一种基于双斜交平面镜成像的纱线毛羽三维检测方法与流程

本发明涉及纱线质量检测方法领域，特别是指一种基于双斜交平面镜成像的纱线毛羽三维检测方法。

背景技术：

纱线毛羽是指伸出纱线条干表面的纤维。纱线毛羽会增大纱线和织物的表面摩擦，从而导致织物更容易起球，影响产品质量；在织造过程中，经纱上3mm以上的毛羽会导致引纬失败，纬纱上3mm以上毛羽也会造成引纬困难，还会产生织造疵点。因此，纱线毛羽不仅决定了纺织品的外观，而且对生产效率有很大影响，纱线毛羽的测量已成为衡量纱线质量的重要指标。目前，纱线毛羽的测量按测试原理可分为烧毛称重法、显微镜观察法、光电法和二维图像分析法。然而，这些方法均存在缺陷，例如，烧毛法的烧毛时间难以控制，且无法保证在烧毛过程中不会损毁纱线条干；显微镜法需耗费大量劳动力和时间，测量效率较低；大部分光电法或基于图像的测量方法主要根据纱线在二维平面上的投影计算毛羽长度，所测得的毛羽值忽视了毛羽在三维空间中的形态，与实际的毛羽情况不符。因此，现有的纱线毛羽测量方法均无法准确测得毛羽的真实数量和长度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于双斜交镜面成像的\可实现纱线毛羽三维重构的纱线毛羽检测方法。

基于上述目的本发明提供的一种基于双斜交镜面成像的纱线毛羽三维检测方法，包括以下步骤：

(1)、纱线置于两个平面镜前，调整两面平面镜的斜交角度，通过多次反射，使从正面能看到纱线及其4个不同角度的影像；

(2)、调整相机的放大倍数或距离，使相机能在单帧图像内采集到从5个不同角度观测的纱线影像，且5个纱线视图均匀排列在图像上，其中一个视图为纱线的实像，其他为虚像；

(3)、标定两个平面镜所成的角度，标定纱线与两面平面镜的位置关系；

(4)、用标定物替换纱线位置，测定采集到的图像中纱线实像与虚像之间的比例和位置关系；

(5)、用双镜面成像纱线毛羽采集系统采集纱线图像；

(6)、根据标定的实像、虚像在图像中的位置关系，将采集到的每幅图像分为5个分别含有1根纱线影像的子图；

(7)、根据标定结果，将每个虚像子图按比例放大到与实像子图相同的尺寸；

(8)、对每个子图进行如下的数字图像处理；

(9)、通过全局阈值、形态开运算、膨胀运算、相邻像素灰度值对比、形态学开运算，把纱线条干从背景中分割出来；

(10)、把图像分成若干个7×7像素大小的子窗口，对每个窗口中除了条干部分的像素进行阈值判断，把毛羽从背景中分离出来，从而得出每个视图中的纱线轮廓；

(11)、根据斜交镜面成像原理、相机参数、标定结果，把分割出的纱线条杆、毛羽像素按每个子图所成的像光路投射，计算出它们的三维空间坐标，融合5个纱线视图的投射结果后即可得到纱线的三维模型。

(12)、对纱线的三维图像中毛羽部分进行测量，计算每根毛羽在三维空间中的长度。

步骤(1)中两面平面镜的斜交角度为72±2度；优选为72度。

从上文所述可以看出，本发明提供的基于双斜交平面镜成像的纱线毛羽三维检测方法，利用平面镜成像原理，仅采用一台相机即可在单帧视频图像中获取纱线从不同视角观测到的影像，通过标定物易于对相机进行标定；采用图像处理方法，先提取纱线条干部分，再划分小窗口阈值提取纱线毛羽部分，将属于纱线的部分与背景精确地分割开；利用斜交镜面成像原理，将各视图中的纱线像素按光路投射，合成纱线三维模型，从三维图像中计算的毛羽长度充分考虑了毛羽在三维空间内的实际情况，测量准确度更高，比传统的二维方法获取更全面的毛羽信息。本发明的双斜交平面镜成像的方法实现了纱线三维图像的构建，同时，基于本发明的方法获得的毛羽数据，准确测量了纱线毛羽的长度和数量，反映了纱线毛羽的真实情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的实施过程的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域或普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明选择的检测装置；其中，1、相机，2、显微镜，3、纱线，4、平面镜，5、光源；

图2为双斜交镜面形成的5个视图；

图3为双平面镜与纱线位置标定；

图4为镜面反射路径；

图5为视图转换；

图6为合成的纱线三维图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优势更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种基于双斜交平面镜成像的纱线毛羽三维检测方法，包括以下步骤：

当物体置于一对互成一定角度的平面镜前，平面镜中会呈现出若干个该物体的虚像，这些像反映了从不同视角观察该物体的结果，采用相机采集在同一帧视频图像中同时具有多个物体的像的图片，通过该帧图像，合成物体的三维图像，利用三维数据，计算纱线毛羽的数量和长度。

