CN109310320B - 用于确定杂散纤维的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测来源于基材的杂散纤维的方法，该方法包括：a)使用数字装置在对比背景前方拍摄杂散纤维的一个图像或一系列连续图像，该图像使用一个或多个光源产生；b)将杂散纤维和背景与不直接与背景形成对比的对象分割开，从而得到二进制图像掩模；c)将边缘检测技术应用到图像或原始图像的修改以增强杂散纤维与背景的对比度；以及将来自步骤b)的二进制图像掩模应用到在步骤c)中产生的图像以产生以下图像：其中仅存在与背景形成对比的杂散纤维和/或任何其它对象的轮廓。

Description

用于确定杂散纤维的成像方法

技术领域

本发明涉及一种使用成像技术确定杂散纤维的方法。

背景技术

卷曲和起毛分别是毛发和纺织物工业中的常见术语(除其它外)，用来描述基材中存在杂散纤维。期望能够在多种照明条件下测量这些现象，诸如允许人员使用诸如智能手机或平板电脑的装置作为评估工具。此类工具可用于帮助推荐产品、定型技术或洗衣机设置(除其它外)。在照明条件被高度控制的环境中，这可使用常见的技术来实现，该常见的技术涉及背光的使用以及应用基本边缘检测滤光器。困难在于将这种能力延伸至以下情形：其中包含杂散纤维的对象针对对比背景成像，并且几乎没有对周围照明进行控制。在对人员的卷发进行成像的示例中，仅背光(之后进行基本边缘检测算法)可产生令人满意的结果(其中仅突出直接与背景形成对比的纤维的图像)，然而，如果面部的任何部分从正面照明，则边缘检测技术将检测到面部的对比区域，并且在杂散纤维图像中产生不想要的伪影。本文所述的方法允许在多种照明条件下产生基本杂散纤维图像，该图像可随后被分析以用于在起始图像为包含来源于对象/基材的杂散纤维并与背景形成对比的图像时进行检测、定量和虚拟改变。

发明内容

在一个实施方案中，本发明涉及一种检测来源于基材的杂散纤维的方法，该方法包括：a)使用数字装置在对比背景前方拍摄杂散纤维的一个图像或一系列连续图像，该图像使用一个或多个光源产生；b)将杂散纤维和背景与不直接与背景形成对比的对象分割开，从而得到二进制图像掩模；c)将边缘检测技术应用到图像或原始图像的修改以增强杂散纤维与背景的对比度；以及将来自步骤b)的二进制图像掩模应用到在步骤c)中产生的图像以产生以下图像：其中仅存在与背景形成对比的杂散纤维和/或任何其它对象的轮廓。

附图说明

图1A为用紫色背光背景成像的卷发人体模型头部的图像。

图1B为使用拉普拉斯边缘检测算法检测到的杂散纤维的图像，其产生令人满意的结果。

图1C为使用阈值范围检测到的杂散纤维的图像。结果不如图1B中所描绘的边缘检测算法图像成功，但仍产生令人满意的结果。

图2A为在1A中成像的相同的卷发人体模型头部和紫色背光背景的图像，另外添加了两个前灯。

图2B为使用1B中使用的相同拉普拉斯边缘检测算法产生的图像。结果继续检测杂散纤维，并且进一步地还检测到大量的毛发和面部特征。

图2C为通过使用阈值范围产生的图像，该阈值范围基于水平通道的强度，该强度显露图像的一些局部区域(参见图2D)中成功的杂散纤维检测，但是在整个图像中不产生令人满意的结果。

图2D为由图2C中的框指示的区域的近距离视图。

图3A为使用应用到图2A的阈值范围产生的图像，该阈值范围将背景+杂散纤维一起与图像中的其它每一个事物分割开。

图3B为使用应用到图2A的边缘检测算法(拉普拉斯)产生的图像。

图3C为通过将图3A用作应用到图3B的掩模而产生的杂散纤维图像。结果是其中仅突出杂散纤维并且所有其它图像特征被抑制或完全掩蔽。

具体实施方式

除非另外指明，所有测量均被理解为是在环境条件下进行，其中“环境条件”是指在约25℃下，在约一个大气压下，并且在约50％相对湿度下的条件。所有数值范围是包括端值在内的更窄的范围；所描述的范围上限和下限是可组合的，以形成没有明确描述的另外的范围。

