一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置及方法
2023-06-05 01:00:31
一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，包括試樣臺、照明系統、燈箱、支撐系統、數碼攝像系統和計算機；所述的試樣臺是一個上下自由移動系統；所述的支撐系統是一個ISP圖像處理器；所述的照明系統是一個環形LED燈照明系統，其位於光學顯微鏡頭外側；所述的數碼攝像系統、ISP圖像處理器和上下自由移動系統分別與所述的計算機相連；所述的數碼攝像系統包括一個光學顯微鏡頭和一個CCD傳感器，數碼攝像系統位於試樣臺的正上方。本發明的有益效果是：本發明所設計的系統實現了顯微尺度下織物中紗線表面圖像的自動採集，能在特定的光照環境下方便地獲取紗線的表面成像圖。
【專利說明】—種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像採集裝置和處理方法，更具體說，它涉及一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在紡織和服裝產業，織物表面的質檢領域是織物在生產過程中質量控制的關鍵。目前我國紡織工業中產品質量的檢測都還不同程度地存在著落後的人工手動檢測。傳統的檢測方法依賴手工操作，存在主觀性強、可靠性低、費時費力等缺點，已經無法滿足我國紡織產業的可持續發展的需求。而利用計算機圖像處理技術和計算機機器視覺技術則能獲得快速、準確的檢測結果。數字圖像處理運用在檢測【技術領域】，具體言之是將計算機圖像處理技術應用於工業檢測問題，這使傳統的精密測量儀器獲得了新的發展機遇，很多原來由人眼通過目鏡觀察後再做分析判斷的精密測量儀器可藉助攝像技術，通過計算機對圖像信息處理的方式，達到更高的智能化程度和獲取更精確可靠的處理結果。
[0003]國內外學者將織物表面結構的研究焦點集中在織物圖像紋理識別、紗線分割以及顏色聚類等三方面。織物表面結構的相關檢測問題一般要求精確到紗線尺度上。1999年，韓國的KangT.等發表研究論文，文中提出了利用織物的光透射照片進行織物紗線分割的方法。對織物的光透射照片進行灰度投影處理，紗線的間隙位置對應於投影值中灰度投影值較高的部分。隨後，由於平板掃描儀的普及，研究者主要將研究對象集中在織物的反射光照片。在織物反射光照片中，紗線的間隙位置則對應於投影值中灰度投影值較低的部分。由於織物在顯微尺度下的成像圖片是一個三維結構的表面圖片，所以織物圖片中的紗線表面的陰影分布受光影照射角度的變化而變化。但是在平板掃描儀中或傳統的攝像系統中，光照的角度是固定的，無法真實地反映織物中紗線表面的三維細節。另外，由於織物中紗線毛羽和紗線變形的存在，使得紗線表面的光影分布更加複雜，這給後續的紗線識別帶來了極大的困難，明顯地影響了分析結果的可靠性和準確性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供一種提高採集圖像的質量，有效地減少紗線邊緣的陰影成像區域，提供更多關於紗線表面的纖維細節，從而提高織物圖像後續處理技術對紗線分析準確性的顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置及方法。
[0005]這種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，包括試樣臺、照明系統、燈箱、支撐系統、數碼攝像系統和計算機；所述的試樣臺是一個上下自由移動系統；所述的支撐系統是一個ISP圖像處理器；所述的照明系統是一個環形LED燈照明系統，其位於光學顯微鏡頭外側；所述的數碼攝像系統、ISP圖像處理器和上下自由移動系統分別與所述的計算機相連；所述的數碼攝像系統包括一個光學顯微鏡頭和一個CCD傳感器，數碼攝像系統位於試樣臺的正上方。[0006]作為優選:所述數碼攝像系統還包括USB數據輸送線和光學顯微鏡頭基座；所述的CXD傳感器通過光學顯微鏡頭基座上的卡口與光學顯微鏡頭相連，C⑶傳感器通過USB數據輸送線與所述的計算機相連；所述的光學顯微鏡頭為高倍可變倍調節，調節範圍為5-10倍。
