專利名稱：用于測量和/或監控線或繩的性能參數的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量和/或監控線或繩的性能參數的方法及實施該方法的裝置。
根據現代專用術語，術語“線”(“Yarns”)既包括單紡纖維紗線，它們是在紡紗機上利用捻紡纖維制成的;并也包括捻線、它們是利用捻轉二根或多根單紗線制成的。繩或纜則是將若干股絞線通過旋轉或編辮制造的，而其中絞線又是由若干的紗線利用旋轉或編辮制成的。在金屬纜(金屬絲繩)的特殊情況中，基本組份不是紡制纖維，而是金屬絲。
在線及繩的生產及處理過程中應對其各種性能參數作出持續地測量或監控，這些尤其是包括以下的性能參數1.它們的直徑(厚度)及其波動量;
2.它們的非圓度(對圓的偏差)及其波動量;
3.伸出的單纖維或金屬絲的頻率及尺寸;
4.單位長度的捻或圈的平均數及其波動量;
5.伸長率，它可以由單位長度的捻數推出。
在線中，這些參數不僅影響到由其制成的紡織品的質量，而且也影響到一系列接連的生產過程，例如干燥吸收依賴于單位長度的捻數，這些參數的波動量能引起色彩濃淡上的可見的及干擾的波動，尤其是當使用塑料線時。
在繩的情況下，監控這些參數可以作到增加可靠性及在早期階段檢測老化過程，例如使用在采礦中時，這對于在運輸裝置中的運輸人員尤為重要，在許多技術工程用線及繩的情況下必須持續地確定伸長率，伸出紡絲或金屬絲的頻率及尺寸的確定是使紡絲或金屬絲強度削弱的破損的指示。
雖然通常還存在一定的局限性，但已公知了對于每種情況能測量或監控上述參數之一的各種方法及裝置。例如已經公知了電容型監控紗線厚度波動量的方法，其中被測紗線放置在一個電容器的電極中間，并且由此形成其電介質的一部分。這種電容型方法工作起來無接觸也沒有損傷并且也適用于監控運動著的紗線。但是這種方法不能測量捻的、伸出的絲或非圓度。它們對于干擾的影響非常敏感，例如濕度及密度的變化，并且它不能使用在金屬材料的情況下。此外對于相對的大直徑的測量如在測量繩時會帶來困難。
至今為止能以至少滿意的方式介決的問題是能夠確定單位長度的捻數或圈數。為此利用純機械的系統，在其中將一個線的樣品夾持住并且退捻直到單個纖維或絲處于平行位置。另一個公知的裝置是其中借助于一個穿孔形光學測量頭確定一個線樣品中單位長度的捻數，該裝置僅是用于評價短線的實驗室測量儀器，而不是一個用于在其生產及處理過程中對運動線持續進行處理數據探測的裝置、更不是用于在操作生產中監控繩的裝置。在監控某些金屬繩的性能時，也使用了電磁方法，但是它們不能測量所有的需要的參數，并且當然也不適用于非金屬的線和繩。
用于測量捻紡的運動著的線及繩的方法其另一個缺點是從運動的線或繩上必須得到一個時間信號，并由此在該方法中計算速度。但是為了速度的精確確定，使用通常的機械裝置，例如滑輪時是不能作到無滑動地測量的。為此理由也不能用公知的方法精確地并速度無關地確定單位長度的捻數及伸長率。為了克服這個困難在被測對象上應用標記也是公知的。例如礦井的傳送纜索經常設有計數用的金屬線，它們編入到金屬纜中，所以可以從外部對它們加以視察，但這種標記的附設在少數專門場合中是受到限制的。
本發明的任務是提出一種方法，利用該方法對于靜止的或是運動著的線或繩的上述性能參數持續地以高精度無接觸的方式測量或監控，而且在生產及處理及/或使用中不受損傷或不用附加標記。
根據本發明這個任務將這樣地介決借助于一個圖象傳感器攝取線或繩中一部分的二維圖象，并且將其轉化為電圖象信號。該圖象以象素形式數字化并存儲在圖象信號存儲器中存儲象素的區域中，并利用計算單元由存儲的數字圖象信號求得待確定的性能參數。
本發明的方法使得利用一個單獨的測量裝置就能確定線或繩的多個所需的數據，因為這些數據能夠從一個以數字化存儲的線和繩的二維圖象中獲得，因而這種圖象的攝取是由從靜止的線或繩、或以任何大小的速度運動著的線或繩取得均無關緊要。該圖象的測得是無接觸的，線和繩不會由此以任何方式受到影響，被儲存的二維圖象的數字圖象信號能夠用計算單元在很短的時間內被運算，因此就使得在短的時間間隔內接連被攝取的二維圖象信號的連續求值成為可能。這就允許進行線和繩性能的持續測量及監控。利用連續地比較從接連的圖象中求得的測量值進而可以確定被監控的性能的波動量的變化。這種利用計算單元對被存儲的數字圖象的求值最好是采用一個適合編程的計算機，它能使該方法有很大靈活性并且適用于不同的線和繩，此外利用選擇亮度、用于亮度的幅射，以及用于傳送電圖象信號發射的圖象傳感器，該方法能以最優方式使用在各種各樣的操作條件下。
通過借助于附圖、對以下實施例的描述即可清楚地了解本發明另外的特征與優點。附圖為
圖1測量和/或監控線或繩性能參數的裝置的示意圖;
圖2利用圖1中裝置的圖象傳感器攝取的一根線或繩中一部分的圖象;
圖3可利用圖1裝置實施的本方法中一個實施例所獲得的自相關函數的波形圖;
圖4可利用圖1裝置實施的本方法中另一個實施例所獲得的另一相似的函數的波形圖;
圖5可利用圖1裝置實施的本方法中又一個實施例獲得的頻譜變換曲線;
圖6利用圖1裝置的圖象傳感器攝取的具有非周期性結構的很錯亂的纖維線的一個線中一部分的圖象;
圖7說明用在圖6中所示類型的一根線中的平均纖維角確定單位長度中捻數的示意圖;
圖8說明利用霍克(Hough)變換確定平均纖維角的曲線圖;
圖9另一個說明利用霍克變換確定平均纖維角的曲線圖;
圖10確定出的具有顯著最大值的纖維角的頻率曲線;
圖11不適用于計算的無顯著最大值的纖維角的頻率曲線;
圖12用于確定一根線或繩的非園度的具有三個圖象傳感器的測量裝置示意圖。
在圖1上描繪了該用于測量和/或監控一根線和繩10的各種性能參數的裝置，它包括一個攝取該線或繩中一部分的圖象、并將其轉換成一種模擬量電圖象信號于輸出端輸出的圖象傳感器12。該圖象傳感器12可以是一個電視攝象機，它在一個電視掃描幀中逐行地掃描被測圖象，其輸出信號是一個傳統的視頻信號。但是也可使用非標準的矩陣型傳感器替代一個攝象機，例如它為電荷耦合器件(CCD)半導體矩陣型攝象機。在每種情況下該圖象傳感器12必須能將在視野中線或繩10中的一部分的二維圖象轉換成電圖象信號。
被圖象傳感器12提供的模擬量圖象信號在經由一個模擬信號處理電路14的必要模擬處理后傳送給一個模數轉換器16，在其中信號被數字化。當該模擬量圖象信號是一個電視的視頻信號時，該模數轉換器16從模擬圖象信號中得到周期性的采樣值并將其轉換為數字信號，每個采樣值相應于電視一個掃描行中的一個象素(pixel)，并且它的幅值相當于該象素的亮度值(灰度值)。在模數轉換器16中被采樣的幅值進行量化，例如轉化成一個二進碼組，它以二進制數形式代表亮度值。該二進制數的位數、即碼組的比特數依賴于所需的量化分辨率。
如果圖象傳感器12是一個矩陣式攝象機，該模擬量圖象信號本身由分散模擬量信號值組成，它們中每個值是與矩陣中的一個象素相聯系的。該模數轉換器16然后直接地將每個模擬量信號轉換成代表相應象素的亮度值的數字信號。
在每種情況中該模數轉換器16的數字輸出信號輸入到一個高速圖象信號存儲器18，它對于被圖象傳感器12所攝取的二維圖象的每個象素設有一個存儲區，在其中能存儲相應圖象象素的全數字信號。
與圖象信號存儲器18的讀出輸出相連接的是一個計算單元20，它例如是一個微型計算機。該計算單元20能夠取出在圖象信號存儲器18中存儲的圖象信號，并且以后面描述的方式從其中確定被測量或被監控的線或繩的性能參數。被確定的值能被顯示在一個顯示器22上或者以其它任何本身公知的形式輸出，例如利用一個與該計算單元20相連接的打印機。此外可以用一個監視器24與該計算單元20相連接，并且在所述監視器上顯示的所攝得的及存儲在圖象信號存儲器16中的圖象可以被操作人員校核。
當存儲在圖象信號存儲器18中的二維圖象完全被計算單元20計算出值后，下一個被圖象傳感器12攝取的圖象即可以用數字化的形式輸入到圖象信號存儲器18然后被計算。用這種方法就可以持續地監控線或繩10，當線或繩10以其縱向、即如圖1中以箭頭所示地經過圖象傳感器12運動，則該方法尤為有利。
