DE69123172T2

DE69123172T2 - Verfahren zur Bestimmung und Überwachung der Glanzeigenschaften von Fasern

Info

Publication number: DE69123172T2
Application number: DE69123172T
Authority: DE
Inventors: David L Filkin; Henry Kobsa; Barry Rubin; Stephen M Shearer
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2011-05-22
Also published as: AU644164B2; CA2042880A1; JPH04228674A; DE69123172D1; EP0458582A2; EP0458582A3; AU7711391A; US5299133A; EP0458582B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und Regulierung der Glanzeigenschaften von Fasern und zur Bestimmung und Regulierung bestimmter physikalischer Parameter, die für solche Eigenschaften entscheidend sind. Die Erfindung findet Anwendung insbesondere bei der Konstruktion und Herstellung von Fasern und Fasergarnen, die für textile Einsatzbereiche von Garnen und speziell zur Verwendung als Teppichgarne dienen. Die Erfindung ist des weiteren anwendbar bei der Gestaltung und Regulierung von bestimmten physikalischen Eigenschaften der Fasern, von denen der Glanz abhängt, und bei der Steuerung des Herstellungsprozesses für solche physikalischen Eigenschaften unabhängig von deren Verhältnis zum Glanz.

HINTERGRUND

Das glänzende Aussehen von Fasergarnen, wie zum Beispiel der für textile Zwecke und die Teppichherstellung verwendeten, kann hinsichtlich verschiedener optischer Parameter gekennzeichnet werden, wie zum Beispiel derjenigen, die die Reflexion und die Brechung von auftreffendem sichtbarem Licht betreffen, die an den Grenzflächen von Luft und Polymer und von Polymer und Luft an einzelnen Filamenten auftreten, aus denen das Garn besteht. Diese Wirkungen führen zu subjektiven Reaktionen bei Betrachtern eines fertigen Teppichs, die zum Beispiel als Glanzeffekt und als Kontrast ausgedrückt werden können. Glanzeffekt und Kontrast werden hierin als Elemente des glänzenden Aussehens eines Teppichs zusätzlich zu dem Bausch des Teppichgarns eingesetzt. Der Glanz eines Garns ist eine komplexe Funktion der Querschnittsform der Filamente, aus denen das Garn besteht.
Eine direkte Messung des Garnglanzes ist im mathematischen Sinne schwer auszuführen oder auszudrücken. Eine Erläuterung zu den Glanzeigenschaften von Garn und deren Abhängigkeit vom Querschnitt der Filamente ist zu finden in dem USA-Patent 3,367,100 an Hughey, erteilt am 6. Februar 1968. Die Querschnittsform der Filamente bei einem vorgegebenen Garn hängt wiederum von den Eigenschaften der öffnungen in den zur Herstellung des Garns eingesetzten Spinndüsen ab. Die eigentliche Form, die ein Filament durch die Spinndüsenöffnung erhält, ist schwer vorherzusagen, wie in der Technik wohlbekannt ist und zum Beispiel erläutert ist in dem USA- Patent 3,478,389 an Bradley et al., erteilt am 18. November 1967. In GB-A-2190190 wird ein Verfahren zur Messung des Glanzes eines laufenden Filament- oder Multifilamentgarns offenbart.
Um sowohl die gewünschten niedrigeren als auch höheren Grade eines glänzenden Aussehens von Fasern zu solchen Zwecken zustandezubringen, werden in weitem Maße andere als kreisförmige Faserquerschnittsgeometrien eingesetzt. Weitere Spezialgeometrien, wie zum Beispiel symmetrische und unsymmetrische mulitilobale Querschnitte, dienen dazu, gewünschte und ästhetisch ansprechende Eigenschaften des Aussehens zu erzielen, die mit dem Grad des Faserglanzes zusammenhängen.
Gegenwärtig sind die zur Verfügung stehenden Verfahren zur Bestimmung und Bewertung solcher Eigenschaften stark subjektiv, und die Suche nach neuen Faserquerschnitten und die Untersuchung ihres Einflusses auf das aus diesen Fasern hergestellte Garn ist deshalb zeitaufwendig und teuer. Des weiteren ist es auf Grund dieser Beschränkungen nicht möglich, diese Eigenschaften als Teil der Herstellungsprozesse zu regulieren.
Außerdem unterliegen gegenwärtig bekannte Verfahren zur analytischen Bestimmung der tatsächlichen Querschnittsform von Fasern in Garnen und zur Ableitung und Darstellung solcher Formen in einer mathematischen Form bestimmten Einschränkungen. Die herkömmlichen Deskriptoren der Faserquerschnittsform bei unrunden Fasern sind das Modifikationsverhältnis ("MR"), das Verhältnis des Durchmessers D des umschriebenen zum eingeschriebenen Kreis, das Spitzenverhältnis ("TR"), das Verhältnis der Durchmesser des in einen Schenkel eingeschriebenen Kreises zu dem eines umschriebenen Kreises, und der Schenkelwinkel ("AA"), der an den Umkehrpunkten durch Tangenten an dem Schenkel gebildete Winkel. Diese Verfahren sind zum Beispiel im einzelnen beschrieben in dem USA-Patenten 2,939,201 an Holland und 4,492,731 an Bankar et al. Die Anwendung der Parameter MR, TR und AA ist in vielen Fällen nützlich, unterliegt jedoch bestimmten Einschränkungen. Insbesondere haben diese sogar bei nur leicht asymmetrischen Versionen von Mulitilobalfaserprodukten einen begrenzten Wert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist definiert in Anspruch 1.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur schnellen Bestimmung und Regulierung der Eigenschaften von Fasern für Garne und andere Einsatzzwecke, von denen das glänzende Aussehen abhängt, in einer vollkommen objektiven Weise und ohne subjektiven Eingriff geschaffen. Mit der Erfindung wird bei einer Ausführungs form derselben ein Verfahren zur Simulierung des Einwirkens von Licht auf ausgewählte Modelle von einzelnen Fasern über einen ausgewählten Bereich von Richtungen des auf treffenden Lichts bei speziellen Faserorientierungen und zur Bestimmung des Reflexions- und des Brechungsverhaltens des auftreffenden Lichts im verhältnis zu einem selektiv positionierten theoretischen Betrachter geschaffen, basierend auf der Querschnittsgeometrie der als ausgewähltes Modell verwendeten Faser und, auf dieser Basis, zur Bestimmung der Eigenschaften, die für ein glänzendes Aussehen ausschlaggebend sind.
Außerdem lassen sich durch Bestimmung der Glanzeigenschaften der einzelnen Fasern mit dem Verfahren gemäß der Erfindung nach der Definition in Anspruch 1 die Konturformen und die Glanzeigenschaften von einzelnen Fasern in einem Faserbüschel bestimmen, von denen sich zumindest einige Fasern berühren, durch
a) die Anfertigung einer ebenen Darstellung eines Bildes der Konturen des Büschels von Fasern, deren einzelne Konturen bestimmt werden sollen;
b) die Bestimmung der Krümmungswerte der peripheren Verlaufswege an den Konturenformen derselben als Funktion der linearen Abmessungen derselben für jedes der ausgewählten Faserbüschel nach der Darstellung in dem Bild;
c) die Identifizierung von Bereichen an den peripheren Verlauf swegen, in denen die Krümmungswerte der Konturformen einen vorgewählten Schwellwert überschreiten;
d) die Identifizierung der Bereiche, in denen der Schwellwert überschritten wird, als potentielle Berührungspunkte, die Bereiche mit möglichem Berührungskontakt zwischen den Konturformen darstellen;
e) die Zusammenführung der Berührungspunktbereiche zu zueinander passenden Berührungspunktpaaren und Tilgung derjenigen potentiellen Berührungspunkte aus den Werten, die keine zueinander passenden Paare bilden;
f) die Trennung der Konturformen in den Bereichen der zueinander passenden Berührungspunktpaare; und
g) die Interpolierung der Konturformen über die getrennten Bereiche der Berührungspunkte, in denen die Konturformen auf Grund der Trennung fehlen, durch Anwendung von mathematischen Funktionen, die die Konturformen darstellen, unmittelbar angrenzend an die fehlenden Konturformbereiche, und dadurch Rekonstruktion der fehlenden Konturformen in den Berührungspunktbereichen und Vervollständigung der Extraktion der einzelnen Konturformen.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine mathematisch dargestellte, gewählte Querschnittsform für ein spezielles Fasermodell genutzt und werden auf der Basis derselben optische Strahlenverläufe für eine Reihe von Photonen errechnet, die auf das Fasermodell, wie angenommen wird, zufällig über einen Bereich von ge wählten diskreten Herkunftsrichtungen auftreffen. Die Photonen des einfallenden Lichts, die ein Betrachter sehen wirde, werden in jedem der Fenster einer gewählten Richtungsfähigkeit diskret zusammengeführt und gezählt. Das Faserguerschnittsmodell wird schrittweise durch einen Bereich von gewählten diskreten Orientierungen gedreht, und das soeben beschriebene Verfahren wird für jede gewählte Faserorientierung wiederholt. Das Verfahren wird wiederholt, bis ein vollständiger Bereich, vorzugsweise von 360 Grad, in einer aufeinanderfolgend schrittweise erfolgenden Faserumdrehung beendet ist und die Photonenstrahlwege im gesamten Richtungsbereich bei jeder Orientierung der Fasern verfolgt sind.
Die in der oben beschriebenen Weise aus der vollständigen Abtastung gesammelten Werte werden dann benutzt, um die Glanzeigenschaften der Faser zu berechnen. Das mathematische Modell der Querschnittsform der gewählten Faser kann mathematisch zum Beispiel in Form von senkrecht aufeinanderstehenden Koordinatenachsen x, y, z dargestellt werden, wobei die z-Achse vorzugsweise senkrecht zur Querschnittsebene und nahe an dem annähernden Mittelpunkt derselben verläuft. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Querschnittsform der Faser jedoch vorzugsweise mathematisch dargestellt, indem eine Fouriersche Reihenbeschreibung der Kontur der Faserquerschnittsform benutzt wird. Diese Vorgehensweise wird später ausführlich beschrieben und wird als "Fouriersches Formdeskriptorverfahren" bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Ableiten und Ausdrücken einer mathematischen Darstellung der Querschnittsformen einer physischen Gruppierung von einzelnen Fasern in einer einander berührenden Konfiguration, wie zum Beispiel in einem Garn, das als Verbund von einzelnen Fasern ausgebildet ist, und zur Anwendung der auf diese Weise abgeleiteten mathematischen Ausdrücke, um die Glanzeigenschaften der Fasern und des Garns mit Hilfe des oben in summarischer Form beschriebenen mathematischen Modellabtastverfahrens zu bestimmen. Die Erfindung ist zum Beispiel anwendbar bei der Herstellungsprozeßsteuerung und der Qualitätskontrolle im Faserherstellungsverfahren, so daß Fasern mit genauer regulierten Glanzeigenschaften entstehen.
Die Erfindung wird besser verständlich und weitere Merkmale, Vorteile und Einsatzbereiche derselben werden ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer einzelnen Faser, die die annähernde Achse derselben zeigt und den Laufweg eines Photons darstellt, das zufällig auf die Faser auftrifft, auf diese einwirkt und von dieser in Richtung zu einem Betrachter reflektiert wird.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht eines repräsentativen Faserquerschnitts im Raum der senkrecht aufeinanderstehenden Koordinaten x, y, z.
Figur 3 ist eine Darstellung einer Konzepts zur Sichtbarmachung eines Faserfilaments im Verhältnis zum simulierten auftreffenden Licht und zum Verteilungsmuster desselben nach dem Einwirken auf das Faserfilament;
Figur 4 ist eine Darstellung eines Bildes eines Querschnitts von mehreren einander berührenden Faserfilamenten in einer Gruppe;
die Figuren 5, 6 und 7 sind Ablaufdiagramme für eine Ausführungsform der Erfindung zur Bestimmung der individuellen Konturfor men einer Vielzahl von einander berührenden Objekten, zum Beispiel von Faserfilamenten, in einer einander berührenden Gruppenkonfiguration;
Figur 8 ist eine Bilddarstellung einer Gruppierung von schwarzen Kreisen auf einem weißen Hintergrund zum Zwecke der Erläuterung bestimmter Aspekte der vorliegenden Erfindung;
Figur 9 ist eine Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Abtasten von peripheren Konturen an Faserfilamenten zum Zwecke der Abtrennung von einzelnen Querschnittsformen;
Figur 10 ist eine Darstellung der einander berührenden Objekte in zueinander passenden Punktepaaren; und
Figur 11 ist eine Darstellung der getrennten einzelnen Konturformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Figur 1 ist ein Abschnitt einer Faser 10 zu sehen, die eine Längsachse 12 und eine Querschnittsform aufweist, die allgemein mit 14 bezeichnet ist. Es ist zu sehen, wie ein Lichtphoton auf die Faser 10 längs eines Weges 16 einwirkt, der aus einem Auftreffweg 16a und einem Reflexionsweg 16b besteht, die längs der Sichtlinie eines Auges 18 eines beliebig positionierten Betrachters dargestellt sind. In der Darstellung in Figur 1 sind der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel von der Faserachse mit 45 Grad bzw. mit 135 Grad dargestellt.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Einwirkung von Licht auf eine einzelne Faser simuliert, zum Beispiel auf die in Figur 1 dargestellte, indem man eine große Anzahl von Lichtphotonen wahllos auf eine einzelne Faser mit einer gewählten Querschnittsform über einen gewählten Bereich von Einfallswinkeln der auftreffenden Photonen einwirken läßt. Diese simulierten Testphotonen werden reflektiert oder gebrochen oder verfehlen die Faser gänzlich.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Richtungsfähigkeit der aus den Fasern in Richtung zu einem Betrachter austretenden Photonen ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist. Photonen, die von der Ebene eines Teppichs abgestrahlt werden und "unter den Füßen eines Betrachters hervor" kommen, machen einen größeren Anteil der von dem Betrachter wahrgenommenen Photonen im Vergleich zu der Anzahl der Photonen aus, die von einer darüber angeordneten Lichtquelle stammen und bei dem Betrachter mit kleinen Reflexionswinkeln ankommen, wie zum Beispiel mit diejenigen, die ein Betrachter eines Teppichs auf einem langen Korridor wahrnimmt. Zum Zwecke der Glanzanalyse, wie sie bei einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung dargestellt wird, wird angenommen, daß die Fasern in einem Winkel von 45 Grad zur horizontalen Ebene des Teppichs in bezug auf den Betrachter orientiert sind.
