全自動苧麻纖維細度儀的研制

冷鵑，肖愛平，廖麗萍，楊喜愛，劉亮亮，黎宇

(中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205)

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全自動苧麻纖維細度儀的研制

冷鵑，肖愛平，廖麗萍，楊喜愛，劉亮亮，黎宇

(中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205)

運用計算機的動態(tài)顯微觀察及實時圖像處理技術，通過對CCD攝像頭、三維載物平臺與載物臺同步移動的頻閃光源、投影光電顯微鏡、步進電動機等主要硬件的選型與相關軟件的開發(fā)，研究設計出一種全自動苧麻纖維細度儀。該儀器可快速、準確測定苧麻纖維細度指標直徑(d,μm)、公制支數(shù)(Nm,m/g)、線密度(ρL,tex)及其纖維不勻率(CV,%)。結果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、檢測誤差小、準確度高，單個試樣測試時間5 min～6 min，且測定纖維試樣根數(shù)達1000根/min以上。該儀器的研制成功，填補了我國苧麻纖維細度快速測定技術與設備的空白，為指導苧麻科研與生產(chǎn)中的苧麻纖維準確定等提供可靠支撐。

苧麻纖維；細度儀；自動化；動態(tài)顯微觀察；實時圖像處理

1　引言

苧麻纖維及其織物、織品是我國重要工業(yè)原料和傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。苧麻是一種韌皮纖維作物，收獲的韌皮纖維其主要化學成分是纖維素(75%左右)，其他還有果膠質、半纖維素、木質素、脂肪蠟質等非纖維物質(統(tǒng)稱為“膠質”)[1]，它們均與纖維素伴生在一起。要取出可用的纖維，必須要將纖維與膠質分離(稱為脫膠)。近年來由于人們健康、環(huán)保理念的不斷增強，天然麻質面料服裝以其獨特的涼爽、透氣、休閑的風格特點深得人們喜愛。隨著苧麻纖維利用率及產(chǎn)品檔次提高、應用范圍擴大、新產(chǎn)品不斷得到開發(fā)，提高苧麻纖維品質檢測技術水平顯得尤為必要與急迫。

纖維細度(fineness)是指纖維、長紗線的粗細程度，亦稱纖度。纖維細度可用單位長度的質量(線密度)、單位質量的長度(公制支數(shù))以及直徑、寬度、橫截面等表示，纖維的細度與紡織工藝、產(chǎn)品質量有著密切的關系[2]。苧麻纖維細度一般用纖維公制支數(shù)與線密度來表示，它是苧麻纖維最重要最基本的物理性能指標，它不僅是苧麻纖維力學性能的關鍵指標(如拉伸強度、彈性模量等)，而且極大地影響著纖維的手感、外觀和應用價值，同時也決定著纖維本身的制備工藝與制備成本。因此，準確檢測纖維細度對于正確評價纖維的性能，使其在紡織工業(yè)中定位使用與合理利用具有重要意義，而研制快速、準確的全自動苧麻纖維細度專用測試儀器十分必要。

纖維細度測定方法很多，有顯微投影儀法、氣流儀法、激光細度儀法、聲學法、顯微圖像法等，上述方法只能測定纖維直徑；而中段切斷稱量法[3-4]、振動法等雖然可測定纖維公制支數(shù)與線密度，但存在測定效率低、人為誤差大、重現(xiàn)性差等問題。

本研究擬通過理論分析和試驗研究，研制開發(fā)出一種能夠同時快速、準確測定纖維直徑、公制支數(shù)、線密度等表征苧麻纖維細度重要指標的專用國產(chǎn)化新型自動化儀器—全自動苧麻纖維細度儀，為實現(xiàn)苧麻纖維細度檢測自動化，快速評定苧麻纖維品質奠定堅實基礎。

2　系統(tǒng)硬件選型

2.1主體結構

苧麻纖維細度自動分析儀的主要部件包括光學顯微鏡、裝有圖像采集模塊的數(shù)碼拍攝設備、位于該光學顯微鏡目鏡下方的載物平臺、用于控制光學顯微鏡及載物平臺聚焦定位的控制盒、裝有顯微控制模塊的微型計算機、與微型計算機連接的顯示器及設置于微型計算機內(nèi)的苧麻纖維信息處理程序，其中數(shù)碼拍攝設備安裝在光學顯微鏡目鏡位置，圖像采集模塊上裝有圖像自動捕獲軟件，數(shù)碼拍攝設備與微型計算機進行數(shù)據(jù)傳送，在載物平臺的水平XY方向和光學顯微鏡的聚焦Z方向上分別設有步進電機，步進電機與控制盒電氣連接[5-13](見圖1、圖2)。

