利用小波算法建立棉纤维表面分形数学模型分析研究棉纤维的含糖量
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摘要
本文介绍了用分形理论解析棉纤维表面，表明其表面具有统计自相似的分形特征。并利用小波算法建立棉纤维表面的分形数学模型来研究棉纤维的含糖量。结果表明，棉纤维表面分维数与含糖量间存在定量关系。
课题解决了现有几种棉纤维含糖量测试方法难以有效反应棉纤维含糖量规律和粘着性问题。
棉纤维含糖份，使其具有粘着性，这使纺纱生产中出现绕皮辊、绕罗拉、绕皮圈的“三绕”现象，影响生产的顺利进行。因此，需要通过含糖量测试，对含糖量高的原棉做预处理。实际生产中，要求这种测试实验条件严格，有些棉纺厂难以做到。而采用小波算法建立棉纤维表面分形数学模型，计算各种棉样的表面分维数，利用其与原棉含糖量间存在的定量关系，制成样本。生产中，计算原棉表面分维数，将其与样本作比较，获取原棉含糖量信息，再做预处理。这样，不但可以有效反应原棉含糖量规律，且更省时、省力，避免繁琐的实验过程。在实际生产过程中，可以提高生产率，降低生产成本。
文章在概述分形理论和小波理论的基础上，重点阐述了分形与小波的密切关系，表明小波算法最适合分形对象的研究。同时，通过分形布朗运动曲面与Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数模拟的分形表面的计算实例，证明由小波算法建立数学模型求取分形维数，能更好的接近理论值，同时具有良好的抗干扰能力。
课题中是利用Matlab实现小波算法建模的，结果表明采用Matlab编程在计算维数的准确性、有效性及简便性方面都有所提高。
课题创新点在于，运用分形理论解析棉纤维表面结构特征，建立其表面分维与含糖量间的关系。
In this thesis, the theory of fractal has been applied to experimental studies of cotton fiber surface. It is evident that there are statistical self-similarity characteristic on the cotton fiber surface. To research the sugar content of cotton fiber with the help of wavelet algorithm, the fractal mathematics model is set up. As result, quantitative relations between the fractal dimension of cotton fiber surface and its sugar content can be made.
The issue is resolved, that the regularity of sugar content and sticking can not be efficiently responded by traditional measurement.
In the process of spinning from cotton to yarn, there are some phenomena of lapping top rollers lapping bottom roller and lapping apron, due to unsuitable sugar content of cotton fiber. So it is necessary to measure the sugar content of cotton fiber and prepare to handle high content before spinning for solving above problems. The strict conditions, which are required in measurement, can not be afforded by many cotton mills. Applying the fractal mathematics model, we can estimate the dimension of various kinds of cotton fiber surface, then, make the sample consulting the quantitative relation. In practice, the dimension of raw cotton being estimated can contrast with sample and obtain the information of cotton sugar content. Not only can this method respond the regulation of sugar content, but also it can save more time and more labor, avoid the tedious experiment process. It is more important that the method can increase the rate of production and decrease the production cost.
Based on the clarification of fractal and wavelet theories, the thesis discuss the close relation between them and explain that the wavelet is the most applicable way to studying fractal. In addition to, two calculating example, that Fractal Brown and W-M Function model, illustrate wavelet algorithm to be more accurate and its ability of good anti-interference.
Making use of MATLAB to set up model, accuracy efficiency and convenient have been improved
The innovation of the thesis is analyzing the cotton fiber surface in application of fractal theory to analyzing the cotton fiber surface
课题解决了现有几种棉纤维含糖量测试方法难以有效反应棉纤维含糖量规律和粘着性问题。
棉纤维含糖份，使其具有粘着性，这使纺纱生产中出现绕皮辊、绕罗拉、绕皮圈的“三绕”现象，影响生产的顺利进行。因此，需要通过含糖量测试，对含糖量高的原棉做预处理。实际生产中，要求这种测试实验条件严格，有些棉纺厂难以做到。而采用小波算法建立棉纤维表面分形数学模型，计算各种棉样的表面分维数，利用其与原棉含糖量间存在的定量关系，制成样本。生产中，计算原棉表面分维数，将其与样本作比较，获取原棉含糖量信息，再做预处理。这样，不但可以有效反应原棉含糖量规律，且更省时、省力，避免繁琐的实验过程。在实际生产过程中，可以提高生产率，降低生产成本。
文章在概述分形理论和小波理论的基础上，重点阐述了分形与小波的密切关系，表明小波算法最适合分形对象的研究。同时，通过分形布朗运动曲面与Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数模拟的分形表面的计算实例，证明由小波算法建立数学模型求取分形维数，能更好的接近理论值，同时具有良好的抗干扰能力。
课题中是利用Matlab实现小波算法建模的，结果表明采用Matlab编程在计算维数的准确性、有效性及简便性方面都有所提高。
课题创新点在于，运用分形理论解析棉纤维表面结构特征，建立其表面分维与含糖量间的关系。
In this thesis, the theory of fractal has been applied to experimental studies of cotton fiber surface. It is evident that there are statistical self-similarity characteristic on the cotton fiber surface. To research the sugar content of cotton fiber with the help of wavelet algorithm, the fractal mathematics model is set up. As result, quantitative relations between the fractal dimension of cotton fiber surface and its sugar content can be made.
