逐根法圖像處理方式測量棉纖維長度

段東曉，鄭 燁，汪 軍

(1．東華大學 紡織學院，上海 201620；2．上海出入境檢驗檢疫局 工業(yè)品與原材料檢測技術中心，上海 200135)

?技術專論

逐根法圖像處理方式測量棉纖維長度

段東曉1，鄭 燁2，汪 軍1

(1．東華大學 紡織學院，上海 201620；2．上海出入境檢驗檢疫局 工業(yè)品與原材料檢測技術中心，上海 200135)

為快速、準確、無損傷地測量棉纖維長度，介紹圖像處理技術目前在紡織檢測中的應用現(xiàn)狀，分析人工將大量未經(jīng)梳理的棉纖維單根化并進行圖像采集，采用逐根法圖像處理方式對纖維長度進行測量，并與三種常用測量儀器HVI型、AFIS型、Y111型的測量結果進行實驗對比與分析。指出：逐根法圖像處理方式測量棉纖維長度，能有效解決棉纖維測試受損丟失問題，可提高棉纖維長度分布測量的準確性與可靠性，但測量速度慢，測量所需的樣本量范圍仍需進一步研究確定。

棉纖維；逐根法；長度分布；短纖維；纖維長度；圖像；測量；單根化

0 引言

長度作為棉纖維重要的質(zhì)量指標之一，不僅反映纖維的品質(zhì)與特性，而且直接影響其加工性能和使用價值[1-2]。目前，快速測量棉纖維長度通常采用烏斯特(USTER)公司的HVI系列和AFIS型纖維長度測量儀。實踐表明，這兩種測量儀的測量誤差較大[3-4]。常用棉纖維長度測試儀器還包括Y111型羅拉長度測試儀和Y121型梳片式長度測試儀；但這兩種測試儀不僅測試速度慢，而且測試結果受人為因素影響較大。

隨著圖像處理技術在紡織檢測中的應用，研究者開始考慮使用圖像法對棉纖維長度分布進行測量。2003年，何曉峰等人對游離態(tài)單根棉纖維長度的計算機測量方法進行了研究，提出利用圖像測量棉纖維長度的方法[5]將棉須逐步送入風洞使纖維伸直，然后采用大面陣CCD獲取纖維圖像，對棉纖維長度進行圖像測量，從而得到棉纖維長度分布及長度指標[6-8]。此方法最大的缺陷是纖維在風洞中容易丟失，導致測量結果誤差較大。2008年，徐衛(wèi)林等人提出將棉纖維須叢以1 mm或2 mm的組距切段，獲取每組纖維圖像并經(jīng)計算機處理，得到纖維長度分布和長度指標[9]。此方法對棉樣的梳理程度較高，對纖維損傷大；而且棉纖維伸直度不一，較長纖維因彎曲導致切段數(shù)減少變成短纖維，測量結果誤差大、精度低。

為實現(xiàn)對棉纖維長度分布和長度指標的準確測量，減少測試過程中棉纖維的損傷與丟失，筆者采取在未經(jīng)梳理狀態(tài)下進行棉纖維測量的方法，即人工將棉纖維單根化并進行圖像采集，通過數(shù)字化圖像處理技術對纖維長度進行測量，并與HVI型，AFIS型，Y111型的測量結果進行對比與分析。

1 棉纖維長度測試方法與流程

該方法通過圖像處理技術逐根對棉纖維長度進行測量，利用計算機數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到長度分布及各項長度指標，試驗流程見圖1。

圖1 逐根法圖像處理方式棉纖維長度測試流程

1.1 制樣與圖像獲取

試驗用棉纖維均為新疆細絨棉，其長度約為23 mm～33 mm，線密度為1.43 dtex～2.22 dtex[1]，每萬根纖維約重70 mg。筆者依據(jù)GB/T 6097—2012《棉纖維試驗取樣方法》對棉纖維試驗樣品進行取樣，將試驗樣品扯成薄片，揀去雜質(zhì)后，均勻地鋪于黑色絨板上，隨機用鑷子多次夾取試樣，將棉纖維試樣人工進行單根化處理，此過程需盡量避免纖維損傷和丟失。選用黑卡紙和水保存單根狀棉纖維，見圖2。因為黑卡紙易清理且輕便，水可使纖維變粗而對其長度影響很小，能保證獲取的圖像更加清晰。