圖1主體結構示意圖

Fig.1Schematic diagram of the main structure

圖2樣機結構圖

Fig.2Prototype structure diagram

2.2自動步進控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由計算機、步進電機、單片機系統(tǒng)、自動載物臺及CCD攝像頭等組成 (見圖3)。顯微鏡載物臺的運動由步進電機驅動，計算機對顯微鏡的控制通過單片機系統(tǒng)和步進電機對載物臺的驅動實現(xiàn)。計算機通過串口通信將控制指令發(fā)送到單片機，由單片機系統(tǒng)控制步進電機行走步距，行走速度和方向，再由步進電機驅動顯微鏡載物臺微調旋鈕調節(jié)載物臺X、Y、Z軸的位置。單片機系統(tǒng)控制電路作為控制電路的核心部件。其端口分別控制X、Y、Z方向的步進電機。步進電機轉動驅動電路和單片機控制驅動的輸出端口，采用了光電隔離措施，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和增強工作的安全性。通過RS232串行口，接收從上位控制計算機發(fā)送的控制命令，解釋命令，完成相應的操作；同時通過串口向上位控制計算機發(fā)送相應的應答信息。X、Y方向最大位移范圍：50 mm，最小位移分辨率：4 um。Z方向(即聚焦方向)最大位移范圍就是原顯微鏡全程，最小轉角分辨量：1.8，最小位移分辨率：0.4 um。

機械結構：控制盒的控制開關(XYZ開關)控制在載物平臺(水平方向X、Y方向)和聚焦方向(Z方向)安裝的步進電機，步進電機驅動載物平臺在X、Y水平方向的運動與Z方向的上下移動。行程范圍：75 mm X 25 mm。電器參數(shù)：直流24 V供電，RS232串行端口控制。

圖3　自動步進控制系統(tǒng)圖

2.3光學成像系統(tǒng)

用專用纖維切斷器將苧麻纖維切成2 mm左右的纖維段，再將試樣的小片段均勻的散布在透明的玻璃載樣片上，將載樣片放在載物臺上自動掃描，載樣片上試樣經(jīng)顯微放大系統(tǒng)成像在數(shù)字CCD靶面后，CCD將圖像轉化為數(shù)字信號，計算機將其讀入處理，然后通過圖像分析技術自動識別出其中的纖維并進行細度測量。該光學成像系統(tǒng)(見圖4)是苧麻纖維細度檢測系統(tǒng)一個重要的組成部分，是能夠進行自動化檢測的硬件基礎，主要包括自動顯微鏡、顯微控制模塊、圖像采集模塊。

圖4　苧麻纖維自動攝取系統(tǒng)結構框圖

2.3.1自動顯微鏡

自動顯微鏡構造與一般光學顯微鏡類似，只不過在載物臺(X、Y水平方向)和聚焦方向(Z方向)裝有步進電機，根據(jù)數(shù)碼顯微控制平臺發(fā)出的指令，自動載物臺在X、Y水平方向按照規(guī)定的路線進行運動(見圖5，移動路線呈“弓”字狀)，Z方向上下移動，完成自動聚焦。自動顯微鏡配有數(shù)碼拍攝設備，將采集的數(shù)字圖像傳入計算機，精度高、噪聲低、穩(wěn)定性好。顯微控制模塊根據(jù)圖像采集模塊的指令，驅動自動載物臺按照規(guī)定的路線運動；驅動顯微鏡上聚焦電機按照規(guī)定的步長進行聚焦運動，向圖像采集模塊反饋當前圖像采集點坐標、聚焦坐標及其他位置參數(shù)。圖像自動捕獲軟件運行在圖像采集模塊上，主要完成對自動顯微鏡的控制和調整、顯微圖像自動聚焦、多焦面圖像合成、圖像拼接等功能。

圖5　自動載物平臺運動路線圖

2.3.2顯微圖像系統(tǒng)參數(shù)

在顯微圖像捕獲系統(tǒng)中，圖像分辨率由光學放大倍數(shù)和數(shù)碼成像設備像素距離決定。根據(jù)苧麻纖維特點，通過反復試驗研究并實際考慮到混疊的影響，本儀器采用物鏡4×，分辨率2.1 μm，成像分辨率8.4 μm，CCD最小間隔4.2 μm。