In jedem Falle wird das Verhaltensmuster von jedem der einzelnen im Test simulierten Photonen einschließlich der Auswirkungen der Photonenpolarisation verzeichnet, die parallel oder senkrecht zu der Faserachse 12 erfolgt. Bei der zu beschreibenden Ausführungsform wird in dem benutzten Modell keine Lichtstreuung innerhalb der Faser berücksichtigt und treten alle Photonen als Lichtkegel mit dem Spiegelungswinkel aus. Die Informationen, die in der Winkelverteilung der Lichtstärke um den Rückspiegelungskegel herum enthalten sind, dienen dazu, den Glanz der Faser zu bestimmen. Bei diesem Modell treten etwaige durch die Faser laufende Lichtphotonen an der anderen Seite derselben aus und gelten als für den Betrachter verloren.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß ein mathematisches Modell einer gewählten Querschnittsform einer einzelnen Faser angewandt wird. Wird dieses mathematische Modell angewandt und ist der Faserquerschnitt in einer festen Position orientiert, wird der optische Verlauf der Strahlen für eine gewählte Anzahl von Lichtphotonen errechnet, wenn sie gemäß der Annahme wahllos auf die Faser auftreffen. Der Laufweg, den jedes Photon zurückgelegt hat, das an der Position eines theoretischen Be trachters anlangt, wird bestimmt, und der schließliche Zielpunkt desselben wird gezählt in einem aus einer gewählten Anzahl von Fenstern.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde der optische Strahlenverlauf von 400 Photonen für den festen Faserquerschnitt extrahiert, und es dienten 35 diskrete Fenster dazu, die Lageorte der schließlichen Zielpunkte der Photonen zu zählen und zu registrieren. Jedes Fenster war 5 Grad breit und wurde aller 5 Grad um einen halben Drehungskegel herum zentriert. Auf diese Weise wurden die Photonen von einfallendem Licht, die ein Betrachter erkennen würde, diskret zusammengeführt und in jedem der 35 Fenster gezählt. Wenn die oben beschriebene Abtastung abgeschlossen ist, wird der Faserquerschnitt um einen Schritt weitergedreht in eine neue Position, die vorzugsweise nur wenig von der vorhergehenden Position entfernt liegt, zum Beispiel um ein Grad oder ähnlich, indem der Querschnitt der Faser um die z-Achse senkrecht zum Querschnitt gedreht wird und in der neuen Position eine neue Abtastung in der gleichen Weise erfolgt, wie sie für die erste gewählte Position beschrieben wurde. Unter der Annahme, daß 400 Photonen bei der ersten Abtastung eingesetzt wurden, wird der optische Strahlenverlauf von weiteren 400 Photonen für die neue Position errechnet. Das Ver fahren wird in aufeinanderfolgenden schrittweisen Drehpositionen des Faserquerschnitts wiederholt, bis eine vollständige Umdrehung des Faserquerschnitts um 360 Grad erfolgt ist und die gewählte Anzahl der simulierten Testphotonen, also 400 wie in dem genannten Beispiel, im Abstand von jeweils einem Grad in dem genannten Beispiel abgetastet wurde. Die genaue Art und Weise, in der die Strahlenverläufe der simulierten Testphotonen verfolgt werden, wird später in der Beschreibung ausfürlicher erläutert.
Das mathematische Modell der Testfaser-Querschnittsform kann in einer beliebigen von mehreren Arten entwickelt werden. Figur 2 ist eine Darstellung einer willkürlich gewählten Kontur 20 der Querschnittsform einer Faser. Die in Figur 2 dargestellte Faserquerschnittskontur 20 hat eine trilobale Form und ist in Form von Koordinaten x, y, z dargestellt, wobei die z-Achse senkrecht zum Querschnitt verläuft und mit der Längsachse der Faser überein stimmt. Wie später ausführlicher erläutert wird, ist es wichtig, den Querschnitt so zu wählten, daß er senkrecht zur Längsachse der Faser liegt. Wird die Ebene des Querschnitts relativ zur Längsachse gekippt, entstehen Verzerrungen in der scheinbaren Querschnittsform und werden Fehler in dem Verfahren zur Bestimmung des Glanzes aus dieser Querschnittsform bewirkt.
Bei einem Verfahren zur Ableitung eines mathematischen Modells der Faserquerschnittsform einer Kontur, wie zum Beispiel der in Figur 2 dargestellten, werden die Koordinaten x, y der Form der Kontur festgelegt. Bei einer tatsächlich vorhandenen physischen Faser kann dies erfolgen, indem eine Mikroaufnahme des tatsächlichen Faserquerschnitts angefertigt wird und dann eine digitale Abtastung an dem tatsächlichen vergrößerten Bild des Querschnitts erfolgt. Das auf eine solche Weise gezogene Kurvenbild weist eine Reihe von Koordinaten auf, die den Faserquerschnitt beschreiben.
Dieses Verfahren zur Festlegung der Koordinaten x, y weist bestimmte Beschränkungen des Auflösungsvermögens auf. Außerdem hängt das Mittel, das zur Reproduktion eines Querschnitts aus einer Mikroaufnahme dient, sehr stark von der Querschnittsgeometrie ab. Ein kreisförmiger Querschnitt ist zum Beispiel ein unbedeutender Fall, bei dem nur eine Variable kurvenmäßig aufgezeichnet werden muß, während eine symmetrische multilobale Form schwieriger ist und leichter fehleranfällig ist.
Ein zweites Verfahren zur Erstellung des mathematischen Modells für den Faserquerschnitt wurde als Teil der vorliegenden Erfindung formuliert und wird deshalb bevorzugt. Dieses Verfahren weist einen sehr hohen Genauigkeitsgrad auf und kann eine beliebige multilobale Faserquerschnittsgeometrie reproduzieren. Bei diesem bevorzugten Verfahren erfolgt eine automatische Bildanalyse zusammen mit einem hierin als "Fouriersches Formdeskriptorverfahren" bezeichneten Verfahren. Die Fourierschen Analyseverfahren sind im allgemeinen genau bekannt und zum Beispiel beschrieben in dem Buch "Applications of Discrete and Continuous Fourier Analysis" von Weaver, H.J., herausgegeben von John Wiley and Sons, New York, 1983 und in einem Artikel mit dem Titel "Automatic Dimensional Inspection of Machine Part Cross-Sections using Fourier Analysis" von Etesami, F. und Uicker, J. J. Jr., Computer Vision, Graphics and Image Processing 29 (1985).
Das bei der vorliegenden Erfindung angewandte Fouriersche Deskriptorverfahren beruht auf der diskreten Fourierschen Reihentransformation der Faserquerschnittskontur. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine eindimensionale Funktion, die die Faserquerschnittskontur beschreibt, in eine diskrete Fouriersche Zahlenreihe umgewandelt, die in einem Digitalcomputer errechnet werden kann. Auf diese Weise wird der Häufigkeitsumfang der Faserkontur bestimmt. In einer fast kreisförmigen Faser herrschen zum Beispiel geringe Häufigkeiten vor, während in einer komplexeren octolobalen Faser größere Häufigkeiten vorhanden sind.
Durch die Darstellung einer Faser durch den Häufigkeitsumfang ihres Querschnitts wird eine präzise und sehr gut geeignete Kennzeichnung ihrer Form möglich. Das Fouriersche Formdeskriptorverfahren ist eine ganz allgemeine Vorgehensweise bei der Beschreibung einer Faserform.
Das Verfahren gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform derselben wird erläutert unter Verweis auf die Darstellung in Figur 3, die einen Abschnitt einer Faser 30 mit einer Längsachse 32 zeigt. Die Darstellung ist in einer perspektivischen Form zu se hen, bei der parallele Strahlen von Lichtphotonen 34 von einer Quelle über der Faser und in einer Richtung senkrecht zu der horizontalen Ebene 33 gerichtet werden, über der ein kreisförmiger Ring von Betrachtersektoren positioniert ist, wie diese in 36 zu sehen sind. Die Faser 30 ist so orientiert, daß ihre Achse 32 in einem Winkel von 45 Grad zu der horizontalen Ebene 33 und auch zur Richtung des auftreffenden Lichts 34 sowie in einem Winkel von 135 Grad in bezug auf den maximalen Rückspiegelungswinkel liegt, der die Ebene des Rings 35 und der Betrachtersektoren 36 bildet. Die 45 Grad betragende Winkelorientierung der Faser 30 wurde für die spezielle Ausführungsform aus dem Grunde gewählt, daß sie, wie festgestellt wurde, der typischen durchschnittlichen Faserorientierung in einem Teppich auf einem Fußboden in bezug auf starkes auftreffendes Licht und auf einen Betrachter nahekommt. Andere Winkelorientierungen der Faser können abhängig von der vorgesehenen Orientierung der Faser bei tatsächlicher Verwendung und abhängig von den subjektiven Daten angewandt werden, mit denen eine Korrelierung erfolgen soll.
Die Betrachtersektoren erstrecken sich über gleich voneinander beanstandete Abstände oder Fenster 36 um den Umfang des Betrachtungsrings herum, der um die Faser 30 herum verläuft, und sind in jedem Falle in gleichen radialen Abständen von der Faser beabstandet. Die Betrachtungsringe für den Betrachter können zum Beispiel jeweils über Abstände von etwa 5 Grad verlaufen und brauchen sich, da nur streuendes Licht über der Teppichebene von Interesse ist, nur um einen Halbkreis von 180 Grad herum zu erstrecken. Bei dem angegebenen Beispiel erstreckt sich jeder Betrachtersektor über einen Kreisbogen von 5 Grad, der aller 5 Grad um den Halbkreis herum zentriert ist, und dadurch besteht das Netz der Betrachtersektoren insgesamt aus 35 diskreten Fenstern, in denen Lichtphotonen zusammengeführt werden können, nachdem sie auf die Faser 30 eingewirkt haben.
Die Faser 30 besitzt eine Querschnittsform 40, die auf einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 32 der Faser aufgenommen wird. Wie später ausführlicher erläutert wird, dient die Querschnittsform 40 der Faser 30 dazu, den optischen Strahlenverlauf von Lichtphotonen von der Quelle aus zu bestimmen, wenn diese auf die Faser 30 einwirken. Die Zielpunkte der einwirkenden Photonen werden bestimmt, indem die Anzahl der Photonen, die in jedem der Betrachterfenster 36 anlangen, bei einer gewählten Gesamtzahl von auftreffenden Photonen gezählt wird.
In einem typischen Fall wurde eine Gesamtzahl von 400 Photonen für jede feste Position der Faser 30 eingesetzt, und diese wurde als statistisch ausreichend für die beschriebene Ausführungsform befunden. Es wurden nur Photonen gezählt, die an einem der Betrachterfenstersektoren 36 in der horizontalen Ebene anlangten. Einige der Photonen laufen direkt oder mit innerer Reflexion durch die Faser und gehen verloren und sind dadurch an der Zählung nicht beteiligt.
Wenn das oben genannte Verfahren für eine feste Position der Faser 30 abgeschlossen ist, wird diese um eine kleine Stufe, zum Beispiel um ein Grad, um ihre Längsachse 32 gedreht, zum Beispiel in der Richtung des Pfeils 42, und wird das gleiche Verfahren wiederholt, in diesem Falle für weitere 400 Photonen. Dann wird die Faser um einen weiteren Grad um die Längsachse weitergedreht, und das gleiche Verfahren wird erneut wiederholt und fortgesetzt, bis die Faser schrittweise um eine vollständige Drehung von 360 Grad gedreht ist und 400 Photonen in jeder der in Stufen von einem Grad beabstandeten Abstandspositionen verfolgt sind. Auf diese Weise wird der Bahnverlauf von insgesamt 144 000 Photonen im Laufe einer Analyse einer einzelnen Faser verfolgt.
Alle oben genannten Schritte werden durch mathematische Berechnungen ausgeführt, wobei das Verfahren in der Darstellung in Figur 3 sichtbar gemacht wird. Die optischen Verlaufswege der ein-. wirkenden Photonen werden auf der Basis des Brechungsindexes des Fasermaterials und der Form des Querschnitts errechnet, aufgenommen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Faser. wenn die Querschnittsform der Faser um deren Längsachse gedreht wird, entsteht ein Einwirkungszylinder 44 mit den auftreffenden Photonen. Mit anderen Worten, nur Photonen innerhalb des Zylinders 44 können eine Einwirkung auf die gewählte Querschnittsform in einer beliebigen ihrer Stufenpositionen vornehmen, und die gewählte Zählmenge an Photonen, in diesem Falle 400 für jede Drehstufenposition, ist auf die Querschnittsfläche des Zylinders 44 beschränkt.
Mit der soeben beschriebenen vollständigen Abtastung wird ein Verteilungsprofil für die Zielpunkte der auftreffenden Photonen erstellt, das die Anzahl der Photonen anzeigt, die in jedem der Betrachterfenster 36 angelangt sind. Diese Informationen werden dann mit subjektiven Glanzbewertungsdaten korreliert, um eine Datenbank zur Verwendung als Teil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Mit anderen Worten, es werden spezielle Verteilungsprofile mit ihren entsprechenden Glanzbewertungsparametern korreliert, so daß die verteilungsdaten in Informationen zum Glanz umgesetzt werden können.
Durch die Anzahl der in jedem diskreten Betrachterfenster zusammengeführten Photonen für alle 360 Orientierungen der Faser wird die Streuung auf Grund einer großen Anzahl von Fasern mit zu fälliger Orientierung simuliert. Da die sich ergebende Verteilung der Photonen in jedem Fenster symmetrisch sein kann, können die Daten in diesem Falle vereinfacht werden, indem die Kurve um die vertikale Achse umgelegt wird, wodurch sich eine Reihe von 18 Zah-- 12 -len ergibt. Diese Zahlen werden normiert, indem die Anzahl der Photonen in jedem Fensterpaar durch die Anzahl der Photonen geteilt wird, die anzutreffen gewesen wären, wenn die Faser die Photonen vollkommen wahllos gestreut hätte. Die normierten Zahlen liegen typischerweise im Bereich von etwa 0,1 bis 1,75, d.h. die durch einen speziellen Querschnitt in einer speziellen Richtung gestreute Lichtmenge kann nicht mehr als 10 % einer zufälligen Streuung oder nicht weniger als 175 % derselben betragen.
Für die Zwecke der beschriebenen Ausführungsform werden die Fourierschen Koeffizienten in der unten dargestellten Weise errechnet. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können zwar verschiedene Fouriersche Reihen benutzt werden, jedoch lautet eine bevorzugte Fouriersche Reihe wie folgt: Gleichung 1
wobei u(l) der Radiusvektor in der komplexen Ebene ist, und zwar:

Gleichung 2

u(l) x(l) + iy(l),
und x(l) und y(l) Faserkonturenpunkte sind, 1 die Bogenlänge der Faser ist, gemessen gegen den Uhrzeigersinn vom anfänglichen Abtastpunkt an, L der Gesamtperimeter der Faser ist, die Koeffizienten c(n) die komplexen Fourierschen Formparameter sind und i = -1.
Aus den Kartesischen Konturenkoordinaten x(j), y(j) für j = 1 bis M werden der Radiusvektor und die Bogenlänge errechnet:

Gleichung 3

l(k) = {[x(k+1) - x (k)]² + [y(k + 1) - y(k)²},

Gleichung 4

u(k) = x(k) + iy(k),
wobei k = 1 bis M, i = -1 und nach der Definition x(M + 1) = (x(1) und y(M + 1) = y(1). Die u(k)-Werte werden erweitert als Fouriersche Reihe in Gleichung 1, die im allgemeinen in einer Ordnung N konvergiert.
Die Fourierschen Formdeskriptoren c(n), n = -N bis N, die bei einem bevorzugten Verfahren bis zu 96 Koeffizienten umfassen können, werden als Integrale um die Faserkontur herum berechnet. Diese im allgemeinen komplexen Zahlen enthalten alle Größen-, Form- und Orientierungsinformationen über die Faser mit N « M.
In der Gleichung 1 ist 1 eine kontinuierliche Variable mit Werten von 0 bis L (dem Faserperimeter). Wenn in diesem Bereich dem l irgendein Wert zugeordnet wird, werden die Werte von u(l) errechnet, die die Faserkontur genau reproduzieren.
Ein solches Verfahren wird zum Beispiel offenbart in "Shape Discrimination Using Fourier Descriptors" von Persoon, E. und Fu, King-Sun, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Bd. SMC-7, Nr. 3, März 1977.
Jeder Fouriersche Formdeskriptor wird als Integral über die gesamte Faserkontur errechnet. Das Verfahren ist dadurch allgemein, daß jeder symmetrische oder asymmetrische Querschnitt gleichermaßen leicht analysiert werden kann. Da die Darstellung des Faserquerschnitts in einer Fourierschen Reihe gleichwertig ist dem Ausgleich der Konturen nach der Methode der "kleinsten Quadrate", werden kleine Artefakte, die an einer abgetasteten Kontur entstehen, mathematisch beseitigt. Durch die Konvergenz der Fourierschen Reihen wird eine analytische Parametergleichung aufgestellt, die den Faserquerschnitt für Faserglanzberechnungen darstellt.
Das Fouriersche Formdeskriptorverfahren funktioniert gut bei der Beschreibung von Faserquerschnittsformen, die von praktischem Interesse sind. In der Praxis werden mikroskopische Bilder von Faserquerschnitten digitalisiert, die Fourierschen Deskriptoren werden bestimmt und dann in einen Computer übertragen, in dem das Glanzvoraussageprogramm mit Strahlendurchrechnung vorhanden ist.
Ein vorgegebener Faserquerschnitt wird beschrieben durch eine Parametergleichung, Gleichung 1 oben. Eine solche Gleichung enthält eine Reihe von Fourierschen Koeffizienten (typischerweise sind 96 Koeffizienten vorhanden), die speziell den Faserquerschnitt definieren, und aus diesen Koeffizienten wird eine Datei für die Koor dinaten x, y in dem Computer erstellt. Die Daten für die Koordinaten x, y sind eine Darstellung des Faserquerschnitts in einer Standardform.
Die Voraussage des Glanzes beginnt, wenn sich die Faser in einer willkürlichen Umdrehung um ihre Achse befindet. Es wird der Radius R des umschriebenen Zylinders des Querschnitts errechnet. Als nächstes wird ein Kartesisches Koordinatensystem definiert, wobei die z-Achse mit der Längsachse der Faser übereinstimmt, die als durch die Mitte der Querschnittsmasse verlaufend definiert ist, und wobei die Ursprünge der x- und der y-Achse auf der z-Achse liegen. Der Ausgangspunkt aller Photonen liegt in -R < x < +R, y < -R, z = 0, wobei x eine Zufallszahl innerhalb des festgelegten Abstands ist. Der anfängliche Laufweg des Photons wird beschrieben durch den Spaltenvektor in Gleichung 5 wie folgt:

Gleichung 5

{s} = 0
(n/2)**1/2
(n/2)**1/2
wobei n = 1 der typische Fall ist, der Brechungsindex von Luft für ein Photon aus sichtbarem Licht.
Es erfolgt eine Bestimmung, ob ein "Test"photon auf die Faser auftrifft. Wenn nicht, wird das Testphoton behandelt, als ob es niemals existiert hätte (der Anteil von Photonen, die die Faser verfehlen, reicht von Null bei runden Querschnitten bis zu einem theoretischen Maximum von 25 % bei Querschnitten mit einem sehr hohen Modifikationsverhältnis). Trifft das Testphoton auf, beträgt die Wahrscheinlichkeit 1/2, daß das Photon parallel oder senkrecht zu der Faserachse polarisiert wird. Mit der Polarisierung wird festgelegt, welches von den Fresnelschen Gesetzen gilt, und ob das Photon reflektiert oder gebrochen wird, und welcher Brechungsindex im Snellschen Gesetz anzuwenden ist. Sobald die anfängliche Polarisierung des Photons bestimmt wurde (durch einen Münzenwurfalgo rithmus), wird diese Polarisation beibehalten, bis das Photon dauernd aus der Faser ausgetreten ist, und es wird sein Austrittswinkel errechnet.
Wenn das Photon auf die Faser auftritt, werden alle Kreuzungspunkte festgelegt, auf die es auftreffen würde, wenn es auf einem geraden Weg liefe, und unter diesen wird der Kreuzungspunkt bestimmt, der am nächsten liegt und deshalb zuerst getroffen würde. Bei diesem Verfahren wird mit einem Unterprogramm mit der Bezeichnung HIT gearbeitet, das in späteren Stufen des Programms immer wieder aufgerufen wird, wenn bestimmt werden muß, ob und wo das Photon als nächstes auf eine Grenzfläche einwirkt. Die zutreffenden Programmschritte werden im einzelnen in dem Microfiche-Anhang offenbart, der hierin einbegriffen ist.
Sobald der Kreuzungspunkt identifiziert ist, auf den das Photon zuerst auftrifft, werden Fresnelsche Formeln angewandt, um festzustellen, ob das Photon reflektiert oder gebrochen wird. Das kann zum Beispiel erfolgen, indem an jeder Grenzfläche eine Ereigniswahrscheinlichkeitsstatistik eingesetzt wird. Zur Auswertung der Fresnelschen Formeln erfolgt eine Berechnung zweier Winkel θi und θt. Bei der ersten Berechnung wird die Oberflächennormale errechnet, bei der zweiten wird das Snellsche Gesetz herangezogen.
Die drei Punkte (xi, yi, 0); (xi + 1, 0) bilden die Tangentenebene zum Zylinder an einem Punkt zwischen (xi, yi, 0) und (xi + 1, yi + 1, 0). Die beiden Einheitsvektoren {a} und {c} Gleichung 6
wobei D = [(x2 - x1)**2 + (y2 - y1)]**1/2
zeigen von dem ersten Punkt zu dem zweiten bzw. dem dritten Punkt und liegen in der Tangentenebene und stehen senkrecht aufeinander.
Ihr Vektorprodukt: Gleichung 7
ist ein Einheitsvektor senkrecht zur Oberfläche der Tangentenebene.
Aus der folgenden Gleichung: Gleichung 8 {s} Skalarprodukt {o} = cos θi,
folgt, daß dann, wenn {s} ein Einheitsvektor ist, n = 1, dann

Gleichung 9

cos θi = 0,7071 x (x2 - x1)/D.
In ähnlicher Weise folgt, daß:

Gleichung 10

[{s} Vektorprodukt {o}]² = n² x sin² θi,
und daß

Gleichung 11

sin θi = {1 - 1/2 x (x2 - x1)²/D².
Dieses Ergebnis hätte aus Gleichung 9 erzielt werden können,
wird jedoch hier angegeben, um es als alternative Formulierung des Snellschen Gesetzes darzustellen. Das Snellsche Gesetz kann geschrieben werden als:

Gleichung 12

{s} Vektorprodukt {o} = {s'} Vektorprodukt {o}, wobei {s} ein Vektor in der Richtung des eintretenden Strahls ist, dessen Länge gleich dem Brechungsindex des ersten Mediums ist (n = 1, da die Photonen durch Luft laufen), und {s'} ein Vektor in der Richtung des gebrochenen Strahls ist, dessen Länge gleich dem Brechungsindex des zweiten Mediums (des Faserinnern) ist. Auf Grund der Gleichung 10 und der analogen Gleichung 13:

Gleichung 13

[{s'} Vektorprodukt {o}]² = n'² x sin² θt, ist die Gleichung 12 vollkommen äquivalent der vertrauteren Form des Snellschen Gesetzes:

Gleichung 14

n x sin θi = n' x sin θt
Da Gleichung 15 aus Gleichung 12 folgt:

Gleichung 15

[{s'} - {s}] Vektorprodukt {o} = 0,
muß der Winkel zwischen [{s'} - {s}] und {o} Null betragen. Daher:

Gleichung 16

[{s'} - {s}] = r Skalarprodukt {o}.
Nun erhalten wir durch Multiplikation beider Seiten von Gleichung 16 mit {o}, und da {o} Skalarprodukt {o} = 1, auf Grund von Gleichung 8 die Gleichung 17.

Gleichung 17

= {s'} Skalarprodukt {o} - {s} Skalarprodukt {o} = n' x cos θt - n x cos θi.
Setzen wir die Ausdrücke in Gleichung 18 in Gleichung 17 ein:

Gleichung 18

n' x cos θt = [n'² - n² + ({s} Skalarprod. {o})²], erhalten wir Gleichung 19:

Gleichung 19

= [n'²-n² + ({s} Skalarprod. {o²] - (s) Skalarprod. {o}.
Deshalb stellen wir fest, daß die Richtung des gebrochenen Strahls gegeben ist durch Gleichung 20:

Gleichung 20

{s'} = {s} + r Skalarprodukt {o},
wobei r gegeben ist durch Gleichung 19.
Nunmehr, da θt und cos θt gegeben sind durch die vollkommen allgemeinen Ausdrücke:

Gleichung 21

sin θt = (1/n') x [n² -- ({s)Skalarprodukt {o})²]

Gleichung 22

cos θt = (1/n') x [n²-n +({s}Skalarprod. {o})²]
wobei n der Brechungsindex für den einfallenden Strahl ist und n' der Brechungsindex für den gebrochenen Strahl ist.
Bei dem in dem FORTRAN-Programm angewandten Berechnungsverfahren werden folgende Gleichungen benutzt:

In Luft

Gleichung 23

cos θa = {s} Skalarprodukt {o}

Gleichung 24

sin θa = [1 - cos² θa]

Gleichung 25

sin θf = (1/nf) x sin θa

Gleichung 26

θf = sin&supmin;¹ (sin θf)

In der Faser

Gleichung 27

cos θf = (1/nf) x {s} Skalarprodukt {o}

Gleichung 28

sin θf = [1 - cos² θf]

Gleichung 29

sin θa = nf x sin θf

Gleichung 30

θa = sin&supmin;¹ (sin θa)
wobei die indices a und f für Luft bzw. für Fasern gelten.
Wenn die Winkel θi und θt berechnet sind, wird die Wahrschein lichkeit, ob das Photon reflektiert oder gebrochen wird, mit Hilfe der geeigneten Form des Fresnelschen Gesetzes für den oben bestimmten Polarisationszustand des Photons errechnet. Das sind Gleichung 31 für die parallele Polarisation und Gleichung 32 für die senkrecht aufeinanderstehende Polarisation: Gleichung 31 Gleichung 32 R = sin ( i - Ot) ; T = 1 - R
Tritt eine Brechung ein, dann wird der neue Laufweg des Photons mit den Gleichungen 19 und 20 bestimmt. Tritt eine Reflexion ein, dann:

