Способ определения длины текстильных волокон по компьютерному изображению

Способ определения длины текстильных волокон по компьютерному изображению заключается в хаотичном размещении одиночных волокон на рабочей поверхности сканера, ориентации волокон в горизонтальной плоскости путем прижима пластиной контрастного цвета, получении цифрового изображения пробы, последовательной обработке указанного изображения с выявлением стартовых точек на изображении волокна, выделении элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна и измерении их длины с последующим суммированием длин элементарных прямолинейных составляющих. Предварительно задают нормативную величину локальной погрешности, возникающей от одного изгиба изображения волокна, по каждому волокну выявляют количество изгибов изображения волокна. Определяют итоговую погрешность измерения длины отдельного волокна путем перемножения количества изгибов изображения волокна на нормативную величину локальной погрешности. Фактическую длину волокна определяют путем сложения суммарной длины элементарных прямолинейных составляющих и итоговой погрешности измерения длины каждого волокна. Технический результат - повышение точности компьютерного способа измерения длины одиночных волокон за счет уменьшения систематической погрешности, возникающей из-за повышенной искривленности волокон. 2 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано независимыми испытательными лабораториями и сырьевыми лабораториями текстильных предприятий при оценке точности применяемых методов измерения длины текстильных волокон.

Известен способ измерения характеристик протяженности одиночных распрямленных или нераспрямленных волокон [1], заключающийся в последовательном выполнении следующих операций: формирование лабораторной пробы нераспрямленных волокон массой 3...5 мг; распрямление каждого волокна вручную; поочередное измерение длины распрямленных волокон с использованием смоченной парафином линейки с точностью до 1 мм; накопление массива данных и определение по известным математическим выражениям характеристик протяженности, а именно средней арифметической, модальной, штапельной длин, среднего квадратического отклонения длины и коэффициента вариации волокон по длине. Реализация данного способа не требует использования дорогостоящего оборудования, что является существенным преимуществом. Основными недостатками способа являются следующие: во-первых, принудительное распрямление волокон может привести к деформации или разрушению волокна, которые отражаются на точности получаемых результатов; во-вторых, использование ручных операций повышает трудоемкость измерения и снижает оперативность способа; в-третьих, установленная точность первичных данных (±1 мм) не всегда является приемлемой для оценки уровня градации качества волокон.

Другой способ измерения длины волокон [2] заключается в том, что материал подается питающим цилиндром на барабан расчесывающего устройства, над которым установлено шляпочное полотно. Прочес волокон снимается со съемного барабана гребнем и подается в цилиндровый вытяжной прибор, за которым установлено сужающееся по высоте пневматическое сопло, в которое подается сжатый воздух. Сопло имеет расширяющуюся насадку, которая распределяет отдельные волокна по ширине вращающегося сетчатого барабана. Через перфорацию из барабана отсасывается воздух. Волокна располагаются на поверхности барабана в продольном направлении. Над барабаном по его ширине расположены оптические датчики, состоящие из общего источника света, фокусирующей линзы и приемного устройства. Последнее фиксирует время прохождения волокна, которое зависит от его длины. Сигналы подаются в вычислительное устройство, которое разделяет результаты измерения на классы длин и строит гистограмму. Недостатком данного способа является то, что волокна перед измерением подвергаются интенсивному расчесыванию, в процессе которого может произойти их разрыв. Кроме того, фиксация волокна и измерение его длины происходит только в одном направлении - продольном и не учитывает возможные отклонения оси волокна от прямолинейного направления.

За прототип принят способ измерения характеристик длины группы текстильных волокон [3], который заключается в последовательном выполнении следующих операций: хаотичном размещении одиночных волокон на рабочей поверхности сканера; ориентации волокон в горизонтальной плоскости путем прижима пластиной контрастного цвета; получении цифрового изображения пробы; последовательной обработке указанного изображения с выявлением стартовых точек на изображениях волокон; выделении элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна; определении длины волокна путем суммирования длин элементарных прямолинейных составляющих.

Данный способ обладает следующими преимуществами: во-первых, повышается разрешающая способность способа, пропорциональная разрешающей способности сканирующего устройства; во-вторых, автоматизированы основные измерительные операции, что снижает влияние субъективного фактора и ускоряет получение результатов.

Недостатком данного способа является то, что измерение осуществляется дискретно по небольшим участкам изображения (размером от 1×1 до 17×17 пикселей), поэтому любое отклонение от прямолинейного расположения волокна внутри соответствующего участка приводит к систематическому искажению (уменьшению) получаемого результата относительно действительного значения (см. табл.1).