顯微鏡參數(shù)：進口研究級正置顯微鏡，可作明場的觀察；光學系統(tǒng)：UIS2無限遠校正光學系統(tǒng)，鏡頭采用環(huán)保無鉛玻璃材質；調焦：載物臺垂直運動方式距離不小于25 mm，帶聚焦粗調上限停止位置，粗調旋鈕扭矩可調，最小微調刻度單位≤1微米；觀察鏡筒：寬視野三目鏡筒，傾角為30°；照明裝置：內(nèi)裝式透射光柯勒照明器，6 V 30 W鹵素燈，光量預調開關，光強度發(fā)光二極管指示燈，日光平衡濾色片；物鏡：平場消色差物鏡4X(N.A. 0.1，W.D. 18.5 mm)、10X(N.A. 0.25，W.D. 10.5 mm)、20X(N.A. 0.4，W.D. 12 mm)、40X(N.A. 0.65，W.D. 0.6 mm spring)；載物臺：右手低位置同軸驅動選鈕的高抗磨損性陶瓷覆蓋層載物臺；目鏡：10X寬視野目鏡，視野數(shù)為22；物鏡轉換器：五孔物鏡轉換器；聚光鏡：阿貝聚光鏡，N.A.≥1.1。

攝像頭參數(shù)：采用松下CP310D，成像器件1/3英寸CCD；高清晰畫質：650線(彩色模式)；高靈敏度的日夜轉換功能：0.08 Lux(彩色模式)；0.008 Lux(黑白模式)；電子快門速度為1/50秒至1/12000秒3 。

3　系統(tǒng)軟件設計

苧麻纖維測量專用軟件[14-19]，用于控制自動載物臺的平移、攝像頭采集圖像、圖像處理(纖維段識別、篩選、測量)，以及輸出數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計。系統(tǒng)測量速度在每分鐘1000根以上，能有效識別交叉纖維段；并在纖維段全長范圍內(nèi)測量，獲取多個位置的測定值，再求平均作為此纖維段的代表直徑、線密度與公制支數(shù)。

具有的主要功能特點：采集圖像，保存圖像；配合自動顯微鏡可實現(xiàn)自動拍攝及合成的功能；圖像旋轉和圖像間的算數(shù)運算及疊加顯示；多種圖形標記功能；測量結果可輸出到EXCEL數(shù)據(jù)平臺；多種自動和參數(shù)可選的平滑降噪功能及圖像增強功能等。

麻類纖維細度實時測量算法基本流程(具體軟件流程見圖6～9)：纖維邊緣提取、纖維片段的識別、纖維片段細度的計算。

首先對已獲取的纖維圖像進行預處理，然后提取圖像中的纖維邊緣，纖維邊緣提取算法采用圖像二值化處理并使用自適應閾值法，圖像二值化后，需要對圖像的邊緣進行跟蹤，以便進行纖維微段的識別。但常用算法所提取邊緣包含了邊緣噪聲和一些不必要的信息，不能真實反映纖維輪廓。因此對邊緣跟蹤算法進行改進，以便提取的邊緣能夠反映纖維邊緣的真實狀況。

對于纖維邊緣分離，在封閉邊緣曲線中，曲線上的突變點是區(qū)別不同纖維邊緣最好的參數(shù)。因此，通過提取曲線的突變點來分辨不同纖維的邊緣，突變點的提取采用鏈碼相關結合方向變化來實現(xiàn)，鏈碼相關法根據(jù)邊緣曲線點左右鄰域內(nèi)鏈碼分布的相關系數(shù)確定邊緣點是否突變點，由此得到的反映曲線變化的突變點反映了不同纖維微段的邊緣，便于纖維微段的識別。

纖維微段的識別是把前面提取出的纖維邊緣微段聯(lián)系起來，提取出單獨的纖維微段。根據(jù)邊緣微段相互之間的幾何關系以及邊緣微段之間像素灰度變化的狀況來確定。具體算法是首先取纖維邊緣微段，計算邊緣微段中點坐標，然后建立邊緣微段過中點的法線方程，沿法線向纖維內(nèi)部搜索另外的纖維微段，最后如果搜索到新的邊緣微段，判斷新邊緣微段和原邊緣微段是否是同一纖維微段的邊緣，如果不是，回到上一步，重新搜索，保存纖維邊緣數(shù)據(jù)。不斷重復上述工作，直至找出所有的纖維微段，為纖維細度測量作好準備。