本实施例的方法包括以下步骤：

(1)双斜交镜面检测纱线毛羽的装置，参考图1，调整两平面镜之间的斜交角度，使在相机能采集到的图像中，能观测到纱线以及4个镜面反射得到的影像；

(2)调整相机和镜头的放大倍数或距离，使5个纱线视图均匀排列在同一帧视频图像上；

(3)标定此时两个平面镜所成的角度，标定纱线与两面平面镜的位置关系；

(4)由于镜面成的像光程增加，造成虚像在图像中显示的尺寸较实像有所缩小，采用珠针(针头是规则的球形的大头针)标定采集到的图像中纱线实像与虚像之间的比例和位置关系；

(5)用标定好的双斜交镜面成像纱线毛羽采集系统采集纱线图像，图像采集过程中，需调节镜头焦距，使每个视图清晰地展现在同一副图像中。

参考图2，相机采集到不同视角观察的5个纱线视图，这5个视图包括1个纱线实像和4个纱线虚像。其中，R是实物，V₁是R在M₁(平面镜1)中所成的像，V₄是R在M₂(平面镜2)中所成的像，V₂是V₄在M₁中所成的像，V₃是V₁在M₂中所成的像。

(6)根据标定的实像、虚像在图像上的位置关系，将采集到的图像分为5个分别含有一根纱线影像的子图；

(7)根据标定结果，将V₁、V₂、V₃和V₄按比例放大到与R相同的尺寸；

(8)对每个子图像进行数字图像处理；

(9)分割纱线条干，具体步骤为全局阈值、形态开运算、膨胀运算、相邻像素灰度值对比和开运算；

(10)分割纱线毛羽，把图像分成若干个7×7像素大小的子窗口，对每个窗口中除了条干部分的像素进行阈值判断，把毛羽从背景中分离出来经过图像处理后的二值化纱线图像即反映出纱线毛羽在对应的视角上所能观察到的纱线轮廓。

(11)纱线三维模型构建。主要步骤为：

参考图3，在双斜交平面镜中，纱线实像和它在平面镜中所成的虚像用圆表示，以视图R、V₁和V₃为例说明这些视图对应于实际纱线的观测视角。向量处于两平面镜的角平分线上，向量是从焦点到V₁的观测方向，每个视图的观测方向可由焦距f以及相机、纱线和平面镜的位置关系推导出。X_V1是采集到的图像中R和V₁之间的距离，X_V3是图像中R和V₃之间的距离。和之间的夹角α可表示为

同理，β可表示为

参考图4，在虚像的镜面反射路径中，向量表示沿着该方向能观测到与V₁纱线轮廓左右对称的纱线影像的视角，它可由向量和的和表示。

式中，l是两平面镜焦点与R之间的距离，是平面镜M₁的单位法向量。因为向量和关于平面镜M₁对称，采集到的图像中的V₁能反映从视角观测纱线的情况。V₄与R关于平面镜M₂对称，V₄对应的观测视角可按以上V₁的方法推导出。

参考图4，关于二次反射成像V₃，它是R依次通过平面镜M₁和平面镜M₂成像的结果，向量表示观测方向从焦点到V₃。向量和关于平面镜M₂对称，向量和关于平面镜M₁对称。向量表示沿着该方向能观测到与V₃呈现出相似的纱线轮廓的视角。

式中，表示平面镜M₂的单位法向量。因为向量和关于平面镜M₂对称，则V₃展现了从视角所观测到的影像。由于向量和关于平面镜M₁对称，则从视角观测到的影像与从视角观测到的相似。因此，从视角观测到的影像为V₃。视图V₂与R之间的关系可由以上V₃和R之间关系推导出来。

当每个视图的观测方向确定后，根据与观测方向垂直的关系将4个虚像在图像上的轮廓平移到实际纱线R的位置上。参考图5，由于采集到的纱线图像是二维平面图像，纱线轮廓被简化为直线。V₁中的纱线轮廓转换到R中，V₁中的直线垂直于向量点P_V1是V₁中直线上的一点，它与视图R中的点P_R关于平面镜M₁对称。用纱线条干的中心位置来定位各虚像转换到R的位置，再将V₁中的纱线沿向量方向转换到实际纱线R所在的位置。其余3个虚像均按这种方法转换。

转换后的纱线轮廓在对应的观测方向上进行投射，例如V1中纱线转换到R位置上，沿方向投射，5个视图的投射的重合部分，即可合成纱线的三维图像，参考图6。

通过纱线模型的三维数据，计算纱线毛羽在三维空间中的长度和数量。

本发明采集纱线序列图像，对采集到的图像先保存再处理。被测纱线运动速度在2-20m/min，相机采集帧频为60(fps)。

选用三种纱线，比较本发明计算得到的毛羽长度和数量与传统显微镜观察法的测量结果，如表1所列。其中L为本发明方法测得的毛羽长度，L_m为显微镜观察法测得的毛羽长度。其中，显微镜观察法难以准确测量较短毛羽的长度值，用“-”表示。从两种方法的测量结果可以说明，本发明建立的纱线三维模型以及毛羽测试结果的准确性。

表1本发明方法与传统方法毛羽长度测量结果

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。