МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕКОСА УТОЧНОЙ НИТИ В ТКАНИ
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 535.43, 004.9
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕКОСА УТОЧНОЙ НИТИ В ТКАНИ
© 2014 г. П. Г. Шляхтенко, канд. физ.-мат. наук, доктор техн. наук; О. В. Кофнов, аспирант; П. А. Сухарев, аспирант
Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, Санкт-Петербург
Е-mail: kofnov@mail.ru
Предложен метод определения перекоса уточной нити относительно нити основы текстильных тканей по дифракционной картине Фраунгофера, которая может быть получена как аппаратным методом на соответствующей установке, так и расчетным методом по цифровой микрофотографии образца с помощью программы двумерного преобразования Фурье. Цифровое изображение дифракционной картины анализируется с помощью специальной компьютерной программы, строящей угловую диаграмму распределения интенсивностей дифракционных максимумов. О размере искомого угла между уточной нитью и нитью основы исследуемого образца судят по углу, измеренному между направлениями на максимумы в этой диаграмме.
Ключевые слова: микроизображения поверхности, тканые материалы, дифракция Фраунгофера, преобразование Фурье, угловая диаграмма распределения интенсивности.
Коды OCIS: 050.1940; 110.2960; 070.0070
Поступила в редакцию 7.10.2013
Перекос уточных нитей (их неперпендикулярное расположение по отношению к нитям основы ткани) обычно возникает после обработки ткани в отбельных, красильно-заварочных и аппретурно-отделочных цехах. Образование перекосов объясняется различной скоростью движения участков ткани по ширине. Сушильно-ширильные стабилизационные машины должны осуществлять автоматическое исправление подобного перекоса [1], поэтому необходимы соответствующие устройства для контроля.
Существуют различные приемы контроля угла перекоса ткани под микроскопом или с помощью специальной лупы [2].
В работе [3] исследовалась дифракция света лазера на тканом полотне и показано, что по измеренному углу между рядами максимумов, соответствующих нитям утка и основы, можно судить о перекосе уточных нитей. Методы, описанные в работах [2, 3], субъективны.
В данной работе предлагается объективный автоматический метод измерения обсуждаемо-
го параметра, основанный на анализе диаграммы распределения интенсивности дифракционной картины, построенной по изображению объекта.
При анализе дифракционных картин различных текстильных материалов как наблюдаемых при использовании аппаратного метода (освещение лазером), так и полученных безаппаратным методом [4] (картины, рассчитанные с помощью двумерного дискретного преобразования Фурье по компьютерным изображениям текстильных материалов), было обнаружено, что дифракционные картины асимметричны относительно горизонтальной и вертикальной осей декартовых координат, проведенных через центр изображения, в случае соответствующей асимметричности изображения исходного образца.
Для анализа этой асимметрии предлагается использовать диаграмму распределения интенсивности дифракционных максимумов, построенную в полярных координатах поверх изображения дифракционной картины.
76 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
R2 R1
(а)
Y ∆ϕ
α ϕ
OХ
(б) А = 19,88° 1
2β A
Рис. 1. Схемы построения диаграммы (а) и определения угла перекоса (б).
На рис. 1а приведена схема, поясняющая построение этой диаграммы, которое осуществляется следующим образом.
Центр исследуемой дифракционной картины всегда совпадает с центром дифракционного максимума, имеющего максимальную интенсивность, который всегда находится в центре симметрии этой центрально симметричной дифракционной картины. На изображение дифракционной картины накладывается кольцо с центром в точке O и радиусами R1 (внутренний) и R2 (внешний).
Выделяем сектор кольца с угловым размером α. Сектор находится на угловом расстоянии ϕ от оси ОX. Обозначим заштрихованную площадь этого сектора, находящуюся между окружностями с радиусами R1 и R2, как ∆S. Тогда среднюю интенсивность внутри сектора можно рассчитать по формуле
å Φpix
Iave
=
∆S
∆S
,
(1)
где в числителе – суммарный световой поток, испускаемый всеми пикселами изображения, попавшими в выделенный сектор ∆S.
