基于毛羽圖像檢測的漿紗抗起毛性能評價

郭 敏， 王靜安， 郭明瑞， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué)), 江蘇 無錫 214122)

為應(yīng)對織造載荷下的拉伸、摩擦和彎曲作用，通常需對經(jīng)紗進(jìn)行上漿處理。漿紗工序除了可以使紗線增強(qiáng)外，其更重要的作用在于使紗線表面的毛羽貼伏，同時抑制其表面在織造載荷作用下形成的次生毛羽。傳統(tǒng)的漿紗性能[1-3]表征普遍關(guān)注漿紗相比于原紗的斷裂強(qiáng)力[4-5]、耐磨次數(shù)[6]、表面毛羽[7]等層面的性能提升，但較少針對漿紗抵抗次生毛羽[8]形成的能力(抗起毛性能)提出有效的表征手段。本文采用自主研制的JN-01漿紗耐磨性能測試儀[9]模擬漿紗織造載荷，采用圖像處理技術(shù)檢測織造載荷作用后的漿紗毛羽量，提出對漿紗抗起毛性能的有效表征手段，并探究次生毛羽隨織造載荷作用次數(shù)的變化規(guī)律。

現(xiàn)行的紗線毛羽檢測的方法主要有目測法、光電法和圖像法。目測法由于其測試效率低，且測試結(jié)果受人為因素影響大而較少采用；光電法的測試結(jié)果較為穩(wěn)定準(zhǔn)確，是目前采用最為廣泛的毛羽測試方法，但其所需測試樣本長度通常超過100 m，無法應(yīng)用于樣本長度較小的受測試紗線。相較于前2種方法，圖像法能夠精確定位并測量短片段紗線表面的毛羽，適用于漿紗織造載荷模擬設(shè)備產(chǎn)生的紗線樣本。目前，孫銀銀等[10]結(jié)合視頻顯微鏡和圖像處理技術(shù)，獲得完整的紗線條干和毛羽圖像，實現(xiàn)了紗線毛羽長度和根數(shù)的準(zhǔn)確檢測；Wang等[11]利用鏡像圖像完成了對紗線毛羽的多角度測量；陸奕辰等[12]采用圖像處理技術(shù)，統(tǒng)計了黑板毛羽圖像中毛羽像素點數(shù)量，對紗線黑板毛羽量進(jìn)行了檢測；李忠健等[13]利用毛羽圖像的散焦程度恢復(fù)毛羽的深度信息，實現(xiàn)了二維平面下的三維長度測量。根據(jù)圖像采集環(huán)境不同，各類圖像方法的適應(yīng)性亦不同，本文在JN-01漿紗耐磨性能測試儀的基礎(chǔ)上，搭建機(jī)器視覺檢測模塊，針對性地構(gòu)建包括紗線主干分割、紗線毛羽分割、主摩擦區(qū)間定位、毛羽指標(biāo)提取等算法的紗線毛羽檢測方法，實現(xiàn)織造載荷作用后漿紗表面次生毛羽的自動化檢測。

當(dāng)前，漿紗在織造載荷作用下的次生毛羽的變化規(guī)律尚不明確，并未有研究提出次生毛羽相關(guān)的漿紗抗起毛性能表征手段。為此，本文在實現(xiàn)織造載荷模擬及次生毛羽自動化檢測的基礎(chǔ)上，探究次生毛羽的變化規(guī)律，建立客觀表征漿紗抗起毛性能的評價指標(biāo)。

1 紗線圖像采集

1.1 實驗材料

將14.5 tex純棉紗在XSY617型片紗漿紗機(jī)(江陰祥盛紡印機(jī)械設(shè)備有限公司)上進(jìn)行上漿。將氧化淀粉、聚乙烯醇(PVA)、丙烯和蠟片按照40∶17∶4∶2.5的質(zhì)量比調(diào)漿。通過不同的漿液濃度與壓漿力配合，制備不同上漿率的漿紗，試樣編號和具體上漿工藝參數(shù)如表1所列。

表1 試樣上漿工藝參數(shù)Tab.1 Sizing process parameters of samples

1.2 測試儀器

采用JN-01漿紗耐磨性能測試儀模擬了紗線在織機(jī)上的開口、打緯、送經(jīng)和卷取運(yùn)動，儀器的可調(diào)參數(shù)包括工作頻率、紗線張力、開口動程、筘座擺角、卷取速度以及織造載荷作用次數(shù)。為采集織造載荷反復(fù)作用后的紗線圖像，在測試儀上搭建圖像采集裝置,如圖1所示，包括JN-01漿紗耐磨性能測試儀、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)面陣相機(jī)、LED均勻平板光源、光源控制器、支架及相應(yīng)的圖像采集和處理軟件。為獲取清晰的紗線毛羽圖像，相機(jī)通過支架固定在與紗線平行的摩擦區(qū)域正上方，采用LED面光源從紗線側(cè)面提供照明。

