Разработка методов обнаружения местных пороков ткани с использованием компьютерных технологий

В настоящее время в текстильной промышленности главным условием повышения конкурентоспособности продукции является расширение ассортимента и обеспечение высокого качества готовых изделий. Одна из наиболее важных составляющих проблемы — осуществление возможности оперативного и эффективного контроля качества на всех этапах технологического процесса, а также в сфере разработки, маркетинга и продажи готовой продукции. Для проведейия контроля существуют различные технические средства, которые реализуют многообразие методов измерения и диагностики качества продукции. Контролю подвергаются многочисленные показатели качества исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Большинство применяемых в настоящее время методов морально и физически устарели и требуют модернизации с учетом сегодняшних требований информатизации. Современный уровень развития компьютерной техники дает возможность разрабатывать программно-технические комплексы, способные решать задачи автоматизированного контроля показателей качества различных текстильных материалов и изделий. Простота и относительная дешевизна технического оснащения персональных компьютеров и таких аппаратных средств, как сканеры, цифровые микроскопы, многоканальные АЦП, позволяют создавать на их базе лабораторные методы, опирающиеся на современные теоретические работы в области прикладной математики. В частности, применение последних разработок в области анализа цифровых изображений позволяет находить подходы к ранее неразрешимым задачам автоматизации процесса контроля внешнего вида ткани.

Пороки, приобретенные на различных стадиях технологического процесса: дефекты сырья, ткачества, отделки, сказываются на качестве и внешнем виде конечной продукции. Во избежание производства большого количества низкосортной ткани необходимо применение щбких автоматизированных методов контроля качества полуфабрикатов на каждом технологическом переходе, а также для оценки выработанной ткани.

Целью данной диссертационной работы является разработка научно обоснованного подхода к проблеме автоматизации контроля качества и создание методов компьютерного обнаружения пороков внешнего вида хлопчатобумажной ткани. Работа выполнялась по плану научно-исследовательских работ в Ивановской государственной текстильной академии (ИГТА).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В современных условиях экономической конкуренции текстильные предприятия вынуждены уделять особое внимание вопросам повышения качества ткани как главной составляющей её конкурентоспособности. Актуальность работы обусловлена, с одной стороны, потребностью производителя обеспечить требуемый уровень качества изготавливаемой ткани, а с другой стороны, необходимостью оперативного контроля характеристик ткани, принимаемой потребителем.

В настоящее время в качестве основных способов оценки ткани по наличию пороков внешнего вида применяются методы, основанные на визуальном анализе поверхности ткани человеком-оператором. Их главным недостатком является субъективность восприятия характеристик внешнего вида ткани разными операторами. Невысокая производительность, низкая надежность этого морально устаревшего метода вынуждают искать другие технические решения для автоматизации процесса контроля внешнего вида ткани. Существующие на сегодняшний день автоматизированные системы контроля качества ткани не способны выявлять всё разнообразие встречающихся пороков, поэтому их применение на производстве ограниченно.

Высокая стоимость комплексов для автоматической разбраковки ткани, используемых на некоторых зарубежных текстильных предприятиях, в свете всеобщего снижения цен на аппаратное обеспечение обусловлено высокой сложностью и специфичностью применяемых программных алгоритмов. Совершенствование существующих, а также разработка принципиально новых компьютерных методов, является наиболее актуальной задачей в современных условиях повсеместного внедрения информационных технологий.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание методов определения параметров строения и дефектов ткани в лабораторных условиях путём компьютерного анализа изображений её поверхности. Для реализации научнообоснованного подхода к проблеме были поставлены следующие научно-практические задачи:

— провести анализ современного состояния проблемы автоматизации процесса оценки качества текстильных материалов;

— изучить и сравнить существующие компьютерные методы анализа изображений и распознавания образов применительно к задаче обнаружения пороков ткани;

— разработать принципиально новые теоретические методы для компьютерного анализа изображений поверхности ткани;

— реализовать разработанные методы в виде программных средств, позволяющих определять параметры строения и дефекты ткани по её отсканированному изображению;

— провести экспериментальные исследования разработанных компьютерных методов по обнаружению местных пороков ткани.

Методы исследования. Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по текстильному материаловедению, технологии хлопкоткачества, методам и средствам измерения, методам оценки и прогнозирования качества и по компьютерным методам обработки цифровых изображений.

В теоретических исследованиях использовались методы дифференциального и интегрального исчисления функций одной и двух переменных, спектральный анализ, методы фильтрации, интегральные преобразования, математическая логика, аналитическая геометрия, методы графического моделирования и интерполирования.

