（机械制造及其自动化专业论文）针织圆机计算机辅助花样制作系统的研究.pdf

塑翌查堂堡主兰垡笙苎j ! 墨 摘要 随着计算机技术的迅猛发展，c a d 、c a m 技术在缠型得到了越来越多的应用。其 中，针织圆机花样的计算机辅助制作是其重要的应用之一，具有较强的理论意义。本文在 分析国内外该项技术现状的基础上，从花型准备、编织控制两个方面对其中的关键技术进 行了研究，开发了针织圆机计算机辅助花样制作原型系统。胁文的主要研究内容有： 第一章介绍了c a d c a m 技术在纺织业的发展和应用的现状，在分析现有的花型c a d 和提花c a m 系统现状的基础上，阐述了本文研究的必要性，明确了研究的主要内容。 第二章结合系统对图像处理的要求，研究了相关的图像处理技术，从而为系统中图像 处理和显示功能的实现奠定了理论基础。 第三章对花型准备子系统需要解决的关键问题即颜色量化方法问题进行了研究，分析 了现有的颜色量化技术，讨论了量化方法的选择和确定，并根据系统要求设计了合理的算法 流程，编制了相应的计算机程序。示例表明，本文提供的方法有较好的处理效果。 第四章阐述了针织圆机的编织原理和选针原理，分析了针织圆机的提花工艺对编织控制 子系统的控制要求，在此基础上探讨了编织控制子系统的实现方案。 第五章对编织控制子系统中数据接口和数据通信这两个关键技术进行了研究，分析了系 统中各模块的数据结构，设计了合理的数据转换算法，实现了花纹数据到选针数据的转换； 分析了现有的数据通信技术，提出了两种硬件的实现方案并进行了分析和比较。 第六章在前几章对系统的研究和分析的基础上，对花样制作系统进行了具体的设计和实 现，构建了一个针织圆机花样制作系统的原型系统。 第七章总结了本文的研究成果，并对花样制作系统的发展做了展望。y 关键词：c a d ，c a i l ，针织圆机，图像处理 、 ， 、 、 、 塑垩奎兰堡主兰垡堡苎一笪笙里! 垒! 卫 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo fc a d m a d c a mh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h et e x t i l ei n d u s t r y i nt h i sf i e l d ，t h er e s e a r c ho n c o m p u t e ra i d e d p a t t e r nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mo f t h ec i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n ei s o n eo fi t si m p o r t a n ta p p l i c a t i o n sa n d i so f g r e a tt h e o r yi m p o r t a n c e a f t e ra n a l y s i n gt h e c u r r e n tt e c h n o l o g ys i t u a t i o n ，t h i s d i s s e r t a t i o nd o e ss o m er e s e a r c h e so nt h ek e y t e c h n o l o g i e sf r o mt w oa s p e c t s ：t h ep a t t e r nc a ds y s t e ma n dt h ek n i t t i n gc o n t r o l s y s t e m t h e n ac o m p u t e ra i d e dp a t t e r nm a n u f a c t u r i n gp r o t o t y p es y s t e mo ft h e c i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r e i n c l u d e d ： i nc h a p t e r1 t h ec u r r e n ts i t u a t i o i lo ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n si nt h e t e x t i l ei n d u s t r ya r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ea n a l y s i n go fc u r r e n tp a t t e mc a d s y s t e m a n dc a m s y s t e m ，t h en e c e s s i t i e so ft h i s r e s e a r c ha r ea l s os h o w e d t h e nt h em a i n c o n t e n t so f t h i sr e s e a t c ha r ei l l u s t r a t e d i n c h a p t e