The issue is resolved, that the regularity of sugar content and sticking can not be efficiently responded by traditional measurement.
In the process of spinning from cotton to yarn, there are some phenomena of lapping top rollers lapping bottom roller and lapping apron, due to unsuitable sugar content of cotton fiber. So it is necessary to measure the sugar content of cotton fiber and prepare to handle high content before spinning for solving above problems. The strict conditions, which are required in measurement, can not be afforded by many cotton mills. Applying the fractal mathematics model, we can estimate the dimension of various kinds of cotton fiber surface, then, make the sample consulting the quantitative relation. In practice, the dimension of raw cotton being estimated can contrast with sample and obtain the information of cotton sugar content. Not only can this method respond the regulation of sugar content, but also it can save more time and more labor, avoid the tedious experiment process. It is more important that the method can increase the rate of production and decrease the production cost.
Based on the clarification of fractal and wavelet theories, the thesis discuss the close relation between them and explain that the wavelet is the most applicable way to studying fractal. In addition to, two calculating example, that Fractal Brown and W-M Function model, illustrate wavelet algorithm to be more accurate and its ability of good anti-interference.
Making use of MATLAB to set up model, accuracy efficiency and convenient have been improved
The innovation of the thesis is analyzing the cotton fiber surface in application of fractal theory to analyzing the cotton fiber surface
引文
[1] Mandelbrot, B.B., The Fractal Geometry of Natrue, Freema, San Frencisco, 1989
[2] Peitgen, H.O. and Richter, P.H.,The Beauty of Fractals, Springer-Verlay, Berlin Heidelbery, 1986
[3] Barnsley, M.F.,Fractals Everywhere, Academic Press, Boston, 1988
[4] 胡瑞安，胡纪阳，徐树松，分形的计算机图像及其应用，中国铁道出版社，1995
[5] 陈宁，朱伟勇，M-J混沌分形图谱，东北大学出版社，1998
[6] 张济忠，分形，清华大学出版社，1995
[7] 辛厚文，非线性化学，中国科学技术大学出版社，1999
[8] 次世代纤维科学调查研究委员会，新纤维科学(日)，东京
[9] Mandelobrot. B, The Fractal Geometry of Nature, W.H. Freeman, New York, 1975
[10] 邵宗和(译)，用分形理论建立丝织物模型
[11] 张聿，李栋高，杨旭红，纺织设计中Julia集可是化信息表征法的研究，苏州大学学报工学报，2002(2)：25-28
[12] 张永宁，甘应进，复平面分形在纺织品花型CAD中的应用，纺织导报
[13] 郁铭芳，孙晋良，邢声远，季国标，纺织新境界，清华大学出版社，济南大学出版社，2002
[14] 高绪珊，童俨，庄毅，洪剑桥，天然纤维的分形结构和分形结构的开发，合成纤维工业，2002(8)：35-38
[15] 矾贝明，机能性Cellulose开发(日)，东京：株式会社CMC,1985
[16] Pentland A P. Fractal Based Description of Natural Science. IEEE Trans Pattern Analysis Machine Intelligence.1984.PAMI-6(6):661-674
[17] Peleg S, NAor J, Hartley R, Avnia D, Multiple Resolution Texture Analysis and Classification. IEEE Trans Pattern Analysis Machine Intelligence. 1984.PAMI-6(4):518-523
[18] Keller J M, Chen S, Crownover R M, Texture Description and Segmentation Through Fractal Geometry. Computer Vision Graphics Image Processing. 1989,45:150-166
[19] Sarkar N, Chandhuri B B, An Efficient Approach to Estimate Fractal Dimension of Textural Images. Pattern Recognition. 1992,25(9): 1035-1041
[20] 何振亚，鲍锴，董恒，何时春，纹理图像分割的分形研究方法，数据采集预处理，1996(5)：163-165
[21] 侯祥林，历风满，刘杰，分形维数二进算法及应用，微型电脑应用研究与设计，2002(4)：
22-24
[22] 冯志刚，周宏威，图像的分形维数计算方法及应用，江苏理工大学学报(自然科学版)，2001(6)：92-95
