混纺纱截面图像分析中的光斑扩散模型.pdf
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1、第3 0 卷第4 期 2 0 0 9 年4 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 4 A p r 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 4 5 0 5 混纺纱截面图像分析中的光斑扩散模型 陶晨 ( 浙江经贸职业技术学院绍兴分院,浙江绍兴3 1 2 0 0 0 ) 摘要针对传统的轮廓跟踪算法只能应用在二值图像上,无法处理目标问相互溶结的现象,提出基于人眼视觉 原理的光斑扩散模型。并从逼近、贴近、径长突变和命中率4 个方面阐述了其控制参数。该模型直
2、接运行在灰度图 像上,能够自动分离相互溶结的目标。在光斑扩散模型的基础上,构建了面积系数、异形度和波动强度3 个新的特 征指标,分别用于描述目标形状的尺寸大小、与圆形偏离的程度以及边缘的租糙程度。结果表明,新的模型可以准 确地提取纤维截面的轮廓,在此基础上构建的特征指标能够有效地反映目标形状特征。 关键词混纺纱;图像分析;轮廓探测;光斑扩散;特征指标 中图分类号:T P3 9 1 4 1文献标志码:A F a c u l ad i f f u s i o nm o d e lf o ra n a l y s i so fb l e n d e dy a r nc r o s s - s e c
3、 t i o ni m a g e s T A 0C h e n ( S h a o x i n gB r a n c h ,脚,l gE c o n o m i c T r a d eP d y t e c h n i c ,S x i n g ,秭慨3 1 2 0 0 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tI na l l u s i o nt ot h et r a d i t i o n a lc o n t o u rt r a c i n ga r i t h m e t i cw h i c hc a no n l yw o r ko nb i n a r
4、yi m a g e sa n di s n o ta b l et oh a n d l et h ei n t e r l i n k i n gp h e n o m e n aa m o n go b j e c t s ,t h i sp a p e ri n t r o d u c e sf a c u l ad i f f u s i o nm o d e l b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh u m a nv i s i o n ,a n di l l u s t r a t e si t sc o n t r o l l i n g
5、p a r a m e t e r si n c l u d i n ga p p r o x i m a t i o n , c l o s i n g ,l e n g t h l i m i t i n ga n dh i t r a t e T h i sm o d e lw o r k sd i r e c t l yo ng r a y s c a h di m a g e sa n dc a na u t o m a t i c a l l y s e p a r a t et h ei n t e r l i n k e do b j e c t s T a k i n ga
6、d v a n t a g eo ft h ef a c u l ad i f f u s i o nm o d e l ,t h r e en e wf e a t u r ei n d i c e s i n c l u d i n ga c r e a g e ,a b n o r m i t ya n df l u c t u a t i o na r ec o m p o s e dt od e s c r i b et h eo b j e c ts h a p ei ni t sd i m e n s i o n ,t h e d e p a r t u r ef r o mr
7、o u n d n e s sa n dt h em u s h n e s so fi t sc o n t o u rr e s p e c t i v e l y I tt u r n so u tt h a tt h en e wm o d e lC a n e x t r a c tt h ec o n t o u ro ff i b e rc r 0 8 5 一s e c t i o na c c u r a t e l ya n dt h ef e a t u r ei n d i c e sb u i ho nt h i sm o d e lc a r lr e f l e c
8、 tt h e s h a p ec h a r a c t e r so ft h eo b j e c ti na ne f f e c t i v ew a y K e yw o r d s b l e n d e dy a r n ;i m a g ea n a l y s i s ;c o n t o u rd e t e c t i o n ;f a c u l ad i f f u s i o n ;f e a t u r ei n d e x 2 0 世纪9 0 年代初国内就提出利用图像处理技 术分析混纺纱截面,并将这一课题研究分为4 个 相对独立的环节:图像预处理、轮廓探测、