[0007]作為優選:所述照明系統包括環形LED燈、裝置固定架和反光杯；裝置固定架用於將LED燈和反光杯固定在燈箱上；反光杯內側表面米用噴塗技術使其表面覆蓋有一層微細、均勻的白色顆粒，使LED燈照射出的光線達到反光杯內側後，經漫反射照射到紗線表面，從而儘可能獲得紗線邊緣陰影部位極柔和紗線表面高光部位照明均勻的光照效果；環形LED燈通過PCB電路板控制其工作狀態，PCB電路板嵌入在燈箱上外側。
[0008]作為優選:所述環形LED燈中有16個LED燈，每4個構成一個工作組，通過PCB電路板控制每個工作組的工作狀態，完成不同光照環境下的織物圖像採集工作。
[0009]作為優選:所述上下自由移動系統包括Z向線性導軌和Z向步進電機；所述的Z向步進電機控制所述的試樣臺沿著Z向線性導軌移動；所述的Z向步進電機通過所述的計算機控制，以實現調節試樣臺與光學顯微鏡頭之間的距離。
[0010]這種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理方法，包括以下步驟:
[0011]首先，利用光學顯微鏡頭和CCD傳感器獲取平放於試樣臺上的織物的微觀尺度圖片，圖片中包含了紗線相互交叉或繞結的結構以及紗線間隙信息；
[0012]然後，保持織物樣品位置不動，通過PCB電路板控制和改變LED環形燈的工作狀態，從而改變成像光照環境，進而得到不同的紗線圖片；
[0013]再次，將採集的圖片輸入到ISP圖像處理器中完成圖像的處理；
[0014]最後，將處理結果輸出到顯示器上進行顯示。
[0015]本發明的有益效果是:
[0016](I)本發明所設計的系統實現了顯微尺度下織物中紗線表面圖像的自動採集，能在特定的光照環境下方便地獲取紗線的表面成像圖；
[0017](2)特殊的光照角度能在紗線表面形成不同的反射光圖片，可以針對同一試樣設置不同的光照條件，這是目前專門針對織物紗線微觀結構的複雜特徵設計的照明裝置；
[0018](3)儀器能夠通過一個精密的自由移動系統控制試樣與光學顯微鏡頭的間距，同時能夠自由調節光學顯微鏡頭的放大倍數，使得該儀器能針對不同粗細的紗線結構獲取更加清晰的試樣圖像，操作方便，避免了在採集過程中由於更換樣品而不斷調焦的過程，儀器的採集速度得到極大提高；
[0019](4)儀器中採用塗有一層漫反射材料的反光杯，使照射到紗線表面的光線更加柔和、充分和均勻，有效地抑制了紗線邊緣的陰影區域佔整個紗線表面積的比例，從而獲得更多紗線表面的有效區域信息；
[0020](5)與目前基於掃描技術的裝置相比，在本儀器中試樣可以直接擺放在試樣臺，無需夾持和固定，操作過程更加簡便；
[0021](6)通過採用ISP圖像處理器，對採集的圖片進行進一步處理，使採集圖片的質量進一步得到提高，通過圖像融合技術，本儀器能輸出更高質量的顯微尺度下織物中紗線表面圖像；
[0022](7)從本儀器獲取的織物紗線圖像，無論在光照、放大倍率和清晰度等方面，都具有很高的質量，能真實地反映紗線中更多的纖維細節。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集、處理以及顯示的步驟框圖；
[0024]圖2為顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置示意圖；
[0025]圖3為顯微尺度下LED環形燈工作狀態控制實例；
[0026]圖4為顯微尺度下一組織物圖片實例；
[0027]圖5為顯微尺度下一組織物圖片融合結果實例。
[0028]附圖標記說明:(XD傳感器1、光學顯微鏡頭2、環形LED燈3、燈箱4、數據輸送線5。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步描述。雖然本發明將結合較佳實施例進行描述，但應知道，並不表示本發明限制在所述實施例中。相反，本發明將涵蓋可包含在有附後權利要求書限定的本發明的範圍內的替換物、改進型和等同物。
