1 引 言

  粘胶纤维良好的服用性能一直受到人们的青睐，高质量粘胶长丝的市场需求量不断上升，尤其是加入WTO、纺织配额取消之后，国际对高档粘胶长丝的需求量猛增。由于我国的长丝质量达不到国际标准，出口受到限制，其中一个重要原因是由于粘胶长丝单丝不足造成布料染色不均。粘胶长丝数量不足是由于在长丝成丝过程中，喷丝板中部分喷丝孔堵孔造成捻合单丝根数缺少。快速在线检测喷丝板是否堵孔，实时监测单丝数目，可以较好地解决上述问题。

  为实现实时监测单丝数目，本文利用机器视觉检测技术，采用外置光源对粘胶长丝照射，由光学系统成像至CCD上，实时采集酸浴内长丝图像，通过IPC工业计算机及图像采集卡获取图像数据，实时显示至监控屏幕上。同时，粘胶长丝图像经过图像增强及阈值分割后，长丝的形态特征被突显出来；用特定的算法识别粘胶长丝并计算出其数目；根据计数结果，判别长丝产品合格与否。

  2 粘胶长丝浴内监测系统研究目标

  2.1 系统研发目标

  ⑴ 研究喷丝动态成像系统和照明系统，实现喷丝过程的光学成像；

  ⑵ 将酸浴中的光学图像转换为方便于人们观测的可视图像；

  ⑶ 开发图像处理软件系统，实现对粘胶长丝的相关识别和判别计数；

  ⑷ 保证系统在酸浴中部分结构不受腐蚀影响。

2.2系统技术指标

⑴ 该系统需适应环境指标

  酸浴温度：50℃
  酸浴深度：400mm
  酸浴透明度：400-500mm
  酸浴组成：硫酸：130±1g/l
  硫酸锌：11±0.5g/l
  硫酸钠：260～270g/l

⑵ 喷丝孔径：φ0.06～φ0.08mm

⑶ 喷丝孔数：18～60

⑷ 单丝检测精确度为97%

⑸ 功能实现：

  a获取清晰的喷丝图像，具有良好的可视性
  b实现计算机图像处理，指示喷丝数量
  c喷丝板检测实现计算机管理（编号、数据存储等）
  d仪器小型化，便于巡回检测

3 粘胶长丝浴内监测系统的结构设计

3.1 监测系统的硬件结构

粘胶长丝浴内监测硬件系统主要有以下部分构成：

  系统照明光源
  CCD摄像头
  机械微调装置
  控制柜
  电源控制板
  图像采集卡
  工业计算机
  液晶显示器

  CCD实时采集接收屏上的图样，输出视频信号。由计算机系统控制的视频采集卡对CCD输出的视频信号进行实时捕捉，显示至监视器屏幕便于实时监控酸浴内喷丝板的工作情况，截取细丝图像，向长丝计数系统输出用于图像分析的图片。工业计算机系统用于监测系统的整体控制，为测试软件的运行提供硬件基础。系统的硬件结构如图1所示。

  根据系统技术指标，本系统的控制监视部分要在粘胶长丝酸浴附近工作，其环境温度高，空气潮湿，周围机器振动较大，且有高频信号干扰，条件极为恶劣。为保证监控系统正常工作，工控计算机的选择是极为重要的。本文采用的是研祥工控机，型号为IPC-6806W-E(A3)。其优点是结构紧凑、设计合理、便于扩展外接采集卡；具有较好的抗震、抗干扰、防尘耐高温的特性，能够克服酸浴附近的恶劣条件而稳定工作；满足在线监控与长丝计数算法的运算需求。另外，本系统的成像探头部分要在酸液内工作，需要将系统光源及CCD摄像头密封在耐酸塑料ABS制成的防腐外壳中；为方便粘胶长丝的成像调节，在酸浴外加置了机械微调装置；将采集卡、电压控制板、工业计算机以及液晶显屏封装在控制柜中，实现仪器的小型化，便于循环检测。系统的控制柜和浴内CCD摄像探头与光源机构如图2、图3所示。

3.2 长丝计数软件系统结构与界面

  软件系统是利用VC开发出来的。基于DirectShow技术将采集卡采集的图像数据显示至屏幕上，以便实时观测酸浴内喷丝板表面状况；为测量细丝根数抓取屏幕图像，进行图像预处理，将长丝图像增强，削弱背景噪声影响，提高阈值精度；利用形态学理论分析二值化后图像，去除非细丝结构的杂点(酸液中的漂浮物或气泡)；利用二值图像形状分析方法确定计算区域，节省计算时间；根据长丝计数算法计算图像中细丝根数；将测试结果显示至屏幕；并存储测试数据。软件系统的程序模块如图4所示。

