基于频率信息的织物起毛起球等级检测

韩永华，汪亚明，康 锋，孙 麒

(浙江理工大学a.信息学院;b.研究生处，杭州310018)

穿着或洗涤过程中引起的起毛起球程度是描述织物服用性能的一个重要指标［1］。传统的起毛起球等级评定方法是通过专业实验人员观察起毛起球试样，并与标准样照对比，以毛球个数及大小来判定等级，具有很强的主观性［2］。为了克服传统评定方式的缺点，目前出现了很多基于图像处理技术的方法，具有很好的一致性，并且可重复，同时提高了评定的正确性和可靠性。方法主要分为三类:一类仅在空间域利用颜色信息完成评定过程［2-6］，这类方法对织物纹理变化敏感，仅适用于某类特定织物;另一类主要通过傅立叶变换［1，7-8］，利用纹理信息变化的周期性去除织物纹理的影响，因为傅立叶变换不能表达局部信息，只有变化很强的全局周期信息才能体现在频谱图中，因此往往存在纹理去除不干净、非周期噪声不能滤除的弊端;还有一类应用了既能体现频率信息又能体现空间域信息的小波变换［9-16］，但已有的这些基于小波变换的方法要么仅以小波变换作为去噪手段，再额外增加空间域算法进行处理;要么求解的评定参数单一，影响织物起毛起球判定的准确性。针对上述特征，提出了通过小波多分辨率分解直接提取起毛起球密度、毛球大小、毛球形状等多个织物特征，进而进行织物起毛起球等级判定的方法。

1 小波多分辨率分解的应用

织物起毛起球图像中的噪声主要由织物纹理结构、光照不匀等造成，其产生的频率信息和待处理的毛球不相同。利用这一点，结合小波变换的频率分层特性，找到织物毛球所在的层，在这一层上提取特征，进行起毛起球等级判定。

1.1 织物毛球所在频率层的确定

光照不匀产生的干扰主要为低频噪声，在利用小波变换算法时总是处于近似层上，和分解级数关系不大，很容易去除。纹理结构是织物固有特征，遍布整个织物图像，对应的频率信息总量相比其他频率占有绝对优势，可基于这一点实现毛球层的有效分离。

图1(a)为针织物1级起毛起球图。经验证，织物纹理及毛球产生的频率信息主要在小波的5级分解层内，因此每次等级判别过程都通过小波变换将织物图像进行5级分解。为了可视性，图1(b)仅显示了图1(a)的3级小波分解图。将分解图像的最外围各细节图像也就是频率最高的层称为第1级分解图，从外向里依次为第2级、第3级。同时考虑到研究过程只是应用频率分层及方向特性，因此选用了最古老、最成熟的Haar小波。