Экспериментальные исследования проводились на персональном компьютере с использованием программного обеспечения, разработанного на основании результатов настоящей работы. Для получения цифрового изображения образцов ткани использовался планшетный сканер с разрешающей способностью 1200 пике/дюйм, 8 бит/пике. Качество работы созданных алгоритмов проверялось на специально подобранных образцах хлопчатобумажной ткани с заранее классифицированными пороками внешнего вида.

Обработка результатов эксперимента проводилась методами математической статистики.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1. Установлены общие закономерности цифровых изображений ткани в частотной и пространственной областях, позволяющие перейти к методам измерения параметров строения ткани.

2. Разработан компьютерный экспресс-метод, позволяющий оценивать плотность и раппорт образца ткани.

3. Предложено применение интегрального преобразования функции яркости изображения, подчеркивающего решетчатое строение ткани.

4. Разработан компьютерный метод измерения, позволяющий определять для каждого участка нити ткани его координату, диаметр и угол перекоса.

5. Предложена графическая модель ткани, наглядно отражающая полученные данные о структуре переплетения.

6. Получены математические соотношения, позволяющие выявлять наличие дефектов внешнего вида ткани по графической модели.

7. Определены требования к выбору аппаратного обеспечения для реализации компьютерных методов оценки качества.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Развитие теории компьютерного распознавания структурных характеристик тканых полотен.

2. Автоматизированный метод определения параметров строения и дефектов ткани при помощи планшетного сканера и специально разработанного программного обеспечения.

3. Усовершенствованная графическая модель ткани, адекватно отражающая структуру переплетения.

4. Теоретические исследования в области систем технического зрения.

Практическая значимость работы состоит в создании программного обеспечения для лабораторного метода автоматического определения параметров строения и дефектов ткани. Новизна разработанного программного обеспечения подтверждена свидетельством об официальной регистрации № 2 003 612 223.

Проведены испытания разработанных компьютерных программ, подтверждающие высокую точность, сходимость и воспроизводимость результатов компьютерного метода измерения параметров строения ткани.

Разработано программное обеспечение, способное синтезировать (воссоздавать) изображение ткани по графической модели, а также моделировать изображения тканей различных переплетений.

По результатам работы даны рекомендации по проведению лабораторных исследований образцов ткани с использованием разработанной компьютерной методики.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ивановской государственной текстильной академии в виде лабораторных работ по компьютерным методам определения характеристик строения ткани по следующим учебным дисциплинам: «Методы и средства исследований» и «Текстильное материаловедение» для студентов специальностей: 72 000 «Стандартизация yi сертификация» и 340 100 «Управление качеством».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку:

— на научно-технических конференциях аспирантов, магистрантов и студентов, (ИГТА, 2001. .2003 гг.);

— на расширенных заседаниях кафедры прикладной математики и информационных технологий, (ИГТА, 2000. .2003 гг.);

— на расширенном заседании кафедры технологии материалов швейного производства, (КГТУ, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, из них: статья в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», статья в журнале «Вестник ИГТА», свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программа обнаружения дефектов взаимного расположения нитей основы и утка в тканых полотнах» № 2 003 612 223 от у.

1 августа 2003 г., выданное Российским агентством по патентам и товарным знакамостальные — тезисы конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов по работе. Материал представлен на 127 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 87 наименований и включает 9 приложений на 29 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведен анализ существующих устройств и методов контроля структурных характеристик ткани, в результате которого выбран наиболее перспективный метод для автоматизированного обнаружения пороков с применением оптических средств и компьютерных технологий.

2. Предложен алгоритм обработки частотного спектра отсканированного изображения, позволяющий определять периодические закономерности строения ткани. На его основе разработан компьютерный экспересс-метод для определения усредненных значений параметров изображения ткани (длины раппорта, плотности, ориентации образца), позволяющий автоматически обрабатывать ткани любого однослойного переплетения при самых низких требованиях к качеству изображения.

3. Предложен новый подход в теории распознавания структурных характеристик тканых полотен на основе преобразования Радона, который позволяет определять строение образцов ткани (координаты перекрытий, диаметры нитей) в условиях зашумленности и неоднородности реальных изображений ткани.

4. Предложена графическая модель, отражающая строение ткани, координаты и диаметры нитей, а также тип переплетения. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные теоретические методы, позволяющее определять параметры графической модели по отсканированному изображению ткани.

5. Получены математические соотношения, позволяющие выявлять наличие местных пороков ткани по графической модели. На основе полученных результатов разработана компьютерная методика обнаружения пороков ткани.

6. Построено программное обеспечение, позволяющее синтезировать изображение ткани по заданным параметрам структуры, а также моделировать изображения тканей всевозможных переплетений.

7. Проведено экспериментальное исследование предложенных методов на нескольких образцах хлопчатобумажной ткани и на синтезированном изображении, что позволило подтвердить высокую точность и достоверность определяемых параметров графической модели.