r2 t o m e e tt h ed e m a n d so ft h e s y s t e m r e l a t e di m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n g l y , t h e o r yb a s e sf o rt h er e a l i z a t i o n o fi m a g e p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y f u n c t i o n sa r ee s t a b l i s h e d i nc h a p t e r3 ，s o m er e s e a r c h e so nc o l o rq u a n t i z a t i o np r o b l e m ，w h i c hi st h ek e y p r o b l e mf o rt h ep a t t e mp r e p a r a t i o ns y s t e m ，a r ed o n e a f t e ra n a l y s i n gc u r r e n tc o l o r q u a n t i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h i s d i s s e r t a t i o n d e s i g n s a l l a p p r o p r i a t ea l g o r i t h m a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do f t h es y s t e ma n dm a k e s c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m s t h eg i v e n d e m o n s t r a t i o ns h o w st h a tt h em e t h o do f f e r e dh e r eh a sg o o d d i s p o s ee 丘b c t s i nc h a p t e r4 ，t h ek n i t t i n gp r i n c i p l ea n dp i nc h o o s e p r i n c i p l eo f c i r c u l a rk n i t t i n g m a c h i n ea r ee x p l a i n e d t h ec o n 仃o ld e m a n d so ft h ec i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i l i et ot h e k n i t t i n gc o n t r o ls u bs y s t e ma r ea n a l y z e d a n dt 1 1 e nt h eo u t l i n eo f t h ek n i t t i n gc o n t r o l s u bs y s t e mi sp r e s e n t e d i nc h a p t e r5 ，t h et e c h n o l o g i e so ft h ed a t ai n t e r f a c ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o na r e s t u d i e d t h ed a t as t r u c t u r eo fa l lt h em o d u l e si nt h e s y s t e ma r ea n a l y z e d a n a p p r o p r i a t ed a t ac o n v e r s i o na l g o r i t h mt or e a l i z et h ec o n v e r s i o nf r o mp a t t e r nd a t at o p i n c h o o s ed a t aa r e d e s i g n e d t h e nc u r r e n t d a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r e a n a l y z e d a n dt w os e t so fs y s t e mh a r d w a r ea r ep r e s e n t e d t h e ya r ea l s oa n a l y s e da n d c o m p a r e d i nc h a p t e r6 ，t h ed e t a i l e d d e s i g na n dr e a l i z a t i o no nt h ep a t t e mm a n u f a c t u r i n g s y s t e ma r em a d e b a s e do n 也er e s e a r c