[0030]本發明的實施方式涉及一種用於獲取顯微尺度下織物中紗線表面圖像的裝置。通過高精密自由移動平臺和光學放大倍率的自由調節，能夠針對織物中不同粗細的紗線結構進行聚焦，可控制的LED組合照明系統實現了改變照射到紗線微觀結構的光線角度，通過光學顯微鏡頭2和CCD傳感器I的結合可以實現織物在顯微尺度下紗線表面的圖像採集功能。利用特殊的反光裝置和漫反射塗層材料，使照射到紗線表面的光線更加柔和、充分。通過由PCB電路板控制的環形燈可以方便地控制光照條件。使用USB數據傳輸線可以將得到的織物圖片輸入到ISP圖像處理器中，在圖像處理器中利用圖像融合處理技術對多張圖片進行融合處理，保留紗線表面光照較亮且較均勻的部分，同時抑制紗線邊緣的陰影部分信號。最後使用顯示器將融合前和融合後的織物圖片輸出到顯示器上進行顯示。
[0031]本發明採用的技術方案包括如下特徵:
[0032](I)基於光學顯微鏡頭2和CXD傳感器I的結合，完成織物在顯微尺度上的圖像採集工作，採集到的織物圖像中包含紗線邊緣的陰影信息；
[0033](2)試樣臺和照明系統位於一個無縫的燈箱4內，保證光照環境不受外部光源幹擾；
[0034](2)採用步進電機驅動，實現升降位移自動調整，自動控制織物樣品與光學顯微鏡頭2的間距；
[0035](3)採用一個由PCB電路板控制的環形燈，該環形燈中有16個LED燈，每4個構成一個工作組。通過PCB電路板控制每個工作組的工作狀態，完成不同光照環境下的織物圖像米集工作；
[0036](4)在LED環形燈背後置有一個反光杯，該反光杯內側表面塗有一層漫反射材料，使反射到紗線表面的光線更加充分和均勻；
[0037](5)燈箱4內側表面塗有一層與反光杯表面相同的漫反射塗層材料，使燈箱4內的整個光照環境更加柔和、均勻；
[0038](6)通過數據輸送線5，將得到的一組織物微觀尺度圖片輸入到ISP圖像處理器中完成圖像的自動曝光控制以及圖片融合處理；
[0039](7)通過數據輸送線5，將(3)中的處理結果顯示到特定的顯示器上。
[0040]圖2、圖3是本發明涉及到的一種具體實例。在一個燈箱4上面固定好光學顯微鏡頭2和CCD傳感器1，並將二者連接方式採取EF卡口和內三爪卡口環結合，對放在試樣臺上的織物進行拍攝便可採集到織物在顯微尺度下的紗線交織或繞結圖像。通過PCB電路板控制LED燈的工作狀態可以獲得不同的光照照射條件。圖3中每4個LED燈為一組，灰色表示燈亮，白色表示燈不亮。圖3中列舉了一共有9種不同的工作狀態的組合情況。每一種LED燈工作組合狀態情況下，拍攝獲得一張織物圖片。通過USB數據輸送線5將織物圖片從CCD傳感器I輸入到ISP圖像處理器中。圖像處理器中採用圖像融合技術完成對輸入圖片的處理。最後將處理結果用彩色LED液晶顯示器進行顯示。
[0041]本實施例中的裝置包括一個燈箱4、自由移動試樣平臺、照明系統、數碼攝像系統、ISP圖像處理器和計算機。其中，數碼攝像系統和照明系統位於自由移動試樣平臺正上方，數碼攝像系統、照明系統和自由移動試樣平臺位於燈箱4內的中心位置。燈箱4前側壁面開有一個可滑動的門，用於取放試樣。可滑動的門沿著燈箱4外側表面的導軌按照水平方向左右自由移動。可滑動的門要求內側表面使用漫反射材料進行噴塗。所使用噴塗材料要求與照明系統中的反光杯內側表面所噴塗的材料一致。噴塗材料要求顆粒大小均勻一致、分布均勻，呈白色。本實施例中採用納米二氧化鈦顆粒對燈箱4內側、可滑動門內側以及反光杯內側進行均勻噴塗，使照明系統的光經漫反射後能均勻達到紗線表面。數碼攝像系統包括CXD傳感器I和光學顯微放大鏡頭。照明系統是一個環形LED燈3，其工作狀態和控制方式如圖3所示。要求LED燈位於光學顯微放大鏡頭外側，LED燈的環形平面的中心與光學顯微放大鏡頭的物鏡焦平面的中心重合。LED燈的環形平面與試樣臺平面相互平行。
