一種自動(dòng)驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳德裕，曹慶紅，蔣 俊，李躍華

(南通大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南通 226019)

0 引言

我國是一個(gè)紡織品生產(chǎn)、紡織機(jī)械制造的大國，但目前我國還不是這一行業(yè)的強(qiáng)國。在許多中小型紡織企業(yè)中，由于受到生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)能力和研發(fā)力量的限制，紡織品和紡織機(jī)械的科技含量不高，這極大程度地影響了紡織品的質(zhì)量和銷售。在紡織機(jī)械中，國內(nèi)已經(jīng)有大量的具有一定自動(dòng)化水平的印花設(shè)備、驗(yàn)布設(shè)備。但在這些設(shè)備的使用過程中，有關(guān)質(zhì)量檢測方面的工作仍然需要人工方式來完成。人工方式的質(zhì)量檢測效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、漏檢率高并受主觀因素影響。與傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式相比，用數(shù)字圖像處理、嵌入式系統(tǒng)、模式識(shí)別、CCD和精密伺服系統(tǒng)等諸多高新技術(shù)綜合而實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)質(zhì)量檢測方式，不僅可以降低對(duì)人力資源的占用，而且可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和科技含量，為紡織品生產(chǎn)企業(yè)和紡織機(jī)械制造企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此，我們以現(xiàn)有的機(jī)械驗(yàn)布機(jī)為基礎(chǔ)，通過在其上加載圖像捕獲和采集設(shè)備，借助于系統(tǒng)的傳輸控制，用數(shù)字圖像處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)所驗(yàn)布匹的質(zhì)量檢測，實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)布機(jī)的自動(dòng)化處理的要求。

1 系統(tǒng)分析和總體框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想

根據(jù)我們對(duì)傳統(tǒng)“人工+機(jī)械”式的驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)分析，在多次走訪生產(chǎn)和操作第一線人員的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字圖像處理、人工智能、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造和技術(shù)升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)布系統(tǒng)的自動(dòng)化。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要思想是：首先通過視頻采集設(shè)備，根據(jù)從卷布機(jī)獲取的轉(zhuǎn)速，確定視頻幀的捕獲位置，得到需要進(jìn)行質(zhì)量檢測的圖像。然后通過圖像處理系統(tǒng)，對(duì)獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行分析比對(duì)，如果沒有異常，則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。否則根據(jù)驗(yàn)布要求進(jìn)行處理，一種是停機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量處理，如修布、作標(biāo)記（間隔工作模式）[2]；另一種是系統(tǒng)進(jìn)行記錄，同時(shí)驗(yàn)布系統(tǒng)繼續(xù)檢測下一幀圖象（連續(xù)工作模式），無需人工干預(yù)。系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的卷布速度，進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疵點(diǎn)時(shí)，將疵點(diǎn)記入錯(cuò)誤日記，根據(jù)用戶的請(qǐng)求可將疵點(diǎn)所在布匹的視頻截面發(fā)送到顯示器上，每當(dāng)完成一卷布的檢測，將檢測結(jié)果（包括疵點(diǎn)分類、數(shù)目、描述、方位以及整匹布的閾值等級(jí)等）打印到廠家記錄單上，從而完成布匹的自動(dòng)檢測[3,4]。