為了甚至在高供線速度下能獲得清晰的圖象，利用強輻射光源26非常短暫地照射被測的線或繩10的一部分是可取的方法。控制電路28使照明與圖象傳感器12的測量取得同步。在作持續測量或監控的重復圖象的獲取時、該短暫的照明能夠周期性地以頻閃儀形式實現。圖象的獲取可以利用可見光并且輻射光源26可以是一個電子閃光燈。為了與線的彩色無關地獲得其結構的圖象，在紅外區域照明則是可取的。通常用于紡織工業的染料是這樣設計的，即它們特別是在光譜的可見光區域中反射。在接近紅外的區域這些染料成透射的。因而可以利用紅外照明獲得非常不同的染色線的相似結構圖象，這些染色線可以是從白色經彩色到深黑色范圍中的線。
為了照明還可以使用離可見光譜外比紅外區域更遠的波長，例如X射線的輻射可用于獲得金屬繩的灰度值圖象。最后除了電磁輻射外的輻射也可使用，例如用超聲波。當然在每種情況下必須使用與輻射波類型相適應的圖象傳感器。例如，為了使X射線成為可見攝象機必須與圖象變換器連合使用。然而能夠直接從X射線產生視頻信號的半導體攝象機也已問世。在醫學的現有技術中也包括了使超聲波圖象成為可見的技術。
圖象可在入射光下攝取，因而圖象傳感器12接收由線或繩反射的光，或者圖象可在反面光下攝取、如圖1所示，則圖象攝取是由允許穿過線或繩的輻射產生的。使用的照明形式取決于待測的線或繩的特性及取決于所采用的輻射源。
圖1所示裝置的突出優點在于從存儲在圖象信號存儲器18中的一個單獨的二維圖象的數字圖象信號中計算單元20能夠在同一時間內確定線的各種不同性能參數，它們具體是1.直徑(厚度);
2.單位長度(米或英尺)中的捻數，在線的情況下是指的“捻數”或“捻率”(“twistcoefficient”)，而在繩的情況下一般給出它的倒數，也即加捻長度稱為“捻回高”或“捻距長”;
3.“發毛程度”(“hairiness”)，即由表面上伸出的絲或金屬絲的數目及尺寸。
利用對運動的線或繩攝取的若干接連著的圖象的測量值的比較就可以測出這些性能參數的波動量的變化。
借助于圖2，其上描繪了利用圖1的裝置攝取的一個圖象，它可用來解釋怎樣能夠測量與監控這些不同的性能參數。圖象區域包括被攝得的線或繩的一部分30的圖象及在它兩側的背景圖象35。該圖相當于由四根單獨的線31、32、33、34編成的一根絞線或是由四根絞線編成的一根繩。從該線或繩的表面上伸出的單個絲或金屬絲36從背景上顯示出來。
直徑D的測量不涉及任何特殊性的問題。計算單元既能計算沿垂直于線或繩的縱向軸伸展的若干豎線37上的線或繩的象素數目，也可確定屬于線或繩圖象的象素總數目與攝得的圖象區域的象素總數目的比值。在這二種情況下平均直徑D能夠方便地根據圖象傳感器12的已知圖象比例尺計算出來。屬于線或繩的象素利用與背景象素相比較根據不同的亮度值可以被明顯地區分開。
但是確定捻度，即單位長度的捻數(捻數，捻率)或一個捻面的軸向長度(捻回高，捻距長)就不太容易了。圖1中的裝置提供了由被存儲的數字圖象信號確定捻度的各種可能性。一種優選的方法是計算線或繩的周期性結構。這些方法的基礎在于每根線或繩由于它的組份的捻紡具有周期性的結構。這在捻線或捻繩中特別地明顯。從圖2中可以清楚地看出在該情況下兩種周期間的區別a)基本周期P1，它是用二個相鄰的單個線或單個絞線之間軸線方向測得的平均距離定義的;
b)捻周期P2，它是用同一根單線或同一根單絞線的兩個相鄰圈之間的距離定義的。該捻周期于是就等于捻回高或捻距長，它的倒數就是捻數。
在兩種周期P1及P2中間有著一個明確的關系捻周期P2相當于絞合的單個線或絞線的股數與基本周期P1的乘積。因此為了取得所需的測量值，確定這兩個周期中的一個就足夠了。
計算單元20利用了一個適當的計算方法由存儲在圖象信號存儲器18中的數字圖象信號確定縱向上的所需周期。
確定線或繩縱向上的所需周期的一種優選方法是構成一種來源于在縱向中至少一個象素排的被存儲圖象信號的一維相似性函數。一種特別適用的一維相似性函數是自相關函數。已知該自相關函數(簡稱ACF)是利用位移了一個可變量的相同函數作為相互位移量的函數對一個函數的校正。在現在的涉及存儲的圖象信號的情況下該函數被計算的象素排的接連的象素的亮度值來確定。在圖象中處在相同距離△X上的接連象素每個間相隔與由圖象傳感器的圖象比例尺確定的線或繩上的距離△X相對應。整個象素排包括M個象素。如果將象素排中的第一個象素指定為1號象素并且其坐標X＝0，(i+1)號象素其坐標為i·△X，而M號象素則有坐標值為(M-1)·△X。
