基于贝叶斯方法的山羊绒与细羊毛的鉴别.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 0 8 年1 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 1 J a n 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 2 6 0 4 基于贝叶斯方法的山羊绒与细羊毛的鉴别 石先军1 2 ，于伟东1 ，袁子厚2 ( 1 东华大学纺织材料与技术实验室，上海2 0 1 6 2 0 ；2 武汉科技学院数理系，湖北武汉4 3 0 0 7 3 ) 摘要根据细羊毛与山羊绒的鳞片形状与结构特征的不同，提出智能识别2 类纤维的方法。通过c c D 系统获取 2 类纤维的灰度图像，采用图像技术将灰度图像处理成单像素宽度的二值图，从二值图中提取描述2 类纤维鳞片形 状特征的4 个比对指标。在样本数据库上基于4 个比对指标的统计假设建立辨识细羊毛与山羊绒纤维的贝叶斯分 类模型。仿真结果表明：该模型具有较好的纤维鉴别能力，对山羊绒纤维的识别准确度达到8 3 ，对细羊毛则达到 9 0 ；并且随着参数的增加，模型有进一步提高鉴别精度的可能。 关键词山羊绒；细羊毛；图像处理；贝叶斯分类模型 中图分类号：T S1 0 2 3文献标识码：A A ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o df o rc a s h m e r ea n df i n ew o o lb a s e do nB a y e sm o d e l S H IX i a n j u n l 一，Y UW e i d o n 9 1 ，Y U A NZ i h o u 2 ( 1 7 舭胁把 n 如o n d 乳c 加f o g y 如6 0 m 幻叫，D 0 昭h 眦踟i 即e 瑙渺，S o ，蚋谢 2 0 1 6 2 0 ，C h i 玮血； 2 D e p n m e 眦旷讹舭m 。f 妇o n dm 弘洳，耽 沈瑙妙0 ，& i e 凡c eo n dE 昭i M e r i n g ，耽舭n ，舰掘4 3 0 0 7 3 ，吼抚o ) A b s t r a c tC a s h m e r ea n d i n ew o o lh a V ed i f I e r e n ts c a l es t m c t u r e s ，w h i c hi sam a j o rr e e r e n c ed i s t i n g u i s h i n g t h e m Am e t h o di sp r o p o s e dt od i s t i n g u i s ht h e s et w ot y p ef i b e r sf I D me a c ho t h e ri n t e l l i g e n t l y A f t e rt h e8 一b i t g m y s c a l ei m a g e so f6 b e r sa r ec a p t u r e db yC C Dc a m e r a ，t h e ya r ec o n V e r t e dt ot h eb i n a qi m a g eo n l yh a v i n go ne p i x e lw i d ee d g eu s i n gi m a g et e c h n o l o g y ，I ' h e n ， f o u rp r i m a r i l yc o m p a m b l ep a m m e t e r sd e s c r i b i n gt h es c a l e s h a p eo ff i b e r sa I ee x t r a c t e df r o mt h e s eb i n a r yi m a g e sa n dt h ed a t a b a s ei n c l u d i n gt h e mi se s t a b l i s h e d AB a y e s c l a s s i f i c a t i o nm o d e l ，w h i c hi su s e dt od i s t i n g u i s hc a s h m e I ef b mf i n ew o o l ，i sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fs t a t i s t i c h y p o t h e s i so ff o u rp a r a m e t e r sb a s e do nt h ed a t a b a s e T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li se f k c t i v ei n d i s t i n g u i s h i n gc