摘  要：研究了自動(dòng)化分析方法在棉麻混合物定量分析中的應(yīng)用，通過(guò)棉、麻及其混合樣品的定量分析，分析了自動(dòng)化分析方法的識(shí)別準(zhǔn)確性、重復(fù)性，以及混合纖維定量測(cè)試中的實(shí)際應(yīng)用情況和試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響原因及解決方法，探討了該方法在棉麻混合物定量分析中應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)表明:自動(dòng)化分析方法對(duì)棉的識(shí)別率為98．89%，對(duì)亞麻的識(shí)別率為98.15%；重復(fù)性試驗(yàn)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極差均＜3.50%，混合樣品定量分析纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)差≤3.0%的占比為92.1%；影響自動(dòng)化分析結(jié)果準(zhǔn)確性的原因包含纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、直徑測(cè)量不準(zhǔn)確、纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤3種情況。對(duì)于大部分樣品自動(dòng)化分析方法能滿足定量分析誤差＜3%的要求，但與顯微投影法相比還存在一定差距，可作為一種輔助檢測(cè)分析方法應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：定量分析；棉；亞麻；自動(dòng)化分析方法；人工顯微投影法

棉纖維和麻纖維是紡織品中常用的纖維材料，它們都屬于植物纖維素纖維，化學(xué)成分相近，混紡后不能用化學(xué)分析方法或機(jī)械分離方法測(cè)定其纖維含量。目前，棉、麻混紡織物常規(guī)的定量分析方法為顯微投影法^[1]，該方法使用顯微鏡人工識(shí)別纖維種類，測(cè)量纖維直徑或橫截面積，并計(jì)數(shù)一定數(shù)量的纖維，從而計(jì)算出各種纖維的質(zhì)量百分比。顯微投影法完全依賴人工，一個(gè)樣品的檢測(cè)常需要檢驗(yàn)員進(jìn)行數(shù)百上千次的對(duì)焦、直徑測(cè)量、計(jì)數(shù)等重復(fù)操作，周期長(zhǎng)、強(qiáng)度大、效率低、單調(diào)重復(fù)、主觀因素影響大，難以滿足檢測(cè)行業(yè)向智能化、自動(dòng)化發(fā)展的需求。近年來(lái)伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的成熟^[2,3]，紡織品纖維成分自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐步應(yīng)用于紡織品檢測(cè)行業(yè)?；诖?，本文參照相關(guān)資料開發(fā)了一種紡織品纖維成分自動(dòng)化分析方法^[4,5,6,7,8]，替代傳統(tǒng)的人工顯微鏡法測(cè)試棉麻混紡產(chǎn)品，以達(dá)到自動(dòng)化分析纖維成分的目的。與傳統(tǒng)方法相比，紡織品纖維成分自動(dòng)化分析方法操作簡(jiǎn)單、直觀準(zhǔn)確、快速高效、無(wú)需過(guò)多的人工參與，能對(duì)不同種類的紡織品進(jìn)行纖維細(xì)度、定性和定量分析，是一種智能化的分析方法。

1試驗(yàn)部分

1.1儀器設(shè)備

奧林巴斯BX-43型纖維細(xì)度分析儀；NE900型耐可視顯微鏡；STAGE XY型自動(dòng)顯微控制器；FiberRecognion型纖維自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；Y172型哈氏切片器。

1.2纖維成分自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)及工作原理

FiberRecognion紡織品纖維成分全自動(dòng)分析系統(tǒng)主要由光學(xué)顯微鏡、相機(jī)、控制單元、分析裝置(含算法模塊)、顯示單元、XYZ軸高精度電動(dòng)平臺(tái)等、組成，具體組成見(jiàn)圖1。

圖1 紡織品纖維成分自動(dòng)化分析系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，分析裝置的控制模塊通過(guò)采集相機(jī)輸出實(shí)時(shí)圖像，經(jīng)控制單元控制高精度電動(dòng)平臺(tái)沿X軸Y軸平移、Z軸聚焦，實(shí)現(xiàn)纖維切片自動(dòng)移位，自動(dòng)進(jìn)行三軸掃描式圖像采集，并由算法模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取、直徑測(cè)量、種類識(shí)別和計(jì)數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果由管理模塊記錄并完成報(bào)表輸出。

1.3試驗(yàn)樣品

純棉樣品、純亞麻樣品、不同比例棉/亞麻混合樣品，均為深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院庫(kù)存樣品。

2結(jié)果與討論

2.1自動(dòng)化分析方法識(shí)別的準(zhǔn)確性

分別采用人工顯微投影法和自動(dòng)化分析方法測(cè)試10個(gè)不同的純棉、純亞麻樣品，對(duì)比分析自動(dòng)化分析方法識(shí)別的準(zhǔn)確性。

采用兩種試驗(yàn)方法分別測(cè)試10組純棉樣品和10組純亞麻樣品的含量、折算根數(shù)和直徑，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 純棉樣品試驗(yàn)結(jié)果