自相關函數Bxx(K)定義為一個象素排的象素的亮度值與同一象素排中位移了K的象素的亮度值兩兩乘積的總和RXX(K)=Σi = 0L-1I(i ·△X) · I 〔(i +K) · △K 〕 (1)]]>其中K＝0，1，2，…，(Q-1)式中I(i·△X)坐標為i·△X的象素的亮度值(灰度值);
L對于位移算符K的一個值處理的象素對的數目;
Q自相關函數被計算的基礎值數。
對于位移算符K的每個數值根據等式1可以獲得該自動校正函數的一個基礎值，也即總數為Q個基礎值。于是，例如對于一個象素排，該自相關函數的結果如圖3中的曲線所示。該自相關函數是不連續的但是逐點地形成的，每個點相應于一個基礎值。對于某些K值這些基礎值具有最大值，因為在相應的相互位移K·△X時由于為對比的結構的基本周期P1而得到了最大值的一致性。為了增加統計的精確度多個被選擇的象素排的自相關函數或者屬于線或繩的所有象素排的自相關函數可以進行累加。
如果圖象傳感器12是一個電視攝象機，校準所述攝象機是方便的，以使得線或繩的圖象軸與電視掃描幀中掃描行的方向平行，因為被計算的象素排相應于這些掃描行。這就方便了對存儲在圖象信號存儲器18中的圖象信號的尋址，但是這不是絕對必要的。對存儲的二維圖象的圖象信號計算的突出優點恰好在于圖象信號能不依賴于它們形成的時間順序被取出及被進行處理。
在圖3的曲線上自相關函數的兩個接連的最大值之間的距離S1相應于圖2中所示線或繩的基本周期P1，而四個接連的最大值間的距離S2相應于捻周期P2，也即直接地對應于捻回高或捻距長，它的倒數就是捻數，即單位長度中捻回的數目。距離S1相應于象素間隔△X的一個特定數n1，而距離S2相應于象素間隔△X的另一個特定數n2。由圖象比例尺確定的象素間隔△X及相應的線或繩上的距離△X之間的關系，捻回高或捻距長就直接地為n2·△X。
可以用另外相似性函數取代自相關函數用來確定所需周期P1及P2。因為計算存儲的亮度信號的自相關函數必須耗費較大的時間并且也需要較大的硬件費用。一種計算較簡單的相似性函數是相互位移的亮度值的差值的總和DXX(K)=Σi = 0L-1〔(I (i · △X) -I ((i+K) · △X) 〕 (2)]]>其中K＝0，1，2，…，(Q-1)式中各字母與等式(1)中的字母意義相同。
該相似性函數Dxx(K)基本上提供了與自相關函數Bxx(K)相同的信息，但是能以較少的運算來確定。圖4表示用于線或繩的二維圖象的相似性函數Dxx(K)的典型曲線圖。基本周期P1或相當于捻回高或捻距長的捻周期P2可以由周期性的最小值非常精確地確定，因為它比最大值還要更加明顯識辨。
不使用相似性函數，還可以從數字圖象的頻譜變換的最大值求得線或繩結構的所需周期。這可以使用付里葉變換或有關的正交變換，沃爾什(Walsh)變換或哈大馬特(Hadamard)變換。因為對于這些變換中的許多變換其運算快速是公知的(例如快速付里葉變換的運算)，使用它們可以省時，特別是當用微計算機計算時。在此情況下基本周期P1由圖5描繪的付里葉變換F(I(X))的頻譜中明顯的最大值來求得。因為自相關函數及付里葉變換代表變換對，雖然表達不同但是它們兩個函數均包含了相同的信息。
為了根據上述方法中的一種從周期性結構中對捻回高或捻數進行確定，不限制在具有明顯結構的絞合線或繩的樣品上。一種所謂單線或單紡纖維線是由許多紡制纖維捻紡在一起組成的，當捻紡纖維的纖維長度大于一個捻的捻回長時，它也具有一種周期結構。該周期結構是由下述事實得到的，在每種情況下，在捻回高的間隔上相同紡制纖維出現在圖象中若干次。上述的方法對于這種周期性是很敏感的，盡管它們僅是不太明顯的。在這種情況下基本周期P1與捻周期P2，也即在圖3中自相關函數的接連的最大值之間的距離或圖4中相似性函數兩個最小值間的距離直接地對應于捻回高。
最后，也發生在圖象邊緣(圖2)的具有明顯周期結構的一根線或繩中，其周期也可由計算灰度值的輪廓來確定，在其中該輪廓的最大值、或者用更清晰明顯的最小值為好，它們能夠利用與背景的亮度值相比較來測得，并且兩個最大值或最小值之間的距離可直接測量。但是該方法不能應用于單紡制纖維線。