a s h m e r ef m mf i n ew o o l ，w h e r et h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yr a t ei s8 3p e r c e n tf o rc a s h m e r ea n d 9 0p e r c e n tf o rf i n ew o o l ，a n dp m b a b l yt h ec l a s s i f i c a “o na c c u r a c yr a t ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp a m m e t e r s K e yw o r d s c a s h m e r e ；f i n ew o o l ；i m a g ep r o c e s s i n g ；B a y e sc l a s s i f i c a t i o nm o d e l 羊绒纤维细长均匀、柔软，用其制成的纺织品具 有轻、柔、滑、暖的风格，是制作高档服装面料的首 选。由于羊绒的产量稀少，所以其价格是羊毛的十 几倍。为了降低成本，生产企业常用不同比例的山 羊绒与细羊毛混纺。山羊绒与细羊毛同属天然蛋白 质纤维，其结构、形态、理化性能都非常接近，造成二 者区别的困难，因此，准确地鉴别这2 种相近纤维 对学术和实用生产均显得非常重要。 目前，对这2 种纤维的鉴别方法主要是显微镜 法，通过检测人员在显微镜下观察羊绒、羊毛的形态 特征，然后依据观测者的经验对羊绒与细羊毛进行 分析识别。这种鉴别方法不仅耗时耗力，主观性大， 而且误差也较大，所以，研究一种能客观、有效、低成 本的鉴别羊绒与羊毛的方法具有实用价值。本文参 考G B T1 4 9 5 3 1 9 9 3 ，利用显微成像系统获取羊绒 及细羊毛的纤维图像，再通过图像处理技术提取二 者多个比对参数指标，建立起区分二者的多参数贝 叶斯模型。 收稿日期：2 0 0 7 0 2 1 9修回日期：2 0 0 7 0 5 1 7 基金项目：湖北省教育厅重点项目( D 2 0 0 5 1 7 0 0 4 ) ；武汉科技学院院基金资助项目( 0 6 3 4 0 2 ) 作者简介：石先军( 1 9 7 2 ) ，男，讲师，博士生。研究方向为纺织品检测及标准。于伟东，通讯作者，E m a i l ：w d y u d h u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第1 期 石先军等：基于贝叶斯方法的山羊绒与细羊毛的鉴别 2 7 1 羊绒和细羊毛的基本形态特征 羊绒的鳞片边缘光滑，类似环状包覆于毛干 上。通过观察，羊绒鳞片的高度并不一致且比细 羊毛鳞片高度高，其单位长度上鳞片的数量较少，形 状近似方形，而细羊毛鳞片呈长方形。已有文献对 这2 种纤维的鳞片形状作了具体描述| 3J ，见表l 。显 然，二者在鳞片密度、形状、细度与卷曲数等性能存 在差异，这也是羊绒与细羊毛区分的依据。从表中 可以看出，二者虽有差别，但有较大的重叠。虽在卷 曲和长度上也存在差别，但显微观察无法兼顾。 表l细支绵羊毛与羊绒纤维的形态 T a b 1S t r u c t u r eo ff i n ew la n dc a s h m e r e 2 纤维图像的获取3 贝叶斯分类模型的建立 实验用的山羊绒与细支绵羊毛为蒙古羊绒和 7 0 支澳洲细羊毛，由上海纤维检验所提供。根据 G B T 1 4 5 9 3 1 9 9 3 山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定 量分析方法进行制样，利用c c D 系统获取纤维的 图像并将其转化为数字图像。首先对图像进行预处 理，用中值滤波器对图像进行降噪，再进行图像直方 图均衡化，扩大图像灰度动态范围，增强图像的对比 度 4 。其次，利用最优阈值法对预处理后的图像进 行分割，实现纤维图像与背景的分离。设厂( 戈，y ) 为 原输入图像，r 为阈值，分割式为 小= 矧喜； 则最优阈值分割后可得到较为清晰的纤维二值 图。最后，去掉纤维边缘的噪声，将纤维的边缘细化 并连接起来，就可以得到较为完整的单像素宽度的 纤维边缘二值图B 6 1 。处理后的羊绒和羊毛图像如 图l 所示。 ( a ) 羊绒 ( b ) 羊毛 图1图像处理后的羊绒和羊毛纤维二值图 F i g 1 B i n a r yi m a g eo fc a s h m e r e ( a ) a n d f i n ew o o lf i b e r ( b ) a f t e rp r e p r o c e s s i n g 为了能更好地辨识羊绒纤维与羊毛纤维，提取 2 类纤维的4 个参数：细度( 戈，) 、鳞片高度或密度 ( 戈，) 、鳞片边界周长( 戈，) 及鳞片显示面积( z 。) 作为 比对指标。其中细度、密度及周长的单位是”m ，面 积的单位是肚m 2 。这样，每根纤维均可以用一个特 征向量x ：( z ，戈：，戈，戈。) 