專利名稱：一種二維不規則皮革自動排樣裁剪方法
技術領域：
本發明涉及皮革剪裁技術領域，特別是涉及一種基于全幀CCD芯片大幅面成像的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法。
背景技術：
在競爭激烈的服裝行業中，如何以最小的耗資取得最大的經濟效益及如何提高生產效率是各個企業所關注的問題。特別是如何根據二維不規則制衣材料，快速而最優地裁剪出制作服裝的樣式模塊一直是紡織、服裝等許多行業自動化所追求的目標。在這個過程中，精確地獲取二維不規則材料的平面圖像信息是利用機器視覺和計算機輔助設計的前提條件。另外由于原材料的費用占總生產成本的比例很大，比如像高檔皮革，所以提高原材料利用率對于降低成本有至關重要的意義，因此，織物、皮革等的排樣優化問題受到廣泛關注，排樣結果的好壞對服飾生產加工的合理性、經濟性和安全性等指標都有重大影響。由于材料的面積大，往往難以一次成像獲取整張皮革等圖像的整體信息。目前的皮革自動成像排樣系統，一是采用線陣CCD掃描的方式，通過完整掃描皮革材料面積，獲取完整圖像，顯然這種方式成像速度慢，影響系統的效率；二是采用控制移動攝像機對材料進行多次分塊拍攝的方法，然后將多次獲取的圖像進行拼接，得到完整的皮革圖像。由于皮革圖像的特征不一定明顯，該方法難于在圖像的拼接過程中保證拼接精度。如何快速、精確成像獲取皮革二維圖像的整體信息是目前急需研究解決的問題。另一個關鍵技術就是如何根據服裝樣式模塊圖像，利用計算機在獲取的皮革圖像上進行最優排樣。一般地，隨著需裁剪樣式模塊數目的增加，排樣獲得最優解所需要的計算時間呈指數增加，而且在實際問題中有許多約束，如材料表面存在瑕疵，材料的不同區域具有不同的質量等級等，這就使得運用一般的優化算法復雜化。尋找通用性好、求解質量和效率高、易于實現的排樣問題求解算法一直是該領域所追求的目標。服裝裁剪的排樣問題首先需考慮的問題就是如何提高皮革等昂貴材料利用率。它主要受兩個方面影響(1)皮革材料與模塊樣式本身形狀，如皮革材料不規則程度高低、是否存在內空等，這些將不可避免會引起一定值的廢料；( 工藝因素，包括加工方式和排樣方案，形成不能再利用的搭邊、小塊邊角料和細窄長條等廢料。皮革等材料的裁剪加工中的排樣問題主要研究如何采取優化排樣策略，一方面盡量避免工藝性廢料，另一方面通過運用合理的排樣方式來減少裁剪樣式本身形狀的不規則性所帶來的影響，提高材料利用率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，使其能夠減少裁剪模塊樣式本身形狀不規則性所帶來的影響，提高材料利用率。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，包括以下步驟(1)對全幀C⑶成像系統進行標定，建立圖像與裁床物理尺寸的精確映射關系及成像系統的畸變校正模型；(2)將要裁剪的皮革材料平鋪并固定在剪裁床上，并對皮革材料的瑕疵點和區域質量進行標注；(3)全幀CXD成像系統獲取皮革二維圖像信號，并將所述皮革二維圖像信號發送至上位PC機中；(4)上位機對獲取的皮革圖像消除成像過程中引入的噪聲，并對一次成像的皮革圖像進行幾何矯正，從而獲取無畸變、清晰的皮革圖像；(5)根據預先存入計算機中服裝樣式模塊圖像的形狀、大小和數目，利用去除剩余最優策略，在皮革圖像上實現自動排樣，并最后確定最佳的切割路徑；(6)對最佳剪切路徑矢量化，并控制切割系統對皮革材料進行剪切。所述步驟O)中皮革材料的瑕疵點和區域質量由人工采用不同顏色的畫筆進行標注。所述步驟(3)中全幀CXD成像系統對整張皮革一次成像。所述步驟中上位機根據標注信息自動識別瑕疵點，并將皮革分成不同的質量等級區域。所述步驟(5)中的去除剩余最優策略是根據樣式模塊排樣的質量要求，直接利用裁剪樣式模塊圖像在相應皮革圖像區域內進行遍歷，通過計算優化因子氏，確定最優排樣。