Gleichung 33

sin θi, = sin θi; cos θi, = -cos θi,
und somit

Gleichung 34

= -2n x cos θi = -2 x {s} Skalarprodukt {o},
und

Gleichung 35

{s'} = {s} + {o} = {s} - 2 x ({s} Skalarprod. {o}) x {o}.
Wenn nicht ein Testphoton endgültig aus der Faser ausgetreten ist, was bedeutet, daß das Unterprogramm HIT keinen Kreuzungspunkt auf dessen Laufweg lokalisieren konnte, wird der von dem Photon verfolgte Laufweg mit Hilfe der Gleichungen 23; 24; 25; 26; 31; 32; 19; 20 und 35 bestimmt. Bei dieser Vorgehensweise kann ein Photon aus einem Lappen eines multilobalen Querschnitts austreten und in einen anderen Lappen eintreten.
Als nächstes wird ein Test zum Vorzeichen der y-Komponente des Einheitsvektors vorgenommen, der den Laufweg eines Photons beschreibt. Ist das Vorzeichen positiv, wird angenommen, daß das Photon gemäß diesem Modell für einen Betrachter verlorengeht. Wenn dagegen die y-Komponente dieses Einheitsvektors negativ ist, läuft das Photon zu dem Beobachter zurück und wird in einem der 35 diskreten Fenster gemäß der x-Komponente des Einheitsvektors aufgefangen.
Für jede von 360 verschiedenen Orientierungen der Faser, die in Rotationsstufen von je einem Grad um die z-Achse herum beab standet sind, werden 400 Testphotonen erzeugt, so daß diese regellos vom rechten Rand zum linken Rand der Faser auf die Faser auftreffen. Wenn alle 400 Photonen verfolgt sind, werden die aufgefangenen Photonen in jedem Betrachtungsfenster und auch die Anzahl der Photonen gezählt, die die Faser verfehlt haben. Wie oben erläutert, wird die Faser in Stufen von je einem Grad weitergeschaltet und wird das Verfahren wiederholt, bis die Faser vollständig um die z-Achse herum gedreht ist.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird mit einer Fourierschen Reihe mit bis zu 96 Parametern gearbeitet, die an den Randpunkten der Faserquerschnittsform angesetzt sind. Das Ausmaß, in dem der Faserkontur entsprochen wird, hängt in jedem Falle von der Konvergenz der Reihe ab. Im allgemeinen wird aus dem Fourierschen Formdeskriptorverfahren eine glatte Form gewonnen, in der alle wichtigen Forminformationen festgehalten sind. Mit diesem Verfahren wird jede Körnigkeit in der Originaldarstellung ausgeglichen, wie zum Beispiel in einem Videobild. Außerdem sind die Fourierschen Parameter Istwerte, und die aus der Fourierschen Summe gewonnenen Daten von x,y sind Istwerte, wodurch das Auf lösungsproblem oder dasjenige des "Pixelrauschens" beseitigt wird, das in einer ganzzah ligen Beschreibung von x, y auftritt, und wodurch eine genauere Glanzberechnung möglich wird.
Zur Korrelierung der Gruppen von 18 Zahlen, die in jedem Falle mit dem Faserglanz gewonnen wurden, wurde mit empirischen Bewertungen gearbeitet. Es wurden Mikroaufnahmen von 21 Faserquerschnitten hergestellt. Aus jeder Mikroaufnahme wurden sechs typische Filamente ausgewählt und photographisch bis auf etwa 6 bis 8 Zoll Durchmesser vergrößert. Dann wurden die vergrößerten Aufnahmen mit einem grafischen Digitalisiertableau digitalisiert, und dann wurden diese Dateien gemäß Fourier transformiert. Die 21 ausgewählten Querschnitte wurden von Teppichfasern genommen, die bei der Konstruktion sowohl von Teppichen mit ebenen Schlingen als auch von Schnittflorteppichen verwendet wurden. Diese Teppiche wurden von einem Gremium von Experten auf einer Skala von 0 bis 20 sowohl auf Bausch als auch auf Glanz beurteilt.
Bekanntlich ist Glanz umgekehrt abhängig vom Bausch. Deshalb wird eine Wechselbeziehung zwischen dem subjektiven Glanz als ababhängiger Variabler und dem subjektiven Bausch und einer Transformation der Anzahl der Photonen, die in jedem Fenster aufgefangen werden, als unabhängiger Variabler gemäß einem Verfahren aufgestellt, in dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist. Es wurde festgestellt, daß die Durchschnitte der subjektiven Bewertungen für Teppichkonstruktionen mit ebenen Schlingen und mit Schnittflor sehr stark korrelierten und auf diese Weise eine zuverlässige Datenbank für das Verfahren gemäß der Erfindung lieferten. Die beste Korrelierung mit der Anzahl der in jedem Fenster aufgefangenen Photonen erfolgte durch Bewertung mit dem Quadrat des Winkels vom Fußboden, d.h. die Photonen, die direkt unter den Füßen hervorkommen, wurden mit 4 mal soviel Gewicht bewertet wie diejenigen, die in einem Winkel von 45 Grad betrachtet wurden, und mit 9 mal so viel wie diejenigen, die in einem Winkel von 30 Grad über dem Fußboden betrach 30 tet wurden. Die dadurch ermittelte Korrelationsgleichung ist die

Gleichung 36:

GLANZ = 1,64 + 9,02B + 7,74C - 0,396 (Bausch)
wobei
GLANZ = durchschnittliche subjektive Glanzbewertung von Teppichen mit ebenen Schlingen und von Schnittflorteppichen
B = BRILLANZ
C = KONTRAST
Bausch = durchschnittliche subjektive Bauschbewertung von Teppichen mit ebenen Schlingen und von Schnittflorteppichen
"Brillanz" ist im allgemeinen ein Maß dafür, wieviele Photonen zu dem Betrachter zurücklauf en, und dabei wird eine im Winkel bewertete Summe der Anzahl der Photonen in jedem Fenster über den Bereich von Filamentorientierungen benutzt. "Kontrast" ist ein Maß dafür, wie sich die Photonenverteilung ändert, wenn sich die Faserorientierung ändert, das heißt als Funktion der Faserdrehungsorientierung. Es können auch andere Parameter, die die Gesamtstrecke berücksichtigen, die die Photonen in der Faser zurückgelegt haben, zur Voraussage der Farbstoffausbeute benutzt werden. Verschiedene weitere Parameter können ebenfalls benutzt und mit subjektiven Daten korreliert werden.
Die obige Gleichung 36 war, wie festgestellt wurde, präzis inherhalb eines Fehlerbereichs, der etwa so groß war wie die Reproduzierbarkeit der subjektiven Bewertungen. Somit ist die Gleichung 36 ein sehr gutes Voraussagemittel für den subjektiven Glanz.
Die Glanzeigenschaften können gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung in der oben beschriebenen Weise mit weniger rechnerischem Aufwand mit Hilfe der Verfahren errechnet werden, die beschrieben und beansprucht sind in WO-A-9118352, dessen Erfindungs gegenstand durch Verweis darauf hierin einbegriffen ist.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ableiten der Querschnittsformprofile von physischen Fasern, die in Form eines Büschels von einander berührenden Faserfilamenten, wie zum Beispiel in einem Fadenlauf oder einem Garn, vorhanden sind. Wenn eine Faser die Form eines einzelnen Filaments aufweist, kann ein Schnitt durch die Faser senkrecht zu ihrer Achse geführt werden, und der Querschnitt kann zum Zwecke der Ableitung einer mathematischen Darstellung der Querschnittsform abgetastet werden. Wenn jedoch die Fasern, die nicht weniger als 100 einzelne Faserfilamente oder mehr aufweisen können, von denen viele in einer einander berührenden Konfiguration zusammengehalten werden, wie in einem Fadenlauf miteinander gebündelt werden, ist eine Querschnittsausführung zur Isolierung eines einzelnen Faserfilaments zwecks Analyse in der oben beschriebenen Weise sehr schwierig, wodurch die Regulierung des Faserquerschnitts bei der Herstellung dementsprechend sehr schwierig wird.
Mit dem Abbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung für dieses Problem geschaffen und kann die Bestimmung und Regulierung des Glanzes mit der Regulierung des Faserquerschnitts bei der Herstellung gekoppelt werden. Somit be trifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Analysierung des Bildes von einem Querschnitt durch mehrere einander berührende Fa.serfilamente und die Ableitung der Kontur einer einzelnen Faser daraus, ohne die Notwendigkeit, die Fasern zu trennen und eine einzelne Faser zwecks Analyse zu isolieren.
Figur 4 zeigt die Querschnitte einer Gruppe von einander berührenden Faserfilamenten, wie sie zum Beispiel in einem Fadenlauf oder Garn zusammengedreht werden können. Um einen physischen Querschnitt durch eine solche Gruppe längs einer Ebene senkrecht zu den Achsen von allen Filamenten herzustellen, wird das Faserbündel zuerst mit einem geeigneten Farbstoff gefärbt, zum Beispiel mit dem Säurefarbstoff Tectilon Blue 2GA, und dann in Längsrichtung gestreckt, um die Garnkräuselung zu beseitigen und die Achsen der Filamente auszurichten und dadurch alle Filamente parallel zueinander zu orientieren. Als nächstes wird das Bündel aus gestrecktem und parallel angeordnetem Garn in ein Epoxidharz mit einem zu dem Material der Filamente passenden Brechungsindex eingebettet, gehärtet und einem Dünnschnitt in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Filamente unterworfen. Der fertige Dünnschnitt durch das Faserbündel erscheint in der in Figur 4 dargestellten Weise, wenn er bei der mikroskopischen Untersuchung vergrößert wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Querschnittsbildes ist offenbart in WO-A-5035761.
Damit ein hoher Kontrast zwischen dem Videobild des blau gefärbten Faserbündels und dem Hintergrund zustandekommt, wird ein roter Interferenzfilter (zum Beispiel Ealing #35-3896 mit 630 nm Wellenlänge und 10,9 nm Bandbreite) an dem Mikroskop mit der Videokamera eingesetzt. Das entstandene Bild weist einen hohen Kontrast auf, und alle Bereiche des Bildes von dem dünn in Querrichtung geschnittenen Faserbündel erscheinen dunkel auf einem hellen Hintergrund.
Dann wird ein Bild von dem Mehrfaserquerschnitt hergestellt, wie zum Beispiel mittels einer Mikroaufnahme des Querschnitts, so daß dieses vergrößert werden und zum Zwecke der Ausführung einer digitalen Abtastung des Mehrfaserquerschnittsbildes benutzt werden kann. Das auf diese Weise hergestellte Bild weist die in Figur 4 dargestellte allgemeine Form auf, in der die Querschnitte der einzelnen Filamente einander berührend vorhanden sind. In Figur 4 ist nur ein Teil des Gesamtbildes dargestellt.
Das Videobild einer mikroskopischen Ansicht eines in der obigen Weise hergestellten Querschnitts durch ein Garnbündel läßt sich mit Hilfe von handelsüblichen Videobildabtastern und von Computer- Software zur Verarbeitung von Bildformatdatenmatrizes digitalisieren. Das auf diese Weise produzierte Bild weist die in Figur 4 dargestellte allgemeine Form auf, in der die Querschnitte von einzelnen Filamenten einander an Punkten an ihrem Umfang berühren. In Figur 4 ist nur ein Teil des Gesamtbildes dargestellt, wobei das Gesamtbild des Garnbündels oder eine kleine Zahl von einzelnen Fasern ausgewählt werden können, indem die Vergrößerung an dem Mikroskop verändert wird.
Wenn das Querschnittsbild des Faserbündels in der Form von Fi gur 4 hergestellt ist, wird das Bildanalyseverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt, um von dem Bild der einander berührenden mehreren Filamente die einzelnen Querschnittsformen der einzelnen Faserfilamente abzuleiten. Das Ablaufschema für eine Ausführungsform des Verfahrens ist in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellt. Eine ausführliche Erläuterung des Ablaufschemas folgt später. Zuerst wird eine Erläuterung des Bildanalyseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verweis auf die Figuren 8 bis 11 gegeben.
Bei vielen Einsatzgebieten der Messung der Bildverarbeitung enthält das Bild Teilchen oder Objekte, die sich berühren. In diesen Fällen ist es schwierig, einzelne Eigenschaften (Größe, Form usw.) von Objekten zu messen, da die Grenze zwischen einander berührenden Objekten nicht zu erkennen ist. In manchen Fällen lassen sich Bildtrennverfahren einsetzen, um einander nicht berührende Bilder herauszulösen, und dort, wo dies möglich ist, können solche Verfahren mit den oben beschriebenen Verfahren gemaß der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
Bei Verfahren nach dem Stande der Technik jedoch wird, wenn die Berührung von benachbarten Formen miteinander nicht ausdrücklich begründet ist, jedes Konglomerat von Formen als ein Objekt gezählt, dessen Fläche die Summe der Flächen der Objekte in dem Konglomerat ist und dessen Form die Form des Konglomerats ist. Weitere Informationen werden gewonnen bei einer anderen Vorgehensweise, bei der globale binäre Bildverarbeitungsverfahren angewandt werden, um einander berührende Bilder zu trennen. Das führt jedoch zu einem sehr großen Verlust an Objektgröße und Forminformationen, d.h. diese Eigenschaften werden in dem Trennprozeß modifiziert. Handelsüblich erhältliche Vorrichtungen stehen zur Verfügung für die Teilchengrößenanlyse auf der Basis dieser Vorgehensweise.
Bei der vorliegenden Erfindung kommt eine neue Vorgehensweise zur Anwendung, mit der einander berührende Objekte getrennt werden, wobei im wesentlichen die Größen- und Forminformationen über jedes Objekt erhalten bleiben. Diese Methode gründet sich auf eine geometrische Analyse, bei der die Punkte in dem Bild betrachtet werden, wo die Objekte einander berühren. Diese sich berührenden Punkte treten stets paarweise auf, mit jeweils einem Punkt auf jeder Seite einer Berührungsfläche.
Als Beispiel betrachte man ein Bild aus schwarzen Kreisen auf einem weißen Hintergrund, wie es in Figur 8 zu sehen ist. Wenn sich die Objekte berühren, ist eine gemeinsame schwarze Fläche zwischen den Objekten ohne offensichtliche Grenze vorhanden. Auf jeder Seite dieser Fläche sind einander berührende Punkte vorhanden. Diese einander berührenden Punkte werden automatisch lokalisiert und zu Paaren zusammengepaßt, und dann werden die Objekte getrennt. Bei jedem der einander berührenden Objekte wird der fehlende Teil der Kontur in der Berührungsfläche mathematisch erzeugt auf der Basis von Informationen auf jeder Seite dieser Fläche.
Auf Grund der Vielzahl von Artefakten, die in ein Bild hineingeraten können, kann eine manuelle Bildaufbereitung vorgesehen werden. Bei Garnquerschnitten können zu diesen Artefakten Schmutz, ebenenverlagerte Fasern, sich überlappende Fasern und Fasern gehören, die sich beim Schneiden verzogen haben.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Garn zuerst gefärbt werden, wenn es nicht selbst ein Bild mit ausreichendem Kontrast liefert. Dann wird das Garn in Querrichtung geschnitten, vorzugsweise in der oben beschriebenen Weise, und auf einem Objektträger befestigt. Der Träger wird in ein Mikroskop gebracht, das Bild wird fokussiert, und es wird ein Feld zur Analyse ausgewählt. Dann wird das Programm gestartet.
Es wird automatisch ein Schwellwert errechnet, der benutzt wird, um das Bild in eine binäre oder eine Zweipunkt-Bilddarstel lung umzuwandeln, um Objekte vom Hintergrund zu unterscheiden (wie zum Beispiel in Figur 8). Kreise sollten sich idealerweise nur an einem Punkt berühren. In der Praxis sind die Bildauflösung und ein Schwellwertverfahren nicht vollkommen, und die einander berührenden Flächen werden oft übertrieben groß. Auf diese Weise entsteht eine Berührungsfläche zwischen Objekten und nicht nur ein gemeinsamer Berührungspunkt Alle Schwellwertobjekte, ob isoliert oder als Konglomerate, werden automatisch abgetastet (wie in dem Umfahrungsbild in Figur 9), und die Konturkoordinaten werden festgehalten. Die Teile der Analyse bis zu dieser Stelle sind nach dem Stande der Technik bekannt.
Das Programm wird gesteuert durch eine vorher für die zu analysierenden Fasern angelegte Datei. Diese Datei enthält mehrere regulierbare Parameter, die auf verschiedene allgemeine Arten von Proben und Funktionsbedingungen feinabgestimmt werden können (d.h. runde Fasern, trilobale Fasern, geringe Vergrößerung, starke Vergrößerung usw.). In der Praxis weisen die Parameter für alle Proben ähnliche Werte auf. Werden diese Parameter und die Kontur koordiniert eingesetzt, lokalisiert das Programm die Berührungspunkte durch Berechnung der zweidimensionalen Krümmung an allen Punkten längs der Kontur. Punkte, die in geeigneter Weise über einem vorgewählten Krümmungsschwellwert liegen, werden als Berührungspunkte erkannt. In dem Programm sind mehrere Testbedingungen enthalten, damit gültige Berührungspunkte von unechten Berührungspunkten unterschieden werden, die eine hohe Krümmung aufweisen können.
Dann führt das Programm die Berührungspunkte zu Paaren zusammen. Dies wird dargestellt, indem die Paare von Berührungspunkten in der in Figur 10 dargestellten Weise durch gerade Linien verbunden werden. Bei Bedarf können die Ergebnisse manuell aufbereitet werden, d.h. unechte Verbindungen können unterbrochen werden, nicht miteinander verbundene Punkte können verbunden, nicht einander zugehörige Berührungspunkte können beseitigt oder erforderliche Berührungspunkte geschaffen werden.
Dann läuft ein Programmalgorithmus durch das Bild und extrahiert jedes einzelne Objekt. Die Verarbeitung erfolgt unabhängig von der speziellen Konfiguration des Berührungsbildes, d.h. es spielt keine Rolle, ob ein vorgegebenes Objekt isoliert ist, ein anderes Objekt berührt oder mehrere andere Objekte berührt. Sie ist auch unabhängig von der Form jedes Objekts innerhalb von normalen Funktionsbereichen.
Dann werden die fehlenden Kontursegmente (in den Berührungsflächen) interpoliert mit Hilfe einer polynomen Funktion, die vor und hinter der Berührungsfläche an die Teile der Kontur angepaßt wird. Des weiteren dienen die Daten der geraden Linie zwischen den Berührungspunkten bei der Anpassung dazu, mit einer geringeren Bewertung zur Führung der Anpassung beizutragen. Dadurch kann eine enge Näherung an das tatsächliche fehlende Segment in der in Figur 11 dargestellten Weise erfolgen, in der die Extraktion jedes Objekts (veranschaulicht durch hervorgehobene Mittelpunkte) und die Interpolierung der fehlenden Kontursegmente dargestellt sind.
Nunmehr werden die Endergebnisse angezeigt. Es gibt eine weitere Gelegenheit zur manuellen Bildaufbereitung in dem Sinne, daß etwaige Fasern, die ungeeignet sind zur Aufnahme in die Messungen, ausgeschaltet werden können.
Es werden Formparameter für jede Faser berechnet, und für jede Faser wird eine Datei angelegt, die diese Parameter enthält. Die Dateinamen werden zu Beginn des Programms automatisch von einer Ausgangsnameneingabe inkrementiert.
Die Dateien werden in der oben beschriebenen Weise dem Programm des Strahlendurchrechnungsverfahrens unterworfen, und dann werden die Glanzeigenschaften für jede Faser errechnet. Dann kann die Verteilung der Glanzeigenschaften für die Faser in dem Faserbüschel bestimmt werden.
Nunmehr erfolgt eine Beschreibung der Hauptschritte, die in dem in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellten Ablauf schema der Bildanalyse dargestellt sind. Jeder Schritt in dem Ablaufschema ist mit einer Beschreibung des Schrittes bezeichnet, den dieses darstellt.
In den Schritten 101 und 105 in Figur 5 ergibt sich immer dann, wenn ein einfacher Bildschwellwert eingesetzt wird, eine größere Genauigkeit, wenn eine Korrektur an einer Ungleichmäßigkeit in dem Bild erfolgt, die auf ungleichmäßige Ausleuchtung und/oder Reaktionsschwankung in verschiedenen Stellen im Sensor der Kamera zurückzuführen ist. Zu diesem Zweck werden zu Beginn der Programmabarbeitung weiße und schwarze Referenzpunkte erfaßt und gespeichert. Wenn ein Querschnittsbild lokalisiert und fokussiert ist und die Beleuchtungsstärke eingestellt ist, werden die weißen Referenzbilder gewonnen, indem der Querschnitt aus dem Sichtfeld herausbewegt wird, so daß ein3 reine Fläche des Deckglases im Sichtfeld vorhanden ist. Um beste Ergebnisse zu erzielen, wird eine Mittelwertzahl von Teilbildern gebildet (typischerweise 64 Teilbilder). Die dunklen Referenzbilder werden gewonnen, indem das von dem Kamerasensor kommende Licht abgelenkt wird und eine Mittelwertzahl von Teilbildern gebildet wird (typischerweise 64 Teilbilder). Die Referenzbilder werden periodisch entnommen. Abschattungskorrekturverfahren sind aus der Literatur bekannt.
In Schritt 102 dient ein Mikroskopgitternetz mit Kreisen von bekanntem Durchmesser dazu, den Eichkoeffizienten zu ermitteln, z. B. die Anzahl der Mikrometer im Querschnittsbild, die einem Pixel im Bild entsprechen. Bei Kombinationen aus Kamera und Videodigitalisierungstableau, die zu sogenannten "quadratischen Pixeln" führen, ist der Eichkoeffizient in der x- und der y-Richtung der gleiche. Bei Systemen mit sogenannten "unquadratischen Pixeln" sind die Eichkoeffizienten in der x- und der y-Richtung verschieden, und es müssen beide Koeffizienten eingesetzt werden, um die Form der abgetasteten Filamente zu korrigieren. Der Umgang mit unquadratischen Pixeln ist in der Industrie genau bekannt.
In Schritt 103 kommen mehrere Parameter in dem Programm zur Anwendung, wobei z. B. ein solcher Parameter die Anzahl der Kon turpunkte festlegt, die in eine spezielle Passung nach den kleinsten Quadraten aufgenommen werden. Diese Parameter werden in einer Steuerdatei gespeichert. Die Nennwerte dieser Parameter funktionieren zwar gut für einen weiten Bereich von Formen, jedoch können die Werte auf spezielle Formen und Vergrößerungen feinabgestimmt werden. Einer solche Reihe von speziellen Parametern wird eine "Faserbezeichnung" zugeordnet. Die Steuerdatei kann mehrere solche Faserbezeichnungen mit ihrer zugeordneten Reihe von Parametern enthalten. Die Parameterreihe umfaßt:
Ausgangsdateiname - Ausgangsname, verwendet für Fouriersche parameterdateien. Das Programm ordnet Dateien automatisch Namen zu, indem es an die Ausgangsnamen aufeinanderfolgend Zahlen anfügt.
Fouriersche Reihenordnung - die höchste in der Fourierschen Reihe angewandte Ordnung, die die Formen der Filamente darstellt (die äußere Filamentkontur bei Filamenten mit Hohlräumen). Ein typischer Wert ist 12, und 24 ist der höchste jemals bei bekannten Einsatzzwecken der vorliegenden Erfindung benötigte.
