棉纤维成熟度纵向图像分析研究

摘要

棉纤维作为传统的天然纤维素纤维，在纺织纤维中占有重要的地位，棉纤维的品质检测对棉纺行业的产、供、需等环节都非常关键。棉纤维成熟度是用于表征纤维胞壁上纤维素积累程度的指标，是棉花品级评定的首要内容。棉纤维成熟度与纤维色泽、强力、细度、转曲、弹性、吸湿等物理、化学性能及纤维的加工、使用价值都有着密切的联系，快速、准确、客观地检测棉纤维成熟度具有重要的意义。
　　 本研究对现有的棉纤维成熟度检测方法进行了分析，将这些方法分成直接和间接两大类。通常，间接方法依靠中间变量的换算关系来表征成熟度，准确性一般。中腔胞壁对比法等直接测试方法，按照成熟度的定义提取棉纤维胞壁厚度等参数，但测试速度慢、检测纤维根数少，不能很好的指导生产。国内外研究表明，利用图像处理技术是实现棉纤维成熟度直接检测的一条有效途径。棉纤维图像分析可分为基于纤维纵向图像和横截面图像两类，横截面试样制样难度大，不适合快速测试，纵向试样制作方便，能够提供一定长度的纤维片段信息。
　　 为获得清晰的棉纤维纵向图像，本研究设计了棉纤维干态制样方案，利用Y172型纤维切片器将纤维切成0.5mm的小段在干态下进行分散，之后利用地毯式自动聚焦的方法进行图像采集。
　　 基于纤维纵向图像的棉纤维成熟度检测是对纤维成熟度的识别。首先利用图像处理技术得到纤维的轮廓信息、表面条纹信息；进而提取表征棉纤维成熟度的三个特征参数：建立了这些参数的模式空间，通过训练样本求出不同成熟度的边界曲线。
　　 本文首先对棉纤维纵向图像进行了灰度化和平滑去噪等预处理；然后利用图像分割、细化、交叉骨架修复等算法提取了纤维的骨架信息。之后利用边缘检测算法和纤维表面条纹的量化等获得了纤维表面条纹信息，从而完成纤维有效检测片段的选取。
　　 根据不同成熟度棉纤维的形态特征，最终选择并提取了纤维平均直径Wf、纤维宽度沿纵向变化方差Sf及纤维透明特征Gf等参数来表征棉纤维的成熟度。
　　 本研究根据GB/T6099-2008中提供的不同棉纤维的纤维形态，建立了9个不同成熟度等级的图像库作为训练样本。利用特征参数建立模式空间，并根据不同成熟度等级的棉纤维样本的落点概率分布图，建立了判别分界线，实现棉纤维成熟度的自动分类。
　　 本文提出的成熟度检测方法可获得成熟度均值、成熟度分布直方图和未成熟纤维含量。验证试验表明，该方法得到的成熟度均值与棉纤维大容量测试仪(HVI)测得的马克隆值之间具有显著地线性关系，相关指数大于0.85。