表示，如果纤维是羊 绒则记为c U ，；如果是细羊毛则记为：。对每根纤 维而言，记P ( ，Iz ) ( 江1 ，2 ) 为每根纤维的特征向 量为工= ( 咒，石：，戈，戈。) 时纤维属于叫；的条件概 率，则识别规则“ 1 为 若尸( I 戈) P ( 叫：I 戈) ，则识别纤维为羊绒； 若P ( 叫I 戈) P ( c U ：I 戈) ，则识别纤维为细羊毛；若 p ( 叫I 戈) = P ( ：I 戈) ，本文则将其作为质疑纤维。 现假定羊绒、羊毛的先验概率相同，即P ( ，) = P ( ：) ，它们的参数指标z i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 相互独立 且服从高斯分布，则由贝叶斯定理知 P ( 。l 戈) ：些唑罢型 ( 2 ) pL 戈 因为p ( z ) 对每个类是相同的，于是P ( 叫，I 戈) 与_ P ( c U ：I 戈) 的比较可以通过p ( 戈I 。) 与p ( 菇I 叫：) ( p ( 菇I 叫。) 为纤维的类概率密度) 来实现。因为 戈i ( 扛l ，2 ，3 ，4 ) 相互独立，于是有 4 p ( 算= sl 叫i ) = 口p ( - = oI i ) ( 3 ) = l 又假定石i ( 江l ，2 ，3 ，4 ) 服从高斯分布( 卢。， d ：) ，则其相应的参数i 、盯：可以利用样本均值牙与 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · 2 8 · 纺织学报第2 9 卷 样本方差J s 2 来估计，这样通过比较就能得到辨识 结果。 4 分类结果与讨论 分别测量了1 0 0 根羊绒和细支绵羊毛的纤维图 像，获取相关的特征数据。随机抽取羊绒、羊毛测量 数据中的6 0 组作为训练数据，用来估计羊绒与羊毛 的特征指标戈，( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 的分布参数，剩下的4 0 组数据作为测试数据，用来检验算法的效率。 从训练数据中通过参数估计得到羊绒与羊毛的 分布分别如下： 羊绒戈。为：戈( 1 6 0 9 ，6 8 5 ) ；z 2 ( 1 8 。1 1 ，1 2 4 4 ) ；戈，( 1 2 0 ×1 0 3 ，1 0 5 ×1 0 5 ) ；戈。 ( 4 0 9 l ，4 4 8 4 ) 。、 细羊毛疋。为：戈( 1 8 2 9 ，1 0 2 5 ) ；戈2 ( 9 7 2 ，7 8 1 ) ；戈，( 0 7 7 ×1 0 3 ，0 5 9 ×l0 5 ) ；咒。 ( 2 7 8 0 4 ，5 2 2 4 9 ) 。 将算法用于测试数据集，结果如表2 所示。 表2 贝叶斯分类结果 T a b 2 B a y e sc l a 蹒i 6 c a t i o nr e s u l t s 表2 结果显示，将此方法用于羊绒与细羊毛的 鉴别时，所有纤维或被识别为羊绒或被识别为细羊 毛，其中有1 5 的羊绒纤维被错误地识别为细羊毛 纤维，而只有1 0 的细羊毛被错误地识别为羊绒。 出现这种错误判析的可能原因有3 个：一是因为显 微成像系统成像质量的局限性，图像处理过程中对 于边缘的提取存在一定的偏差，致使测量数据有一 定的误差；二是纤维本身的特征极为相似，甚至相 同；三是因为纤维本身的特性，羊绒纤维的各项参数 指标的离散度比细羊毛要大。尤其是第2 个原因， 将其中误判的纤维形态取出对比，见图2 。可以看 出图2 ( a ) 、( b ) 羊绒与羊毛的特征极为一致；图2 ( c ) 、( d ) 羊毛与羊绒特征相似，但羊毛相似于羊绒的 概率较低。当加大观察力度时，可以有效地区分羊 毛还是羊绒。当然羊绒也有此特征。因而，上述的 结果是可以接受的。若将此系统换为电镜成像系 统，或加大观察量或增加辨识参数，从表2 所给的结 果看，识别的正确率将会超过9 0 。 图2 误判的羊绒和羊毛纤维 F i g 2 M i s l a b e l e dc a s h m e r ea n d 6 n ew o o l6 b e r ( a ) C a s h m e r e f i b e r1 ；( b ) C a s h m e r ef i b e r2 ；( c ) F i n ew o o l6 b e rl ； ( d ) F i n ew o o l6 b e r2 5结语 本文利用显微成像系统，通过图像处理的技术 ( 下转第3 3 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第1 期袁辉等：纤维单丝及纤维束强度统计学分析 · 3 3 · n ( f ： ( 口) d 仃，： ( 盯) d 盯( - 一： ( 盯) d 盯) ) ( 1 9 ) 所以式( 1 6 ) 给出的纤维束拉伸强度 盯呲 也只 是其期望值。当一时，纤维束拉伸强度 盯 同样服从正态分布： 盯。，。 一( 盯。