ho ft h es y s t e mm e n t i o n e da b o v e t h ep a t t e r n m a n u f a c t u r i n gp r o t o t y p es y s t e mo f c i r e u l a rk n i t t i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e d i nc h a p t e r7 ，t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n ds o m e e x p e c t a t i o n so n t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f t h e p a t t e r nm a n u f a c t u r i n gs y s t e ma r em a d e k e y w o r d s ：c a d ，c a m ，c i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n e ，i m a g ep r o c e s s i i 塑垩查兰堡主兰垡篓塞一笙二重! i 鱼 第一章绪论 内容提要 本章介绍了c a d c a m 技术在纺织业的发展和应用现状，重点介绍了提花织物c a d c a m 技 术的研究现状，阐述了本课题研究的必要性并确定了课题的任务，最后介绍了本论文的主要研究 内容 1 1 引言 随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 技术在纺织业中得 到了广泛的应用。新技术的应用使得企业产品的开发快速高效，产品的设计精良，设计和制 造的成本得以降低。进一步推广应用c a d ，c a m 技术是迅速提高纺织企业综合技术实力和 市场竞争能力的一个重要途径。 1 。2 研究背景 目前，国外c a d c a m 技术发展很快，美国、日本、加拿大、西欧对此十分重视，把它 看作是工业起飞的关键性技术。我国在这方面也取得了很大成绩，但与工业发达国家相比尚 有差距i ”。其中，c a d c h m 技术在纺织工业中的应用最早可追溯到六十年代，当时美国i b m 公司首先成功地研制了纹制工艺自动化系统，此后，我国以及英国、法国、曰本相继开展了 这方面的研究。 到了七十年代，c a d c a m 技术在纺织工业中的应用才真正开始进入实用阶段，出现了许 多面向中小型企业的c a d c a m 系统，c a d 工作站的数量也急剧增加。此期间，出现了多种形 式的图形输人输出设各。c a d e a m 与c a t 开始接合从而形成了计算机辅助工程( c a e ) 。 八十年代c a d c , , , m 技术在纺织行业的应用进入了一个普遍应用期。此期间由于3 2 位 高档微机的问世及计算机外设的发展，c a d 技术突飞猛进，图形系统和c a d c a m 系统的销售 量与曰俱增。中期以后，开始向标准化、集成化和智能化方向发展。图形接口，图形功能日 趋标准化，为c a d 的推广创造了有利条件。人工智能和专家系统的应用，使得c a d 系统 集工程数据库及管理系统，知识库及专家系统，用户接口管理系统于一体，大大提高了自动 化设计的程度。 目前在我国的纺织行业中，c a d c a m 技术已经得到了成功的应用。但该项技术，特 别是c a d 和c a m 的集成技术尚待进一步的发展。主要表现在b 4 】： ( 1 ) 机织行业：织物c a d 技术比较成熟，从软件开发的水平看与国外同类软件相当。 织物c a d 系统适用于毛纺织和色织等工厂的产品设计，其优点是投资较少，收效较快。这 类工厂全国约有1 0 0 0 多家，但目前应用该系统的仅占1 0 左右，在推广应用方面具有很大 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 潜力。 ( 2 ) 印染行业：目前全国约有3 0 0 0 余家印染厂，就数量而言，印染c a d 技术的应用 大有发展前途。其主要包括印花图案c a d 和测色配色c a d 。全国每年消耗大量染料，利用 c a d 技术获取合适的颜料配方，在一般情况下每年可节省费用约2 0 ，而且对提高染织品 的质量和成品率大有好处。 ( 3 ) 提花织物的生产方面：人工方式的提花织物工艺设计及提花织物生产是一个比较 复杂的过程，而且开发新产品的周期较长，为了改变传统提花织物生产的落后状况，国内外 在c a d c a m 技术方面进行了大量的研究工作。目前，国内提花织物c a d 系统以及花型 c a d 系统，在软件开发和推广应用方面都已取得了较为显著的成果，它已涉及丝绸、巾被 和针织、印染等行业，可以说面广量大，具有很大的发展前途。关于这方面的情况将在下一 节着重介绍。 1 3 提花织物及其c a d c 蛳技术概述 织物有机织物、针织物、编织物、非织造物之分，而相同种类的织物又有素织物和花 织物之分。我们通常把花织物称为提花织物，因为它是在提花机上制织而成的。 髓着生活水平的提高，人们对提花织物的品质的要求也越来越高。