可是，有的單紡制纖維作成的線，特別是在湍性空氣流中制成的氣流紗線，在其中單個的纖維非常紊亂纏結以致周期性的捻度不再能明顯看出。圖6表示用圖1的裝置得到的具有高度紊亂的纖維絲的這樣一根線的圖象。在這種線中在某些情況下捻度的意義已不復存在了。“單位長度的捻度”這個術語在這種情況下必須拓展為一個統計參數數，它們可被進行測量。
一種統計參數、它仍可以利用圖1的裝置從存儲在圖象信號存儲器18中的數字圖象信號被測量及被獲得，這種參數是單個的纖維相對于線軸的平均纖維角度φ。在具有高度紊亂纖維絲的線中，如在湍性空氣流中氣流紗線中平均纖維角φ提供的測量信息代表了術語“單位長度的捻度”的實際邏輯性的推廣，它用于與后者相似地評價質量。
當紗線的直徑D按原先描繪的方式已被確定時，圖7中的“捻周期”可通過下述方程紗線10的平均纖維角φ計算出來。
P2＝2·D/tgφ (3)所需的纖維角φ只能通過在側面入射光照下能見性最好的線的表面結構中確定。由于表面、伸出纖維、反射等等的不規則性，所說的表面結構難以看見，以數字形式存儲在圖象信號存儲器18中的線表面的圖象通過已知的圖象加工方法處理，以去除或至少減小這些干擾，并強化邊緣。這樣加工過的圖象可作為確定纖維角的基礎。
在準備以數字圖象信號形式存儲圖象時，利用了預期的纖維角只可能存在一個預定的范圍中的事實。其結果，通過濾掉干擾方向，就可大大減小干擾。
最好通過在三個方向上微分的方式進行過濾，即在平行于紗線軸的X方向，在垂直于線軸的Y方向和在次對角線方向(X-Y方向)。在一個方向上的微分導致分布在該方向上的邊緣可以被濾掉，而其他邊緣，特別是分布在與該方向相垂直的方向的邊緣可以被強化。在過濾之后，所需的方向就占了支配地位。
微分同時也實現了高通濾波，以便細微結構和邊緣突出，而大面積結構和照明波動被抑制或至少減弱了。
在一個方向上的微分實施如下以數字形式存儲的圖象通過微分方向上移動一個象素(1pixel)，易位的圖象的每一個象素的亮度值從未易位的圖象的有關象素的亮度值中被減去。然后，每一次相減的結果就是被微分的和濾波過的象素的亮度值。每一個后繼的微分從按前述微分方式微分所得的微分圖象開始。
如果具有坐標X和Y的象素的以數字形式存儲的亮度值是用I(X、Y)來表示，被微分或濾波過的圖象可通過下述步驟得出1.在X方向上微分I1(X，Y)＝〔I(X，Y)-I(X+1，Y)〕+K (4)其中，I1(X，Y)是X方向上被微分圖象里具有X和Y坐標的象素的亮度值。
2.在Y方向上微分I2(X，Y)＝〔I1(X，Y)-I1(X，Y+1)〕+K (5)I2(X，Y)是X方向和Y方向上被微分的圖象中具有X和Y坐標的象素亮度值。
3.在X-Y方向上微分I3X，Y)＝〔I2(X，Y)-I2(X-1，Y+1)〕+K (6)I3(X，Y)是在所有三個方向上被微分的圖象中具有X和Y坐標的象素的亮度值。
在每一步中加的常數K保證只會形成正的微分圖象，并從而實現無符號的進一步處理。為增加微分圖象的數值范圍也可將一個乘數置入到(4)至(6)式中去。
在第三步后得到的數字圖象然后被用作確定纖維角φ的基礎。對此，有多種方法能適用。
為確定纖維角，某些方法需要一個二進制化圖象，即其每一個象素的亮度值是用或以二進制值0(黑色)或以二進制值1(白色)的一個單比特代表的。在必要時，將用上述方法得到的微分的和濾波過的圖象二進制化，即把每一個象素的數字化亮度值與一個進入的二進制化的閾值進行比較;如果該亮度值超過了二進制化的閾值，該象素被指定為二進制值1，否則就被指定為二進制值0。
為確定纖維角度，有三種方法特別合適-相關法-霍克(Hough)變換法-矢量旋轉法這三種方法將在下面詳細解釋。
相關法用相關法時，利用以上述方法得到的經過濾波的圖象，即沒有二進制化的圖象。兩條圖象線相互位移，并對位移算子的每一個數值，計算其重合范圍。求得用這種方法得到的相關函數最大值。根據發生最大值的位移算子的數值，并且在兩條相關圖象線的間隔上就可計算出所需的纖維角φ。
兩條圖象線間隔的距離越小，其相關性就越可信，但從另一方面來講，該計算的角度的準確性將較差。由于這個原因，有必要通過使用樣條內插法可得到已有相關函數的中間值。
