含疵樣片提取過程中拓?fù)潢P(guān)系的構(gòu)建及其應(yīng)用

尚會(huì)超， 靳 瑋，2， 崔陸軍

(1. 中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 鄭州工商學(xué)院 機(jī)械與電信工程學(xué)院， 河南 鄭州 451400)

服裝生產(chǎn)的基本工藝流程包括布料進(jìn)廠檢驗(yàn)、打版、排料、剪裁、縫制、成衣檢驗(yàn)、包裝入庫等一系列工序[1]，與本文研究相關(guān)的工序主要是前4個(gè)。布料進(jìn)入工廠后首先要經(jīng)外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，并在布料上疵點(diǎn)部位進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)[2]。服裝打版就是將服裝設(shè)計(jì)圖做出樣板，即服裝樣片，這個(gè)工藝流程現(xiàn)在通常由服裝CAD軟件來完成，本文實(shí)驗(yàn)研究采用DOCAD度卡服裝自動(dòng)打版排料軟件。自動(dòng)排料[2]就是將服裝打版出來的樣片按照自動(dòng)鋪布機(jī)上鋪好的布匹尺寸范圍進(jìn)行自動(dòng)排布。最后再用手動(dòng)裁剪或自動(dòng)剪裁系統(tǒng)將面料裁剪成樣片成品。本文研究對象是在布料進(jìn)廠外觀質(zhì)量檢驗(yàn)后，并采用長方形、圓形、一字形等符號(hào)對疵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)后的牛仔布料。通過在自動(dòng)鋪布機(jī)上安裝視覺檢測系統(tǒng)，在鋪布過程中對疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行二次識(shí)別和定位，確定疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)在鋪展后每層布匹上的坐標(biāo)，再與自動(dòng)打版排料軟件中樣片位置進(jìn)行匹配，從而確定疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)所在樣片即含疵樣片的位置、形狀等信息，用于含疵樣片的自動(dòng)重新排料、自動(dòng)裁剪，可以改變傳統(tǒng)的裁剪之后手工驗(yàn)片、裁剪、替換含疵樣片的繁瑣過程，顯著提高服裝生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

在疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的檢驗(yàn)過程中，疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的形狀、大小、位置是隨機(jī)的，而排料系統(tǒng)中的樣片排布位置是相對確定的，但二者都是確定的空間對象，因此，本文提出以確定空間對象的拓?fù)潢P(guān)系模型為基礎(chǔ)，建立疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的拓?fù)浣患Ｐ?，并與自動(dòng)排料、自動(dòng)裁剪等工藝流程結(jié)合起來[3]，以期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪布過程中疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的匹配定位與含疵樣片的提取更換。

1 拓?fù)潢P(guān)系的建立

服裝樣片種類有很多，以DOCAD服裝自動(dòng)排料系統(tǒng)生成的樣片為例，可將樣片典型化為凹形區(qū)域、凸形區(qū)域，討論其與疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的拓?fù)潢P(guān)系。

研究中假設(shè)樣片是凹形、凸形區(qū)域，疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)是簡單區(qū)域，基本定義有4種[4-5]。

定義1：假設(shè)平面區(qū)域A中的任意2點(diǎn)的連線上的任一點(diǎn)總在區(qū)域A中，那么稱A為凸形區(qū)域，如圖1(b)所示。定義2：假設(shè)平面區(qū)域B中的任意2點(diǎn)的連線上存在任一點(diǎn)不在區(qū)域B中，那么稱B為凹形區(qū)域，如圖1(a)所示。定義3：平面內(nèi)包圍區(qū)域的線稱為區(qū)域的邊界，如圖1所示凸形、凹形區(qū)域的邊界。定義4：凸形區(qū)域A以外的部分稱為A的余，凹形區(qū)域B以外的部分稱為B的余。

圖1 典型化樣片區(qū)域Fig.1 Typical sample region.

拓?fù)潢P(guān)系、順序關(guān)系、度量關(guān)系是拓?fù)鋵W(xué)中主要的3類空間關(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系體現(xiàn)了空間對象的一種不依賴于幾何形變的內(nèi)在聯(lián)系[6]。無論空間對象多么復(fù)雜，都可以抽象為以下幾類：點(diǎn)對象、 線對象、 面對象。RCC模型、四交模型、九交模型[7]都是確定空間對象的拓?fù)潢P(guān)系模型的典型。本文所研究的疵點(diǎn)標(biāo)記和樣片都是確定的空間對象，因此，可以用確定空間對象的拓?fù)潢P(guān)系模型來研究二者之間的拓?fù)潢P(guān)系以及度量關(guān)系，如圖2所示。

圖2 含疵樣片與疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)間的的拓?fù)潢P(guān)系以及度量關(guān)系Fig.2 Topological and metric relationship between defective sample and defect identification

