Автоматизация компьютерных методов исследования неравномерности двумерных волокнистых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Лебедева, Виктория Игоревна

• Лебедева, Виктория Игоревна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедева, Виктория Игоревна

Введение.

Глава 1 Аналитический обзор задач исследования неравномерности двумерных текстильных материалов.

1.1 Неравномерность волокнистых материалов.

1.2 Основные характеристики неровноты одномерных материалов.

1.3 Случайные поля как характеристики двумерных текстильных материалов.

1.4 Экспериментальные методы исследования неровноты двумерных материалов.

1.5 Методы исследования содержания сорных примесей в двумерных волокнистых материалах.

1.6 Методы компьютерного моделирования и их возможности при исследовании текстильных материалов.

1.7 Применение компьютерной техники и компьютерных технологий для исследования текстильных материалов.

1.7.1 Возможности современной компьютерной техники для сбора информации об образце.

1.7.2 Технологии обработки компьютерной графики.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Моделирование случайной неровноты двумерных волокнистых материалов.

2.1 Моделирование случайных полей.

2.1.1 Модель дискретного поля - двумерного белого шума.

2.1.2 Модель пуассоновского изотропного поля

2.1.3 Моделирование поверхностей плоских волокнистых материалов

2.1.4 Исследование характеристик моделируемых полей.

2.2 Моделирование изображений полей неровноты.

2.2.1 Алгоритм моделирования изображений двумерных волокнистых материалов.

2.2.2 Анализ моделированных изображений полей неровноты

Выводы по главе

Глава 3 Методы выявления участков с локальной неровнотой на изображениях образцов двумерных материалов.

3.1 Виды нестационарной неровноты и проблемы ее распознавания на изображениях

3.2. Применение методов кластерного анализа для оценки засоренности двумерных волокнистых материалов.

3.2.1 Основные задачи кластерного анализа.

3.2.2 Кластер - анализ для распознавания сорных примесей на изображениях двумерных волокнистых материалов.

3.2.3 Верификация работы алгоритма на детерминированных бинарных изображениях.

3.2.4 Верификация работы алгоритма на моделированных изображениях образцов волокнистых материалов.

3.2.5 Верификация работы алгоритма на сканированных изображениях образцов волокнистых материалов.

3.3 Распознавания участков локальной неровноты на изображениях методами математической статистики.

3.3.1 Проблема выбросов случайных процессов.

3.3.2 Алгоритм выявления локальной неровноты на изображении образца.

3.3.3 Анализ работы алгоритма на модельных полях.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Разработка автоматизированного модельно-исследовательского комплекса для анализа изображений волокнистых материалов.

4.1 Средства и возможности автоматизированного комплекса.

4.2 Структура данных.

4.3 Структура программного комплекса.

4.4 Работа с программным комплексом.

4.4.1 Настройка программного комплекса

4.4.2 Анализ изображения образца

4.4.3 Количество сорных примесей.

4.4.4 Моделирование.

4.4.5 Просмотр статистики БД.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация компьютерных методов исследования неравномерности двумерных волокнистых материалов»

Одной из важных задач, стоящих перед текстильной промышленностью, является улучшение качества изделий. Рост объемов производства и ассортимента нетканых материалов требует особого технического контроля всех технологических операций, качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Неравномерность текстильных материалов по поверхностной плотности является одним из наиболее существенных факторов, определяющих их потребительское качество и экономические показатели процессов производства.

Существующие аналитические методы определения неровноты в основном ориентированы на исследования линейной плотности одномерного материала. Исследованием неровноты текстильных материалов с помощью таких традиционных характеристик, как корреляционная функция, спектральная плотность дисперсии, гистограмма распределения занимались такие ученые как А.Г. Севостьянов, В.П. Хавкин, А.Е.Черкасский.

Случайные поля дают возможность описывать такие показатели волокнистых материалов, как плотность массы материала, состав смеси волокон, пористость, процент сорных примесей, однородность поверхности по степени заполнения волокнами, по окрашенности и т.п. Осуществить оценку характеристик реального поля для выбранного показателя возможно лишь путем эксперимента: измерения значений показателя на образце (в лабораторных условиях) или на материале (в производственных условиях). В обоих случаях полученные экспериментальные данные подвергаются статистической обработке. В результате получают экспериментальные оценки характеристик волокнистого материала. В данной работе ограничились вопросами получения информации о материале на основании анализа образцов.

