基于視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的棉花異性纖維檢測

師紅宇　管聲啟

摘要： 為了提高棉花異性纖維檢測準(zhǔn)確性及快速性，提出一種基于視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的棉花異性纖維檢測新方法。首先，對采集棉花異性纖維圖像進(jìn)行小波金字塔多層分解，實(shí)現(xiàn)棉花異性纖維圖像中各信息的分離；然后使用meanshift算法平滑圖像，消除光照不均的干擾；在此基礎(chǔ)上，采用中央-周邊操作算子和融合操作構(gòu)建顯著圖，從而提高異性纖維的顯著度；最后，利用改進(jìn)的區(qū)域生長法獲得目標(biāo)區(qū)域。文章采用視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建的檢測模型，結(jié)構(gòu)簡單、檢測速度快、準(zhǔn)確率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測方法能夠有效實(shí)現(xiàn)棉花異性纖維的檢測，提高檢測準(zhǔn)確性和快速性，為棉花異性纖維自動(dòng)檢測提供一種新方法。

關(guān)鍵詞： 異性纖維；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；顯著圖；meanshift算法；改進(jìn)的區(qū)域生長法

中圖分類號(hào)： TS101.91；TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2017）05003607

引用頁碼： 051107

Abstract： In order to improve the accuracy and rapidity of cotton foreign fiber detection， a new method based on visual data driven to detect cotton foreign fibers is proposed. Firstly， cotton foreign fiber image was decomposed into multiple layers by wavelet Pyramid， to achieve the separation of all kinds of information in the cotton foreign fiber image. Secondly， meanshift method was applied to smoothen the image so as to eliminate the interference of uneven light. On this basis， saliency map was constructed by centersurround operator and fusion operator， to improve saliency degree of cotton foreign fibers. Finally， the target area was obtained by using the improved region growing method. This detection model has the advantages of simple structure， fast detection speed and high accuracy. The experimental results show that the detection method can effectively detect the foreign fiber， and improve the detection accuracy and rapidity. This paper provides a new method for automatic detection of cotton foreign fibers.

Key words： foreign fibers； data driven； saliency map； meanshift algorithm； improved region growing method

棉花是紡織企業(yè)加工處理的原材料，在原棉加工處理過程中由于很多原因混入了多種異性纖維（棉花中的異性纖維是指混入棉花中非棉纖維和非本色纖維，如棉籽、棉殼、棉葉、毛發(fā)、塑料繩、染色線等），這些混入棉花中的異性纖維，在紡織加工中被碎成單纖維，對棉紗和布面的質(zhì)量造成了很大危害，難以清除[12]。因此，棉花異性纖維的檢測和剔除是紡織企業(yè)的一個(gè)重要必備環(huán)節(jié)。然而，目前對異性纖維的檢測主要還是采用人工檢測，而這種方法通常檢測效率低下，容易受檢測環(huán)境的影響[34]。

隨著機(jī)器視覺理論的發(fā)展，在棉花異性纖維檢測中引入機(jī)器視覺，使得異性纖維檢測的工作效率得到了改善，異性纖維檢出率提高了[56]。如王波[7]提出了基于多尺度小波的棉花異纖檢測算法；張南賓等[8]提出了一種基于小波變換的棉花異纖檢測算法；王昊鵬等[9]提出了一種基于改進(jìn)的粒子群多閥值的白色異性纖維檢測算法；杜玉紅等[10]提出了一種應(yīng)用聚類統(tǒng)計(jì)分析的棉花異纖圖像檢測算法；W. Kiechl等[11]提出了一種棉花中白色丙綸異纖的檢測方法。這些棉花異性纖維檢測方法雖然取得了一定的成果，但對于那些低對比度的異性纖維，檢測準(zhǔn)確率比較低，某種具體算法往往只能適用某幾類異性纖維的檢測，很難具有普適性[1213]。因此，本文提出了一種基于視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的棉花異性纖維檢測新方法，將視覺注意機(jī)制引入到棉花異纖檢測中，將計(jì)算資源優(yōu)先分配給那些視覺感興趣區(qū)域，極大地提高了異纖的檢測效率。