分割—将像素分配给一个类别所采用的过程。具有相同类别的像素共享类似的特性。共享特性取决于所采用的过程。在非限制性示例中，可将图像分割成两个类别；杂散纤维像素和非杂散纤维像素。

阈值化—一种分割技术，其中将每个像素强度与一个或多个参考强度水平进行比较，并且随后被放置到各个类别；在非限制性示例中，如果色调颜色通道的像素强度介于X₁和X₂之间，则图像像素被归类为杂散纤维或背景，否则像素被归类为非毛发和非背景像素。

杂散纤维—从基材上延伸出与背景形成对比的纤维。纤维可通过设计有意地延伸超过基材(诸如增强表面的纹理)或不是有意的或不期望的(如对于卷曲和起毛示例，情况大多数是这样的)。

边缘检测技术—一种用于发现或增强快速变化的空间强度差异的图像分析技术。

本发明可包括本文所述的基本组分以及任选组分、特征或元素，基本上由其组成，或由其组成。如本文所使用，“基本上由……组成”是指组件可包括附加特征或步骤，但只有当附加组件或步骤不实质性地改变要求保护的方法的基本和新型特性时才是如此。

使用对比背光背景在毛发束中检测和定量杂散毛发纤维是毛发工业内的常规方法，作为评估产品性能的手段。图1A为具有对比紫色背光背景的卷曲的适中褐色人体模型头部的示例。边缘检测或阈值范围可将毛发纤维与背景分割开，从而允许定性和定量评估(分别参见图1B和图1C)。天然的非限制性延伸期望在体内执行类似类型的评估，其中照明条件几乎不受控制，但毛发纤维仍与背景形成对比。非限制性示例将是人员在环境照明下在对比背景上拍摄自己的图像。在受控的背光条件下工作良好的技术在其中照明条件不受高度控制的情形中可能产生不合意的结果。作为遇到的困难中的一些的非限制性示例，将两个偏离中心的前灯添加到用于捕获图1A中所描绘的相同的人体模型头部和紫色背光背景的成像装置(参见图2A)。边缘检测算法用于在人体模型头部仅被背光照明时产生成功的杂散纤维图像，并且被应用到前光照亮的人体模型头部。据认为，杂散纤维和局部背景之间的强度对比应允许在整个图像上成功地分割两个类别。纤维和背景的成功分割通过将9x9拉普拉斯核应用到整个图像来实现，然而，还检测到面部特征和大量毛发的对比元素，如图2B所示。尝试多个边缘检测算法，包括索贝尔(Sobel)、罗伯茨(Roberts)和方差。所有算法表现出类似的无能，即无法仅检测与背景形成对比的杂散纤维。

对于仅被背光照明的对象可能成功的另一种标准技术是使用阈值范围。其中使用HSL颜色空间(色调饱和度水平)的水平颜色通道在整个图像上应用全局阈值范围。可预期杂散毛发纤维应具有值低于对比背景的像素强度。在图像的局部区域中，杂散纤维可成功地与背景分割开，然而不可能是在整个图像上(参见图2C)。在此照明构型中，背景像素的强度不是普遍一致的，从而导致表示背景的像素强度重叠和表示杂散纤维的像素强度重叠。阈值范围也可在其它单个颜色通道以及它们的组合上尝试；每次尝试都由于背景和杂散纤维之间的像素强度重叠而导致无法仅分割杂散纤维。因此，它们自身的标准技术均无法将杂散毛发单独地从背景中分离，同时不排除杂散毛发和面部的其它特征。