В качестве эталонов для выводов о качестве материала по исследуемому показателю используют либо значения показателей, общепризнанных как эталон материала, либо некоторые гипотетические значения так называемого «идеального» материала. Такой идеальный материал строится в виде некоторой математической модели, для которой рассчитываются значения показателей, принимаемые за эталонные.

А.Е. Черкасским были предложены теоретические модели идеальных однородных полей. Эти модели были построены как двумерные аналоги импульсных случайных потоков. Создание и реализация алгоритмов моделирования поверхностной плотности двумерных волокнистых материалов, имеющих идеальные характеристики, позволит эффективно оценивать качество исследуемых материалов.

Качество полуфабрикатов прядильного производства кроме равномерности по строению, структуре и расположению волокон характеризуется содержанием посторонних примесей и пороков. Существующие методы оценки волокнистых материалов на содержание сорных примесей и пороков основаны на визуальном контроле и ручном разборе. Создание автоматизированных методов выявления сорных примесей и пороков, основанных на обработке сканированных изображений образцов, позволит значительно сократить время на оценку показателей равномерности волокнистых материалов.

С совершенствованием компьютерной техники появились новые возможности и средства для исследования свойств материалов, среди которых на первом месте стоят сканирующие электронные устройства. Серийно выпускаемые устройства вполне пригодны по своим техническим характеристикам для получения исчерпывающей информации о неравномерности волокнистых материалов.

Развитые информационные технологии обработки цифровых изображений открывают широкие возможности для создания методов оценки качества двумерных материалов по их сканированным изображениям.

Разработка компьютерных систем, автоматизирующих исследования свойств волокнистых материалов по их изображениям, является актуальной и перспективной задачей.

Целью данной диссертационной работы является решение создание автоматизированных методов исследования неравномерности двумерных волокнистых материалов. Решение этой задачи включает в себя следующие этапы:

- анализ существующих методов исследования неравномерности волокнистых материалов;

- разработка методов моделирования неровноты двумерных текстильных материалов, отражающих неравномерность по линейной плотности, включая локальные участки нарушения однородности поверхности материала;

- разработка методов и алгоритмов оценки неравномерности и методов выявления участков с локальной неровнотой на сканированных изображениях плоских волокнистых материалов;

- разработка автоматизированного комплекса для анализа изображений образцов двумерных материалов.

В работе использованы методы математического компьютерного моделирования, корреляционного и спектрального анализа случайных полей, математической статистики и кластерного анализа, современные методы компьютерной обработки графической информации, методы разработки автоматизированных комплексов.

В результате выполнения поставленной научно-технической задачи в работе впервые:

- разработаны теоретические основы и компьютерные модели изображений поверхностей двумерных волокнистых материалов, имеющих локальные нарушения неравномерности с случайными координатами и параметрами;

- исследовано влияния геометрических и пространственных характеристик моделирующих импульсов на свойства создаваемых поверхностей;

- разработаны методы выявления сорных примесей и пороков на сканированных изображениях волокнистых материалов; 6

- проведены эксперименты с программно реализованными алгоритмами и методами и доказана эффективность их применения для исследования качества волокнистых продуктов;

- разработана структура автоматизированного комплекса для анализа неравномерности двумерных волокнистых материалов по сканированным изображениям.

Разработки, выполненные в диссертации, использованы Научно-испытательным центром «Шелк» НО Учреждения «Центр «СКС» при исследовании образцов нетканых материалов для выделения сорных примесей, а так же в учебном процессе МГТУ им. А.Н. Косыгина при изучении курсов «Математические методы обработки данных», «Моделирование систем», «Методы прикладного моделирования», при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Лебедева, Виктория Игоревна

Общие выводы

1. В результате исследований решена важная научно-техническая задача разработки методологии автоматизированного анализа сканированных изображений двумерных нетканых волокнистых материалов и моделирования поверхностей двумерных волокнистых продуктов.

2. Разработаны алгоритмы моделирования, которые позволили построить модели поверхностей плоских волокнистых материалов с параметрами, определяемыми геометрическими характеристиками структурных элементов, таких как клочки и комплексы волокон.

