三维编织物复合材料预制件表面参数测量方法与流程

本发明涉及一种三维编织物复合材料预制件表面参数测量方法，该系统对碳纤维材质的三维编织复合材料预制件的表面参数具有较好的测量效果，属于图像处理技术领域，可应用于三维编织领域中预制件表面参数，即编织角和花节距的测量。

背景技术：

三维编织物复合材料是新型高性能复合材料，与其他材料相比优势明显，具有高比强度、高比模量、高损伤容限和断裂韧性、耐冲击、抗开裂和抗疲劳等优异特点，并且在可设计性、整体成型性及净截面制造等方面具有明显优势。三维编织物复合材料已成为航空、航天领域的重要结构材料，并已在汽车、医疗、体育等领域得到广泛的应用。随着航空航天、军工器械、医疗服务等领域对高性能复合材料的需求日益增加，三维纺织复合材料因其能够有效克服传统复合材料分层、开裂、厚度方向强度低，抗冲击损伤性能差等缺点，具有高强度、抗冲击、抗分层、耐高温、结构设计灵活、综合力学性能优异等优良性能。不同的三维编织复合材料预制件会产生不同的性质，为了更好地了解复合材料的各项性能，需要对预制件的参数进行测量和控制，其中表面参数编织角和花节距是反映预制件内部结构和性能的重要参数。

表面编织角θ，是指三维编织物表面上纤维束与织物轴向方向形成的夹角。花节距h，是指在一个机器编织周期中沿着编织方向产生的长度；编织角和花节距的示意图如图2所示，其中图2-1为理想情况下编织角和和花节距，图2-2为实际情况下编织角和花节距。

目前对于这两个表面参数的测量多为人工测量，这种方法主观依赖性强，效率低。因此，一个三维编织物复合材料预制件表面参数测量方法的建立，对提高纺织业检测水平具有重要意义。近年来，计算机技术和数字图像处理技术取得了很大的发展，并且已经成功运用于纺织工业。这些相关领域的研究成果使得利用数字图像处理技术实现织物组织结构的检测、分析成为可能。

现有的织物表面参数测量的研究成果中主要有以下几类方法：三点测角法、四点测角法[1]；基于傅立叶功率谱的平均编织角的测量[2]；基于曲线拟合的编织角的测量[3]；基于小波变换多分辨率分析的花节长度的自动化测量[4]。

在这些方法，但仍存在一些问题。首先三点测角法、四点测角法，需对计算机显示屏上的织物图像进行手工点点，这一方法主观依赖性强，自动化程度低；基于曲线拟合方法的编织角的测量，测量结果的好坏依赖于曲线拟合的好坏；基于小波变换多分辨率分析法测量花节长度，依赖于织物图像模板的截取及相关参数的求解。因此，一个高效、准确、能测平均编织角和每个花节距的方法，对于分析预制件内部结构等具有重要意义。

参考文献

[1]吴德隆，沈怀荣.纺织结构复合材料力学性能[M].长沙：国防科技大学出版社，1988，30-34

[2]Wan，Z.K.，& Li，J.L.(2006).Braided angle measurement technique for three-dimensional braided composite material preform using mathematical morphology and image texture.AUTEX Research Journal，6(1)，30-39.

[3]万振凯，沈俊辉，王希山.复合材料预制件编织角测量研究.纺织学报，2004，25(3)：42-43.

[4]贡丽英，万振凯.编织复合材料预制件花节长度的自动测量系统实现[J].计算机测量与控制.2006，14(6)：730-733.

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种能够测量三维编织复合材料预制件表面参数编织角和花节距的方法。为此，本发明采用如下的技术方案。

三维编织物复合材料预制件编织角和花节距表面参数测量方法，包括下列步骤：

步骤1：对采集的图像进行基于偏微分方程的预处理得到图像F_pt；

步骤2：对图像F_pt进行基于相位一致性的边缘检测得到图像F_pc；

步骤3：对图像F_pc进行基于霍夫变换的直线提取，确定编织物两个纹理方向的基准角；

步骤4：测量织物编织角；

步骤5：测量织物花节距。

本发明具有如下的技术效果：

1.能同时检测平均编织角和每个花节距，具有较好的测量效果。

2.偏向于应用。

附图说明

图1：本发明的三维编织物复合材料预制件表面参数测量方法整体设计图。

图2：编织角θ和花节距h示意图。图2-1为理想情况下编织角和花节距。图2-2为实际情况下编织角和花节距。

图3：原始采集图像与预处理后的图像。图3-1为原始采集的图像，图3-2为偏微分方程预处理后的图F_pt，图3-3为F_pt经过相位一致性边缘检测后的图F_pc。

图4：图4-1为图F_pc旋转45.8°后的图像，图4-2为图F_pc旋转45.8°后的图像的灰度直方图。

图5：图5-1为图F_pc旋转126.4°后的图像，图5-2为图F_pc旋转126.4°后的图像的灰度直方图。

具体实施方式

本发明的方法如图1所示，包括基于偏微分方程的图像预处理、基于相位一致性的边缘提取、基于霍夫变换的直线提取、编织角和花节距的测量。下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施过程加以说明。

1)偏微分方程对采集的图像进行预处理：将图像处理过程转变为偏微分方程的求解过程，该方法将图像看作一个连续信号，把图像处理操作写成一个偏微分算子，通过求解以原始图像为初值的偏微分方程实现织物图像预处理，得到图像F_pt；

其中，G_σ是高斯函数，满足

G_σ(x，y)＝Cσ^-1/2exp(-(x²+y²)/4σ)

其中，σ是与高斯函数的方差有关的参数，不同的σ定义了不同的平滑程度。表示在尺度t上对边缘进行估计然后使用该信息来决定扩散的程度，以避免在边缘点过分扩散；

2)基于相位一致性的边缘提取：

相位一致性的基本概念是将图像中傅里叶分量相位最一致的点作为特征点。以一些简单函数的傅里叶级数展开为例，方波展开为傅里叶级数时，所有的傅里叶分量都是正弦波，在阶跃点处其各谐波分量具有相同的相位(相位为0度或180度，这取决于该点位于上升沿还是下降沿)，而其它点的单个相位值都在变化，相位一致的程度较低；对于三角波，各谐波分量在顶点处相位一致的程度最大(即波峰和波谷处，相位为90度或270度)；

3)基于Hough变换的直线提取，将图像F_pc变换到参数空间，通过计算累计结果的局部最大值得到一个符合直线的集合作为霍夫变换结果，确定编织物纹理两个方向的基准角θ₁、θ₂；

4)编织角的测量：将图像旋转θ_1n度并对图像做X轴方向灰度投影G(x)，计算投影方差S₁并找出最大值S_1MAX对应的θ_1nmax，其中：θ_1n＝θ₁+n×0.1°，-50≤n≤50，同理找出S_2MAX所对应的θ_2nmax，该三维织物表面编织角为

5)花节距的测量：分别计算两个方向投影图不同周期间波峰和波峰像素距离差d₁和d₂，即直线间像素距离，据余弦定理计算像素级花节距d，根据尺寸标定结果，将像素级花节距转换成实际花节距。

本发明提出一种三维编织物复合材料预制件表面参数测量方法，该方法结合偏微分方程、相位一致性、霍夫变换，实现了碳纤维材质的三维编织物复合材料预制件编织角和花节距的测量。