基于光电技术的棉纤维杂质快速测定

季焕淑，夏 彬

(1.河南省轻工业职工大学 信息工程系，河南 郑州 450002； 2.中华全国供销合作总社 郑州棉麻工程技术设计研究所，河南 郑州 450004)

棉花产业是我国纺织工业的基础，同时也反映了国家农业生产技术水平的高低[1]。随着农业自动化技术的进步[2-3]，在新疆棉区，棉花普遍采用机械化采摘方式，籽棉在快速被采收的同时，棉杆、铃壳、土石等杂质也一并混入其中，给籽棉带来了较高的杂质含量，而高含杂很大程度上影响棉农收入，也不利于棉花加工品质的提高[4-5]。此外，如果这些杂质在纺纱过程中不能被有效清除，将会造成条干不均、染色不匀、棉纱断头，严重时还会影响纺织成品的品质，给企业造成经济损失。因此，棉纤维中杂质含量的快速测定成为纤维检验机构、纺织企业、棉农各方关注的焦点，具有重要的现实意义与应用前景[6-7]。

目前在棉纤维杂质检测方面，根据GB/T 6499—2012《原棉含杂率试验方法》，含杂率主要通过人工检验完成，该方式操作复杂、耗时长、劳动强度大、检测结果主观性强，不能实现含杂率的快速测定，进而影响检测效率与检测结果的准确性[8]。

针对上述问题，本文提出一种基于光电技术的杂质机器视觉测定方法，首先通过改变平滑模板窗口尺寸对棉纤维图像自适应中值滤波优化，然后采用Otsu(Nobuyuki Otsu，Otsu)算法自适应选取分割阈值，并遍历整个图像，进行边缘断裂端点的连接、边缘生长与连接，并搭建了光电检测系统原型，实现了棉纤维杂质的快速测定。

1 系统原型构建

光电检测是一种融合了光学、电子、信息处理等领域的检测技术[9]，其能够使光信号转换成为电信号对物体进行测量，从客观物体的图像中提取关键信息，并加以理解，能够有效提高检测效率，使检测结果更具有科学性、客观性。

在光电检测技术的基础上，结合实际业务需求，设计了棉纤维杂质含量快速测定系统框架，主要包括光源照明模块、光学模块、图像采集模块、图像处理与智能测量模块，棉纤维杂质快速测定系统框架如图1所示。

图1 棉纤维杂质快速测定系统框架

具体步骤为：在光源照明环境下，首先通过相机采集装置将棉纤维样品转换成数字图像，然后将图像转变成数字信号传输至图像处理模块，由智能测量模块根据棉样图像的像素、颜色、亮度特征信息，综合运用数字图像处理算法，根据阈值进行计算分析，输出检测结果。

2 棉纤维杂质光电测定算法

2.1 算法总体流程

根据以上技术路线与系统原理，采用边缘检测的方法获取棉纤维图像杂质结果，在此基础上，通过棉样图像自适应中值滤波优化、阈值自适应选取、边缘生长与连接，实现对棉纤维杂质含量的快速测定。算法总体流程如图2所示。

图2 算法总体流程

2.2 自适应中值滤波

棉样图像自适应中值滤波主要通过改变平滑模板窗口尺寸，并对噪声点与非噪声点采用区别处理方式，有效去除图像噪声，进而保护图像细节。

同时，自适应中值滤波方法包括A层和B层。

A层：如果Zmin

B层：如果Zmin

在平滑模板窗口尺寸的选取中，由于十字形滤波窗口能够根据图像噪声调整窗口大小，在有效提高降噪效果的同时，较好地保留图像细节信息。因此，本文对棉样图像自适应平滑滤波采用图3所示窗口。

图3 自适应中值滤波窗口

2.3 阈值自适应优化

在边缘检测中，阈值的选取对于检测结果至关重要，过低的阈值易于导致将图像噪声当作边缘，进而产生过多伪边缘；过高的阈值可能导致边缘断裂，出现边缘不连接现象。

本文采用Otsu方法[10]寻求合适的阈值，在此基础上，采用优化的阈值进行图像分割，具体方法如下：

假设分辨率为M×N的灰度图像中某点对应的像素值为f(x,y)，0≤f(x,y)≤L-1，L为图像中的灰度级数，那么，图像中所有灰度值为k的像素点所占的比例p(k)可根据式(1)获得：

(1)

①设定初始分割阈值T0，则可将图像像素分为2个区域，像素值在0≤f(x,y)≤T0作为目标区域；像素值在T0

②计算目标区域和背景区域占整个图像的比例和均值；

③按式(2)计算棉样图像的均值μ，其中，ω1(T)为目标区域占整个图像的比例，μ1(T)为目标区域灰度均值，ω2(T)为背景区域占整个图像的比例，μ2(T)为背景区域灰度均值；

μ=ω1(T)μ1(T)+ω2(T)μ2(T)

(2)

④建立类间方差函数如式(3)所示：

g(T)=ω1(T)(μ1(T)-μ)2+ω2(T)(μ2(T)-μ)2

(3)

⑤构建最大化类间方差函数，函数最大值对应的灰度值取值即为高阈值，高阈值乘以0.5得到低阈值。

2.4 图像边缘连接

为了将断裂的边缘连接起来，需要对棉样图像进行边缘生长。首先，采用结构元素模板匹配图像，检测出边缘断裂端点。其次，以断裂边缘端点为起点，以断裂边缘端点为中心半径，搜索区域内是否存在边缘点，如果存在，综合考虑边缘点的走向以及边缘点与断裂边缘端点之间的距离，通过设定阈值对边缘点进行连接，遍历整个图像，直至完成所有边缘断裂端点的连接。