显然，需要一种新的方法。在尝试这些不同的技术时，已注意到表示杂散纤维的像素的强度在颜色上与背景像素非常相似。随着背景的改变，杂散纤维像素的像素强度也随之改变。在每种情况下，杂散纤维像素强度受背景颜色和强度的影响。还注意到，图像的其它元素不与背景直接形成对比，例如，面部和大量毛发颜色受背景颜色和强度的影响也是很小的(如果有影响)。通过利用这种观察，已认识到可使用对比背景来驱动距离图像中的其它对象(例如，面部和大量毛发)的像素强度足够远的杂散纤维的像素强度；分割技术(阈值化是一个非限制性示例)可以用于将图像分割成两个类别：一个类别是背景和背景上的杂散毛发纤维，而另一个类别是面部和大量毛发(参见图3A)。第二类别被用作边缘检测图像上的掩模，从而导致以下图像：其中仅突出与背景形成对比的杂散纤维，而图像中不直接与背景形成对比的其它对象被掩蔽(参见图3C)。一般来讲，本发明能够通过利用观察到表示杂散纤维的像素强度受背景颜色和强度的影响，而表示不与背景直接形成对比的图像的其它元素的像素不容易改变，而在多种照明条件下产生杂散纤维图像。此方法依赖于来自背景和纤维的光学信号的颜色混合和进行边缘检测所需的信号的空间混合两者。将强度图像进行阈值化以产生应用到边缘检测图像上的掩模，使得仅对比背景上的杂散纤维可见，而图像的其它纤维和特征被掩蔽。背景和杂散纤维信号的混合可以多种方式产生，包括但不限于使用透明纤维、有目的地使透镜离焦、在低分辨率下捕获图像、数字图像处理以及成像传感器内的像素串扰。

存在许多示例，其中期望在多种照明条件下检测和定量基材中相对于对比背景的杂散纤维。在本发明的一个实施方案中，该方法包括以下步骤：1)在对比背景前方拍摄杂散纤维的一个图像或一系列连续的图像，该图像使用一个或多个光源产生并使用数字装置捕获，其中相机和摄像机是两个非限制性示例；2)将杂散纤维和背景一起与不感兴趣的对象分割开，从而产生二进制图像掩模；3)将边缘检测技术应用到原始图像或原始图像的修改以增强杂散纤维与背景的对比度；4)将来自步骤2的二进制掩模应用到来自步骤3的所得图像，从而产生杂散纤维图像，其中仅突出直接与背景形成对比的杂散纤维并且图像中不与背景直接形成对比的其它对象从杂散纤维图像中移除。于是，随后可分析所得的杂散纤维图像以定量对比背景前方杂散纤维的存在，增强其可见度或产生其虚拟改变的基础(除其它外)。

已确定了本发明的一些替代组分。在以下情况下可获得更优的结果：

1)边缘检测可在傅立叶域或空间域中等同地进行，并且滤光器窗口的尺寸应当被调节成使得仅检测每个纤维的一个边缘。例如，如果一个纤维正在以在空间域内太小的窗口扫描，则结果是纤维的任一侧的边缘，而不是中间的单个边缘。

2)纤维足够透明，使得杂散纤维的边缘可能难以相对于对比背景的噪音进行检测。在这种情形下，可能有利的是照明样本使得增强杂散纤维和背景之间的对比度。例如，可改变正面和/或背景照明的颜色和强度以增强纤维的对比度。

3)对比背景可包括噪音水平，使得边缘检测算法检测对比度与杂散纤维的边缘相同水平的边缘。拍摄多个图像并将它们一起平均化会降低噪音水平并实现更好的边缘检测。

使用方法示例：

本发明可用于定量毛发的卷曲和凌乱、织物的起毛、织物的起球。在本发明的一个实施方案中，其可用于营销和广告以展示产品有益效果。在本发明的一个实施方案中，其可用于店内咨询/展示。在本发明的另外的实施方案中，其可用作基础图像以产生具有各种程度的卷曲和/或凌乱纤维的毛发的虚拟表示。在本发明的一个实施方案中，其可用于例如纸制品的纤维素纤维分析，非限制性示例诸如纸巾或卫生纸或妇女卫生制品。