視覺注意機(jī)制模型分為視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和視覺任務(wù)驅(qū)動(dòng)模型兩種，其中視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型是一種自底向上注意機(jī)制模型，視覺任務(wù)驅(qū)動(dòng)模型是一種自頂向下注意機(jī)制模型。視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型可以在一定程度上模擬人類視覺注意機(jī)制，該模型通過圖像底層特征驅(qū)動(dòng)，提高檢測目標(biāo)的顯著度而形成視覺注意。為了增強(qiáng)棉花中異性纖維顯著度，提高異性纖維檢測準(zhǔn)確率，本文采用視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，構(gòu)建異性纖維的顯著圖，增大異性纖維與正常棉花纖維背景之間的對比度，來有效提高棉花異性纖維的檢測效果。

1棉花異性纖維檢測算法

1.1視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的構(gòu)建

1.1.1Itti模型

Itti模型是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的視覺注意模型，是由Itti等人于1998年提出來的。Itti模型包括三個(gè)步驟：特征提取、顯著圖生成和注意焦點(diǎn)確定與轉(zhuǎn)移。該模型首先對原始圖像采用不同尺度求出顏色、亮度、方向上的特征圖，然后通過合并策略將這些特征圖整合成一副顯著圖，最后采用勝者為王（WAT）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和禁止返回機(jī)制來引導(dǎo)注意轉(zhuǎn)移[14]。其流程如圖1所示。

由于Itti模型的提出并不是針對于某一個(gè)具體的應(yīng)用，所以不能直接用于異纖的檢測，而且Itti模型也存在一些缺陷，如顯著區(qū)與目標(biāo)區(qū)域有偏差、計(jì)算量較大、計(jì)算復(fù)雜度太高，不適合于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

1.1.2Itti改進(jìn)模型的構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)棉花異性纖維的檢測，增大棉花異性纖維與正常棉花纖維之間的對比度，本文在研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)Itti模型基礎(chǔ)上，結(jié)合棉花特性，僅選擇灰度特征進(jìn)行分解；構(gòu)建Itti改進(jìn)模型[1517]，其模型如圖2所示。

通過圖1和圖2兩種模型對比，Itti改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)簡單、檢測速度快、準(zhǔn)確率高。該模型主要是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)棉花異性纖維信息的檢測，具有針對性，根據(jù)棉花異性纖維特性，僅選擇灰度特征進(jìn)行分解，計(jì)算量明顯降低，檢測速度快；其次，Itti模型只是標(biāo)記出注意焦點(diǎn)，Itti改進(jìn)模型不僅標(biāo)出了注意焦點(diǎn)，還采用改進(jìn)的區(qū)域生長法對注意焦點(diǎn)進(jìn)行分割，獲取檢測目標(biāo)，準(zhǔn)確率高。

通過該模型能夠提高異性纖維的顯著度，其算法流程為：小波金字塔多層分解，meanshift平滑濾波，中央-周邊操作及融合，顯著圖異性纖維的分割。

1.2小波金字塔多層分解

小波具有多分辨率特征，能夠?qū)⒉煌l率的信息分解在不同圖層中，從而有利于提取各圖層信息。小波多層分解如下式所示：

細(xì)節(jié)子圖；HLi（x，y）表示垂直細(xì)節(jié)子圖；HHi（x，y）表示對角線細(xì)節(jié)子圖。

小波每次分解獲得反應(yīng)低頻信息的近似LL，垂直高頻信息的水平細(xì)節(jié)子圖LH，水平高頻信息的垂直細(xì)節(jié)子圖HL，水平及垂直高頻信息的對角線細(xì)節(jié)子圖HH；每次小波分解都進(jìn)行向下2抽樣，以保證子圖總尺寸相等，小波金字塔分解結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。由于棉花異性纖維主要以低頻的近似信息為主，因此，本文僅選用近似子圖LL進(jìn)行分解；采用小波三層分解，能夠?qū)崿F(xiàn)采樣數(shù)據(jù)中異性纖維信息與背景的分離，滿足實(shí)驗(yàn)的需求，所以本文選用DB2小波對棉花異性纖維進(jìn)行三層金字塔分解，近似子圖金字塔如圖3（b）所示。