如何生产出花式新 颖、花样繁多、价格具有竞争力的提花织物产品满足市场的需求是我国纺织企业面临的挑战。 而引入c a d c a m 技术进行技术改造无疑是应对市场挑战的一条重要途径。 下面通过几种典型系统的介绍，给出提花织物c a d c a m 技术的概貌。 1 3 1 花型c a d 系统 花型c a d 系统的主要功能是“j ：将设计人员设计的花型经一定的处理后，转换成控制 计算机需要的花型信号。以简单的多色提花织物为铡，人工设计时，是用不同的符号表示各 种色纱，手工把符号填入方格纸，组合成构思中的花型图案。要设计好幅较理想的图案往 往需要几番修改，工作量大，而且由于不具备色彩效应和准确的比例关系，所以图案直观效 果差。 采用计算机系统作花型设计时是用鼠标或光笔将各个符号按不同色彩依次填入，在彩 色显示屏上便得到由彩色小方块组成的图案，如选择的小方块颜色与编织所用色纱相近，则 可在屏幕上显示出与成品效果相似的彩色图案。另外，计算机花型设计系统往往还配有各种 辅助设计功能，如局部花型图案的重复、镜面对称、旋转等等，既使花型输入迅速，又能方 便地在计算机上修改、存储图案，大大提高了花型设计的效率。 提花圆机花型c a d 系统的结构框图如图1 1 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 型信号 图1 1 花型c a d 系统框图 由于扫描仪、数码相机等图形图像输入设备的普及，花样原型的来源已不局限于原来的 专门设计，从而极大地扩展了花样原型的来源。如何利用这些设备提供的图像生成可使用的 花型数据有待进一步的研究。图1 2 是配备有扫描仪等设备的花型c a d 系统的硬件配置图。 设 计 人 员 - j 扫描仪卜 计 叫彩色显示器i ll 算 - 叫数字化仪卜 斗机 叫打印机i 主 _ 叫数码相机卜一 机 - qe p r o m 写入器l 1 3 2 提花c a m 系统 图1 2 花型c a d 系统的硬件配置 提花c a m 系统的功能是将花型c a d 产生的花型信息，转换成控制信号，控制织机的 动作，达到花样制作的目的。其技术路线主要有两条【5 】：一种路线是采用传统的提花机，由 提花织物c a d 系统和自动纹板冲孔机( 即纹板c a m 系统) 组成提花织物纹板c a d c a m 系 统，实现了自动加工，仍然通过纹板控制提花机提花织造；另一种路线是采用电脑直接提花 机( 即提花织物c a m 系统) ，由提花织物c a d 系统产生提花信息，通过中间存储介质( 如磁 盘、e p r o m 等) 控制直接提花机提花。这两种路线提花织物c a d 系统基本相同，但后道工 序有很大差别，第一种路线仍然保留纹板，而第二种路线取消纹板，实现了试样和织造工序 自动化。 1 3 2 1 电脑提花圆机控制系统 八十年代来到九十年代初，国内开始逐步引进国外先进的针织机械及相应的电脑控制 系统，如日本w a c 公司、西班牙j e m b e r c a 公司、意大利m e c m o r 公司、德国m a y e r & c i e 公司等等的电脑提花圆机。 这类提花圆机包括一套电脑控制系统和数台圆机组成的圆机群，电脑控制系统输出花 型信号并控制每台圆机的工作。 因此，每台电脑提花圆机实现的功能相当于一个提花织物的c a m 系统。它的控制系统 塑垩奎堂堕主兰焦笙苎 笙二兰! i 鱼 的工作原理是1 6 】：控制器的存贮器中存有选针循环数据。每当控制器接收到一个同步信号就 发送一次选针数据去控制选针器。驱动电路将选针信号放大，供给执行机构( 选针器) 以工作 电流或工作电压。当控制元件得到工作电流或工作电压后，就驱动选针刀片进行选针：从控 制器送来的电信号为0 或1 ，相对应着成圈或浮线。它的各部分组成如图1 3 所示 1 3 2 2 纹织c a m 系统 图1 3 电脑提花圆机的系统组成 纹织c a m 技术是在纹织c a d 基础上，对经过c a d 设计的纺织产品的生产、加工过程 进行计算机控制。控制处理的方式根据加工设备的不同，有多种形式和方法。譬如：普通提 花机使用机械笼头和纹板执行图案的吊综，c a m 系统的控制处理则将意匠处理结果，通过 自动冲孔机冲出适用于其提花织机机型的图案纹板。纹板轧制及控制原理图f 7 1 如图1 4 所示。 图1 4 纹板轧制及控制部分原理图 根据纹板制造及纹针排列格式的要求，由纹织c a d 系统把意匠图数据文件编辑成纹扳 数据文件。在纹织c a m 系统中，计算机按一定的格式要求，通过地址译码、数据锁存接口 电路及轧扳机产生的取信号和清零信号，在输出模块软件支持下将纹扳数据文件的信息正确 分配，控制轧扳机自动、轧孔形成连续加工过程。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 针织圆机简介 针织工业是我国纺织工业中发展历史较短的一个部门。针织品由于具有穿着舒适，经 济、实用、花色品种丰富新颖等特点，同时生产工艺过程和机器结构比较简单，易于操作， 机器的生产效率比较高，投瓷少，可以用比较少的生产设备生产较多的花色品种，而且能使 用包括棉、毛、丝、麻、化学纤维等在内的多种原料。 圆形纬编针织机是我国针织行业的主要生产设各，具有产量高、用途广、性能可靠等优 点。