1.2 系統(tǒng)的總體框架

根據(jù)上述思想，我們確定驗(yàn)布機(jī)的檢測系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成。其中硬件部分由高清晰度視頻攝像機(jī)、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)換器和嵌入式硬件系統(tǒng)三個(gè)部分組成，硬件部分負(fù)責(zé)采集檢測布匹的圖像、布匹的位置等有關(guān)信息，完成數(shù)據(jù)的采集工作。系統(tǒng)的的軟件部分由設(shè)備接口及驅(qū)動(dòng)程序、視頻及數(shù)字圖像處理程序和圖像檢測處理程序三個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的切分、圖像幀的提取、圖像的加工、處理和比對(duì)工作，同時(shí)對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行記錄保存。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有的驗(yàn)布機(jī)能直接提供布匹移動(dòng)的實(shí)時(shí)速度和布長參數(shù)，所以不需要通過另外設(shè)備去獲取，只需要通過接口直接調(diào)用獲取相關(guān)參數(shù)即可。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)由六個(gè)模塊組成，分別為視頻圖像采集模塊、驗(yàn)布機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與布長參數(shù)獲取模塊、嵌入式處理模塊、接口驅(qū)動(dòng)程序、視頻切分處理模塊和圖像數(shù)據(jù)處理模塊。其中視頻圖像采集模塊、驗(yàn)布機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與布長獲取模塊和視頻切分處理模塊統(tǒng)構(gòu)成驗(yàn)證布匹圖像的采集平臺(tái)，平臺(tái)的硬件部分主要由嵌入式主機(jī)、燈光、高像素廣角攝像機(jī)、驗(yàn)布機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)接口等部分組成，軟件部分包括接口的驅(qū)動(dòng)程序、視頻切分程序、圖像預(yù)處理程序等組成。布匹的質(zhì)量檢測主要是由圖像數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想是：首先由人工方式對(duì)一匹布的起始部分（約為視頻中的一幀圖像）進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)檢查的結(jié)果為質(zhì)量合格后，將其作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加以存儲(chǔ)。然后設(shè)置本系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)（如質(zhì)量容忍值，也即閾值；檢測速度等），啟動(dòng)自動(dòng)驗(yàn)布流程。圖像采集部分根據(jù)從驗(yàn)布轉(zhuǎn)動(dòng)接口獲取的轉(zhuǎn)速，確定視頻抽取的時(shí)間間隔，獲得圖像幀。將圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過歸一化后，與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較。如果差異沒有超過設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)繼續(xù)檢測下一幀圖像，如果比較的結(jié)果超過閾值，則記錄下圖像在布匹中的位置。此時(shí)根據(jù)需要或者停機(jī)，轉(zhuǎn)由人工方式進(jìn)行修布，或繼續(xù)工作，最后生成該布匹的檢驗(yàn)記錄報(bào)告。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2.2 自動(dòng)驗(yàn)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)子系統(tǒng)：一是圖像采集子系統(tǒng)，二是圖像處理子系統(tǒng)，三是嵌入式Linux子系統(tǒng)。

1）圖像采集子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是要實(shí)現(xiàn)根據(jù)驗(yàn)布機(jī)的轉(zhuǎn)速來定位檢測布匹的位置，通過視頻攝像機(jī)捕獲視頻圖像，送交圖像處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：與驗(yàn)布機(jī)傳送部分的接口，視頻攝像機(jī)的接口，視頻攝像機(jī)的選型，燈光照明系統(tǒng)的選擇以及設(shè)備安裝部位的確定等。上述諸功能的設(shè)計(jì)，都直接影響到捕獲布匹圖像的質(zhì)量，同時(shí)會(huì)影響到檢驗(yàn)布匹的質(zhì)量精度。圖像采集子系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性子系統(tǒng)。為了能夠準(zhǔn)確地獲取待驗(yàn)布匹的圖像以及獲取的圖像在整個(gè)布匹中的位置，系統(tǒng)中根據(jù)驗(yàn)布機(jī)上的步進(jìn)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速、布長兩種信號(hào)，通過嵌入式系統(tǒng)的串口提供給系統(tǒng)，同步存入數(shù)據(jù)表中，以便驗(yàn)布結(jié)果的輸出。視頻攝像機(jī)通過嵌入式系統(tǒng)的RJ45接口，將視頻信息傳輸給嵌入式視頻處理模塊。經(jīng)過多次試驗(yàn)，當(dāng)攝像機(jī)選用AipStar AS-NC235、分辨率為500萬象素的槍機(jī)時(shí)，能獲取布匹視頻中的豐富圖像信息。本系統(tǒng)中攝像機(jī)的機(jī)位，選定在布匹正前方居中的位置，攝像機(jī)用固定可調(diào)整的支架放置于驗(yàn)布機(jī)的上前方。燈光照明對(duì)圖像的采集在質(zhì)量上有著重要的影響。一方面燈光照明可以提高采集圖像的清晰度，另一方面還可以減少圖像的噪音，增強(qiáng)布匹中疵點(diǎn)的信息量以提高系統(tǒng)的精確度。本系統(tǒng)中的燈光，選擇無閃影節(jié)能光源，保證光照的均衡，同時(shí)也使得待檢布匹中缺陷點(diǎn)（瑕疵點(diǎn)）與其它點(diǎn)之間有足夠的差異。從待檢布匹中獲取的圖像在整個(gè)布匹中的位置是通過驗(yàn)布機(jī)的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)裝置加接測速器后，通過USB接口與嵌入式系統(tǒng)相連。圖像采集中的軟件設(shè)計(jì)包括USB接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、視頻采集RJ45接口的設(shè)計(jì)和視頻抽取以及預(yù)處理等。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

