本發(fā)明涉及一種三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件表面參數(shù)測量方法，該系統(tǒng)對碳纖維材質(zhì)的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件的表面參數(shù)具有較好的測量效果，屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，可應(yīng)用于三維編織領(lǐng)域中預(yù)制件表面參數(shù)，即編織角和花節(jié)距的測量。

背景技術(shù)：

三維編織物復(fù)合材料是新型高性能復(fù)合材料，與其他材料相比優(yōu)勢明顯，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和抗疲勞等優(yōu)異特點(diǎn)，并且在可設(shè)計(jì)性、整體成型性及凈截面制造等方面具有明顯優(yōu)勢。三維編織物復(fù)合材料已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，并已在汽車、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著航空航天、軍工器械、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料的需求日益增加，三維紡織復(fù)合材料因其能夠有效克服傳統(tǒng)復(fù)合材料分層、開裂、厚度方向強(qiáng)度低，抗沖擊損傷性能差等缺點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、抗沖擊、抗分層、耐高溫、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、綜合力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)良性能。不同的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件會(huì)產(chǎn)生不同的性質(zhì)，為了更好地了解復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，需要對預(yù)制件的參數(shù)進(jìn)行測量和控制，其中表面參數(shù)編織角和花節(jié)距是反映預(yù)制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的重要參數(shù)。

表面編織角θ，是指三維編織物表面上纖維束與織物軸向方向形成的夾角?；ü?jié)距h，是指在一個(gè)機(jī)器編織周期中沿著編織方向產(chǎn)生的長度；編織角和花節(jié)距的示意圖如圖2所示，其中圖2-1為理想情況下編織角和和花節(jié)距，圖2-2為實(shí)際情況下編織角和花節(jié)距。

目前對于這兩個(gè)表面參數(shù)的測量多為人工測量，這種方法主觀依賴性強(qiáng)，效率低。因此，一個(gè)三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件表面參數(shù)測量方法的建立，對提高紡織業(yè)檢測水平具有重要意義。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)取得了很大的發(fā)展，并且已經(jīng)成功運(yùn)用于紡織工業(yè)。這些相關(guān)領(lǐng)域的研究成果使得利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)織物組織結(jié)構(gòu)的檢測、分析成為可能。

現(xiàn)有的織物表面參數(shù)測量的研究成果中主要有以下幾類方法：三點(diǎn)測角法、四點(diǎn)測角法[1]；基于傅立葉功率譜的平均編織角的測量[2]；基于曲線擬合的編織角的測量[3]；基于小波變換多分辨率分析的花節(jié)長度的自動(dòng)化測量[4]。

在這些方法，但仍存在一些問題。首先三點(diǎn)測角法、四點(diǎn)測角法，需對計(jì)算機(jī)顯示屏上的織物圖像進(jìn)行手工點(diǎn)點(diǎn)，這一方法主觀依賴性強(qiáng)，自動(dòng)化程度低；基于曲線擬合方法的編織角的測量，測量結(jié)果的好壞依賴于曲線擬合的好壞；基于小波變換多分辨率分析法測量花節(jié)長度，依賴于織物圖像模板的截取及相關(guān)參數(shù)的求解。因此，一個(gè)高效、準(zhǔn)確、能測平均編織角和每個(gè)花節(jié)距的方法，對于分析預(yù)制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠測量三維編織復(fù)合材料預(yù)制件表面參數(shù)編織角和花節(jié)距的方法。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件編織角和花節(jié)距表面參數(shù)測量方法，包括下列步驟：

步驟1：對采集的圖像進(jìn)行基于偏微分方程的預(yù)處理得到圖像F_pt；

步驟2：對圖像F_pt進(jìn)行基于相位一致性的邊緣檢測得到圖像F_pc；

步驟3：對圖像F_pc進(jìn)行基于霍夫變換的直線提取，確定編織物兩個(gè)紋理方向的基準(zhǔn)角；

步驟4：測量織物編織角；

步驟5：測量織物花節(jié)距。

本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果：

1.能同時(shí)檢測平均編織角和每個(gè)花節(jié)距，具有較好的測量效果。

2.偏向于應(yīng)用。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件表面參數(shù)測量方法整體設(shè)計(jì)圖。