( - 一j ' ： ( d ) d 盯) ， - r ： ( 仃) d 盯( ，一： ( 仃) d 盯) ) ( 2 0 ) 将式( 8 ) 代入式( 1 6 ) 、( 2 0 ) 中，即可预测任意长 度纤维束的强度。 3结论 本文推导了含有多种性能缺陷的纤维单丝的强 度分布函数，建立了纤维束强度预测模型，通过理论 推导和数值分析，得出以下结论： 1 ) 含有多种缺陷的纤维单丝的强度并不服从二 参数w e i b u U 分布，而是服从多重w e i b u l l 复合分布。 2 ) 纤维束强度小于纤维单丝平均强度。当纤维 数一时，纤维束强度服从正态分布。 3 ) 含有多种缺陷的纤维单丝的强度离散度C y 随着p i 的增大而减小，随着纤维长度c 的增大而增 大，并且总是与最小的刁。所对应的c K 比较接近。 4 ) 纤维单丝强度的离散度越大，纤维长度c 对 纤维单丝平均强度的影响越显著，纤维束中纤维强 度利用率岸越低。黛 参考文献： 1 c o l e m a nBD 0 nt h es t r e n g t ho fc l a s s i c a l6 b e r sa n d6 b e r h u n d l e sl J j JM e c hP h y sS o l i d s ，1 9 5 8 ( 7 ) ：6 0 7 0 12JP h a n iKK E v a l u a t i o no fs i n g l e f i b e rs t r e n g t hd i s t r i b u t i o n 矗b e rb u n d l es t r e n g t hljJ M a t e r i a l sS c i e n c e ， 1 9 8 8 ，2 3 ： 9 4 1 9 4 5 13J M i l i t k yJ 7 I 、e n s i l ep r o p e r t i e so fm o d i 6 e dP E T6 b e I s JJ T e x t i l eS c i e n c e 2 0 0 1 9 3 ：1 1 2 一1 1 7 4 熊杰，唐菊，顾伯洪，等芳纶纤维束力学性能的统 计本构方程 J 纺织学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ：3 0 6 3 0 9 5 周元鑫，江大志，夏源明1 3 0 0 A I 复合丝中纤维就位 强度的测试与表征 J 材料工程，2 0 0 2 ( 9 ) ：1 8 2 1 6 杜善义，王彪复合材料细观力学 M 北京：科学 出版社，1 9 9 8 ：8 6 9 6 7 蔡杉，孙长义硼纤维拉伸强度分布特征与其内含缺 陷的关系 J 材料工程，1 9 9 9 ( 5 ) ：4 3 4 6 8 蔡杉，李占一，董妍，等c v D 纤维及其增强金属基 复合材料强度的分布特征研究 J 航空材料学报， 2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ：3 2 3 6 9 曾庆敦复合材料的细观破坏机制与强度 M 北 京：科学出版社，2 0 0 2 ：5 7 5 8 1 0 吴群英，林亮应用数理统计 M 天津：天津大学 出版社，2 0 0 4 ：3 5 ( 上接第2 8 页) 提取纤维的多项参数指标，并在此基础之上提出了 3 侯秀良，王善元，孙锋山羊绒和细支绵羊毛纤维的 自动辨识羊绒和细羊毛的贝叶斯方法。实验结果表 鉴别 J - 上海纺织科技，1 9 9 9 ，2 7 ( 3 ) ：5 8 6 0 望翌王蒙妻量竺竺考掣篓专箜型烹娑墨¨3 鬻鬻筹慧麓訾? 2 版北裁 有效的。至于模型对其他品种羊绒与羊毛的辨识效 5 孟：。gi 二B i 。g 。a 。a l y 。i 。f o r 。t l o 。肺。玛，p 。nI ： 率，还有待于在辨识标准和参数以及实验量上作进 l 。g i t 。d i 。l m 。t J T e 。t i l 。R 。J ，2 0 0 2 ，7 2 ( 8 ) ： 一步的研究。黼7 1 3 7 2 0 参考文献： 6 x uB ，H u a n gY I m a g e8 J 1 a l y s i sf o rc 。t l o n 胁e r s ，p a n ： 1 s h o u e iF ，Y u k i eK I d e n t i f y i n gc a s h m e r ea n dm e r i n 。w 。o l c r 0 8 s 。8 e c i 。n a lm e a 8 u r e m e n 8 J ·T e x i l eR e sJ ，2 0 0 4 ， 砧e r s J T e x t i l eR e sJ ，1 9 9 7 ，6 7 ( 8 ) ：6 1 9 6 2 0 7 4 ( 5 ) ：4 0 9 4 1 6 · c z ，翟嘉熹垫，鼍爹墨笋孳兰罂法北京：中国 “ 1 茎辈茔主誉嚣2 ：孟葺当? 光罗颖昕最北莉 纺织出版社，2 0 0 4 ：1 4 6 1 4 7 ，1 7 7 一1 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark