高光譜成像技術在紡織檢測領域的研究進展 

0引  言

紡織制品成分分析和色牢度檢測是現代紡織領域質量控制的關鍵，也是紡織品常規的檢測項目。紡織品成分分析有定性和定量兩種方式，定性分析通常以查看纖維燃燒狀態、顯微鏡下觀察纖維形態為主；定量分析采用化學溶解法、手工拆分法。這些方法過程復雜耗時長，測試時要對樣品進行破壞，化學試劑對檢測人員的身體健康和環境存在損害。基于近紅外光譜的定量分析方法發布了行業標準，由于校正模型建立的復雜性和不同設備之間的不通用性，該技術在檢測機構中的應用還不是很多。紡織品色牢度是與產品安全性能有關的重要指標之一，目前最常用的評級方法是目光評級法，通過觀察試驗前后試樣的顏色變化，通過對照標準灰卡來評級，檢驗人員上崗之前需要經過長時間的培訓、目光校正，檢測結果受檢測人員的主觀因素影響也比較大。本文對高光譜技術在棉花雜質檢測、紡織品成分分析及顏色測量等方面的研究進展進行了總結分析，并對該技術在紡織檢測領域的研究應用提出了思路和方向。

1 棉花雜質檢測

高光譜成像技術最早與紡織領域有關的研究是從棉花雜質檢測開始的，研究對象為籽棉、皮棉、梳棉表面以及內部的多種雜質，雜質包括普通雜質、毛發、丙綸絲、有色線、地膜等無色、淺色和深色異性物質。通過分析棉花雜質檢測相關的文獻，對其中的研究方法進行了整理，見表 1，這些研究方法也可以作為參考應用到紡織其他檢測領域。 

表1   高光譜圖像數據分析方法

在籽棉雜質檢測中，專家對 120 個機采籽棉樣本的圖像使用主成分分析（PCA）的方法對數據進行降維，通過 3 種有監督的分類判別算法建立判別模型，結果顯示線性判別分析（LDA）模型結果最優，可以有效識別植物性雜質，但是對地膜的識別還存在誤判；以含有 5 種白色異性纖維的籽棉為研究對象，光譜采集范圍為 400～1000  nm，對選取的子區域通過最小噪聲分離（MNF）方法降維、去噪，通過機器視覺評價確定最佳分割圖像，試驗表明該方法能夠對白色異性纖維進行有效識別，識別率達 91%。針對籽棉中地膜難以有效識別的問題，他們提出了一種新的算法，首先采集籽棉高光譜圖像，光譜范圍在 1000～2500  nm，然后運用深度學習中的自編碼器模型對數據進行特征提取和降維，然后對樣本實現初步分類，最后將結果分類為地膜和非地膜，該算法大大提高了對地膜的識別率，基本滿足了實際生產需求。

在皮棉表面雜質檢測中，專家對高光譜反射、透射和反透射 3 種不同的成像模式進行研究，對比雜質在皮棉中的識別率，結果表明采用透射成像模式雜質的識別率最高；他們先獲取不同異性纖維的最佳波段圖像，然后采用像素級簡單的圖像融合進行識別，結果表明對多類難檢異性纖維共存的檢測是可以實現的，針對白色豬毛和透明丙綸絲無法識別的問題，提出可以采用結合全波段進行像素判別分類的解決方法；利用高光譜熒光成像作為異性物質分化的補充工具，首先利用基于興趣區域的方法提取皮棉和 7 種異物的平均光譜，然后采用主成分分析（PCA）方法，從425～700  nm 范圍內的 113 個波長中篩選出最優特征，對所選波長進行線性判別分析（LDA），所有樣品的平均分類率為 90%；對混入皮棉中的地膜識別進行了研究，首先提取地膜的平均光譜數據，使用偏最小二乘回歸分析（PLSR）方法優選出 560.3、673.9、716.9  和 798.8 nm 4 個最優波段，然后提取 4 個波段對應的圖像，分別進行兩次圖像融合，并移除小目標得到最終圖像，該方法能較好地完成對地膜圖像的分割。

在梳棉表面雜質檢測中，專家用液晶可調諧濾波器高光譜成像技術檢查棉絨表面異物，光譜采集范圍為 900～1700  nm，用線性判別分析方法對不同類型的異物和棉絨進行光譜特征分類，采用留一驗證和四倍交叉驗證的分類準確率分別為 96.5%和 95.1%。 在梳棉內部雜質檢測中，他們針對棉網 1～4  mm 深度內的雜質進行研究，采用 3 種不同的方法來提取雜質的關鍵波長，通過對比分析，采用與像素分類器結合的包裝方法選擇的最優波長集合，能夠識別大部分普通雜質，但是對白色豬毛和透明丙綸絲的識別率還有待提高；對于梳棉內部更深處的雜質，專家在波長 460～900 nm 范圍內，采用像素分類分割圖像處理，利用二次判別分析分類像素，對雜質和棉網進行準確分類，但是對比度小的像素分類較差如白色丙綸絲，且隨著棉網深度的增加檢測效率下降較快；他們采用透射模式對棉絨內常見異物進行檢測和分類，對獲取的圖像，利用最小噪聲分數旋轉獲得組分圖像，從 141 個波長波段中識別出最佳光譜波段，利用LDA 和 SVM 分別在光譜水平和像素水平對異物進行分類，使用選定的最佳波長，光譜和圖像的分類精度達到 95%以上；他們使用最小冗余最大關聯算法作為特征選擇方法，篩選出最適合異物分類的波長，通過比較使用 LDA、SVM 和 ANN 的分類性能來評估所選波長的通用性，共選擇 12 個波長作為異物分類的最佳特征集，LDA、SVM 和 ANN 的平均分類率分別為 91.25%、86.67%和86.67%，該研究探索了一種高光譜成像最佳波長選擇的新方法，提高了分類精度和速度。

2紡織品成分分析

紡織品材料成分分析目前依據的標準的定量方法以化學溶解法和手工拆分法為主，顯微鏡法可以測定棉麻混紡、特種動物纖維和綿羊毛混紡等的混合比例，以上檢測手段均為破壞性試驗，檢測過程復雜耗時長，化學試劑損害檢測人員的身體健康，對環境污染大。市場的快速發展對檢測企業的效率提出了更高的要求，為了檢測過程的綠色環保，迫切需要把新技術新方法引入到檢測領域。

近紅外光譜技術操作簡單，檢測過程快速、無損，該技術的發展也給紡織品的定性定量分析帶來了新的測試方法，此外近紅外光譜法行業標準的發布更是讓該技術得到了巨大的關注，也有機構研發了便攜式的近紅外纖維定性定量分析儀，但是在實際測試中對于印花、涂層以及分布不均勻的面料還不適用，其檢測結果的精確度也有待改進和提高，模型建立也比較復雜，所以該技術在檢測機構中還沒有得到推廣應用。

高光譜成像技術以其獨特優勢得到了紡織品檢測領域的關注，專家學者提出了一種鑒別方法，步驟為建立紡織品原料的高光譜數據庫、采集待檢樣品數據、數據預處理、待檢樣品數據與數據庫比對匹配和紡織品成分顯示，可用于快速、無損地進行紡織品原料成分的定性定量。他們還提出了一種紡織品材料識別的方法及系統，該方法以特征波長的標準波譜庫建立分類器，提取圖像的特征波長，通過分類器進行識別，得到待檢紡織品的材料組成。

在單組分纖維的識別中，專家學者利用高光譜成像系統提取了 6 類合成纖維的光譜特征，建立了主成分分析-線性判別分析模型，對不同顏色和結構的纖維化學成分進行了判別，其判別準確率為100%，表明了高光譜成像系統在合成纖維識別中的可行性；在此基礎上，他們又以常用的 10類紡織品為鑒別目標，以一階導數對原始數據進行預處理，用偏最小二乘判別分析模型對其成分種類進行鑒別，總體鑒別準確率達到了 96.78%；他們通過采集 8 種不同種類的紡織品高光譜圖像，利用連續投影算法對波段進行篩選，然后基于最小二乘法支持向量機（LS-SVM）建立二類分類器，試驗所用的驗證集和測試集都可以正確識別；在此基礎上，專家學者們對單組分織物的高光譜數據進行基于局部線性嵌入(LLE)、主成分分析（PCA）和局部保持投影(LPP)算法的降維，并將 288 個波長的原始數據進行壓縮以保持典型的波長區域，然后將這些數據導入兩個分類器(決策樹分類器和KNN 分類器)進行訓練，并基于這些訓練數據建立樣本分類的識別模型，實驗結果表明，所建立的識別模型能夠正確識別所有的樣本并且基于 LPP 模型和 KNN 分類算法的識別率和穩定性是最高的。

以上研究證明高光譜成像技術用于紡織品材料的定性識別是可行的，為該技術在紡織品材料鑒別上的應用提供了理論和實踐基礎。在單組分纖維材料定性識別的基礎上，有專家對滌棉織物的定量分析進行了研究，他基于高光譜成像采集系統優化了適用于紡織材料的高光譜圖像采集條件，構建了滌棉偏最小二乘回歸定量鑒別模型，并研究了一種自動化高光譜圖像有效區域提取的算法，實現了高光譜圖像定量分類的可視化。