Markierflagge für Filamente mit Hohlräumen - dient zur Mitteilung an das Programm, daß Filamente mit Hohlräumen vorhanden sind.
Fouriersche Reihenordnung für Hohlräume - die höchste in der Fourierschen Reihe angewandte Ordnung, die die Hohlraumformen darstellt, typischerweise 6.
Staubteilchengröße - der Pixelbereich, unterhalb dessen ein abgetastetes Objekt als Staub gilt und aus den Bilddaten entfernt wird, typischerweise 700.
Hohlraumschwellbereich - beim Abtasten von Filamenten werden die äußeren Konturen in einer Richtung entgegen derjenigen bei Hohlräumen und Einschlüssen zwischen den Filamenten abgetastet. Die errechneten Pixelbereiche haben ein unterschiedliches Vorzeichen, wenn die Abtastung in verschiedenen Richtungen erfolgt. Bei der vorliegenden Erfindung weisen Hohlräume und Einschlüsse einen negativen Bereich auf. Dieser Parameter (eine positive Zahl mit Einheiten von Pixelbereichen) wird für Objekte mit negativem Bereich benutzt. Liegt der absolute Wert des Pixelbereichs unter dem Wert der Parameter, dann gilt das Objekt als Hohlraum. Liegt der absolute Wert des Pixelbereichs über dem Wert der Parameter, dann gilt das Objekt als Einschluß. Der unterschiedliche Umgang mit diesen beiden Objektklassen wird unten in bezug auf die Lokalisierung von poten tiellen Berührungspunkten betrachtet. Ein typischer Wert ist 1200.
Krümmungsschwellwert - der Krümmungsschwellwert am Lageort von potentiellen Berührungspunkten, typischerweise 0.2.
Lauflänge der Krümmung - legt die Mindestanzahl von Punkten fest, die über dem Krümmungsschwellwert liegen müssen, um als Bereich mit potentiellem Berührungspunkt zu gelten, typischerweise 2.
Interpolierungspunkte - die Anzahl der Konturpunkte sowohl vor einem vorgegebenen Berührungspunkt als auch vor dessen dazu passenden Berührungspunkt, in beiden Fällen einschließlich der Berührungspunkte selbst, zur Verwendung als Daten zur Berechnung der Interpolierungskurve, die Filamentkonturdaten in die Berührungsbereiche einsetzen, typischerweise 15.
Interpolierungsanpassungsgrad - das Polynom mit dem höchsten Grad, das bei der Interpolierungsanpassung zur Anwendung kommt, typischerweise 4.
Gewichtungsfaktor - zueinander passende Berührungspunkte werden anfänglich durch eine gerade Linie verbunden. Bei der Anpassung der Interpolierungskurve werden die Daten der Geraden mit den Konturdaten vor und nach den Berührungspunkten aufgenommen, jedoch wird jeder Datenpunkt der Geraden mit diesem Faktor gewichtet. Ein typischer Wert ist 0,15.
Schwellwertverfahren - dient dazu, eines von vier möglichen Schwellwertverfahren in der unten erläuterten Weise auszuwählen.
Schwellwertzahl - der Teil der Differenz zwischen den Graustufen der Faser und den Spitzenwerten des Hintergrundhistogramms, der der höchsten Graustufe der Faser bei der Berechnung eines Bildschwellwertes gemäß einem der unten aufgezählten Verfahren hinzugefügt wird, typischerweise 0,5.
Anpassungspunkte für Löschtest Nr. 1 - die Anzahl der Konturpunkte sowohl vor als auch nach einem vorgegebenen potentiellen Berührungspunkt, in beiden Fällen einschließlich des potentiellen Punktes, die bei einer Anpassung nach den kleinsten Quadraten dazu dienen, die Tangentenvektoren an dem potentiellen Punkt auf Grund von Daten vor und von Daten nach dem Punkt zu ermitteln. Diese Tangenten dienen in einem Test dazu, potentielle Berührungspunkte zu löschen, die keine echten Berührungspunkte sind und z. B. auf Schmutz an der Kontur des Filaments zurückzuführen sein können. Ein typischer Wert ist 10.
Anpassungsgrad für Löschtest - das Polynom mit dem höchsten Grad, das bei der Anpassung beim Löschungstest Nr. 1 angewandt wird, tyischerweise 2.
Winkel für Löschtest Nr. 1 (Grad) - legt den Winkel fest, der beim Löschtest Nr. 1 benutzt wird. Wenn der Winkel zwischen den Tangenten größer ist als dieser Wert, wird der potentielle Testpunkt aus dem Datensatz entfernt. Ein typischer Wert ist 125 Grad.
Automatisch zusammengeführte Anpassungspunkte - die Anzahl der Konturpunkte sowohl vor als auch nach einem vorgegebenen potentiellen Berührungspunkt, in beiden Fällen einschließlich des Berührungspunktes, die bei einer Anpassung nach den kleinsten Quadraten dazu dienen, die Tangentenvektoren an dem Berührungspunkt auf Grund von Daten vor und von Daten nach dem Punkt zu ermitteln. Diese Tangenten dienen in einem Algorithmus dazu, automatisch den dazu passenden Berührungspunkt zu lokalisieren, d.h. den Berührungspunkt auf der entgegengesetzten Seite des Berührungsbereiches.
Anpassungsgrad für den Löschtest Nr. 1 - dient hier auch als Anpassungsgrad nach den kleinsten Quadraten. Ein typischer Wert ist 10.
Suchwinkelvergrößerung - legt die Anzahl der Grade fest, um die der in dem automatischen Anpassungsverfahren berechnete Winkel zwischen den beiden Tangenten vergrößert wird, um die Lokalisierung von zueinander passenden Berührungspunkten zu erleichtern, typischerweise 50 Grad.
Anpassungspunkte für den Löschtest Nr. 2 - dient dazu, zwei Punkte für jeden potentiellen Berührungspunkt zu lokalisieren, zwischen denen eine Gerade gezogen wird. Der erste Punkt wird ermittelt, indem über diese Anzahl von Konturpunkten vor dem potentiellen Berührungspunkt gegangen wird, und der zweite, indem über diese Anzahl von Konturpunkten nach dem potentiellen Berührungspunkt gegangen wird. Die Punkte entlang der Geraden werden getestet, um festzustellen, ob sie in der Faser oder im Hintergrund liegen. Ein typischer Wert ist 10.
Test des zueinander zugeordneten Anteils - Wenn zwei einander berührende Punkte vorläufig einander zugeordnet werden, werden die Bilddaten längs einer geraden Linie inspiziert, die die beiden Punkte verbindet, und wenn der Anteil dieser Punkte, die in der Faser liegen, geringer ist als dieser Wert, erfolgt keine Zuordnung zueinander. Ein typischer Wert ist 0,5.
In Schritt 104 wird jedes Querschnitts-Videobild digitalisiert. Es wird ein Mittelwert der Teilbilder gebildet, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die speziellen Videobildverarbeitungstableaus, die zur Bildung des Mittelwertes der Teilbilder benutzt werden, sind ein charakteristisches Merkmal der Hardware. In Schritt 106 wird eine Graustufe für jedes Bild errechnet.
Bei dieser Berechnung wird, wie aus der Literatur genau bekannt ist, das Bildhistogramm genutzt. Im allgemeinen sind zwei hervortretende Spitzenwerte in dem Histogramm vorhanden, einer auf Grund der Faser und der andere auf Grund des Hintergrundes. Der letztere Spitzenwert ist bei der üblichen Ausführung auf einer höheren Graustufe zentriert, da der Hintergrund hell ist und die Filamente dunkel sind. Würden in dem System helle Filamente auf dunklem Hintergrund analysiert (bei Filamenten mit Hohlräumen müssen die Hohlräume in der gleichen Weise wie der Hintergrund dunkel aussehend gemacht werden), würde sich der relative Lageort der beiden Spitzenwerte umkehren, und die nun folgende Erläuterung würde naheliegenderweise modifiziert.
Die beiden Spitzenwerte werden lokalisiert, und dann wird der Schwellwert in einer von mehreren Weisen berechnet. Typischerweise wird er folgendermaßen gefunden. Es wird der Minimalwert im Histogramm zwischen den Spitzenwerten festgestellt. Dieser Minimalwert kann auf mehr als einer Graustufe auftreten. Die niedrigste Graustufe, an der der Minimalwert auftritt, dient als Schwellwert. Es können auch andere Verfahren zur Berechnung von Schwellwerten angewandt werden: als Durchschnittswert aller Graustufen, die den Minimalwert im Histogramm aufweisen, als Durchschnittswert der Graustufen der beiden Spitzenwerte, als Graustufe, die als Graustufe des Faserspitzenwertes plus einem festen, festgelegten Anteil der Graustufen-Differenz zwischen Spitzenwerten festgestellt wird. Alle diese Verfahren erbringen im wesentlichen die gleichen Ergebnisse (50 wie viele Variationen dieser Verfahren erbringen würden), da die Aufbereitung der Probe durch Färben und der Einsatz eines optischen Filters in dem Mikroskop durchweg zu hohem Kontrast und zu Bildhistogrammen führen, die die erwartete Verteilung der Graustufen zeigen.
In Schritt 107 wird das Graustufenbild, nachdem ein Intensitätsschwellwert errechnet wurde, in ein binäres Bild umgewandelt: alle Pixel unterhalb des errechneten Schwellwertes gelten als ein Garnmaterial darstellend, und ihnen wird eine Graustufe zugeord net, z. B. 255; alle Pixel oberhalb des errechneten Schwellwertes gelten als den Hintergrund darstellend, und ihnen wird eine andere Graustufe zugeordnet, z. B. 0. Die Abtast- und Bildtrennungsverfahren erfolgen alle mittels dieses binären Bildes. Es ist nicht notwendig, tatsächlich eine binäre Version des Bildes herzustellen - es könnte das Graustufenbild verarbeitet und jedes Pixel darauf getestet werden, ob es oberhalb oder unterhalb des Schwellwertes liegt, und dementsprechend vorgegangen werden.
In Schritt 108 werden dann alle binären Objekte abgetastet, die Garnmaterial in dem Bild darstellen, ob isolierte Filamente oder eine Gruppe von einander berührenden Filamenten, d.h. es werden die Koordinaten x, y der Konturen ermittelt. Bei einer aktuellen Ausführungsform stellen die in den Daten festgehaltenen Koordinaten eine Abtastlinie längs der Außenseite der Filamentkontur dar, d.h. sie liegen nicht an Schwellwertpunkten, sondern um ein Pixel entfernt von dem entsprechenden Grenzschwellwertpunkt. Andere Verfahren sind anwendbar. Es sei angemerkt, daß die x- und die y-Werte ganze Zahlen sind. Das Abtasten von binären Objekten ist in der Technik wohlbekannt, und es kann jeder geeignete Algorithmus angewandt werden, der die Koordinaten längs der Konturen erzeugt, unter der Voraussetzung, daß das Abtasten von Hohlräumen und Einschlüssen zwischen Filamenten, wie das gewöhnlich der Fall ist, in Gegenrichtung zum Abtasten von anderen Konturen erfolgt. Diese Eigenheit wird genutzt bei der Trennung von einander berührenden Filamenten (unten). Es stehen auch Geräte zur Verfügung, die das Abtasten von binären Objekten in der Hardware übernehmen können.
Um das Bild herum wird ein Rahmen mit Graustufen gezogen, die gleich der Graustufe des Hintergrundes sind, typischerweise mit 2 Pixeln Breite. Dadurch wird der Umgang mit Objekten leichter, die den Rand berühren, denn diese können jetzt vollständig herum abgetastet werden, unabhängig von den Eigenschaften eines speziellen Pufferhardware-/und -softwaresystems.
In Schritt 109 erfolgt zur Vorbereitung auf die Berechnung von Krümmungswerten an jedem Konturpunkt x, y eine Glättung der Koordinatenwerte. Dies geschieht mit einem Mittelwert für die x-Koordinaten und gesondert mit einem Mittelwert für die y-Koordinaten und bei beiden über ein Glättungsfenster von regulierbarer Länge, typischerweise von 3 oder 5. Es können verschiedene Bewertungen von Punkten in dem Fenster erfolgen, von denen viele im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erbringen. Die ganzzahligen Originalwerte von x, y werden ersetzt durch die geglätteten Werte von x, y. Diese letzteren Werte sind Istwerte.
In Schritt 110 können Punkte in dem Bild, an denen Filamente einander berühren, dadurch gefunden werden, daß sie im allgemeinen größere Krümmungswerte aufweisen als andere Punkte in dem Bild, zum Beispiel auch einschließlich derjenigen an den Spitzen von trilobalen Elementen. Die Krümmung wird an jedem Punkt an jeder Kontur errechnet. Für eine räumliche Kurve wird die Krümmung definiert als der absolute Wert des Maßes der Veränderung im Neigungswinkel der Tangentenlinie mit der Bogenlänge längs der Kurve. Bei einer Kurve, die durch Parametergleichungen x = f(t) und y = g(t) dargestellt wird, lautet die wohlbekannte Gleichung für die Krümmung:
K = [(dx/dt) (d²y/dt²) - (dy/dt) (d²x/dt²)]/ [/dx/dt)² + (dy/dt)²]3/2
Hinsichtlich der diskreten Koordinatenvariablen von Filament 11 konturen werden Ableitungen durch Differenzen ersetzt (Unterprogramm TAKE DERIVATIVE).
In Schritt 111 erfolgt eine Suche längs jeder Kontur nach Abfolgen von Krümmungswerten, die über dem gewählten Krümmungsschwellwert liegen. Die Länge der Abfolgen und der Wert der Krümmungsschwelle werden aus der Steuerdatei eingegeben. Bei jeder solchen Abfolge von Punkten wird der Punkt mit dem größten Krümmungswert als potentieller Berührungspunkt gespeichert, und in dem Falle, wo alle Krümmungswerte in einer Abfolge gleich sind, dient der mittlere Punkt in der Abfolge als potentieller Berührungspunkt Im Falle von Filamenten mit Hohlräumen möchten wir keine potentiellen Berührungspunkte an einem Hohlraum lokalisieren; die Hohlräume können zwar ausgeprägte Merkmale haben, berühren sich jedoch im allgemeinen nicht. Hohlräume werden wie Einschlüsse zwischen Filamenten in Richtung entgegen der Richtung der äußeren Filamentkontur abgetastet und weisen daher Bereiche mit verschiedenen Vorzeichen auf, wobei ihre Bereiche in unserem Falle negativ sind. Der Steuerdateiparameter für den Hohlraumschwellbereich dient dazu, Hohlräume von Einschlüssen zu unterscheiden. Für Hohlräume werden die potentiellen Berührungspunkte nicht an der Kontur gewählt, für Einschlüsse werden die potentiellen Berührungspunkte gewählt. Es sei angemerkt, daß bei Bedarf andere Kriterien, z. B. die Form, herangezogen werden könnten, um zu einem speziellen Zweck Hohlräume von Einschlüssen zu differenzieren.
In Schritt 112 dienen verschiedene Kriterien dazu, potentielle Berührungspunkte zu testen, um festzustellen, ob sie gültige Berührungspunkte sind. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf den obigen Löschtest Nr. 1 und den Löschtest Nr. 2. Für den letzteren Test muß zumindest ein Anteil der Punkte längs der Geraden, der im Programm typischerweise auf 0,5 gesetzt wird, außerhalb der Faser liegen, damit der Berührungspunkt als gültig betrachtet wird. Bei Fasern können ungültige Berührungspunkte entstehen, zum Beispiel wenn sich ein Staubteilchen an der Kontur befindet. In den meisten Fällen werden solche ungültigen Berührungspunkte mit den obigen Tests automatisch aus der Betrachtung ausgeschlossen.
Eine Einschränkung bei diesen automatischen Tests zu allge meinen Zwecken mit Bildern ohne Fasern besteht darin, daß scharfe Konturmerkmale, die in einem Talpunkt längs einer Kontur angeordnet sind, nicht von gültigen Berührungspunkten unterschieden werden können. Ein Beispiel läge bei Bildern von Zahnrädem vor, wo die Punkte an den am nächsten zur Zahnradmitte liegenden Zähnen die obigen Eigenschaften aufweisen würden. In jedem Falle wird der Punkt automatisch aus der Betrachtung ausgeschlossen, wenn das automatische Zuordungsprogramm (unten) keinen geeigneten zweiten Punkt dazu findet. Auch ist stets eine manuelle Aufbereitung möglich, um den Punkt zu beseitigen. Schließlich ist es für bestimmte Zwecken möglich, zusätzliche Kriterien einzubringen, um die Berührungspunkte gültig zu machen, z.B. einen Test des Abstands zwischen zueinander passenden Berührungspunkten auszuführen, der dazu beitragen würde, die automatische Arbeitsweise des Programms zu verbessern.
In Schritt 113 dienen Punkte vor jedem Berührungspunkt und einschließlich des Berührungspunktes dazu, zumindest eine Zuordnung nach den kleinsten Quadraten zur Berechnung eines Tangentenvektors am Berührungspunkt vorzunehmen. In ähnlicher Weise dienen Punkte nach jedem Berührungspunkt und einschließlich des Berührungspunktes dazu, zumindest eine Zuordnung nach den kleinsten Quadraten zur Berechnung eines Tangentenvektors am Berührungspunkt vorzunehmen. Mit dem Parameter für die automatische Zuordnung von Punkten wird die Anzahl der bei diesen Zuordnungen zu verwendenden Punkte festgelegt. Zwischen diesen beiden Tangentenvektoren von den Daten vor und nach dem Berührungspunkt ist ein Winkel eingeschlossen. Mit dem Parameter für die Suchwinkelvergrößerung wird der Winkel festgelegt, durch den dieser eingeschlossene Winkel vergrößert wird, um die Lokalisierung eines dazu passenden Berührungspunktes zu erleichtem. Für jeden Berührungspunkt werden die anderen Berührungspunkte abgerufen, und der beste passende Punkt wird bestimmt als der nächstliegende, der innerhalb der Winkelöffnung der Vektoren des Berührungspunktes liegt, der einen zu ihm passenden Punkt erhalten soll.
Es wird eine Berührungspunkttabelle erstellt. Jeder Punkt in der Tabelle weist eine Markierung auf, die anzeigt, zu welcher Konturanordnung dieser gehört, den Index, den er in dieser Anordnung hat, und eine weitere Markierung, die anzeigt, zu welchem anderen Berührungspunkt in der Tabelle er zugeordnet werden soll. Durch Tests in dem automatischen Zuordungsverfahren wird garantiert, daß ein vorgegebener Berührungspunkt nicht zu mehr als einem anderen Berührungspunkt zugeordnet wird.