因此在各针织厂商引进的设备中，针织圊机占有相当大的比例。 传统的针织圆机通过选针机构对花纹进行控制，其选针机构为机械式，如滚筒式、圆 齿片式等，因受圆机本身机械结构的限制，滚筒及选针片等机械方面的限制，织出的产品花 型较小。同时，选针片上留齿数目及位置是根据花型形状轧制，故每换一花型，须画出花型 的意匠图后重新轧制数目繁多的所有选针片，因而产品更新周期较长。此外，对于机械式选 针机器来说，花纹信息是储存在变换三角、提花轮、选针片等机件上，储存的容量有限，因 此不同花纹的横列数也受到限制”】。 传统提花针织机的上述缺点，即品种少、花型小、花样变换周期长等，使得它已远远 不能满足市场的需求。随着计算机应用技术和电子技术的迅速发展，以及针织机械制造加工 水平的不断提高，越来越多的针织机开始采用电子选针装置，代替滚筒式等机械选针机构， 使得在花型编织过程中选针机构能随花型变化而动作，从而在花型变换后无须调整选针机 构，由此可节省大量的时间和人力，提高花型编织的速度和精度。 1 5 课题的提出 随着人们生活水平的日益提高，人们对羊毛衫、袜子等针织物的要求日益提高，这与 目前国内中小型企业中大量使用的传统针织圆机的落后技术状态之间的矛盾就显得越来越 尖锐了。将c a d c a m 技术应用于针织业，实现提花织物花样的计算机辅助制作成了行业 技术发展的重要趋势j 。 将计算机上的设计转化成产品，需要c a d 与c a m 技术相结合。目前，即使自动化程 度较高的提花织物花样制作系统其c a d c a m 技术水平也有待提高。例如，电脑针织机是 自动化生产产品的主要机种，具有多种自动控制装置，在针织过程中各装置根据程序要求变 换工作状态。但是多数是靠电脑控制箱上的键盘输入花型信息与控制信号，这是一项非常繁 重的工作。而目前各厂商大量使用的花型准备系统【1 “，基本上是各电脑织机生产厂商为自 己的织机推出的配套产品，实现的功能大多仅为计算机辅助花型设计，而且大多数都是将事 先绘制好的小样稿进行处理，对花型图案的获得有一定的限制，而且对于控制织机的动作这 一功能也没有很好的实现。 事实上，计算机技术、图像处理技术、自动控制技术等的迅速发展已为提花织物 c a d c a m 技术的发展创造了条件。例如，计算机性能的提高，图像处理技术的发展将大力 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 促进花型准备系统的技术升级。我们知道，传统的提花织物c a d c a m 系统主要是对扫描 或直接在计算机中绘制得到的小样稿进行处理的。小样稿需要专门的设计，其花样品种相当 有限。而现今随着图形图像输入装置的普及与推广，以及网络化、信息化技术的发展，获得 图像的途径越来越多，获得的图像也越来越丰富多彩，加上图像处理软件的发展，使得获得 高清晰度、色彩丰富、花型多样的图像成为可能。 同样，微机控制技术、数据传送技术、接口技术的发展也为提花织物c a m 技术的发展， 以及c a d 、c a m 集成创造了条件。 在分析现有的花型c a d c a m 系统的技术现状和发展趋势的基础上，结合传统圆机技 术改造的需要，本文以开发针织圆机的计算机辅助花样制作系统为目标，对其中的关键技术 进行研究。该系统由花型准备子系统和编织控制子系统组成。花型准备子系统能对多种来源 的图像进行处理，生成针织花型数据，以实现花型图案获得方式的多样化，从而满足人们对 针织产品花色品种多样化的要求。编织控制子系统完成对花型数据的转换和传送，能和经改 造过选针装置的传统圆机相连，实现花型编织。本系统有望用于国内中小型企业中大量使用 的传统针织圆机的技术改造。 1 6 论文的研究内容和论文结构 本文所研究的系统涉及图像处理、c a d 、纺织机械、控制技术等多个学科，需要研究 的问题很多。本文重点进行以下的研究工作： 1 深入进行图像颜色量化方法的研究，建立起能利用多渠道图像源的花型准备系统。如前 所述，计算机技术和图像处理技术的发展使获得丰富的原始图像成为可能。但这些图像 不能直接用于提花织物的花型。其原因除图像需经选择以适合织物的要求外，主要是因 为提花织物花样的颜色数要少得多。因此建立能利用多渠道图像源( 包括小样稿和多种 输入设备输入的图像) 的花型准备系统的关键在于解决颜色的归并问题，使原始图像适 合提花工艺的需要。具体研究内容有： 1 ) 研究与花型准备相关的图像处理理论和方法，为系统中的图像处理和显示功能的实 现打下基础。 2 ) 着重研究颜色量化方法。以重建图像失真度最小为目标，对现有的量化方法进行比 较选择，实现原始图像到花型数据的转换。同时研究不同颜色样本条件下的图像转 换算法，编制相应的计算机程序，并通过实例验证了算法和程序的正确性。 2 对圆机编织控制的原理和关键技术进行了系统的研究。具体的研究内容有； 1 ) 研究圆机的编织原理和选针原理，分析圆机提花工艺对编织控制的要求，给出编织 控制子系统的实现方案。 2 ) 着重对花型数据转换成选针控制信号的方法进行研究。分析花型数据和选针数据的 数据结构，设计数据转换算法，实现花型数据到选针数据的转换。 3 ) 对控制系统的硬件实现方案进行分析比较。 