Повторяя измерения и расчет по формуле (1) при всех значениях угла ϕ от 0 до 2π с шагом ∆ϕ и постоянном значении ∆S, соединив полученные точки плавной замкнутой кривой, получим зависимость углового распределения средней интенсивности засветки в исследуемой дифракционной картине (рис. 1б).
Угол сектора α может быть задан как
α = 2π/N,
(2)
где N – положительное четное число. В этом случае диаграмма охватывает ровно всю окружность.
Из-за того что цифровое изображение по своей природе дискретно (состоит из пикселов конечных размеров), угол α задавать очень малым нельзя, иначе в секторы будет попадать слишком мало точек. На угол ∆ϕ таких ограничений нет, поэтому его размер задается в несколько раз меньшим, чем выбранный размер α, и определяется формулой
∆ϕ = α/M,
(3)
где M – целое положительное число. Таким образом, на каждом шаге в смещен-
ный сектор попадает некоторое количество пикселов из предыдущего сектора, что сглаживает искомую зависимость.
В результате расчета по формуле (1) с использованием соотношений (2) и (3) получаем набор точек, по которым можно построить замкнутую кривую в полярной системе координат (рис. 1б). На построенной таким образом диаграмме всегда есть один четкий максимум, указывающий направление преимущественного расположения дифракционных максимумов. Кроме этого максимума на диаграмме присутствуют и другие максимумы. В ходе анализа дифракционных картин различных материалов, имеющих сетчатую структуру, было установлено, что угол между направлениями на главный максимум 1 диаграммы и на второй за ним по значению максимум 2 диаграммы соответствует углу между перекрещивающимися нитями в структуре образца. Для построения диаграмм и расчета угла между первым и вторым максимумами была написана оригинальная программа.
Программа по заданной дифракционной картине строит диаграмму поверх изображения дифракционной картины (рис. 1б), определяет направления на максимумы 1, 2 диаграммы и угол β между этими направлениями. Так как целью работы является поиск угла перекоса, т.е. отклонения этого угла от 90°, то программа выводит размер этого угла в виде надписи "А = значение угла перекоса = 90° – β" в левом верхнем углу картинки.
Для проверки правильности описанного выше метода была разработана вспомогательная программа, рисующая идеальное изображение ткани с заданным углом перекоса в виде повторяющихся по вертикали и горизонтали перекрещивающихся прямых. На рис. 2 приведены изображения таких моделей (а) и результаты работы программы по определению угла перекоса на них (б).
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
77
(а) (б) А = 0,04°
90°
I
(а) I
(б) А = 0,42°
А = 9,95°
А = 0,26°
II II
А = 30,07°
А = 13,66°
A III III
Рис. 2. Определение угла перекоса по диаграмме на моделях ткани. Модель (а) и результаты работы программы по определению угла перекоса на ней (б). I – модель ткани с углом 90° между нитями утка и основы (без перекоса), модель построена из линий с шагом 10 пикселов по вертикали и горизонтали; II – модель ткани с углом 80° между нитями утка и основы (угол перекоса 10°), модель построена из линий с шагом 5 пикселов по вертикали и 10 по горизонтали; III – модель ткани с углом 60° между нитями утка и основы (угол перекоса 30°), модель построена из линий с шагом 20 пикселов по вертикали и горизонтали, толщина «нити» увеличена в 3 раза по сравнению с образцами I и II.
Из приведенных примеров видно, что угол определяется с точностью до одной десятой градуса. Метод протестирован на моделях изображений тканей и показал удовлетворительную точность.
На рис. 3 приведены результаты проверки работоспособности программы на изображениях тканей, выпускаемых отечественной промышленностью. В последнем случае (рис. 3б-IV)
А = –14,02°
IV A
Рис. 3. Определение угла перекоса реальных тканей. Микроизображения исследуемых тканей (а) и результаты работы программы (б). I – плащевая ткань (на рис. 3а приведен негатив исходного изображения), II – полотно, III – ткань с явно выраженным перекосом, IV – другой участок той же ткани, где перекос нитей происходит в противоположную сторону по сравнению с тканью на рис. 3а-III.