[0042]所述的自由移動試樣平臺採用步進電機驅動，實現升降位移自動調整，自動控制。電機水平放置，運行平穩，採用高精度滾珠絲杆傳動，楔形升降機構和精密交叉滾柱導軌。在本實施例中，升降行程5mm,臺面尺寸64 X 50mm,導程0.5mm,重複定位精度〈0.003mm,垂直方向最大速度6.25mm/s,最大靜轉矩40Ncm。步進電機與計算機相連，自動控制平臺升降位移。
[0043]所述的用於採集織物在顯微尺度下的紗線表面圖像的數碼攝像系統通過所述的USB數據傳輸線與所述的計算機連接；所述的數碼攝像系統的光學顯微放大鏡頭採用長焦距、大焦深、高解析度、可變倍調節的光學鏡頭。在本實施例中，光學鏡頭最大光圈F2.8，最小光圈F16，最近對焦距離0.24m,焦距範圍65mm，光學最大放大倍率5倍。CXD傳感器I的最大有效像數為3876 X 2584像素。
[0044]本實施例中的實施方式涉及一種用於顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集和融合處理技術，其原理是通過改變環形LED燈3上的光照控制條件(如圖3所示)，利用圖
2所示的圖像採集裝置獲得一組圖片。圖像採集時，試樣臺上的織物樣品保持不動，從而獲得同一織物樣品在不同光照角度下的顯微結構圖片。所需的紗線結構表面微觀圖片通過大焦深、高解析度的可變倍物鏡獲取，並設計專門的自由移動試樣平臺配合拍攝不同粗細或密度的紗線結構。在本實施例中，利用該技術獲取的一組圖片通過軟體編程技術進行處理，處理平臺使用ISP圖像處理器和計算機相結合，處理速度快，可及時獲得高質量的紗線結構微觀圖像。實施方式涉及的具體步驟如下:[0045](I)推開位於燈箱4上的移動門，將試樣平整地放在位於採集區範圍的試樣臺上(如圖2所示)，關閉移動門，如果試樣中紗線的粗細與上一次試樣的紗線粗細明顯不同，則需要根據採集需求升高或降低試樣臺高度；
[0046](2)打開數碼攝像系統和照明系統，初始狀態的照明系統使環形燈中的每一組LED燈處於全開狀態(圖3中4組LED燈全亮)，採集界面上出現試樣圖像，根據需要選擇光學顯微鏡頭2放大倍率，微調試樣臺高度保證獲得最佳的成像清晰度；
[0047](3)保持試樣不動，根據預先確定的LED環形燈工作狀態組合，通過PCB電路控制板不斷改變光照工作條件(如圖3所示)，每一種條件下採集一張織物圖片(如圖4所示，預先確定4種LED工作組合狀態，在每一種工作狀態下拍攝一張織物圖片)；
[0048](4)利用ISP圖像處理器和計算機將採集的圖像進行分析和處理，將多張圖像進行融合，如圖5所示，該圖片為圖4中的4張織物圖片融合後的結果，融合方法採用疊加法，融合過程中每一張圖片的融合係數設置均為0.25，然後將融合前或融合後的圖像輸出到顯示器上顯示(分別如圖4和圖5所示)；
[0049](5)更換試樣，並重複步驟(1)-(4)，直至完成所有的試樣採集、處理和顯示。
[0050]計算機將採集的圖像進行融合處理，可以採用各種不同的融合算法。在本實施例中，從圖5可以看出，即使採用非常簡單的疊加法，便可獲得了很高的紗線清晰度。更重要的是，當紗線中的纖維表面存在直接強烈的反射光時(如圖4中的高亮部分)，本發明技術能很好地將多光照角度的高亮光線融合到一張圖片中，從而呈現出一張亮度均勻、光線柔和的織物圖片。由纖維染料中微小粒子的系統的光學行為的理論，即Kubelka-Munk理論可知，由於光在纖維間的多重散射，即反射被觀察到之前，已在系統內纖維染料中由一個粒子到另一個粒子進行了多次反射，所以在圖4中纖維密度高且紗線表面突出的部分亮度信號較強烈，而在紗線邊緣及紗線間隙的部分亮度信號則弱。在融合後的圖片(圖5)中可以觀察到，紗線邊緣的陰影區域與融合前的圖片相比明顯減少，且紗線表面光照效果更加充分，這將十分有利於後續的分析和處理，極大地提高待分析圖片的輸入質量，從而提高計算機對織物中紗線智能識別的精度和效率，比如在紗線分割或編織點識別的應用等方面。