6 塑垩奎堂璺主堂垡堡苎兰旦! i 堡 3 结合以上两部分的研究结果，建立针织圆机花样制作原型系统t 论文的总体结构如图1 5 所示： 图1 5 论文的总体结构框图 塑垩奎兰堡主兰垡笙苎 兰三兰垄型堡鱼王墨竺堕里! 鱼苎坐 第二章花型准备子系统的理论基础 内容提要 本章介绍了计算机图像处理的一些基本概念- 结台系统对图像处理的要求，着重研究了相关 的图像处理技术，为花型准各子系统中图像处理和显示功能的实现奠定理论基础。 2 1 引言 随着计算机的发展以及应用范围的不断扩展，数字处理技术也得到了迅猛地发展。早 期的图像处理和分析技术是基于专用的图像处理设各而发展起来的。在科学技术高度发展的 今天，一方面是硬件设备向小型化、微型化发展：另一方面则是由于微处理器芯片成本的下 降、低价高分辨率图形适配器的发展及其它数字化硬件如扫描仪的普及，有可能在微机上建 立起功能强大的图像处理和分析系统j 。 图像处理就是对给定的图像进行某些变换，从而得到清晰图像的过程。对含有噪声的 图像，要除去噪声、滤去干扰，提高信噪比；对信息微弱的图像要进行灰度变换等增强处理； 对已经退化的模糊图像要进行各种复原的处理：对失真的图像要进行几何校正等变换。除此 之外，图像的合成、图像的编码与传送技术等也属于图像处理的内容。由此可见，图像处理 的目的就是为了改善图像的质量，将图像变换得便于人们观察、适于机器识别i j 。 花样制作系统大多数功能的实现都离不开图像处理及显示技术，因此本章重点介绍了 几种图像的显示及处理技术，结合系统对图像处理得要求，进行了合理的应用。 2 2 图像模式 计算机进行彩色图像处理时，采用何种彩色空间是非常重要的。一般采用的彩色空间有 r g b 、h l s 、h b s 、y 1 0 等。在目前提出的多种色彩空间中，r g b 色彩空间是实际应用晟多的 一种。r g b 颜色空间与彩色监视器硬件直接对应，它易于计算机表示及生成，但对于人工 选择和调整颜色很不方便。每一种颜色在该彩色空间中的位置，由三个彩色空间坐标( r ， g ，b ) 决定。色彩空间中的每个点可以用个向量x 表示：x = r x ，g 。，b 。】1 。使用r g b 彩色空间时，其r 、g 、b 分量均具有较强的明度因子且彼此之间相关，因此，随着明度的不 同容易产生错误的分割”“。 在计算机中，要观看一幅数字图像，必须将其放在内存中才能被显示出来。根据数字 图像在内存中存储方式的不同，可将其分成不同的图像模式【j 4 。”j 。 浙江大学硕士学位论文 第二章花型准各子系统的理论基础 2 2 1 彩色模式 常见的有r g b 模式和c h y k 模式。在r g b 模式中，每个像素的颜色用r 、g 、b 三原色 的强度来表示，因此每个像素由2 4 位数据构成，可表达1 6 兆之多的颜色。而在c m y k 模式 中，所有的颜色是有青、洋红、黄、黑四种颜色按不同的百分比构成的。由于每个像素由四 种颜色来表示，因此每个像素由3 2 位数据构成。 这种类型图像的缺点就是占用的存储空间相当大，对于需要处理大量图像的计算机而 言是个相当沉重的负担。 2 2 2 调色板模式 为了减小存储空间，于是就有了调色板模式的产生。在调色板模式中，每一个像索的 颜色，通常可用8 位4 位或1 位数字来表示。每一个像素对应于一个数字，每一个数字对 应于调色板中的一种颜色。以这种模式存储的图像实际上只要存储每个像素对应的调色板的 颜色代号就可以了，而在显示图像时，每一像素依此代号查询调色板，即得到每一像素的颜 色。 它的优点是可减少存储空间，但能表示的颜色较少。对于1 位、4 位和8 位的，可表现 的颜色数分别为2 种、1 6 种和2 5 6 种。 2 2 3 灰阶模式 灰阶模式用于表示灰度大小，是彩色模式和调色板模式的结合。一般用4 位或8 位数 据表示。通常也用调色板模式，其调色板是世界通用的标准调色板。 2 2 4 黑白模式 通常自成一体，有的可当作没有中间色的1 位灰阶模式，有的可当作是附有或不附有 调色板的1 位调色板模式。 不附有调色板的黑白模式，把黑色设为0 ，白色设为l 。 附有调色板的黑白模式，则可存放两种颜色( 不一定是黑白) 。 2 3 图像调整算法 用人工方法将纹样图处理成意匠图，必须将纹样图移植到有意匠格的坐标纸上。但是， 利用计算机辅助绘制意匠图，则没有必要分两步进行。实际上，计算机中显示图像是以象素 点为单位的。象素点放大看为方格，即为意匠格。 所以利用计算机显示纹样图时，粗看为纹样图放大看则为意匠图。但必须注意一点， 由于计算机中的意匠格为方格所以经纬密度比为整数的意匠图和实物大小不变形外，在其 他情况下，意匠图显示在屏幕上时，图形都是要变形的”。 基于这个原因，在计算机上绘制意匠图时，先在纹样图上进行修改，修改完成后，再将 纹样图放大到意匠图。如果纹样图大于意匠图，则要先将纹样图进行压缩后再进行修改。对 9 浙江大学硕士学位论文 第二章花型准备子系统的理论基础 于意匠图有特殊勾边要求的，则应将纹样图按经纬密度比放大成意匠图后，再进行勾边处理。 由于提供了点阵图像放缩功能，在利用计算机辅助绘制意匠图时没有必要将意匠图绘 制分为纹样图和意匠图两个阶段。必须注意，当绘制纹样图时，就要按照意匠图的要求进行。 因为纹样图就是缩小的意匠图。或者是没有意匠格的意匠图。 