所述去除剩余最優策略包括以下子步驟(51)利用圖像處理方法，將皮革圖像M復制為皮革圖像備份M'；同時將存儲在上位機中的需裁剪的服裝樣式模塊圖像記為S1, S2，... ，其中圖像S1, &，... 和圖像M對實物皮革物理尺寸具有相同影射比例系數；(52)將服裝樣式模塊圖像S1, S2, ...Sn生成外接矩形，計算服裝樣式模塊圖像S1, S2,... Sn外接矩形的長、寬，并將其存入一個具有二值域且節點數為N的鏈表中，其中，二值域包括X域和Y域，鏈表的頭節點指針為P;服裝樣式模塊圖像S1, S2, ... 外接矩形的長和寬分別依次存入鏈表節點的X域和Y域，并規定每一個節點的值域滿足X > Y ；(53)將具有二值域的鏈表節點按X域值從大到小，進行排序；(54)從鏈表中提取指針P所指向的節點所代表的圖像$，按照從左下往右上的原則遍歷皮革圖像備份M'，在遍歷過程中，如果滿足冬口#，則計算優化因子氏，并以優化因子氏確定剪切后剩余圖像M' - 是否最優；(55)剪切后剩余圖像M' - 為最優時，將圖像$在皮革圖像備份M'排樣的位置復制到皮革圖像M上，并做相應標記；同時將處理過的節點元素從鏈表中刪去，對剪切后的剩余圖像M' -Sp進行相應處理，并作為下次排樣的新皮革圖像；(56)重復步驟(54)和步驟(55)，直至鏈表為空，完成排樣。有益效果由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果本發明利用全幀CCD成像系統，一次獲取皮革材料表面的二維圖像，并采用去除剩余最優策略進行模塊樣式的最優排樣和自適應遺傳算法與動態規化算法相結合策略，進行路徑優化，實現皮革自動裁剪，提出的方法有助于促進服裝行業材料裁剪的整體優化，提高生產率、減少材料消耗，同時確保生產出高品質的產品。
圖1是本發明的系統功能框架示意圖；圖2是外接矩形示意圖；圖3是成像裝置電路結構圖；圖4是去除剩余最優算法流程圖；圖5是系統工作流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。本發明一種基于全幀CCD芯片大幅面成像的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法， 該方法主要基于成像裝置、高性能PC機和剪切執行機構三部分實現。其中成像部分包括高分辨率全幀CCD芯片、FPGA可編程邏輯器件、視頻專用A/D芯片、用于圖像數據緩存的動態存儲堆DDR和成像鏡頭等組成，并由上位機控制皮革圖像數據的采集、根據剪切樣式實現自動排樣及控制切割執行機構完成裁剪。系統結構如圖1所示。由全幀CXD構成的皮革成像裝置電路結構如圖3所示，其硬件設備包括大陣面全幀CCD器件，FPGA可編程邏輯器件(簡稱為FPGA)、高速視頻專用A/D芯片、存儲堆DDR等組成，由FPGA可編程邏輯器件為核心器件組成中央控制單元，實現全幀CXD成像陣面在成像過程中的曝光控制和讀出控制、A/D圖像信號的模數轉換、圖像數據緩存及數據傳送。其成像裝置包括以下主要模塊(1)控制模塊該模塊主要包含了 FPGA、A/D轉換器、千兆以太網控制芯片、動態存儲芯片DDR3、 時鐘驅動芯片等。由FPGA產生C⑶所需H1、H2、V1、V2、RCLK時鐘信號，經過時鐘驅動電路將時鐘信號調整為CXD要求電壓范圍，并調整CXD其他配置電壓，使CXD正常工作。FPGA 外圍配置4個輕觸開關，作為快門等觸發信號輸入，另設撥盤開關(或撥碼開關)作為拍照模式調節和積分時間調節。A/D芯片所選擇的是ADI公司的16位模數轉換芯片VSP2566， 精度為16-bit，轉換速率可達12. 5MSPS。動態存儲器DDR3采用的是型號為MT41J64M16， 存儲容量為大小為1( ，96-Ball FBGA封裝，存儲空間為8MegX 16X8Banks，最大工作頻率533MHZ，通過雙倍數據倍率來實現高速存取。以太網控制芯片選用的是MARVELL公司的 10/100/1000Mbps自適應以太網芯片M88E1111，用來實現千兆以太網接口，控制FPGA與上位機圖像數據的高速傳送。FPGA作為主控芯片負責整個系統的核心控制和協調，并產生整個系統的同步時鐘以及全幀CXD芯片所需的時鐘信號，并通過時鐘驅動芯片傳輸給CXD引腳，A/D對CXD傳來的模擬視頻信號進行采樣，并轉換成數字信號并傳輸給FPGA，FPGA接收到數據后放入動態 DDR3中進行緩存，后再將數據發往千兆以太網控制芯片，通過RJ45網絡接口傳輸到PC電腦中的上位機，上位機可對圖像數據進行處理、信息提取和圖像顯示等功能。
