CN108663120B - 基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法 - Google Patents

基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法。将待训练纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；通过多光谱成像系统测量绕在纱线绕制装置上的待训练纱线的光谱反射率；通过标准测量仪器测量待训练纱线对应纱线板的标准光谱反射率；根据光谱反射率与标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上，利用多光谱成像系统测量其光谱反射率，利用最优核岭回归模型将其光谱反射率映射为对应的标准光谱反射率，从而得到待测纱线颜色。本发明解决了纺织和印染工业中利用分光光度计无法测量短纱线的颜色的缺陷，为短纱线颜色的测量提供了可靠且准确的方案。

Description

基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法
技术领域
本发明涉及多光谱成像技术和纱线测量技术，尤其涉及一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法。
背景技术
当同一束可见光照射到不同颜色物体之上时，物体对不同波段可见光的反射程度不同，使得人眼视网膜受到的刺激存在差异，从而形成人眼对不同颜色的主观感受。因此，物体颜色测量的本质即测量物体的光谱反射率。
在纺织和印染行业，对于颜色精度控制有着很高的要求，纺织和印染企业需要精确地测量各种不同纱线的颜色。由于物体颜色的本质即为其对不同波段的反射率，纺织和印染公司一般通过标准仪器(例如分光光度计)来测量纱线的颜色和反射率。
用分光光度计测量纱线的颜色时，部分印染企业会将纱线缕成一股，用梳子梳平纱线，以使纱线股显得较为光顺，进而通过分光光度计测量该股纱线表面的颜色，但是该方法处理的纱线表面仍然不够平整，其测得的纱线颜色准确性较差。
相对更好的测量纱线颜色方法为，先把纱线通过绕线机绕到一块纱线板上，再用标准测量仪器(例如分光光度计)测量纱线板上某一区域纱线的颜色。这种方法虽然可以比较准确地测量纱线的颜色，但存在缺点：由于通常纱线板的面积都比较大，通常需要几米甚至更长的纱线，因此如果待测量的纱线的长度较短，就无法用这种方法进行测量。
多光谱成像系统具有很高的像素级别的空间测量分辨率，借助多光谱成像系统，配合本发明提出的纱线绕制装置，可以测量小面积的纱线。但是由于短纱线的绕制方式与长纱线的机器绕制方式存在差异，并且同样的颜色用多光谱成像系统下的测量结果与用标准仪器测量结果也存在偏差，因此需要一种将多光谱成像系统所测得的光谱反射率映射到标准光谱反射率的方法，使得纱线测量达到实际应用要求。
发明内容
本发明针对基于现有纱线颜色测量方法中存在的短纱线无法测量的难题，提出一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置及方法，解决了现有传统纱线测量难题，极大地提升了基于多光谱成像系统的纱线颜色测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置，该测量装置包括多光谱成像系统、标准测量仪器、纱线绕制装置、建模单元和测量单元；
所述纱线绕制装置用于将纱线紧贴且平铺地绕在其上；
所述多光谱成像系统用于测量绕在纱线绕制装置上的纱线的光谱反射率；所述标准测量仪器用于测量纱线对应纱线板的标准光谱反射率；
所述建模单元根据多光谱成像系统测得的光谱反射率与标准测量仪器测得的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；
所述测量单元将多光谱成像系统测量的绕在纱线绕制装置上的待测纱线的光谱反射率，利用建模单元得到的最优核岭回归模型，映射为对应的标准光谱反射率，从而得到纱线颜色。
进一步地，所述纱线绕制装置具有一个测量平面，用于多光谱成像系统采集光谱图像。
进一步地，所述纱线绕制装置包含固定纱线起始端的纱线固定部位以及固定纱线末尾端的纱线固定部位；固定纱线的方式包括将纱线的起始端和/或纱线末尾端固定在纱线固定部位的凸起，或者将纱线的起始端和/或纱线末尾端嵌入并卡接在纱线固定部位的凹槽，或通过外力将纱线固定或粘连在纱线固定部位上。
一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)将待训练纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；
(2)通过多光谱成像系统测量绕在纱线绕制装置上的待训练纱线的光谱反射率；
(3)通过标准测量仪器测量待训练纱线对应纱线板的标准光谱反射率；
(4)根据步骤(2)得到的光谱反射率与步骤(3)得到的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；
(5)将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；利用多光谱成像系统测量其光谱反射率，利用步骤(4)获得的最优核岭回归模型，将其光谱反射率映射为对应的标准光谱反射率，从而得到待测纱线颜色。
进一步地，所述步骤(4)中，最优核岭回归模型的建立采用如下方法：
a)用多光谱成像系统测量L根待训练纱线的光谱反射率xi，用标准测量仪器测量这些纱线的标准光谱反射率yi，i＝1,2,…,L，xi,yi均为1×N向量，N为光谱反射率的维度；