根据上述放大和缩小特点，可以总结为：一个输入图像的总象素点表示其大小，在放大 和缩小过程中，原来的一个象素点被放大成一个跟放大倍数及意匠比有关的矩形( 意匠格) 。 放大倍数可以任意选取，这样，显示出来的图像就象画在不同大小意匠纸上的效果。 设图像总的放大倍数为m ，图像的意匠比为d ；：d ，则在显示器上显示时的坐标对应关 系如图所示。 图2 j 坐标对应关系 它们的数学对应关系如下： a 点的坐标值设为( ) 【i ，y i ) ， 则 a j 点的坐标值为( ) 【l m d ；，y 。m d ，) a 2 点的坐标值为( ( ) 【i + 1 ) x m x d ，y x m d 。) a 3 点的坐标值为( ( ) ( i + 1 ) m d ；，( y + 1 ) m x d ，) m 点的坐标值为( x , x m x d 。m + i ) m x d 。) 在矩形a - a 2 a 3 凡内的任一坐标都与没有放大情况下的a 点对应。 被放大的图像可以进行任意倍数的缩小直至恢复原状，但在显示图上依然有以上的这种 坐标对应关系。 塑坚茎兰堡主兰堡笙奎 箜三皇垄型壅墨三墨丝塑堡笙苎型 2 4 图像前处理技术 一般来说，在被观测的图像中包含有各种各样的噪声和畸变。去掉这样的噪声和畸变， 把图像具有的信息变得人们容易观看，或把图像变换成某种标准的形式，使特征提取和识别 易于进行，这是图像处理的首要目的之一。这样的处理虽然也具有其本身的最终目的，但在 图像分析和识别中通常叫做预处理，包括对比度的增强、噪声的除去、几何畸变的校正等等。 在预处理中，输入和输出的都是图像，对输入图像的灰度和坐标进行各种操作，将其变换成 输出图像1 1 4 - i 6 】。 这里我们将对在处理中进行灰度变换和伪彩色变换等方法加以介绍因为它们在进行 花型准备具有一定的实用意义。 2 4 1 颜色的r 、g 、b 值的获取 根据r 、g 、b 三原色叠加成某一颜色以及这一颜色数值在表示上的特点，可采用以下 方法得到r 、g 、b 的值。 若取得某一颜色的数值为p ，则 r = p 2 5 6 的余数 g = ( ( p - - r ) 2 5 6 ) 2 5 6 的余数 b = f p - - g 2 5 6 - - r ) 6 5 5 3 6 2 4 2 彩色图像的灰度值变换 图2 2 灰度图像 灰度图像h 4 l 是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。 从图像输入装置得到的图像数据，如果以浓淡图像表示的时候，各个象索与某一灰度值相对 应。如图2 2 所示，每一个方格都对应着一定的灰度级。通常由一个字节表示时，灰度级 不超过2 5 5 。 彩色数字图像般是采用r g b 三基色合成的方式得到的。三基色指的是红( r ) 、绿( g ) 、 蓝( b ) 3 种颜色。由色度学可知，将三基色混合时除表现为一定的色调和色饱和度外，还 呈现为一定的亮度。混合色的总亮度应该是三基色亮度的合成。考虑到各基色对人眼的灵敏 度不同，总亮度( 用y 表示) 与三基色的关系可以表示为： y = 0 3 0 r + 0 5 9 g 加11 b ( 2 1 ) 此式称为亮度公式，当式中3 个基色的单位数量相等时，就能合成自光。当各基色量增加相 浙江大学硕士学位论文 第二章花型准备子系统的理论基础 同倍数时，合成白光的亮度也增加同一倍数，由此即可求得合成光的总亮度 2 4 3 灰度直方图 在数字图像处理中，灰度直方图是最简单且晟有用的工具，可以说，对图像的分析与 观察直到形成一个有效的处理方法，都离不开直方图。灰度直方图1 2 2 】是灰度级的函数， 描述的是图像中该灰度级的像素的个数。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中该灰度 级出现的个数。直方图具有以下性质： ( 1 ) 所有的空间信息全部丢失。 ( 2 ) 每一灰度级的像素个数可直接得到。 直方图给出了个简单可见的指示，用来判断一幅图像是否舍理的利用了全部被允许的 灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔， 丢失的信息将不能恢复。 如图2 3 所示，左侧图像中灰度级1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 的出现频率分别为5 ，4 ，5 ，6 ，2 ， 1 4 ，因此可以绘出相应的灰度直方图( 见右下角图) 。 2 4 4 伪彩色图像处理 图2 3 灰度直方图示意 灰度直方图 由于人眼分辨不同彩色的能力比分别不同的灰度级的能力强，因此，把人眼无法区别 的灰度变化，施以不同的彩色来提高识别率，这便是伪彩色增强的基本依据。 伪彩色处理1 是一种灰度到彩色的映射技术，它把黑白图像的各个灰度值按照种线 性或非线性函数关系映射成相应的彩色。上图是伪彩色图像处理基本框图。其基本原理是在 任何输入象素的灰度级上进行三个独立的变换，再将这三个结果分别加到r 、g 、b 三个调色 扳上，从而产生一幅受变换函数控制的彩色合成图像。 图2 4 给出了组典型的变换函数【j “。l 代表总的灰度级。红色变换将低于l 2 的灰 浙江大学硕士学位论文 第二章花型准备子系统的理论基础 度变换成最暗的红色，把l 2 3 l 4 之间的红色输入线性增加，而在3 l 4 l 之间为最亮的 红色。