Таблица 1
Номер волокна	Длина одиночного волокна	Погрешность результата измерения	Количество прямолинейных сегментов
по компьютерному способу (прототипу), мм	по ручному замеру (действительная длина), мм	абсолютная ΔLм, мм	относительная δLм, %
1	25,87	26,38	0,51	1,93	56
2	25,22	25,44	0,22	0,86	38
3	28,96	29,17	0,21	0,73	44
4	25,13	25,22	0,09	0,36	39
5	30,81	31,34	0,53	1,68	53
6	23,76	23,95	0,19	0,81	29
7	16,06	16,51	0,45	2,72	35
8	21,49	21,75	0,26	1,21	49
9	26,63	27,22	0,59	2,22	51
10	23,28	23,50	0,22	0,93	38
Среднее	-	-	0,327	1,34	43

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности компьютерного способа измерения длины одиночных волокон за счет уменьшения систематической погрешности, возникающей из-за повышенной искривленности волокон.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения длины текстильных волокон по компьютерному изображению, заключающемся в хаотичном размещении одиночных волокон на рабочей поверхности сканера, ориентации волокон в горизонтальной плоскости путем прижима пластиной контрастного цвета, получении цифрового изображения пробы, последовательной обработке указанного изображения с выявлением стартовых точек на изображении волокна, выделении элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна, измерении их длины с последующим суммированием длин элементарных прямолинейных составляющих, согласно изобретению предварительно задают нормативную величину локальной погрешности, возникающей от одного изменения направления оси (изгиба) изображения волокна, по каждому волокну выявляют количество изгибов изображения волокна, определяют итоговую погрешность измерения длины отдельного волокна путем перемножения количества изгибов изображения волокна на нормативную величину локальной погрешности, а фактическую длину волокна определяют путем сложения суммарной длины элементарных прямолинейных составляющих и итоговой погрешности измерения длины каждого волокна.

Результаты измерения длины хлопковых волокон заявляемым способом и сравнительная оценка погрешности способа-прототипа представлены в табл.2. Из таблицы видно, что методическая погрешность уменьшилась в подавляющем большинстве случаев, а средняя величина абсолютной и относительной погрешности уменьшилась по сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа, более чем в два с половиной раза. Если же принимать во внимание усредненные данные по измерению длины десяти волокон (см. табл.2), то погрешность заявляемого способа относительно действительного значения не превышает 0,04%, тогда как погрешность прототипа составляет 1,3%.

Таблица 2
Номер волокна	Длина волокна	Количество изменений направления оси волокна	Погрешность способа - прототипа	Погрешность заявляемого способа
по способу - прототипу, мм	по ручному замеру (действительная длина), мм	по заявляемому способу, мм	абсолютная ΔLм, мм	относительная δLм, %	абсолютная ΔLм, мм	относительная δLм, %
1	25,87	26,38	26,31	55	0,51	1,93	0,07	0,27
2	25,22	25,44	25,52	37	0,22	0,86	0,08	0,30
3	28,96	29,17	29,30	43	0,21	0,73	0,13	0,46
4	25,13	25,22	25,43	38	0,09	0,36	0,21	0,85
5	30,81	31,34	31,23	52	0,53	1,68	0,11	0,36
6	23,76	23,95	23,98	28	0,19	0,81	0,03	0,14
7	16,06	16,51	16,33	34	0,45	2,72	0,18	1,08
8	21,49	21,75	21,87	48	0,26	1,21	0,12	0,57
9	26,63	27,22	27,03	50	0,59	2,22	0,19	0,70
10	23,28	23,50	23,58	37	0,22	0,93	0,08	0,32
Среднее	24,721	25,048	25,058	42	0,327	1,34	0,12	0,50

На фиг.1 изображено графическое представление измерения длины одиночного волокна и подсчета количества изменений направления оси волокна; на фиг.2 - фрагменты изображения волокна с прямолинейным и непрямолинейным направлением оси; на фиг.3 - схемы, при которых фиксируется изменение направления оси волокна; на фиг.4 - графическое представление механизма возникновения систематической погрешности при измерении длины волокна посредством выделения элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна; на фиг.5 - схема реализации измерительных операций способа.

Примеры практического осуществления способа.