纖維細度計算，纖維細度通過纖維垂直截面同兩邊緣線交點的距離計算，以纖維微段識別出的邊緣點的距離代表纖維的細度，只能達到半個像素的精度，達不到儀器要求。因此必須使用其他的方法計算纖維細度，提高纖維細度的測量精度，歸根到底是要提高邊緣定位的精度。為此，考慮使用灰度擬合法，準確定位邊緣的位置，使得到的纖維細度的精度同像素的大小無關，只受光照均勻性、圖像噪聲和纖維邊緣灰度變化規(guī)律的影響。階躍型邊緣截面灰度變化曲線上的最大值點為其準確的邊緣點。基于上述認識，同時假設邊緣截面灰度變化曲線為二次曲線，纖維邊緣定位時使用擬合二次曲線最大值法。其算法基本原理首先計算纖維截面兩邊緣點附近的灰度變化，對纖維截面兩邊緣點附近的灰度變化進行中值濾波,去除灰度變化異常點，其次對邊緣截面兩邊緣點附近的灰度變化曲線進行最小二乘曲線擬合，計算兩擬合曲線最大值點的準確位置，最后計算纖維細度的值。該算法減小了像素大小對纖維細度測量精度的影響,能夠達到亞像素的測量精度。

圖6　苧麻纖維細度算法軟件總流程圖

圖7　苧麻纖維細度算法預處理軟件流程圖

圖8　苧麻纖維細度算法圖像信息提取軟件流程圖

圖9　苧麻纖維識別與細度測量軟件流程圖

4　樣機實驗

4.1樣機功能參數(shù)及配置

測量模塊：儀器測量范圍公制支數(shù)為(Nm)100 m/g～5000 m/g、線密度(ρL)為2 dtex～100 dtex，直徑范圍：1 μm～200 μm；有專用的測試軟件，能實現(xiàn)支數(shù)、分特、直徑等相互轉換，有專用大容量數(shù)據(jù)報表，內(nèi)置AB系數(shù)轉換算法；可容納多批次多平行樣本的測量數(shù)據(jù)，并提供匯總分析結果；內(nèi)置數(shù)據(jù)校正功能，內(nèi)置A、B轉換系數(shù)；測試速度：5 min～6 min/一個樣片;個性化界面，自定義觀察倍數(shù);內(nèi)置照明合法性判別算法，主動剔除照明超范圍的視場。統(tǒng)一檢測成像條件，減少誤差引入環(huán)節(jié)。

二軸/三軸自動控制模塊：標準樣片范圍35*55 mm。兼容標準載玻片、系統(tǒng)方形樣片、CU細度儀系統(tǒng)梯形樣片。測試操作簡便，設置初始參數(shù)后測量可全自動完成，無需人工干預。自動步進模塊不使用時不妨礙對載物臺的手動操作。

苧麻纖維細度測量采用專用光學低通濾波光路(專有名稱FDLF: Frequency Domain Lowpass Filtering)，減少高頻圖像噪點，并保證粗、細纖維及層疊纖維的齊焦成像。統(tǒng)一檢測成像條件，減少誤差引入環(huán)節(jié)。此專用光學低通濾波光路針對苧麻纖維細度測量需求優(yōu)化并固化的照明系統(tǒng)，無需再調節(jié)照明光闌的孔徑及位置。統(tǒng)一檢測成像條件，減少誤差引入環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)配置：苧麻纖維細度軟件一套；苧麻纖維細度硬件一套(含光學成像系統(tǒng)、自動化步進控制系統(tǒng)及圖像采集步進)；專用鍘刀式制樣器一套；專用纖維撒播器一套；計算機一套。

4.2試驗方法

2015年12月于農(nóng)業(yè)部麻類產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗測試中心纖維物理檢測室，將7個苧麻纖維樣本分別采用研制的自動纖維儀樣機(見圖10，以下簡稱儀器法)和國家標準(GB 5884-1986，以下簡稱手工法)進行細度測定的對比試驗。儀器法樣片制作：在專用纖維切割器(見圖11)上切成1 mm～2 mm長的纖維碎末，把纖維碎末放入布樣器(見圖12)，將潔凈的合葉式方形玻片打開置于布樣器下方，通過布樣器的篩網(wǎng)使纖維均勻散布在方形玻片上，拿出樣片并輕輕合上，待測。

圖10苧麻纖維細度自動分析儀圖11纖維切割器

Fig.10Automatic analyzer for ramie fiber fineness Fig.11Fiber cutter

圖12　纖維布樣器

4.3檢測過程

將苧麻纖維細度自動分析儀調至測試狀態(tài)，把待測樣片夾在載物平臺上，啟動測量。通過控制盒控制的步進電機分別驅動載物平臺做X-Y方向的移動和光學顯微鏡做Z方向的聚焦，其中載物平臺的移動路線呈“弓”字狀，這樣盡可能增加測定纖維數(shù)量且避免重復測定，在聚焦及移動過程中，經(jīng)光學顯微鏡放大后的纖維圖像被數(shù)碼拍攝設備中的圖像采集模塊采集，圖像采集模塊采集到的模擬圖像信號經(jīng)過圖像模數(shù)轉換裝置轉換成微型計算機可以識別的數(shù)字圖像。