1.3meanshift平滑圖像

為了減少光照干擾，采用meanshift算法對棉花異性纖維圖像的低頻部分進(jìn)行平滑處理，以消除光照不均的影響[18]。

如果在d維空間中設(shè)置n個(gè)樣本點(diǎn)，則meanshift矢量的一般形式定義如下：

Mh（x）=1k∑xi∈Sh（xi-x）（2）

式中：k是指在n個(gè)樣本點(diǎn)中落入Sh區(qū)域的個(gè)數(shù)；（xi-x）是一個(gè)集向量。

其中Sh是一組y，這是一個(gè)半徑為h的高維球面區(qū)域，定義如下：

Sh（x）=y：（y-x）T（y-x）≤h2（3）

通過meanshift矢量的一般形式可以獲得一種擴(kuò)展形式：

Mh（x）=∑ni=1GH（xi-x）w（xi）（xi-x）∑ni=1GH（xi-x）w（xi）（4）

式中：G（x）是一個(gè)單位內(nèi)核函數(shù)；H是一個(gè)正定對稱d×d維矩陣；w（xi）是加權(quán)系數(shù)，其值不小于零。

其中GH定義如下：

GH（xi-x）=H-12G（H-12（xi-x））（5）

1.4棉花異性纖維顯著圖

1.4.1中央周邊操作算子

由于棉花異性纖維特征主要分布在低頻近似子圖中，因此采用下式對棉花異性纖維近似子圖進(jìn)行中央周邊差分操作，以提高異性纖維顯著度。

LL（ξ）=LL（s）ΘLL（c）（6）

式中：Θ為中央周邊差分操作；c代表中央尺度，s=c+ξ是周邊尺度；LL代表近似子圖；LL（ξ）代表近似差分子圖。

由于棉花異性纖維圖像進(jìn)行三層小波分解，對1層、2層近似子圖進(jìn)行中央周邊操作，2層、3層近似子圖進(jìn)行中央周邊操作，能夠增強(qiáng)采樣數(shù)據(jù)中異性纖維信息的顯著度，因此中央尺度c分別取1層近似子圖和2層近似子圖；周邊層s分別取2層近似子圖和3層近似子圖。

1.4.2子圖融合

對近似差分子圖進(jìn)行歸一化，然后采用下式進(jìn)行相加融合形成顯著子圖。

SLL=∑LL（ξ）（7）

式中：SLL表示面向異性纖維顯著圖。

1.5目標(biāo)生成

本文采用改進(jìn)的區(qū)域生長法對棉花異性纖維顯著圖進(jìn)行分割，從而獲得檢測目標(biāo)。

從選定生長點(diǎn)開始，依據(jù)帶約束條件的生長規(guī)則，按順序?qū)ιL點(diǎn)附近的像素進(jìn)行一致性判斷，即判斷其3×3鄰域的灰度均值是否滿足一致性規(guī)則，滿足一致性條件的像素并入生長區(qū)中，從而完成目標(biāo)的分割[19]。

設(shè)已生長得到區(qū)域?yàn)镽，其灰度均值m和標(biāo)準(zhǔn)差σ作為衡量灰度一致性的特征量，其中m=1n∑（l，c）∈RSLL（l，c）和σ=1n∑（l，c）∈RSLL（l，c）-m2。

生長點(diǎn)灰度均值為：

Gray（seed）=19（∑1j=-1∑1i=-1SLL（seedl+j，seedc+i））（8）

式中：seed表示待生長的3×3鄰域內(nèi)像素點(diǎn)，SLL（seedl+j，seedc+i）表示3×3鄰域內(nèi)具體的一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，Gray（seed）表示3×3鄰域內(nèi)像素點(diǎn)灰度均值。

