基于圖像處理的褶皺衣片局部面積的測(cè)量校正方法

羅　彪，萬(wàn)賢福，汪　軍,1b，王　宏，趙　波，宗　斌

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院; b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620;2.泰安東升服裝有限公司，山東 泰安 271000)

基于圖像處理的褶皺衣片局部面積的測(cè)量校正方法

羅彪1a，萬(wàn)賢福1a，汪軍1a,1b，王宏2，趙波2，宗斌2

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院; b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620;2.泰安東升服裝有限公司，山東 泰安 271000)

在服裝防水檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以通過(guò)獲取吸濕性內(nèi)衣表面吸收水的面積來(lái)評(píng)價(jià)服裝的防水性能.然而在實(shí)際采集吸濕衣片濕潤(rùn)區(qū)域圖像的過(guò)程中，衣片表面本身存在的褶皺將導(dǎo)致采集的圖像發(fā)生幾何變形，從而影響測(cè)量結(jié)果.為此，提出了一種基于三角形面積分割的面積測(cè)量校正方法，該方法將透水區(qū)域分割成若干個(gè)獨(dú)立的小區(qū)域，再對(duì)每個(gè)獨(dú)立的水漬區(qū)域進(jìn)行面積測(cè)量，最后匯總獲得總透水面積.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法相比于未校正算法，能有效地將測(cè)量面積相對(duì)誤差從10%左右減少到7%左右.

面積測(cè)量；幾何變形；褶皺衣片；圖像處理；面積分割

在服裝性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域，服裝的防水性能與其舒適性、耐久性等常用評(píng)價(jià)指標(biāo)同等重要[1]，尤其是對(duì)于一些防護(hù)類服裝，防水性能的好壞直接關(guān)系到作業(yè)人員的人身健康安全，因此，測(cè)試服裝防水性能顯得尤為重要.建立方便、準(zhǔn)確的透水面積測(cè)量方法，對(duì)于服裝防水性能的評(píng)價(jià)具有重要的意義.歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 14360—2004提出了一種通過(guò)測(cè)量服裝在淋水環(huán)境中淋浴一段時(shí)間后的透水面積和透水位置的方法來(lái)表征服裝防水性能，該方法能夠全面有效地評(píng)價(jià)服裝的防水性能.

根據(jù)EN 14360—2004標(biāo)準(zhǔn)提出的方法，假人模型上使用一件特制的吸濕性內(nèi)衣，貼附在待測(cè)服裝內(nèi)部，待測(cè)試服裝發(fā)生透水后透過(guò)的水將被吸濕性內(nèi)衣吸收，通過(guò)測(cè)量吸濕性內(nèi)衣上的濕潤(rùn)面積可反映待測(cè)服裝的防水性能.具體實(shí)施方法：先在假人模型上穿上一件特制的吸濕性內(nèi)衣，然后再穿上待測(cè)服裝，按照標(biāo)準(zhǔn)程序噴淋一定的時(shí)間后取出；將內(nèi)衣拆分若干衣片后平鋪(內(nèi)衣由各衣片通過(guò)拉鏈齒接而成)，通過(guò)相機(jī)采集圖像后，識(shí)別各衣片水漬區(qū)域，并計(jì)算其面積，以此來(lái)反映該待測(cè)服裝的防水性能.但由于平鋪的內(nèi)衣衣片表面通常存在一定的褶皺，褶皺會(huì)導(dǎo)致采集圖像幾何畸變，使得從采集的圖像中直接獲取的潤(rùn)濕區(qū)域面積并不能真實(shí)地反映濕潤(rùn)面積.因此，在測(cè)量吸濕內(nèi)衣表面上透水的區(qū)域面積時(shí)需要采取一定的校正方法才能獲取相對(duì)精確的結(jié)果.

對(duì)于圖像幾何畸變的校正國(guó)內(nèi)外已有較多的研究，文獻(xiàn)[2-4]對(duì)非線性的幾何畸變進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[5-9]提出了可以同時(shí)對(duì)鏡頭徑向畸變和圖像傾斜變形進(jìn)行校正的方法.上述研究中大多采用空間坐標(biāo)多項(xiàng)式變換算法[10]，該算法通過(guò)最小二乘法對(duì)畸變前、后相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行關(guān)系匹配，以期尋找到一個(gè)能反映圖像畸變前后的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后運(yùn)用此對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)還原圖像.但空間坐標(biāo)多項(xiàng)式變換算法的運(yùn)算量大，需要提取大量的控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行關(guān)系匹配，而且針對(duì)服裝褶皺這類沒(méi)有明顯規(guī)律的幾何變形，較難找到一種能很好地描述局部變形的幾何關(guān)系，因此，該算法并不適合用來(lái)還原校正吸濕衣片表面圖像.

本文提出一種基于三角形面積分割的面積測(cè)量校正方法，該方法能較好地適應(yīng)吸濕性內(nèi)衣表面褶皺或整體傾斜所導(dǎo)致的局部和整體形變，同時(shí)可減少運(yùn)算量.