4.4結果與分析

采用儀器法獲得的纖維數(shù)字圖像信息經(jīng)苧麻纖維專用軟件實時同步處理，可同時得出纖維細度指標直徑、公制支數(shù)、線密度及其纖維不勻率(以變異系數(shù))，采用手工法只能得到纖維細度指標公制支數(shù)、線密度(見表1)。本試驗按兩種方法得到的兩組數(shù)據(jù)的平均值計算統(tǒng)計量t:

在選用顯著水平α=0.05情況下，分別對表1的檢測數(shù)據(jù)支數(shù)與線密度進行t檢驗，t檢驗數(shù)據(jù)處理見表2，由表2可知：t合

表1苧麻纖維細度檢測結果

Tab.1Results of fineness of ramie fiber

編號儀器法手工法直徑(d/μm)支數(shù)(Nm/m·g-1)線密度(ρ/dtex)變異系數(shù)(CV/%)根數(shù)(n)支數(shù)(Nm/m·g-1)線密度(ρ/dtex)根數(shù)(n)124.3617355.7643.87660217005.88500223.9617865.6035.94674218005.56500322.1720404.9037.37622820204.95500424.2617475.7343.17526617205.81500523.0319105.2349.01571918305.46500621.7521084.7444.13535320804.81500723.3718625.3742.51626118155.51500平均23.2718845.3342.29602418525.43500

表2T檢驗數(shù)據(jù)處理

Tab.2T test data processing

參數(shù)X1X2S21S22S合t合t0.05,12支數(shù)(Nm/m·g-1)1884185221040208821450.4132.179線密度(ρ/dtex)5.335.430.1600.1640.4020.465

5　結論

本研究通過理論分析和試驗探討，研制開發(fā)出能夠快速、準確同時測定得到纖維直徑、公制支數(shù)與線密度等表征苧麻纖維細度重要指標的專用新型自動化苧麻纖維細度分析儀。該儀器性能穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、檢測誤差小、準確度高，測定一個苧麻纖維試樣只需5 min～6 min，就可自動、快速、準確同時測定出纖維直徑、公制支數(shù)、線密度及其纖維不勻率。

苧麻纖維細度自動分析儀首次將自動化、計算機軟件、控制工程、圖像信息處理等多種學科、多種技術融合為一體并綜合運用到苧麻纖維細度檢測技術上，不僅具有重要的理論意義，對促進苧麻檢測技術進步，全面實現(xiàn)苧麻纖維檢測技術裝備的自動化、提升麻纖維細度的檢測技術和水平、快速評定苧麻纖維品質奠定了堅實基礎。

由苧麻纖維細度自動分析儀快速、準確測定出的纖維細度指標特別是公制支數(shù)與線密度，為指導苧麻科研與生產(chǎn)，苧麻纖維產(chǎn)品準確定等及其在紡織加工中合理利用提供可靠依據(jù)。同時對推動苧麻檢測儀器的國產(chǎn)化、自動化，降低設備購置成本，提高檢測效率，具有較大經(jīng)濟與社會效益。

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The Development of Automatic Ramie Fiber Fineness Instrument

LENG Juan，XIAO Aiping，LIAO Liping,YANG Xiai，LIU Liangliang，LI Yu

(Institute of Bast Fiber Crops,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, China)

By using of computer’s dynamic microscopic observation and real-time image processing technology, an automatic ramie fiber fineness instrument was designed with selecting and exploiting of relative software of the CCD camera, the 3D loading platform, the strobe light (synchronizedwith the movement of loading platform), the projection optical microscope, the stepping motor, etc.It can rapidly and accurately determine ramie fiber fineness index: the diameter (d, μm), the metric count (Nm, m/g), the linear density (ρL, tex) and fiber irregularity (CV, %). The results showed that the instrument was stable and repeatable as well, small error and high accuracy. A ramie fiber sample was detected for 5 min to 6 min and the number of fiber specimens up to 1000/min. The success of developing of the instrument has filled the gap in the field of the quick determination technologies of fiber fineness of ramie in China and provided guidance of ramie fiber products quasi-determination in ramie scientific research and production.

ramie fiber; fineness instrument; automation; dynamic microscopic observation; real-time image processing

1671-3532(2016)04-0167-09

2016-04-19

冷鵑(1968-)，高級實驗師，主要從事纖維及紡織品檢測技術研究與標準制、修訂。E-mail:leng4695@sina.com。

S563.1

A