在特殊情況下，兩條圖象線會與三條圖象線的間隔相關聯。首先，形成第一條圖象線的亮度值的平均值Im。然后，兩條圖象線的每一條都在測量窗口內移動一個象素，對于位移算子K的每一個值，例如在0和15象素之間的位移算子K的每一個值，相關函數Rxy(K)的基礎值就可被計算出了Rxy(K)=Σi=0L-1[I3(Xi,X)-Im]·[I3(Xi+k,Y3)-Im]---(7)]]>在該方程中，L是位于測量窗口內的一條圖象線上的象素數目。
首先，從16個相關基礎值中找出最大值。而在最大值和通過用樣條函數內插法得到的相鄰的最小值之間的間隔中形成中間值，借助于該樣條內插法，該間隔內的實際最大值也就被確定了，由此可得到具有足夠準確性的纖維角φ。根據相關圖象線的間隔△Y和產生最大值時的移位Kmax，就可按照下面的方程計算出纖維角φφ＝arctg(△Y/Kmax)(8)霍克(Hougt)變換法霍克變換法是一種可以發現共線象素的方法，其數學基礎是以赫塞(Hesse)標準形式的直線的表示法r＝X·Cosα+Y·Sinα(9)在該方程中，r是用正交通過坐標原點線測得的坐標原點離該直線間的距離，α是從X軸到該正交直線之間的角度。在圖8中，對于直線G1，該直線和通過原點正交線的交點由A表示。如果點A的坐標XA，YA已知，與直線G1相對應的赫塞標準形式中的常數r1和α1就可從上述方程(9)中容易地計算出。r1α1這一對數值對應于圖9中r-α曲線圖中的一個點。按赫塞標準形式該r-α曲線圖中的每一個點相對應于圖8中的被X-Y坐標系統限定的唯一的一條直線。通過A的其他直線可以按簡單的三角關系，將相應配對值r，α計算出來，并能夠列入r-α圖。為此目的，例如α角以5°在各種情況下變化，并算出相應的到原點的距離r。這樣算出的點位于代表通過點A的一束線的曲線KA上。例如在圖8中，該束線中其它兩條直線G2、G3也已被表示出了，并分別具有相應的參數r2，α2和r3，α3，在圖9中，這些相應點已被表示在曲線KA上。
為在經過濾波和二進制化的圖象里選出的圖象段中確定纖維角φ，需要找出白象素;對于每個所說的白象素相應的坐標值X、Y是已知的。這樣，按照上述的方法，通過象素的線條束的值r、α就能夠確定，且所有這些配對值然后就可以在r-α圖中以曲線的形式表示。例如在圖8中，除了象素A之外，還可看到其它兩個象素B和C，在圖9中有相應曲線KB，KC。
如果圖9中的r-α圖里的兩條曲線相交，該相交點就對應于通過圖8中坐標系統里的兩個相應象素的一條直線。如果很多這種曲線在同一點相交，或至少在很狹窄的區域里相交，則所有相應象素就都共線。這樣，在圖9的r-α圖中共同相交點S就對應于圖8坐標系統中通過三個象素A、B和C的，帶有配對值rs，αs的直線Gs。
如果由許多白象素建立了一條共同的直線Gs，這些象素就很有可能屬于同一條纖維。由于坐標系統的X方向對應于線軸的方向，所以在直線Gs和X軸之間角度就是所需的φ角。這里所說的纖維角可以從圖8的圖中直接推導出來，因為這里在直角三角形里的αs角的余角φ＝90°-αs(10)這樣，一個大致的纖維角就可以確定了。對于各個圖象段中的其他象素行，可重復同樣的步驟。
矢量旋轉法為用矢量旋轉法確定纖維角，需要再一次用到二進制化的圖象。該方法的原則是將矢量以每步1°的幅度在0°到90°之間轉動，并計算在每種情況下所出現的白象素。在該矢量上的白象素的數目是對其顯著性的度量。其后，一個頻率曲線反映了每一個角度的象素數的輸出值。對整個圖象進行數次測定，測定的次數取決于X方向上的白象素的密度。最后，測定的求和頻率曲線就是輸出值。這個函數的最大值就是所需的平均纖維角。
在確定纖維角的最大可能數目之后，在上面所述的每一種情況下，形成頻率曲線，即確定的纖維角的頻率分布。這個頻率曲線服從于相應的公知統計修均和插值法。并從總體來講，提供了長絲并捻的單纖維和它們的均勻體的平均捻度情況的有代表性的信息。如果計算時不需要頻率曲線的整個分布圖，該表達可以減少到頻率曲線的幾個參數，例如，平均值、最高頻率值、纖維角的分散性等等。這些處理步驟可以與用圖象計算機進行的數字圖象計算同時進行。
在圖10的例子中，頻率曲線f(φ)表達被確定的纖維角的一個函數。被確定具有最大頻率的角度φm′相對于占主導地位的纖維方向。