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(2)圖像傳感模塊該模塊主要包括全幀CXD芯片及為該服務該芯片的各項配置，包括CXD芯片配置電壓調整電路及控制信號，它提供了 CCD正常工作時所需要的各項配置，為了保證皮革圖像采集相機能夠一次性獲取高分辨率和大視場的皮革圖像，本發明所用的全幀CCD芯片選擇的是DASLA公司的FTF5066M。(3)電源模塊電源模塊為其它模塊提供工作所需要的各種電壓。在工作過程中，首先對成像系統進行標定，包括建立圖像與裁床物理尺寸精確的映射關系及成像系統的畸變校正模型；再將要裁剪的牛皮平鋪并固定在剪裁床上，并人工對牛皮的瑕疵點和區域質量進行標注；通過上位機的操作界面發出命令，由FPGA可編程邏輯器件產生精密像素讀出時序和各種控制信號，控制CCD曝光時間、控制視頻專用A/D芯片實現圖像信號的模/數轉換和圖像數據的有序讀出；并最終將讀取大幅面的皮革圖像數據存儲于上位機中；然后上位機對獲取的牛皮圖像進行預處理，主要是消除成像過程中引入的噪聲，并對一次成像的皮革圖像進行幾何矯正，保證計算機獲取高質量無變形的清晰圖像。根據預先存入上位機中需要剪切的樣式模塊圖像，利用去除剩余最優策略進行模塊樣式的最優排樣，并確定最佳的切割路徑。最后由計算機根據確定的最佳剪切路徑，控制剪切系統對皮革進行裁剪。由于全幀CXD成像面積大，像素達幾千萬，為提高系統速度，將CXD存儲區的電荷信息分成四象限，并行四路讀出方式，設計四路A/D轉換電路，同時對模擬圖像信號進行模 /數轉換，信號轉換后讀入動態DDR進行緩存，然后采用TCP/IP通信協議，由千兆網卡將 DDR中的圖像數據讀入計算機，以保證成像快速和圖像數據傳輸的高可靠性。牛皮表面的瑕疵點和區域質量可人工采用不同顏色的畫筆進行標注，以便計算機在圖像處理過程中能自動識別，目的是在智能排樣過程中能避開瑕疵點進行排樣，并使計算機按需要裁剪不同樣式模塊分配在不同質量區域內進行操作。本發明采用的剪切去除剩余最優策略主要步驟為(a)首先利用圖像處理方法， 將皮革圖像M復制為皮革圖像備份M'；同時需裁剪的服裝樣式模塊圖像存儲存計算機，并記為S1, S2, ... ，其中圖像S1, S2, ... 和圖像M對實物皮革具有相同影射系數。(b)S1; S2,... Sn圖像生成外接矩形，計算模塊圖像S1, S2，. . . Sn外接矩形的長、寬，并將其存入一個具有二值域(X，Y)且節點數為N的鏈表中，鏈表的頭節點指針為P ;Si; S2,...、外接矩形的長和寬分別依次存入鏈表節點的X、Y域，并規定每一個節點的值域滿足X > Y ； (c)將具有二值域的鏈表節點按X域值從大到小進行排序；(d)從鏈表中提取指針P所指向的節點所代表的圖像$，到皮革圖像備份M'中尋找最佳的剪切區域，其方法是按照從左下往右上的原則遍歷皮革圖像備份M'，在遍歷過程中，如果各口#，則計算優化因子R，以確定剪切
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后剩余圖像M' - 是否最優，其中W=o:，+ (l-a)7，R越大，表示剩余二維不規則圖像最
優，本次排樣最合理。A0表示(M' -Sp)圖像面積，Ac表示(M' -Sp)外接矩形面積；L表示 (M' -Sp)外接矩形長，而K表示(M' -Sp)外接矩形的寬，α α < 1)權重因子，可由多次實驗，進行設置。(e)當R最大時，將圖像$在圖像M'排樣的位置復制到M圖上，并做相應標記；同時將處理過的節點元素從鏈表中刪去，對實際剪切后的圖像(M' -Sp)進行相應處理后，并作為下次排樣的新皮革圖像M'。(f)重復(d)和(e)，直至鏈表為空，完成