用类似的方法同样可以解释绿色和蓝色。通过这种彩色变换，能够把单色图像中难以 解释的区域显示的很清楚。 级 图2 4 一组典型的彩色变换函数 上图的含义如下： f 0 ( 0 r l 2 ) r = 4 r 一2 l ， ( 工2 矗 3 l 4 ) i ，( 3 l 4 盂s ) g ，= f4 乱，o g “ ( 2 2 ) ? 上，( 上4sg 3 上4 ) l4 一4 g ，( 3 l ，4 0sz ) f l ，( 0 b l 4 ) b 2 j2 l 一4 b ，( l 4 ：b ( l 2 ) 10 ，( l 2sb ) 式中，r 、g 、b 为原来的颜色值，r 、g 、b 为变换后的颜色值。 2 5b m p 文件格式 b m p 图像文件格式口7 】是微软公司为其w i n d o w s 环境设置的标准图像格式，而且w i n d o w s 系统软件中还同时内含了一系列支持b m p 图像处理的a p i 函数，随着w i n d o w s 在世界范围 内的不断普及，b m p 文件格式无疑也已经成为p c 机上的流行图像文件格式。它的主要特点 可以概括为：每个文件只能存放一幅图像：图像数据是否采用压缩方式存放，取决于文件的 大小与格式，即压缩处理成为图像文件的一个选项，用户可以根据需要进行选择。其中，非 压缩格式是b m p 图像文件所采用的一种通用格式。但是，如果用户确定将b m p 文件格式压缩 n j |照们抖， 塑婆查兰堡圭堂垡笙奎 箜三兰垄型堡鱼王墨堑塑墼茎堕 处理，则w i n d o w s 设计了两种压缩方式：如果图像为1 6 色模式t 则采用r l e 4 压缩方式，若 图像为2 5 6 色模式，则采用r l e 8 压缩方式。同时，b m p 图像文件格式可以存储单色、】6 色、 2 5 6 色以及真彩色四种图像数据，其数据的排列顺序与一般文件不同，它以图像的左下角为 起点存储图像，而不是以图像的左上角为起点；而且b m p 图像文件格式中还存在另外一个与 众不同的特点，即其调色板数据所采用的数据结构中，红、绿、蓝三种基色数据的排列顺序 也恰好与其它图像文件格式相反。 w i n d o w s 中定义了两种位图文件类型，即一般位图文件格式与设备无关位图文件格式。 其中，由于设备无关位图( d i b ) 文件格式具有更强的灵活性与完整的图像数据、压缩方式等 定义。b i 】i p 图像文件的结构可咀分为如下兰个部分：文件头、调色板数据以及图像数据。其 中文件头的长度为固定值5 4 个字节；调色板数据对所有不超过2 5 6 色的图像模式都需要进 行设置，即使是单色图像模式也不例外，但是对于真彩色图像模式，其对应的删p 文件结 构中却不存在相应调色板数据的设置信息；图像数据既可以采用一定的压缩算法进行处理， 也可以不必对图像数据进行压缩处理，这不仅与图像文件的大小相关，而且也与对应的图像 处理软件是否支持经过压缩处理的b m p 图像文件相关。以下将分别介绍b 舯图像文件结构中 的这三个重要组成部分。特别值得注意的是：咖p 图像文件结构设计得相当简单，这无疑有 利于图像文件的处理速度，但是同时也使得b m p 图像文件格式具有一定的局限性，郎一个 b m p 图像文件只能存储一幅图像。 2 5 1b m p 图像文件的文件头定义 w i n d o w s 中将b m p 图像文件的文件头分成两个数据结构，其中个数据结构中包含蹦p 文件的类型、大小和打印格式等信息，称为b i t m a p f i l e h e a b e r 。另外一个数据结构中则包 含b m p 文件的尺寸定义等信息，称为b i t m a p i n f o h e a d e r 。如果图像文件还需要调色板数据， 则将其存放在文件头信息之后。 ( 1 ) b i t m a p f l l e h e a d e r 数据结构在w i n d o w s h 中的定义为： 在上面的结构中，每一个变量的含义解释如下： b f t y p e 在图像文件存储空间中的数据地址为0 ，数据类型为u n sj g n e d c h a r ，内容为固 定值“蹦”，用于标志文件格式，表示该图像文件为b m p 文件。 1 4 塑! 三奎堂堡圭兰垡丝奎 墨三兰垄型堡墨王墨丝堕里兰! ! 堕 b f s i z e 的数据地址为2 ，类型为u n s i g n e d l o n g ，它以字节为单位，定义位图文件的大 小。 b f r e s e r v e d l ，b f r e s e r v e d 2 属于保留字，必须为0 。 b f o f f b i t s 的数据地址为1 0 ，数据类型为u n s i g n e d l o n g ，它以字节为单位，指示图像 数据在文件内的起始地址，即图像数据针对文件头的偏移量。 ( 2 ) b i t y l a p i n f o h e a d e r 数据结构用于说明位图的大小，其定义为： t y p e d e f s t r u tt a g b i t g a p i n f o h e h d e r d w o r db i s i z e ： d w o r db i w j d t h ； d w