图1 小波多分辨率分解示意Fig.1 The diagram of wavelet multiresolution decomposion

为了去除织物纹理结构的影响，按下式计算各细节层小波分解系数平方和的均值，

式中:l为小波多分辨率分解的第l层;h为l层水平分解系数图像;d为l层对角分解系数图像;v为l层垂直分解系数图像。

式(1)中的Clx为小波分解系数平方和，下标表示计算对象为小波分解的第l层x方向上的子图像，由下式获得，

式中:M×N为小波多分辨率分解第l层各方向子图像的大小;flx(i，j)为坐标点(i，j)的小波多分辨率分解系数。

计算各层分解系数和之后，从第1级到第5级依次对相邻层Ci、Cj，按下式计算比值，

如果小波分解系数平方和递减变化，则选择第一个明显发生跳变的比值对应的低频层作为毛球细节信息开始的频率层，第一个明显跳变指求取比值的计算顺序中碰到的第一个超过平均值的跳变，平均值是指按式(3)计算的所有比值Aij的平均值;如果先递减再递增，则选取开始递增的比值对应的低频层作为毛球细节信息开始的频率层。这两种频率变化情况主要出现在织物纹理比较平滑，产生的频率信息高于毛球的情况，此时所有比选定毛球层频率高的层作为织物纹理干扰层。若织物纹理粗糙，可导致纹理产生的频率信息低于毛球，如粗绒线类织物，此时除第1级高频层外，分解系数平方和会先递增再递减，则选择第一个明显发生递增跳变的比值对应的高频层作为毛球细节信息开始的频率层，所有比选定毛球频率层低的，没有发生再次跳变的层作为织物纹理层，这里明显跳变的定义和小波分解系数平方和递减变化的过程一样，只是此时平均值的求解只针对递增过程的比值进行。此外织物纹理结构具有很强的方向性，产生的频率信息要么为水平、垂直方向，要么主要为对角方向，而毛球产生的频率信息是随机的，可通过计算选取频率层3方向细节分解系数的平方和，归一化后，对平方和求方差δ，如δ＜0.15，则确定为毛球层，否则再和选定层相邻的频率层上进行相应计算，找到符合要求的层。对图1进行上述操作，发现织物毛球细节信息从第3级开始，图2(a)为将第1级和第2级细节信息置零后重构的图像，图2(b)为仅对第3级细节信息进行重构获得的图像。

图2 起毛起球织物图像的小波变换处理过程Fig.2 The wavelet transform processing of pilling fabric

1.2 织物起毛起球等级特征的提取

织物起毛起球的等级判定主要依赖以下几个参数［16］:起毛起球密度，毛球大小，毛球形状等。起毛起球密度定义为毛球区域和图像区域的比值。可通过计算去除织物纹理所在频率层并重构图像的小波分解系数的平均值，然后计算超过平均值系数的个数和总系数的个数之比来实现。利用小的毛球和周围区域相比变化更突然，产生频率比大的毛球高的特点，判定毛球的大小。确定织物纹理结构及起毛起球主要细节信息所在频率层后，找到和起毛起球频率层相邻的频率信息最多的非织物纹理结构层，即毛球细节信息次多的层，按下式确定代表毛球大小的频率层。

式中:A表示织物毛球主要细节信息所在的频率层与毛球非主要细节信息所在层中频率信息最多的层的系数平方和之比，其余各符号含义同式(1)、(2)。

考虑到同一块织物，毛球大小也会有差异，导致代表毛球的频率信息会出现在不同频率层上，大的毛球产生的主频信息在低频层，小的毛球产生的主频信息在高频层，判断织物产生毛球总体是大还是小，就看毛球频率信息出现在低频层和高频层的量的多寡。当低频层所表达的大毛球产生的频率量达到较高频率层所表达的小毛球产生信息量的1/4时，认为毛球整体大小由低频层的毛球决定，否则由高频层决定。求解特征A时，分子部分对应较高频率层l，分母对应较低频率层l+i。当满足A≥4时，选定l层，否则选定l+i层。按上述规则选定的层如果为1～3级中的某一级，则断定为毛球较小，否则称毛球较大。

关于毛球形状，如果毛球接近圆形，则进行小波多分辨率分解时，产生的水平、垂直及对角三方向的频率信息近似相等，若毛球形状并不规则，如图1(a)所示，则会导致三方向的频率量具有一定离散性。按式(2)计算三方向的小波分解系数平方和，归一化后，求方差δ，如果δ≤0.5，判定为形状单一的圆形，否则判定为不规则形状。

2 结果与讨论

针对精梳针织绒、粗梳针织绒、光面精梳毛织品、绒面精梳毛织品、粗梳毛织品的5级起毛起球标准样照，进行了参数提取操作。发现织物不同时提取的各级起毛起球密度值存在差异，表1给出了各级密度特征的分布范围。

由表1可见，因织物类型不同，织物起毛起球相邻等级的密度值出现了交叉，不能仅以求取的密度值作为等级判定的唯一依据。当两种织物求取的密度相同时，如果其中一个织物毛球比较大，则总毛球个数就少，采用人工视觉判定时相应等级偏低。此外如果通过图像处理判定织物生成的毛球为比较规则的圆形，则说明各毛球间的相互连接不紧密，分布比较分散，在相同等级下密度偏低。最后得出织物起毛起球的等级判定规则为:如果计算的密度出现了等级交叉，若同时判定毛球尺寸大且形状不规则，则归入较低一级;若同时判定毛球尺寸小、且形状接近圆形则归入较高一级;若为其他情况，则依据织物纹理结构产生的频率信息的高低进行最终判断，织物纹理频率信息在小波多分辨率分解的第4或5级，则将归入较低起毛起球等级，否则归入较高等级。

