织物经纬密度测量

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3.0 陈辉 2024-11-20 10 4 4.11MB 59 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 引言

纺织工业是我国的重要支柱产业之一，然而长期以来，纺织品检测标准与测

试方法一直未与国际接轨，成为阻碍纺织品进出口的一个重要壁垒。因此，加强

检测技术的研究，成为纺织业越来越重要的问题。纺织品经纬纱线的密度测试，

是纺织品检验中最常见的测定项目，它是衡量织物内在质量的一个重要指标[1]。

国家标准GB/ T4668 - 1995《机织物密度的测定》标准规定了三种测量方法：

A、织物分解法；B、织物分析镜法；C、移动式织物密度镜法[2]。标准规定，

可以根据织物的特征，选用三种方法中的一种，但在有争议的情况下，建议采用

方法A。

(A) 织物分解法[3]

将固定长度的待测样品从边缘起逐根分解、拆清，并计算在该长度范围内的

纱线根数。该方法的优点是适用性广，可用于所有织物的密度测定，尤其是对于

不易观察的重叠结构和具有复杂组织的织物更为适用，并且试验结果准确可靠，

因而可以在仲裁试验中采用。其缺点是繁琐耗时，破坏性大，所以在一般的物理

测试中不被采用，在外观检验中更不可以采用。

(B) 织物分析镜法

将织物分析镜置于平整的织物表面，使分析镜窗口和纱线方向平行，并计算

窗口内的纱线根数。也可计算窗口内的完全组织个数，通过织物组织分析或分解

该织物，确定一个完全组织中的纱线根数。

移动式织物密度镜和织物分析镜相似，只是，移动式织物密度镜上内装有10

至20倍的低倍放大镜，这样便于人眼分辨织物的纱线。同时该装置有传动螺杆，

可以通过旋转螺杆来带动镜头基座的移动。这样，计算镜头基座中心刻线移动的

距离以及在此长度内的纱线根数就可以计算出织物的纱线密度了。织物密度镜的

实物图如图1-1所示：

织物经纬密度测量

图1-1 Y511B型织物密度镜

织物分析镜法和移动式织物密度镜法均为放大镜观察计数，共同优点是比较

准确，而且携带方便，测试时不破坏被测样品，所以应用比较广，在外观与理化

试验中被广泛采用；缺点是在测定过程中，需要眼睛对准放大镜重复多次计数，

容易造成测试人员的视觉疲劳，对于专职物理测试人员来说，往往要连续试验几

个样品，疲劳状况尤其严重[3]。

这三种方法均为手工测量，劳动强度大，出错率高，效率低，受主观因素影

响较大。而目前国内纺织企业仍旧沿用这些落后的手工测量方法，尤其是使用移

动式织物密度镜最为普遍。设计出先进的检测装置，可以使针织面料的设计和开

发人员提高效率，从而缩短新面料的研制周期，对企业有积极的帮助。

§1.2 织物密度测量理论的研究现状

纺织业是传统制造行业，用信息技术改造这个行业是科技工作者面临的任务

之一，而对织物组织结构进行数字分析是其重要内容，其中包括分析织物的密度。

有关织物组织结构自动识别的研究始于20世纪80年代中期的日本，经历了从

光学计算到数字图像处理的过程。1986年，Ryuichi Akiyama等提出了通过分析织

物衍射光分布模式判别组织类型的方法。他们在光学领域对组织识别进行了探索。

其主要原理是首先得到织物的衍射照片，然后测量负片上亮点的大小及间隔，最

后计算结构函数得到织物的组织类型。同时，Ryuichi Akiyama还用数字图像处理

程序证实了以上关系在其它衍生组织中的适用性。由于夫朗和费衍射模式等同于

傅立叶变换，因而，该模型为后来用数字图像处理实现织物结构的自动分析提供

了有益的启示[4]。90年B.Xu、Convey.S、Hashim.A、McGimity.M、Lin、H.c等人在

该领域也有所研究。他们的研究大多集中在织物组织识别方面。近十几年来，韩

国和日本在这方面的研究占有比较领先的地位，研究较多，也较深入[5]。

我国对于计算机在纺织方面的应用研究，大多数集中在纺织品的计算机辅助

第一章绪论

设计，但是，对于它的逆过程——织物组织结构的自动识别研究较少，现有的一

些研究也仅仅停留在实验室探索阶段，还未用于实际生产。90年代以来，我国在

