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1、第2 9 卷第6 期 2 0 0 8 年6 月 纺织学报 J o u m a lo f1 色x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 6 J u n 2 0 0 8 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 6 ,0 0 1 J 一0 5 异形纤维截面测量中的边缘检测算法 杨崇倡1 ,冯经明1 ,黄作英2 ,魏蕊1 ,孙瑞玉1 ,王征黎3 ( 1 东华大学机械工程学院,上海2 0 1 6 2 0 ;2 上海交通大学自动检测研究所,上海2 0 0 2 4 0 ; 3 神马实业股份有限公司,河南平顶山4 6 7 0 0 0 ) 摘要边缘
2、检测是数字图像处理中的重要内容之一,也是实现图像分割、特征提取和图像理解的基础;而截面的 特征参数是表征异形纤维截面形状的主要指标。计算机数字图像处理可以提取异形纤维的特征参数来自动识别 不同类型的异形纤维。讨论采用常用的几种经典边缘检测算法对截面形状为五角形的异形纤维图像进行处理的 情况,并通过实验得出这些边缘检测算法的优缺点及结论,以便为正在开发的异形纤维截面自动检测系统的图像 处理技术作铺垫。 关键词边缘检测;纤维截面;异形纤维;测量;图像处理 中图分类号:碣9 4 1 2文献标识码:A A l g o r i t l I l I ls t u d yO fe d g ed e t e
3、c t i o ni np r O f i l e dn b e r sc r o s s - s e c t i o nm e a s u r e m e n t Y A N Gc h o n g c h 锄g ,F E N GJ i n g I I l i n 9 1 ,H u A N Gz u o y i n 9 2 ,w E IR u i l ,s u NR u i y u l ,w A N Gz h e n 班3 ( 1 c o 如酽o ,眦础以E ,铆脚咖,D 0 n 砂,l 砌砂,S 耽啦耐2 0 1 6 2 0 ,既讹; 2 ,讨t 豇船矿A 啪m m 玉眈抛c f 毓踟,w
4、如i 矗阳幻昭铷娩搿匆,眦啦西2 0 0 2 4 0 ,饧扫m ; 3 胁慨砂c o ,删,舟别嘶概,勘啪4 6 7 0 0 0 ,C 砌) A b s t 咫c t E d g ed e e c t i o n i sab a s i cc o n t e n to f d i 百t a li m a g ep r c H e e s s i n g ,a n d i st h eb 鹊eo f i m a g e s e g m e n t a t i o n ,f e a t u r ee x t r a c t i o na n di m a g eu n d e r s t a n
5、d i n g T h ef i b e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r et h ep r i n c i p a l i n d e x e so fs h o 稍n gc r o s s s e c t i o n a ls h 印eo fp 础l e df i b e r r 1 1 l ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp F 0 f i l e d 胁e r sc 肌 b ea c q u i r e db yc o m p u t e rd i
6、g i t a li m a g ep m c e s s i n gs y s t e m 孤dt h et y p eo fp m f i l e d 胁e r s 诵Ub ed i s t i n g t I i s h e d s ot h ep e 面m 啪c e so fs e V e r a lt y p i c a le d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi np e n t a g o n a ls h a p eo f p m f i l e d6 b e ra 陀 d i s c u s s e d M e a n w h i