表1 不同织物5级毛球密度分布范围Tab.1 The density distribution of pilling in five grades

应用上述算法，对120幅起毛起球图片进行了等级判定，准确率达到91.3%。

3 结论

依据小波多分辨率分解的空间频率信息，定位了织物纹理结构及毛球主要细节信息所在的频率层，进而提取起毛起球密度、毛球大小、毛球形状3个指标，实现了不同织物起毛起球等级的统一检测方法。这种方法能有效克服各种和毛球变化频率不同的噪声的干扰，提高了评定过程的鲁棒性。

［1］周圆圆，潘汝如，高卫东，等.基于标准样照与图像分析的织物起毛球评价等方法［J］.纺织学报，2010，31(10):29-33.ZHOU Yuanyuan，PANRuru，GAOWeidong，et al.Evaluation of fabric pilling based on standard images and images analysis［J］.Journal of Textile Research，2010，31(10):29-33.

［2］陈霞，李立轻.图像处理技术在评估织物起球等级上的应用［J］.纺织导报，2005(2):82-85.CHEN Xia，LI Liqing.Evaluation of fabric pilling grade by using image processing technology［J］.China Textile Leader，2005(2):82-85.

［3］杨旭红，张长胜，唐人成.图像分析法评价Lyocell织物的起球性能［J］.印染，2001，27(12):50-53.YANG Xuhong，ZHANG Changsheng，TANG Rencheng.Pilling evaluation of lyocell fabric using image analysis［J］.Dying and Finishing，2001，27(12):50-53.

［4］陈霞，黄秀宝.基于光照投影的起球织物图像的采集、预处理和毛球分割［J］.东华大学学报，2003，29(5):36-41.CHEN Xia，HUANG Xiubao.Image acquisition，preprocessing and pilling segmentation for the pilled fabric based on light projection［J］.Journal of Donghua University，2003，29(5):36-41.

［5］CHEN Xia，HUANG Xiubao.Evaluating fabric pilling with light-projected image analysis［J］.Textile Research Journal，2004，74(11):977-981.

［6］CHEN Xia，HUANG Xiubao.Image analysis of fabric pilling based on light projection［J］.Journal of Donghua University，2003，20(4):1-4.

［7］曹飞，汪军，陈霞.织物起球标准样照的图像分析［J］.东华大学学报:自然科学版，2007，33(6):751-755.CAO Fei，WANG Jun，CHEN Xia.The image analysis of the pilling fabric standard photes［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2007，33(6):751-755.

［8］KIM S M，PARK C K.Evaluation of fabric pilling using hybrid imaging methods［J］.Fibers and Polymers，2006，7(1):57-61.

［9］刘菁.小波分析在织物起毛起球客观评级中的应用［J］.武汉科技学院学报，2009，22(4):7-10.LIU Jing.The objective grading of fabric pilling based on wavelet analysis［J］.Journal of Wuhan University of Science and Engineering，2009，22(4):7-10.

［10］PALMER S，WANAG X G.Objective classification of fabric pilling based on the two-dimensional discrete wavelet transform［J］.Textile Research Journal，2003，73(8):713-720.

［11］CHEN X，XU Z B.Detecting pills in fabric images based on multi-scale matching filtering［J］.Textile Research Journal，2009，79(15):1389-1395.

［12］ZHANG JM，WANG X G，PALMER S.Objective grading of fabric pilling with wavelet texture analysis［J］.Textile Research Journal，2007，77(11):871-879.

［13］ZHANG J M，WANG X G，PALMER S.Objective pilling evaluation of wool fabrics［J］Textile Research Journal，2007，77(12):929-936.

［14］ZHANG J M，WANG X G，PALMER S.The robustness of objective fabric pilling evaluation method［J］.Fibers and Polymers，2009，10(1):108-115.

［15］SOO C K，TAE J K.Fabric surface roughness evaluation using wavelet-fractal method partⅡ:fabric pilling evaluation［J］.Textile Research Journal，2005，75(11):761-770.

［16］DENG Z，WANG L，WANG X.An integrated method of feature extraction and objective evaluation of fabric pilling［J］.Journal of the Textile Institute，2011，102(1):1-13.