угол β между направлениями на максимумы диаграммы получается больше 90°, соответственно, угол перекоса А = (90° – β) меньше нуля. Это означает, что предлагаемый метод позволяет контролировать не только размер, но и направление перекоса.
78 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Таким образом, разработан метод и создана компьютерная программа для безаппаратного определения угла перекоса уточной нити по отношению к основе. Преимуществом данного метода является то, что в качестве исходных данных достаточно микроизображения контролируемого участка ткани, которое может быть выполнено цифровой камерой с достаточным увеличением, в том числе и во время движения ткани. Алгоритм быстрого преобразования
Фурье позволяет с высокой скоростью построить изображение дифракционной картины. Алгоритм построения диаграммы распределения интенсивности максимумов в дифракционной картине также работает быстро. Все это позволяет использовать представленный в статье метод для разработки систем контроля перекоса, действующих непосредственно на станке во время его работы и управляющих системами исправления перекоса.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Шкробышева В.И., Быков Р.А., Щитова Н.П. Современное оборудование для отделки текстильных материалов / Учеб. пособие. Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2008. 80 с.
2. Садыкова Ф.Х., Садыкова Д.М., Кудряшова Н.И. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств / 2-е изд. перераб. и доп. М.: Легкая промышленность и бытовое обслуживание, 1989. 288 с.
3. Радзивильчук Л.И., Дружинина Н.Г. Применение дифракционного метода для контроля перекоса уточных нитей // Изв. вузов. ТТП. 1990. № 2. С. 9–12.
4. Сухарев П.А., Шляхтенко П.Г., Рудин А., Кофнов О.В. Безаппаратный метод компьютерного Фурье анализа изображений поверхности для контроля параметров текстильных материалов // Сб. мат. докл. Всерос. НТК "Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике". Димитровград, 2012. С. 4–7.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
79
УДК 535.43, 004.9
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕКОСА УТОЧНОЙ НИТИ В ТКАНИ
© 2014 г. П. Г. Шляхтенко, канд. физ.-мат. наук, доктор техн. наук; О. В. Кофнов, аспирант; П. А. Сухарев, аспирант
Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, Санкт-Петербург
Е-mail: kofnov@mail.ru
Предложен метод определения перекоса уточной нити относительно нити основы текстильных тканей по дифракционной картине Фраунгофера, которая может быть получена как аппаратным методом на соответствующей установке, так и расчетным методом по цифровой микрофотографии образца с помощью программы двумерного преобразования Фурье. Цифровое изображение дифракционной картины анализируется с помощью специальной компьютерной программы, строящей угловую диаграмму распределения интенсивностей дифракционных максимумов. О размере искомого угла между уточной нитью и нитью основы исследуемого образца судят по углу, измеренному между направлениями на максимумы в этой диаграмме.
Ключевые слова: микроизображения поверхности, тканые материалы, дифракция Фраунгофера, преобразование Фурье, угловая диаграмма распределения интенсивности.
Коды OCIS: 050.1940; 110.2960; 070.0070
Поступила в редакцию 7.10.2013
Перекос уточных нитей (их неперпендикулярное расположение по отношению к нитям основы ткани) обычно возникает после обработки ткани в отбельных, красильно-заварочных и аппретурно-отделочных цехах. Образование перекосов объясняется различной скоростью движения участков ткани по ширине. Сушильно-ширильные стабилизационные машины должны осуществлять автоматическое исправление подобного перекоса [1], поэтому необходимы соответствующие устройства для контроля.
Существуют различные приемы контроля угла перекоса ткани под микроскопом или с помощью специальной лупы [2].
В работе [3] исследовалась дифракция света лазера на тканом полотне и показано, что по измеренному углу между рядами максимумов, соответствующих нитям утка и основы, можно судить о перекосе уточных нитей. Методы, описанные в работах [2, 3], субъективны.
В данной работе предлагается объективный автоматический метод измерения обсуждаемо-
го параметра, основанный на анализе диаграммы распределения интенсивности дифракционной картины, построенной по изображению объекта.
При анализе дифракционных картин различных текстильных материалов как наблюдаемых при использовании аппаратного метода (освещение лазером), так и полученных безаппаратным методом [4] (картины, рассчитанные с помощью двумерного дискретного преобразования Фурье по компьютерным изображениям текстильных материалов), было обнаружено, что дифракционные картины асимметричны относительно горизонтальной и вертикальной осей декартовых координат, проведенных через центр изображения, в случае соответствующей асимметричности изображения исходного образца.
Для анализа этой асимметрии предлагается использовать диаграмму распределения интенсивности дифракционных максимумов, построенную в полярных координатах поверх изображения дифракционной картины.
76 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
R2 R1
(а)
Y ∆ϕ
α ϕ
OХ
(б) А = 19,88° 1
2β A
Рис. 1. Схемы построения диаграммы (а) и определения угла перекоса (б).
На рис. 1а приведена схема, поясняющая построение этой диаграммы, которое осуществляется следующим образом.
Центр исследуемой дифракционной картины всегда совпадает с центром дифракционного максимума, имеющего максимальную интенсивность, который всегда находится в центре симметрии этой центрально симметричной дифракционной картины. На изображение дифракционной картины накладывается кольцо с центром в точке O и радиусами R1 (внутренний) и R2 (внешний).
Выделяем сектор кольца с угловым размером α. Сектор находится на угловом расстоянии ϕ от оси ОX. Обозначим заштрихованную площадь этого сектора, находящуюся между окружностями с радиусами R1 и R2, как ∆S. Тогда среднюю интенсивность внутри сектора можно рассчитать по формуле
å Φpix
Iave
=
∆S
∆S
,
(1)
где в числителе – суммарный световой поток, испускаемый всеми пикселами изображения, попавшими в выделенный сектор ∆S.
Повторяя измерения и расчет по формуле (1) при всех значениях угла ϕ от 0 до 2π с шагом ∆ϕ и постоянном значении ∆S, соединив полученные точки плавной замкнутой кривой, получим зависимость углового распределения средней интенсивности засветки в исследуемой дифракционной картине (рис. 1б).
Угол сектора α может быть задан как
α = 2π/N,
(2)
где N – положительное четное число. В этом случае диаграмма охватывает ровно всю окружность.
Из-за того что цифровое изображение по своей природе дискретно (состоит из пикселов конечных размеров), угол α задавать очень малым нельзя, иначе в секторы будет попадать слишком мало точек. На угол ∆ϕ таких ограничений нет, поэтому его размер задается в несколько раз меньшим, чем выбранный размер α, и определяется формулой
∆ϕ = α/M,
(3)
где M – целое положительное число. Таким образом, на каждом шаге в смещен-
ный сектор попадает некоторое количество пикселов из предыдущего сектора, что сглаживает искомую зависимость.
В результате расчета по формуле (1) с использованием соотношений (2) и (3) получаем набор точек, по которым можно построить замкнутую кривую в полярной системе координат (рис. 1б). На построенной таким образом диаграмме всегда есть один четкий максимум, указывающий направление преимущественного расположения дифракционных максимумов. Кроме этого максимума на диаграмме присутствуют и другие максимумы. В ходе анализа дифракционных картин различных материалов, имеющих сетчатую структуру, было установлено, что угол между направлениями на главный максимум 1 диаграммы и на второй за ним по значению максимум 2 диаграммы соответствует углу между перекрещивающимися нитями в структуре образца. Для построения диаграмм и расчета угла между первым и вторым максимумами была написана оригинальная программа.
Программа по заданной дифракционной картине строит диаграмму поверх изображения дифракционной картины (рис. 1б), определяет направления на максимумы 1, 2 диаграммы и угол β между этими направлениями. Так как целью работы является поиск угла перекоса, т.е. отклонения этого угла от 90°, то программа выводит размер этого угла в виде надписи "А = значение угла перекоса = 90° – β" в левом верхнем углу картинки.