另外的实施方案涉及发簇的照片，非限制性示例包括直发簇、编织物、双绞的、卷曲的或其它发簇构型。此方法的另外的实施方案可包括皮肤上的毛发，或作为睫毛的一部分的毛发。此方法的另一个实施方案涉及检测与背景形成对比的纺织物材料的卷曲，其中纺织物材料由一种或多种混合纤维类型和/或颜色构成。另一个实施方案将是利用移动电话应用程序作为对杂散纤维或卷曲或其它相关属性的水平进行自我诊断的手段。具有足够的计算机功率的实施方案能够实时产生杂散纤维图像和/或定量(在“实时”视频上)，从而允许产生虚拟镜像。另一个实施方案将是观察身体或面部上毛发移除的功效。在本发明的一个实施方案中，杂散纤维可具有0.25英寸或更小的直径。在另外的实施方案中，杂散纤维可具有0.10英寸以下的直径。在另外的实施方案中，杂散纤维可具有0.05英寸以下的直径。在一个实施方案中，如果杂散纤维为织物纤维，则织物纤维可具有小于50微米的直径；在一个实施方案中，织物纤维可具有小于25微米的直径；在另外的实施方案中，织物纤维可具有小于10微米的直径。

方法

图像捕获

1.将包含待成像的杂散纤维的对象放置在相机和高度对比的背景之间。

2.在本发明的一个实施方案中，背景可在整个图像区域上是均匀的，并且由颜色和强度组成，以在杂散纤维和背景之间提供尽可能高的对比度。此技术可耐受背景内的适中颜色和强度梯度，只要保持杂散纤维和背景之间的高对比度即可。还可选择背景，使得其与被成像的对象不共享相同颜色中的任一种。这将允许不与背景直接形成对比的对象的部分被掩蔽。如果在所得图像中，背景和不与背景形成对比的对象的部分共享相同的像素颜色/强度，则可手动绘制掩模，或者如果已知对象的位置和大致尺寸，则可自动添加掩模。一个非限制性示例可为：使用面部识别来确定面部的位置和尺寸，作为绘制掩模的手段。

3.一旦选择了背景，则相机聚焦在杂散纤维上。如果杂散纤维延伸超过景深，则可在不同的焦点处拍摄多个图像，并且使用技术将多个图像组合成单个图像，以实现完全聚焦的图像。

4.接着，选择相机孔以使杂散纤维和背景之间的对比度最大化。这可通过将边缘检测滤光器应用到图像并且操纵孔直到限定毛发纤维在背景上的边缘已经达到最大强度而实现。

5.选择ISO或增益尽可能小，以使所得图像中的噪音最小化。如果运动模糊是潜在的问题，则可考虑用更多的光来照明背景。

6.选择曝光时间使得所得的像素强度通常低于过度曝光，以便使图像中存在的对比度最大化。

7.接着—可捕获图像。

图象分析

1.使用分割技术将背景和杂散纤维与不与背景形成对比的对象的其余部分分隔开。对于背景和杂散纤维不与其它像素中的任一个共享相同像素颜色中的任一种的情况，可以将简单阈值应用到图像以产生二进制掩模，其中背景和杂散纤维被着色成白色(1)，而不与背景形成对比的对象被着色成黑色(0)。在存在共享像素颜色的情况下，如果不与背景形成对比的一个或多个对象的位置通常是或确切已知的，则可手动编辑掩模或可将自动掩模应用到二进制图像(参见图3A)。

2.与此同时，将边缘检测算法应用到原始图像。边缘检测滤光器的尺寸可被设定成适合被研究的杂散纤维的直径。例如，已经对原始图像中具有至多5个像素的直径的杂散纤维使用9x9拉普拉斯滤光器实现了质量结果。(参见图3B)

3.接着，将来自步骤1的二进制掩模应用到由步骤2产生的边缘检测图像，从而得到以下图像，其中仅突出与背景形成对比的对象(参见图3C)。

4.所得图像被称为杂散纤维图像，并且随后可对该图像进行分析/操纵以增强对杂散纤维的检测、杂散纤维的量、或杂散纤维在虚拟操纵中的使用。

定量

1.来自图像分析过程的步骤4中的杂散纤维图像可通过应用单个阈值来转换为二进制图像。所得的二进制图像可通过计数像素的数量来定量，然而，可使用加权计数算法(如bwarea、MATLAB)或其它常规算法软件。

在本发明的一个实施方案中，未连接到杂散纤维的图像中或在另一杂散纤维的指定距离内的潜在纤维可被认为是噪音并且被排除在最终图像之外。在另外的实施方案中，图像中不是纤维形状的潜在纤维，诸如圆形对象，而不是线状对象，可被认为是噪音并且被排除在最终图像之外。在另外的实施方案中，图像中不超过最小允许面积的潜在纤维，例如，尺寸为仅2个像素的对象，可被认为是噪音并且被排除在最终图像之外。

