CN109584291A - 一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，首先使用图像处理方法获取动物纤维图像中纤维的边缘线，进而提取纤维中轴线，然后做垂直于纤维中轴线的线段与纤维边缘相交，所述线段的平均长度即为纤维平均细度，并作为最终所报告的动物纤维细度。本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过自动提取中轴线，可以测得动物纤维细度。试验表明，本发明方法自动化程度高，计算速度快，准确度高，鲁棒性较好，适于大范围推广使用。

Description

一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法
技术领域
本发明涉及一种使用计算机图像技术计算动物纤维细度的方法，尤其涉及一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，属于计算机科学中的图像分析技术领域。
背景技术
现有的纤维测量直径的方法有很多，如分段测量法，三角形法，像素法，以及中轴线法。其中，分段测量法将纤维分为多段，然后求取每一段的直径值，求和后再取其平均值，得到其直径。分段数目需人为指定，且分段位置需要人工干预，工作量大。在三角形法中，测量误差大小与纤维的弯曲程度有很大关系，只有当纤维的边缘近似为直线时，测得的纤维直径才比较准确，因此适用范围较小。像素法是基于像素的集合方法测量鳞片的直径，经过图像处理后，纤维中两个鳞片间的鳞茎具有一定的间距，造成鳞片的直径大于鳞茎间的距离，致使测得的纤维直径不准确。
中轴线法也是测量纤维直径较常用的一种方法。但均需人工干预(如人工指定初始点及其方向)，这在某种程度上降低了算法的自动化性和所求取中轴线的准确性。许多基于坐标点的中轴线法在测量纤维直径时，所得中轴线是不连续、不光滑的，以至于中轴线求取的不准确，还需要对图像做进一步的处理，如离散点的连接、中轴线的平滑等，因此使算法的空间复杂度和时间复杂度大大提高，使求取过程变得极其复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何自动、快速、准确地测量动物纤维细度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于：首先使用图像处理方法获取动物纤维图像中纤维的边缘线，进而提取纤维中轴线，然后做垂直于纤维中轴线的线段与纤维边缘相交，所述线段的平均长度即为纤维平均细度，并作为最终所报告的动物纤维细度。
优选地，具体包括以下步骤：
步骤1：图像采集；
截取动物纤维中段，在光学显微镜下，拍摄清晰的单根纤维显微图像作为后道计算的输入图像；
步骤2：图像预处理；
将纤维显微图像转化为灰度图，然后使用高斯核高通滤波和对比度拉伸来增强图像中鳞片边缘；
步骤3：纤维边缘线及中轴线的提取；
具体步骤如下：
(a)使用最大类间方差法OTSU对预处理后的图像求取自适应阈值，根据所得阈值将图像转化为二值图像；
(b)标记二值图像中每个连通分量并计算该连通分量的面积，保留面积最大的两个连通分量，并去除其他的连通分量，从而得到两条纤维的边缘线，然后将边缘线细化，得到单像素的纤维边缘线；
(c)使用圆形结构单元填充纤维边缘间的空白，得到背景剔除后的纤维二值图；然后对所述纤维二值图进行骨架化处理，得到单像素的纤维中轴线；将纤维边缘线图和纤维中轴线图合并在一起；
步骤4：计算纤维细度；
具体步骤如下：
(a)求取纤维中轴及纤维边缘的方程
将纤维中轴线方程记为f(x)，纤维边缘线中的上部边缘线方程记为fup(x)、下部边缘线方程记为fbottom(x)，使用最小二乘法拟合这三根曲线段的参数方程；
(b)求取纤维中轴线上像素点的切线方程
给定纤维中轴线f(x)上任意一点P(x0,y0)，其过P点的切线的斜率即为f(x)在该点的导数f′(x0)，由此得到过P点的切线方程，并最终得到过P点的法向方程g(x)如下：
(c)求取法线与纤维边缘的两个交点
由法线方程g(x)即可求得其与fup(x)和fbottom(x)的两个交点位置；
(d)纤维细度的求取
从f(x)起始点开始，依次获得两个交点间的距离，得到一个距离序列d1，d2，d3，…，dn，计算这个序列的平均值即是纤维细度d，即：
其中，n为中轴线上的像素个数。
优选地，所述步骤1中，使用哈氏切片器截取纤维中段0.4-0.6mm。
优选地，所述步骤1中，在放大倍数为500倍的光学显微镜下，拍摄清晰的单根纤维显微图像。
优选地，所述步骤3中，使用半径为50个像素的圆形结构单元填充纤维边缘间的空白。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过自动提取中轴线，可以测得动物纤维细度。试验表明，本发明方法自动化程度高，计算速度快，准确度高，鲁棒性较好，适于大范围推广使用。
附图说明
图1为本实施例提供的基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法流程示意图；
图2为动物纤维边缘线及中轴线的提取示意图；
图3为纤维直径算法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提出了一种基于中轴线的动物纤维细度测量方法。该方法使用图像处理方法获取图像中纤维的边缘线，进而提取纤维中轴线，然后做垂直于纤维中轴线的线段与纤维边缘相交，线段的平均长度即为纤维平均细度，并作为最终所报告的动物纤维细度。该方法能够自动、快速、准确地测量纤维细度。
