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　　1. 引言

　　粘膠纖維良好的服用性能一直受到人們的青睞，高質量粘膠長絲的市場需求量不斷上升，尤其是加入WTO、紡織配額取消之后，國際對高檔粘膠長絲的需求量猛增。由于我國的長絲質量達不到國際標準，出口受到限制，其中一個重要原因是由于粘膠長絲單絲不足造成布料染色不均。粘膠長絲數量不足是由于在長絲成絲過程中，噴絲板中部分噴絲孔堵孔造成捻合單絲根數缺少。快速在線檢測噴絲板是否堵孔，實時監測單絲數目，可以較好的解決上述問題。

　　為實現實時監測單絲數目，本文利用機器視覺檢測技術，采用外置光源對粘膠長絲照射，由光學系統成像至CCD上，實時采集酸浴內長絲圖像，通過IPC工業計算機及圖像采集卡獲取圖像數據，實時顯示至監控屏幕上。同時，粘膠長絲圖像經過圖像增強及閾值分割后，長絲的形態特征被突顯出來;用特定的算法識別粘膠長絲并計算出其數目;根據計數結果，判別長絲產品合格與否。

　　2. 粘膠長絲浴內監測系統研究目標

　　2.1系統研發目標

　　⑴ 研究噴絲動態成像系統和照明系統，實現噴絲過程的光學成像;

　　⑵ 將酸浴中的光學圖像轉換為方便于人們觀測的可視圖像;

　　⑶ 開發圖像處理軟件系統，實現對粘膠長絲的相關識別和判別計數;

　　⑷ 保證系統在酸浴中部分結構不受腐蝕影響。

　　2.2系統技術指標

　　⑴ 該系統需適應環境指標

　　酸浴溫度：50℃

　　酸浴深度：400mm

　　酸浴透明度：400-500mm

　　酸浴組成：硫酸：130±1g/l

　　硫酸鋅：11±0.5g/l

　　硫酸鈉：260-270g/l

　　⑵ 噴絲孔徑φ0.06-φ0.08mm

　　⑶ 噴絲孔數18-60

　　⑷ 單絲檢測精確度為97%

　　⑸ 功能實現：a獲取清晰的噴絲圖像，具有良好的可視性

　　b實現計算機圖像處理，指示噴絲數量

　　c噴絲板檢測實現計算機管理(編號、數據存儲等)

　　d儀器小型化，便于巡回檢測

　　3. 粘膠長絲浴內監測系統的結構設計

　　3.1監測系統的硬件結構

　　粘膠長絲浴內監測硬件系統主要有以下部分構成：

　　①系統照明光源

　　②CCD攝像頭

　　③機械微調裝置

　　④控制柜

　　⑤電源控制板

　　⑥圖像采集卡

　　⑦工業計算機

　　⑧液晶顯示器

　　CCD實時采集接收屏上的圖樣，輸出視頻信號。由計算機系統控制的視頻采集卡對CCD輸出的視頻信號進行實時捕捉，顯示至監視器屏幕便于實時監控酸浴內噴絲板的工作情況，截取細絲圖像，向長絲計數系統輸出用于圖像分析的圖片。工業計算機系統用于監測系統的整體控制，為測試軟件的運行提供硬件基礎。系統的硬件結構如圖3.1所示。

　　圖3.1 粘膠長絲浴內監測系統硬件結構

　　根據系統技術指標，本系統的控制監視部分要在粘膠長絲酸浴附近工作，其環境溫度高，空氣潮濕，周圍機器振動較大，且有高頻信號干擾，條件極為惡劣。為保證監控系統正常工作，工控計算機的選擇是極為重要的，本文采用的是研祥工控機，型號為IPC-6806W-E(A3)，其優點是結構緊湊、設計合理、便于擴展外接采集卡;具有較好的抗震、抗干擾、防塵耐高溫的特性，能夠克服酸浴附近的惡劣條件而穩定工作;滿足在線監控與長絲計數算法的運算需求。另外，本系統的成像探頭部分要在酸液內工作，需要將系統光源及CCD攝像頭密封在耐酸塑料ABS制成的防腐外殼中;為方便粘膠長絲的成像調節，在酸浴外加置了機械微調裝置;將采集卡、電壓控制板、工業計算機以及液晶顯屏封裝在控制柜中，實現儀器的小型化，便于循環檢測。系統的控制柜和浴內CCD攝像探頭與光源機構如圖3.2、3.3所示。

　　圖3.2控制柜結構 圖3.3 浴內CCD探頭與光源機構

　　3.2長絲計數軟件系統結構與界面

　　軟件系統是利用VC開發出來的。基于DirectShow技術將采集卡采集的圖像數據顯示至屏幕上，以便實時觀測酸浴內噴絲板表面狀況;為測量細絲根數抓取屏幕圖像，進行圖像預處理，將長絲圖像增強，削弱背景噪聲影響，提高閾值精度;利用形態學理論分析二值化后圖像，去除非細絲結構的雜點(由酸液中的漂浮物或氣泡);利用二值圖像形狀分析方法確定計算區域，節省計算時間;根據長絲計數算法計算圖像中細絲根數;將測試結果顯示至屏幕;并存儲測試數據。軟件系統的程序模塊如圖3.4所示。