采用最大類間方差法確定的最佳灰度閾值為T1，灰度變化閾值T2=1-σm×Tc，其中Tc是人為設(shè)定的反映生長條件苛刻程度的量。

帶有約束條件的生長規(guī)則定義如下：

|SLL（1，c）-m|≤T2

SLL（1，c）≤T1若Gray（seed）≤T1（約束條件）（9）

式中：SLL（1，c）=19∑i=l+1i=l-1∑j=c+1j=c-1SLL（i，j）。

2仿真實(shí)驗(yàn)與分析

2.1檢測效果分析

選取含有棉殼、紅色塑料、棉籽、棉葉、透明塑料、白色線頭等雜質(zhì)的樣本圖像來驗(yàn)證本文算法（Itti改進(jìn)算法）分割的準(zhǔn)確性。采用改進(jìn)的區(qū)域生長法對本文模型的顯著圖進(jìn)行分割和目標(biāo)提取，分割效果如圖4所示。由圖4可以看出，本文推薦的方法能夠有效分割出各種異性纖維。

2.2檢測準(zhǔn)確率和快速性分析

本文算法的檢測準(zhǔn)確率規(guī)定圖像分割出異性纖維區(qū)域面積與人工標(biāo)記出異性纖維區(qū)域面積相差在10%之內(nèi)定為正確檢測，準(zhǔn)確率定義如下：

DA/%=NdefectNall×100（10）

式中：DA表示棉花異性纖維檢測準(zhǔn)確率，檢測準(zhǔn)確率越高，檢測效果越好；Nall表示含有異性纖維的檢測圖像的數(shù)量；Ndefect表示能夠被正確識(shí)別的含有異性纖維圖像的數(shù)量[20]。

本文實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)思想為：一是分析本文算法檢測的準(zhǔn)確率；二是客觀算法之間的比較實(shí)驗(yàn)，將本文算法與傳統(tǒng)經(jīng)典算法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)；三是客觀算法與主觀算法的比較實(shí)驗(yàn)，將本文算法與人工檢測進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了驗(yàn)證本文算法的準(zhǔn)確率和快速性，本文選取含有棉殼、紅色塑料、棉籽、棉葉、透明塑料、白色線頭等雜質(zhì)的樣本圖像各100幅，大小為256（像素）×256（像素），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.2.1本文算法檢測準(zhǔn)確率

根據(jù)本文檢測準(zhǔn)確率規(guī)定，樣本數(shù)據(jù)分割出的區(qū)域面積計(jì)算結(jié)果落在（-0.1，0.1）區(qū)間內(nèi)即為正確檢測，否則認(rèn)為是誤檢。其中計(jì)算結(jié)果落在（-0.1，0）區(qū)間內(nèi)，表示圖像分割出的區(qū)域面積小于人工標(biāo)記的區(qū)域面積；計(jì)算結(jié)果落在（0，0.1）區(qū)間內(nèi)，表示圖像分割出的區(qū)域面積大于人工標(biāo)記的區(qū)域面積。選取上述樣本圖像各100幅，分析并統(tǒng)計(jì)本文算法的準(zhǔn)確率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知，本文算法檢測準(zhǔn)確率整體較高，特別是異性纖維圖像與背景圖像對比度越大，如紅色塑料、棉殼、棉籽等，其檢出準(zhǔn)確率越高；而異性纖維圖像與背景圖像對比度較小，如透明塑料、白色線頭等，其檢出準(zhǔn)確率相對較低，但是也達(dá)到了90%以上。因此，本文采用視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，增大異性纖維與正常棉花纖維背景之間的對比度，其檢測準(zhǔn)確率高。

