量，同时，可减小原始图像的采集尺寸，提高测量速度；减小原始图像的横向分辨率，提高图像处理速度。
步骤三：通过FPGA图像处理系统对线阵相机1采集到的原始编织纱线3图像进行处理，统计处理后的编织纱线3图像中的纹理数目n；即对原始纱线图像进行二值化、形态学处理，得到二值化图像，从二值化图像中分割出编织纱线3纹理，并测量纹理数目n。利用LED光源2照射编织纱线3，线阵相机1采集编织纱线3图像，由于编织纱线3纹理较为明显，对原始图像进行二值化处理时，可较为容易的选择分割阈值，如图4所示是本发明图像处理后编织纱线3二值化图像。
对二值化图像中编织纱线3纹理数目的测量，本发明提出了连通域法：
连通域法，即：从二值化图像中编织纱线3每个纹理都是一个连通域，可通过计算连通域的个数来计算一幅图像中的纹理数目n，图5是本发明进行连通域标记的图像。
步骤四：确定步骤三中统计的纹理数目n，纹理之间的距离λ，以及每幅图像代表的时间，根据公式v＝ΔL/Δt＝nλ/Δt计算编织纱线3的卷绕速度；统计所有图像中编织纱线3的纹理数目n，根据公式l＝nλ，计算编织纱线3的卷绕长度。
线阵相机1采集的图像是时空图像，即横坐标行像素代表空间位置，而纵坐标列像素代表时间，即在线阵相机1采集的图像中，行像素为编织纱线3的空间图像，代表编织纱线3的直径，而列像素为编织纱线3的时间图像，代表不同的时间采集到的编织纱线3的运动图像，其中，线阵相机1的线频为10klps，图像大小为512×150，即每幅图像代表15ms，线阵相机1采集的编织纱线3卷绕过程中的原始图像。
本发明中，LED光源2与编织纱线3距离为10cm，线阵相机1距离编织纱线350cm。本发明采用纱线之间的纹理距离为λ＝1.3mm，根据图例中所得n＝6。上下两端连通分量处于图像的边缘，因此需要进行补偿，上端为0.89，下端为0.81，因此所得长度为l＝7.41mm，每幅图像时间为15ms，所得速度为v＝l/Δt＝0.494m/s，编码器所得速度为0.5m/s，两种方法所得速度绝对误差为0.006m/s，原因可能为卷绕过程中的打滑使速度降低。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种基于线阵相机的编织纱线速度与长度测量系统，其特征在于：包括线阵相机(1)、LED光源(2)及图像采集卡(4)，所述的LED光源(2)和线阵相机(1)安装在垂直于待测量的编织纱线(3)的卷绕方向，根据待测量的编织纱线(3)振动范围设置LED光源(2)与编织纱线(3)的安装距离。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的LED光源(2)与线阵相机(1)安装在编织纱线(3)的同侧，所述LED光源(2)与线阵相机(1)采集位置的夹角小于15°，照射方向为线阵相机(1)在编织纱线(3)上的采集位置。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：设相机镜头与编织纱线(3)之间的距离为L，编织纱线(3)卷绕时轴向移动的速度为v，本线阵相机(1)与编织纱线(3)的距离应满足L≤fd/kh，其中f是线阵相机(1)镜头的焦距，d是编织纱线(3)的直径，h是线阵相机(1)像元尺寸，k是纱线像素数。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：为保证清晰成像，还应保证其中δ是容许的弥散圆直径，F为光圈值，ΔLmin为景深最小值为。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：在现有的纱线卷绕装置上装配权利要求1所述的测量系统；
步骤二：调整线阵相机(1)参数，将LED光源(2)照射待测量的编织纱线(3)，通过线阵相机(1)采集光线照射位置编织纱线(3)图像，并将采集到的原始编织纱线(3)图像输入到图像采集卡(4)中；
步骤三：根据编织纱线(3)纹理具有周期性的特点，图像采集卡(4)利用图像处理技术对编织纱线(3)的原始时空图像进行处理，提取编织纱线(3)的纹理特征，确定单幅图像中的纹理数目n；
步骤四：图像采集卡(4)根据提取的编织纱线(3)纹理数目以及线阵相机(1)采集图像为时空图像的特点，计算编织纱线(3)的卷绕速度以及长度。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述步骤三中所述的图像处理为：图像采集卡(4)中的FPGA图像处理系统对线阵相机(1)采集到的原始编织纱线(3)的时空图像进行滤波，二值化，形态学处理，从处理后的图像中分割出编织纱线(3)的纹理，并测量编织纱线(3)的纹理数n。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：从二值化图像中提取编织纱线(3)纹理数n采用连通区域法，即利用图像处理的方法将编织纱线(3)的纹理区分开，每一个纹理就是一个连通域，通过查找连通域的个数计算一幅图像中纹理数目。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：编织纱线(3)的卷绕速度的确定方法为：通过公式v＝ΔL/Δt＝nλ/Δt，其中，ΔL是一幅时空图像中编织纱线(3)的移动长度，Δt是一幅时空图像代表的时间，λ是编织纱线(3)一个纹理的长度，n是一幅时空图像中连通域的数目，即编织纱线(3)的纹理数目。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：判断编织纱线(3)二值图像中存在的粘连区域的方法为：首先提取二值编织纱线(3)图像连通分量的面积特征，并计算连通分量的平均面积ma，经过训练集，当单个连通分量的面积大于1.8倍的平均面积ma时，就判断这个连通分量为一个疑似粘连区域，然后对此连通分量进行形态学处理操作。
10.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：对每幅图像两端处的连通分量进行如下单独处理：计算采集图像首尾两列的像素值，若为0，则第一和最后一个连通分量数目都记为1；若不为0，则计算两端的连通分量的面积mo，并除以平均面积ma，若mo/ma小于1，则连通分量的个数记为mo/ma；若mo/ma大于1，则连通分量的数目记为1并乘以一个加权系数κ作为补偿，本发明经过采集纱线卷绕图像，进行处理，通过训练，选取补偿系数κ＝0.89。
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