　　圖3.4 軟件系統程序模塊圖

　　軟件系統操作界面如圖3.5所示。該界面主要分為以下幾個區域：

　　⑴ 視頻顯示區

　　實時顯示粘膠長絲噴絲狀態;起到了實時監控酸浴內噴絲板的目的。

　　⑵ 信息輸入區

　　輸入機器型號、編號相關信息，以及檢測人員的工號，便于測試結果查詢。

　　⑶ 指示區

　　指示目前系統工作狀態，藍燈表示系統順利通過開機自檢;綠燈表示系統順利完成計數工作，可進行下次操作;紅燈表示系統正在進行圖像處理工作。

　　⑷ 測控區

　　主要對粘膠長絲圖像進行處理并分析出細絲根數。測試1為按序計算按鈕;測試2為重新測試按鈕;另外，還列出三種測試速度，以便按實際需要進行選擇。

　　⑸ 測試結果區

　　顯示測試結果及噴絲板錠號。

　　圖3.5 系統軟件界面

　　4. 粘膠長絲圖像的分割與計數算法

　　通過對粘膠長絲圖像的理解，本文研究了如下適合于長絲圖像的分割與計數方法。

　　4.1 分行消包絡分割法

　　根據粘膠長絲機視覺檢測實際應用的需要，設計一種結合粘膠長絲圖像特征的分行處理消包絡分割方法。該方法屬于自適用閾值法的范疇，其計算簡單，應用效果好。

　　因為粘膠長絲的浴內檢測圖像一般背景和目標的對比度較差，經圖像增強處理后，圖像質量有所改善，但細絲目標與背景照明較亮的部分都的到了增強，以圖4.1(a)為例，如果直接采用常用閾值分割法，會帶來大量噪聲白點，如圖4.1(b)。

　　細絲噴絲方向多為縱向，細絲的像多為豎直，因此可以對圖像進行分行二值化處理，避免圖像的上下照明不均帶來的噪聲。

　　圖4.2(b)是左圖中第120行(亮線標致行)的灰度分布，橫坐標為該行像素序列號，縱坐標為各對應像素的灰度值。

　　由于背景照度不均勻，使得該行的背景灰度數據不均，為去除背景的干擾，可對灰度分布數據提取包絡，如圖4.3(a)所示。可以認為，灰度數據的包絡即細絲圖像的背景灰度分布形態，將原灰度分布數據與包絡數據相比照，去除背景信息，保留細絲目標數據。這樣就避免了圖像左右照度不均的影像。依照此方法對各行數據進行處理。得到去背景后的細絲圖像，然后將其二值化(非0即1)，獲得較好的細絲二值化圖像。如圖4.4所示。

　　4.2連通域分離法

　　粘膠長絲在生產過程中總體趨勢為縱向噴絲，其圖像多為豎直結構。如圖4.1(a)示。因此可將圖像按行掃描計算，統計各行計數結果，這種算法簡單便于理解，但其精度難以保證，穩定性不高。其主要原因是在實際生產過程中，各長絲之間并非完全平行，前后細絲之間存在著交錯重疊，尤其對圖4.5所示的結構，這種逐行掃描的算法將遺漏細絲。造成測試結果普遍偏低。

　　圖4.5 細絲的交錯示例

　　下面介紹一種連通域分離辦法來解決細絲交錯時的計數問題。

　　4.2.1 連通域分離的基本思想

　　⑴ 分離

　　基于二值圖像的形狀分析，對各連通域進行標識，提取出各連通域的特征屬性，如區域面積、長度、圓形度，平均寬度等，以辨別該連通域是否為長絲二值像。針對被標識的長絲連通域，按標識將各連通域分離成各各子圖像。以圖4.5為例將其按連通域分離為如圖4.6的四個子圖像。

　　⑵ 分岔位置與分割

　　對每個子圖像進行逐行掃描，計算細絲根數，當數目發生變化時，說明細絲在此處分岔，即為分岔位置;該位置所在的行為分界行;分界行將圖像分為上下兩部分，能使圖像連通域個數增加的那部分稱為保留區，另一部分稱割舍區;可以在分岔位置做標記，以便刪除割舍區內對應的重合細絲段。下面以圖4.6(b)為例進行說明，如圖4.7(a)所示。

　　如圖4.6(d)所示，子圖像存在著多個分岔位置，應根據如下規則進行選取并分割：

　　(a)盡量使保留區域高度最大;

　　(b)被保留區域的逐行掃描根數不小于割舍區的掃描根數;

　　(c)保留區域內的連通域個數必須大于1。

　　具體分割見圖4.7(b)所示。

　　4.2.2 實現步驟

　　⑴ 對二值圖像進行標記，劃分成不同連通區域;

　　⑵ 根據不同的像素值，即不同的連通域，將圖像分離為各各子圖像;子圖像的數目即為父圖像中連通域的個數。即子圖像中連通域個數為一。并將子圖像進行二值化，非0即為1。

　　⑶ 對各子圖像進行逐行掃描，計算細絲根數，如果為1，執行第⑸步;否則執行第⑷步。

　　⑷ 從上下兩端向中間查找子圖像的分岔位置，按照能將子圖像分割成兩個以上的連通域為原則，保留區最大為基準，選取最佳分岔位置的上下部分進行取舍。將分離后的圖像最為新的父圖像執行步驟⑴;

　　⑸ 累加子圖像細絲根數1;計算子圖像平均寬度;改變子圖像灰度值，并將該子圖像復制到原圖相應位置。

　　⑹ 彈出對話框，輸出各被計算的子圖像的平均寬度，及計數結果。用偽彩色編碼將圖像顯示到屏幕上，以便觀察分析。

　　圖4.5的計算結果及處理后圖像如圖4.8所示。

　　5. 粘膠長絲浴內監測系統的計數應用

　　圖5.1為浴內監測系統實際采集的粘膠長絲圖像，利用連通域分離法計算細絲根數測得結果參見表5-1。