圖2 棉纖維圖像

筆者采用掃描幅面為A4的MICROTEK掃描儀，用1200 dpi×1200 dpi的分辨率獲取棉纖維圖像。為獲取更加清晰的纖維圖像，將黑卡紙上晾干的纖維轉(zhuǎn)移到一塊A4紙大小的透明薄塑料板后進行圖像采集；掃描時將黑色卡紙放在塑料板后作對比色，以清晰地分辨纖維，保證獲取的圖像中纖維無交叉，如圖2所示。

1.2 圖像處理

圖像采集完成后，采用MATLAB軟件進行處理，得到棉纖維長度數(shù)據(jù)。由于MICROTEK掃描儀獲取的纖維圖像內(nèi)存過大，用MATLAB軟件處理耗時太長，故將圖片裁剪成5根纖維為一組的圖片。

將每組纖維原始圖像變?yōu)槎祱D像，采用邊緣改進的OTSU法求圖像的全局分割閾值[10]，此方法簡單快速，且二值化圖像斷點較少，能夠滿足試驗要求。對二值圖像依次進行去除噪聲、補斷、細化及剪枝處理，統(tǒng)計每根纖維的像素個數(shù)N；隨機選擇一個像素R，如圖3所示，統(tǒng)計其8鄰域內(nèi)的像素個數(shù)；當圖3中0，2，4，6位置上有纖維像素時，像素取1.41，當1，3，5，7位置上有像素時，像素取1；而后像素R變?yōu)楸尘?，即像素變?yōu)?，避免重復統(tǒng)計。重復以上步驟，繼續(xù)進行下一個像素點統(tǒng)計。

圖3 像素統(tǒng)計示意

2 試驗方法驗證

為保證圖像處理結果的準確性，筆者進行試驗驗證。選取的纖維材料為滌綸長絲，由30mm的切段器進行剪切。所得滌綸長絲長度數(shù)據(jù)為單個正態(tài)總體，故選擇假設檢驗中的T檢驗，其公式為：

(1)

式中：

T——檢驗統(tǒng)計量；

μ0——總體均值；

S*——修正樣本標準差；

n——樣本大小。

其中，樣本大小n一般小于30，因此將驗證試驗的樣本大小定為21。

3 試驗結果與對比分析

3.1 棉纖維長度

由于棉纖維長度分布與長度指標的各種分析與計算，需要各根棉纖維長度數(shù)據(jù)，因此，需要將各根纖維的像素個數(shù)N轉(zhuǎn)換為纖維長度L。文中圖像的分辨率為1200 dpi×1200 dpi，即25.4 mm2(1平方英寸)上有1200×1200個像素點，故長度計算公式為：

(2)

式中：

L——棉纖維長度/mm。

3.2 測試結果

依據(jù)GB/T 16257—2008《紡織纖維 短纖維長度和長度分布的測定 單纖維測量法》，將棉纖維以1 mm長度為組距進行分組整理，可得到每個長度區(qū)間的纖維根數(shù)，并用直方圖表示。由于棉纖維根數(shù)太多，避免縱坐標數(shù)據(jù)差過大，縱坐標采用纖維根數(shù)頻率，各長度組根數(shù)頻率用fi表示，則

(3)

式中：

fi——各長度組根數(shù)頻率；

ni——第i長度區(qū)間纖維根數(shù)。

根據(jù)式(3)可得到棉纖維長度—根數(shù)頻率分布圖，如圖4所示。

圖4 棉纖維長度—根數(shù)頻率分布

由各長度區(qū)間根數(shù)可得棉纖維長度根數(shù)密度函數(shù)，進而可得棉纖維照影儀曲線，實質(zhì)上就是纖維長度根數(shù)分布的二次累積曲線。其計算公式如下，得到的照影儀曲線如圖5所示。

(4)

圖5 照影儀曲線

在棉纖維長度分布規(guī)律的基礎上，通過計算和作圖可得棉纖維長度指標。根據(jù)棉纖維各長度組的根數(shù)分布規(guī)律，計算出平均長度、長度變異系數(shù)、標準差及短絨率等指標。在照影儀曲線上作圖，可得平均長度、上半部平均長度及整齊度指數(shù)3項指標。如圖5，起試點A的切線與橫坐標的交點為C，線段OC的長度即為棉纖維平均長度；點E為點A處切線與縱坐標交點，線段OF長度為線段OE長度的1/2，過點F做曲線的切線與橫坐標交于點D，線段OD長度即為上半部平均長度，整齊度指數(shù)為平均長度與上半部平均長度的比值。各項指標的計算公式以及數(shù)據(jù)結果見表1。