[0051]需要說明的是，本實施例中涉及的在不同光照下獲取的織物圖片可以直接作為觀測和分析用。本實施例中所採集的一組織物圖像(如圖4所示)，可以應用到織物外觀評定和分析領域。例如，由於織物在微觀尺度下的圖像與隨光照角度的不同而不同，利用這一特性本發明還可以應用在織物表面的三維結構評估。
[0052]綜上，本發明通過數位化控制和圖像處理技術實現了顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集、處理和顯示，適用於針織物和機織物等紡織品品種。本發明操作簡單、快捷，獲取的紗線表面圖片清晰度高、光照均勻，可以作為涉及紡織品微觀特徵的研究儀器，而且還能滿足紡織品微觀結構的分析和評定等各種需求，通過提高輸入圖像的質量，為計算機圖像處理技術在織物分析中能獲得準確、客觀的結果提供了新的思路。
【權利要求】
1.一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，其特徵在於:包括試樣臺、照明系統、燈箱(4)、支撐系統、數碼攝像系統和計算機；所述的試樣臺是一個上下自由移動系統；所述的支撐系統是一個ISP圖像處理器；所述的照明系統是一個環形LED燈照明系統，其位於光學顯微鏡頭(2)外側；所述的數碼攝像系統、ISP圖像處理器和上下自由移動系統分別與所述的計算機相連；所述的數碼攝像系統包括一個光學顯微鏡頭(2)和一個CXD傳感器(1)，數碼攝像系統位於試樣臺的正上方。
2.根據權利要求1所述的顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，其特徵在於:所述數碼攝像系統還包括USB數據輸送線(5)和光學顯微鏡頭基座；所述的CCD傳感器(1)通過光學顯微鏡頭基座上的卡口與光學顯微鏡頭(2)相連，CXD傳感器(1)通過USB數據輸送線(5)與所述的計算機相連；所述的光學顯微鏡頭(2)為高倍可變倍調節，調節範圍為5-10倍。
3.根據權利要求1所述的顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，其特徵在於:所述照明系統包括環形LED燈(3)、裝置固定架和反光杯；裝置固定架用於將LED燈和反光杯固定在燈箱(4)上；反光杯內側表面採用噴塗技術使其表面覆蓋有一層微細、均勻的白色顆粒，使LED燈照射出的光線達到反光杯內側後，經漫反射照射到紗線表面，從而儘可能獲得紗線邊緣陰影部位極柔和紗線表面高光部位照明均勻的光照效果；環形LED燈(3)通過PCB電路板控制其工作狀態，PCB電路板嵌入在燈箱(4)上外側。
4.根據權利要求3所述的顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，其特徵在於:所述環形LED燈(3)中有16個LED燈，每4個構成一個工作組，通過PCB電路板控制每個工作組的工作狀態，完成不同光照環境下的織物圖像採集工作。
5.根據權利要求1所述的顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理裝置，其特徵在於:所述上下自由移動系統包括Z向線性導軌和Z向步進電機；所述的Z向步進電機控制所述的試樣臺沿著Z向線性導軌移動；所述的Z向步進電機通過所述的計算機控制，以實現調節試樣臺與光學顯微鏡頭2之間的距離。
6.一種顯微尺度下織物中紗線表面的圖像採集處理方法，其特徵在於:包括以下步驟:首先，利用光學顯微鏡頭(2)和CCD傳感器(1)獲取平放於試樣臺上的織物的微觀尺度圖片，圖片中包含了紗線相互交叉或繞結的結構以及紗線間隙信息；然後，保持織物樣品位置不動，通過PCB電路板控制和改變LED環形燈的工作狀態，從而改變成像光照環境，進而得到不同的紗線圖片；再次，將採集的圖片輸入到ISP圖像處理器中完成圖像的處理?』最後，將處理結果輸出到顯示器上進行顯示。
【文檔編號】G01N21/84GK103940819SQ201410167201
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】鄭德均 申請人:浙江工業大學之江學院