7、l e , t h e a d v a I I t a g e s a I l d d i s a d v a n t a g e s o ft h e s e a l g o r i t h m a r ed e m o n s t r a t e di nt h e e x p e r i m e n t sa n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n T h i ss t u d y 衍l lp m V i d es o m eb a s i sf o rt h ei m a g ep r o c e s s i n g0 f a u t
8、 o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e mf o rp r o f i l e df i b e rc m s s - s e c t i o n ,w h i c hi sb e i n gd e v e l o p e d K e yw o r d se d g ed e t e c t i o n ;f i b e rc r o s s s e c t i o n ;p r o f i l e df i b e r ;地鹊u r e m e n t ;i m g ep I - o c e s s i n g 纤维的截面直径很小,一般为几至几十微米。
9、对于异形纤维来说表征其截面形状的主要指标是截 面特征参数。目前国内外很多研究者已对一些异形 纤维的特征参数做了研究,但大部分研究仅停留在 手工检测阶段,对异形纤维截面的识别主要还限于 人工法或半自动法( 如剪纸称重法和尺量计算法 等) ,这些方法不但费时费力,而且精度低,数据稳定 性差。随着计算机和计算机图像学技术的快速发 展,用计算机提取纤维的特征参数( 如直径) 来自动 识别纤维的方法已成为快速、准确地检验纤维的新 途径1 1 。 本文对传统边缘检测算法的优缺点进行比较, 以期能为正在开发的异形纤维截面自动检测系统中 的程序编写以及图像处理技术等提供帮助。 1 边缘检测介绍 数字图像处理最
10、早出现于2 0 世纪5 0 年代,早 期图像处理的目的是改善图像的质量,它以人为对 象,以改善人的视觉效果为目的。从7 0 年代中期开 收稿日期:2 0 0 7 0 6 2 5修回日期:2 0 0 7 1 0 一2 4 作者简介:扬崇倡( 1 9 6 卜) ,男,副研究员,博士。研究方向为化纤及机电一体化设计。E - m 胡:y c c d h u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 纺织学报 第2 9 卷 始,随着计算
11、机技术和人工智能、思维科学研究的迅 速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展,作为 一门崭新的学科,在航空航天、生物医学工程、通信 工程、军事、医疗卫生和文化艺术等领域已得到广泛 应用,并逐渐进入纺织行业,人们正在研究将数字图 像处理系统应用于纤维形态的定量分析。 边缘是图像最基本的特征,图像的大部分信息 都存在于边缘中。在数字图像中,边缘就是指图像 中灰度强度有反差变化的那些像素的集合。 2 边缘检测算法简介 边缘检测是图像分析和理解的第一步,也是图 像识别与检测中最基础、最重要的内容之一,其算法 的优劣将直接影响所研制数字图像处理系统的性 能。边缘检测主要包括图像滤波、图形增强、图像检 测
12、和定位,它的实质是采用某种算法来提取图像中 的对象与背景间的交界线。现有的边缘检测方法大 致有:微分法、曲面拟合法、最优算子法。近年来出 现了一些新的边缘检测方法,如神经网络分析法、贝 叶斯方法旧J 、松弛迭代法b 1 等,同时模糊数学、数学 形态学、统计学H 。在边缘检测中也得到了应用。 经典的边缘检测算法,可分为基于一阶微分( 如 R o b e n s 算子,P r e w i t t 算子,s o b e l 算子、K i r s c h 算子和 C 锄n y 算子等) 和基于二阶微分( 如h p l a c e 算子、 G 硼s s h p l a c e 算子等) 的算法。限于文章