表2 純亞麻樣品試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，人工顯微投影法測(cè)得棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值為99.90%，誤差范圍為0～0.36%，折算根數(shù)^[1]平均值為999根，誤差范圍為0～4根；自動(dòng)化分析方法測(cè)得棉含量的平均值為98.89%，誤差為0.64%～1.93%，折算根數(shù)平均值為988根，誤差范圍為6～20根。試驗(yàn)結(jié)果表明:兩種方法測(cè)得棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異的平均值為1.01%，棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異<2%；折算根數(shù)差異的平均值為11根，與兩次試驗(yàn)每種纖維折算根數(shù)之差不大于10根的要求較為接近^[1]；纖維直徑差異平均值為0.56μm，纖維直徑差異<1μm。這說(shuō)明，兩種方法測(cè)試棉纖維的含量、直徑、折算根數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的差異較小，自動(dòng)化分析法對(duì)棉識(shí)別的準(zhǔn)確率較高，但低于人工顯微投影法對(duì)棉識(shí)別的準(zhǔn)確率。

由表2可知，人工顯微投影法測(cè)得亞麻平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.97%，誤差范圍為0～0.21%，平均折算根數(shù)為996根，誤差范圍為0～10根；自動(dòng)化分析方法測(cè)得亞麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為98.15%，誤差為1.25%～2.44%，誤差平均值為1.85%，平均折算根數(shù)為936根，誤差范圍為48～81根。試驗(yàn)結(jié)果表明:兩種方法測(cè)得亞麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異的平均值為1.83%，亞麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異<2%；折算根數(shù)平均差異為61根，但自動(dòng)化方法將亞麻誤判為棉的直徑較小，對(duì)亞麻含量的結(jié)果影響也較小；纖維直徑差異平均值為0.25μm，纖維直徑差異<1μm。這說(shuō)明，兩種方法測(cè)試亞麻纖維的含量、直徑試驗(yàn)結(jié)果的差異較小，折算根數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)亞麻含量的影響較小，自動(dòng)化分析法對(duì)亞麻的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，但低于人工顯微投影法對(duì)亞麻的識(shí)別準(zhǔn)確率。

2.2自動(dòng)化分析方法重復(fù)性

分別采用人工顯微投影法和自動(dòng)化分析方法測(cè)試4種不同棉/亞麻混合樣品的纖維含量、折算根數(shù)，人工顯微投影法由3名實(shí)驗(yàn)員分別測(cè)試2組數(shù)據(jù)，自動(dòng)化分析方法測(cè)試6組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 棉/亞麻混合樣品重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:對(duì)4個(gè)不同樣品進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)，人工顯微投影法的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極差為1.94%～4.71%，折算根數(shù)的極差為17～53根；自動(dòng)化分析方法的棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)極差<3.5%，為1.26%～3.16%，折算根數(shù)的極差為10～16根。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)同一樣品進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)，自動(dòng)化分析方法測(cè)得棉含量極差和棉折算根數(shù)極差均小于人工顯微鏡的結(jié)果，自動(dòng)化分析方法的試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性優(yōu)于人工方法，測(cè)試結(jié)果更穩(wěn)定。

2.3自動(dòng)化分析方法的實(shí)際應(yīng)用

在相同試驗(yàn)條件下，分別采用人工顯微投影法和自動(dòng)化分析方法測(cè)試165個(gè)棉/亞麻混合樣品的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果差異≤3%的樣品數(shù)量和比例，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4?？芍?，分別采用人工顯微投影法和自動(dòng)化分析方法測(cè)試棉/亞麻樣品的纖維含量，兩種方法測(cè)得同一樣品纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異≤3.0%的數(shù)量為152個(gè)，比例為92.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用自動(dòng)化分析方法定量分析棉/亞麻混合樣品試驗(yàn)結(jié)果和顯微投影法相比存在一定的差異，對(duì)于大部分樣品能滿足定量分析誤差<3%的要求^[9]，但仍存在不能完全滿足的情況。可見(jiàn)該方法在實(shí)際應(yīng)用中還不能全面替代人工檢測(cè)方法，但可作為一種輔助檢測(cè)的分析方法。

表4 棉/亞麻混合樣品試驗(yàn)結(jié)果

2.4自動(dòng)化分析方法準(zhǔn)確性的影響原因及解決方法

棉/麻混紡產(chǎn)品定量分析方法的計(jì)算公式^[1]中影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素有纖維根數(shù)和纖維直徑。對(duì)人工顯微投影法和自動(dòng)化分析方法試驗(yàn)結(jié)果差異>3%的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析可能影響自動(dòng)化分析方法輸出結(jié)果準(zhǔn)確性的原因。

影響自動(dòng)化分析結(jié)果準(zhǔn)確性的原因主要有纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、直徑測(cè)量不準(zhǔn)確、纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤3種情況，其中纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤主要由纖維種類誤判造成。纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確包括纖維識(shí)別不全、纖維識(shí)別后不能分類統(tǒng)計(jì)、圖像模糊未識(shí)別、纖維黏合交叉重疊、纖維聚集交叉重疊、多根纖維誤判為1根等原因；直徑測(cè)量不準(zhǔn)確包括纖維粘連、纖維扭曲交叉等原因；纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤包括棉誤判為麻、麻誤判為棉、其他纖維(化纖、動(dòng)物毛等)誤判為麻/棉、氣泡誤判為麻/棉、玻片邊緣誤判為麻/棉、雜質(zhì)誤判為麻/棉等原因。

纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確情況的解決辦法主要為:針對(duì)纖維識(shí)別不全、纖維識(shí)別后不能分類統(tǒng)計(jì)、多根誤判為1根等情況，需收集相關(guān)數(shù)據(jù)，標(biāo)注后進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，生成新的目標(biāo)分割算法模型來(lái)解決；針對(duì)圖像模糊影響纖維特征識(shí)別的情況，需要調(diào)整調(diào)焦步程、調(diào)整硬件參數(shù)、優(yōu)化清晰度判斷算法或進(jìn)行后期人工干預(yù)；針對(duì)纖維黏合交叉重疊、纖維聚集交叉重疊的情況，需進(jìn)一步提高系統(tǒng)的圖像分割能力，并盡量分散纖維，使其均勻分布，或針對(duì)纏繞重疊等特別復(fù)雜的情況進(jìn)行后期人工干預(yù)。

直徑測(cè)量不準(zhǔn)確解決辦法主要為:針對(duì)纖維粘連、纖維扭曲交叉引起纖維輪廓識(shí)別不準(zhǔn)確導(dǎo)致直徑測(cè)量不準(zhǔn)確的情況，需增加特殊樣本優(yōu)化目標(biāo)分割模型，結(jié)合直徑測(cè)量算法進(jìn)行優(yōu)化。

纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤的解決辦法主要為:針對(duì)棉誤判為麻、麻誤判為棉的情況，需大量收集數(shù)據(jù)，經(jīng)人工判別標(biāo)注后，讓機(jī)器學(xué)習(xí)這類纖維形態(tài)特征，以提高機(jī)器的識(shí)別能力；針對(duì)玻片邊緣誤判、氣泡誤判、雜質(zhì)誤判的情況，需收集相關(guān)無(wú)效目標(biāo)數(shù)據(jù)，讓機(jī)器學(xué)習(xí)無(wú)效數(shù)據(jù)特征，生成新的有效圖像算法模型。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了棉/亞麻混合樣品纖維含量的自動(dòng)化檢測(cè)方法，分析了方法識(shí)別的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，以及該方法在混合纖維定量分析中的實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)了自動(dòng)化分析方法準(zhǔn)確性的影響原因及解決方法。試驗(yàn)結(jié)果表明:自動(dòng)化分析方法對(duì)棉的識(shí)別率為98.89%，對(duì)亞麻的識(shí)別率為98.15%，重復(fù)性試驗(yàn)纖維含量的極差均<3.50%，混合樣品纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差≤3.0%的比例為92.1%；影響自動(dòng)化分析結(jié)果準(zhǔn)確性的原因?yàn)槔w維根數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、直徑測(cè)量不準(zhǔn)確、纖維根數(shù)統(tǒng)計(jì)和直徑測(cè)量錯(cuò)誤3種情況。目前，自動(dòng)化分析方法與人工顯微投影法的試驗(yàn)結(jié)果相比還存在一定的差距，對(duì)于大部分樣品能滿足要求，可作為一種輔助檢測(cè)分析方法。后期可以從提高系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)人工干預(yù)兩個(gè)方面提高混合纖維定量分析的準(zhǔn)確率和鑒別的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部．FZ/T 30003---2009麻棉混紡產(chǎn)品定量分析方法顯微投影法[S]．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

[2]郝雅潔，李富忠．計(jì)算機(jī)智能化圖像識(shí)別技術(shù)的探討[J]．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019,9(8):55-57．

[3]潘全，萬(wàn)小蕙，夏正球．圖像自動(dòng)識(shí)別與采集技術(shù)在麻/棉織物檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．紡織檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)，2020,6(3):16-20．

[4]王云發(fā)，程鑫橋，黃飛，等．基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的亞麻與棉自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[J]．紡織檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)，2018,4(6):19-23．

[5]于紅彬，夏彬，王澤武．基于圖像處理的棉花表面雜質(zhì)自動(dòng)識(shí)別[J]．上海紡織科技，2020,48(6):17-19,64．

[6]郭榮幸．基于纖維圖像的橫截面輪廓提取和識(shí)別技術(shù)[J]．現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2016,31(1):35-37．

[7]高亮，王旭，王榮武．木棉和棉的自動(dòng)識(shí)別[J]．東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017,43(1):95-101,133．

[8]陳珂．計(jì)算機(jī)圖像分析在紡織品檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息，2014(35):56．

[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB/T29862-2013紡織品纖維含量的標(biāo)識(shí)[S]．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

文章摘自：張海煊,程鑫橋,杜靜,黃飛,王云發(fā),樓品琪.自動(dòng)化分析方法在棉/麻混合物定量分析中的應(yīng)用[J].上海紡織科技,2021,49(09):54-57.DOI:10.16549/j.cnki.issn.1001-2044.2021.09.015.