2 交集矩陣模型的建立

2.1 塊狀疵點(diǎn)交集模型的建立

2.1.1凹形區(qū)域樣片與塊狀疵點(diǎn)交集模型建立

本文研究了一個(gè)凹形區(qū)域(樣片)和一個(gè)簡單區(qū)域(疵點(diǎn)標(biāo)記)的拓?fù)潢P(guān)系。設(shè)凹形區(qū)域?yàn)锽，簡單區(qū)域?yàn)锳，V(A)、V(B)表示A、B的內(nèi)部，S(A)、S(B)表示A、B的邊界，W(A)、W(B)表示A、B 的余，V(A)∩V(B)表示V(A)與V(B)的交集，因此V(A)、S(A)、W(A)分別與V(B)、S(B)、W(B)兩兩組合求交集形成了3×3=9種交集，可用3行3列的矩陣模型R(A,B)來方便描述，如式(1)所示，即構(gòu)成了拓?fù)潢P(guān)系描述的九交模型[8-9]，其中R(A,B)的9種交集元素分別用M1～M9來表示。由于每個(gè)交集元素M都可能存在空與非空2種情況，那么在理論上9個(gè)元素可產(chǎn)生29=512 種不同的空間關(guān)系。

(1)

通過推導(dǎo)，得出實(shí)際情況中判斷疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的關(guān)系，即疵點(diǎn)是否與樣片有交集，只需要判斷M1，M2，M4，M5是否為空即可。若都為空，說明該樣片不是含疵樣片，若任意一個(gè)非空，則說明該樣片是含疵樣片需要提取，因此上述九交矩陣模型R(A,B)可簡化為四交矩陣模型Q(A,B)，如式(2)所示。

Q(A,B)=

(2)

雖然每種拓?fù)潢P(guān)系對應(yīng)唯一的交集模型矩陣，但是每個(gè)交集模型矩陣可能對應(yīng)多種不同的實(shí)際相交情況。根據(jù)實(shí)際情況排除一些不具實(shí)際意義的情況，將常見塊狀疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與凹形樣片的關(guān)系

圖3 凹形樣片與塊狀疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的交集矩陣模型Fig.3 Intersection matrix model of concave sample and massive defects. (a)A disjoint B; (b)A intersects B; (c)A contacts B; (d)A contains B; (e)A covers B; (f)B contains A; (g)B covers A

2.1.2凸形區(qū)域樣片與塊狀疵點(diǎn)交集模型建立

圖4 凸形樣片與塊狀疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的交集矩陣模型Fig.4 Intersection matrix model of convex sample and massive defects. (a)A disjoints B; (b)A intersects B; (c)A contacts B; (d)A contains B; (e)A covers B; (f)B contains A; (g)B covers A; (h)A coincides B

2.1.3凸形區(qū)域樣片與帶狀疵點(diǎn)交集模型建立

圖5 凸形樣片與帶狀疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的交集矩陣模型Fig.5 Intersection matrix model of convex sample and banded defects.

2.2 線型疵點(diǎn)交集模型的建立

線目標(biāo)的疵點(diǎn)是1條明確的線, 可以看作是1個(gè)狹長的帶狀區(qū)域壓縮至1條線段，下面討論疵點(diǎn)是線狀目標(biāo)時(shí)的交集模型建立，設(shè)1個(gè)區(qū)域B(樣片)和1個(gè)線狀目標(biāo)A(疵點(diǎn))，V(B)表示B內(nèi)部，S(A)、S(B)表示A、B邊界，在此由于A是線狀目標(biāo)，所以S(A)既是A的邊界同時(shí)也是A的內(nèi)部，W(A)、W(B)表示A、B的余，那么S(A)、W(A)分別與V(B)、W(B)、S(B)相互組合求交可形成3×2=6種交集，6種交集元素分別用M1～M6來表示，構(gòu)成了式(3)所示的六交矩陣模型P(A,B)。

這里的六交模型在實(shí)際的二維拓?fù)淇臻g中存在需滿足一定的條件，且疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片形成的六交模型關(guān)系在實(shí)際中存在還需更多限制條件，根據(jù)這些條件[10]，推導(dǎo)出樣片與疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的關(guān)系主要與M1、M2、M3有關(guān)，即決定含疵樣片與線狀疵點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系的矩陣實(shí)質(zhì)是1個(gè)如式(4)所示的列矩陣形式的三交矩陣模型W(A,B)。

(3)

(4)

圖6 凸形樣片與線狀疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的交集矩陣模型Fig.6 Intersection matrix model of convex sample and line defects.