软件系统操作界面如图5所示。该界面主要分为以下几个区域：

⑴ 视频显示区

  实时显示粘胶长丝喷丝状态；起到了实时监控酸浴内喷丝板的目的。

⑵ 信息输入区

  输入机器型号、编号相关信息，以及检测人员的工号，便于测试结果查询。

⑶ 指示区指示目前系统工作状态，蓝灯表示系统顺利通过开机自检；绿灯表示系统顺利完成计数工作，可进行下次操作；红灯表示系统正在进行图像处理工作。

⑷ 测控区

  主要对粘胶长丝图像进行处理并分析出细丝根数。测试１为按序计算按钮；测试2为重新测试按钮；另外，还列出三种测试速度，以便按实际需要进行选择。

⑸ 测试结果区

  显示测试结果及喷丝板锭号。

4 粘胶长丝图像的分割与计数算法

  通过对粘胶长丝图像的理解，本文研究了如下适合于长丝图像的分割与计数方法。

4.1 分行消包络分割法

  根据粘胶长丝机视觉检测实际应用的需要，设计一种结合粘胶长丝图像特征的分行处理消包络分割方法。该方法属于自适用阈值法的范畴，其计算简单，应用效果好。因为粘胶长丝的浴内检测图像一般背景和目标的对比度较差，经图像增强处理后，图像质量有所改善，但细丝目标与背景照明较亮的部分都得到了增强，以图6(a)为例，如果直接采用常用阈值分割法，会带来大量噪声白点，如图6(b)。

  细丝喷丝方向多为纵向，细丝的像多为竖直，因此可以对图像进行分行二值化处理，避免图像的上下照明不均带来的噪声。

  图7(b)是左图中第120行(亮线标致行)的灰度分布，横坐标为该行像素序列号，纵坐标为各对应像素的灰度值。

  由于背景照度不均匀，使得该行的背景灰度数据不均，为去除背景的干扰，可对灰度分布数据提取包络，如图8(a)所示。可以认为，灰度数据的包络即细丝图像的背景灰度分布形态，将原灰度分布数据与包络数据相比照，去除背景信息，保留细丝目标数据。这样就避免了图像左右照度不均的影像。依照此方法对各行数据进行处理。得到去背景后的细丝图像，然后将其二值化(非0即1)，获得较好的细丝二值化图像，如图9所示。

4.2 连通域分离法

  粘胶长丝在生产过程中总体趋势为纵向喷丝，其图像多为竖直结构，如图6(a)示。因此可将图像按行扫描计算，统计各行计数结果，这种算法简单便于理解，但其精度难以保证，稳定性不高。其主要原因是在实际生产过程中，各长丝之间并非完全平行，前后细丝之间存在着交错重叠，尤其对图10所示的结构，这种逐行扫描的算法将遗漏细丝。造成测试结果普遍偏低。

下面介绍一种连通域分离办法来解决细丝交错时的计数问题。

4.2.1 连通域分离的基本思想

⑴ 分离

  基于二值图像的形状分析，对各连通域进行标识，提取出各连通域的特征属性，如区域面积、长度、圆形度，平均宽度等，以辨别该连通域是否为长丝二值像。针对被标识的长丝连通域，按标识将各连通域分离成各各子图像。以图10为例将
其按连通域分离为如图11的四个子图像。

⑵ 分岔位置与分割

  对每个子图像进行逐行扫描，计算细丝根数，当数目发生变化时，说明细丝在此处分岔，即为分岔位置；该位置所在的行为分界行；分界行将图像分为上下两部分，能使图像连通域个数增加的那部分称为保留区，另一部分称割舍区；可以在分岔位置做标记，以便删除割舍区内对应的重合细丝段。下面以图11(b)为例进行说明，如图12(a)所示。

如图11(d)所示，子图像存在着多个分岔位置，应根据如下规则进行选取并分割：

  a尽量使保留区域高度最大；

  b被保留区域的逐行扫描根数不小于割舍区的扫描根数；

  c保留区域内的连通域个数必须大于1。

具体分割见图12(b)所示。

4.2.2 实现步骤

  （1）对二值图像进行标记，划分成不同连通区域。

  （2）根据不同的像素值，即不同的连通域，将图像分离为各个子图像；子图像的数目即为父图像中连通域的个数。即子图像中连通域个数为一。并将子图像进行二值化，非0即为1。

  （3）对各子图像进行逐行扫描，计算细丝根数，如果为1，执行第(5)步；否则执行第⑷步。

  （4）从上下两端向中间查找子图像的分岔位置，按照能将子图像分割成两个以上的连通域为原则，保留区最大为基准，选取最佳分岔位置的上下部分进行取舍。将分离后的图像最为新的父图像执行步骤（1）

  （5）累加子图像细丝根数1；计算子图像平均宽度；改变子图像灰度值，并将该子图像复制到原图相应位置。

  （6）弹出对话框，输出各被计算的子图像的平均宽度，及计数结果。用伪彩色编码将图像显示到屏幕上，以便观察分析。

  图10的计算结果及处理后图像如图13所示。