基于機(jī)器視覺(jué)的紡織布品色差檢測(cè)研究

冀永樂(lè),張團(tuán)善,顏亞飛,張 帆,蒙春學(xué)

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

紡織品色差是評(píng)定紡織品質(zhì)量的一個(gè)重要方面[1].色差偏差的大小不僅影響紡織布品的外觀和價(jià)格,而且直接影響整批紡織布品印染的質(zhì)量.色差是由色相、明度、飽和度的差別所造成的綜合結(jié)果[2].紡織布品印染過(guò)程中的染液濃度、燈光效應(yīng)和溫度等都會(huì)對(duì)紡織布品染色產(chǎn)生影響,因此對(duì)其進(jìn)行色差檢測(cè)是個(gè)復(fù)雜過(guò)程.目前,某些紡織品印染廠仍然采用人眼觀察來(lái)比較顏色樣品與標(biāo)準(zhǔn)顏色之間的差別[3],這種方法要求檢測(cè)人員有豐富的顏色辨別經(jīng)驗(yàn),測(cè)量結(jié)果影響因素大,工作效率低,可能因?yàn)槌善奉伾嗖钶^大而導(dǎo)致整批紡織品浪費(fèi).機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷[4],利用機(jī)器視覺(jué)能夠有效避免印染過(guò)程織物顏色檢測(cè)的問(wèn)題,能夠提高印染紡織品顏色檢測(cè)效率[5].

目前,機(jī)器視覺(jué)被廣泛應(yīng)用到紡織品印染過(guò)程中顏色檢測(cè)[6],并利用數(shù)字圖像處理[7-8]分析色差.文獻(xiàn)[9]采用直方圖交叉算法進(jìn)行顏色相似性度量來(lái)觀察顏色差異,可去除單色織物的偽顏色,但織物的紋理比較明顯,影響顏色特征的提取;文獻(xiàn)[10]采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法選擇OHTA顏色空間進(jìn)行紡織品顏色分類;文獻(xiàn)[11]通過(guò)獲取目標(biāo)像素點(diǎn)為中心的鄰域內(nèi)像素點(diǎn)中值來(lái)確定織物圖像的顏色特征值;文獻(xiàn)[12]應(yīng)用改進(jìn)灰色聚類算法進(jìn)行顏色特征提取;文獻(xiàn)[13]提出了一種通過(guò)個(gè)體建立直方圖向量反饋信息,以集體反饋信息進(jìn)行圖像向量權(quán)重分析,根據(jù)彩色圖像融合向量的反饋信息建立框架,實(shí)現(xiàn)彩色圖像顏色特征的提取.

從以上的研究結(jié)果看出,對(duì)紡織布品的顏色檢測(cè)可通過(guò)多種方法得到顏色結(jié)果,但在檢測(cè)紡織品顏色時(shí)存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)為:一方面是環(huán)境因素對(duì)提取顏色特征影響比較大;另一方面則是圖像采集不同區(qū)域,顏色存在差別.本文通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)采集單色紡織品顏色特征信息,然后將數(shù)字圖像信號(hào)傳送給PC機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、顏色量化、開(kāi)閉運(yùn)算和雙邊濾波圖像處理,提取紡織品的RGB顏色特征值,再轉(zhuǎn)化為CIELAB空間求出Lab值,帶入標(biāo)準(zhǔn)CIELAB色差公式得到色差結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,通過(guò)以上圖像處理方法,能夠有效去除采集被測(cè)紡織品圖像信息中存在的織物紋理和顏色特征不明顯等問(wèn)題,具有適用性.

1 圖像采集

在暗箱中采用LED光源照射,利用CCD相機(jī)對(duì)反射光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換[14],采集待測(cè)紡織品的圖像信息.紡織品顏色采集主要包括CCD工業(yè)相機(jī)、待測(cè)單色紡織布品、LED光源、PC機(jī)和暗箱.采集系統(tǒng)如圖1所示.

圖 1 圖像采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of image acquisition system

在該圖像采集系統(tǒng)中,將待測(cè)單色紡織布品放入暗箱中,暗箱頂端有LED光源照射,將工業(yè)相機(jī)的中心點(diǎn)與待測(cè)紡織布品的中心點(diǎn)放置同一垂直方向,能夠減少相機(jī)圖像采集中某側(cè)光強(qiáng)對(duì)顏色提取的影響,工業(yè)相機(jī)與待測(cè)紡織布品的距離為30 cm,調(diào)整光照強(qiáng)度和相機(jī)焦距采集待測(cè)紡織布品圖像信息.

實(shí)驗(yàn)中待測(cè)單色紡織布品采用一上一下斜紋棉織物為研究對(duì)象,該紡織布品表面光滑且織物組織排列有序,在進(jìn)行圖像處理時(shí)易去除織物組織紋理,紡織布品顏色特征的提取更為精確.

2 圖像處理

2.1 圖像增強(qiáng)

攝像頭獲得的圖像經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換,線路傳輸時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲污染,圖像質(zhì)量降低,因此要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)圖像處理.圖像增強(qiáng)只是將圖像中感興趣的重要特征有選擇性的突顯出來(lái),同時(shí)衰減不需要的特征.通過(guò)圖像增強(qiáng)后,紡織品顏色特征會(huì)變亮一些.