13、篇幅,本文 只讨论几种经典的边缘检测算子b 。 2 1 R o b e r t s 算子 R o b e r t s 算子是采用对角方向相邻像素之差近 似检测边缘的算法,公式为 R ,( 石,) = 厂( 戈,) 一厂( 菇+ l ,y + 1 ) ( 1 ) R ,( 算,) = ,( x + 1 ,) ,) 一,( 名,+ 1 ) ( 2 ) R o b e r t s 算子是2 2 算子模板,如图1 所示。 一田 m I 。【_ J 图1R o b e n s 算子模板 F i g 1 R o b e n so p e m t o rt e 唧h t e 2 2P r e 、】r i t
14、 t 算子 为了在检测图像边缘的同时减少噪声的影响, P t e 而t t 算子由2 2 模板扩大到3 3 模板计算差分 算子,并把方向差分运算与局部平均相结合。它的 计算表达式为 P ,( 髫,y ) = “茗+ l ,一1 ) + 八x + 1 ,y ) + 八茗+ l 。 ,+ 1 ) 一 以x l ,y 1 ) + ,( x l ,) 一“茗一l ,+ 1 ) ( 3 ) J P ,( 名,) = 八一l ,+ 1 ) + “x ,y + 1 ) + 八x + 1 , ,+ 1 ) 一 ,( z l ,) ,一1 ) + 以x ,一1 ) 一“x + l ,一1 ) ( 4 ) P r
15、 e w i t t 算子利用图2 所示的2 个模板来作卷 积,一个模板对通常的垂直边缘影响最大,另一个模 板对水平边缘影响最大,取2 个卷积的最大值作输 出,运算结果就是一幅边缘图像。 圜州训卜口 图2P r e w i t t 算子模板 F i g 2 P r I ,w i t to p e r a t o rt e m p l a t e 2 3 S o b e l 算子 该算子采用像素左右上下邻域的灰度加权算 法,根据边缘点处达到极值的原理进行检测。定义 如下: s ,( 石,) = “茗+ 1 ,一1 ) + 2 厂( 并+ l ,) + ,( 石+ l , ,+ 1 ) 一 ,(
16、茹一1 ,一1 ) + 2 :厂( z 一1 ,y ) 一欠x l ,+ 1 ) ( 5 ) s ,( 并,y ) = “茗一l ,+ 1 ) + 2 厂( x ,) ,+ 1 ) + 以茹+ l , ,+ 1 ) 一 以石一l 。,一1 ) + 2 厂( z ,) ,一1 ) 一八,+ l ,一1 ) ( 6 ) S o b e l 算子的卷积模板如图3 所示,它与P r e l 衍t t 算子的方法一样,图像中每个像素都用这2 个模板 作卷积,取2 个卷积的最大值作输出,运算结果就是 一幅边缘图像。 & “y ) 2 图3s o b e l 算子模板 F i g 3 s o b e lo
17、p e r a 盼t e m p h t e 2 4 硒嫩h 算子 该算子由8 个卷积模板组成,方向依次以步长 4 5 0 ,从0 0 变到3 1 5 0 ,其中o o 对应的是垂直边缘。图 像中每个点都用8 个掩模进行卷积,每个掩模对某 个特定边缘方向做出最大响应,将所有8 个方向中 的最大值作为边缘幅度图像的输出,最大响应掩模 序号构成了对边缘方向的编码。表示公式为 GI = m a x ( IG iI ) ( = l ,2 ,8 )( 7 ) 硒r s c h 算子的8 个卷积模板如图4 所示。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase fro
18、m www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期杨崇倡等:异形纤维截面测量中的边缘检测算法 1 3 匪圈圈匪 田圈园圈 图4K i r s c h 算子模板 F i g 4 K i r s c ho p e r a t o rt e m p l a t e 2 5 L a p I a c e 算子 L a p l a c e 算子是不依赖于边缘方向的二阶导数 算子,它是一个标量而不是向量,具有旋转不变即各 向同性的性质。若只关注边缘点的位置而不需要了 解其周围的实际灰度差时,一般选择该算子提取图 像的边缘。在数字图像的情况下,L a p l a
