数控地毯样品织机提花系统的设计及图像处理的研究

赵 帅，梁 科，毕雅萱

(鹤壁汽车工程职业学院，河南 鹤壁 458030)

数控地毯样品织机提花系统的设计及图像处理的研究

赵 帅，梁 科，毕雅萱

(鹤壁汽车工程职业学院，河南 鹤壁 458030)

文章主要是对面向阿克明斯特地毯的打样织机进行了数控提花选纱系统的研究，针对上位机采用VB6.0进行软件设计，实现了地毯图案花型数据的读取与转换；并借助Matlab工具实现地毯图案的算法编程及图像色彩增强。

数控样品织机；提花系统；VB6.0；图像色彩增强

中国地毯业起步较晚，但是以每年20%的速度持续增长[1]，阿克明斯特地毯图案丰富、风格多样，市场需求量大，但是生产中使用纱线等长络筒，并要求超额投料，成本高[2]；针对阿克明斯特地毯的生产工艺及市场需求，开发了一种新型数控样品织机，其中提花选纱系统是关键结构，性能的优劣直接决定着地毯样品织机的运行和样品的质量；本文针对该结构进行了系统设计。

1 提花系统设计

1.1 提花系统的原理

阿克明斯特地毯用织机是将绒纱先切割成指定长度后，以“u”字或“J”字形固结方法把纱线裁埋到地毯的经纱层之间，再由纬纱加以固定成型。其特点是图案花型丰富，颜色多样，但机械系统和控制系统复杂，生产周期和制造成本较高，不适合在生产机器上放样。本文所研制地毯样品织机的结构，简化了阿克明斯特地毯织机的结构。提花工艺路线如图1所示。

图1 地毯打样工艺路线图

根据工艺路线设计了提花选纱系统机械结构。图2系所研制开发的样机提花系统机械原理图，包括了夹绒机构，割绒机构，针刺机构。此外，线库用于储存纱线。

图2 提花系统机械原理示意图

当选纱系统运行时，首先上位机读取地毯图像(bmp格式)各像素点颜色RGB值，接着转化为相应的花型数据，最后发送至下位机。在下位机工作时，步进电机通过大带轮驱动纱筒按照花型数据转动到预定位置后停止；此时伺服电机通过小带轮驱动鸟嘴上升至预定位置时，气缸收缩，鸟嘴闭合，夹紧纱线，纱线与鸟嘴共同向下运动至预定位置时，气缸伸长，鸟嘴打开，这样即可完成选纱工作。通过纱筒的旋转，可实现不同纱线的选取。

1.2 提花选纱控制系统的设计

数控地毯样品织机的控制系统采用主从式结构，硬件结构如图3所示。上位机和下位机之间采用以太网进行通信。上位机主要功能是实现人机交互以及提花准备系统，包括花型设计与花型数据转换，并将花型数据以及各加工参数发送至运动控制卡中，下位机主要功能是由运动控制卡实现伺服电机实时闭环控制，使打样机各个部分准确按照时序运动。

图3 控制系统结构图

Visual Basic (VB)是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言，源自于BASIC编程语言[3]。本系统在Windows环境中采用Visual Basic 6.0进行软件系统开发。经研究分析，选纱系统软件功能应包括地毯图像的载入、尺寸修改、RGB值读取和花型数据转化等，因此软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

1.3 花型数据转换

为自动获取花型数据，系统软件采用Visual Basic中图片框Point方法[8]读取地毯图像各像素点的RGB值，并记：

ppoint(i,j)=picture1.point(i,j)

(i,j)代表像素点在图像中的位置，但该值不能作为控制下位机运动数据。在读取图像每个像素点RGB值后，将RGB值存入ppoint数组中进行数据转换处理。将颜色进行分类编号并将图像中每个位置像素点颜色对应的编号标定出来。具体花型数据转换算法如图5所示。

图5 花型数据转换算法

算法中color_amount(k)记录颜色编号；color_kind记录颜色种类；color_place(i,j)记录图像(i,j)位置像素点颜色编号。花型数据转换运行实例如图6所示，显示了地毯图像第10号颜色编号信息，颜色编号即代表该种颜色纱线在纱筒中的位置。为方便工作人员穿引纱线，还需显示出各编号颜色具体信息，运行实例结果如图7所示。

图6 花型数据转换运行实例

图7 图像颜色信息运行实例

工作人员可按照图7在纱筒1～20号纱孔中穿入相应颜色纱线。例如可在1号孔穿入浅棕色纱线，在2号孔中穿入深褐色纱线等，没有对应颜色的显示黑色。

2 地毯图像的数字处理

2.1 图像增强原理

本论文设计的数控地毯样品织机可加载pat、bmp等多种格式彩色地毯图片，并且地毯彩色图像的颜色数最多达20种，但是加载的地毯图像需要经过一定的设计处理。常常在数码相机、手机等设备拍摄的数字图像的基础上，经过图像裁剪——轮廓描绘——色彩识别——色彩填充等步骤完成一幅标准地毯图像设计。该过程要花费设计人员大量的时间和精力；特别是遇到原始地毯图像不清晰、颜色种类数较多时，会大幅增加设计人员的工作强度。本文针对原始图像模糊，颜色种类数较多两种情况设计了相应图像处理算法。

图像增强方法主要有空域法和频域法两类，具体图像增强方法[4-6]有：直方图修改、平滑滤波器、锐化滤波器、低通滤波器、高通滤波器、同态滤波器等。但上述方法适用于灰度图像，若运用此类方法直接对RGB图像进行增强，往往会造成原有图像色彩失衡，甚至退化失真，无法达到预期处理效果。针对本文研究的模糊地毯RGB彩色图像，提出了在HSI色彩空间下，对饱和度和亮度分量使用对比度增强滤波最后变换回RGB色彩空间来增强彩色图像的方法。

先将彩色图像由RGB色彩空间转换到HSI色彩空间。在HSI色彩空间中，图像的色彩信息主要包含在H(色调)中，为保证图像增强处理后保持原有的彩色信息，只要保证HSI色彩空间中的H(色调)不变，只对S(色度)和I(强度)使用对比度增强滤波增强处理，最后再转换回RGB色彩空间。这样既可以使图像变得清晰，又不会破坏原有图像中的色彩信息，达到图像增强目的。本文的图像增强算法流程如图8所示。

图8 算法流程图

2.2 实验结果

对两幅模糊地毯RGB图像分别运用直接对比度滤波增强方法和本文图像增强方法进行对比实验。

从实验结果可看出：①运用直接对比度增强滤波后的图像相比原始图像亮度增加、颜色对比度增强，但是颜色失真现象严重，地毯图案轮廓增强效果不明显，依旧模糊不清，难以识别；②运用本文方法增强后的图像比原始图像对比度增强，地毯图案轮廓清晰可见，同时增强后的彩色图像没有出现颜色失真现象，达到预期增强效果。

为客观评价增强图像质量，本文采用MSE(均方根误差)、PSNR(峰值信噪比)和EBS[7](基于人眼视觉特性的彩色图像质量评价)方法进行评价试验，评价结果如表1、表2所示。

表1 原始图像1评价结果

表2 原始图像2评价结果

表1、表2中的数据表明，本文方法得到的增强图像均方根误差较小，峰值信噪比值高，失真度小，说明本文的图像增强方法具有良好的增强效果。本文提出了一种简单、高效的RGB彩色图像增强方法，该方法对文中的两幅模糊地毯RGB彩色图像增强效果显著，但并不意味着该方法适用于所有RGB彩色图像增强。从本质上说，图像增强没有通用的方法和标准，特别是对于RGB彩色图像还缺乏非常理想的增强方法。对于彩色图像质量评价不能完全依赖MSE、PSNR等评价标准，还要结合使用者的主观判定。

3 结论

本文设计的数控地毯样品织机的选纱系统针对阿克明斯特地毯生产工艺，结合数控机床技术、传感技术等，在机械结构、花型数据转换和系统控制方面进行了创新性设计和研究。结果证明，本选纱系统准确高效，故障率低，满足了数控化设备的性能要求以及生产需求。此外，确定了基于HSI色彩空间模糊地毯RGB彩色图像增强的方法。

[1] 李琳.浅谈现代地毯的应用于发展[J].轻纺工业与技术，2011，40(2):57—59.

[2] 刘剑.降低阿克明斯特地毯纱线损耗的探[J].轻纺工业与技术，2010，39(5):31—32.

[3] 隋丽娜,迟剑,郭立峰，等.Visual Basic范例开发大全[M].北京：清华大学出版社，2010.

[4] Baoyuan Wang, Yizhou Yu,Yingding Xu. Example-based image color and tone style enhancement[J]．ACM Transactions on Graphics,2013,05(4):78—80.

[5] Hyunjung Shim, Seungkyu Lee.Automatic color realism enhancement for computer generated images[J]．Computer & Graphic , 2012, 36(7):966—973.

[6] 张德丰等．MATLAB数字图像处理[M]．北京：机械工业出版社，2012.

[7] 付伟，顾晓东，王源源．基于人眼视觉特性的彩色图像质量评价[J]．微电子学与计算机，2010,27(2)：59—63.

Research on Yarn Selection System of NC Carpet Sample Machine and Image Processing

ZhaoShuai,LiangKe,BiYaxuan

(Hebi Automotive Engineering Professional College, Hebi 458030，China)

A new kind of yarn selection system for NC carpet sampling machine was presented in the paper. PC system software was developed based on Visual Basic 6.0 to read and convert carpet pattern data. The programming algorithm and image color enhancement were achieved with the help of Matlab tools.

NC carpet sampling machine; yarn selection system; VB 6.0; image color enhancement

2015-03-18

赵 帅(1987—)，男，河南鹤壁人，助教。

TP271.4

A

1009-3028(2015)04-0024-04