3紡織品顏色測量

紡織品顏色測量是紡織工業中一個重要的步驟，在紡織品檢測項目中色牢度評級檢測與顏色測量技術的發展息息相關。目前，色牢度檢測常用的評級方法是人工評級法，評級結果受檢測人員的主觀性影響較大，對檢驗人員的經驗要求較高，客觀的儀器評級法有影像法和測色儀法，但是在實際使用中限制較多，織物的平整狀態和組織結構等都會對測量數據產生影響，因此沒有得到推廣。

基于高光譜成像技術在顏色測量方面的研究，將該技術應用到紡織品色牢度評級檢測中，對實現評級過程的客觀性，檢測結果的科學性具有重要意義。鑒于高光譜成像技術對紡織品顏色測量的可能性，專家們以標準色卡和筆墨色卡為研究對象，證明了高光譜成像系統可以實現顏色的測量，且可以對非常小尺寸的區域進行測量，具有較高的測量精確度，在測量重復性方面也具有顯著優勢，通過對文件處理前后的顏色進行測量，可以精確地測定、監測樣品在特定區域的顏色變化，這一應用對歷史文物進行預防性保護具有重要意義。在顏色測量系統方面，專家們采用高光譜技術建立單色織物的顏色測量系統，通過與分光光度計的測量結果進行比較，驗證了該測量系統的穩定性，且試驗表明該系統對深色系織物有較好的分辨能力。他們對兩種測量方法結果的差異性進行了研究，通過實驗測得高光譜成像系統重復測量的平均色差為 0.154，結果也證明了高光譜成像系統的測量重復性較好。

關于樣本顏色測量方面，專家以 210 張棉色卡為樣本，通過實驗證明，液晶可調濾波器(LCTF)的高光譜成像系統能夠準確測量樣本的顏色，而且測量結果的重復性和再現性較好。為了實現單根紗線和多色紡織品的顏色測量，他們還提出了一種對紡織品顏色進行分割和提取的顏色測量方法，該測量方法能夠獲取紡織品精細的光譜信息和空間信息，具有更高的測色精度。對多色及印花紡織品的顏色測量方面，他們又通過對采集光譜的校正與預處理，進行數據壓縮、提取顏色數據、智能除噪，獲得顏色的測量值，這是一種新的顏色測量方法，該方法可以有效避免面料變形帶來的影響，也可以減少人為測量誤差，顏色測量數據波動小、準確性高。關于多色織物顏色分割與提取方法，他們利用 高光譜成像系統獲取波長范圍在400～700  nm、波長間隔為 5  nm 的高光譜反射率圖像，手動選擇待分割的感興趣區域，采用中值濾波算法去除噪聲，采用基于 Fréchet 距離的空間變換方法將高光譜織物圖像轉化為灰度圖像，圖像分割采用改進的分水嶺分割算法，最后用改進的 K-means 聚類算法來合并過分割的顏色區域，結果表明在致密性(CP)和分離性(SP)評價指標上，使用該方法的顏色分割精度執行效率都得到了提高。

另外，采用結合自組織映射(SOM)算法和密度峰值聚類(DPC)相結合的顏色自動識別和聚類算法，對印花織物的顏色區域進行精確分割和測量，首先將高光譜圖像的每個像素從光譜反射率轉換為L*a*b*值，利用 SOM 算法識別主聚類，然后利用 DPC 算法進行聚類合并，最后根據最優聚類個數，將印花織物圖像分為不同的顏色區域，實驗表明該算法不僅能自動確定印花織物的最佳顏色數量，實現準確的顏色分割，而且執行時間較短。在基于顏色測量的應用方面，利用改進的遞歸神經網絡深度學習算法建立了光譜反射率與染色配方之間的模型，用 3 種染料對勻染織物和不勻染織物樣品進行染色，結果表明，基于高光譜測色的模型對以上 3 種顏色具有較高的預測精度。

4結論與展望

高光譜成像技術可以同時獲得物品的圖像和光譜信息，通過獲取其不同區域的高光譜數據，從而達到對物品的顏色、材質、類別等特征快速無損的檢測，該技術經過快速的發展已經日益成熟，將其應用到紡織檢測領域有著巨大的研究潛力。

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2 SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數據庫和NDVI等13個植被指數

2 豐富測量光學配件：標準白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內太陽光源、視場角鏡頭、BRDF測量附件、透反射實驗室支架裝置、遠程觸發器等可滿足野外和實驗室測量需求，可實現透射反射率、輻照度、輻亮度等測試

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