Последовательность выполнения операций следующая: хаотичное размещение одиночных волокон на рабочей поверхности сканера, фиксация волокон пластиной контрастного цвета, получение цифрового изображения пробы с помощью сканера, анализ изображения пробы и нахождение стартовых точек на изображении каждого волокна, выделение элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна, определение суммы длин элементарных прямолинейных составляющих, анализ расположения элементарных прямолинейных составляющих и определение количества изгибов изображения волокна, выбор нормативной величины локальной погрешности, возникающей от одного изгиба изображения волокна данного вида, определение итоговой погрешности измерения длины отдельного волокна путем перемножения количества изгибов изображения волокна на нормативную величину локальной погрешности, определение фактической длины волокна путем сложения суммы длин элементарных прямолинейных составляющих и итоговой погрешности измерения длины данного волокна.

В ходе анализа цифрового изображения волокна компьютерный алгоритм последовательно разбивает его на элементарные прямолинейные составляющие, заключенные в небольших квадратных участках изображения пробы. Одновременно с этим определяется количество изгибов (изменений направления оси) волокна в текущем элементе изображения относительно направления этой же оси в предыдущем элементе изображения (фиг.1). Подсчет количества изгибов волокна проводится на основании сравнения положения входных и выходных точек, принадлежащих изображению волокна и расположенных на периметрах двух текущих квадратных участков. Например, если входная и выходная точки текущего квадратного участка расположены на его противоположных сторонах и в предыдущем квадрате расположение входной и выходной точек было аналогичным, то изменения направления оси волокна алгоритмом не фиксируется (фиг.2, a). И наоборот, если входная и выходная точки текущего квадратного участка расположены на его противоположных сторонах, а в предыдущем квадрате входная и выходная точки расположены на смежных сторонах, то алгоритм фиксирует изменения направления оси волокна (фиг.2, б).

Таким образом, в процессе анализа изменение направления оси волокна не фиксируется, если порядок расположения входных и выходных точек не изменяется. Схематическое изображение ситуаций, когда возможна фиксация изменения направления оси волокна, представлено на фиг.3.

Для повышения точности способа необходимо заранее определить величину систематической погрешности из-за изогнутости волокна. О наличии методической погрешности свидетельствуют результаты исследований, приведенные в табл.1, а механизм возникновения этой погрешности представлен на фиг.4. Оценка локальной абсолютной погрешности, возникающей от одного изгиба волокна, может быть определена по формуле

где ΔL^* - длина криволинейного фрагмента изображения волокна, мм;

ΔL - длина отрезка, соединяющего входную и выходную точки в рассматриваемом квадратном участке изображения пробы, мм;

Δх_i - количество пикселей по горизонтали в i-м прямолинейном сегменте фрагмента изображения волокна;

Δy_i - количество пикселей по вертикали в i-м прямолинейном сегменте фрагмента изображения волокна;

n - количество сегментов, выделенных на криволинейном фрагменте изображения волокна;

ΔХ - количество пикселей между входной и выходной точками по горизонтали;

ΔY - количество пикселей между входной и выходной точками по вертикали;

R - разрешающая способность сканера, пикселей/дюйм.

Например, величина локальной абсолютной погрешности для случая, показанного на фиг.4, при разрешающей способности R=300 пикселей/дюйм составляет 0,127 мм. Однако такая величина погрешности не является характерной для всех случаев измерения длины изогнутых волокон. Поэтому для определения локальной абсолютной погрешности с целью компенсации возникающей методической погрешности необходимо воспользоваться статистическими данными, полученными для конкретного вида волокон с учетом измеренной длины и количества изгибов, приходящихся в среднем на одно волокно. Принимая во внимание данные табл.1 для хлопковых волокон, можно сделать вывод, что на каждом изгибе изображения волокна в среднем возникает локальная абсолютная погрешность мм.

Приняв эту величину в качестве норматива, алгоритм может рассчитать величину итоговой погрешности измерения длины одного волокна по формуле

где m - количество изменений направления оси волокна.

Заявленный способ осуществляли с использованием оптического сканера и компьютера. Схема реализации способа содержит операции подготовки пробы, получения цифрового изображения пробы и цифровой обработки изображения. При подготовке пробы необходимо использовать зажим для удерживания навески волокон, пинцет для отделения волокон от навески и их переноса на рабочую поверхность сканера, стеклянную пластину контрастного цвета 1 для прижатия волокон к рабочей поверхности сканера 2. Получение изображения пробы требует подбора разрешающей способности сканирования и определения области сканирования. Цифровая обработка изображения выполняется компьютерной программой и условно разбита на несколько блоков (фиг.5): блок поиска стартовых точек, принадлежащих волокнам 3, блок анализа изображения пробы и выделения элементарных прямолинейных составляющих изображения каждого волокна 4, блок измерения и суммирования длин элементарных прямолинейных составляющих изображения каждого волокна 5, блок подсчета количества изменений направления оси волокна 6, блок задатчика величины локальной погрешности для данного вида волокон 7, блок измерения итоговой систематической погрешности из-за изогнутости волокна 8, блок компенсации измеренной погрешности и вычисления фактической длины волокна 9, блок накопления данных и вычисления сводных характеристик длины волокон 10.