这方面的研究也逐渐增多，几所纺织大学都在这方面进行过一定的探索，如东华

大学、西安工程科技学院、武汉科技学院和天津工业大学等在织物经纬密度方面、

江南大学在织物识别方面也做了一定的研究[3]。1999年辛斌杰等利用傅立叶变换技

术来提取经纬纱线的空间频率信息，测量织物的经纬密度。其主要原理是利用傅

立叶变换的快速算法，得到织物图像的频谱图，通过频谱分析织物的经纬密度[6]；

2001年冯毅力等用小波变换方法对机织物图像进行处理，实现织物经纬密度的自

动测量。其主要方法是对图像进行小波分解和重构，将经纬纱线转变成直线，用

程序很方便地自动计算出纱线密度。试验证明对色织物也是可行的[7]。2002年江南

大学的高卫东等利用机织物由相互垂直的纱线系统交织而成和纬纱分布相对均匀

的特点，首先计算出织物图像沿纱线方向的亮度值，再对亮度信号进行傅立叶变

换和波谷提取运算，精确确定织物图像上纬纱所在位置和纬纱密度[8-9]。2002年东

华大学的李立轻等提出了建立机织物自适应小波分解滤波器并研究了机织物密度

自动检测的方法，并取得了一定的成果。该方法对不同的织物纹理如平纹、斜纹、

缎纹等组织结构的织物，均能够测量其织物密度。但对于印花织物、色织物等，

由于颜色对纹理结构的影响比较大，该方法还需要进一步完善[10-11]。2004年东华大

学的赵延旭等用快速傅立叶变换提取针织物的频谱信息，进行滤波处理以提高频

谱图的锐度，沿其水平和垂直方向分别进行投影检测，来获得针织物的经纬密度。

该方法能解决针织物本身结构特殊性带来的图像处理问题，相对以往的研究主要

是针对机织物，有所进步，不过目前只能对一些简单针织物进行处理，还需进一

步完善[12]。

§1.3 织物密度测量产品的开发现状

虽然对织物经纬密度测量的理论研究取得了一些成果，而真正把理论应用到

实际并向市场推出产品的并不多。

韩国的Tea Jin Kang等学者开发自动识别系统比较完善，但仅限于用在单层织

物的分析中，不能识别复杂织物的织物组织结构[13]。

近年来最成功的产品为瑞士TEXTEST公司开发的密度分析仪FX3250，如图

1-2所示，属于嵌入式光电检测仪，由光学成像系统、CCD光电转换系统、基于DSP

或ARM的数据处理系统和液晶显示屏构成。用LED灯管对织物均匀照明，成像于面

阵CCD上，再通过处理电路将明暗相间的织物条纹转换成电压信号，经带通滤波电

路滤波处理和整形电路整形处理使图像信号变成有规则的脉冲信号，最后经数据

织物经纬密度测量

处理系统计算织物密度，显示在液晶屏上。该密度仪只有香烟盒大小，使用2节5

号电池供电，能快速准确地测定机织物、金属丝编物或筛网的线密度，也可测定

针织物的线圈密度，特殊的光源系统能够排除色彩和图案的影响，即使是彩色有

图案的样品，FX3250也能给出精确的结果，误差小于1%。FX3250测量精确迅速，

便于携带，能很好地运用于纺织品密度的在线检测，是未来织物密度检测的趋势，

但现阶段成本过于高昂，接近万元的售价使其难以应用于国内纺织业；为了加快

处理速度，该密度仪采用线性CCD，使得一次只能测量一个方向的密度，并且测

试需要对准角度，否则会存在倾斜误差[3]。

图1-2 FX3250型经纬密度仪

§1.4 课题的意义和论文主要内容

我国是纺织品生产大国，织物密度检测仪器的市场需求巨大，而由于对织物

结构自动识别的研究尚处于起步阶段，还没有成熟的产品推向市场。应开发具有

自主知识产权的织物密度检测仪，可以大幅度提高测量效率，促进生产力的发展。

而前面介绍的这些研究主要是着眼于后期的图像处理环节，而欠缺对整个系

统的研究，它们大部分都是用现成的扫描仪或数码相机捕获图像，分辨率虽高但

操作繁琐、费时，不利于集成。并且在处理算法上也存在一定的不足，要求所处

理图像的经纬线对准垂直和水平方向，这样更增加了操作的难度，使得总的测试

时间过长，而当织物表面存在大量花纹图案等干扰时，没有给出相应的处理方法，

算法适应性差，难以应用于实际生产。总体上讲，目前的密度测量理论仍然不够

完善。

论文从开发产品的角度提出了用嵌入式系统来实现整个测量系统的方案。绪

论部分阐述了国内外织物测量领域的发展状况。通过分析其发展趋势，总结出采

用嵌入式系统实现织物密度检测的优势。第二章，详细描述了嵌入式系统硬件的