3 实验验证与分析

在棉纤维杂质快速测定系统框架的基础上，搭建实验验证平台，选取新疆棉区棉花作为实验样品，通过LED照明与工业相机采集棉样图像，采用OpenCV类库对杂质视觉检测，并从检测耗时以及检测效果2个方面进行性能对比分析。

3.1 杂质检测耗时分析

由于图像分辨率大小直接影响视觉检测系统耗时，为了更精确测定系统检测时间，根据CMOS工业相机参数，分别采集从700 像素×700 像素到2 200 像素×2 200 像素共 5种不同分辨率档位的棉花图像，并与GB/T 6499—2012检验时间对比，杂质检测耗时对比如图4所示。

图4 杂质检测耗时对比

由图4可知，相比国标检测方法耗时维持在12 s左右，视觉检测耗时基本维持在3～6 s，在检测耗时上具有较大优势，能够有效弥补现有棉纤维杂质人工检验耗时长、劳动强度大等不足。同时，针对棉纤维视觉检测，其检测耗时随着图像分辨率的增加而提高，由于像素越大，杂质边缘检测与连接会占用内存空间与处理器资源，增加运算的时间。700 像素×700 像素时耗时仅为3.2 s，而在2 200 像素×2 200 像素时耗时达到5.9 s。从视觉检测耗时走势上看，1 600 像素×1 600 像素与1 800 像素×1 800 像素耗时增幅较低，因此，棉样图像维持在260～324万像素之间，既能维持图像清晰度，还能够避免运算时间的快速增长，可有效作为棉纤维视觉检测的有效分辨率区间，为棉纤维视觉检测系统的图像品质参数选取提供了数据参考。

3.2 杂质检测效果对比分析

3.2.1 整体检测结果对比分析

实验获取试样图像分辨率为1 800 像素×1 800 像素，图像格式为bmp无压缩位图。在此基础上，实验程序对试样图像进行视觉检测。

棉纤维杂质光电检测及其效果见图5，可以看出，本文构建的杂质检测光电实验平台能够有效消除图像噪声，杂质与背景的分离效果显著，杂质边缘描述清楚，能够准确识别出棉纤维中存在的杂质，光电检测检测结果与肉眼观测结果高度一致。

图5 棉纤维杂质光电检测及其效果

此外，为了验证光电检测杂质方法与GB/T 6499—2012人工检验方法结果间误差，选取棉纤维试样100份，每份100 g,采用上述2种方法进行实验，经过统计分析，与GB/T 6499—2012检测方法相比，光电检测方法检测结果平均误差为2.35%，进一步验证了本文光电检测方法在棉纤维杂质测定上的准确性与有效性。

3.2.2 杂质粒数参数结果对比分析

杂质粒数是衡量棉纤维杂质状况的重要参数，其检测方法为GB/T 20392—2006 HVI棉纤维物理性能试验方法。为进一步验证本文方法的检测性能，将进行含杂粒数参数的对比实验。实验选取棉纤维试样100份，每份100 g，对每个试样分别进行HVI棉纤维物理性能试验和本文实验平台检测，并对检测结果进行对比分析，杂质粒数参数结果对比如图6所示。

图6 杂质粒数参数结果对比

从图6可以看出，本文方法与国标方法在含杂粒数测定上，数据曲线一致性强。经过对实验结果统计分析，2种方法在杂质粒数上的最大结果差值为2粒。与GB/T 20392—2006 方法相比，本文光电检测方法在杂质粒数参数的测定结果平均误差为2.07%，与国标方法检测结果差异较小。

3.2.3 杂质面积比参数结果对比分析

杂质面积比是指杂质图像像素数量与试样图像像素总数的比值，也是衡量棉纤维杂质状况的重要参数，该指标能更好地反映杂质含量的大小，其检测方法同样按照GB/T 20392—2006 HVI棉纤维物理性能试验方法进行。同样，本文也将进行含杂面积比参数的对比实验。实验选取棉纤维试样100份，每份100 g，对每个试样分别进行HVI棉纤维物理性能试验和本文实验平台检测，并对检测结果进行对比分析，杂质面积比参数结果对比如图7所示。

图7 杂质面积比参数结果对比

从图7可以看出，本文方法与国标方法在含杂面积测定上，数据曲线一致性强。经过对实验结果统计分析，2种方法在杂质面积上的最大结果差值为0.19。与GB/T 20392—2006 方法相比，本文光电检测方法在杂质面积比参数的测定结果平均误差为1.25%，与国标方法检测结果高度一致，本文光电检测方法可有效用于棉纤维杂质的快速测定。

4 结束语

棉纤维品质快速仪器化检验是我国棉花品质体制改革的重要内容与目标，而杂质指标的快速测定也是研究热点，受到广泛关注。针对目前人工检验棉纤维杂质方法耗时长、劳动强度大等问题，提出一种基于光电技术的杂质机器视觉测定方法，首先通过改变平滑模板窗口尺寸对棉纤维图像自适应中值滤波优化，然后采用Otsu算法自适应选取分割阈值，并遍历整个图像，进行边缘断裂端点的连接、边缘生长与连接，并搭建了光电检测系统原型，实现了棉纤维杂质的快速测定。实验结果表明，本文方法能够有效去除图像噪声，避免伪边缘的产生，检测到的杂质边缘清晰完整，同时，光电检测耗时较国标方法降低95.1%，光电检测与国标方法结果间误差为2.35%，杂质粒数与杂质面积比参数结果误差也在2.1%以内，能够有效用于棉纤维杂质的快速准确测定，为实现棉纤维杂质的快速仪器化检测提供了参考依据。