织物密度自动检测系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 4 4 2.18MB 57 页 15积分
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第一章 序 论
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第一章 绪 论
纺织品经纬纱线的密度测试，是纺织品检验中最常见的测定项目，无论是外
观检验还是物理测试，无论是作为商业谈判的规格条件还是衡量内在质量的物理
测试项目，经纬密度都是最为重要的[1]。
国家标准GB/ T4668 - 1995《机织物密度的测定》标准规定了三种方法：1. 织
物分解法；2. 织物分析镜法；3. 移动式织物密度镜法[2]。这三种方法均为人眼测
量，劳动强度大，出错率高，效率低，受主观因素影响较大。目前国内纺织企业
仍旧沿用这些落后的手工测量方法，尤其是使用移动式织物密度镜最为普遍。设
计出先进的检测装置，可以使针织面料的设计和开发人员提高效率，从而缩短新
面料的研制周期，对企业有积极的帮助；更重要的是使国内的纺织仪器公司获得
先进的技术，生产科技含量较高的产品，在同国外公司的竞争中占据主动。
§1.1 目前纺织业常用测量方法
§1.1.1 织物分解法
将待测样品裁成一定尺寸的小块，把边纱拆清，精确测量长度后，从边缘起
逐根纱线拆数，即可得出在一定长度内的纱线根数。
该方法的优点是可用于所有机织物密度的测定，尤其是对于用其他密度测定
方法不易观察的重叠结构和复杂组织的厚密、深色织物更为适用，并且试验结果
准确可靠，因而可以在仲裁试验中采用。这种方法的缺点是比较繁琐，试验时间
长，并且属于破坏性试验，所以在一般的物理测试中不被采用，在外观检验中更
不可以采用。
§1.1.2 织物分析镜法
将织物放平，把织物分析镜放在上面，选择一根纱线并使其平行于分析镜窗
口的一边，由此逐一计数窗口内的纱线根数。
也可计数窗口内的完全组织个数，通过织物组织分析或分解该织物，确定一
个完全组织中的纱线根数，其与完全组织个数之积，再加上剩余纱线根数，即为
测量距离内纱线根数。
§1.1.3 移动式织物密度镜法
移动式织物密度镜如图1-1所示，目前广泛地应用于各类纺织品的密度测定，
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内装有10至20倍的低倍放大镜。可借助螺杆在刻度尺的基座上移动，以此达到所
需的测量距离。测量时将织物摊平在平整的台面上，把织物密度镜放于织物的表
面，通过放大镜的标志线横过纱线时计数纱线的根数。
图1-1 Y511B型织物密度镜
织物分析镜法和移动式织物密度镜法均为放大镜观察计数，共同优点是比较
准确，而且携带方便，测试时不破坏被测样品，所以在外观与理化试验中被广泛
应用；缺点是在测定过程中，需要眼睛对准放大镜重复多次计数，容易造成测试
人员的视觉疲劳，对于专职物理测试人员来说，往往要连续试验几个样品，疲劳
状况尤其严重。
§1.1.4 密度板法
密度板法仅适用于在一定条件下能够形成易于观察的干涉条纹的织物。这种
方法视板面线条形式不同又可以分成倾斜线条型和平行线条型两种。
倾斜线条型密度板是将一块印有密集倾斜线条的透明板放在被测织物上，使
密度板的长边与被测纱线平行，在亮的背景下，根据光的干涉原理，就会产生近
似对称的光带曲线花纹，它们交叉处的短臂所指的刻度数值即为织物每厘米的纱
线数。为了适应不同规格织物密度的测定，密度板也分为几档，测定时要根据织
物密度范围进行选择。
平行线条型密度板也分为若干档，测定时根据被测织物的密度范围选择光栅。
如果选得合适，就能看到和光栅边缘平行的许多条纹，这时把密度板稍稍转动，
