CN102359762A - 利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法，其特征在于，步骤为：依次进行图像采集、提取纤维的单像素边缘、利用直线段替代纤维边缘、矩形边配对及直径计算，重复提取纤维的单像素边缘至直径计算的步骤，直至处理完采集到的所有图像，将所得的数据绘制成纤维直径直方图，根据该图得到熔喷材料试样中纤维的主体直径。利用本发明的方法，可自动测试各种熔喷非织造材料的纤维主体直径，并具有测试速度快，结果客观，准确的特点，测试结果可用于指导和调整熔喷非织造材料生产工艺，并可用于熔喷材料过滤效率、阻隔效率的预测。

Description

利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法
技术领域
本发明涉及一种计算机利用图像处理技术测试熔喷非织造材料中超细纤维主体直径的方法。
背景技术
熔喷法是聚合物挤压法非织造工艺中的一种重要方法，熔喷非织造工艺是利用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并凝聚在凝网帘或滚筒上，并依靠自身粘合而成为非织造材料。熔喷非织造材料主要应用其超细纤维的特点，具有良好的过滤性能、清洁能力和功能性。
熔喷非织造材料中超细纤维的直径对熔喷材料性能有重要意义。超细纤维具有比表面积大、毛细管芯吸效果好、手感柔软、光泽柔和等优点。通常情况下，超细纤维主体直径越小，熔喷材料的过滤效率、阻隔效率越优；反之，过滤效率、阻隔效率越差。
常规的熔喷非织造材料中超细纤维主体直径的测试方法是利用扫描电子显微镜（SEM）拍摄非织造材料的显微放大图像或照片，通过手工测量的方法计算纤维直径。这种方法存在以下问题：（1）手工测量测试结果主观性强，无法准确测定纤维直径；（2）要准确表达纤维的主体直径，测试根数必须达到一定的量，而手工逐根测量的检测工作强度大，检测效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够自动检测出熔喷非织造材料中超细纤维主体直径的测试方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、图像采集：利用扫描电子显微镜在设定放大倍数下，随机选取熔喷非织造材料的不同部位进行图像采集；
步骤2、提取纤维的单像素边缘：对采集到的图像依照一定的取样方案选取一块区域作为取样区域，针对该取样区域进行边缘检测，随后进行二值化分割，再经过索引表法细化的方法得到熔喷超细纤维单像素宽的边缘；
步骤3、利用直线段替代纤维边缘：利用直线判断算法将纤维交叉部分的边缘断开，得到独立的纤维边缘，然后用直线连接纤维边缘的两端点；
步骤4、矩形边配对：根据纤维两边缘的之间的位置关系将提取的直线段配对为矩形边，利用矩形两平行边之间的直线距离计算得到纤维直径图像像素尺寸；
步骤5、直径计算：利用实际尺寸与图像像素尺寸之间的比例，计算每根纤维的实际直径；
步骤6、重复步骤2至步骤5直至处理完步骤1中所采集到的所有图像，将所得的数据绘制成纤维直径直方图，根据该图得到熔喷材料试样中纤维的主体直径。
熔喷非织造材料主要应用其超细纤维的特点，材料中纤维的主体直径将影响到熔喷材料的性能，例如纤维主体直径越小，熔喷材料的过滤效率、阻隔效率越优；反之，过滤效率、阻隔效率越差。利用本发明的方法，可自动测试各种熔喷非织造材料的纤维主体直径，并具有测试速度快，结果客观，准确的特点，测试结果可用于指导和调整熔喷非织造材料生产工艺，并可用于熔喷材料过滤效率、阻隔效率的预测。
附图说明
图1为采集的SEM比例尺图像示意图；
图2为通过扫描电子显微镜得到的熔喷非织造材料表面图像；
图3为第一种取样区域方案示意图；
图4为第二种取样区域方案示意图；
图5为第三种取样区域方案示意图；
图6为第四种取样区域方案示意图；
图7为提取单像素边缘中边缘检测后得到的图像；
图8为提取单像素边缘中图像分割后得到的图像；
图9为提取单像素边缘中细化后得到的图像；
图10为单像素边缘提取后的图像；
图11为直线段提取和连接后的图像；
图12为图11的局部放大视图；
图13为矩形边配对后的图像；
图14为图13的局部放大视图；
图15为纤维直径分布曲线图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种利用计算机图像处理自动测定熔喷非织造材料超细纤维主体直径的方法，在进行本发明所提供的步骤前，首先需要扫描电子显微镜（英文简称为SEM），其次，需要进行扫描电子显微镜图像实际放大倍数的标定。标定步骤为：如图1所示，根据图像中的比例尺对扫描电子显微镜图像的实际放大倍数进行标定，计算出图像中像素与实际尺寸的比例关系。本实施例中使用的分辨率为1280*960的图像中像素与实际尺寸的比例为：0.101。
本实施例所记载的方法的具体步骤为：
步骤1、图像采集：利用扫描电子显微镜在设定放大倍数下，随机选取熔喷非织造材料的不同部位进行图像采集。在本实施例中，可以将放大倍数设定为1000倍，可根据计算精度和数据的稳定性要求，在材料的不同部位采集10-20幅甚至更多的图像，采集后的图像中的其中一副如图2所示，针对该图所示的图像具体论述下面的步骤。
步骤2、提取纤维的单像素边缘：首先对采集到的图像任意选取一块区域作为取样区域。针对整幅扫描电子显微镜图像，可选多种取样区域方案，如图3至图6所示，为四种不同的方案，图中的网格区域表示需要检测的区域。以上四个方案所得到的主体直径数据如下表所示，其中，方案1至方案4分别对应与图3至图6：
分析以上数据可知，方案1与方案2对8个样品的主体直径测试数据相同。方案3与方案4的测试数据相同。利用配对t检验对方案1与方案3的数据进行显著性检验，方案1与方案3的数据在95%置信区间里无显著差异。因此，不同取样方案的主体直径测试数据在95%置信区间里是无显著性差异的，我们可以选择其中一个取样方案为例，对图像进行处理，在本实施例中选用方案1，即图3所示方案对图像进行处理。
其次，针对该取样区域进行边缘检测，边缘检测采用梯度边缘检测法，处理后的图像如图7所示，随后进行二值化分割，二值化分割采用自动全局阈值的二值化分割法，处理后的图像如图8所示，再经过索引表法细化的方法得到熔喷超细纤维单像素宽的边缘，处理后的图像如图9所示。进行完本步骤后，得到的图像如图10所示。
步骤3、利用直线段替代纤维边缘：利用直线判断算法将纤维交叉部分的边缘断开，得到独立的纤维边缘，然后用直线连接纤维边缘的两端点，其处理后的图像如图11及图12所示。
步骤4、矩形边配对：根据纤维两边缘的之间的位置关系将提取的直线段配对为矩形边，如图13及图14所示，利用矩形两平行边之间的直线距离计算得到纤维直径图像像素尺寸，其计算公式为： 
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE003
为纤维直径图像像素尺寸，两配对矩形边的直线方程分别为：
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE004
及
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE005
；
    步骤5、直径计算：利用实际尺寸与图像像素尺寸之间的比例，计算每根纤维的实际直径；
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE007
为纤维的实际直径，
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE008
为实际尺寸与图像像素尺寸之间的比例。
步骤6、重复步骤2至步骤5直至处理完步骤1中所采集到的所有图像，将所得的数据绘制成如图15所示的纤维直径直方图，根据该图得到熔喷材料试样中纤维的主体直径为1.90μm。
准确性检验：利用本实施例中方法对7种不同熔喷非织造材料进行纤维直径测量，采用下列公式确定统计分组数：
Figure 2011101658310100002DEST_PATH_IMAGE009
，并与传统测试方法（人工测试）进行比较。比较结果如下表所示，结果表明，本方法与传统人工测试结果完全吻合，可见本方法能准确地测定熔喷非织造材料中超细纤维主体直径。
 