19、c e 算子可近 似地表示为 V2 ( 茗,) = 厂( 髫+ l ,) + ,( 髫一l ,y ) + 八菇,+ 1 ) + ,( 戈,一1 ) 一4 厂( 茗,y ) L a p l a c e 算子的卷积模板如图5 所示。 口 图5L 丑p l a c e 算子常用的一种模板 F i g 5 A f i e q u e n d y - I I s e dL l p l a c eo p e 珀t 叮t e m p l a t e 3 实验与分析 在纺丝实验中,通过改变纺丝温度、速度和纺丝 液流量,获得各种不同截面形状的异形纤维,利用切 片机获得各种异形纤维的切片,并采用上海蔡康光 学仪器
20、有限公司的D M M 3 3 0 C 研究型显微镜,通过 其c C D 摄像头和图像采集卡等设备,得到数百余幅 纤维截面图像。 图像的边缘检测实验采用6 种经典的算子对已 有图像进行处理,利用C + + 与M a t L a b 混合编程, 并在v i s u a lC + + 6 O 环境下调试成功。因五角形 纤维截面具有更陡峭的边缘,故文中只列出各算子 对五角形纤维截面图像的处理情况。它们均为在放 大倍数为2 0 0 条件下的截面图像,各图像文件大小 均为2 4 lk B ,图像像素为3 6 0 2 9 9 ,分辨率为9 6d p i 。 3 1 未加噪图像 在未加噪声时,用5 种算子对五
21、角形纤维截面 图进行处理,实验结果如图6 所示。 通过实验对比各种算子的处理效果,可以得出 如下结果。 1 ) R o b e r t s 算子:它利用局部差分算子寻找边 缘,采用对角线方向相邻像素之差进行检测边缘,边 缘定位精度较高,但容易丢失一部分边缘,如图6 ( a ) 所示。 2 ) P r e 衍t t 算子和S o b e l 算子:它们都是对图像先 做加权平滑处理,然后再做微分运算,不同的是, ( a ) 原始圈b ) R 觚算子检测田( c ) 酬t t 算子检测圈 ( d ) S o b c l 算子检测田( e ) l ( i r h 算子检测圈( OL 8 p l a c
22、 e 算子检测圈 图6 在未加噪声时五角形纤维的图像边缘检测结果比较 F i g 6c o m p 响啪o fi m 孵e d g ed e t e c t i o n 阳枷t sf o rp e n t a g 嘲I 肪e rw i u t 舯i 卵a d d e di n ( a ) 0 r i g i I l a li m a g e ; ( b ) R o 妇s 叩嘲l o rd e l e c t i ,l gi n l a g e ;( c ) n E 访no p 啪研d e e c t i n gi n 蜡l g e ;( d ) l0 p e 哪n rd e e c t i n
23、 gj 删咯e ; ( e ) r ho p e 哪盯d e t t i n gi m a g e ;( f ) L 印l a c eo p e 咖D rd e t e c 血gi m a g e 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 4 纺织学报 第2 9 卷 P r e w i I t 算子是平均滤波,s o b e l 算子是一种加权平均 算子。从图6 可以看出,这2 个算子边缘定位效果 较好,但精度不如R o b e r t s 算子,见图6
24、 ( c ) 、( d ) 。 3 ) K i r s c h 算子:该算子由8 个卷积模板组成,将 所有8 个方向中的最大值作为边缘幅度图像的输 出,故其边缘定位比较准确,但对细节比较敏感。从 图6 可以看出,较前面的3 种算子,经过K i r s c h 算子 处理后,图像边缘与背景比较模糊,而且边缘较宽, 见图6 ( e ) 。 4 ) L a p l a c e 算子:具有各向同性、线性不变性的 特点,是不依赖边缘方向的二阶微分算子,对图像中 阶跃型边缘点定位准确。从图6 也可看出,L a p l a c e 算子定位精度较高。 3 2加噪图像 在五角形纤维原图像加入噪声密度为0 吆的
25、椒 盐噪声后,各种算子的处理情况如图7 所示。 ( a ) 原始图 ( b ) R o b c r t s 算子检测图( c ) P I - e w i l I 算子检测图 ( d ) S o b c l 算子检测图( c ) K i 体c h 算子检测图 ( f ) L a p l a c e 算子检测图 图7 加椒盐噪声后五角形纤维的图像边缘检测结果比较 F i g 7C o m p 撕s o no fi m a g ee d g ed e t e c t i o n 陀s u l t sf o rp e n t a g o n a l6 b e rw 汕8 a I t 锄dp e p p