如果出现了垂直于栅线的横向条纹，则被测织物的密度就等于光栅的标号；如果
云纹与光栅转动方向一致或相反，则被测织物的密度就等于光栅标号减去或加上
条纹数。
密度板法的优点是快捷、便于携带，而且不损坏被测样品；缺点是误差较大，
另外需要下衬透光玻璃，有时现场做外观检验时不能提供。所以密度板法在商业
洽谈等场合下作为一般估算时可以采用，但是在出具商检证书时不可以采用。
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总的来说，国内使用最多的是移动式织物密度镜法，相比其它方法较为简便；
织物分解法准确度最高，在有争议的情况下以此法测量的结果为准。
以上这些纺织业沿用的方法都是人工测试，效率不高，在生产技术自动化的
今天显得相当落后，亟须改进。
§1.2 经纬密度自动测量的研究现状[3]
从上世纪80年代开始，人们便开始在织物测量密度这一领域进行探索，经过
二十几年的研究，已经取得了很多成果。从上世纪90年代初开始直到现在，图像
处理技术用于织物检测的研究形成了一个高潮。随着计算机技术在纺织领域的广
泛应用，尤其是数字图像处理技术的发展，近年来，纺织领域也像其它学科领域
一样，在很多方面开始利用图像处理技术进行分析与检测。借助于图像特征参数
的识别、抽取、统计和分析可以完成许多测试工作。目前，图像处理技术在纺织
工业中的应用，已经走出了纯学术理论研究的框框，在一些领域正准备投入实际
应用。
§1.2.1 国外研究现状
有关织物组织结构自动识别的研究始于20世纪80年代中期的日本，经历了从
光学计算到数字分析的图像处理过程。1986年，Ryuichi Akiyama等提出了通过分
析织物衍射光分布模式判别组织类型的方法[4]。他们在光学领域对组织识别进行了
探索。其主要原理是首先得到织物的衍射照片，然后测量负片上亮点的大小及间
隔，最后计算结构函数得到织物的组织类型。以平纹、斜纹、缎纹为例，得出了
织物的衍射光分布模式与意匠图之间的关系。同时，Ryuichi Akiyama还用数字图
像处理程序证实了以上关系在其它衍生组织中的适用性。由于Fraunhofer衍射模式
即等同于傅立叶变换，因而，他们所提出的织物模型、研究方法及相关结论为后
来用数字图像处理实现织物结构的自动分析提供了有益的启示。1990年，E. J. Wood
率先用傅立叶变换及相关函数对图像进行处理，从中提取模式特征，用于地毯模
式特征的识别，得到了比较满意的结论[5]。1995年，S. A. H. Ravandi等用扫描仪获
取织物的灰度图像后，利用傅立叶变换得到角度能量谱，从波形的峰值中提取织
物表面的方向性信息，并用能量谱的傅立叶逆变换求得自相关函数，从自相关谱
密度函数中得到织物的经纬密度。试验证明，图像分析与人工测试的结果相关性
显著[6]。1999年，Tae Jin Kang等对传统的图像输入方式作了变革，用数码相机及
自制的照明系统分别摄取织物试样的反射光图像及透射光图像，通过透射图像对
纱线间隙作灰度分析从而定位纱线，并得到经纬纱的细度和密度[7-8]。在图像处理
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过程中，运用了多种算法，如高斯滤波、阈值化、直方图均衡化、数学形态检测、
自相关等，设计了一套自动识别系统，既可以用于单色织物，也可以用于色织产
品，但仅限于用在单层织物的分析中，不能识别复杂织物的组织结构。上世纪90
年代以后，随着计算机技术的飞速发展，有关织物组织结构自动识别的研究逐渐
增多，并取得了一定的成果，韩国和日本在这方面的研究占有比较领先的地位。
§1.2.2 国内研究现状
我国对于计算机在纺织方面的应用研究，大多数集中在纺织品的计算机辅助
设计，即纺织品CAD方面，开发了一系列的CAD软件，尤其以织物CAD居多，包