2.2.2本文算法與傳統(tǒng)經(jīng)典算法的比較

2.2.2.1準(zhǔn)確率分析

選取上述樣本圖像各100幅，分別采用本文算法、ST算法[21]、SR算法[22]和Itti算法進(jìn)行準(zhǔn)確率檢測實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，Itti算法采用最大類間方差法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的分割，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過對表1分析可知，Itti算法和SR算法檢測準(zhǔn)確率相對較低，很難滿足異性纖維在線檢測的要求。ST算法檢測準(zhǔn)確率波動(dòng)較大，對于對比度較高的異性纖維檢測準(zhǔn)確率較高，對比度較小的異性纖維檢測準(zhǔn)確率較低，檢測普適性較差。本文算法檢測準(zhǔn)確率整體較高，含有紅色塑料、棉殼、棉籽等雜質(zhì)的圖像的檢出率較高，那是因?yàn)楸尘皥D像與異性纖維圖像對比度較大，目標(biāo)區(qū)域容易分割；含有透明塑料、白色線頭等雜質(zhì)的圖像檢出率相對較低，可能的原因是背景圖像與異性纖維圖像對比度較小，或者異性纖維在棉層中的位置較深，目標(biāo)區(qū)域分割較難。雖然如此，但檢出率也達(dá)到了90%以上?？傮w而言，本文算法檢測準(zhǔn)確率比較高，其范圍分布在90%～98%，說明本文算法檢測具有普適性。

2.2.2.2快速性分析

選取上述樣本圖像各100幅，分別采用本文算法、ST算法、SR算法和Itti算法進(jìn)行快速性檢測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

通過對表2分析可知，本文算法各類樣本的平均檢測速度都在180ms左右，要明顯優(yōu)于Itti算法和ST算法；SR算法的檢測速度雖然也較快，但相比之下，本文算法的檢測速度更快一些。由于棉花異性纖維主要以低頻的近似信息為主，本文僅選用近似子圖LL進(jìn)行分解。因此，本文算法的速度更快，整體優(yōu)于Itti、ST和SR算法。

2.2.3本文算法與人工檢測算法的比較

為了驗(yàn)證本文算法代替人工檢測的可能性，將本文算法與人工檢測進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)人工檢測時(shí)，需選擇3名經(jīng)過培訓(xùn)的檢驗(yàn)人員進(jìn)行人工檢測；當(dāng)3名檢驗(yàn)人員檢驗(yàn)結(jié)果不一致時(shí)，采用少數(shù)服從多數(shù)原則進(jìn)行結(jié)果認(rèn)定；當(dāng)3名檢驗(yàn)人員檢驗(yàn)結(jié)果互不一致時(shí)，認(rèn)定此幅圖檢驗(yàn)結(jié)果無效。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取上述樣本圖像各100幅，分別采用本文算法和人工檢測進(jìn)行準(zhǔn)確率和快速性檢測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

通過對表3分析可知：樣本中對比度較高的異性纖維圖像，二者檢測準(zhǔn)確率都較高，但相比之下本文算法更高一些。對比度較低的異性纖維圖像，如透明塑料，人工檢測準(zhǔn)確率雖然也較高，耗時(shí)卻比其他異性纖維增長較多；白色線頭，人工檢測速度雖然有所提高，但是檢測準(zhǔn)確率又較低。總而言之，人工檢測總是以犧牲準(zhǔn)確率或快速性為代價(jià)的；而本文算法對于任何纖維的時(shí)間開銷變化很小，檢測準(zhǔn)確率高，波動(dòng)小。主要原因在于：對于任何一種異性纖維，本文算法的計(jì)算量基本不變導(dǎo)致耗時(shí)變化不大；采用提高異性纖維對比度的方法，能夠有效的提高低顯著性異性纖維檢測準(zhǔn)確率。

因此，本文推薦的方法能夠代替人工視覺檢測。

3結(jié)論

為了提高棉花異性纖維檢測的準(zhǔn)確性和快速性，本文提出了一種基于視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的棉花異性纖維檢測方法。通過小波金字塔多層分解、meanshift平滑濾波、中央周邊操作、差分子圖融合形成顯著圖，以提高異性纖維顯著度；然后，采用改進(jìn)的區(qū)域生長法能準(zhǔn)確分割出棉花中的異性纖維。本文采用視覺數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建的檢測模型，結(jié)構(gòu)簡單、檢測速度快、準(zhǔn)確率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法與傳統(tǒng)經(jīng)典ST、SR和Itti算法相比，檢測準(zhǔn)確率較高，尤其對低對比度的異性纖維檢測時(shí)，表現(xiàn)良好的魯棒性；本文方法與人工檢測對比，具有檢測時(shí)間少、檢測準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)；本文檢測方法為棉花異性纖維檢測提供了一種新方法。

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