In Schritt 114 wird die manuelle Bearbeitung der Zuordnung von Berührungspunkten zueinander vorgesehen, wobei die in dem automatischen Zuordnungsvorgang erarbeitete Berührungspunkttabelle benutzt wird. Die das Programm bedienende Person kann folgendes tun: neue Berührungspunkte dort herstellen, wo keine automatisch festgestellt wurden, ungültige Berührungspunkte löschen und die Verbindungen zwischen einander berührenden Punkten modifizieren. In dem Programm kann ein vorgegebener Berührungspunkt nicht zu mehr als einem oder anderen Berührungspunkt zugeordnet werden. Wenn eine manuelle Zuordnung zueinander erfolgt, bei der ein schon zugeordneter Berührungspunkt benutzt wird, wird die ursprüngliche Zuordnung zueinander aufgelöst.
In Schritt 115 wird durch einfaches Zuordnen von Berührungspunkten zueinander das Problem der Trennung von einander berührenden Filamentbildern nicht gelöst. Das ist so, weil sich beim Übergang von einem Berührungspunkt zu seinem ihm zugeordneten Berührungspunkt die Kontur an dem zugeordneten Punkt in zwei Pfade verzweigt. Jeder Pfad könnte zu weiteren Paaren sich berührender Punkte führen, wobei sich die Kontur anschließend verzweigt. In einem Bild mit vielen Filamenten, die sich in möglichst mehr als einer Stelle an jedem Filament berühren, ist die Zahl der Möglichkeiten groß. Wenn angenommen wird, daß alle einander berührenden Punkte lokalisiert und einander zugeordnet wurden, nötigenfalls manuell, wird nunmehr ein Leitalgorithmus benutzt, um jedes berührende Filament aus dem Bild zu extrahieren. Jede Kontur mit einem nicht zugeordneten Punkt wird aus den Daten gelöscht. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Berührungspunkttabelle wird eine Abtasttabelle benutzt, um einander berührende Filamente zu trennen. Diese Tabelle enthält x- und y-Daten für alle Kontursegmente, die in der Reihenfolge gespeichert sind, in der jedes Segment bei der ursprünglichen Abtastung des Bildes angetroffen wurde. Zusammen mit jedem Paar von x und y zeigt eine Markierflagge an, ob der Punkt ein Berührungspunkt ist.
Beim Abtasten aller einander berührenden oder isolierten Objekte werden alle Konturen in einer Richtung abgestastet, zum Beispiel im Uhrzeigersinn, und alle Einschlüsse werden in Gegenrichtung abgetastet (Hohlräume würden in der gleichen Weise wie Einschlüsse abgetastet). Jedes Kontursegment, das den (verkleinerten) Bildrand berührt, wird aus den Daten gelöscht. Ein isoliertes Filament wird erkannt durch das Fehlen von einander berührenden Punkten an seiner Kontur.
Figur 4 stellt ein Beispiel für mehrere einander berührende, runde Filamente dar. Wir beginnen an dem ersten Berührungspunkt in der Berührungspunkttabelle, zum Beispiel an Punkt A. Dadurch ergibt sich das erste Paar x, y einer neuen Anordnung, die ein abgetrenn tes Filament darstellt. Dann wird das Paar x, y des Berührungspunktes, zu dem A zugeordnet wird, in diesem Falle B, zu der abgetrennten Filamentanordnung hinzugefügt. Die Datenpunkte der abgetrennten Filamentanordnung zwischen A und B werden interpoliert, wobei x- und y-Daten aus der Geraden benutzt werden, die A und B verbindet. Die Zahl der interpolierten Datenpunkte richtet sich nach dem Abstand von A nach B in Pixel-Einheiten und beträgt typischerweise 1 Datenpunkt pro Pixel. Wenn man weiß, zu welcher Anordnung B gehört, und wenn man den Index von B in dieser Anordnung kennt, werden die Datenpunkte der abgetrennten Filamentanordnunh hinzugefügt, 35 indem inkrementell der Indexwert der Anordnung erhöht wird, zu dem B gehört, und die entsprechenden Datenpunkte benutzt werden. Das setzt sich fort, bis man einen nächsten Berührungspunkt findet, in diesem Falle den Punkt C. Die Daten werden zu der abgetrennten Filamentanordnung hinzugefügt, indem zu dem dazu passenden Berührungspunkt, zu D, gegangen wird, und indem wie zuvor Daten der Geraden interpoliert werden. Dieses Verfahren setzt sich in dieser Weise fort, wobei man von E nach F geht, bis man wieder zum Ausgangspunkt A gelangt. Wenn das geschieht, sind die Koordinaten des Filaments 1 extrahiert.
Jeder Berührungspunkt wird einmal als erster Punkt in einem Paar von zueinander passenden Punkten benutzt. Somit wäre der nächste unbenutzte Berührungspunkt in diesem Beispiel B. Dieser wird zu A zugeordnet usw., wobei wir um das Filament 2 herum gehen und auf diese Weise dessen Koordinaten extrahieren. Auf diese Weise kann jedes Filament extrahiert werden.
Durch die Trennung der Filamente ergeben sich Filamentformen, die Berührungspunkte aufweisen, die mit Segmenten der Geraden verbunden sind. Um eine bessere Darstellung der Filamentform erzielen zu können, erfolgt eine Interpolierung, wenn man jeweils auf eine Berührungsfläche trifft. Für jede Berührungsfläche wird eine Reihe von Koordinaten x und Koordinaten y hergestellt, die aus den x- und den y-Werten einer Reihe von Konturpunkten bis zu einem Berührungspunkt und einschließlich desselben besteht, wobei die Koordinaten x und y des Segments der Geraden die Berührungspunkte und die x- und die y-Werte einer Anzahl von Konturpunkten jenseits und einschließ lich des anderen Berührungspunktes verbinden. Die Koordinaten x und die Koordinaten y werden einander jeweils separat mit Hilfe von orthogonalen Polynomen zugeordnet, deren höchster Grad in der Steuerdatei festgelegt ist, typischerweise mit 4. Die Anzahl der längs der Kontur vor und nach dem Berührungspunkt zu verwendenen Punkte ist in der Steuerdatei festgelegt, und typischerweise mit 15. Die Daten der Geraden werden bewertet. Der Bewertungswert ist ebenfalls in der Kontrolldatei festgelegt und beträgt typischerweise 0,15. Dann werden die Daten der Geraden zwischen einander berührenden Punkten durch die errechnete Funktion gemäß den kleinsten Quadraten ersetzt. Es wird festgestellt, daß mit diesem Verfahren im allgemeinen die geeigneten "fehlenden" Kontursegmente ausgefüllt werden. Es können alle standardmäßigen Zuordnungsalgorithmen gemäß den kleinsten Quadraten angewandt werden, zum Beispiel die in der Numerischen Algorithmengruppe angegebenen.
In manchen Fällen, wo die beiden Filamente "zusammenhängen", d.h. sich über weite Bereiche berühren, ist es manchmal nicht mög lich, die fehlende Filamentkontur genau auszubilden.
In Schritt 116 können sich auf einem Objektträger einige Schmutz- oder Staubteilchen befinden, die ebenfalls zusammen mit den Filamenten abgetastet werden. Diese sind im allgemeinen viel kleiner als die Filamente. Ein Parameter in der Steuerdatei legt eine Fläche in Einheiten von quadratischen Pixeln fest, die als Flächenschwelle zur Erkennung von unerwünschten kleinen Objekten dient. Wenn jedes Objekt oben abgetrennt ist, wird seine Fläche errechnet und mit der Flächenschwelle verglichen. Ist die Fläche kleiner als die Flächenschwelle, wird ihre Lauf spur aus den Bilddaten gelöscht.
In Schritt 117 dient einer der Eingabeparameter in der Steuerdatei als Markierflagge, die anzeigt, ob das Bild Filamente mit Hohlräumen enthält.
In Schritt 118 werden in der folgenden Weise Hohlräume zu den Filamenten zugeordnet, zu denen sie gehören. Vorher wurde allen Filamentkonturen in dem Bild eine spezielle Graustufe G1 zugeordnet, und allen Hohlraumkonturen wurde eine spezielle Graustufe G2 zugeordnet, die sich von derjenigen der Filamente unterscheidet. Zu diesem Zweck kann ein Bildrahmen verwendet werden. Bei einem vorge gebenen Hohlraum werden alle Filamente abgefragt, indem die Graustufe in dem Bild längs von Geraden kontrolliert wird, die die Mitte des Hohlraums mit der Mitte jedes Filaments verbinden. Das Filament, für das die Gerade nicht über irgendwelche Bildpunkte auf der Graustufe G1 läuft, ist das Filament, zu dem der Hohlraum gehört. Bei der Kontrolle der Graustufen längs der Geraden wird ein Bereich von 3 Pixeln mal 3 Pixeln abgefragt, der an jedem Punkt der Geraden zentriert ist. Dadurch werden potentielle Probleme beseitigt, die dadurch entstehen könnten, daß die Bildkonturen aus mit ganzen Zahlen bewerteten Stellen bestehen. Hohlräume ohne Zuordnung, d.h. diejenigen, dessen zugeordnetes Filament den (verkleinerten) Bildrand berührt, werden aus den Bilddaten entfernt.
Dieses automatische Verfahren zum Zuordnen von Hohlräumen zu Filamenten funktioniert z. B. gut bei runden, quadratischen oder dreieckigen Filamenten mit Hohlräumen, die die meisten von denjemigen ausmachen, die für bestimmte Einsatzbereiche analysiert werden. In manchen Fällen, wie zum Beispiel mit ungewöhnlicheren oder unregelmäßig geformten Filamenten mit Hohlräumen, kann das Verfahren mit manueller Zuordnung ausgeführt werden.
In Schritt 119 erhält die Bedienungsperson die Möglichkeit, manuell ein Objekt zu löschen, das auf dem Monitor abgetastet und in den Umrissen erkannt wurde. Das erfolgt durch Bedienung einer Tastaturtaste, mit der ein Auswahlkursor in den abgetasteten Objekten von Mitte zu Mitte bewegt wird. Mit einer weiteren Taste kann die Löschfunktion angewählt werden. Sobald das Objekt gelöscht ist, wird dessen Linienzug gelöscht, und das Objekt wird aus den Bilddaten getilgt.
Wie oben in Schritt 102 angemerkt, stellen die abgetasteten x- und y-Daten für ein Filament, wenn eine Kombination aus Kamera und Videodigitalisiergerät benutzt wird, die sogenannte "nichtquadratische Pixel" produziert, eine verzerrte Filamentform dar. In Schritt 102 wird bei der Bearbeitung diese Verzerrung bei Bedarf so korrigiert, daß die echte Filamentform erzielt wird, bevor die Parameter des Filaments errechnet werden.
In Schritt 121 werden nunmehr die Fourierschen Formparameter errechnet. Die angewandte spezielle Fouriersche Darstellung entsteht durch Erweiterung des komplexen Radiusvektors von der Mitte des Filaments zu den Konturpunkten in bezug auf die Bogenlänge längs der Kontur des Filaments, gemessen an dem ersten abgetasteten Punkt an der Kontur. Die Eigenschaften dieser Fourierschen Parameter im allgemeinen und das Berechnungsverfahren für diese sind aus der Literatur wohlbekannt, obwohl diese niemals bei der Darstellung von Faserquerschnittsformen mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wurden.
Die jedes Filament darstellenden Fourierschen Formparameter werden in einer Datei gespeichert, einer Datei für jedes Filament. Im Falle von Filamenten mit Hohlräumen enthält die Datei die Formparameter für die äußere Kontur des Filaments und wird gefolgt von einer Datei für die Formparameter für jeden Hohlraum. Diese Dateien werden in das Strahlendurchrechnungsprogramm eingegeben, das diese
inliest und die Formparameter nutzt, um die Filamentformen herzustellen. Zur automatischen Behandlung von Filamenten mit und ohne Hohlräume dient eine Benennungsvereinbarung.
Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ergebnisse erzielt, die wesentlich genauer für einander berührende Bilder sind als bei gegenwärtig zur Verfügung stehenden Verfahren, wie sie zum Beispiel mit gegenwärtig zur Verfügung stehenden han delsüblichen Einrichtungen nach der obigen Beschreibung ausgeführt werden. Es ergibt sich ein wichtiger Vorteil, wenn man die einander berührenden Bildpunkte analysiert, anstatt standardmäßige globale binäre Bildverarbeitungsverfahren (z. B. Erosion, Dilatation usw.) anzuwenden, die oft die Formen der Objekte im Bild verän dem. Bei der vorliegenden Erfindung dienen insbesondere i) Konturkrümmungswerte dazu, einander berührende Punkte automatisch zu lokalisieren, wird ii) eine automatische Zuordnung von Berührungspunktpaaren zueinander vorgenommen, wird iii) ein Programmalgorithmus benutzt, um Objekte zu trennen, wenn die Berührungspunkte einander zugeordnet sind, und wird iv) ein Verfahren zur Interpolierung der fehlenden Konturdaten in den Berührungsbereichen geschaffen.
Bei einer vorgegebenen Garnprobe, die aus einem Bündel von Filamenten besteht, können alle Querschnittsformen der Filamente in dem Garn mit dem Verfahren gemäß dieser Erfindung bestimmt und dann den Schritten des Glanzvoraussageverfahrens unterworfen werden, um einen repräsentativen Glanzwert des Garnbündels bestimmen zu können. Diese Schritte können als Teil des Garnherstellungsverfahrens und als Qualitätskontrollfunktion ausgeführt werden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusammen mit seinem Ausführungsalgorithmus an den meisten Computersystemen mit ausreichendem Speicher ausgeführt werden. Es können im Handel erhältliche Einrichtungen (der Computer, die Kamera, das Mikroskop usw.) in ihrer üblichen Betriebsweise eingesetzt werden. Das Verfahren beschränkt sich jedoch nicht auf Bilder von mikroskopischen Objekten, sondern kann zum Beispiel in einem Sichtprüfungssystem für Maschinen zur Messung von einander berührenden diskreten Teilen angewandt werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung wurde in einem Herstellungsverfahren angewandt, um Spinndüsen auszuwählen, aus denen Faserfilamente zur Herstellung von Garn für Teppiche extrudiert werden, und um aus dem Verfahren diejenigen Spinndüsen zu entfernen, die auf Grund des Verschleißes in dem Herstellungsverfahren oder aus anderen Gründen, die unten erläutert sind, keine Faserquerschnitte mit Glanzeigenschaften innerhalb eines gewünschten festgelegten Bereiches hervorbrachten, und dies alles, ohne daß mit einer subjektiven Bewertung in das Herstellungsverfahren eingegriffen werden mußte.
In der Technik ist bekannt, daß sich die tatsächliche Querschnittsform, die aus der Schmelze ersponnene Filamente erhalten, im allgemeinen an die Querschnittsform von Spinndüsen angleicht (siehe USA-Patent 3,478,389). Auf Grund von unvermeidlichen Veränderungen der Spinnbedingungen läßt sich jedoch manchmal ein gewünschter Filamentquerschnitt nicht zustandebringen. Deshalb sind in Garnen, die mit verschiedenen Spinndüsen hergestellt wurden, bestimmte Ungleichmäßigkeiten zu erwarten. Das ist der Fall, auch wenn die Öffnungen in den Spinndüsen die gleiche Nennquerschnittsform und -größe aufweisen.
Ungleichmäßigkeiten in Garnen, aus denen ein Teppich besteht, die durch Veränderungen der Querschnittsform in verschiedenen Fadenläufen entstehen, beeinträchtigen den wahrgenommenen Glanz. Solche Ungleichmäßigkeiten rufen ein unerwünschtes visuelles Erscheinungsbild an dem Teppich hervor, das als Streifigkeit bezeichnet wird. Demgemäß ist es erwünscht, daß das visuelle Erscheinungsbild eines Garns und insbesondere das Glanzelement im Aussehen, die von einer vorgegebenen Spinndüse erzeugt werden, vorausgesagt werden können. Auf diese Weise läßt sich, wenn im voraus festgestellt werden kann, ob das Garn aus einer vorgegebenen Spinndüse mit Garn verträglich ist, das mit anderen Spinndüsentellern hergestellt wurde, eine unerwünschte Streifigkeit des Teppichs verhindern, indem das Herstellungsverfahren des Garns zum Zeitpunkt der Herstellung desselben reguliert wird. Das kann erfolgen mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, indem Garnproben gezogen werden, diese Proben mit dem Verfahren gemäß der Erfindung getestet werden und dann diejenigen Spinndüsen ausgesondert werden, mit denen kein Garn mit hinreichendem einheitlichem Glanz entsteht. Durch die Erfindung wird eine solche Vorgehensweise praktisch und viel weniger zeitaufwendig und weniger teuer als die Verfahren nach dem Stande der Technik zur Aubführung von Qualitätssicherungstests an industriemäßigen Garnmengen.
In dem oben genannten Fall wurden Faserbündelproben in der beschriebenen Weise hergestellt, es wurden einzelne Querschnittsformen abgeleitet, und es wurden die entstandenen Glanzeigenschaften bestimmt, alles mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Infolgedessen wurde es möglich, eine wirksame Regulierung des Faserglanzes bei der Herstellung rasch und billig als Teil der Fertigungsvorgänge vorzunehmen.
Das Verfahren, die einzelnen einander berührenden Formen von einem Bündel oder Büschel von einander berührenden Formen zu trennen, wird auch in anderen Anwendungsbereiche angewandt als in denjenigen, die mit den Querschnittsformen von einander berührenden Fasern zusammenhängen. Es ist allgemeiner geeignet in einem weiten Bereich von Einsatzzwecken, wo sich andere Teilchen oder Objekte als Gamfilamente berühren. Das gleiche Verfahren läßt sich zum Beispiel anwenden, um einzelne Formkonturen von Teilchen in Sedimenten zu bestimmen, oder zur Formprofilanalyse an biologischen Proben.
Des weiteren können, sobald die einzelnen Konturformen abgeleitet sind, weitere Parameter bestimmt werden, zum Beispiel das Modifikationsverhältnis (oben definiert) der einzelnen Faserfilamente. Somit eignet sich das Verfahren auch zur Ableitung solcher weiteren beschreibenden Parameter für die einzelnen Fasern aus einer Gruppe von Filamenten, von denen sich einige einander berührend konfiguriert sind.
Für die Fachleute werden verschiedene andere Einsatzzwecke offenbar.
Es versteht sich, daß die Offenbarung der hierin dargestellten Ausführungsformen ausführlich zum Zwecke einer vollkommenen und vollständigen Offenbarung und nicht einschränkend erläutert wurde. Demgemäß werden für die Fachleute verschiedene Änderungen, Modifikationen und Ersatzmöglichkeiten in den dargestellten Ausführungsformen erkennbar, und diese sind zu verstehen als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung befindlich, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern, umfassend:

a) die Bestimmung der Querschnittsform einer ausgewählten Faser längs einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der gewählten Faser;

b) die Ableitung eines mathematischen Modells der peripheren Kontur der Querschnittsform;

c) die Simulation des Auftreffens von Licht auf die gewählte Faser aus einer gewählten Richtung in einem Auftreffwinkel zwischen 0º und 90º zu der Längsachse;

d) die Ermittlung des Verteilungsmusters des simulierten auftreffenden Lichts nach dem Einwirken desselben auf die gewählte Faser aus einer mathematischen Darstellung des simulierten auftreffenden Lichts und dem mathematischen Modell der Querschnittsform;

und

e) die Korrelierung des ermittelten Verteilungsmusters mit subjektiven Werten und Bezug dieser Daten auf die Glanzeigenschaften, und dadurch Bestimmung der Glanzeigenschaften der gewählten Faser aus der Querschnittsform.

2. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 1, worin das mathematische Modell der peripheren Kontur der Querschnittsform in Form von Fourierschen Transformations funktionen ausgedrückt wird.

3. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Querschnittsform bestimmt wird, indem die tatsächliche Querschnittsform von einer oder mehreren physischen Fasern längs einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse derselben freigelegt wird und die Querschnittsform derselben abgetastet wird.

4. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Querschnittsform bestimmt wird, indem die tatsächlichen Querschnittsformen von einer Vielzahl von sich berührenden Fasern in einer Gruppe freigelegt werden, diese abgetastet werden und daraus Informationen abgeleitet werden, mit denen die Querschnittsformen der einzelnen Fasern in der Gruppe definiert werden.

5. verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte der Simulierung des schrittweisen Drehens der repräsentativen Faser um die Längsachse über eine Vielzahl von festen Positionen, der Simulierung des Auftreffens von Licht in jeder der festen Positionen, und der Ermittlung des Verteilungsmusters an jeder der festen Positionen.

6. Verfahren zur Regulierung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern in einem Herstellungsverfahren, umfassend:

a) die Herstellung einer Probe von einem oder mehreren Filamenten einer Faser, die in einem Herstellungsverfahren hergestellt wird, das reguliert werden soll;

b) die Bestimmung der Querschnittsfläche von mindestens einem ausgewählten Filament der Faserfilamente längs einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse desselben;

c) die Ableitung eines mathematischen Modells der peripheren Kontur der Querschnittsformen;

d) die Simulierung des Auftreffens von Licht auf das gewählte Faserfilament aus einer gewählten Richtung in einem Auftreffwinkel zwischen 0º und 90º zu der Längsachse;

e) die Ermittlung des verteilungsmusters des simulierten auftreffenden Lichts nach dem Einwirken derselben auf das gewählte Faserfilament aus einer mathematischen Darstellung des simulierten auftreffenden Lichts und dem mathematischen Modell der Querschnittsform;

f) die Korrelierung des ermittelten Verteilungsmusters mit subjektiven Daten und Bezug dieser Daten auf die Glanzeigenschaften, und dadurch Bestimmung der Glanzeigenschaften der gewählten Fasern aus der Querschnittsform; und

g) das Einstellen von ausgewählten Herstellungsparametern des Herstellungsverfahrens zur Regulierung der Glanzeigenschaften der herzustellenden Faser auf der Basis der auf diese Weise bestimmten Glanzeigenschaften.

7. Verfahren zur Regulierung der Glanzeigenschaften von Fila mentfasern in einem Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, worin die Querschnittsform bestimmt wird, indem die tatsächliche Querschnittsform von einer oder mehreren physischen Fasern längs einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse derselben freigelegt wird, und die Querschnittsform derselben abgetastet wird.

8. Verfahren zur Regulierung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern in einem Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, worin die Querschnittsform bestimmt wird, indem die tatsächlichen Querschnittsformen von einer Vielzahl von sich berührenden Fasern in einer Gruppe freigelegt werden, diese abgetastet werden und daraus Informationen abgeleitet werden, mit denen die Querschnittsformen der einzelnen Fasern in der Gruppe definiert werden.

9. Verfahren zur Bestimmung der Konturformen und Glanzeigenschaften von einzelnen Fasern in einem Faserbüschel, von denen zumindest einige Fasern einander berühren, umfassend:

a) die Anfertigung einer ebenen Darstellung eines Bildes der Konturen des Büschels von Fasern, deren einzelne Konturen bestimmt werden sollen;

b) die Bestimmung der Krümmungswerte der peripheren Verlaufswege der Konturformen derselben als Funktion der linearen Abmessungen derselben an jedem der gewählten Faserbüschel nach der Darstellung in dem Bild;

c) die Identifizierung von Bereichen an den peripheren Verlauf swegen, in denen die Krümmungswerte der Konturformen einen vorgewählten Schwellwert überschreiten;

d) die Identifizierung der Bereiche, in denen der Schwellwert überschritten wird, als potentielle Berührungspunkte, die Bereiche mit möglichem Berührungskontakt zwischen den Konturformen darstellen;

e) die Zusammenführung der Berührungspunktbereiche zu zueinander passenden Berührungspunktpaaren und Tilgung derjenigen potentiellen Berührungspunkte aus den Werten, die keine zueinander passenden Paare bilden;

f) die Trennung der Konturformen in den Bereichen der zueinander passenden Berührungspunktpaare; und

g) die Interpolierung der Konturformen über die getrennten Bereiche der Berührungspunkte, in denen die Konturformen auf Grund der Trennung fehlen, durch Anwendung von mathematischen Funktionen, die die Konturformen darstellen, unmittelbar angrenzend an die fehlenden Konturformbereiche, und dadurch Rekonstruktion der fehlenden Konturformen in den Berührungspunktbereichen und Vervollständigung der Extraktion der einzelnen Konturformen, wobei die Glanzeigenschaften der einzelnen Fasern gemäß dem Verfahren von Anspruch 1 bestimmt werden.

10. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, worin das simulierte Auftreffen von Licht in Form einer gewählten, statistisch relevanten Anzahl von diskreten Photonen erfolgt, die Laufwege von jedem der Photonen beim Einwirken auf das mathematische Modell der Faserguerschnittsform verfolgt werden und die kumulative Wirkung des Einwirkens der diskreten Photonen bestimmt wird, um dadurch das Verteilungsmuster zu ermitteln.

11. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Fila mentfasern nach Anspruch 5 oder Anspruch 10, worin die Drehungsabstände zwischen den festen Positionen weniger als etwa 10º betragen.

12. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 5 oder Anspruch 10, worin die Drehungsab stände zwischen den festen Positionen weniger als etwa 5º betragen.

13. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 5 oder Anspruch 10, worin die Drehungsabstände zwischen den festen Positionen weniger als etwa 3º betragen.

14. Verfahren zur Bestimmung der Glanzeigenschaften von Filamentfasern nach Anspruch 9, umfassend den zusätzlichen Schritt der Bestimmung des Modifikationsverhältnisses der einzelnen Faserfilamente aus den einzelnen Konturformen.