括机织物、针织物CAD等。但是，对于它的逆过程——织物组织结构的自动识别[9-10]
研究较少，现有的一些研究也仅仅停留在实验室探索阶段，还未用于实际生产。
近几年来对这方面的研究逐渐增多，几所纺织大学都在这方面进行过一定的探索，
如东华大学、西安工程科技学院、武汉科技学院和天津工业大学等在织物经纬密
度方面、江南大学在织物识别方面也做了一定的研究。
1996年徐步高设计了一个专门用于织物结构分析的计算机图像系统[11]。运用
快速傅立叶变换获取织物的能量谱图，为适应存在的灰度级，用对数运算压缩能
量谱，并通过坐标变换将能量谱的原点定在图像中心，便于后续处理。织物结构
的各种特征参数，如组织、经纬密度、纬纱倾斜度等，都借助于能量谱进行了定
量分析。通过选用不同方向上的能量谱峰点，将周期性结构从图像中分离出来，
成功地用傅立叶反变换重构了经纱、纬纱的图像，从而用直观的方法实现了经纬
密度和纬纱倾斜的自动测量。
1999年辛斌杰等利用傅立叶变换技术来提取经纬纱线的空间频率信息，测量
织物的经纬密度[12]。其主要原理和徐步高的方法类似，即利用傅立叶变换的快速
算法，得到织物图像的频谱图，频谱图中主要有两类成分：峰点和随机点。峰点
代表周期性结构的频率成分，能量高，利用峰点滤波的方法去除背景点，得到对
应于经纬纱频率的峰点，分别抽取经纬纱的频率，就可以得到织物的经纬密度。
这种方法测试简单，操作方便。
2000年徐伯俊等推出了计算机辅助织物密度测量分析系统，用特殊的图像格
式，模块化的编程风格，系统地实现了自动密度测量，并分析了软硬件的测试性
能[13]。
2000年黄战华等采用数码图像频谱检测织物经纬密度[14]。其方法是通过数码
相机或扫描仪直接获得织物的数字图像，对输入的数字信号进行傅立叶变换，求
出图像的频谱，从频谱的强度和分布计算出织物的条纹分布和周期，从而计算出
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织物的线密度。实验证明该方法准确度高，可以实现自动化测量。
2001年冯毅力等用小波变换方法对机织物图像进行处理，实现织物经纬密度
的自动测量[15]。提出了确定小波分解层次、对分解图像进行二值化和平滑处理的
方法，采用coiflets小波处理织物图像。其主要方法是对图像进行小波分解和重构，
对重构图像进行滤波去噪和阈值二值化，然后对二值化图像实行理想化平滑，这
样就将经纬纱线转变成直线，用程序很方便的自动计算出纱线密度。试验证明对
色织物也是可行的。
2002年江南大学的高卫东等利用机织物由相互垂直的纱线系统交织而成和纬
纱分布相对均匀的特点，首先计算出织物图像沿纱线方向的亮度值，再对亮度信
号进行傅立叶变换和波谷提取运算，精确确定织物图像上纬纱所在位置和纬纱密
度[16-17]。对于平纹组织结构，由于经纱与纬纱交织频繁，纱线及纱线间隔较为分
明，排列周期性比较显著，经纱排列参数的确定也可采用与纬纱亮度曲线功率谱
分析类似的方法，即经纱亮度曲线功率谱分析来实现。而对于更一般的非平纹织
物，由于织物的经向紧度往往较高、纱线之间间隙不明晰、经纱排列随机性大等
造成经纱亮度曲线功率谱分布范围扩散，难以精确得出经纱间距值，因此对于经
纱采用了基于纬纱单元图像的相关分析方法：首先求得纬纱循环数、同类纬纱单
元图像，然后对同类纬纱单元图像进行经向亮度分析，再经二值化和中值滤波，
便可确定经纱的位置和经纱密度。
2002年东华大学的李立轻等提出了建立机织物自适应小波分解滤波器并研究
了机织物密度自动检测的方法，并取得了一定的成果[18-19]。其原理是：应用织物
自适应滤波器对织物灰度图像进行小波分解，使分解后的子图像能很好地分别包
含织物的纬向和经向纹理信息，再将织物子图像进行二值化处理，根据其黑白交