[23] Dubuc B, Zucker S W, Tricot C, Quiniou J F, Wehbi D, Evaluating the Fractal Dimension of Surface. Proc. R. Soc. London, 1989,A 425:113-127
[24] Ameodo A, Grasseau G, Holschneider M. Wavelet transform of multifractals. Physical Review Letter, 1988,61(14):2281-2284
[25] 李炳成，分形参数估计的子波函数方法，通信学报，1993，14(4)：95-98
[26] 朱治军，李后强，非线性科学的理论、方法和应用，北京：科学出版社，1997
[27] 马波，裘正定，小波变换的分形特征，铁道学报，1998，20(6)：74-80
[28] Freysz E, POuligny B, Argoul F, et al, Optical wavelet transform of fractal aggreqates[J]. Phys. Rev. Lett., 1990,64(7): 745-748
[29] Muzy J F, Pouligny B, Freyze E,et al. Optical—diffraction measurement of fractal dimensions[J]. Phy. Rev., 1992,45(12):8961-8964
[30] Chui. C. K. Wavelet: A tutorial theory and applications. New York: Academic Press,1992,1-453
[31] Frederique M, Dominique G, Matthias H et al, Wavelet analysis of potential fields, Inverse Problems, 1997,(13), 165-168
[32] Hong-tae S, Hans V, On the Gibbs Phenomenon for wavelet expansions,Journal of approximation theoty, 1996,(84):74-95
[33] 王建忠，小波理论及其在物理和工程中的应用，数学进展，1992，21(3)：289-316
[34] Zhang Q and Benveniste A., Wavelet network, IEEE trans: Neural Network, 1992,Vol.4,No.6,213-217
[35] 王玉宁，多尺度B样条小波边沿检测算子，中国科学(A辑)，1995，25(4)：426-437
[36] 焦李成，保静，子波理论与应用，进展与展望，电子学宝，1993，21(7)：91-97
[37] Morlet J., Wave propagation and salnyding theory and complex waves. Geophysics, 1982,47(2):222-236
[38] 夏德深，付德胜编著，现代图像处理技术应用，东南大学出版社
[39] 侯建荣，宋国乡，高维正交小波基的构造及应用，中国科协第三届青年学术会，1999
[40] 侯建荣，宋国乡，高维正交小波基的构造浅析，西安电子科技大学学报，2000，27(1)，123-125
[41] 宋国乡等，一种基于小波变换的白噪声消噪方法的改进，两安电子科技大学学报，2000，
27(5)：619-622
[42] 徐科，徐金梧，一种新的基于小波变换的白噪声消除方法，电子科学学刊，1999，21(5)：706-709
[43] Pande C S et al. Acta Metall,1987,35:163
[44] Lung C W, Zhang S Z, Physica D, 1989,38:242
[45] 程正兴，小波分析算法与应用，西安交通大学出版社，1998
[46] 辛厚文，分形理论及其应用[M]，合肥；中国科技大学出版社，1993。434-437
[47] 应宇铮，石青云，实数域上的盒维数计算与分形维数估计，模式识别与人工智能，1997，4(12)：357-361
[48] 卢圣凤，李柱，分形表面特征信息的复合评定方法，2002，8(8)：64-67
[49] 刘棣，刘汉桂，棉花含糖的综合评价
[50] 刘荣清，王柏润，范德忻，沙建勋，棉纺试验，纺织工业出版社，1981
[51] 张权中，国外棉花粘性研究简报(J)，新疆农业科学，1989(3)：45-47
[51] 朱大钧，棉纺学(第一册)，书恒出版社
[52] 梁子，陈战国，傅海威，张金迭，棉纤维表面结构的电镜分析，西安石油学院学报(自然科学版)，2000，3(5)：56-58
[53] 张权中，冯怀章，新疆棉花纤维含糖量来源于粘找原因初探[J]，新疆农业科学，1970(2)：60-61
[54] 刘卫东，北疆棉花含糖量的探讨，纤维检验，1988：33-34
[55] 池仁昌，美国棉纤维质量检验，山东进出口商品检验局印，1985，12，P174
[56] 王超，郝楠，王星，棉花中糖的测定方法，检验与测试方法，P4-P6
[57] 曲京武，对鲁棉含糖量的探讨，纺织标准与质量，2001(2)：17-19
[58] 范玲，论棉花纤维含糖量的检测方法，中国棉花，1995，22(9)：7-10
[69] 徐樽，棉纤维含糖规律及降糖对策，塔里木农垦学学报1998，5(10)：1-7
[60] 徐樽，海岛棉综合性状数据库的建立，中国农业科学，1995，28(4)
[61] 梅拥军等，海岛棉纤维含糖量的稳定性分析，中国棉花，1998，(4)
[62] 刘谦光等，纺织学报，1993，14(10)：13-15
[63] 龙德树等，南北疆细绒棉、长绒棉含糖量研究，中国棉花，1994，21(11)：16-17
[64] 张权中，国外棉花粘性简报，新疆农业科学，1989，(3)
[65] 王维岗，新疆棉纤维含糖量初探，中国棉花，1988，(4)
[2] Peitgen, H.O. and Richter, P.H.,The Beauty of Fractals, Springer-Verlay, Berlin Heidelbery, 1986
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[37] Morlet J., Wave propagation and salnyding theory and complex waves. Geophysics, 1982,47(2):222-236
[38] 夏德深，付德胜编著，现代图像处理技术应用，东南大学出版社
[39] 侯建荣，宋国乡，高维正交小波基的构造及应用，中国科协第三届青年学术会，1999
[40] 侯建荣，宋国乡，高维正交小波基的构造浅析，西安电子科技大学学报，2000，27(1)，123-125
[41] 宋国乡等，一种基于小波变换的白噪声消噪方法的改进，两安电子科技大学学报，2000，
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[44] Lung C W, Zhang S Z, Physica D, 1989,38:242
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[65] 王维岗，新疆棉纤维含糖量初探，中国棉花，1988，(4)