2.2 顏色量化

顏色量化是將原圖像中不太重要的相似顏色根據(jù)人的視覺(jué)效果歸類為一種顏色,減少圖像中的顏色[16].顏色量化是數(shù)字圖像處理的基本技術(shù)之一,顏色量化目的在于減少圖像所需的顏色數(shù)目,量化處理后的圖像其顏色特征更為集中.

2.3 開(kāi)閉運(yùn)算

開(kāi)運(yùn)算是先腐蝕后膨脹的過(guò)程[17],用來(lái)消除小物體,在纖細(xì)點(diǎn)處分離物體,平滑較大物體的邊界的同時(shí)并不明顯改變其面積.

閉運(yùn)算先膨脹后腐蝕的過(guò)程.用來(lái)填充物體內(nèi)細(xì)小空洞,連接鄰近物體,平滑其邊界的同時(shí)并不明顯改變其面積.

腐蝕是一種消除邊界點(diǎn),使邊界向內(nèi)部收縮的過(guò)程.膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中,使邊界向外部擴(kuò)張的過(guò)程.通過(guò)開(kāi)閉運(yùn)算處理圖像的顏色特征,可以消除圖像中與顏色信息無(wú)關(guān)的信息點(diǎn).

2.4 雙邊濾波

雙邊濾波采用空間鄰近度因子以及灰度相似度因子乘積作為加權(quán)的權(quán)重,空間鄰近度因子表示距離中心像素越遠(yuǎn)的像素占得權(quán)重越少,灰度相似度因子表示灰度差異越大的像素占得權(quán)重越少[18].因?yàn)椴杉降念伾珗D像信息包含織物組織紋理,會(huì)對(duì)織物顏色特征產(chǎn)生影響,所以就需要雙邊濾波進(jìn)行處理,只留下顏色特征信息.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 圖像處理結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)4組單色紡織品顏色特征(其中:① 深綠色織物,② 紫紅色織物,③ 棕色織物,④ 粉色織物),用圖像增強(qiáng)、顏色量化、開(kāi)閉運(yùn)算和雙邊濾波4種不同的圖像處理方法得到顏色結(jié)果,如圖2所示.

圖 2 圖像處理顏色結(jié)果Fig.2 Color results of image processing

從圖2中看出,經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)、顏色量化、開(kāi)閉運(yùn)算雙邊濾波處理后的顏色圖像更為平滑,顏色特征也較為集中單一,圖像中的織物紋理、小點(diǎn)雜質(zhì)也被處理掉,能夠更為清晰分析待測(cè)織物的RGB顏色特征.

3.2 色差分析

應(yīng)用CIELAB色差公式測(cè)量顏色標(biāo)準(zhǔn),能夠較好突出顏色變化的程度[19].在 CIELAB 色彩空間中,L*,a*,b*3個(gè)分量對(duì)總體平均色差的貢獻(xiàn)是可分離獨(dú)立的.因此可以用以下公式對(duì)窗口區(qū)域內(nèi)的3個(gè)分量值求得其算術(shù)平均值[20].基于CIE顏色空間的CIELAB色差ΔE可表示為

X,Y,Z是物體的三刺激值,Xn,Yn,Zn為CIE標(biāo)準(zhǔn)三刺激值,L表示像素的亮度,a表示從紅色到綠色的范圍,取值范圍是[127-128];b表示從黃色到藍(lán)色的范圍,取值范圍是[127-128][21].

將采集到的紡織品RGB顏色特征轉(zhuǎn)換到CIELAB色彩空間,分析圖像處理后織物的RGB值與Lab值,帶入到CIELAB色差公式,得到色差結(jié)果如表1所示.

表 1 色差比較結(jié)果

在色差標(biāo)準(zhǔn)中,色差值0～0.5表示色差可以忽略,0.5～1.0表示色差程度很低,1.0～2.0表示色差程度中等,2.0～4.0表示色差程度嚴(yán)重,4.0以上表示色差程度過(guò)大不可用,由表1得到的色差值結(jié)果在色差標(biāo)準(zhǔn)中大致處于0.5～1.0之間,說(shuō)明色差程度很低,精確率可達(dá)到87.5%以上,通過(guò)圖像處理后的顏色特征與標(biāo)準(zhǔn)顏色特征相差不大,獲得的單色紡織品顏色信息更為直觀,更能反映單色紡織品的顏色特征,具有可參考性.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在暗箱中操作,調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度,控制CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)單色紡織品的圖像顏色進(jìn)行檢測(cè),采用圖像增強(qiáng)、顏色量化、開(kāi)閉運(yùn)算和雙邊濾波處理方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)單色紡織品的顏色特征信息準(zhǔn)確提取,帶入標(biāo)準(zhǔn)CIELab色差公式得到色差結(jié)果.通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能夠準(zhǔn)確得到圖像處理后紡織品顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色的色差值,色差結(jié)果合理,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)方法的有效性.