基于图像视觉的棉花异性纤维识别关键技术研究

发布时间：2020-11-04 02:32

　　 棉花中的异性纤维(以下简称“异纤”),是生产、运输、加工等全部过程中混入的非棉性纤维和变色棉纤维,常见的有地膜、彩线、各类丙纶丝、枯草片等。虽然异纤含量少,但是危害性极大,不仅影响产品质量,还会严重损害我国棉加工产品的信誉,所以高效准确的检测棉花中的异纤至关重要。目前,基于图像和视觉的自动检测设备以其易扩展、效率高、准确率高等优点在各个领域得到广泛应用。因此,本文提出基于图像视觉的棉花异纤识别关键技术研究。主要完成如下几方面的工作:1、通过对国内外产品的充分调研,确定棉花异性纤维检测的技术要求和主要技术参数等指标;基于模块化设计原理搭建检测系统;根据棉流速率、图像分辨率、图像传输速率等主要技术参数完成关键部分的优化设计和重要零部件的选型;2、在对传统的一维Otsu算法和二维Otsu算法充分研究的基础上,得出传统算法的特点不符合自动在线检测技术的要求;改进二维Otsu算法的分块策略,采用上下双界限非对称直方图斜分方式,使用边缘算子和最小二乘法确定上下界限的截距值并调整检测目标和检测背景;进行噪声替换,提高算法抗噪性;3、采用纹理特征图像并以纹理参数为阈值识别阈值与棉花相近的异纤。通过分析步长d、方向θ和灰度级L的变化对纹理参数产生的影响,确定合理取值;提出针对纹理图像的灰度级不等距压缩方法,并进行对比;探究了以纹理参数为阈值进行图像识别的合理性并生成纹理图像选出合适的纹理参数值当作分割阈值,基于Otsu算法进行图像识别并验证;4、在Qt框架的基础上,以C++为主要编程语言设计系统软件并实现主要功能;封装主要的函数,以线程互斥的方式处理来自驱动和用户设置的指令,并介绍软件的登陆界面、主窗口界面、参数设置界面、图像分析界面。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP391.41;TS107
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??表１－２罗列了常见的异性纤维Ｗ种类及材料构成。如图１－１所示为工业现场??在集棉箱中收集的异纤。??：：■??图１－１工业现场异纤??１．２．２课题的背景以及意义??棉花作为战略储备资源，关系重大。目前我国的棉纺织业的发展与国际先进??水平仍旧存在较大差距，具体表现为档次较低、品质较差，所以利润也较低。??本文解决的是异纤在线识别实时性差和准确率低的问题。识别算法在识别系??统中居于核心地位，我国研制的产品比国外同类产品在价格上己经大幅的降低，??不但符合我国的国情，而且能够摆脱对进口技术及设备的依赖，更能提高我国的??产品竞争力，为我国经济的发展做出贡献。同样，由于棉花异纤的检测方式具有??可移植性，可应用到重复性高和生产量大的场景之中，例如二维码识别、军事目??标识别、工件质量检测、焊缝检测等等［４］。??１．３国内外研究现状??１．３．１机器视觉技术的发展??机器视觉是一门能够让机器拥有人眼一样“看”本领的技术，包括模式识别、??人工智能（ＡＩ）等大范围、多领域的学科门类［５Ｌ机器视觉技术能够用电脑和摄??像头替代人眼让机器拥有对目标的测量，追踪，辨识，处理，归类，分割，分析??决策等功能。??迄今为止己有５０余年的历史，起源于二维图像的模式识别［６】；６０年代出现??２??

速发展阶段。??机械工程、电子工程、生物工程和控制工程等技术的发展促进了在机器人、??质量检验、图像分析、路况检测、智能交通等领域的应用｜９１。异性纤维检测系统??是机器视觉技术的具体应用之一，该技术采用高速工业相机实时采集图像，并将??数据信息传入控制器进行处理ｉｉｅ］。??￣￣｜?机器视觉?￣￣??机器人｜?丨?丨?１人Ｉ：容能??机械１科宁?｜电子１科宁?｜生牧１科宁?ｉｆ?＾１４４??＇ｊｌ．ｆｉ！?丨，ｊｌ：ｇ?＇ｊ?Ｉ．ＩＳ?＇ｔ－＇ｊ?ｉ．Ｋ??图１－２机器视觉与相关领域的联系??１．３．２异性纤维检测技术研究现状??根据识别原理不同，检测技术主要分为如下几类［１１１：??（１）超声波检测技术：利用波源发送到不同介质被反射回的差异来检测异??性纤维。由于异纤和棉花在密度上存在差异，所以被异纤反射回的超声波信号强??于遇到棉花的反射信号强度。该检测技术的优点是可以检测全阈值范围的异纤，??缺点是对相对面积较小的异纤精度不够，检测速度不能够满足实时性检测的要求。??（２）光电检测技术：异纤与原棉之间的色差反映在光电二极管上就是电流??差，经过放大后可以完成检测。优点是原理简单，缺点是光电二极管的寿命短，??稳定性差，只能识别深色和相对面积较大的异性纤维。??（３）传感器检测技术：通过辨识光源照射到介质上被反射的波长差异来检??测异纤。适用范围较广，但成本较高。??（４）光学检测技术：通过工业相机拍摄棉流图像，将所采集的数字信号传??入计算机进行处理，检测出的异性纤维会启动相应的执行机构定位清除。成本低，??３??

山东大学硕士学位论文???捡出率高，速度快，目前广泛采用该种技术＝???１驱动单元????］［???昭明光源丨?？??Ｌ?ｒ?Ｉ＿＾?＿图像信息光?图像预处理??＿＿Ｉ＾＾?Ｉ业相机?电转换存储?及特征提？?结果??待测目标Ｉ????｛－＊￣???图１－３图像视觉检测流程??国际上研究异纤起步早、技术成熟，但是设备较贵，均价能达到上百万??元，昂贵的设备不符合国内的生产行情，更使许多小微企业承受不起。德国的??Ｔｍｔｚｓｃｈｌｅｒ公司，瑞士的Ｊｏｓｓｉ公司，意大利的Ｌｏｐｔｅｘ公司等异性纤维设备的??生产商产品技术较为领先。??Ｇｅｒｍａｎｙ?Ｔｍｔｚｓｃｈｌｅｒ?的?ＴＳ－Ｔ５?产品较为著名，ＴＳ－Ｔ５?如图?１－４?所示。ＴＳ－Ｔ５??在原来设备的基础上，将相机改为带有偏振光源的相机，光源使用２５６个ＬＥＤ??灯，设置在ＬＥＤ灯上的特殊镜头，可以辨识体积和长度均较小的异纤。工作原??理为：两侧的高速相机扫描棉流，可根据棉流通道调整机幅宽度，线扫描速度??为１０２４行／秒，每行至多扫描２０４８个像素点，辨识精度达０．５？０．８毫米，数据??信息传入计算机，与己有资料对比并确定异纤的位置，控制器发出指令适时控??制高压气阀启动将异性纤维吹入落棉箱。??ｉｊｉｍ??图?１－４?ＴＳ－Ｔ５??Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ?Ｊｏｓｓｉ研究异纤设备起步早，国际市场占有率较高，Ｔｈｅ?ｖｉｓｉｏｎ??ｓｈｉｅｌｄ?ｉｎｓｐｅｃｔ?４是它的代表性产品。经过充分开松的棉花进入设备时，两侧彩色??ＣＣＤ相机透过中央透明玻璃通道扫描棉流，数据信息传入控制器处理。Ｔｈｅ?ｖ１Ｓ??４??
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本文编号：2869476