1　基于三角形分割的衣片面積測(cè)量校正原理

基于三角形面積分割的衣片局部面積測(cè)量校正算法的核心思想：將一塊平整衣片通過(guò)標(biāo)記點(diǎn)分割成若干個(gè)等邊三角形的平面區(qū)域，發(fā)生褶皺后，平面區(qū)域?qū)⒆兂煽臻g曲面.若三角形大小選擇適當(dāng)，局部區(qū)域內(nèi)部的各處變形程度可以認(rèn)為基本接近.因此，褶皺變形前、后各三角形內(nèi)的水漬面積的變形系數(shù)可以認(rèn)為與三角形的變形系數(shù)相近似，通過(guò)獲得各三角形的變形系數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水漬面積的測(cè)量校正.

1.1測(cè)量校正模型的建立

首先，內(nèi)衣制作時(shí)(即褶皺變形前)在衣片的一側(cè)打印上如圖1所示的一系列標(biāo)記點(diǎn)，在這些標(biāo)記點(diǎn)中每相鄰的3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)可以組成一個(gè)邊長(zhǎng)為l的正三角形，整個(gè)衣片表面的相鄰標(biāo)記點(diǎn)相連可以形成如圖2所示的網(wǎng)格圖.

圖1　衣片表面標(biāo)記點(diǎn)Fig.1　Marks on the garment pieces

圖2　標(biāo)記點(diǎn)網(wǎng)格圖Fig.2　The mesh of mark points

為了闡述方便，圖3展示了一小塊水漬在衣片褶皺變形前、后的示意圖，并由此進(jìn)行原理的闡述.衣片褶皺變形前，衣片上灰色陰影水漬區(qū)域的總面積為At，其是分布于各個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)的水漬區(qū)域Ai之和，計(jì)算式為

(1)

其中：n為水漬所在區(qū)域的三角形數(shù)量，圖3中n=6.

圖3中相鄰3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)組成的6個(gè)三角形面積相同且均為S，計(jì)算式為

(2)

(a) 衣片褶皺變形前

(b) 衣片褶皺變形后圖3　衣片變形示意圖Fig.3　The deformation of garment piece

(3)

由此可以獲得ΔPiPjPk未變形時(shí)的水漬區(qū)域面積Ai為

(4)

最后，通過(guò)式(1)計(jì)算得到整張圖片中未變形水漬區(qū)域總面積At.

1.2算法實(shí)現(xiàn)

基于以上原理，在算法實(shí)現(xiàn)上分3部分進(jìn)行展開(kāi)：標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)的獲??；三角形區(qū)域分割；水漬面積獲取.1.2.1標(biāo)記點(diǎn)位置坐標(biāo)的獲取

通過(guò)圖像預(yù)處理，獲取僅存在標(biāo)記點(diǎn)的圖像I1，通過(guò)掃描圖片I1獲取各標(biāo)記點(diǎn)圓心的位置坐標(biāo).獲取標(biāo)記點(diǎn)圓心的算法步驟如下：

(1) 假設(shè)圖4中的圓為圖像I1中的一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，遍歷圖像中的全部像素點(diǎn)，首次橫向掃描到該標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0)，最后掃描到該標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y0)，則可知圓心的橫坐標(biāo)a為

(5)

圖4　獲取標(biāo)記點(diǎn)圓心位置示意圖Fig.4　Capture of the point’s position

(2) 同理，首次縱向掃描到該標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0)，最后掃描到該標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y1)，則可知圓心的縱坐標(biāo)b為

(6)

(3) 刪除已經(jīng)查找到圓心的標(biāo)記點(diǎn)像素，并重復(fù)以上步驟直到檢索到所有標(biāo)記點(diǎn)的圓心位置為止.

1.2.2分割三角形的確定及水漬區(qū)域面積的測(cè)量

通過(guò)圖像預(yù)處理除去圖像中的標(biāo)記點(diǎn)，使得衣片圖像僅留下水漬區(qū)域信息，該圖像記為I2，I2中所有的黑像素點(diǎn)均可認(rèn)為是水漬像素點(diǎn).

(2) 判定點(diǎn)P是否在ΔD1D2D3內(nèi).根據(jù)D1，D2和D3坐標(biāo)，得到ΔD1D2D33條邊所在直線方程為

(7)

如點(diǎn)P在ΔD1D2D3區(qū)域內(nèi)或邊上，即需要滿足式(8).

(8)

(3) 將步驟(2)中ΔD1D2D3中的所有水漬像素點(diǎn)刪除，以免影響其他水漬區(qū)域面積的求取.

(4) 重復(fù)以上步驟，直到將圖像I2中全部水漬像素點(diǎn)均刪除為止.

最后由式(1)計(jì)算圖像I2中的全部水漬區(qū)域面積，即可獲得At.