2）圖像處理模塊。該模塊的功能是將從圖像采集模塊傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，找出與標(biāo)準(zhǔn)模板的差距，進(jìn)行識(shí)別和分類。這部分主要的是通過編程來實(shí)現(xiàn)的。為了在嵌入式系統(tǒng)上提高匹配速度，我們?cè)O(shè)計(jì)的算法是：

第一步：將標(biāo)準(zhǔn)圖像四等分，經(jīng)過預(yù)處理并調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法后，將學(xué)習(xí)結(jié)果作為模板保存；

第二步：根據(jù)驗(yàn)布的轉(zhuǎn)速，抽取視頻圖像幀，并將抽取的檢測圖像幀四等分；

第三步：開通四個(gè)線程，將待檢測圖像與模板圖像的對(duì)應(yīng)子塊進(jìn)行比較，累加其差異值T；

第四步：若T小于設(shè)定的閾值，則轉(zhuǎn)第二步。若T超過設(shè)定的閾值，則根據(jù)轉(zhuǎn)速，計(jì)算布匹的位置值L，將L和T寫入檢測文件中。同時(shí)，根據(jù)起始時(shí)的人工設(shè)定，對(duì)問題部位是否要實(shí)時(shí)處理。如果是，則待機(jī)，等待人員進(jìn)行問題布匹的處理。如果不是，則轉(zhuǎn)第二步。

在記錄圖像匹配結(jié)果時(shí)，根據(jù)差異值的大小，給出被檢測布匹質(zhì)量的合格、較合格與不合格三種檢測結(jié)果，以及出現(xiàn)差異位置的布匹圖像一并存入檢測文件中，以供用戶核查和參考。

3）嵌入式Linux的設(shè)計(jì)模塊。該模塊的功能主要提供了圖像獲取和圖像處理的軟硬件平臺(tái)。主要包括微處理器的選擇、硬件部分、操作系統(tǒng)的選擇，其中處理器的選擇又會(huì)制約到操作系統(tǒng)的選擇，考慮到通用性和兼容性，我們采用了普通的微處理器ARM9和嵌入式Linux系統(tǒng)。硬件部分包括了控制端的I/O設(shè)備的接入等。

上述三個(gè)模塊在邊設(shè)計(jì)邊調(diào)試的方式下，實(shí)時(shí)考慮了各模塊之間互相兼容和配合度，最后進(jìn)行了系統(tǒng)集成和系統(tǒng)優(yōu)化。

3 運(yùn)行結(jié)果與評(píng)價(jià)

我們利用實(shí)驗(yàn)箱和PC機(jī)模擬了驗(yàn)布機(jī)的嵌入式自動(dòng)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)視頻捕獲的圖像進(jìn)行分析比對(duì)，得出了正確的處理結(jié)果。從系統(tǒng)的初步運(yùn)行情況來看，基本上達(dá)到了預(yù)期的目的和效果。系統(tǒng)運(yùn)行的部分界面如圖3、圖4所示。

圖3 視頻獲取的等待檢驗(yàn)布匹圖像

圖4 經(jīng)過圖像處理模塊處理后得到的結(jié)果

從系統(tǒng)的運(yùn)行情況來看，在模擬情況下，達(dá)到了一定質(zhì)量檢測效果（精確度可以達(dá)到80%）。但其實(shí)時(shí)性還不夠，精確度有待于進(jìn)一步提高；軟件部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模板匹配算法還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語

驗(yàn)布機(jī)的自動(dòng)化涉及到多個(gè)學(xué)科、多種技術(shù)。本文給出了一種基于模板匹配和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的布匹質(zhì)量檢測方法。系統(tǒng)只需在傳統(tǒng)驗(yàn)布機(jī)加載相關(guān)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)驗(yàn)布機(jī)的自動(dòng)化，具有較好的可行性和經(jīng)濟(jì)性。雖然取得了初步的成果，但系統(tǒng)在精確度和穩(wěn)定性等方面還有待于進(jìn)一步的提高。特別是在現(xiàn)有的驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)上加載嵌入式的智能檢測模塊，真正實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)驗(yàn)布機(jī)的無瑕連接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)化，這些都是我們今后的努力方向。我們相信，通過紡織機(jī)械制造業(yè)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)人士的共同努力，高度智能化、高精度和高可靠性的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的驗(yàn)布機(jī)系統(tǒng)一定會(huì)為紡織業(yè)的騰飛做出更大的貢獻(xiàn)。

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