3. На основе известных работ по законам распределения размеров и форм клочков и теории формирования волокнистых материалов были разработаны математические модели расположения волокнистых клочков по площади образца для моделирования поверхностей двумерных материалов с «идеальными» характеристиками.

4. В результате исследований влияния параметров клочков на характеристики моделируемых полей получены зависимости среднего и среднеквадра-тического отклонения поверхностной плотности материала от геометрических параметров моделирующих импульсов, их амплитуды и угловой ориентации относительно продольной оси материала, которые доказывают правильность выбора схемы и методов моделирования.

5. Разработан алгоритм моделирования изображения поверхности волокнистого материала, имеющего локальные нарушения поверхностной плотности в виде особенностей изображений и поверхностей плоских волокнистых материалов. Результаты проведенных исследований работы алгоритма доказали возможность его использования для получения изображений образцов волокнистых материалов в виде цифровых матриц при варьировании числа локальных нарушений.

6. Моделированные изображения поверхностной плотности использовались как изображения «идеального продукта» для анализа сканированных изображений образцов плоских волокнистых материалов. Также результаты моделирования применялись для тестирования алгоритмов и разработанных на их основе программ для выявления локальных нарушений, в частности сорных примесей, на сканированных изображениях.

7. Для оценки статистической величины выброса значений цифровой матрицы изображения и выявления участков локальной неровноты применен специально разработанный алгоритм обнаружения локальных нарушений однородности поверхностной плотности двумерного волокнистого материала.

8. Впервые разработан алгоритм, позволивший на основе методов кластерного анализа оценивать количество сорных примесей и пороков в изображениях образцов плоских текстильных материалов.

9. Верификация алгоритмов на бинарных реальных и модельных изображениях доказала возможность их использования для изучения двумерных волокнистых материалов по их сканированным изображениям.

10. На основе разработанных алгоритмов и моделей создан автоматизированный модельно-исследовательский комплекс, позволяющий выполнять функции, связанные с анализом образцов волокнистых материалов и моделированием их изображений.

11. В составе комплекса разработана структура и программно реализована база данных для хранения информации по результатам анализа и моделирования. Предусмотрена возможность варьирования параметров исследования и моделирования образцов, графические средства просмотра изображений и результатов их анализа.

12. На основе проведенных исследований и разработанных алгоритмов созданы автоматизированные средства для анализа сканированных изображений поверхности плоских волокнистых материалов на неравномерность и выявления сорных примесей и других локальных нарушений, что позволяет значительно упростить и ускорить процесс оценки качества волокнистых продуктов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедева, Виктория Игоревна, 2006 год

1. Зотиков В.Е., Будников И.В., Трыков П.П.Основы прядения волокнистых материалов. - М.: ГНИЛ по легкой промышленности, 1959.

2. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. -М.: Ростехиздат, 1962.

3. Севостьянов А.Г., Элькина Т.Н. Методы исследования неровноты плоских текстильных материалов. М.: Легкая индустрия, 1975.

4. Севостьянов А.Г., Элькина Т.И. Исследование характера неровноты по весу прошивного нетканого материала.- М.: Известия вузов, ТЛП, 1968, №2.С 305. Севостьянов А.Г. Механическая технология текстильных материалов. М.: Легпромбытиздат, 1989.

5. Мухитдинов М. Оптоэлектронные устройства контроля и измерения в текстильной промышленности.- М., 1982.

6. Варданян A.A. Исследование фотоэлектрического метода автоматического контроля развеса волокнистых продуктов.- Дисс. канд. техн. наук. М., 1972.

7. Труевцев Н.И., Труевцев H.H. и др. Механическая технология волокнистых материалов. -М.: Легкая индустрия, 1969.

8. Алексеев М.А., Черкасский, Хавкин В.П. Современные приборы и системы автоматического контроля неровноты нетканых материалов. Обзор информ.-ЦНИИТЭИлегпищемаш. М., 1976.

9. Бершев E.H., Куликова H.A. Технический контроль в производстве нетканых материалов. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.

10. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А. Моделирование технологических процессов (в текстильной промышленности).- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.-344с.

11. Семенов В.А., Труевцев H.H. Молирование процессов образования и свойств волокнистых холстов. М.: Текстильная промышленность, 1996, №5, с.20-23

12. Черкасский А.Е. Математическая модель двумерного текстильного продукта.- М.: Изв. вузов. Технолог, текст. пром-ти.1970.№4.с.46-49.