3.3 對比分析

表1 長度指標公式與結果

長度指標公式數(shù)據(jù)根數(shù)平均長度 L/mm∑nili∑ni28．50短絨率SFC(n)/%∑16i=1ni∑ni17．46標準差S∑( L-li)2ni∑ni10．63長度變異系數(shù)CV/%S L×10037．29平均長度ML/mm/28．30上半部平均長度UHML/mm/37．72整齊度指數(shù)UI/%MLUHML×10075．04 注：本試驗短纖維長度不大于16mm。

棉纖維長度分布測量的意義在于更加準確地測量棉纖維長度分布和各項棉纖維指標，為棉紡織行業(yè)服務，因此，將本試驗短纖維率和平均長度兩項長度指標與AFIS型、HVI型和Y111型長度測試儀的測試結果進行對比分析。由于HVI型和Y111型的短絨率測量結果是16 mm以下棉纖維質(zhì)量占總體質(zhì)量的百分比，因此將根數(shù)短絨率換算為質(zhì)量短絨率。假設棉纖維線密度是均勻的，將棉纖維長度換算為棉纖維質(zhì)量，計算公式為：

(5)

式中：

W——棉纖維質(zhì)量/g；

Nt——棉纖維線密度/dtex。

由棉纖維單根克數(shù)可得短于16 mm的纖維占總體比重，計算公式為：

(6)

其中，wi為第i組長度區(qū)間纖維克數(shù)。

AFIS型和HVI型試驗數(shù)據(jù)在烏斯特技術(蘇州)公司測得，測試結果均為5次測量的均值；Y111型試驗數(shù)據(jù)在上?？敌殴怆妰x器有限公司測得，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 長度指標對比

項目SFC(W)/%SFC(n)/% L/mmUHML/mmAFIS型8．5024．9021．10/HVI型4．50//29．05Y111型5．80///本試驗5．9117．4625．5034．41

由表2可知，AFIS型、HVI型的測試結果與本試驗結果有較大差異。這是因為AFIS型在棉纖維試樣的梳理和分離過程中，導致棉纖維損傷和丟失，造成短絨率偏高和根數(shù)平均長度偏小。對于HVI型，梳夾取樣器采用長度偏倚取樣，長纖維被取到的概率較大，且棉須在梳齒上滑移會使短絨率測量數(shù)值偏?。坏捎谑崂硎沟妹迾邮軗p和滑移，從而測得纖維長度偏小。Y111型羅拉法測出的棉纖維短絨率與本試驗數(shù)據(jù)最為接近，因為兩者在試樣整理時均采用人工整理，對棉纖維的損傷程度相當；但因Y111型在試樣梳理時短絨會丟失，導致測得的短絨率較本試驗結果偏小。

4 結論

筆者提出一種測量棉纖維長度分布的新方法——逐根法圖像處理方式。此方法中棉纖維處于未梳理狀態(tài)，測量結果更接近棉纖維長度分布的自然狀態(tài)，有效地克服了目前各種測量方法中棉纖維梳理受損而難以準確測量的問題。雖然新方法測量更準確，但目前仍存在一個較大缺點，即測量速度慢。因此，本方法測量棉纖維長度分布所需的樣本大小有待進一步探討，以減少工作量，提高效率，完成快速制樣測量。

[1] 于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006.

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[6] 何曉峰，劉文耀，徐守東.大面陣CCD測棉纖維長度分布[J].光電子·激光,2005，16(7)：821-823.

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Measurement of Cotton Fiber Length Using the End Image Processing Technique

DUAN Dongxiao1,ZHENG Ye2,WANG Jun1

(1.School of Textile Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Shanghai Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau Industrial Products and Raw Materials Testing Technology Center,Shanghai 200135,China)

In order to have a fast and accurate measurement of the length of cotton fibers undamaged,introduction is made to the application status of the image processing technology in textile testing.Images are collected after manual singlization of the large number of uncombed cotton fibers and measurement is done to the fiber length using the end image processing technique.Comparison analysis is done to the measurement result with the three common measure instruments of HVI,AFIS and Y111.It is pointed out that the end image processing technique can prevent fibers from being damaged or lost and improving the accuracy and reliability of length measuring in a distributed form,yet the testing speed is slowed down,and the measurement sampling range for measuring needs further study.

cotton fiber;the end image processing technique;length distribution;staple fiber;fiber length;image;measurement;single fiber

2016-11-15

段東曉(1990—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事棉纖維長度分布方面的研究。

TS111.9

A

1001-9634(2017)04-0001-04