2　算法的驗(yàn)證與分析

由本文算法原理可知，當(dāng)標(biāo)記點(diǎn)之間的間距選擇越小時(shí)，曲面K的面積就越接近不規(guī)則多邊形K′的面積，因此將會(huì)提高該算法的精度.當(dāng)標(biāo)記點(diǎn)之間的間距越小，標(biāo)記點(diǎn)的直徑就需要相應(yīng)縮小，但是當(dāng)標(biāo)記點(diǎn)的直徑小于一定范圍時(shí)，在圖像處理過(guò)程中標(biāo)記點(diǎn)與圖像背景的分離難度將加大，同時(shí)噪聲點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)之間的差異變小，使得圖像的預(yù)處理質(zhì)量難以得到保證，這樣會(huì)降低面積提取的精度.因此綜合多方面的影響因素，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)選擇相機(jī)與衣片距離為1.5 m時(shí)，將衣片上標(biāo)記點(diǎn)間距和直徑分別設(shè)置為1.0 cm和0.3 cm較合適.

本文根據(jù)EN 14360—2004標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的吸濕內(nèi)衣，在制作內(nèi)衣時(shí)在每件衣片表面都數(shù)碼打印上相互間距為1.0 cm和直徑為0.3 cm的標(biāo)記點(diǎn).

使用Nikon 1600萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)以及大幅面掃描儀分別對(duì)同一衣片進(jìn)行圖像采集，相機(jī)與衣片平面垂直距離為1.5 m，相機(jī)焦距為7 mm.共進(jìn)行10次試驗(yàn).使用相機(jī)采集的衣片局部區(qū)域潤(rùn)濕灰度圖像如圖5所示.

(a) 1

(b) 2

(c) 3

(d) 4

(e) 5

(f) 6

(g) 7

(h) 8

(i) 9

(j) 10圖5　相機(jī)采集的圖像樣本Fig.5　The collected image samples

對(duì)上述的10次測(cè)試試驗(yàn)，使用大幅面掃描儀掃描衣片表面過(guò)程中，掃描獲得的衣片圖像基本不存在衣片褶皺.因此，本文將使用掃描儀獲得的圖像用未校正算法提取的面積作為準(zhǔn)確值，將使用相機(jī)采集的圖像分別使用校正算法和不使用校正算法提取水漬區(qū)域面積，測(cè)量結(jié)果如表1所示.

表1　試樣的水漬區(qū)域面積測(cè)量結(jié)果比較Table 1　Comparison of measured wet area of the samples

由表1可以看出，使用三角形面積分割校正算法能夠較好地適應(yīng)由于衣片褶皺產(chǎn)生的幾何變形，使用該校正算法測(cè)量的水漬區(qū)域面積平均相對(duì)誤差為7.1%，而未使用校正算法測(cè)量的水漬區(qū)域面積平均相對(duì)誤差為9.79%.對(duì)于未校正直接提取的衣片面積，其精度在很大程度上受衣片表面褶皺情況的影響，當(dāng)衣片濕潤(rùn)區(qū)域褶皺較多時(shí)，水漬區(qū)域面積測(cè)量相對(duì)誤差較大.然而，相同情況下使用校正算法提取水漬區(qū)域面積的相對(duì)誤差波動(dòng)不大.

3　結(jié)　語(yǔ)

本文針對(duì)衣片表面褶皺會(huì)對(duì)其圖像局部區(qū)域面積提取過(guò)程造成較大影響的情況，提出了基于三角形分割的面積測(cè)量校正方法.試驗(yàn)表明，采用該面積校正算法能夠有效減少因織物表面褶皺造成的面積測(cè)量誤差，將面積的測(cè)量相對(duì)誤差從10%左右降低到7%左右，而且誤差波動(dòng)較為穩(wěn)定.

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A Partial Area Measuring Method for Wrinkled Garment Piece Based on Image Processing

LUOBiao1a，WANXian-fu1a，WANGJun1a,1b，WANGHong2，ZHAOBo2，ZONGBin2

(a.College of Textiles; b.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Tai’an Dongsheng Clothing Co.Ltd.，Tai’an 271000,China)

The waterproof performance can be evaluated by measuring the wet area on the hygroscopic underwear under the measured garment in the waterproof garment detecting system.Usually the measurement would be greatly influenced by the wrinkles on the surface of the underwear when using image detection technology,for that wrinkles would result in the geometric distortion for the acquired image.Therefore,a novel measurement method based on triangle area segmentation was developed,which divided the wet area into separate regions,and then corrected the detected area of each region individually,finally summed up to gain the total wet area.Experiment results show that this method can drop the bias of area detected from about 10% to about 7%,compared with the measurement without correction.

area measurement; geometric distortion; wrinkled garment pieces; image processing; area segmentation

1671-0444(2015)02-0232-05

2013-12-13

羅彪(1990—)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理.E-mail: luobiao90@gmail.com

萬(wàn)賢福(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail: wanxianfu@dhu.edu.cn

TS 101.8；TS 101.9

A