b)将xi和yi分成训练集和验证集，寻找最优的核函数参数σ以及正则项参数λ，使得验证集中的所有xi通过核岭回归模型预测得到的标准光谱反射率估计值
Figure BDA0001660296130000031
与其标准光谱反射率yi之间的总误差最小；
c)利用步骤b)确定的核函数参数σ和正则项参数λ，通过式(1)计算核岭回归参数α；
α＝(1+K+λI)-1Y (1)
其中K为核函数κ(xi,xj)组成的方阵，Y为由yi组成的L×N矩阵，I为与K尺寸相同的单位矩阵。
进一步地，所述步骤(5)中，将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上，利用多光谱成像系统测量其光谱反射率x'，进而采用式(2)计算其对应的标准光谱反射率y'：
y'＝(1+κ(x',x1)+κ(x',x2)+…+κ(x',xL))α (2)
本发明的有益效果是：相比于传统的线性回归模型或者多项式回归模型，本发明所采用的具有最优参数的核岭回归模型可以更好地找到多光谱成像系统测量得到的光谱反射率到标准光谱反射率之间的映射关系，使得多光谱成像系统测得的短纱线的颜色具有更高的精度，可以很好地满足纺织和印染工业上对于纱线颜色测量的需求。本发明在测量过程中使用的纱线绕制装置可以较好地将短纱线固定，以保证不同纱线固定到纱线绕制装置上后都有一个稳定的测量平面；同时，纱线绕制装置两头的纱线起始端和纱线末尾端的固定部位可以提高固定纱线的速度，尤其是一种以凹槽作为纱线起始端和末尾端的固定部位，通过将纱线嵌入并卡在凹槽之中的形式，大大提高了纱线绕制的速度和稳定性。本发明装置及方法解决了纺织和印染工业中利用分光光度计无法测量短纱线的颜色的缺陷，为短纱线颜色的测量提供了可靠且准确的方案。
附图说明
图1为本发明纱线绕制装置设计示意图，其中纱线之间的间隔是为了表示该纱线区域是由一根纱线绕制的，在实际绕制过程中，纱线之间是紧贴的，图中的虚线框代表纱线起始端的固定部位与末尾端的固定部位；
图2为图1所述装置的第一种实施示例图，纱线起始端和末尾端的固定部位为凸起，纱线两端固定在凸起上；
图3为图1所述装置的第二种实施示例图，纱线起始端和末尾端的固定部位为凹槽，纱线两端嵌入在凹槽内；
图4为本发明中用核岭回归预测某纱线反射率结果与用线性回归预测得到的结果之间的对比图，可以明显发现：本发明中所用的核岭回归相对于普通线性回归方法明显更接近真实反射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明提供的一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置，该测量装置包括多光谱成像系统、标准测量仪器、纱线绕制装置、建模单元和测量单元；
所述纱线绕制装置用于将纱线紧贴且平铺地绕在其上；
所述多光谱成像系统用于测量绕在纱线绕制装置上的纱线的光谱反射率；多光谱成像系统可以选用浙江大学与香港理工大学联合研发的名为ICM(Imaging ColorMeasurement)的多光谱颜色成像系统，也可以选用德国亚琛大学研发的名为“ColorAixperts”的多光谱成像系统，且不限于此；
所述标准测量仪器用于测量纱线对应纱线板的标准光谱反射率，可以选用分光光度计；
所述建模单元根据多光谱成像系统测得的光谱反射率与标准测量仪器测得的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；
所述测量单元将多光谱成像系统测量的绕在纱线绕制装置上的待测纱线的光谱反射率，利用建模单元得到的最优核岭回归模型，映射为对应的标准光谱反射率，从而得到纱线颜色。
为了更好地组织纱线，便于更好地在多光谱成像系统中测量纱线颜色，本发明设计了一种专用的纱线绕制装置，如图1所示，纱线绕制装置包含固定纱线起始端的纱线固定部位以及固定纱线末尾端的纱线固定部位；固定方式种类较多，例如可以采用将纱线的起始端和/或纱线末尾端固定在纱线固定部位的凸起(如图2)，也可以采用将纱线的起始端和/或纱线末尾端嵌入并卡接在纱线固定部位的凹槽(如图3)，还可以采用通过外力将纱线固定或粘连在纱线固定部位上。纱线绕制装置具有一个测量平面，用于多光谱成像系统采集光谱图像，其横截面优选为矩形或半圆形。借助上述纱线绕制装置，可以从多光谱成像系统测量出纱线的光谱反射率和颜色。
一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)将待训练纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；
(2)通过多光谱成像系统测量绕在纱线绕制装置上的待训练纱线的光谱反射率；
(3)通过标准测量仪器测量待训练纱线对应纱线板的标准光谱反射率；
(4)根据步骤(2)得到的光谱反射率与步骤(3)得到的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；最优核岭回归模型的建立可以采用如下方法：
a)用多光谱成像系统测量L根待训练纱线的光谱反射率xi，用标准测量仪器测量这些纱线的标准光谱反射率yi，i＝1,2,…,L，xi,yi均为1×N向量，N为光谱反射率的维度；
b)将xi和yi分成训练集和验证集，寻找最优的核函数参数σ以及正则项参数λ，使得验证集中的所有xi通过核岭回归模型预测得到的标准光谱反射率估计值
Figure BDA0001660296130000053
与其标准光谱反射率yi之间的总误差最小；
c)利用步骤b)确定的核函数参数σ和正则项参数λ，通过式(1)计算核岭回归参数α；
α＝(1+K+λI)-1Y (1)
其中K为核函数κ(xi,xj)组成的方阵，Y为由yi组成的L×N矩阵，I为与K尺寸相同的单位矩阵；
当核函数为高斯核时，