3 基于交集矩陣的含疵樣片提取算法

將上述建立的被測物體疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的交集矩陣模型應(yīng)用于含疵樣片的提取算法流程如圖7所示。在此將自動(dòng)鋪布機(jī)坐標(biāo)、排料軟件DOCAD坐標(biāo)、自動(dòng)裁床坐標(biāo)設(shè)置統(tǒng)一，通過視覺檢測系統(tǒng)采集到自動(dòng)鋪布機(jī)上的布匹圖像，采用HALCON軟件對圖像進(jìn)行濾波、邊緣提取、區(qū)域分割等處理，提取出疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的幾何、形狀、坐標(biāo)信息等參數(shù)也就是疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)參數(shù)。導(dǎo)出DOCAD打版與排料軟件中樣片排布圖的數(shù)據(jù)，采用C++語言編程實(shí)現(xiàn)樣片邊界、中心坐標(biāo)的提取算法[11-12]得到樣片信息參數(shù)。根據(jù)上述所建立的疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的拓?fù)潢P(guān)系交集模型，對疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)參數(shù)、樣片邊界和坐標(biāo)信息進(jìn)行匹配，確定出每個(gè)疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)所對應(yīng)的含疵樣片，將其樣片編號(hào)和排布圖數(shù)據(jù)信息輸出，方便對這些樣片再統(tǒng)一排料、裁剪，用來替換原來的含疵樣片。

圖7 含疵樣片提取算法流程圖Fig.7 Flow chart of extraction algorithm of sample with defects

4 實(shí)驗(yàn)及分析

DOCAD每張排料圖在實(shí)際中會(huì)對應(yīng)30層左右的布匹進(jìn)行生產(chǎn)。為了驗(yàn)證本文算法的有效性，以1層含疵牛仔布匹為例，對提出的疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與含疵樣片的拓?fù)潢P(guān)系定位匹配方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。含疵牛仔布匹的幅寬為1.52 m，鋪布機(jī)上鋪布長度為8 m，以采集的含疵布匹圖像作為實(shí)驗(yàn)對象，根據(jù)圖像處理提取出疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)的幾何、形狀、坐標(biāo)信息等參數(shù)信息如表1 所示，包含了6 個(gè)疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)：塊狀(3個(gè)圓形)、帶狀(1個(gè)狹長帶狀、2個(gè)線狀)疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)。

根據(jù)DOCAD女款牛仔夾克打版的排布信息，選擇DOCAD自動(dòng)排料，DOCAD系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成最合理的樣片排布方案，生成的女款牛仔夾克的排料圖(局部)如圖8所示。

樣片上S、M、L標(biāo)記分別表示服裝的小碼、中碼、大碼。DOCAD系統(tǒng)根據(jù)排料圖自動(dòng)生成樣片信息，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中DXF與BMP文件轉(zhuǎn)換算法， 可將排料圖輸出的DXF文件轉(zhuǎn)換成BMP位圖形式，對位圖形式的排料圖采用模板匹配法確定每個(gè)樣片的類型和邊界范圍，結(jié)合疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)信息，利用上述建立的疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的交集矩陣模型對含疵樣片進(jìn)行自動(dòng)定位，準(zhǔn)確找到了6個(gè)含疵樣片的位置和編號(hào)。含疵樣片對應(yīng)的樣片圖像如圖9所示。

表1 疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)信息Tab.1 Defects mark information

圖8 DOCAD中的女款牛仔夾克的排料圖(局部)Fig.8 Layout diagram of female denim jacket in DOCAD (partial)

圖9 相應(yīng)編號(hào)的含疵樣片圖Fig.9 defect patterns with corresponding numbes

根據(jù)含疵樣片所對應(yīng)的DOCAD排料圖輸出的樣片信息(碼數(shù)、種類等)，與樣片庫中標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行比對，重新排料并在自動(dòng)裁床上裁出新的合格樣片進(jìn)行更替。

通過上述實(shí)驗(yàn)，可確定所建立的疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的交集矩陣模型能夠根據(jù)疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)坐標(biāo)信息和樣片排料信息實(shí)現(xiàn)含疵樣片的準(zhǔn)確提取。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明含疵樣片的定位與準(zhǔn)確提取率達(dá)到95%以上，發(fā)生提取失誤的情況主要發(fā)生在對跨多樣片的長線型疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)匹配上。

5 結(jié) 論

本文針對織物疵點(diǎn)直接自動(dòng)檢測與提取難度大、準(zhǔn)確率低的問題，結(jié)合服裝生產(chǎn)具體環(huán)節(jié)應(yīng)用特點(diǎn)，在服裝布料的鋪布環(huán)節(jié)中提出了對疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行二次識(shí)別，尋找疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片之間的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)含疵樣片提取的方法。疵點(diǎn)的分類標(biāo)識(shí)有效降低了二次識(shí)別的難度，對于常見疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)可以做到全部正確檢出。通過對不同特征的疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行歸類比較，建立起疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)與樣片的交集矩陣模型，對織物疵點(diǎn)標(biāo)識(shí)圖像處理結(jié)果、樣片特征數(shù)據(jù)提取結(jié)果建立匹配算法，實(shí)現(xiàn)了含疵樣片的定位與提取，含疵樣片的定位與準(zhǔn)確提取率達(dá)到95%以上，其中對跨多樣片的長線型標(biāo)識(shí)的匹配算法需進(jìn)一步研究。本文研究與服裝設(shè)計(jì)、加工過程緊密結(jié)合，可有效銜接設(shè)計(jì)、排料、裁剪工藝環(huán)節(jié)，減少人工樣片檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，在牛仔布、針織品、麻布品等各種單色織物的服裝加工過程中具有廣泛的應(yīng)用前景。