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，可以較好地解決上述問題。

  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：

  系統照明光源
  CCD攝像頭
  機械微調裝置
  控制柜
  電源控制板
  圖像采集卡
  工業計算機
  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1所示。

  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2、圖3所示。

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(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4所示。

軟件系統操作界面如圖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。

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得到了增強，以圖6(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6(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7(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8(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9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6(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10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。

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10為例將
其按連通域分離為如圖11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11(b)為例進行說明，如圖12(a)所示。

如圖11(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12(b)所示。

4.2.2 實現步驟

  （1）對二值圖像進行標記，劃分成不同連通區域。

  （2）根據不同的像素值，即不同的連通域，將圖像分離為各個子圖像；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。

  （3）對各子圖像進行逐行掃描，計算細絲根數，如果為1，執行第(5)步；否則執行第⑷步。

  （4）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（1）

  （5）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。

  （6）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10的計算結果及處理后圖像如圖13所示。