13. Черкасский А.Е. Неровнота нетканых материалов.- М.: Легпромиздат. 1989.

14. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.Н. Введение в статистическую радиофизику (случайные поля). М., 1978.

15. Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображений.- М: Радио и связь, 1986.

16. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.

17. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. М: Мир, 2001.

18. Прэтт У. Цифровая обработка изображений:В 2т. М.: Мир, 1982.

19. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982

20. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. Радио, 1974

21. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложение. М.: Мир, 1984

22. Современные способы оценки структурных изменений волокнистых клочков в приготовительных процессах переработки хлопка. М., ЦНИИТЭИ-легпром,1990

23. Левинский В.П. Закон распределения вероятностей для клочков разных размеров. Известия вузов. ТТП. №2, 1963.

24. Сергеенков А.П. Теория процессов, технология, оборудование подготовки смесей и холстообразования. М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2004

25. Щербаков М.И., Губина P.C., Чистякова Т.Н. Условия формирования равномерных волокнистых холстов. Текстильная промышленность, 1973, №2 с.62-64.

26. Дюран Б.,Одел П. Кластерный анализ. М.: Статистика, 1977.

27. Горячая И.С., Севостьянов П.А. Использование кластерного анализа для оценки неравномерности распределения волокон в поперечном сечении пряжи. M.: Сб. трудов аспирантов, №4, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002.

28. Лебедева В.И., Севостьянов П.А. Применение методов кластерного анализа для оценки засоренности двумерных волокнистых материалов. Иваново, Известия Вузов, Тех. текст, пром-ти. № 6,2005

29. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. М.: Наука, 1970.

30. Закс Лотар Статистическое оценивание, пер. с нем.,- М., Статистика, 1976.

31. Лебедева В.И., Севостьянов П.А. Анализ и компьютерное моделирование изображений неравномерности нетканых волокнистых материалов М., Сб. научных трудов аспирантов. № 10. МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005, с. 35

32. A. Singh, K.R. Salhotra, N.S. Kambo Some Studies on Tuft Weight Distribution in the Opening Room. Textile Research Jornal, 1976, v 46, № 8, c. 567-573.

33. Salhotra, N.S. Kambo A Probability Model for tuft Breakages. . Textile Research Jornal, 1977, v 47, № 8, c. 545-551.

34. Barellf, F. and Pujol, C., Sur la Distribution Statistique du Poids des Flocons en Ouverture et Ballage du Cotton et Fibranne, Bull. Inst. Textile, France 24, 617-635 (1970)

35. Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения размера частиц при дроблении. Доклад Академии Наук СССР 1941, т.31 № 2, с.99-101

36. Сухарев В.В Автоматизированные методы моделирования волокнистыхпродуктов при проектировании систем измерения линейной плотно138сти.//Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2002. - 170с.

37. Ордов К.В. Компьютерное моделирование динамики процесса вытягивания волокнистого материала в вытяжных приборах.// Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2002. - 193с.

38. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001.

39. Севостьянов А.Г. Современные методы исследования неровноты продуктов хлопкопрядения. М.: РОСТЕХИЗДАТ, 1966.-3 86с.

40. Севостьянов П.А. Математические методы обработки данных. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004.

41. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968.

42. Длин A.M. Математическая статистика в технике.- 3-е изд., перераб. М.: Сов. Наука, 1958.

43. Севостьянов А.Г. Применение радиоактивных излучений для контроля, регулирования и исследований в прядильном производстве. М.: Гизлег-пром, 1958.-59с.

44. Кирюхин С.Н., Соловьев А.Н. Контроль и управление качеством текстильных материалов. М.: Легкая индустрия, 1977.

45. Математические методы статистического контроля в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1972.

46. Ермаков A.A. Разработка и исследование электротехнической системы управления линейной плотностью волокнистого текстильного материала: Дисс. канд. тех. наук-М.: МГТА, 1998 113с.

47. Аракелов С.Г. Влияние засоренности смеси неровноту пряжи, количество утолщений в ней, натяжение и обрывность в прядении. Дисс. канд. тех. наук-М.: МТИ, 1968.