由于個別纖維受到所說的干擾的影響，某些局部區域出現在線表面上不存在一個主導纖維方向。這種情況反映在圖11中不存在占主導地位最大值的平均分布的頻率曲線中。通過監控該頻率曲線的最大值，這些不適合于測試的線段就可被自動地排除。
圖2也表示了怎樣可以通過計算元件20而確定“發毛程度”。在一個或多個在線或繩10外部的平行延伸于線或繩軸的、設想的測試狹條區域38中，出現的伸出纖維或伸出線的象素在與背景亮度值比較的不同亮度值的基礎上被測試出并進行計算。每一個測試狹條區域可能，例如對應于一個象素行或對應與幾個相鄰接的象素行。通過在大量的平行測試狹條區域中進行測試，就可以不僅通過頻率，也通過伸出纖維或伸出線的長度來取得信息。
最后，圖12表明怎樣可以通過幾個圖象傳感器而測得線或繩的空間輪廓，并因此得到有關立體幾何形狀，特別是圓度信息。在圖12中展示了線或繩10橫斷面，并有三個繞著該線或繩的、相互間相隔角度為120°的圖象傳感器41、42、43。每一個圖象傳感器應參照圖1中對圖象傳感器12的描述安置，并應連接到所述類型的信號處理線路上。借助于三個圖象傳感器41、42、43，三個有關線或繩的平面圖象也可以被攝取，且數字圖象信號也就存儲了起來。如果線或繩的三個直徑D1，D2和D3是按三個觀察點測出的，則從這三個直徑的區別中，就可推導出非圓度的量度非圓度＝f(1D1-D21，1D2-D31，1D3-D11)對所述裝置的其他改型或進一步發展當至是可能的。特別是，用彩色圖象代替黑白圖象存儲并估值。與此有關的必要技術已為專家，尤其是為彩電專家公知。代之于圖象單純亮度值，以每一個象素的三種顏色成份的強度值也被數字化并存儲了起來，通過對顏色信號的合適的計算，也可能會通過特意制作的非標準彩色形成器，我們就有可能或是更清楚地測得前述的測定值，或取得線或繩的其它特性參數的補充信息。
權利要求
1.測量和/或監控線或繩的性能參數的方法，其特征在于，借助于圖象傳感器攝取一段線或繩的二維圖象并轉換成電圖象信號，圖象信號以象素方式數字化并存儲在圖象信號存儲器中存儲象素的區域中，利用計算單元由存儲的數字圖象信號求得待確定的性能參數值。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，由存儲的數字圖象信號確定線或繩的直徑。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，由存儲的數字圖象信號確定伸出的單纖維或金屬絲的統計值。
4.按照權利要求1至3中的任一權利要求的方法，其特征在于，由存儲的數字圖象信號確定線或繩的捻度。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，以平行置于線或繩的長度方向為計值方向，由存儲的數字圖象確定線或繩的結構周期。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，為了測定結構周期，由來源于至少一個沿定值方向排列的象素行的、存儲的數字圖象信號形成一個一維相似性函數。
7.按照權利要求6的方法，其特征在于，該一維相似性函數為自相關函數。
8.按照權利要求6的方法，其特征在于，該一維相似性函數為相互位移的同一象素行的象素的不同數字圖象信號量的總和。
9.按照權利要求5的方法，其特征在于，該結構周期是由存儲的數字圖象信號所代表的二維圖象的光譜變換導出的。
10.按照權利要求4的方法，其特征在于，由存儲的數字圖象信號確定單纖維的平均纖維角。
11.按照權利要求10的方法，其特征在于，為了確定纖維角，由來源于兩條相互隔開的沿定值方向平行排列的象素行的、存儲的數字圖象信號形成互相關函數。
12.按照權利要求10的方法，其特征在于，通過霍克(Hough)變換確定平均纖維角。
13.按照權利要求10的方法，其特征在于，通過矢量旋轉確定平均纖維角。
14.按照權利要求12或13的方法，其特征在于，為了確定平均纖維角，將存儲的數字圖象信號二進制化。
15.按照權利要求11至14中的任一權利要求的方法，其特征在于，在確定平均纖維角前，使數字化存儲的圖象為強化邊緣和排除干擾作準備。
