花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法研究

關(guān)鍵詞：花式紗線;條干檢測(cè);相機(jī)畸變;標(biāo)定;機(jī)器視覺;圖像處理;寬度序列

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言（Introduction）

紗線是紡織工業(yè)中最重要的生產(chǎn)原材料之一，它的生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)紡織品生產(chǎn)效率的提升起著舉足輕重的作用[1]。因此，對(duì)生產(chǎn)過程中的紗線品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于保障紗線品質(zhì)、減少原材料損耗具有重要的研究意義。

新型花式紗線具備豐富的紋理、色彩、觸感等特征[2]，因此逐漸占領(lǐng)紡織品市場。然而，傳統(tǒng)紗線品質(zhì)檢測(cè)方法已經(jīng)無法滿足日新月異的紡紗生產(chǎn)需求?；谝陨媳尘?，研究學(xué)者基于機(jī)器視覺技術(shù)開展了花式紗線的條干、變異系數(shù)、毛羽等方面的研究。但是，采用視覺傳感器進(jìn)行圖像采集時(shí)，視覺傳感器畸變會(huì)影響檢測(cè)精度。針對(duì)上述問題，JUAREZ-SALAZAR等[3]提出基于畸變針孔模型的迭代標(biāo)定法，通過標(biāo)定高徑向畸變攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，使標(biāo)定后的結(jié)果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)模型。索鑫宇等[4]利用交比不變性原理對(duì)二維空間的線掃相機(jī)模型進(jìn)行求解，提出了利用畸變變化量的畸變擬合策略。JIN等[5]提出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)攝像機(jī)畸變校正方法，基于原始圖像和參考圖像投影之間形變的目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算原始圖像和參考圖像投影之間的密集特征，以達(dá)到優(yōu)化相機(jī)參數(shù)、消除形變的目的。綜上所述，畸變校正是一種用于提升檢測(cè)精度的重要方法。

本文提出一種花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法，構(gòu)建紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上對(duì)采集的紗線圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像降維，從而獲得用于表征紗線條干的寬度序列，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法（Calibration method of visual sensor foryarn evenness detection）

1.1 基于機(jī)器視覺的紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)

選用杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的全局快門CMOS 相機(jī)MV-CH050-10UC 和鏡頭MVL-HF0624M-10MP，構(gòu)建了如圖1所示的基于機(jī)器視覺的紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)。

視覺傳感器采集在圖像采集區(qū)域內(nèi)傳動(dòng)的紗線圖像，將其上傳給PC（Personal Computer）進(jìn)行顯示和分析。導(dǎo)紗輪調(diào)整紗線經(jīng)過圖像采集區(qū)域的位置，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的絡(luò)筒機(jī)提供紗線的牽引力實(shí)現(xiàn)紗線的傳動(dòng)，三相電機(jī)調(diào)速器控制紗線的傳動(dòng)速度。為更好地凸顯紗線輪廓，本文選用LED（LightEmitting Diode）背光源的方式采集紗線的圖像，采集的圖像大小為800×2 200像素。

1.2 視覺傳感器標(biāo)定

視覺傳感器是花式紗線圖像采集過程中極其重要的元件之一。工業(yè)相機(jī)中CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）傳感器在制造過程中存在一些固有的缺陷和非線性特性[6]，將導(dǎo)致采集的花式紗線圖像存在一定的偏差，從而影響條干的檢測(cè)結(jié)果。因此，必須對(duì)原理樣機(jī)中的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定和校正。本文使用棋盤格標(biāo)定板，采用數(shù)字圖像處理方法對(duì)相機(jī)畸變進(jìn)行標(biāo)定和校正。相機(jī)的標(biāo)定和校正主要分為3個(gè)部分：映射變換矩陣獲取、相機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解及畸變系數(shù)求解和校正。

1.2.1 映射變換矩陣

通過角點(diǎn)匹配建立畸變圖像與標(biāo)定板之間的映射變換矩陣。該過程需用到像素坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系。像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為點(diǎn)O，橫坐標(biāo)u和縱坐標(biāo)v分別代表圖像的行數(shù)和列數(shù)。圖像物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)O 是相機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，采用實(shí)際物理長度單位，x軸和y 軸分別與u 軸和v 軸平行。假設(shè)（u，v）為像素坐標(biāo)系u-v 下的坐標(biāo)，dx 和dy 分別為每個(gè)像素在x軸和y 軸的物理尺寸，像素坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系的示意圖如圖2所示。

相機(jī)坐標(biāo)系以相機(jī)光心O 為原點(diǎn)，X、Y 分別平行于x軸和y 軸，Z 與光軸重合，其中光心O到圖像平面O的距離為相機(jī)焦距f，相機(jī)坐標(biāo)系如圖3所示。

2 基于視覺傳感器的紗線條干檢測(cè)實(shí)驗(yàn)（Experiment for yarn evenness detection based onvisual sensor）

利用設(shè)計(jì)的紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)開展花式紗線條干檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，主要包括視覺傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和花式紗線條干檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1 視覺傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

選用GP050-12*9鋁基標(biāo)定板開展紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)中視覺傳感器的標(biāo)定，鋁基標(biāo)定板中方格邊長為3 mm，圖案陣列為12×9，圖案尺寸為36 mm×27 mm，標(biāo)定板的外形尺寸為50 mm×50 mm，精度為±0.01 mm。拍攝不同位置、不同角度下標(biāo)定板的一系列圖像，用于獲取圖像中的角點(diǎn)信息，圖7（a）為旋轉(zhuǎn)0°的標(biāo)定板圖片，圖7（b）為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°的標(biāo)定板圖片，圖7（c）為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°的標(biāo)定板圖片。