图1为本实施例提供的基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法流程示意图，所述的基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法的具体实施步骤如下：
步骤1、图像采集。
使用哈氏切片器截取纤维中段约0.4-0.6mm，在放大倍数为500倍的光学显微镜下，拍摄清晰的单根纤维显微图像作为后道计算的输入图像。
步骤2、图像预处理。
将纤维图像转化为灰度图，然后使用高斯核高通滤波和对比度拉伸来增强图像中鳞片边缘。
步骤3、纤维边缘线及中轴线的提取。
如图2所示，纤维边缘线及中轴线的提取的步骤如下：
(a)使用最大类间方差法OTSU对纤维图像求取自适应阈值，根据所得阈值将图像转化为二值图像；
(b)标记二值图像中每个连通分量并计算该连通分量的面积(像素点个数)，保留最大的两个连通分量(纤维图像边缘)，并去除其他小的连通分量，从而得到两条纤维的边缘线，然后将边缘线细化，得到单像素的边缘线；
(c)使用半径为50个像素的圆形结构单元填充纤维边缘间的空白，得到背景剔除后的纤维二值图。然后对图像进行骨架化处理，就可得到纤维图像的中轴线。为便于计算，再将边缘线图和中轴线图合并在一起。
步骤4、计算纤维细度。
纤维细度的计算步骤如下：
(a)求取纤维中轴及纤维边缘的方程
如图3所示，通过上述步骤得到单像素的纤维中轴线和纤维边缘线之后，使用最小二乘法拟合这三根曲线段的参数方程。将中轴线方程记为f(x)，图3所示纤维边缘线中的上部边缘线方程记为fup(x)，下部边缘线方程记为fbottom(x)；
(b)求取纤维中轴线上像素点的切线方程
给定纤维中轴线f(x)上任意一点P(x0,y0)，其过P点的切线的斜率即为f(x)在该点的导数f′(x0)，由此得到过P点的切线方程，并最终得到过P点的法向方程如下：
(c)求取法线与纤维边缘的两个交点
由法线方程g(x)即可求得其与fup(x)和fbottom(x)的两个交点位置。
(d)纤维细度的求取
从f(x)起始点开始，依次获得两个交点间的距离，得到一个距离序列(d1，d2，d3，…，dn)。计算这个序列的平均值即是纤维细度d，即：
在某一个具体的应用实例中，采用本发明所提出的纤维细度测量方法，在图像拍摄清晰的条件下，羊绒羊毛纤维直径求取结果如下：
表1羊绒羊毛直径求取结果
从表1计算可知，羊绒直径测量的平均误差为0.27um，均方差0.05；羊毛直径测量的平均误差为0.27um，均方差为0.07。可见基于自动提取中轴线测得的羊绒羊毛直径值与真实直径值极为接近，且均方差小，说明该方法准确度高、鲁棒性较好。
综上，本发明方法可以直接获取光滑、连续的中轴线，并且是单连通、单像素分布。同时该算法可以实现自动化，避免了人工干预引起的误差。因而可以作为最终的纤维中轴线，在此基础上求取的纤维直径准确度高。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于：首先使用图像处理方法获取动物纤维图像中纤维的边缘线，进而提取纤维中轴线，然后做垂直于纤维中轴线的线段与纤维边缘相交，所述线段的平均长度即为纤维平均细度，并作为最终所报告的动物纤维细度。
2.如权利要求1所述的一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：图像采集；
截取动物纤维中段，在光学显微镜下，拍摄清晰的单根纤维显微图像作为后道计算的输入图像；
步骤2：图像预处理；
将纤维显微图像转化为灰度图，然后使用高斯核高通滤波和对比度拉伸来增强图像中鳞片边缘；
步骤3：纤维边缘线及中轴线的提取；
具体步骤如下：
(a)使用最大类间方差法OTSU对预处理后的图像求取自适应阈值，根据所得阈值将图像转化为二值图像；
(b)标记二值图像中每个连通分量并计算该连通分量的面积，保留面积最大的两个连通分量，并去除其他的连通分量，从而得到两条纤维的边缘线，然后将边缘线细化，得到单像素的纤维边缘线；
(c)使用圆形结构单元填充纤维边缘间的空白，得到背景剔除后的纤维二值图；然后对所述纤维二值图进行骨架化处理，得到单像素的纤维中轴线；将纤维边缘线图和纤维中轴线图合并在一起；
步骤4：计算纤维细度；
具体步骤如下：
(a)求取纤维中轴及纤维边缘的方程
将纤维中轴线方程记为f(x)，纤维边缘线中的上部边缘线方程记为fup(x)、下部边缘线方程记为fbottom(x)，使用最小二乘法拟合这三根曲线段的参数方程；
(b)求取纤维中轴线上像素点的切线方程
给定纤维中轴线f(x)上任意一点P(x0,y0)，其过P点的切线的斜率即为f(x)在该点的导数f′(x0)，由此得到过P点的切线方程，并最终得到过P点的法向方程g(x)如下：
(c)求取法线与纤维边缘的两个交点
由法线方程g(x)即可求得其与fup(x)和fbottom(x)的两个交点位置；
(d)纤维细度的求取
从f(x)起始点开始，依次获得两个交点间的距离，得到一个距离序列d1，d2，d3，…，dn，计算这个序列的平均值即是纤维细度d，即：
其中，n为中轴线上的像素个数。
3.如权利要求1所述的一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于：所述步骤1中，使用哈氏切片器截取纤维中段0.4-0.6mm。
4.如权利要求1所述的一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于：所述步骤1中，在放大倍数为500倍的光学显微镜下，拍摄清晰的单根纤维显微图像。
5.如权利要求1所述的一种基于自动提取中轴线的动物纤维细度计算方法，其特征在于：所述步骤3中，使用半径为50个像素的圆形结构单元填充纤维边缘间的空白。
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