圖1 紗線圖像采集裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of yarn image acquisition device

1.3 參數(shù)設(shè)置

JN-01漿紗耐磨性能測試儀的實驗參數(shù)設(shè)置為：工作頻率 180 r/min, 紗線上機(jī)張力24.7 cN/根，開口動程32 mm，筘座擺角12°,卷取速度3 mm/min。測試前，待測紗樣需在溫度為(20±0.5) ℃，相對濕度為(65±2)%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度下平衡至少24 h，并在此溫濕度環(huán)境下進(jìn)行測試。為研究紗線在織造載荷的整個作用過程中次生毛羽的形成情況，摩擦次數(shù)分別取值為0、20、40、60、80、100(約為紗線耐磨壽命的50%)。在不同的摩擦次數(shù)設(shè)置下，對每種漿紗取樣30根。相機(jī)分辨率為1280像素×800像素，曝光時間為41 ms，輸出圖像為24位bmp圖像，1幅圖像中包括測試紗線中的6根紗線。

2 紗線毛羽分析

根據(jù)所獲取的紗線圖像，提出一種雙大津閾值圖像分割算法，用以分割紗線圖像中的主干與毛羽，最終根據(jù)該測試儀對漿紗的摩擦特點，定位主摩擦位置區(qū)間，計算毛羽總量。

2.1 紗線主干分割

本文所獲取的紗線圖像示例如圖2(a)所示，其中背景的亮度較低，紗線主干的亮度較高，紗線毛羽的亮度則與背景更為接近。由于紗線毛羽在圖像中所占像素點比例較低，且與背景更為接近，可初步忽略其對圖像分割的影響，直接采用大津閾值分割算法fotsu，求取使得類間方差最大的亮度t1作為閾值，分割原始紗線圖像I，獲得初步主干分割結(jié)果Ict，即

t1=fotsu(I)

(1)

(2)

式中，(x,y)為圖像中的像素點坐標(biāo)。初步主干分割結(jié)果Ict中，紗線主干附近存在部分因毛羽造成的毛刺邊緣，因此采用形態(tài)學(xué)開運(yùn)算，獲得紗線主干分割結(jié)果Ic，即：

Ic=(IctΘB)⊕B

(3)

式中：B為結(jié)構(gòu)元素，尺寸選擇3×3；Θ與⊕分別為形態(tài)學(xué)腐蝕與膨脹運(yùn)算。紗線主干分割結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 紗線主干和毛羽分割Fig.2 Segmentation of yarn evenness and yarn hairiness.(a) Original image of yarn; (b) Segmentation image of yarn evenness; (c) Enhancement image of yarn; (d) Segmentation image of yarn hairiness

2.2 紗線毛羽分割

如前文所述，圖像中的毛羽亮度與背景較為接近，這是由于毛羽本身是尺度極小的圓柱體對象，難以構(gòu)建能夠令其在不同方向均充分反光的照明環(huán)境，因此,毛羽在圖像中的亮度分布并不均勻，且整體亮度不高。為此，須采用圖像增強(qiáng)技術(shù)，提高毛羽亮度，輔助毛羽的分割。在本文所采集的紗線圖像中，紗線主干均豎直排列，因而由紗線主干伸出的毛羽其邊緣普遍在水平方向具有較強(qiáng)的響應(yīng)。由此，本文首先采用拉普拉斯算子clap對原始紗線圖像I進(jìn)行整體增強(qiáng)，再采用水平方向的Sobel算子csobel對紗線毛羽所在部分進(jìn)行針對性增強(qiáng)，得到增強(qiáng)后圖像Ie。具體運(yùn)算如下：

Ie=I-I?clap-α(I?csobel)

(4)

式中，?為卷積運(yùn)算。圖像增強(qiáng)的結(jié)果如圖2(c)所示。

(5)

(6)

紗線毛羽分割的結(jié)果如圖2(d)所示。

2.3 圖像裁剪

2.4 主摩擦區(qū)間定位

紗線在摩擦測試中，筘座擺角為12°，磨料對紗線的摩擦長度約為12 mm，考慮到紗線以3 mm/min的速度前行，取實際受到反復(fù)摩擦最為嚴(yán)重的區(qū)域為主摩擦區(qū)間，其長度為6 mm，即圖像中累計毛羽總量最大的6 mm位置區(qū)間。為此，首先計算紗線毛羽分割結(jié)果If的水平投影曲線ff，計算方法如下：