16.按照權利要求15的方法，其特征在于，在幾個方向上對數字化存儲的圖象進行微分。
17.按照前面所述權利要求中的任一權利要求的方法，其特征在于，為了確定線或繩的非圓度，由從不同角度攝取的一些二維圖象的存儲的數字圖象信號確定線或繩的直徑，并將這些直徑相互比較。
18.按照前面所述權利要求中的任一權利要求的方法，其特征在于，為了確定線或繩的性能參數的波動情況，將從不同段的線或繩的一些二維圖象的存儲的圖象信號中得到數值進行相互比較。
19.按照權利要求18的方法，其特征在于，借助于同一圖象傳感器順次地從沿縱向移動的線或繩上攝取線或繩不同區段的二維圖象。
20.按照前面所述權利要求中的任一權利要求的方法，其特征在于，被形成圖象的線或繩的區段是由圖象傳感器響應的照射源照射的。
21.按照權利要求20的方法，其特征在于，用紅外光進行照射。
22.按照權利要求20的方法，其特征在于，用X射線進行照射。
23.按照權利要求20的方法，其特征在于，用微波進行照射。
24.按照權利要求20的方法，其特征在于，用超聲波進行照射。
25.按照權利要求20的方法，其特征在于，用核幅射進行照射。
26.按照權利要求20至25中的任一權利要求的方法，其特征在于，圖象傳感器接收的是線或繩的表面的反射射線。
27.按照權利要求20至25中的任一權利要求的方法，其特征在于，圖象傳感器接收的是穿過線或繩的射線。
28.按照權利要求20至25中徑任一權利要求的方法，其特征在于，為了對運動的線和繩得到清晰的圖象，在短時周期中進行照射。
29.執行按照前面所述權利要求中任一權利要求的方法所用的裝置，其特征在于，一個用于攝取一段線或繩的圖象并把該圖象轉換成一個模擬量電圖象信號的圖象傳感器;一個在圖象傳感器后面的用于將模擬量圖象信號數字化的模數轉換器;一個用于存儲由模擬轉換器提供的數字圖象信號的圖象信號存儲器和一個用于從存儲的數字圖象信號中確定被檢測特性參數值的計算單元。
30.按照權利要求29的裝置，其特征在于，該圖象傳感器是一個電視攝像機。
31.按照權利要求30的裝置，其特征在于，電視攝像機是這樣對準的，以致于行掃描方向平行于線或繩的縱向。
32.按照權利要求29的裝置，其特征在于，該圖象傳感器是一個矩陣式傳感器。
33.按照權利要求32的裝置，其特征在于，該圖象傳感器是一個CCD半導體矩陣式攝像機。
34.按照權利要求29至33中的任一權利要求的裝置，其特征在于，有一個用于照明被圖象傳感器所攝的線或繩的部分的照射源。
35.按照權利要求34的裝置，其特征在于，有一個使得照射源實現暫短照明時間的控制電路。
36.按照權利要求34或35的裝置，其特征在于，該照射源發射可見光。
37.按照權利要求34或35的裝置，其特征在于，該照射源是一個紅外光源。
38.按照權利要求34或35的裝置，其特征在于，該照射源是一個X射線幅射源。
39.按照權利要求34或35的裝置，其特征在于，該照射源是一個超聲波發生器。
40.按照權利要求34至39中的任一權利要求的裝置，其特征在于，照射源安置在線或繩的面向圖象傳感器的一側，而該圖象傳感器是這樣設置的，以致于它能接收反射在線或繩表面的照射源的射線。
41.按照權利要求34至39中的任一權利要求的裝置，其特征在于，照射源安置在線或繩背著圖象傳感器的一側;而該圖象傳感器是這樣設置的，以致于它能直接接收來自照射源的射線。
全文摘要
為了測量和/或監控線或繩的性能參數，借助于圖象傳感器，攝取一段線或繩的二維圖象并且轉換成電圖象信號。圖象信號以象素方式數字化并且存儲在圖象信號存儲器中存儲象素的區域中，并利用計算單元由存儲的數字圖象信號求得待確定的性能參數值。能用這種方式測量和/或監控的性能參數具體是指線或繩的直徑，伸出的纖維，絲或線的統計值和線或繩的捻度。
文檔編號G01B15/04GK1033106SQ8810337
公開日1989年5月24日 申請日期1988年6月6日 優先權日1987年11月17日
發明者羅伯特·馬森 申請人:羅伯特·馬森
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