6排樣。圖4表示了該算法的流程圖。在算法中的外接矩形如圖2所示。本發明的剪切最佳切割路徑是在智能排樣完成后，采用自適應遺傳算法與動態規化算法相結合的組合算法，實現剪切路徑的優化。最后，對生成的剪切路徑進行矢量化，作為控制信息，控制剪切的執行機構實現對牛皮的裁剪。在實施過程中，采用下列器材(1)高分辨率全幀CXD芯片為FTF5066M，主要參數包括分辨率為 3056X 3056 (pixel)；像素尺寸為 12 μ m(H) X 12 μ m(V)；線形動態范圍 84dB，最高為 IOMHz 像素；可開/關的自動增益控制(AGC)，讀出速率600K(piXel/s)或3M(piXel/s)，數字增益倍數是為1. :3e_/ADU到1. &-/ADU，模數轉換位數16bit，手動設定的黑白電平衡校正方式； 可接受MVAC及12VDC兩種電源供應。(2)可編程邏輯控制器FPGA : 64采用的是乂丨1丨1^公司的咒651^16-30563對。有 324個引腳，其中有232個可用引腳，2278個slices,每個slices包含4個CLB,每個CLB包含4個6輸入的查找表LUT，所以共36448個6-inputLOTs。該FPGA內置的硬件資源有32 個數字信號處理器(DSP48A1)，兩個存儲管理塊(MCB)及57 的內置隨機存儲器(RAM)。(4)視頻A/D轉換芯片采用的是型號為VSP2566圖像信號A/D轉換器，QFT-48封裝的16位CCD信號模擬前端A/D轉換器件。36MHz相關二次取樣，36MHz轉換速率，輸入參考信噪比80dB，可編程黑電平鉗位，可編程增益放大。增益穩定控制在_9dB到44dB間，增益控制為線性增益。支持低壓工作模式和兩種低功耗運行方式。具有光學黑元與無效元校準功能。(5)動態存儲器DDR3。存儲器件采用的是型號為ffl~41J64M16，存儲容量為大小為 lGb,96-Ball FBGA封裝，存儲空間為8Meg*16*8Banks，該DDR3 —次突發傳輸位512bit，突發長度為8，最大工作頻率533MHz，通過雙倍數據倍率來實現高速存取。本設計時鐘采用 400MHz的差分時鐘輸入，數據存取速率可達800Mb/s。(6)以太網適配器本申請數據傳輸采用的是M88E111芯片，可以工作于1000M模式，數據傳輸率達lGb/s。U8-pqfp封裝的千兆以太網物理層芯片，采用0. 13us的CMOS工藝，支持GMII，RGMII,MII等模式，具備4個GMII時鐘模式，芯片整合了 1. 25GHZ串并轉換， 可連接10/100/1000BASE-T傳輸介質，能自適應多種網絡接口。如圖5所示為其實施流程圖，首先將要裁剪的牛皮平鋪并固定在剪裁床上，并人工對牛皮的瑕疵點和區域質量進行標注；通過上位機的操作界面發出命令，由FPGA可編程邏輯器件產生精密像素讀出時序和各種控制信號，控制CCD曝光時間、控制視頻專用A/D芯片實現圖像信號的模/數轉換和圖像數據的有序讀出；并最終將讀取大幅面圖像數據存儲于上位機電腦中等待處理；由上位機對獲取的牛皮圖像進行預處理，主要是消除成像過程中引入的噪聲，并對一次成像的牛皮圖像進行幾何矯正，保證計算機獲取高質量無變形的清晰圖像；根據所需的模塊樣式，對牛皮材料二維圖像進行自動排樣。需要剪切的模塊樣式圖像預先存入計算機中，利用去除剩余最優策略進行模塊樣式的最優排樣，并確定最佳的切割路徑。由計算機根據確定的最佳剪切路徑，控制剪切裝置對皮革進行切割。
權利要求