圖2：編織角θ和花節(jié)距h示意圖。圖2-1為理想情況下編織角和花節(jié)距。圖2-2為實(shí)際情況下編織角和花節(jié)距。

圖3：原始采集圖像與預(yù)處理后的圖像。圖3-1為原始采集的圖像，圖3-2為偏微分方程預(yù)處理后的圖F_pt，圖3-3為F_pt經(jīng)過相位一致性邊緣檢測后的圖F_pc。

圖4：圖4-1為圖F_pc旋轉(zhuǎn)45.8°后的圖像，圖4-2為圖F_pc旋轉(zhuǎn)45.8°后的圖像的灰度直方圖。

圖5：圖5-1為圖F_pc旋轉(zhuǎn)126.4°后的圖像，圖5-2為圖F_pc旋轉(zhuǎn)126.4°后的圖像的灰度直方圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的方法如圖1所示，包括基于偏微分方程的圖像預(yù)處理、基于相位一致性的邊緣提取、基于霍夫變換的直線提取、編織角和花節(jié)距的測量。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明技術(shù)方案的具體實(shí)施過程加以說明。

1)偏微分方程對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理：將圖像處理過程轉(zhuǎn)變?yōu)槠⒎址匠痰那蠼膺^程，該方法將圖像看作一個(gè)連續(xù)信號(hào)，把圖像處理操作寫成一個(gè)偏微分算子，通過求解以原始圖像為初值的偏微分方程實(shí)現(xiàn)織物圖像預(yù)處理，得到圖像F_pt；

其中，G_σ是高斯函數(shù)，滿足

G_σ(x，y)＝Cσ^-1/2exp(-(x²+y²)/4σ)

其中，σ是與高斯函數(shù)的方差有關(guān)的參數(shù)，不同的σ定義了不同的平滑程度。表示在尺度t上對邊緣進(jìn)行估計(jì)然后使用該信息來決定擴(kuò)散的程度，以避免在邊緣點(diǎn)過分?jǐn)U散；

2)基于相位一致性的邊緣提?。?/p>

相位一致性的基本概念是將圖像中傅里葉分量相位最一致的點(diǎn)作為特征點(diǎn)。以一些簡單函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開為例，方波展開為傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)，所有的傅里葉分量都是正弦波，在階躍點(diǎn)處其各諧波分量具有相同的相位(相位為0度或180度，這取決于該點(diǎn)位于上升沿還是下降沿)，而其它點(diǎn)的單個(gè)相位值都在變化，相位一致的程度較低；對于三角波，各諧波分量在頂點(diǎn)處相位一致的程度最大(即波峰和波谷處，相位為90度或270度)；

3)基于Hough變換的直線提取，將圖像F_pc變換到參數(shù)空間，通過計(jì)算累計(jì)結(jié)果的局部最大值得到一個(gè)符合直線的集合作為霍夫變換結(jié)果，確定編織物紋理兩個(gè)方向的基準(zhǔn)角θ₁、θ₂；

4)編織角的測量：將圖像旋轉(zhuǎn)θ_1n度并對圖像做X軸方向灰度投影G(x)，計(jì)算投影方差S₁并找出最大值S_1MAX對應(yīng)的θ_1nmax，其中：θ_1n＝θ₁+n×0.1°，-50≤n≤50，同理找出S_2MAX所對應(yīng)的θ_2nmax，該三維織物表面編織角為

5)花節(jié)距的測量：分別計(jì)算兩個(gè)方向投影圖不同周期間波峰和波峰像素距離差d₁和d₂，即直線間像素距離，據(jù)余弦定理計(jì)算像素級(jí)花節(jié)距d，根據(jù)尺寸標(biāo)定結(jié)果，將像素級(jí)花節(jié)距轉(zhuǎn)換成實(shí)際花節(jié)距。

本發(fā)明提出一種三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件表面參數(shù)測量方法，該方法結(jié)合偏微分方程、相位一致性、霍夫變換，實(shí)現(xiàn)了碳纖維材質(zhì)的三維編織物復(fù)合材料預(yù)制件編織角和花節(jié)距的測量。