Для проверки правильности описанного выше метода была разработана вспомогательная программа, рисующая идеальное изображение ткани с заданным углом перекоса в виде повторяющихся по вертикали и горизонтали перекрещивающихся прямых. На рис. 2 приведены изображения таких моделей (а) и результаты работы программы по определению угла перекоса на них (б).
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
77
(а) (б) А = 0,04°
90°
I
(а) I
(б) А = 0,42°
А = 9,95°
А = 0,26°
II II
А = 30,07°
А = 13,66°
A III III
Рис. 2. Определение угла перекоса по диаграмме на моделях ткани. Модель (а) и результаты работы программы по определению угла перекоса на ней (б). I – модель ткани с углом 90° между нитями утка и основы (без перекоса), модель построена из линий с шагом 10 пикселов по вертикали и горизонтали; II – модель ткани с углом 80° между нитями утка и основы (угол перекоса 10°), модель построена из линий с шагом 5 пикселов по вертикали и 10 по горизонтали; III – модель ткани с углом 60° между нитями утка и основы (угол перекоса 30°), модель построена из линий с шагом 20 пикселов по вертикали и горизонтали, толщина «нити» увеличена в 3 раза по сравнению с образцами I и II.
Из приведенных примеров видно, что угол определяется с точностью до одной десятой градуса. Метод протестирован на моделях изображений тканей и показал удовлетворительную точность.
На рис. 3 приведены результаты проверки работоспособности программы на изображениях тканей, выпускаемых отечественной промышленностью. В последнем случае (рис. 3б-IV)
А = –14,02°
IV A
Рис. 3. Определение угла перекоса реальных тканей. Микроизображения исследуемых тканей (а) и результаты работы программы (б). I – плащевая ткань (на рис. 3а приведен негатив исходного изображения), II – полотно, III – ткань с явно выраженным перекосом, IV – другой участок той же ткани, где перекос нитей происходит в противоположную сторону по сравнению с тканью на рис. 3а-III.
угол β между направлениями на максимумы диаграммы получается больше 90°, соответственно, угол перекоса А = (90° – β) меньше нуля. Это означает, что предлагаемый метод позволяет контролировать не только размер, но и направление перекоса.
78 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Таким образом, разработан метод и создана компьютерная программа для безаппаратного определения угла перекоса уточной нити по отношению к основе. Преимуществом данного метода является то, что в качестве исходных данных достаточно микроизображения контролируемого участка ткани, которое может быть выполнено цифровой камерой с достаточным увеличением, в том числе и во время движения ткани. Алгоритм быстрого преобразования
Фурье позволяет с высокой скоростью построить изображение дифракционной картины. Алгоритм построения диаграммы распределения интенсивности максимумов в дифракционной картине также работает быстро. Все это позволяет использовать представленный в статье метод для разработки систем контроля перекоса, действующих непосредственно на станке во время его работы и управляющих системами исправления перекоса.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Шкробышева В.И., Быков Р.А., Щитова Н.П. Современное оборудование для отделки текстильных материалов / Учеб. пособие. Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2008. 80 с.
2. Садыкова Ф.Х., Садыкова Д.М., Кудряшова Н.И. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств / 2-е изд. перераб. и доп. М.: Легкая промышленность и бытовое обслуживание, 1989. 288 с.
3. Радзивильчук Л.И., Дружинина Н.Г. Применение дифракционного метода для контроля перекоса уточных нитей // Изв. вузов. ТТП. 1990. № 2. С. 9–12.
4. Сухарев П.А., Шляхтенко П.Г., Рудин А., Кофнов О.В. Безаппаратный метод компьютерного Фурье анализа изображений поверхности для контроля параметров текстильных материалов // Сб. мат. докл. Всерос. НТК "Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике". Димитровград, 2012. С. 4–7.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
79