Выход блока поиска стартовых точек 3 связан со входом блока анализа изображения пробы и выделения элементарных прямолинейных составляющих изображения каждого волокна 4, выход которого, в свою очередь, связан со входами блока измерения и суммирования длин элементарных прямолинейных составляющих изображения каждого волокна 5 и блока подсчета количества изменений направления оси волокна 6. На вход блока измерения итоговой систематической погрешности из-за изогнутости волокна 8 подаются выходы от блока задатчика величины локальной погрешности для данного вида волокон 7 и от блока подсчета количества изменений направления оси волокна 6. На вход блока компенсации измеренной погрешности и вычисления фактической длины волокна 9 подаются выходы от блока измерения и суммирования длин элементарных прямолинейных составляющих изображения каждого волокна 5 и от блока измерения итоговой систематической погрешности из-за изогнутости волокна 8. Выход блока компенсации измеренной погрешности и вычисления фактической длины волокна 9 связан со входом блока накопления данных и вычисления сводных характеристик длины волокон 10.

Измерение осуществляется следующим образом.

Волокна с помощью пинцета отделяют из отобранной навески и укладывают произвольным образом на рабочую поверхность сканера. После размещения требуемого количества волокон их накрывают пластиной контрастного цвета 1 (фиг.5) и прижимают к рабочей поверхности сканера 2. Выбрав определенную разрешающую способность и определив область сканирования, получают цифровое изображение пробы. Обработка цифрового изображения начинается с выявления на изображении пробы стартовых точек (фиг.1), принадлежащих изображению волокон. Эта операция осуществляется в блоке 3 (фиг.5). При нахождении первой такой точки блок 4 алгоритма выделяет элементарные прямолинейные составляющие изображения конкретного волокна, заключенные в небольших квадратных участках изображения пробы, как показано на фиг.1. Далее в блоке 5 (фиг.5) по координатам входных и выходных точек определяются длины всех элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна с последующим их суммированием. Параллельно с этим в блоке 6 производится подсчет количества изменений направления оси волокна в соответствии с правилами, приведенными на фиг.2 и фиг.3. Информация о количестве изменений направления оси волокна подается на вход блока измерения итоговой систематической погрешности из-за изогнутости волокна 8 (фиг.5). Туда же поступает сигнал от блока задатчика величины локальной погрешности для данного вида волокон 7.

В результате произведения количества изменений направления оси волокна и величины локальной погрешности вычисляется итоговая систематическая погрешность измерения по данному волокну. Это значение поступает на вход блока 9, где добавляется к сумме длин элементарных прямолинейных составляющих, определенной в блоке 5. В конечном итоге полученное значение фактической длины конкретного волокна пополняет массив данных для последующего вычисления сводных характеристик длины.

Источники информации

1. ИСО Р 270. Определение длины волокна методом измерения длины отдельных волокон.

2. Устройство для определения длины волокон. Патент 637468, Швейцария, МКИ G01В 7/04, 11/04. Опубл. 29.07.1983. Заявл. 30.11.1978, №12249/78.

3. А.Ю.Матрохин, Н.А.Коробов, Б.Н.Гусев. Компьютерное измерение показателей протяженности группы волокон // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2001. - №1. - С.106...109.

Способ определения длины текстильных волокон по компьютерному изображению, заключающийся в хаотичном размещении одиночных волокон на рабочей поверхности сканера, ориентации волокон в горизонтальной плоскости путем прижима пластиной контрастного цвета, получении цифрового изображения пробы, последовательной обработке указанного изображения с выявлением стартовых точек на изображении волокна, выделении элементарных прямолинейных составляющих изображения волокна, измерении их длины с последующим суммированием длин элементарных прямолинейных составляющих, отличающийся тем, что предварительно задают нормативную величину локальной погрешности, возникающей от одного изгиба изображения волокна, по каждому волокну выявляют количество изгибов изображения волокна, определяют итоговую погрешность измерения длины отдельного волокна путем перемножения количества изгибов изображения волокна на нормативную величину локальной погрешности, а фактическую длину волокна определяют путем сложения суммарной длины элементарных прямолинейных составляющих и итоговой погрешности измерения длины каждого волокна.