9、特征抽取 和特征值统计分析。 在预处理环节中,吴兆平等拉。将直方图熵应用 于异形纤维截面图像的分割,得到了比较准确的目 标和背景信息。余序芬等【3 将数学形态学应用于 棉麻混纺纱截面图像进行预处理,有效地抑制了随 机噪声干扰。李艰等H o 将多尺度空间滤波和数学形 态学相结合,在去除小面积噪声和形态修整时取得 良好效果。谢莉青等【副利用M a t L a b 平台,小波技术 和W a t e r s h e d 算法实现无畸变消噪处理。 在特征抽取环节中,文献 6 将傅里叶变换用于 纤维截面形状的表征;于伟东等“ 1 探索化学纤维异 形度的图像分析技术,初步提出了一组用于表征三 叶形、哑铃形和
10、V 字形纤维异形度的形态指标,包 括外接圆、内切圆、理论半径等。余序芬等1 提出针 对棉、麻纤维的外切矩形充满度和纵向骨架偏离均 方差2 个形态指标。文献 8 使用拉普拉斯算子抽 取图像特征,研究涤,粘混纺纱中纤维的分布规律。 沈巍等将H S V 颜色模型应用于对羊毛羊绒混纺 纱截面图像的特征分析。 收稿日期:2 0 0 8 一0 6 0 3修回日期:2 0 0 8 1 1 3 0 作者简介:陶晨( 1 9 8 l 一) ,男,助教,硕士。主要研究领域为纺织品数字化检测技术及纺织新产品开发。E - m a i h x t a 0 8 9 y a h o o c o r n c n o 万方数据
11、 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 4 6 纺织学报 第3 0 卷 在特征统计分析中,李艰等训提出多元分析方 法对特征值进行识别和分类。谢莉青等u 利用“组 合对”二维解析边界函数进行特征值统计分析,相比 单一指标识别的准确率有大幅提高。 多年来,随着图像处理技术和模式识别理论的 发展,相关课题的研究在图像预处理、特征抽取和特 征值分析3 个方面取得了长足的进步,但是该课题 研究中的第2 个环节即轮廓探测一直没有实质性进 展。由于传统的轮廓跟踪算法u 2 1
12、只能运行在二值 图像上,预处理环节中的最后一步一般都是图像二 值化。众所周知,从灰度图像转换到二值图像将伴 随着信号大量损失,常常造成多个纤维截面间相互 溶结的现象,而轮廓跟踪算法无法分离相互溶结的 纤维截面,把多个溶结到一起的目标当作一个。因 此,该算法对原始图像有着非常苛刻的要求,即纤维 截面问必须存在相当的空隙,以保证二值化后的图 像不会出现大规模的溶结现象,考虑到切片的效率 和成本,这一要求是难以满足的。本文提出一种新 的模型光斑扩散模型,它具有直接处理灰度图 像的能力,从而避免造成图像失真的二值化操作,该 模型能够自动分离相互溶结的纤维截面。 1 光斑扩散模型 1 1 基本概念 科学
13、研究表明,在多目标的环境中,肉眼首先通 过发光体来定位目标,然后根据发光体周围光线衰 减的情况判断目标的轮廓,即所谓先定位再定 形引。光斑扩散模型正是基于这一视觉原理。 光斑的概念对应于现实世界肉眼看到的发光 体,它代表目标在图像中的基本位置。本文把图像 中满足一定形状特征和亮度范围的区域称为光斑。 图1 为光斑示意图,虚线线框所包围的是一组灰度为 2 0 0 ( 预定义灰度级0 2 5 5 ) 以上的矩形光斑。基于光 栅的扫描很容易搜索图像中光斑的位置。 图1 光斑示意图 F i g 1 F a c u l ad e m o n s t r a t i o n 光斑的扩散对应于肉眼根据发光体
14、周围光线的 衰减来确定目标轮廓的过程。从光斑中心向四周发 出用于探测目标边界的射线,射线在亮度衰减积累 到一定程度时终止,如图2 ( a ) 所示。连接所有射线 的终止点就构成了目标的轮廓线,如图2 ( b ) 所示。 ( a ) 光噩扩散( b ) 目标轮晨 图2 光斑扩散示意图 F i g 2 F a c u l ad i f f u s i o nd e m o n s t r a t i o n ( a ) F a c u l a d i f f u s i o n ;( b ) O b j e c tc o n t o u r 根据纤维截面形状的大致特征可以确定光斑的 形状。实际应用
15、中,对于相对简单的截面形状( 如近 似的圆形或长圆形) ,光斑形状可以选择矩形。对于 光斑亮度范围的确定,可以利用O T S U 方法u 4 。,对图 像做目标和背景之间的分割,将目标的阈值范围作 为光斑的亮度条件范围。 理论上,光斑的尺寸应小于图像中最小的有效 纤维截面尺寸,从而确保该纤维截面能被探测到。 实际中可使用形状一致、尺寸由大到小的光斑族,分 批次进行光斑搜索和扩散,这样,图像中的纤维截面 将按照从大到小的顺序分批探测出来。 需要指出的是,光斑的中心并非是日标的绝对 中心。当光斑中心与目标中心偏离过大时,会造成 探测到的轮廓点分布不匀,即靠近目标边缘处探测 到的轮廓点密集,而相对远
16、离目标边缘处探测到的 轮廓点稀疏。以运行成本作为代价,采用尺寸空间 上密集分布的光斑族,可以避免光斑的中心与目标 中心偏离过大的现象。 1 2 控制参数 与传统轮廓跟踪算法相比,光斑扩散模型探测 到的目标轮廓不再是唯一的,而是多元的。使用不 同的控制参数,得到的目标轮廓会有所差异。光斑 扩散过程受到逼近控制、贴近控制、径长控制和命中 率控制4 个方面的影响。 1 2 1 逼近控制 逼近控制决定从光斑中心向四周发出射线的密 度,它影响探测到的轮廓与目标边缘逼近的程度。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermark
17、R to remove the watermark 第4 期陶晨:混纺纱截面图像分析中的光斑扩散模型 4 7 。 规定从光斑中心等角度问隔发出n 条射线,逼近参 数,= 蠡1 0 0 。图3 示出不同逼近控制条件下, 对同一目标探测到的轮廓差异。 ( c ) 卢1 2 图3 不同逼近控制条件下探测到的目标轮廓 F i g 3 D e t e c t e dc o n t o u r su n d e rd i f f e r e n ta p p r o x i m a t i o nc o n d i t i o n 逼近控制参数越大,探测到的轮廓越平滑,越逼 近目标的边缘。当光斑中心与目标
18、中心偏离过大 时,使用较大的逼近控制参数,有助于克服探测的轮 廓点分布不匀的问题。然而,对于大量图像的批处 理,不同逼近控制参数带来的运行时空成本上的差 异可能是相当可观的,因此,在对目标轮廓要求不十 分精确的情况下,应当尽量选择较小的逼近控制参 数,以提高运行效率。 1 2 2 贴近控制 贴近控制决定从光斑中心发出的射线何时终 止,它影响探测到的轮廓与目标边缘贴近的程度。 规定沿射线方向,长度为t 的线段其亮度衰减到比 率r 时,射线终止。图4 示出不同贴近控制条件下, 对同一目标探测到的轮廓差异。 ( ”f = 6 ,= 3 0 ( c ) f 2 1 0 ,= 5 0 图4 不同贴近控制
19、条件下探测到的目标轮廓 F i g 。4 D e t e c t e dc o n t o u r su n d e rd i f f e r e n tc l o s i n gc o n d i t i o n 如图4 所示,贴近控制参数放宽的过程中,探测 到的轮廓逐渐远离目标的边缘。当贴近控制参数放 宽到足够的程度,探测到的轮廓是近似的圆形。这 符合视觉经验:在物体远离人体的过程中,肉眼看到 的物体轮廓将渐渐泛化成圆形。这对于忽略一些目 标之间的差异,从而把它们归为一类,是非常重 要的。 1 2 3 径长控制 径长控制用来修正由于目标问溶结造成的径长 突变现象,从而实现溶结目标的分离。径
20、长是从目 标的外接矩形中心到目标轮廓点( 也即射线终止点) 的射线长度;目标的径长数目由射线密度决定。本 文规定,当相邻径长变化超过比率P 时,用平均径 长替代。图5 示出使用P = 3 0 的径长控制进行轮 廓探测的结果。如图所示,光斑扩散探测到了2 个 目标,相互溶结的目标被正确地分离开来。 图5 径长控制分离相互溶结的目标 F i g 5 I n t e r l i n k e do b j e c t s p a 饱t e db yl e n g t h l i m i t i n gc o n t r o l 应当指出,径长控制必须建立在对目标有预先 认识的基础上。最常见的情况是,预
21、先知道图像中 纤维截面呈近似的圆形,否则,使用径长控制是没有 根据的。图5 中显示的既可以是2 个溶结的圆形目 标,也可以是1 个哑铃形目标。 1 2 4 命中率控制 从光斑中心发出的每一射线并非都必然命中终 止条件。本文规定,当扩散中的命中率低于h 时丢 弃目标。这样可以有效地把图像边界上不完整或无 法判断的目标排除在外。图6 示出在未使用和使用 命中率控制( h = 8 5 ) 2 种情况下,对同一图像探测 到的目标个数差异。 ( a ) 未使用命中率控制( b J 使用命中率控制 图6 命中率控制的作用 F i g 6 E f f e c t o fh i t - r a t ec o
22、n t r 0 1 ( a ) W i t h o u th i t r a t ec o n t r o l ; ( b ) W i t hh i t - r a t ec o n t r o l 从显微镜下获取的彩色纱线截面图像,首先转 换成灰度图像,然后在预处理环节中经去噪和平滑。 图7 ( a ) 为涤棉混纺纱截面图像,图7 ( b ) 是经过去噪 和平滑后的灰度图像,在此基础上进行光斑扩散,结 果如图7 ( C ) 所示。使用的控制参数为:,= 0 3 , 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermark
23、R to remove the watermark 4 8 纺织学报第3 0 卷 t = 3 ,r = 0 2 ,P = 0 3 ,h = 0 8 5 。 ( a ) 原图( b ) 去噪和平滑【c ) 光斑扩散 图7 光斑扩散在涤棉混纺纱截面图像上运行的结果 F i g 7 F a c u l ad i f f u s i o nw i t hac r o s s - s e c t i o ni m a g eo f p l o y e s t e r c o t t o nb l e n d e dy a r n ( a ) O r i g i n a li m a g e ; ( b
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- 混纺纱 截面 图像 分析 中的 光斑 扩散 模型
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