熔喷材料 人工测试的主体直径(μm) 本方法测试的主体直径(μm)
1# 2.25 2.25
2# 2.00 2.00
3# 1.75 1.75
4# 1.90 1.90
5# 1.25 1.25
6# 1.25 1.25
7# 1.25 1.25

Claims (3)

1.一种利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、图像采集：利用扫描电子显微镜在设定放大倍数下，随机选取熔喷非织造材料的不同部位进行图像采集；
步骤2、提取纤维的单像素边缘：对采集到的图像依照一定的取样方案选取一块区域作为取样区域，针对该取样区域进行边缘检测，随后进行二值化分割，再经过索引表法细化的方法得到熔喷超细纤维单像素宽的边缘；
步骤3、利用直线段替代纤维边缘：利用直线判断算法将纤维交叉部分的边缘断开，得到独立的纤维边缘，然后用直线连接纤维边缘的两端点；
步骤4、矩形边配对：根据纤维两边缘的之间的位置关系将提取的直线段配对为矩形边，利用矩形两平行边之间的直线距离计算得到纤维直径图像像素尺寸；
步骤5、直径计算：利用实际尺寸与图像像素尺寸之间的比例，计算每根纤维的实际直径；
步骤6、重复步骤2至步骤5直至处理完步骤1中所采集到的所有图像，将所得的数据绘制成纤维直径直方图，根据该图得到熔喷材料试样中纤维的主体直径。
2.如权利要求1所述的一种利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法，其特征在于：所述纤维直径图像像素尺寸的计算公式为：                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，为纤维直径图像像素尺寸，两配对矩形边的直线方程分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
及
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
3.如权利要求1所述的一种利用计算机图像处理技术检测熔喷超细纤维主体直径方法，其特征在于：步骤5中实际尺寸与图像像素尺寸之间的比例的计算过程为：根据图像中的比例尺对扫描电子显微镜图像的实际放大倍数进行标定，随后计算出图像中像素尺寸与实际尺寸之间的比例。
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