替变化规律，计算出织物的经纬密度。用这种方法检测的结果和人工测量的结果
很接近，误差很小。该方法对不同的织物纹理如平纹、斜纹、缎纹等组织结构的
织物，均能够测量其织物密度。但对于印花织物、色织物等，由于颜色对纹理结
构的影响比较大，该方法还需要进一步完善。
2004年东华大学的赵延旭等用快速傅立叶变换提取针织物的频谱信息，进行
滤波处理以提高频谱图的锐度，沿其水平和垂直方向分别进行投影检测，来获得
针织物的经纬密度[20]。该方法能解决针织物本身结构特殊性带来的图像处理问题，
相对以往的研究主要是针对机织物，有所进步，不过目前只能对一些简单针织物
进行处理，还需进一步完善。
上述这些研究主要是基于后期的图像处理环节着手考虑，而对前道工序－图
像采集的关注甚少，大部分都是用现成的扫描仪捕获图像，分辨率虽高但操作繁
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琐、费时，会影响总体测试时间；并且这些方法的处理算法也存在一定的不足，
要求所处理图像的经纬线对准垂直和水平方向，这样更增加了操作的难度，使得
总的测试时间过长，难以应用于实际生产。总体上讲，目前的密度测量理论仍然
不够完善。
§1.3 产品开发现状
虽然织物经纬密度测量的理论研究进行了很长时间并取得了一些成果，而真
正把理论应用到实际并向市场推出产品的并不多。
韩国的Tea Jin Kang等学者开发自动识别系统比较完善，既可以用于单色织物，
也可以用于色织产品，但仅限于用在单层织物的分析中，不能识别复杂织物的织
物组织结构。
近年来最成功的产品为瑞士TEXTEST公司开发的密度分析仪FX3250，如图
1-2所示，属于嵌入式光电检测仪，由光学成像系统、
CCD光电转换系统、基于DSP
或ARM的数据处理系统和液晶显示屏构成。用LED灯管对织物均匀照明，成像于
面阵CCD上，再通过处理电路将明暗相间的织物条纹转换成电压信号，经带通滤
波电路滤波处理和整形电路整形处理使图像信号变成有规则的脉冲信号，最后经
数据处理系统计算织物密度，显示在液晶屏上。该密度仪只有香烟盒大小，使用2
节5号电池供电，能快速准确地测定机织物、金属丝编物或筛网的线密度，也可测
定针织物的线圈密度，特殊的光源系统能够排除色彩和图案的影响，即使是彩色
有图案的样品，FX3250也能给出精确的结果，误差小于1%。FX3250测量精确迅速，
便于携带，能很好地运用于纺织品密度的在线检测，是未来织物密度检测的趋势，
但现阶段成本过于高昂，接近万元的售价使其难以应用于国内纺织业；为了加快
处理速度，该密度仪采用线性CCD，使得一次只能测量一个方向的密度，并且测
试需要对准角度，否则会存在倾斜误差。
图1-2 FX3250型经纬密度仪
摘要：

第一章序论1第一章绪论纺织品经纬纱线的密度测试，是纺织品检验中最常见的测定项目，无论是外观检验还是物理测试，无论是作为商业谈判的规格条件还是衡量内在质量的物理测试项目，经纬密度都是最为重要的[1]。国家标准GB/T4668-1995《机织物密度的测定》标准规定了三种方法：1.织物分解法；2.织物分析镜法；3.移动式织物密度镜法[2]。这三种方法均为人眼测量，劳动强度大，出错率高，效率低，受主观因素影响较大。目前国内纺织企业仍旧沿用这些落后的手工测量方法，尤其是使用移动式织物密度镜最为普遍。设计出先进的检测装置，可以使针织面料的设计和开发人员提高效率，从而缩短新面料的研制周期，对企业有积极的帮助...

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：57 页 大小：2.18MB 格式：PDF 时间：2024-11-20

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