实施例

在本发明的一个实施方案中，以下为示出不同照明构型的非限制性实施例

本发明的非限制性实施例如下。人体模型头部置有前灯，该前灯在面部的任一侧上使用2个荧光光源。使用紫色背光来提供对比背景。使用具有焦距为26mm、孔为f/8、曝光时间为1/25秒以及ISO为100的VR 18-55mm f/3.5-5.6G镜头的Nikon D5200来捕获人体模型头部的图像。

在本发明的一个实施方案中，此方法可成功地应用到多种颜色的纤维，或甚至完全缺乏颜料的纤维，只要保持纤维与背景的对比度即可。

本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

除了上述内容，本发明还包括(作为附加方面)以任何方式在范围上比上文特定提及的变体更为狭义的本发明的全部实施方案。关于描述为属的本发明的各个方面，所有单独的物种分别被认为是本发明的单独方面。对于以“一个”或“一种”来描述或进行权利要求的本发明的方面，应当了解这些术语意味着“一个(种)或多个(种)”，除非上下文明确要求更受限制的含义。关于描述为一组内的一个或多个的元件，应当理解，预期该组内的所有组合。如果本发明的方面被描述成“包含”特征，则实施方案还设想了“由……该特征组成”或者“基本上由……该特征组成”。

本发明的具体实施方式中所引用的所有文件的相关部分均以引用方式并入本文；任何文献的引用都不可解释为是对其作为本发明的现有技术的认可。当本文件中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中相同术语的任何含义或定义相冲突时，应当服从在本文件中赋予该术语的含义或定义。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施方案，但是对于本领域的技术人员来讲显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可做出各种其它改变和修改。因此，本文旨在于所附权利要求中涵盖属于本发明范围内的所有这些改变和修改。

Claims (17)

1.一种检测来源于基材的杂散纤维的方法，包括:

a)使用数字装置在对比背景前方拍摄杂散纤维的一个图像或一系列连续图像，所述图像使用一个或多个光源产生；

b)将杂散纤维和背景与不直接与背景形成对比的对象分割开，从而得到二进制图像掩模；

c)将边缘检测技术应用到图像或原始图像的修改以增强杂散纤维与背景的对比度；

d)将来自步骤b)的二进制图像掩模应用到在步骤c)中产生的图像以产生以下图像：其中仅存在与背景形成对比的杂散纤维的轮廓。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)所述分割技术是单阈值常数或定义强度范围的阈值常数的组合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)所述边缘检测技术是拉普拉斯(Laplacian)、康尼(Canny)、索贝尔(Sobel)、罗伯森(Robertson)、普鲁伊特(Prewitt)、以及高通滤波中的任一者。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)之后跟随着通过调节以下参数来操纵杂散纤维图像：用于增强所述杂散纤维相对于背景像素的表现的对比度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)之后跟随着分割所述图像以增强所述杂散纤维相对于背景像素的表现。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，来自步骤d)的所述杂散纤维图像或来自步骤d)的所述杂散纤维图像的进一步被操纵的版本被用作定量所述图像中的杂散纤维的量的基础。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂散纤维图像进一步被分析以增强所述原始图像的可见度或产生所述原始图像的虚拟改变的基础。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂散纤维来自由以下共享构成的组合：毛发、织物、纤维素基质、非纤维素及其混合物。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述毛发被附着于人。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述毛发是毛发束。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述毛发是辫子束。

12.如权利要求1所述的方法，步骤a)，其特征在于，所述装置是可被用来捕获视频或静止图像的彩色或单色数字相机。

13.如权利要求1所述的方法，步骤a)，其特征在于，背景的颜色被选择成与不直接同所述背景形成对比的任何其他对象的颜色不同。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂散纤维具有0.25英寸或更小的直径。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个光源能处于面部的任一侧。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述毛发或毛发束被扭绞/旋转。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过掩模来掩蔽不直接与所述背景形成对比的对象，所述掩模被手动绘制或者如果所述对象的位置和尺寸已知，则所述掩模被自动添加。

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