26、 e rn o i 辩a d d e di n ( a ) 0 r i g i n a li 姗学e ; ( b ) R o b e n so p e m t o rd e l e c t i n gi 咖l g e ;( c ) P r e 访t to p e m t o rd e t e c t i n gi m a g e ;( d ) s o b e lo p e m t o rd e t e c t i n gi m a g e ; ( e ) r B c ho p e m t o rd e t e c t i n gi m a g e ;( f ) b p l a c eo p e
27、 m t o rd e t e c t i n gi m a g e 通过对比各种算子的处理效果,分析后可以发现: 1 ) R 0 b e r t s 算子本身是2 2 算子模板,若图像未 经过平滑处理,不具备抑制噪声的能力。对具有陡 峭边缘的低噪声图像处理效果较好,见图7 ( b ) 。 2 ) P r e 访t t 算子和S o b e l 算子是根据在边缘点处 达到极值这一原理进行边缘检测,该方法不但产生 较好的检测效果,而且对噪声具有平滑作用,但同时 也平滑了真正的边缘,见图7 ( c ) ;从图7 ( d ) 可以看 出,与R o b e n s 算子和L a p l a c e 算
28、子相比,P r e 诵t t 算子 和S o b e l 算子得到的边缘较粗,P r e l r i t t 对噪声的抑制 作用较s o b e l 算子好。 3 ) 由图7 ( e ) 可以看出,K i r s c h 算子对噪声也具 有平滑作用,但得到的边缘较粗。 4 ) 由于L a p l a c e 算子是二阶导数运算,与只包含 一阶导数的算子相比,它对噪声更加敏感,增强了噪 声对图像的影响,故在图7 ( f ) 中几乎看不到检测的 边缘图像。 4结论 R o b e r t s 算子和L a p l a c e 算子定位精度较高,但对 噪声较为敏感,L a p l a c e 算子对
29、噪声更加敏感,不过 R o b e r t s 算子对具有陡峭边缘的低噪声图像处理效 果较好。S o b e l 算子和P r e 埘t t 算子都是对图像先做 滤波处理,故对噪声具有较好的平滑作用,对低噪声 有较好的检测效果,但定位精度不高。随着图像加 入低噪声,K i r s c h 算子的性能变化较小,它得到的图 像边缘较粗,边缘与背景比较模糊,定位精度不高。 总之,不能用一种检测算子检测出图像的所有特性, 在微分法边缘检测中,边缘定位与噪声滤除是相互 矛盾的部分,很难同时得到很好的解决,故需要获得 边缘定位和噪声滤除的最佳平衡。即要针对不同的 环境条件和要求,考虑边缘的定位精度、抗噪能
30、力等 因素来选择合适的算子对图像进行边缘检测,同时 应考虑多算子的综合运用。 参考文献: 1 严晓燕,吴雄英异形截面纤维特征参数提取及图像识 别技术研究进展 J 合成纤维,加0 1 5 ,l o ( 1 1 ) :l l 1 4 2 R i s I I iRR a k e s h ,P r o b a lc I I a u d l l l I r i ,M u 曲ycA As t a t i 8 t i c a l 印p m a c h J I E E E7 r h n 8 a c t i o 弛帆I m a g eP r o c 嘲i I l g , 2 0 0 4 ,1 3 ( 7 ) :
31、9 2 6 9 3 7 ( 下转第1 9 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期韩增强等:L y o c e l l 纤维纺丝溶剂N M M O 回收工艺 1 9 表3 回收溶剂与新溶剂的纺丝性能比较 T a b 3C 哪呻帕s 伽o ft kq u a H t i e sb e t W nt h e 矗b e 塔 p 如d u O e db yt h er 钟y c l i n gs o l v e n ta n d 硷n e ws o