(7)

式中：w為圖像像素寬度；h6為圖像中6 mm位置區(qū)間對應(yīng)的像素數(shù)量。以ff取值最大的位置imax定義主摩擦區(qū)間[imax,imax+h6]。

2.5 毛羽量指標(biāo)提取

(8)

式中：i=1,2，…,6；p為圖像中像素與毫米的換算系數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

檢測經(jīng)不同次數(shù)織造載荷作用后紗線表面的毛羽量，建立載荷作用次數(shù)-毛羽量映射模型，并以此構(gòu)建紗線抗起毛性能評價指標(biāo)。

3.1 實驗結(jié)果

以4種紗線作為測試對象，對不同摩擦次數(shù)下每種紗線采樣30次，以前述的紗線毛羽檢測方法獲取每個樣本的毛羽量，并求取30個樣本的均值。4種紗線試樣的載荷作用次數(shù)-毛羽量檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 載荷作用次數(shù)-毛羽量檢測結(jié)果Fig.3 Test results of loading times-hairiness

由圖3可知：1)隨載荷作用次數(shù)的增加，開始時紗線的毛羽量快速增長，繼而增速減緩，最終趨于穩(wěn)定；2)紗線未受載荷時的毛羽量為初始毛羽量，反映了上漿貼伏毛羽的效果，隨著上漿率的提高，初始毛羽量下降；3)在實驗所用的3種上漿率情形下，隨著上漿率的提高，漿紗受相同載荷次數(shù)作用后產(chǎn)生的毛羽量下降。

3.2 漿紗抗起毛性能評價

載荷作用次數(shù)-毛羽量變化特征符合對數(shù)函數(shù)模型，如式(9)所示。

y=aln(x+1)+b

(9)

求y的一階導(dǎo)數(shù)得

y′=a/(x+1)

(10)

式中：y為紗線毛羽量；x為載荷作用次數(shù)(摩擦次數(shù))；b為紗線未受載荷作用時(x=0)的初始毛羽量，b值愈小，則紗線愈光潔；a為初始毛羽增長速率，即x=0時的y的一階導(dǎo)數(shù)值，a值愈小，紗線愈不容易起毛。

以式(9)模型對摩擦次數(shù)-毛羽量的實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。

表2 4種紗線的模型擬合結(jié)果Tab.2 Model fitting results of four yarn samples

由表2數(shù)據(jù)可知：4種紗線擬合函數(shù)的判定系數(shù)R2均在0.90以上，表明構(gòu)建的對數(shù)函數(shù)模型的擬合效果好；當(dāng)紗線的上漿率由5.8%(2#)、8.7%(3#)增加到10.5%(4#)，紗線初始毛羽量b在依次減小，分別是原紗毛羽量的42.0%、38.4%和24.7%，表明上漿率提高對貼伏毛羽具有顯著效果；同時隨著上漿率的增加，紗線初始毛羽增長速率a顯著下降，分別僅為原紗的36.7%、25.6%和14.0%，表明上漿率提高對漿紗抗起毛性能提升具有顯著效果。

根據(jù)上述分析，紗線受織造載荷作用后的表面光潔度分別由受載前的初始毛羽量b及受載后毛羽增長速率a決定，因此利用a和b構(gòu)建一個綜合指標(biāo)——起毛指數(shù)：

c=ab

(11)

上述4種紗線的c值如表2所示，其綜合表征了織造載荷作用下的漿紗抗起毛性能，這一性能決定了經(jīng)紗經(jīng)過上漿后毛羽貼伏的效果和受織造載荷作用后起毛的程度。

4 結(jié) 論

針對漿紗在織造載荷下抗起毛性能的檢測與評價，采用圖像技術(shù)獲取不同載荷作用次數(shù)后紗線毛羽量的變化情況，在此基礎(chǔ)上，建立了表征漿紗毛羽抗起毛性能的指標(biāo)，得到如下主要結(jié)論。

1)在JN-01漿紗耐磨性能測試儀上搭建紗線圖像采集裝置，建立了紗線毛羽量的圖像檢測方法，并驗證了方法的可行性和有效性。

2)對紗線承受織造載荷作用次數(shù)與毛羽量之間的關(guān)系采用對數(shù)函數(shù)建模，4種紗樣的擬合度R2均大于0.90，所建模型的參數(shù)為構(gòu)建評價指標(biāo)提供了基礎(chǔ)保證。

3)根據(jù)紗線初始毛羽量和受織造載荷作用后毛羽量增加的速率，提出了評價漿紗抗起毛性能的指標(biāo)——起毛指數(shù)c，實現(xiàn)了漿紗抗起毛性能的客觀評價。