根據(jù)包含這些圖像但不限于這些標(biāo)定板圖片的角點(diǎn)信息，利用“1.3”節(jié)的理論對(duì)相機(jī)內(nèi)參解算和畸變參數(shù)進(jìn)行解算，相機(jī)內(nèi)參解算結(jié)果如表1所示。

畸變參數(shù)解算結(jié)果如表2所示。

利用表1和表2的參數(shù)解算結(jié)果進(jìn)行校正。圖8給出了一組畸變校正前和畸變校正后的效果對(duì)比圖。圖8（a）是畸變校正前拍攝標(biāo)定板的效果圖，圖8（b）是畸變校正后拍攝標(biāo)定板的效果圖。

由圖8（a）可以看出，未進(jìn)行畸變校正的圖像存在明顯的扭曲現(xiàn)象，但由圖8（b）可以看出，經(jīng)過畸變校正后，該扭曲現(xiàn)象得到了顯著抑制。

2.2 花式紗線條干檢測(cè)

在視覺傳感器標(biāo)定和紗線圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，開展花式紗線條干檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，主要包括花式紗線平均直徑測(cè)試和花式紗線條干均勻度檢測(cè)。

2.2.1 花式紗線平均直徑測(cè)試

連續(xù)采集100幅花式紗線的圖像，對(duì)其進(jìn)行圖像預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上求取標(biāo)定校正前后紗線的平均直徑。與此同時(shí)，使用無畸變的相機(jī)鏡頭同樣采集這100幅紗線圖像，求取紗線的平均直徑，將其作為真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比。100幅花式紗線圖像中每幅圖像的平均直徑測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，根據(jù)本文提出的圖像預(yù)處理、畸變校正方法進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，校正后的花式紗線平均直徑的測(cè)量結(jié)果明顯優(yōu)于未校正的花式紗線平均直徑測(cè)量結(jié)果，并且校正后的花式紗線測(cè)量結(jié)果與無畸變相機(jī)測(cè)得的結(jié)果基本一致。根據(jù)公式（16）得到測(cè)量相對(duì)誤差，100幅花式紗線圖像中每幅圖像的平均直徑測(cè)量相對(duì)誤差如圖10所示。

由圖10可以看出，花式紗線的平均直徑測(cè)量相對(duì)誤差相對(duì)較小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，與未標(biāo)定的紗線平均直徑測(cè)量值相比，標(biāo)定后的紗線平均直徑測(cè)量值提高了4.48%，表明本文提出的用于花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法能夠有效改善相機(jī)畸變對(duì)紗線平均直徑測(cè)量的影響。

2.2.2 花式紗線條干均勻度檢測(cè)

根據(jù)測(cè)量的紗線直徑，利用公式（15）計(jì)算100幅花式紗線校正前后的條干變異系數(shù)，并將其與無畸變相機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，花式紗線的條干變異系數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，校正后的花式紗線條干變異系數(shù)的測(cè)量結(jié)果更加接近無畸變相機(jī)的測(cè)量結(jié)果。利用公式（16）計(jì)算100幅花式紗線校正前后的條干變異系數(shù)的測(cè)量相對(duì)誤差，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出，校正后的花式紗線條干變異系數(shù)的測(cè)量相對(duì)誤差更小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，與未標(biāo)定的紗線條干變異系數(shù)相比，標(biāo)定后的紗線條干變異系數(shù)降低了8.92%，表明本文提出的視覺傳感器標(biāo)定方法能夠有效改善相機(jī)畸變對(duì)紗線條干變異系數(shù)的影響。

綜上，本文提出的花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法能夠有效且準(zhǔn)確地測(cè)量花式紗線的條干。

3 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)基于機(jī)器視覺的花式紗線條干檢測(cè)技術(shù)存在相機(jī)畸變、易受環(huán)境光照影響等問題，本文提出一種花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法。為此，構(gòu)建基于機(jī)器視覺的花式紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)，利用棋盤格標(biāo)定板對(duì)樣機(jī)中的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，求解相機(jī)內(nèi)參和畸變系數(shù)，并進(jìn)行校正。此外，提出圖像預(yù)處理和圖像降維的策略，實(shí)時(shí)捕獲用于表征紗線條干的寬度序列，有效解決了系統(tǒng)易受環(huán)境光照影響的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過標(biāo)定后的紗線條干檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效抑制相機(jī)畸變對(duì)紗線條干檢測(cè)的影響，標(biāo)定后的紗線平均直徑測(cè)量值相比于未標(biāo)定的紗線平均直徑提高了4.48%，標(biāo)定后的紗線條干變異系數(shù)相比于未標(biāo)定的條干變異系數(shù)降低了8.92%。以上結(jié)果表明，本文提出的花式紗線條干檢測(cè)的視覺傳感器標(biāo)定方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)相機(jī)畸變校正。這一方法不僅提升了檢測(cè)精度，而且為基于機(jī)器視覺技術(shù)的紡紗質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了有益的參考和借鑒。

作者簡介：

楊承翰（1999-），男，碩士生。研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)，機(jī)器視覺。

張建鵬（2000-），男，碩士生。研究領(lǐng)域：機(jī)器視覺，嵌入式開發(fā)。

徐云（1987-），女，博士，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)器視覺，嵌入式開發(fā)。本文通信作者。