1.一種二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，包括以下步驟(1)對全幀CCD成像系統進行標定，建立圖像與裁床物理尺寸的精確映射關系及成像系統的畸變校正模型；(2)將要裁剪的皮革材料平鋪并固定在剪裁床上，并對皮革材料的瑕疵點和區域質量進行標注；(3)全幀CXD成像系統獲取皮革二維圖像信號，并將所述皮革二維圖像信號發送至上位機中；(4)上位機對獲取的皮革圖像消除成像過程中引入的噪聲，并對一次成像的皮革圖像進行幾何矯正，從而獲取無畸變、清晰的皮革圖像；(5)根據預先存入計算機中服裝樣式模塊圖像的形狀、大小和數目，利用去除剩余最優策略，在皮革圖像上實現自動排樣，并最后確定最佳的切割路徑；(6)對最佳剪切路徑矢量化，并控制切割系統對皮革材料進行剪切。
2.根據權利要求1所述的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，所述步驟(2)中皮革材料的瑕疵點和區域質量由人工采用不同顏色的畫筆進行標注。
3.根據權利要求1所述的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，所述步驟(3)中全幀C⑶成像系統對整張皮革一次成像。
4.根據權利要求1所述的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，所述步驟(4)中上位機根據標注信息自動識別瑕疵點，并將皮革分成不同的質量等級區域。
5.根據權利要求1所述的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，所述步驟(5)中的去除剩余最優策略是根據樣式模塊排樣的質量要求，直接利用裁剪樣式模塊圖像在相應皮革圖像區域內進行遍歷，通過計算優化因子Ri,確定最優排樣。
6.根據權利要求5所述的二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，其特征在于，所述去除剩余最優策略包括以下子步驟(51)利用圖像處理方法，將皮革圖像M復制為皮革圖像備份M'；同時將存儲在上位機中的需裁剪的服裝樣式模塊圖像記為S1, S2，... ，其中圖像S1, &，... 和圖像M對實物皮革物理尺寸具有相同影射比例系數；(52)將服裝樣式模塊圖像S1,S2, ... 生成外接矩形，計算服裝樣式模塊圖像S1, S2,... Sn外接矩形的長、寬，并將其存入一個具有二值域且節點數為N的鏈表中，其中，二值域包括X域和Y域，鏈表的頭節點指針為P;服裝樣式模塊圖像S1, S2, ... 外接矩形的長和寬分別依次存入鏈表節點的X域和Y域，并規定每一個節點的值域滿足X > Y ；(53)將具有二值域的鏈表節點按X域值從大到小，進行排序；(54)從鏈表中提取指針P所指向的節點所代表的圖像Sp,按照從左下往右上的原則遍歷皮革圖像備份W，在遍歷過程中，如果滿足冬^Mt，則計算優化因子Ri,并以優化因子 Ri確定剪切后剩余圖像M' -Sp是否最優；(55)剪切后剩余圖像M'- 為最優時，將圖像$在皮革圖像備份M'排樣的位置復制到皮革圖像M上，并做相應標記；同時將處理過的節點元素從鏈表中刪去，對剪切后的剩余圖像M' -Sp進行相應處理，并作為下次排樣的新皮革圖像；(56)重復步驟(54)和步驟(55)，直至鏈表為空，完成排樣。
全文摘要
本發明涉及一種二維不規則皮革自動排樣裁剪方法，包括以下步驟對全幀CCD成像系統進行標定；對皮革材料的瑕疵點和區域質量進行標注；全幀CCD成像系統獲取皮革二維圖像信號，并將其發送至上位機中；上位機對獲取的皮革圖像消除成像過程中引入的噪聲，并對一次成像的皮革圖像進行幾何矯正，從而獲取無畸變、清晰的皮革圖像；根據預先存入計算機中服裝樣式模塊圖像的形狀、大小和數目，利用去除剩余最優策略，在皮革圖像上實現自動排樣，并最后確定最佳的切割路徑；對最佳剪切路徑矢量化，并控制切割系統對皮革材料進行剪切。本發明能夠減少裁剪樣式本身形狀的不規則性所帶來的影響，提高材料利用率。
文檔編號G06T5/00GK102508938SQ201110285728
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者葉韜, 涂新星, 王士樂, 鐘平 申請人:東華大學