Figure BDA0001660296130000051
当核函数拉普拉斯核时，
Figure BDA0001660296130000052
(5)将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；利用多光谱成像系统测量其光谱反射率x'，利用步骤(4)获得的最优核岭回归模型，将其光谱反射率映射为对应的标准光谱反射率y'，从而得到待测纱线颜色，映射公式如下：
y'＝(1+κ(x',x1)+κ(x',x2)+…+κ(x',xL))α (2)
实施例1
本实施例对比使用本发明方法中的核岭回归与使用普通线性回归进行光谱反射率映射的精度区别。
线性回归模型的简单陈述如下：记xi组成的矩阵为X，记yi组成的矩阵为Y，X和Y分别为L×N的矩阵。线性回归模型为：
XW＝Y (3)
模型参数为W＝(XTX)-1XTY。
对于任意的多光谱成像系统测得的纱线光谱反射率x'，其对应的标准光谱反射率按式(4)计算：
y'＝x'W (4)
图4对比了利用本发明方法中核岭回归模型得到的纱线光谱反射率和用普通线性回归模型得到的纱线光谱反射率，该纱线为测试集中的一个样本。从图4可以看出，相对于普通线性回归模型来说，使用本发明方法中的核岭回归模型得到的纱线光谱反射率更接近于标准光谱反射率。
以上仅为本发明具体实施方式，不能以此来限定本发明的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本创作所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本发明涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置，其特征在于，该测量装置包括多光谱成像系统、标准测量仪器、纱线绕制装置、建模单元和测量单元；
所述纱线绕制装置包含测量平面和固定纱线两端的固定部位，用于将纱线紧贴且平铺地绕在其上；
所述多光谱成像系统用于测量绕在纱线绕制装置上的纱线的光谱反射率；所述标准测量仪器用于测量纱线对应纱线板的标准光谱反射率；
所述建模单元根据多光谱成像系统测得的光谱反射率与标准测量仪器测得的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；
所述测量单元将多光谱成像系统测量的绕在纱线绕制装置上的待测纱线的光谱反射率，利用建模单元得到的最优核岭回归模型，映射为对应的标准光谱反射率，从而得到纱线颜色。
2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量装置，其特征在于，所述纱线绕制装置包含固定纱线起始端的纱线固定部位以及固定纱线末尾端的纱线固定部位；固定纱线的方式包括将纱线的起始端和/或纱线末尾端固定在纱线固定部位的凸起，或者将纱线的起始端和/或纱线末尾端嵌入并卡接在纱线固定部位的凹槽，或通过外力将纱线固定或粘连在纱线固定部位上。
3.一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将待训练纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上，所述纱线绕制装置包含固定纱线起始端的纱线固定部位以及固定纱线末尾端的纱线固定部位；固定纱线的方式包括将纱线的起始端和/或纱线末尾端固定在纱线固定部位的凸起，或者将纱线的起始端和/或纱线末尾端嵌入并卡接在纱线固定部位的凹槽，或通过外力将纱线固定或粘连在纱线固定部位上；
(2)通过多光谱成像系统测量绕在纱线绕制装置上的待训练纱线的光谱反射率；
(3)通过标准测量仪器测量待训练纱线对应纱线板的标准光谱反射率；
(4)根据步骤(2)得到的光谱反射率与步骤(3)得到的标准光谱反射率的映射关系，建立最优核岭回归模型；
(5)将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上；利用多光谱成像系统测量其光谱反射率，利用步骤(4)获得的最优核岭回归模型，将其光谱反射率映射为对应的标准光谱反射率，从而得到待测纱线颜色。
4.根据权利要求3所述的一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，最优核岭回归模型的建立采用如下方法：
a)用多光谱成像系统测量L根待训练纱线的光谱反射率xi，用标准测量仪器测量这些纱线的标准光谱反射率yi，i＝1,2,...,L，xi,yi均为1×N向量，N为光谱反射率的维度；
b)将xi和yi分成训练集和验证集，寻找最优的核函数参数σ以及正则项参数λ，使得验证集中的所有xi通过核岭回归模型预测得到的标准光谱反射率估计值
Figure FDA0002286070940000021
与其标准光谱反射率yi之间的总误差最小；
c)利用步骤b)确定的核函数参数σ和正则项参数λ，通过式(1)计算核岭回归参数α；
α＝(1+K+λI)-1Y (1)
其中K为核函数κ(xi,xj)组成的方阵，Y为由yi组成的L×N矩阵，I为与K尺寸相同的单位矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于多光谱成像系统的纱线颜色测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中，将待测纱线紧贴且平铺地绕在纱线绕制装置上，利用多光谱成像系统测量其光谱反射率x'，进而采用式(2)计算其对应的标准光谱反射率y'：
y'＝(1+κ(x',x1)+κ(x',x2)+...+κ(x',xL))α (2)。
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