32、l v e m 3结论 1 ) 絮凝有效地去除了凝固浴中的非溶解性杂 质,提高了溶液的透明度,并且有明显的脱色作用, 脱色率可达4 0 ,在一定程度上降低了阴离子交换 树脂的脱色负担。 2 ) 阴离子交换树脂有效地去除了凝固浴中的绝 大部分带色杂质,脱色率极高;阳离子交换树脂有效 地去除了溶液中的吗啉和铁、铜等金属离子,且阴阳 离子交换树脂可通过简单再生后重复使用。 3 ) 吗啉很容易被H 2 0 :氧化成N 亚硝基吗啉; N 甲基吗啉在7 0 下可有效地被H 20 2 氧化为 N M M O ,并且氧化率随时间的增长而增大,4h 时高达 9 6 ,且H P L C 检测没有N 亚硝基吗啉生成
33、。 4 ) 凝固浴溶液经过絮凝和阴阳离子交换树脂纯 化回收后,无色透明,电导率极低,含有N 亚硝基吗 啉的那部分回收液经H 20 2 氧化后,其中9 6 的 H “”“一 N 甲基吗啉可氧化成N M M O ,氧化转化率极高。溶 液浓缩后的各项性能指标与B A s F 的新溶液相当, 均符合再溶解和纺丝生产的要求,且再溶解成丝质 量优良。脚 参考文献: 2 3 4 5 6 7 8 1 1 l o I 腿sR 0 s e 眦u ,A n t j eP o t t h 鹪t ,H e r b e r tS i 】【t a ,e ta 1 1 1 I e c h e m i s t r yo fs
34、i d e 陀t i o ma n db y p r o d u c tf b 珊a t i o ni nt h e s y s t e mN M M 0 ,c e U u l o ( L y o c e Up r o c e s B ) J P m g 陀船i n P o l y m e rs c i e n c e ,2 0 0 1 ,2 6 :1 7 6 3 一1 8 3 7 岳文涛,周美华,邵惠丽,等离子交换树脂法纯化和 回收L y o c e U 纤维纺丝溶剂N M M 0 J 合成纤维,2 0 0 2 , 3 l ( 2 ) :2 8 3 0 韩增强,武志云,汪少朋,等L y o
35、c e u 纤维纺丝溶剂 N M M 0 及回收工艺的研究 J 山东纺织科技,2 0 0 7 ,4 8 ( 3 ) :7 9 穆勒德,曼琴,舒文宁格,等净化叔胺氧化物水溶液 的方法:奥地利,9 6 1 9 0 9 3 4 x P 1 9 9 7Jl l 一2 9 岳文涛,邵惠丽,章潭莉,等溶剂法纤维素纤维制备 过程中溶剂回收的工艺:中国,2 0 0 4 1 0 0 5 4 3 3 5 8 P 2 0 0 5 一0 4 0 6 K o n g d e eA ,B e c h t o l dT 1 1 I ec 咖p l e x a t i o no fF e ( ) - i 0 鹏 i nc e
36、 H u l o 辩f i b e 鸺:af u n d 砌e n t a lp 阳p e r t y J C a r b o h y 血l t e P 0 l y m 哪,2 0 0 4 ,5 6 :4 7 5 3 李庆春,莫冬次,邹超贤,等N 一甲基吗啉N 氧化物合 成工艺的研究 J 河南化工,2 0 0 4 ( 9 ) :8 9 ,1 8 曼热恩,曼纳,弗高选择性分离吗啉的方法:奥地 利,9 6 1 9 1 1 2 8 x P 1 9 9 7 1 I 1 9 _ 。H - 一- - - - _ 一 ( 上接第1 4 页) 3 c e 咖D ,S ,G 穗畸g n ec ,e ta 1 B
37、 o 咖删蚰b y c o r 咖i n t 州I I l i 盟曲n 【JJ I E E E 强啷a c t i o 鹅彻P a t h 咖 A n a l y s i sa n dM a c I l i n eI n t e U i g e n o e ,1 9 9 0 ,1 2 ( 7 ) :6 0 9 6 2 8 4 张晶图像边缘检测算法的研究 D 济南:山东大学, 2 0 0 6 5 段瑞玲,李庆样,李玉和图像边缘检测方法研究综 6 】 7 述 J 光学技术,2 0 0 5 ,3 l ( 3 ) :4 1 5 4 1 9 吴学明,李灿平边缘检测算法在不同分辨率中的性 能研究 J 计算机测量与控制,2 0 0 6 ,1 4 ( 2 ) :1 6 6 1 6 9 李晓久,赵静秒。王玉秀基于算子的人体数字图像边 缘检测算法 J 纺织学报,2 0 0 6 ,2 7 ( 3 ) :4 3 4 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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