实现过程。整个嵌入式测量系统主要包括光学系统、图像处理系统和机械结构。

光学系统包括成像模块和照明模块，光学系统的设计主要涉及光学系统的放大率、

第一章绪论

物象位置关系、光强分布和分辨率匹配等。这些参数通过多次实验验证和修改后

得到最终确定。图像处理系统主要由多个外部电路模块组成，这些模块功能各异，

通过时序协调工作，并在总线上得到互连。最后给出了机械结构的装配模拟，将

各个模块有机组合在一起，使整个系统显得更加简洁、方便。第三章，主要分析

基于嵌入式系统的软件设计。由于嵌入式系统资源受限的特点，要求运行在系统

内部的算法简洁高效，而且算法要有比较好的适应性和稳定性。一般测量，以素

色织物为主，素色织物处理方法比较简单，处理过程，效率优先；而对于带复杂

图案的织物，处理过程比较复杂，需要考虑的因素较多，运算量也比较大。因此

针对不同的织物，给出了不同的处理途径。对于带复杂图案的织物，甚至对该部

分的程序作了重点优化。第四章对实验结果进行分析和讨论。第五章对论文工作

总结和展望。

织物经纬密度测量

第二章测量系统硬件设计

§2.1 总体方案选择

近几年来，作为信息最佳代表形式之一的图像及其处理已经逐步成为众多学

科的融合点，应用于实际生产，为人类带来了巨大的经济和社会效益。随着科学

技术的迅猛发展，基于单片机、ARM、DSP 等的嵌入式技术已日臻成熟，用嵌入

式芯片搭建一个完整的系统作图像检测或处理的条件也日益完善[14]。

针对不同的应用，图像处理系统对硬件平台的要求也不一样。对于低端的图

像检测处理系统，其前端图像采集模块一般采用线阵 CCD 或像素不高的面阵

CCD，像素点不高，数据量不大，因此一般的单片机或低端的 DSP 就可以胜任。

而对于一般的静态图像处理系统，其像素点数明显增加，一般都有几十万、几百

万像素点数，图像传感器可以是彩色的或者是黑白的，可以采用 CCD 输出视频信

号作为数据输入源，再经过解码芯片转换为数字信号，也可以直接采用 CMOS 图

像传感器，直接获得数字图像数据。但因为只是对静态图片处理，一般的 ARM 芯

片或中高频的 DSP 比较合适；而对于高端图像处理系统，比如视频压缩之类的，

因为要对多幅图片连续处理，运算量巨大，不仅需要很高的芯片工作频率，而且

对存储系统等也会有很高的要求，这种系统一般由高端 DSP 和大量高速外围存储

器构成，或者用 FPGA 直接形成片上系统，在要求更高的场合，甚至采用分布式

多处理器系统。

本系统只要处理静态图片，属于第二类。在芯片和外设选择上只要能满足性

能要求即可。ARM 和DSP 都可以作为处理器，DSP 芯片的优势在于速度，ARM 芯

片的优势在于性价比，而且 ARM 支持内存管理等，可以支持操作系统，外围设备

接口也比较丰富，还有一个很重要的优势在于，ARM 技术发展比较成熟，能比较方

便地获得更为详尽的技术支持。为了降低开发难度，缩短开发周期，同时综合 ARM

上述优点，本系统采用一块带 ARM9 内核的芯片 EP9307 作为核心芯片并配备相

关外围设备构成嵌入式图像处理系统。系统整体架构如图 2-1 所示，核心部分包

括光学系统、图像采集模块、图像处理模块和显示模块。当然，整个系统还包括

机械支撑和软件算法部分。

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第一章绪论1第一章绪论§1.1引言纺织工业是我国的重要支柱产业之一，然而长期以来，纺织品检测标准与测试方法一直未与国际接轨，成为阻碍纺织品进出口的一个重要壁垒。因此，加强检测技术的研究，成为纺织业越来越重要的问题。纺织品经纬纱线的密度测试，是纺织品检验中最常见的测定项目，它是衡量织物内在质量的一个重要指标[1]。国家标准GB/T4668-1995《机织物密度的测定》标准规定了三种测量方法：A、织物分解法；B、织物分析镜法；C、移动式织物密度镜法[2]。标准规定，可以根据织物的特征，选用三种方法中的一种，但在有争议的情况下，建议采用方法A。(A)织物分解法[3]将固定长度的待测样品从边缘起逐根分...

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